工業物聯網標準及技術綜述

工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室 重慶郵電大學 王 平 魏 旻

1 工業物聯網概述

2011年11月APEC峰會檀香山宣言中，提出了節能減排的目標，要在2035年將區內總能源消耗量較目前減少45%。美國總統科技顧問委員會在“面向21世紀的聯邦能源研究與發展規劃”中指出“低成本的工業無線技術將使工業生產效率提高10%，并使排放和污染降低25%”。以工業無線技術為核心的工業物聯網是當前物聯網領域最活躍的主流發展方向，通過支持設備間的交互與互聯，提供低成本、高可靠、高靈活的新一代泛在制造信息系統和環境，能夠有效降低自動化成本、提高自動化系統應用范圍。

工業物聯網通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，實現在工業現場采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程、采集其聲、光、熱、電等各種需要的信息。具有環境感知能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到工業生產的各個環節，可大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統工業提升到智能工業的新階段。

2 工業物聯網標準化情況

當前，在工業物聯網領域已形成三大國際標準，分別是由我國自主研發的WIA-PA標準、由ISA國際自動化協會（原美國儀器儀表協會）發布的ISA100.11a標準和由HART基金會發布的WirelessHART標準。

ISA從2005年便開始啟動工業無線標準ISA100.11a 的制定工作，ISA100委員會致力于通過制定該領域的一系列標準、建議規范、技術報告來定義工業自動化控制環境下的無線系統實現技術。考慮到技術的廣泛覆蓋，ISA100委員會已成立了若干工作組分別從事不同的具體任務。目前，國內僅有兩家單位（重慶郵電大學，北京科技大學）具有ISA100的投票權。ISA100.11a標準可解決與其他短距離無線網絡的共存性問題以及無線通信的可靠性和確定性問題，其核心技術包括精確時間同步技術、自適應跳信道技術、確定性調度技術、數據鏈路層子網路由技術和安全管理方案等，并具有數據傳輸可靠、準確、實時、低功耗等特點。

WirelessHART（Wireless HART）標準是HART通訊協議的擴展，專為工業環境中的過程監視和控制等應用所設計。WirelessHART標準在2007年6月，經HART通訊基金會批準，作為HART 7技術規范的一部分，加進了總的HART通訊協議族中。國際電工委員會于2010年4月批準發布了完全國際化的WirelessHART標準IEC 62591（Ed.1.0），是第一個過程自動化領域的無線傳感器網絡國際標準。該網絡使用運行在2.4GHz頻段上的無線電IEEE802.15.4標準，采用直接序列擴頻（DSSS）、通信安全與可靠的信道跳頻、時分多址（TDMA）同步、網絡上設備間延控通信（Latency-control led Communications）等技術。

國內中科院沈陽自動化所、重慶郵電大學等單位抓住工業設備無線化的歷史機會WIA-PA（Wireless Networks for Industr ial Automation-Process Automation）從2006年開始聯合制定我國自主的工業無線國家標準WIA-PA，并將該標準提交到IE C。WIA-PA已于2011年正式成為IEC 62601國際標準。它的研發成功，為我國推進工業化與信息化相融合提供了一種新的高端技術解決方案，也標志著我國在工業無線通信技術領域的研發已處于世界領先地位。WIA-PA協議與另外兩種標準相比，在規模可擴展性、抗干擾性和低能耗運行等關鍵性能方面具有明顯優勢，在拓撲結構、自適應跳頻、分簇報文聚合等方面具有創新性。

3 工業無線國際標準的比較

目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA這三大國際工業無線標準形成了三足鼎立的局面，各具優勢和特色。三種工業無線國際標準的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 三種工業物聯網網絡的拓撲結構

表1 三種標準協議性能對比

數據鏈路層鏈路實現 收發獨立 管理和數據分開, 基于網絡管理者 收發獨立M IC 32位 IEEE802.15.4 安全策略 IEEE802.15.4 安全策略鄰居發現 使用廣播幀 使用IEEE802.15.4信標幀 使用廣播幀絡層 采用圖路由和源路由方式，動態網絡帶寬管理尋址路由（支持靜態路由）分段與重組采用6LoWPAN標準： 地址轉換，分片與重組，骨干網間的路由傳輸層 無 無 基于RFC786 （UDP）協議應用層支持周期性信息支持報警等信息基于HART命令支持周期性信息支持報警等信息基于服務支持周期性信息支持報警等信息基于服務，面向對象網關 每一個網絡僅允許一個網關 允許有冗余網關 DL子網允許一個網關骨干網絡中可允許多個安全 通信設備之間數據加密、消息鑒別、設備認證、健壯性操作等分層分級實施不同的安全策略和措施，數據加密、數據校驗、設備認證數據加密和完整性鑒別保護點到點和端到端安全、消息/設備認證、入網設備安全處理

工業無線技術的核心技術包括時間同步、確定性調度、跳信道、路由和安全技術等。表1通過從物理層、數據鏈路層、網絡層等方面對三個標準進行比較分析，可以看到三大標準具有相似的特征，其標準協議體系結構都遵循OSI模型，并且都引用IEEE802.15.4作為物理層標準。無線HART標準已有大量的網絡設備和應用設備被研制出來，ISA100.11a也被不少歐美企業所采用和部署。國外廠商正在加緊推廣這些標準。在工業無線的標準競爭方面，通過WIA-PA標準，我國已占據了一定的優勢，但標準頒布以后，工程化實施和大規模推廣應用效果，才是決定標準前途的關鍵環節。在國家科技重大專項的總體安排下，重慶郵電大學、中科沈陽自動化所分別牽頭承擔了“面向工業無線網絡協議WIA-PA的網絡設備研發及應用”項目，這將為推動我國工業物聯網技術的普遍應用，并在國際上占據領先地位具有重要作用。

4 工業物聯網融合技術及標準的最新進展

目前工業無線領域形成了ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA等三個標準共存的局面，由此帶來了標準之間互通性差、多標準支持設備研發周期長、成本高等問題。為此，以NAMUR為首的用戶組織經過研究發布了NE133（“無線傳感器網絡：對現有標準的融合需求”）報告，希望三種工業無線國際標準能夠融合為單一的標準，從而方便全球工業物聯網設備和網絡的部署。為了響應用戶需求，國際上成立了融合工作組（Heathrow Wireless Convergence Team）負責融合技術的研究與標準制訂。基于重慶郵電大學在工業無線領域的技術優勢，項目組成員成為國際工業無線融合標準Hear throw工作組5人小組成員和技術融合工作組核心成員，長期參與工業無線融合技術標準的制定。目前該工作組已經起草了工作組Position Paper，完成了議事規則的制定，完成了對三個標準的前期分析及融合框架及路線圖的制定。

針對跳信道機制、超幀調度引擎、時間同步機制、時隙通信機制等工業無線技術的核心功能，重慶郵電大學聯合達盛電子（中國臺灣）推出了全球首款工業物聯網核心芯片—渝芯一號，率先對三大標準的主要關鍵技術提供芯片支持。為此，國際WINA聯盟特邀項目組作報告——“A Heterogeneous Coexistence Architecture for Indust rial Wireless Net works”、國際自動化協會ISA特邀項目在“2012 Internation al Instrumentation Symposium”上做主題為“Heterogeneous Wi reless”的報告，有望主導國際工業無線融合技術與標準的發展方向。

渝芯一號采用先進的射頻架構，具有低功耗、低成本、微型化、高可靠性等突出特點，通過對工業無線關鍵技術提供芯片級支撐能力，將軟件開發從繁瑣復雜的通信任務中解脫出來，使工業物聯網應用設備的研制變得簡便和快速，從而對推動全球工業物聯網技術的普遍應用、加快推進我國工業化與信息化的深度融合具有重要意義和作用。

[1] HART Comm unication. http://www.hartcomm 2.org/index.htm l.

[2] ISA100: W ireless System s for Autom ation. http://www.isa.org/.

[3] ISA100 WCI W eb Site, http://www.isa100w ci.org/

[4] IEEE Standard for Inform ation Technology—Telecomm unications and Inform ation Exchange Betw een System s—Local and M etropolitan Netw orks—Specific Requirem ents—Part 15.4: W ireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications for Low Rate W ireless Personal Area Netw orks (LR-WPANs), IEEE 802.15.4, 2006.

[5] IEC 62601 Ed1, “Industrial comm unication netw orks-fieldbus specification-W IA-PA comm unication netw ork and comm unication profile,” Oct.2011.

[6] IEC/PAS 62734, “Industrial Comm unication Netw orks—Fieldbus specifications—W ireless System s for Industrial Autom ation: Process Control and Related App lications (based on ISA 100.11a),” Sept. 2011.

[7] IEC 62591 Ed.1, “Industrial Comm unication Netw orks—W ire less Comm unication Netw ork and Comm unication Profiles—W irelessHARTTM,”Apr. 2010.

[8] GB/T 26790.1-2011. 工業無線網絡W IA規范, 第一部分; 用于過程自動化的W IA系統結構與通信規范.

[9] Heathrow W ireless Convergence Team Position Paper, February 2012.