基于ISA100.11a標準的工業傳感網系統設計

（西安航天自動化股份有限公司，西安 710065）

目前在工業無線傳感網技術方面，國際上已形成了WirelessHART、ISA100.11a以及WIA-PA 3個標準共存的局面。ISAl00.11a標準由國際自動化學會ISA（International Society of Automation）下屬的ISA100工業無線委員會制定。該標準的主要特點為提供過程工業應用服務，包括工廠自動化；物理層采用IEEE 802.15.4的2.4 GHz公共頻段；時隙跳頻的方式保證可靠和穩定無線通信；使用一個簡單的應用層提供本地和隧道協議，以實現廣泛的可用性；現場設備具有支持網狀和星型多種網絡拓撲結構的能力。相比于其他2個標準，ISA100.11a標準在應用的穩定性和廣泛性方面具有突出的優勢，更加適合應用工業無線環境，并且具有較多的國際廠商支持。對于該標準的研究開發和應用案例國內還比較少，因此開發基于ISA100.11a標準的工業無線網絡系統，可提高我國工業物聯網技術水平，并且能夠加快我國工業控制領域的產業升級[1]。

1 ISA100.11a標準原理

ISA100.11a標準支持多種網絡拓撲，如星型結構、Mesh結構等。在ISA100.11a網絡結構中引入骨干網，來減小數據傳輸時延。所有現場終端設備通過骨干路由器BBR（backbone router）接入骨干網，現場終端設備和路由器組成的網絡為 DL（data link）子網。DL子網和骨干網就組成了ISA100.11a網絡[2]，如圖1所示。工廠網絡作為工業現場應用的控制網絡，面對不同的現場環境區別較大，并且該網絡的規定在ISA100.11a標準中不涉及。

圖1 ISA100.11a拓撲圖Fig.1 Topology graph of ISA100.11a

骨干網由BBR、網關、系統管理器和安全管理器功能角色構成。骨干網絡標準中沒有明確要求，但骨干網的通信協議應該是高性能的網絡。

網關角色提供工業傳感網和工廠網絡之間的接口。網關應具有將符合本標準的通信和其他通信之間轉換的能力，并在本標準的應用層和其他應用層之間承擔了協議轉換器的職責。

安全管理器是一個與系統管理器和可選的帶有安全系統操作的外部安全系統共同工作的特殊功能。安全管理器在邏輯上是可分離的，且在某些用例下會固定于一個在分離地域中的一個分離設備上。

系統管理器是一個特殊的角色，它負責統籌網絡運行、設備入網離網管理以及通信資源管理。系統管理器表現為基于策略的網絡運行時配置控制、通信配置上的監視器和報告、性能以及操作狀態，并且提供時間相關的服務。

終端設備或路由器的協議體系結構參考標準的ISO/OSI 7層結構模型，主要由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層組成[3]。其中物理層采用的是IEEE 802.15.4協議[4]，數據鏈路層包括IEEE 802.15.4 MAC子層、ISA100.11a的MAC擴展子層和數據鏈路層上層，應用層包括應用子層、用戶應用進程和設備管理應用進程[5]。

2 方案與體系結構

采用ISA100.11a標準來設計開發面向工業現場的物聯網采集控制應用系統。詳細的技術方案如下描述。

如圖2所示，基于ISA100.11a標準的網絡拓撲結構，分為工廠網絡、骨干網和無線子網3個部分。工廠網絡主要為網關設備和控制監視系統之間的通信；骨干網由若干個骨干路由器通過連接組成，主要功能為實現骨干路由的功能，減少無線網絡設備間傳輸延時；無線子網系統主要由一個骨干路由器，現場路由設備和現場I/O設備組成。所有子網設備的數據經由骨干網，通過網關傳輸到工廠網絡。

圖2 網絡拓撲結構圖Fig.2 Network topology architecture

在本系統中，將系統管理器、安全管理器和網關封裝在一個物理實體中，即網關設備，是系統中最核心模塊。其中，系統管理器負責對設備的加入離開以及子網路由和資源的分配等功能；安全管理器負責對網絡中密鑰維護、設備安全管理；網關負責外部協議和ISA100.11a協議的轉換，并且和工廠網絡上的系統監視控制系統之間進行數據信息傳輸。

基于上述的技術方案，現場I/O終端設備采集信息，通過子網路由將數據信息送給BBR，BBR再通過Socket機制將數據傳輸到網關設備，傳輸媒介目前采用以太網，在某些特殊情況下可以采用無線局域網技術傳輸。網關設備將該數據進行服務協議的轉換，最終顯示在監控終端；同樣，監控終端可以將符合某個工業現場標準的數據通過該路徑傳輸到現場I/O設備，完成對子網內任意設備的無線控制功能。

2.1 網關設備設計

從研發設計的角度考慮，將網關設備軟件系統劃分為網關、系統管理器、安全管理器和骨干網路由傳輸模塊，如圖3所示。其中，考慮到安全管理器只和系統管理器通信，故將安全管理器作為系統管理器的一個模塊，負責網絡的安全管理功能。

圖3 網關系統軟件模塊劃分Fig.3 Gateway system software module

BBR和網關、系統管理器3個模塊之間通過Socket機制通信，這樣3個模塊同時運行在Linux操作系統上，采用多線程設計思路，提高運行穩定性，降低硬件資源消耗。網關通過TCP/IP接口將無線網絡信息和設備采集信息傳輸給Monitor-Host模塊，Monitor-Host將該信息寫入數據庫；當用戶通過Web服務器模塊獲取網絡和設備信息時，Web服務器訪問數據庫方式來獲取網絡信息，并通過該接口完成對網絡設備的配置命令等操作。

在設計過程中，網關設備的硬件主要由2部分組成，主板模塊和核心模塊。主板模塊包括電源、存儲器、UART接口、以太網接口，以及工業現場總線通信（Modbus、Profibus）模塊等。核心模塊主要是高性能處理模塊，設計采用了TI公司的DM3730芯片，該芯片基于ARM CORTEX-A8內核的處理器，搭載Linux操作系統，滿足多線程運行的實時性調度。

2.2 骨干路由器設計

骨干路由器設備具有將數據包通過骨干網的路由功能。骨干路由器可以使外部網絡能以攜帶本地協議并封裝PDU的形式傳輸數據。

本方案中骨干網基于IPv6數據傳輸協議，圖4描述了骨干路由器的模塊，分為協議子棧、數據包解析和轉換模塊、UDP接口模塊。協議子棧主要功能是與DL子網通信，發送廣播幀、接收來自終端設備的無線幀。協議子棧的NL層解析后，如果是要經過骨干網到其他設備的數據，則通過對無線幀處理封裝成IPv6包，通過Socket端口發送出去。

圖4 BBR模塊圖Fig.4 Module diagram of BBR

2.3 終端設備設計

終端設備的主要功能為按照協議棧進行數據的發送和接收處理。圖5是終端設備的模塊劃分示意圖，分為傳感采集模塊和協議棧核心模塊。傳感采集模塊實現用戶應用進程和感知信息處理，和協議棧之間通過SPI/UART接口實現數據傳輸。采用該設計的優勢是傳感采集模塊可以根據不同的應用進行實現，具有廣泛的應用。協議棧核心模塊按照標準的分層設計，如下詳細描述。

圖5 終端設備模塊圖Fig.5 Module diagram of terminal

應用子層不包含任何用戶應用，只在那些應用和網絡服務間提供接口，即給用戶應用進程和設備管理進程提供各種服務。

傳輸層提供端到端的通信服務，負責傳輸層幀頭的裝載和解析，傳輸層的安全和管理信息庫的管理。傳輸層支持IPv6數據包格式。

DL層包括IEEE802.15.4的MAC層和數據鏈路層上層。MAC層主要負責時間同步、跳信道和通信調度，提供點對點的重傳機制。數據鏈路子層主要負責幀頭的裝載和解析、DL層安全、DL子網內路由、鄰居發現等功能。

物理層主要功能有激活和休眠射頻收發器，發射功率控制，信道能量檢測，檢測接收數據包的鏈路質量指示，空閑信道評估和收發數據。

從開發復雜度和節約成本的角度，節點的設計采用主處理器+射頻模塊的方案。在選用國內外主流的嵌入微處理器、微控制器的基礎上，構造出易于擴展、適應性強的無線傳感器網絡小型化硬件平臺，可以采集或輸出工業現場常見的數字量輸入輸出信號，以及模擬量輸入輸出信號。

3 關鍵技術

3.1 精準時間同步技術

ISA100.11a網絡拓撲分為2層結構，分別為骨干網和 DL子網。因此，本設計根據網絡的結構基于分級同步的思想進行時間同步控制。系統管理器作為系統時鐘源，BBR入網過程中，系統管理器在回復的響應數據中攜帶當前時間信息，BBR接收到該信息進行時間同步；當骨干網完成時間同步后，BBR便向其所在的DL子網內的終端設備發送廣播幀，終端設備根據廣播幀中攜帶的時間信息來進行時間同步。這樣，經過兩級同步后達到全網同步的目的。

3.2 確定性調度技術

實現確定性調度技術的核心是協議棧在實現時間同步的基礎上必須能夠提供精確的時隙。時隙的劃分為協議棧調度的運行提供時間。當一個新的時隙到來之后，協議棧將判斷在該時隙是否有鏈路觸發，流程圖如圖6所示。具體步驟是根據當前時隙偏移，依次和鏈路表中鏈路的時隙偏移進行對比，如果當前時隙偏移和鏈路表中某一個鏈路的時隙偏移相等，那么就認為該條鏈路觸發了，否則認為該時隙處于空閑狀態。如果在該時隙有一條鏈路或有多條鏈路觸發，那么根據鏈路的優先級進行排序，設備將選擇優先級最高的一條鏈路執行相應操作。

圖6 確定性調度中斷處理流程Fig.6 Deterministic scheduling interrupt handling procedure

當判斷當前信道為Active_RX，則進入RX處理流程，此時設備將打開接收機等待接收數據幀；若當前信道為Active_TX，則進入TX處理流程，檢查發送緩沖區是否有要發送的幀，如果有再打開發射機發送數據給目的設備。

3.3 低功耗技術

在保證傳輸距離滿足工業現場應用的情況下，在終端設備的開發過程中采用低功耗管理和設計思路。主要涉及微處理器模塊和射頻模塊，對微處理器模塊采用的技術為在休眠時降低時鐘頻率，采用32.768 kHz時鐘頻率作為低功耗狀態下。對射頻模塊在發送或接收到幀后及時關閉收發機來降低射頻功耗。

微處理器低功耗設計，通過配置睡眠控制寄存器。根據每個時隙到來時，不同的鏈路模式來進行控制。若當前時隙為空閑時隙，則配置寄存器進入Doze模式（該模式下保持低頻晶振運行），不做任何業務處理；若當前時隙為發送時隙，則在接收到發送完成中斷后立刻關掉射頻發射機；在當前時隙接收到無線幀后，先關閉接收機，等待回復Ack幀時，再打開發射機，接收到發送完成中斷時關閉接收機。

4 結語

基于該方案的工業傳感網系統設計合理，能滿足工業用戶的不同需求。目前，基于ISA100.11a標準的工業傳感網通信協議棧軟件、終端設備以及監控顯示系統的原型機基本實現，形成了一套完整的ISA100.11a工業物聯網系統，具有很好的應用前景。

[1] 王平，劉其琛，王恒，等.一種適用于ISAl00.11a工業無線網絡的通信調度方法[J].儀器儀表學報，2011，32（5）：1189-1195

[2] Wireless Systems for Industrial Automation：Process Control and Related Applications[S].ISA Std.100.11a，2011.

[3] Project Proposal-ISA100.11a[EB/OL].https：//github.com/ESE519/ ISA100.11a/wiki/Project-Proposal，2014.

[4] IEEE Standard for Information Technology Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks Specific Requirements[S].IEEE Std 802.15.4，2006.

[5] 張海鵬.ISA100.11a協議棧研究與開發—應用層關鍵技術的研究與實現[D].重慶：重慶郵電大學，2010.