工业物联网标准及技术综述 summarization on industrial iot...
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工业物联网标准及技术综述Summarization on Industrial IoT Standard and Technology
工业物联网与网络化控制教育部重点实验室 重庆邮电大学 王 平 魏 旻
摘 要:本文介绍工业物联网技术及其优势,重点介绍了工业无线标准
化情况,并对各自技术特征进行了对比,进一步讨论了工业物联网技术
的三种典型应用及工业无线融合标准的进展情况。
关键词:工业物联网; ISA100.11I;WIA-PA; 渝“芯”一号
Abstract: This paper introduces key technologies and advantages of the
industrial IoT, then introduce the industrial wireless network standardization
process. The features of WirelessHART, ISA100.11a and WIA-PA are
described. Further more, we discuss the typical applications about technologies
of the industrial IoT, and the convergence progress of industrial wireless
standard.
Key words: Industrial IoT; ISA100.11a; WIA-PA; Standard; UZ/CY2420
1 工业物联网概述
2011年11月APEC峰会檀香山宣言中,提出了节能减排的目
标,要在2035年将区内总能源消耗量较目前减少45%。美国总
统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”
中指出“低成本的工业无线技术将使工业生产效率提高10%,
并使排放和污染降低25%”。以工业无线技术为核心的工业物
联网是当前物联网领域最活跃的主流发展方向,通过支持设备
间的交互与互联,提供低成本、高可靠、高灵活的新一代泛在
制造信息系统和环境,能够有效降低自动化成本、提高自动化
系统应用范围。
工业物联网通过各种信息传感设备,如传感器、射频识别
技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器
等各种装置与技术,实现在工业现场采集任何需要监控、连
接、互动的物体或过程、采集其声、光、热、电等各种需要的
信息。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模
式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节,可大幅提高
制造效率,改善产品质量,降低产品成本和资源消耗,将传统
工业提升到智能工业的新阶段。
作者简介: 王平(1963-),重庆黔江人,博士,二
级教授,博士生导师,重庆邮电大学自动化学
院院长、工业物联网与网络化控制教育部重点
实验室主任、重邮CISCO绿色科技联合研发
中心主任,研究方向为智能检测与物联网技
术、网络化控制与智能仪器仪表等。
2 工业物联网标准化情况
当前,在工业物联网领域已形成三大国际标准,分别是由
我国自主研发的WIA-PA标准、由ISA国际自动化协会(原美国仪
器仪表协会)发布的ISA100.11a标准和由HART基金会发布的
WirelessHART标准。
ISA从2005年便开始启动工业无线标准ISA100.11a 的制定工
作,ISA100委员会致力于通过制定该领域的一系列标准、建议
规范、技术报告来定义工业自动化控制环境下的无线系统实现
技术。考虑到技术的广泛覆盖,ISA100委员会已成立了若干工
作组分别从事不同的具体任务。目前,国内仅有两家单位(重
庆邮电大学,北京科技大学)具有ISA1 0 0的投票权。
ISA100.11a标准可解决与其他短距离无线网络的共存性问题以
及无线通信的可靠性和确定性问题,其核心技术包括精确时间
同步技术、自适应跳信道技术、确定性调度技术、数据链路层
子网路由技术和安全管理方案等,并具有数据传输可靠、准确、
实时、低功耗等特点。
WirelessHART(Wireless HART)标准是HART通讯协议的扩
展,专为工业环境中的过程监视和控制等应用所设计。
WirelessHART标准在2007年6月,经HART通讯基金会批准,作为
HART 7技术规范的一部分,加进了总的HART通讯协议族中。国际电工委
员会于2010年4月批准发布了完全国际化的WirelessHART标准
IEC 62591(Ed.1.0),是第一个过程自动化领域的无线传感器
网络国际标准。该网络使用运行在2.4GHz频段上的无线电
IEEE802.15.4标准,采用直接序列扩频(DSSS)、通信安全与可
靠的信道跳频、时分多址(TDMA)同步、网络上设备间延控通
信(Latency-controlled Communications)等技术。
国内中科院沈阳自动化所、重庆邮电大学等单位抓住工业
设备无线化的历史机会WIA-PA(Wireless Networks for Industr
ial Automation-Process Automation)从2006 年开始联合制定
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我国自主的工业无线国家标准WIA-PA,并将该标准提交到IEC。
WIA-PA已于2011年正式成为IEC 62601国际标准。它的研发成
功,为我国推进工业化与信息化相融合提供了一种新的高端
技术解决方案,也标志着我国在工业无线通信技术领域的研
发已处于世界领先地位。WIA-PA协议与另外两种标准相比,
在规模可扩展性、抗干扰性和低能耗运行等关键性能方面具
有明显优势,在拓扑结构、自适应跳频、分簇报文聚合等方
面具有创新性。
3 工业无线国际标准的比较
目前,WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA这三大国际工
业无线标准形成了三足鼎立的局面,各具优势和特色。三种
工业无线国际标准的网络拓扑结构如图1所示。
(a) WirelessHART (b) ISA100.11a
图1 三种工业物联网网络的拓扑结构
表1 三种标准协议性能对比
相关技术 WirelessHART WIA-PA ISA100.11a
物理层IEEE 802.15.4-20062.4GHz,信道26排除
IEEE 802.15.4-2006 2.4GHz
IEEE 802.15.4-2006 2.4GHz,信道 26 可选
概述
TDMA接入,支持多超帧,跳信
道,重传机制,时隙可配置成专
用方式和共享方式。
基于超帧和跳频的时隙通
信、重传机制、用于时间同
步、TDMA 和 CSMA 混合信
道访问机制。链路配置及性
能度量。
MAC子层兼容802.15.4协议;MAC扩展层完成传统的 DLL 层功能;
DLL 上层完成 Mesh 子网内的路由
功能。支持 3 种跳信道机制、超帧
调度、时间同步、TDMA/CSMA 信
道接入。 时间
同步 根据时间同步命令帧同步
可根据信标帧、时间同步命
令帧同步 可根据广播帧、确认帧同步
跳频 自适应信道,黑名单技术 自适应跳频,时隙跳频 时隙跳频,慢跳频,混合跳,黑名
单技术
超帧 使用一般超帧 使用 IEEE802.15.4 超帧结构 使用一般超帧
时隙 可变长度 可变长度 固定长度
邻居 支持 只支持与簇头通信 支持邻居组
数
据
链
路
层
链路
实现 收发独立
管理和数据分开, 基于网络
管理者 收发独立
MIC 32 位 IEEE802.15.4 安全策略 IEEE802.15.4 安全策略
邻居
发现 使用广播帧 使用 IEEE802.15.4 信标帧 使用广播帧
络层采用图路由和源路由方式,动态
网络带宽管理
寻址路由(支持静态路由)
分段与重组
采用 6LoWPAN 标准: 地址转换,
分片与重组,骨干网间的路由
传输层 无 无 基于 RFC786 (UDP)协议
应用层
支持周期性信息 支持报警等信息 基于 HART 命令
支持周期性信息 支持报警等信息 基于服务
支持周期性信息 支持报警等信息 基于服务,面向对象
网关 每一个网络仅允许一个网关 允许有冗余网关DL 子网允许一个网关 骨干网络中可允许多个
安全通信设备之间数据加密、消息鉴
别、设备认证、健壮性操作等
分层分级实施不同的安全策
略和措施,数据加密、数据
校验、设备认证
数据加密和完整性鉴别保护点到
点和端到端安全、消息/设备认证、
入网设备安全处理
数
据
链
路
层
工业无线技术的核心技术包括时间同步、确定性调度、跳
信道、路由和安全技术等。表1通过从物理层、数据链路层、
网络层等方面对三个标准进行比较分析,可以看到三大标准
具有相似的特征,其标准协议体系结构都遵循OSI模型,并且
都引用IEEE802.15.4作为物理层标准。无线HART标准已有大
量的网络设备和应用设备被研制出来,ISA100.11a也被不少
欧美企业所采用和部署。国外厂商正在加紧推广这些标准。
在工业无线的标准竞争方面,通过WIA-PA标准,我国已占据
了一定的优势,但标准颁布以后,工程化实施和大规模推广
应用效果,才是决定标准前途的关键环节。在国家科技重大
专项的总体安排下,重庆邮电大学、中科沈阳自动化所分别
牵头承担了“面向工业无线网络协议WIA-PA的网络设备研发
及应用”项目,这将为推动我国工业物联网技术的普遍应用,
并在国际上占据领先地位具有重要作用。
4 工业物联网融合技术及标准的最新进展
目前工业无线领域形成了ISA100.11a、WirelessHART、
WIA-PA等三个标准共存的局面,由此带来了标准之间互通性
差、多标准支持设备研发周期长、成本高等问题。为此,以
NAMUR为首的用户组织经过研究发布了NE133(“无线传感器
网络:对现有标准的融合需求”)报告,希望三种工业无线
国际标准能够融合为单一的标准,从而方便全球工业物联网
设备和网络的部署。为了响应用户需求,国际上成立了融合
工作组(Heathrow Wireless Convergence Team)负责融合技
术的研究与标准制订。基于重庆邮电大学在工业无线领域的
技术优势,项目组成员成为国际工业无线融合标准Hearthrow
工作组5人小组成员和技术融合工作组核心成员,长期参与工
业无线融合技术标准的制定。目前该工作组已经起草了工作
组Position Paper,完成了议事规则的制定,完成了对三个
标准的前期分析及融合框架及路线图的制定。
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路由设备
冗余路由设备
现场设备
手持设备
Mesh网络连接
星型网络连接
其它网络
星型结构
星型结构星型结构
星型结构网状结构
网关设备 冗余网关设备
主控计算机
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图2 渝“芯”一号 UZ/CY2420
针对跳信道机制、超帧调度引擎、时间同步机制、时隙通
信机制等工业无线技术的核心功能,重庆邮电大学联合达盛
电子(中国台湾)推出了全球首款工业物联网核心芯片—渝
芯一号,率先对三大标准的主要关键技术提供芯片支持。为
此,国际WINA联盟特邀项目组作报告——“A Heterogeneous
Coexistence Architecture for Industrial Wireless Net
works”、国际自动化协会ISA特邀项目在“2012 Internation
al Instrumentation Symposium”上做主题为“Heterogeneous
Wireless”的报告,有望主导国际工业无线融合技术与标准
的发展方向。
渝芯一号采用先进的射频架构,具有低功耗、低成本、微
型化、高可靠性等突出特点,通过对工业无线关键技术提供
芯片级支撑能力,将软件开发从繁琐复杂的通信任务中解脱
出来,使工业物联网应用设备的研制变得简便和快速,从而
对推动全球工业物联网技术的普遍应用、加快推进我国工业
化与信息化的深度融合具有重要意义和作用。
参考文献:
[1] HART Communication. http://www.hartcomm2.org/index.html.
[2] ISA100: Wireless Systems for Automation. http://www.isa.org/.
[3] ISA100 WCI Web Site, http://www.isa100wci.org/
[4] IEEE Standard for Information Technology—Telecommunications and Information
Exchange Between Systems—Local and Metropolitan Networks—Specific Requirements
—Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)
Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE
802.15.4, 2006.
[5] IEC 62601 Ed1, “Industrial communication networks-fieldbus specification-WIA-PA
communication network and communication profile,” Oct.2011.
[6] IEC/PAS 62734, “Industrial Communication Networks—Fieldbus specifications—Wireless
Systems for Industrial Automation: Process Control and Related Applications (based on ISA
100.11a),” Sept. 2011.
[7] IEC 62591 Ed.1, “Industrial Communication Networks—Wireless Communication
Network and Communication Profiles—WirelessHARTTM,”Apr. 2010.
[8] GB/T 26790.1-2011. 工业无线网络WIA规范, 第一部分; 用于过程自动化的WIA系统结构
与通信规范.
[9] Heathrow Wireless Convergence Team Position Paper, February 2012.
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