摘要：工業(yè)無線技術是從新興的無線傳感器網絡技術中發(fā)展而來的。無線傳感器網絡技術具有應用特異化的特點，針對軍事、醫(yī)療、智能家居等不同應用領域，其實現技術完全不同。
1 工業(yè)無線技術概述
工業(yè)無線技術是繼現場總線之后，工業(yè)控制領域的又一個熱點技術，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應用范圍的革命性技術，也是未來幾年工業(yè)自動化產品新的增長點。
工業(yè)無線技術是一種本世紀初新興的，面向設備間短程、低速率信息交互的無線通信技術，適合在惡劣的工業(yè)現場環(huán)境使 用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術特征，是對現有無線技術在工業(yè)應用方向上的功能擴展和技術創(chuàng)新，并將最終轉化為新的無線技術標準。
工業(yè)無線技術是從新興的無線傳感器網絡技術中發(fā)展而來的。無線傳感器網絡技術具有應用特異化的特點，針對軍事、醫(yī)療、智能家居等不同應用領域，其實現技術完全不同。
工業(yè)無線技術是滿足工業(yè)應用高可靠、低能耗、硬實時等特殊需求的一類無線傳感器網絡技術。
基于工業(yè)無線技術的測控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)相比，具有以下一些優(yōu)勢：
(1)低成本。在傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)中，布線的成 本是每米$30～$100，在一些惡劣環(huán)境下，可達到每米$2000。測控系統(tǒng)運行期間需要不斷檢測系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現錯誤，更換電纜。使用工業(yè)無線技術將使 測控系統(tǒng)的安裝與維護成本降低90%，是實現低成本測控系統(tǒng)的關鍵。
(2)高可靠、易維護。在有線系統(tǒng)中，絕大部分系統(tǒng)故障是由電纜的連接器件損壞而引發(fā)的，其維護復雜度強，維護費用高。使用無線技術將徹底杜絕此類錯誤的發(fā)生。
(3) 高靈活、易使用。使用無線技術后，現場設備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現場儀表與被控設備的可移動性、網絡結構的靈活性以及工程應用的多樣性，用戶可以根據工業(yè)應用需求的變化，快速、靈活、方便、低成本地重構測控系統(tǒng)。
利用基于工業(yè)無線技術的測控系統(tǒng)，人們可以以 較低的投資和使用成本實現對工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數，并以此為基礎實施優(yōu)化控制，來達到提高產品 質量和節(jié)能降耗的目標。
美國能源部(DOE)在2004年發(fā)布的 “未來工業(yè)計劃”(IOF)中指出：這種基于工業(yè)無線技術的低成本測控系統(tǒng)是實現到2020年美國工業(yè)整體能耗降低5%目標的主要手段，代表著工業(yè) 自動化系統(tǒng)技術的發(fā)展方向，將在提高產品質量、降低工業(yè)生產過程中的跑冒滴漏、提高能源效率等方面發(fā)揮重要作用，在石油天然氣開采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業(yè)有廣泛的應用前景。
美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“面向21世紀的聯邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出：工業(yè)無線技術的廣泛應用將使工業(yè)生產 效率提高10%，并使排放和污染降低25%。
2 工業(yè)無線網絡WIA標準
2.1 WIA標準概述
目前，工業(yè)無線技術正處于一個高速發(fā)展的階段，無線技術在工廠環(huán)境下使用的抗干擾、節(jié)能、 實時通信等關鍵技術難題正在被逐漸攻克，市場需求非常旺盛。
而美國網絡技術市場分析機構On World公司對工業(yè)無線技術市場調研結果顯示，阻礙用戶接受無線技術的關鍵問題在于工業(yè)無線技術缺乏統(tǒng)一的國際標準，標準化是工業(yè)產品獲得推廣應用的基礎。
目前，一些國際組織正在積極推進工業(yè)無線網絡技術的標準化進程，其中主要有Wireless HART[3]、ISA SP100[4]和WIA[5]。工業(yè)無線網絡WIA標準是由中國工業(yè)無線聯盟推出的具有自主知識產權的技術體系，目前已形成了國家標準草案，并正在成為 與Wireless HART、ISA100并列的主流工業(yè)無線技術體系。
WIA標準追求以下的目標：
針對應用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，能夠保持網絡性能的可靠和穩(wěn)定。
能夠在低成本的商用器件上實現，降低技術開發(fā)與實現難度。
用戶能以較低的投入換來易于使用和維護的工業(yè)無線監(jiān)控系統(tǒng)。
2.2 WIA標準體系
WIA標準體系如圖1所示，具體包括以下部分：
⑴ WIA-PA
面向各種過程自動化應用，針對抗干擾和低功耗等方面的需求，提供無線 網絡技術方案，定義無線網絡系統(tǒng)結構，并參照OSI開放網絡模型，定義物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層協議規(guī)范。
⑵ WIA-FA
面向各種工廠自動化應用，針對通信服務質量(QoS)和通信延遲等方面的需求，提供無線網絡技術方案，定義無線網絡系統(tǒng)結構，并參照OSI開放網絡模型，定義物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層協議規(guī)范。
⑶ WIA-RFID
面向工廠庫存管理和資產追蹤應用，針對基于無線的低成本定位、追蹤等方面的需求，提供無線網絡技術方案，定義用于過 程自動化的WIA網絡、用于工廠自動化的WIA網絡與RFID/RTLS間的接口規(guī)范。
⑷ 互操作
定義用于過程自動化的WIA網絡、用于工廠自動化的WIA網絡、長距離的無線回程網絡(Backhaul)以及工廠有線控制網絡間 的接口規(guī)范，以實現滿足應用QoS需求和安全需求的互連與互操作。
⑸ 安全
針對工業(yè)無線網絡的安全需求，定義數據鏈路層安全機制、傳輸層安全機制和應用層安全機制，使網絡具有針對故意攻擊和人為錯誤的保護能力，同時保障傳輸數據的保密性、完整性和時效性。
⑹ 測試與性能評估
定義了WIA通信協議一致性 測試、互操作測試以及性能評估系統(tǒng)的結構和測試方法，定義了抽象測試集和可執(zhí)行測試集的生成方法，定義了對工業(yè)無線通信協議進行一致性測試和互操作測試所需的測試案例，定義性能評估的方法和指標。
⑺ 產品標準通用條件
規(guī)定了針對 WIA相關產品的標志、包裝、貯存和運輸條件等。
⑻ 行規(guī)
規(guī)定WIA系統(tǒng)在不同工業(yè)行業(yè)中應用的網絡配置和使用規(guī)范，向不同的行業(yè)應用提供統(tǒng)一、標準的通信設備和應用模型，使得不同廠商的設備可以支持不同行業(yè)的應用，并實現互操作。
3 WIA-PA標準關鍵技術
WIA-PA標準是中國工業(yè)無線聯盟針對過程自動化領域的迫切需求而率先制定的WIA子標準，定義了用于過程自動化的WIA系統(tǒng)結構與通信規(guī)范。
3.1 拓撲結構
WIA-PA網絡由以下物理設備構成：
主控計算機：供用戶、維護人員及管理人員與WIA網絡交互的計算機。
網關設備：連接WIA網絡與其他工廠網絡的設備。
路由設備：負責現場設備管理、報文轉發(fā)等功能的設備。
現場設備：裝有傳感器或執(zhí)行器、安裝在工業(yè)現場，直接連接生產過程的設備。
手持設備：完成主控應用的手持便攜設備。
WIA-PA網絡還定義了以下兩類主要邏輯設備：
網絡管理器：負責配置網絡、調度路由設備間的通信、管理路由表、監(jiān)測網絡性能。
安全管理器：負責整個網絡的安全策略配置、密鑰管理和設備認證。
WIA-PA采用星型和網狀相結合的兩層網絡拓撲結構，如圖2所示。第一層是網狀結構，由網關及路由設備構成，用于系統(tǒng)管理的網絡管理器和安全管理器，在實現時可位于網關或主控計算機中;第二層是星型結構，由路由設備及現 場設備或手持設備構成。
3.2 協議體系
數據鏈路層、網絡層和應用支持子層包含的功能模塊有： 數據實體和管理實體;用戶應用進程包含的功能模塊是多個用戶應用對象;設備管理應用進程包含的功能模塊有：設備管理模塊、網絡管理模塊、安全管理模塊、網絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫。
WIA-PA網絡的協議棧結構遵循ISO/OSI的層次結構定義，但只定義了物理層、數據鏈路層、網絡層、應用層?；贗EEE802.15.4工業(yè)無線網絡協議棧結構如圖3所示，WIA-PA協議棧由數據鏈路層、網絡層、應用層等協 議層實體，以及及層實體間的數據接口和管理接口構成：
數據鏈路層：包括MAC層和數據鏈路子層。MAC層基于IEEE802.15.4MAC協議，數據鏈路子層對IEEE802.15.4MAC進行了擴展， 以滿足工業(yè)應用的需要。數據鏈路子層由時間同步、時隙通信、鏈路和信道性能度量、鏈路層安全、管理服務等功能模塊構成。
網絡層：由尋址、路由、分段與重組、管理服務等功能模塊構成。主要功能是實現面向工業(yè)應用的端到端的可靠通信。
應用層，應用層由應用子層、用戶應用進程、設備管理應用進程構成。應用子層提供通信模式、聚合與解決、應用層安全和管理服務等功能;用戶應用進程包含的功能模塊為多個用戶應用對象;設備管理應用進程包含的功能模塊包括：設備管理模塊、網絡管理模塊、安全管理模塊、網絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理 信息庫。
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