工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)綜述

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶郵電大學(xué) 王 平 魏 旻

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述

2011年11月APEC峰會(huì)檀香山宣言中，提出了節(jié)能減排的目標(biāo)，要在2035年將區(qū)內(nèi)總能源消耗量較目前減少45%。美國(guó)總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)在“面向21世紀(jì)的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出“低成本的工業(yè)無線技術(shù)將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10%，并使排放和污染降低25%”。以工業(yè)無線技術(shù)為核心的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最活躍的主流發(fā)展方向，通過支持設(shè)備間的交互與互聯(lián)，提供低成本、高可靠、高靈活的新一代泛在制造信息系統(tǒng)和環(huán)境，能夠有效降低自動(dòng)化成本、提高自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用范圍。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程、采集其聲、光、熱、電等各種需要的信息。具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術(shù)的計(jì)算模式、移動(dòng)通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，可大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化情況

當(dāng)前，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已形成三大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分別是由我國(guó)自主研發(fā)的WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)、由ISA國(guó)際自動(dòng)化協(xié)會(huì)（原美國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)）發(fā)布的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)和由HART基金會(huì)發(fā)布的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)。

ISA從2005年便開始啟動(dòng)工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a 的制定工作，ISA100委員會(huì)致力于通過制定該領(lǐng)域的一系列標(biāo)準(zhǔn)、建議規(guī)范、技術(shù)報(bào)告來定義工業(yè)自動(dòng)化控制環(huán)境下的無線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。考慮到技術(shù)的廣泛覆蓋，ISA100委員會(huì)已成立了若干工作組分別從事不同的具體任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)僅有兩家單位（重慶郵電大學(xué)，北京科技大學(xué)）具有ISA100的投票權(quán)。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)可解決與其他短距離無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)包括精確時(shí)間同步技術(shù)、自適應(yīng)跳信道技術(shù)、確定性調(diào)度技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層子網(wǎng)路由技術(shù)和安全管理方案等，并具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、低功耗等特點(diǎn)。

WirelessHART（Wireless HART）標(biāo)準(zhǔn)是HART通訊協(xié)議的擴(kuò)展，專為工業(yè)環(huán)境中的過程監(jiān)視和控制等應(yīng)用所設(shè)計(jì)。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)在2007年6月，經(jīng)HART通訊基金會(huì)批準(zhǔn)，作為HART 7技術(shù)規(guī)范的一部分，加進(jìn)了總的HART通訊協(xié)議族中。國(guó)際電工委員會(huì)于2010年4月批準(zhǔn)發(fā)布了完全國(guó)際化的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)IEC 62591（Ed.1.0），是第一個(gè)過程自動(dòng)化領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)使用運(yùn)行在2.4GHz頻段上的無線電IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、通信安全與可靠的信道跳頻、時(shí)分多址（TDMA）同步、網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備間延控通信（Latency-control led Communications）等技術(shù)。

國(guó)內(nèi)中科院沈陽自動(dòng)化所、重慶郵電大學(xué)等單位抓住工業(yè)設(shè)備無線化的歷史機(jī)會(huì)WIA-PA（Wireless Networks for Industr ial Automation-Process Automation）從2006年開始聯(lián)合制定我國(guó)自主的工業(yè)無線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)WIA-PA，并將該標(biāo)準(zhǔn)提交到IE C。WIA-PA已于2011年正式成為IEC 62601國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它的研發(fā)成功，為我國(guó)推進(jìn)工業(yè)化與信息化相融合提供了一種新的高端技術(shù)解決方案，也標(biāo)志著我國(guó)在工業(yè)無線通信技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)已處于世界領(lǐng)先地位。WIA-PA協(xié)議與另外兩種標(biāo)準(zhǔn)相比，在規(guī)模可擴(kuò)展性、抗干擾性和低能耗運(yùn)行等關(guān)鍵性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、自適應(yīng)跳頻、分簇報(bào)文聚合等方面具有創(chuàng)新性。

3 工業(yè)無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的比較

目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA這三大國(guó)際工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)形成了三足鼎立的局面，各具優(yōu)勢(shì)和特色。三種工業(yè)無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 三種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議性能對(duì)比

數(shù)據(jù)鏈路層鏈路實(shí)現(xiàn) 收發(fā)獨(dú)立 管理和數(shù)據(jù)分開, 基于網(wǎng)絡(luò)管理者 收發(fā)獨(dú)立M IC 32位 IEEE802.15.4 安全策略 IEEE802.15.4 安全策略鄰居發(fā)現(xiàn) 使用廣播幀 使用IEEE802.15.4信標(biāo)幀 使用廣播幀絡(luò)層 采用圖路由和源路由方式，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)帶寬管理尋址路由（支持靜態(tài)路由）分段與重組采用6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)： 地址轉(zhuǎn)換，分片與重組，骨干網(wǎng)間的路由傳輸層 無 無 基于RFC786 （UDP）協(xié)議應(yīng)用層支持周期性信息支持報(bào)警等信息基于HART命令支持周期性信息支持報(bào)警等信息基于服務(wù)支持周期性信息支持報(bào)警等信息基于服務(wù)，面向?qū)ο缶W(wǎng)關(guān) 每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)僅允許一個(gè)網(wǎng)關(guān) 允許有冗余網(wǎng)關(guān) DL子網(wǎng)允許一個(gè)網(wǎng)關(guān)骨干網(wǎng)絡(luò)中可允許多個(gè)安全 通信設(shè)備之間數(shù)據(jù)加密、消息鑒別、設(shè)備認(rèn)證、健壯性操作等分層分級(jí)實(shí)施不同的安全策略和措施，數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、設(shè)備認(rèn)證數(shù)據(jù)加密和完整性鑒別保護(hù)點(diǎn)到點(diǎn)和端到端安全、消息/設(shè)備認(rèn)證、入網(wǎng)設(shè)備安全處理

工業(yè)無線技術(shù)的核心技術(shù)包括時(shí)間同步、確定性調(diào)度、跳信道、路由和安全技術(shù)等。表1通過從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等方面對(duì)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，可以看到三大標(biāo)準(zhǔn)具有相似的特征，其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)都遵循OSI模型，并且都引用IEEE802.15.4作為物理層標(biāo)準(zhǔn)。無線HART標(biāo)準(zhǔn)已有大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用設(shè)備被研制出來，ISA100.11a也被不少歐美企業(yè)所采用和部署。國(guó)外廠商正在加緊推廣這些標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)無線的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)方面，通過WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)已占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì)，但標(biāo)準(zhǔn)頒布以后，工程化實(shí)施和大規(guī)模推廣應(yīng)用效果，才是決定標(biāo)準(zhǔn)前途的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在國(guó)家科技重大專項(xiàng)的總體安排下，重慶郵電大學(xué)、中科沈陽自動(dòng)化所分別牽頭承擔(dān)了“面向工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議WIA-PA的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用”項(xiàng)目，這將為推動(dòng)我國(guó)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍應(yīng)用，并在國(guó)際上占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。

4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展

目前工業(yè)無線領(lǐng)域形成了ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA等三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，由此帶來了標(biāo)準(zhǔn)之間互通性差、多標(biāo)準(zhǔn)支持設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高等問題。為此，以NAMUR為首的用戶組織經(jīng)過研究發(fā)布了NE133（“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的融合需求”）報(bào)告，希望三種工業(yè)無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)能夠融合為單一的標(biāo)準(zhǔn)，從而方便全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的部署。為了響應(yīng)用戶需求，國(guó)際上成立了融合工作組（Heathrow Wireless Convergence Team）負(fù)責(zé)融合技術(shù)的研究與標(biāo)準(zhǔn)制訂。基于重慶郵電大學(xué)在工業(yè)無線領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，項(xiàng)目組成員成為國(guó)際工業(yè)無線融合標(biāo)準(zhǔn)Hear throw工作組5人小組成員和技術(shù)融合工作組核心成員，長(zhǎng)期參與工業(yè)無線融合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前該工作組已經(jīng)起草了工作組Position Paper，完成了議事規(guī)則的制定，完成了對(duì)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的前期分析及融合框架及路線圖的制定。

針對(duì)跳信道機(jī)制、超幀調(diào)度引擎、時(shí)間同步機(jī)制、時(shí)隙通信機(jī)制等工業(yè)無線技術(shù)的核心功能，重慶郵電大學(xué)聯(lián)合達(dá)盛電子（中國(guó)臺(tái)灣）推出了全球首款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心芯片—渝芯一號(hào)，率先對(duì)三大標(biāo)準(zhǔn)的主要關(guān)鍵技術(shù)提供芯片支持。為此，國(guó)際WINA聯(lián)盟特邀項(xiàng)目組作報(bào)告——“A Heterogeneous Coexistence Architecture for Indust rial Wireless Net works”、國(guó)際自動(dòng)化協(xié)會(huì)ISA特邀項(xiàng)目在“2012 Internation al Instrumentation Symposium”上做主題為“Heterogeneous Wi reless”的報(bào)告，有望主導(dǎo)國(guó)際工業(yè)無線融合技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向。

渝芯一號(hào)采用先進(jìn)的射頻架構(gòu)，具有低功耗、低成本、微型化、高可靠性等突出特點(diǎn)，通過對(duì)工業(yè)無線關(guān)鍵技術(shù)提供芯片級(jí)支撐能力，將軟件開發(fā)從繁瑣復(fù)雜的通信任務(wù)中解脫出來，使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備的研制變得簡(jiǎn)便和快速，從而對(duì)推動(dòng)全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍應(yīng)用、加快推進(jìn)我國(guó)工業(yè)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(yè)無線網(wǎng)絡(luò)W IA規(guī)范, 第一部分; 用于過程自動(dòng)化的W IA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范.

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