基于ISA100.11a協議的終端設計及隧道傳輸方法

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(1.中國航天科工集團第六研究院 西安航天自動化股份有限公司,西安 710065; 2.陜西省物聯網與智能控制工程技術研究中心,西安 710065)

0 概述

ISA100.11a協議[1]在2014年由國際電工委員會(IEC)批準[2],使之成為目前業內最新的一種無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)協議標準。該協議相對于ZigBee Pro、WirelessHART、WIA-PA等其他協議而言具備更加優異的綜合性能,如可擴展性、可靠性、健壯性[3];并且該協議還具有多徑路由、隧道傳輸等其他協議所沒有的豐富功能[4]。對于終端設備這一WSN最基本的組成單元而言,ISA100.11a協議標準的高要求與多功能也進一步帶來了許多研究與實踐的挑戰。

在性能方面,ISA100.11a的綜合性能優勢是其復雜的通信機制所換取的。包括終端設備和路由設備在內,任何網絡節點在時隙開始時都要先查看鏈路表,再根據鏈路所屬超幀和時隙偏移查找下一跳所使用的信道,最后根據所選鏈路在信道上進行具體的收發工作,如此則可以保證通信的抗干擾能力和較高的帶寬使用率[5]。但此類機制反過來會對網絡節點和系統管理器的處理能力造成很大的壓力,甚至在網絡規模過大時可能造成網絡節點丟包率過高而重新入網[6]。針對此類問題,文獻[6]提出了令路由設備分擔一部分系統管理器職責的分散管理方法,文獻[7]則從終端設備的角度采取了減少可選信道數量、空閑信道快速篩選等方法。這些方法都對ISA100.11a協議的原始機制做出了調整和改變,雖然能夠獲得局部的性能突破,但也付出了通用性方面的犧牲,并且有可能造成其他負面影響。

在功能方面,日益增長的多樣化需求對WSN的終端設備提出了具備靈活搭載多種傳感器和控制器的能力要求[8]。文獻[9]對WSN的終端設備在功能劃分上給出了理論上的體系結構,并通過實踐證明了功能劃分的設計減少了傳感器與其他功能的互相影響。以應用最為廣泛的ZigBee協議為例,為了應對更為復雜的實際需求,終端設計也從傳統的嵌入式單片機方式[10]轉變為通信與控制分離部署的設計方式[11]。

綜合以上分析,同時考慮到ISA100.11a協議應用層面向對象的結構特點[12],以及應用層與ISA100.11a網絡內部的入網、路由等通信功能的弱相關特性,本文提出一種用戶應用進程(User Application Process,UAP)與其他通信協議相分離的終端設計。在性能上,該設計優先保證終端設備通信功能的需要,不受傳感器和控制器的負載影響,提高終端設備的在線穩定性;在功能上,獨立的應用層可以更靈活地向外提供標準的I/O接口,不需要考慮多個傳感器和控制器的負載對通信資源的占用。此外,由于隧道對象在ISA100.11a協議標準內也屬于應用層的范疇,因此終端設計還可方便實現兼容外部協議的隧道傳輸功能。

1 ISA100.11a協議特點分析

ISA100.11a協議的結構繼承于傳統的OSI七層模型,但只使用了物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層這5個層次,如圖1所示。為了論述方便,圖1并未描繪出ISA100.11a協議的所有結構細節。

圖1 ISA100.11a協議結構

ISA100.11a協議的應用功能體現在具備面向對象特征的應用層,具體分為上部應用層(Upper Application Layer,UAL)和應用子層(Application Sub Layer,ASL)。上部應用層由不同的UAP組成,除固定的設備管理器之外,所有UAP均可根據需要增刪;每個UAP中包含若干對象,每個對象負責不同的具體工作并作為外部用戶的訪問接口。應用子層負責將傳輸層的端到端通信傳遞至與傳輸層端口一一對應的UAP訪問點,具體的傳遞方式體現為應用子層向UAP中的對象提供一般性服務;這些一般性服務只有對象訪問、數據發布、警報報告和隧道4種,可以認為應用子層的少數一般性服務通過有序結合衍生出了功能各不相同的具體UAP對象。

ISA100.11a協議的通信功能集中體現在數據鏈路層和網絡層這2個部分。由于數據鏈路層只提供了16位的短地址,故而限制了數據鏈路子網的范圍。網絡層提供了對IPv6的支持,使得網關可以通過骨干路由器將多個數據鏈路子網整合起來,并通過網絡層對終端設備進行快速定位,如圖2所示。

圖2 多個數據鏈路子網的ISA100.11a網絡拓撲

數據鏈路層除提供數據鏈路子網內的無線路由之外,最重要的則是通信調度的能力。所謂通信調度指ISA100.11a系統管理器對每個設備的超幀、時隙、鏈路等通信資源進行配置,在時間同步的基礎上保證不同設備之間無線通信的有序、穩定,進而提高通信帶寬使用率以及實現跳信道抗干擾等動態通信功能[5]。

從上述分析可知,基于面向對象的設計特點,ISA100.11a協議的應用層可以根據需要提供靈活多變的應用接口,每個終端設備的UAP數量和其中的對象數量并無定數;同時ISA100.11a協議為了支持大規模和高性能的網絡通信,提供了IPv6尋址、時隙和超幀配置以及跳信道等能力,尤其是數據鏈路層的超幀、時隙、無線路由表和跳信道序列等資源配置會定時由系統管理器進行評估與優化以維持最佳的動態無線通信狀況。因此,傳統的嵌入式單片機平臺難以在維持復雜通信管理的前提下同時兼顧處理外部變化多端的I/O接口。本文在考慮ISA100.11a協議的完整性前提下,僅將按需可變的UAP從協議中獨立出來并專門設計應用模塊以動態管理UAP及其對象,同時將協議的其他部分作為通信模塊以保證終端設備在網絡中的基本通信功能和性能不受影響。

2 終端設計

2.1 結構設計

根據上述ISA100.11a協議特點可知,傳統的嵌入式單片機平臺將所有終端協議內容全部實現于其中的方式已經難以兼顧復雜通信性能的保障和多樣化I/O接口的靈活部署。同時考慮到ISA100.11a協議的應用層具備典型的面向對象特征從而與其他協議層不同這一特點,這就為協議在功能實現方面提供了天然的差異化思路,容易使應用層和其他協議部分之間形成互相獨立并且低耦合的結構關系。因此,結構設計的核心思路是將UAP從ISA100.11a協議結構中提取出來獨立管理。具體為定義應用模塊和通信模塊作為終端的2個部分,UAP作為應用模塊的主體,協議其他部分作為通信模塊的主體,兩者之間按照協議規定的應用子層的一般性服務來定義交互接口,如圖3所示。

圖3 終端結構設計

需要強調的是,應用模塊和通信模塊更多的是軟件實體上的概念,在實現時可以分別部署于2個不同的嵌入式硬件平臺上,但不可集中于同一個嵌入式單片機平臺,否則將失去終端分離UAP的設計意義。ISA100.11a協議將設備管理器定義為一種特殊的UAP,內含設備管理相關的多個標準對象,在設備的入網、通信、退網過程中負責與ISA100.11a網絡進行基礎交互,是協議結構不可分割的部分,但和終端設備執行具體的采集控制功能關系不大。因此,通信模塊的設計中包含了除動態可增刪的UAP之外的所有協議結構,最大限度保持了終端設備在網絡通信過程中協議的完整性,使基本的通信交互不受影響。假設沒有應用模塊,單純的通信模塊也可以作為一個無實際功能的終端設備加入ISA100.11a網絡。

應用模塊主要負責動態建立UAP和其中的對象,具體由UAP管理器根據終端設備所需要搭載的傳感器、控制器和外部協議接口的實際情況而創建。為了保證通信模塊維持終端在網絡中的穩定在線,UAP管理器必須通過狀態監控器定時獲取該終端設備的狀態,在基本網絡通信穩定的前提下才允許UAP管理器按需申請新的UAP及其對象。成功建立的對象將負責具體的終端數據傳輸工作,應用子層服務管理器會將該對象的待傳輸數據按照協議規定封裝為應用子層服務數據,并根據該對象所在的UAP找到與之一一對應的傳輸層端口號以便繼續向協議下層傳遞。

2.2 交互設計

終端結構設計將通信模塊與應用模塊作為不同的實體分離部署,并優先保證通信模塊的穩定運行,因此需要解決2個模塊之間的交互設計問題。交互設計的核心問題在于保證通信模塊和應用模塊之間能夠順利提供對方所需要的信息,同時又要保證交互信息的簡單化,如果交互信息繁多復雜就失去了結構設計的分離化設計意義。考慮到基礎通信功能是終端在網絡中運行的基礎,因此交互設計的原則在于,所有應用模塊的活動都必須建立在通信模塊狀態正常的基礎上,即UAP管理器對終端各個UAP和對象的管理活動都要依賴于狀態監控器所代表的通信模塊狀態,故交互設計的核心內容是圍繞著通信模塊的狀態屬性展開的。

ISA100.11a協議規定了設備管理器中的設備管理對象(Device Management Object,DMO)可以反映設備當前在線狀態、重啟次數、設備資源列表等詳細信息。定義狀態監控器的意義就在于通過設備管理對象給應用模塊提供通信模塊的狀態,并對交互內容做出歸納以降低交互成本。對應用模塊而言,重要的通信模塊狀態可歸納為離線、在線和Contract資源這3種。所謂Contract資源,是ISA100.11a協議規定的不同設備之間進行數據通信的契約,由預備通信的設備向系統管理器申請,系統管理器根據網絡總體狀況批準,代表系統管理器允許設備之間進行數據傳輸。一般而言,一個Contract資源僅支持一個具體的對象到對象的數據傳輸,如果需要傳輸多種數據則必須申請額外的Contract資源。

當通信模塊狀態為離線時,應用模塊的UAP管理器會保持其所含的UAP數量為0;當通信模塊狀態為在線時,UAP管理器的工作才會被激活,并根據應用模塊所負擔的I/O任務來決定申請多少個UAP以及每個UAP所包含的負責具體I/O工作的對象;UAP中的每個對象建立之后即通過狀態監控器告知設備管理器,后者的設備管理對象按照ISA100.11a協議的規定向系統管理器申請所需的Contract資源,通信模塊會將申請結果送于應用模塊的狀態監控器查閱,若Contract資源申請成功,則該對象就可以開始其數據傳輸任務了。

以帶傳感器的終端設備向網關上傳采集數據為例詳述其交互過程,如圖4所示。假設終端設備初始為離線狀態,第1步,通信模塊的設備管理器向系統管理器發送入網請求,系統管理器根據網絡總體狀況批準其是否入網以及何時入網。第2步,通信模塊收到入網許可后,代表該終端設備已經加入到ISA100.11a網絡中,因此立即通過狀態監控器通知應用模塊來創建UAP及對象。第3步,對象創建完成后,應用模塊通知通信模塊開始申請Contract以取得對象在網絡中傳輸數據的許可,系統管理器批準Contract的申請后,通信模塊立即通知對象以告知可以開始數據傳輸。第4步,對象作為終端設備的I/O接口來訪問傳感器或控制器,本例的情況是對象訪問傳感器以收集數據并形成數據集;數據集由UAP利用應用子層服務管理器封裝為符合應用子層數據發布服務的格式,并直接送給對象所在UAP對應的應用子層訪問點,進而找到傳輸層端口,最后通過與網關之間的端到端通信將數據發布送給網關。需要強調的是,只要對象所需要的Contract資源持續有效,則相關通信可以一直循環進行,不需要重新申請額外的Contract資源,但對象的I/O任務有變化時就必須重新申請相匹配的新Contract。

圖4 終端設備向網關上傳采集數據的示意圖

從圖4還可以看出,如果終端不需要進行數據傳輸或者暫時停止數據傳輸時,應用模塊與通信模塊之間除了后者向前者反映在線狀態之外是沒有任何交互的。如此則可以最大限度減少通信模塊維持在線的業務處理負擔,同時保證了終端設備的協議完整性和輕量化。

2.3 I/O接口設計

2.3.1 I/O接口管理邏輯

在終端設備中,I/O接口本質上就是負責與傳感器、控制器或外部協議接口直接溝通的UAP中的對象,ISA100.11a協議規定了具備不同功能的多種類型的對象,也允許用戶根據需要自行定義對象。一般情況下,集中器對象(Concentrator Object,CO)負責與單個或多個傳感器對接;接口對象(Interface Object,IO)負責與單個控制器對接,這是因為控制器面臨的往往是突發性通信要求,與持續性通信要求的傳感器不同;隧道對象(Tunnel Object,TUN)負責與外部協議接口進行對接。當使用隧道對象和外部協議進行I/O通信時,隧道對象本身只是負責協議轉換的工作,轉換后的數據上傳或控制信息下發還是需要由集中器對象或接口對象來繼續處理。本文所設計的終端結構使UAP在實現時減少了ISA100.11a協議框架的影響,可專注于對象的分布與搭配。圖5所示為上述種類的對象在UAP中的一種典型分布,圖中的IO代表接口對象而不是一般意義上的輸入輸出。

圖5 UAP中的對象分布

但對象的分配管理并非隨意而不受約束的,否則有限的I/O接口資源將很快不堪重負。因此在管理這些不同對象代表的眾多I/O接口時,UAP管理器必須提供一種管理邏輯,據此在每次UAP創建時決定應該給各個UAP分配多少傳感器、控制器和外部協議接口。ISA100.11a協議規定了UAP可以使用的傳輸層的端口號范圍是0xF0B2到0xF0BF,這意味著終端設備中同時存在的UAP數量最多不能超過14個。因此,I/O接口管理邏輯的設計原則是,盡可能少地創建UAP并盡量將所需的I/O接口集中至同一個UAP中,這樣既節省了端口資源又方便了UAP內部對象之間的交互(如隧道對象與集中器對象或接口對象之間的交互),除非UAP的UAP管理對象(UAP Management Object,UAPMO)偵測到了通信擁塞。

2.3.2 隧道傳輸設計

隧道傳輸的意義在于使用ISA100.11a網絡兼容傳輸外部協議數據,在這種情況下ISA100.11a網絡起到一種信息傳遞者的作用,很適合與其他類型的總線或網絡組成有針對性的混合物聯網,使無線網絡與外部系統的無縫對接成為可能[13]。以上傳采集數據為例,隧道傳輸的主要方式是在終端設備中輸入外部協議的采集數據并轉換為ISA100.11a協議格式的隧道數據包,再通過ISA100.11a網絡轉發至網關,最后由網關將包裹著外部協議數據的隧道數據包解析之后送給可以識別外部協議數據的現場網絡。圖6顯示了ISA100.11a隧道傳輸外部ZigBee采集數據的過程,其中網關的離散器對象與終端的集中器對象相匹配以解析數據發布的內容。

圖6 隧道傳輸兼容ZigBee數據的示意圖

隧道數據的打包和解析都由隧道對象負責,因此,在終端設備和網關之間的隧道傳輸實質上是一種隧道對象到隧道對象的傳輸,而ISA100.11a協議規定了一個Contract資源只支持一條對象到對象的數據傳輸。此外,I/O接口管理邏輯在原則上也要求盡量減少額外新對象的建立與分配。綜合以上要求,為了節省通信資源,必須盡量充分利用每條隧道對象之間的隧道傳輸通路,故應在終端的隧道對象中設計緩存及其管理機制。

隧道傳輸所涉及的一對設備中,每個設備的隧道對象都設計2個消息緩存,每個緩存分別和對方設備中的一個緩存進行消息交互。當隧道對象所在設備作為請求端時,2個緩存分別負責發送請求消息和接收響應消息;當隧道對象所在設備作為響應端時,2個緩存則分別負責接收請求消息和發送響應消息。圖7以網關向終端發送基于隧道的請求消息為例進一步詳述了隧道對象緩存的管理機制。假設網關需要通過隧道傳輸向某個終端所接的外部網絡發送請求消息以獲取外部網絡的信息,首先由網關UAP的隧道對象令其中一個負責發送請求消息的緩存生成為隧道傳輸數據,并由該緩存發送至終端;終端收到請求消息后,終端UAP的隧道對象令其負責接收請求消息的緩存并送入外部網絡;外部網絡處理請求內容后,終端UAP的隧道對象令其中負責發送響應消息的緩存向網關發回響應消息;最后在網關UAP的隧道對象中,負責接收響應消息的緩存得到整個請求活動的結果。

圖7 隧道傳輸的消息緩存機制

為隧道對象設計2個消息緩存的意義在于,當2個設備之間需要大量隧道傳輸時,眾多的請求響應消息可以在緩存中組成隊列依次處理。此外,額外的緩存有助于快速處理掉因超時或其他原因造成的請求失敗或無響應消息,并對這些有問題的待處理消息根據需要進行其他調整,如重新評估消息內容的負載并分段重發。

3 性能測試

本文所設計的終端最突出的特點是UAP從ISA100.11a協議棧中的分離,優先保證終端在網絡中的基礎通信,按需逐步啟動終端應用,最大限度維持終端的通信穩定性。因此,選用丟包率作為衡量終端通信穩定性的性能指標。同時為了避免單個終端可能造成的不可控性能差異的影響,最終采用網絡總丟包率作為性能測試的參考,總丟包率可以通過ISA100.11a系統管理器所提供的網絡健康報告服務獲取。如圖8所示為本文的依托項目所完成的Web監控系統[12]呈現的網絡健康報告頁面截圖,圖中可見DPDU的總發送量和總丟失量。

圖8 網絡健康報告監控總丟包率

為了測試全面,除骨干路由器外,分別以10、20、30、40、50為總的組網終端數量,每次組網持續一周。同時,將以橫河電機YTA510[14]為基礎開發的舊版終端進行同樣方式的組網來作為對比測試組。其中,本文所設計的終端方案采用了飛思卡爾的MC13224芯片為通信模塊,LPC1114芯片作為應用模塊搭載傳感器;舊版終端參照橫河YTA510,以STM32L162RD芯片搭載完整ISA100.11a協議棧及傳感器,CC2520芯片只負責物理層的射頻發送。

如圖9所示為新舊終端組網測試總丟包率的結果。從圖中可知,雖然總丟包率會隨著節點數量的提高而大幅增加,但本文所設計的終端能夠明顯減少同樣條件下的丟包率,提升網絡通信質量。

圖9 終端在網絡中的總丟包率測試

4 實地應用

將本文所設計的終端研制完成后應用于陜西周至佰瑞獼猴桃研究院的農業物聯網系統升級,將原有的ZigBee網絡變更為以ISA100.11a網絡為主體并兼容ZigBee節點農業墑情采集的混合網絡,拓撲結構如圖10所示。考慮到ZigBee設備雖然在性能上要弱于ISA100.11a設備,但其在面向農業等非極端環境下仍然具有更好的適應性[15],因此并沒有將原有農業物聯網全盤替換為ISA100.11a網絡。該拓撲方案的核心思路是,借助ISA100.11a優異的通信能力和方便的外部協議兼容能力,將原有的多個較分散的ZigBee采集網絡組合為統一的大規模網絡。

圖10中的ZigBee集中器即為終端在該系統中的名稱,其主要任務是將ZigBee數據經隧道對象轉換為ISA100.11a數據后,由集中器對象整合并發送至網關設備,網關設備的隧道對象將其還原為ZigBee數據并送給監控中心查看。

新系統在半年的使用過程中,網絡運行穩定、可靠,十分適應關中地區同類作物離散化種植的現狀,解決了原有農業物聯網系統存在的覆蓋面積小、無線傳輸不穩定等實際問題。

實際上,本文所設計終端的隧道傳輸方法可以應用于任何基于其他協議的網絡或總線系統的兼容性升級。例如工廠內可以使用ISA100.11a網絡替換ModBus等有線網絡的傳輸部分,即在原有的ModBus節點和網關之間將具有較高部署維護成本的ModBus總線替換為ISA100.11a無線網絡,ModBus節點的數據將通過ISA100.11a終端的隧道傳輸方法無線傳送至ModBus網關,如此既可以降低部署維護成本又可以減少有線線路的物理安全隱患。但工業領域的無線傳輸在數據可靠性和安全性方面仍然有待進一步的突破。

圖10 隧道傳輸拓撲結構

5 結束語

本文提出了一種基于ISA100.11a協議的終端設計,將UAP從協議棧中分離出來作為應用模塊獨立管理,其他協議內容作為通信模塊保證終端基本通信,2個模塊之間主要以狀態監控器進行交互。經長期測試研究證實,本文所設計的終端能夠顯著降低網絡的丟包率,此外能夠通過隧道傳輸靈活兼容其他總線或網絡協議的數據,并且終端已經在大規模混合型農業物聯網場景中得到應用實踐,效果良好。在下一步的研究中,將重點解決應用模塊通信實時性和雙模塊終端低功耗的問題。

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