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工业无线网络WIA技术概述

   日期:2009-02-10     作者:管理员    
  概述
  工业无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中科院沈阳自动化所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术,该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制,能够针对应用条件和环境的动态变化,保持网络性能的高可靠性和强稳定性。
  

  工业无线网络WIA技术基于短程无线通信IEEE 802.15.4标准,使用符合中国无线委会规定的自由频带,解决工厂环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应,以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰,提供能够满足工业应用需求的高可靠、实时无线通信服务。
  通过使用工业无线网络WIA技术,用户可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的"泛在感知",获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目标。
  工业无线网络WIA技术主要应用于石油、石化、冶金、环保、污水处理等领域。
  技术体系
  工业无线网络WIA技术体系是由中国工业无
线联盟推出的具有自主知识产权的技术体系,形成了国家标准草案,并与Wireless HART、ISA100并列为主流的工业无线技术体系。
  WIA网络采用星型和Mesh结合的两层网络拓扑结构。第一层是Mesh结构,由网关设备及路由设备构成;第二层是星型结构,由路由设备及终端设备或手持设备构成。
  


  网关:负责WIA网络与工厂内的其它网络的协议转换与数据映射;
  冗余网关:负责网关的热备份;
  网络管理者:负责构建由路由设备构成的Mesh网络;监测全网性能;
  安全管理者:负责路由设备及终端设备的密钥管理与安全认证;
  WIA网络的协议栈结构遵循ISO/OSI的层次结构,但只定义了物理层、数据链路层、网络层、应用层。
  WIA协议栈由协议层实体,包括数据链路层、网络层、应用层(由应用支持子层、用户应用进程、设备管理应用进程构成)、功能模块及层实体间的数据接口和管理接口构成。数据链路层、网络层和应用支持子层包含的功能模块有:数据实体和管理实体。用户应用进程包含的功能模块是多个用户应用对象。设备管理应用进程包含的功能模块有:设备管理模块、网络管理模块、安全管理模块、网络管理代理模块、安全管理代理模块、管理信息库。
  


  技术特征
  高可靠自组织网络
  WIA网络采用了以下措施保障工业环境中无线通信的高可靠性:
  ●TDMA避免了报文冲突
  系统产用全网TDMA模式,并且全网的时间同步精度达到微秒级。
  ●跳频通信方式提高了点到点通信的抗干扰能力
  WIA技术使用多信道进行通信,通过TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信负载,在DSSS的基础上引入FHSS的思想,采用根据信道状态自适应跳频机制,可以有效地抑制突发性干扰,消除频率选择性衰减。
  

  ●自动请求重传保证了报文传输的成功率
  WIA技术在链路层采用自动请求重传机制,保证了点到点的报文传输成功率,在应用层采用面向连接的(connection-oriented)数据传输技术,通过端到端的重传机制保证数据传输的高可靠性。
  

  ●Mesh路由提高了端到端通信的可靠性
  WIA技术在网络层采用智能的Mesh网络技术。每个设备至少有两条可用的通信路径,设备加入网络后,可以自主选择或由网络管理者分配多条数据传输路径。当一条路径由于干扰被中断,设备可以自动切换到其它通信质量较好的路径。
  

  ● 设备冗余提高了系统的鲁棒性
  分层组织模式
  WIA网络采用集中式与分布式结合的系统管理方式,在路由设备组成的mesh网络中采用了集中式的管理策略,提高了通信的可靠性和网络的可扩展能力,保证了簇间通信资源的优化配置及统一管理;在终端设备组成的多个星型网络中采用了分布式的管理策略,簇首可以自主决定簇成员通信资源的分配,降低了终端设备协议的复杂性,提高了终端设备加入和退出网络的灵活性。WIA网络分层的组织模式,对网络拓扑的维护更加灵活、快速。
  

  超低能耗
  WIA网络支持由电池供电的终端设备,采用基于TDMA的全网同步的休眠唤醒模式,减少了串听和待机时间,使设备的占空比达到99%,平均电流达到微安级,在不更换电池的情况下能工作2年以上。
  WIA网络支持以降低通信开销为目的的报文合并,支持簇内的报文合并,通过簇首将多个簇成员的周期性报文合并,提高了报文中的有效数据比例,降低报文头部的通信开销,从而有效地降低了网络开销,延长了电池寿命。
  

  兼容无线HART标准
  工业无线网络WIA技术在应用层支持HART命令和操作,兼容于现有的HART 工具,应用和系统集成技术。对于传统HART仪表,WIA网络在设备端和上位机端为用户提供了接口,通过WIA网络提供透明的数据传输服务。在设备端接口,WIA适配器串接到仪表与控制器间4~20mA的信号线上,通过HART命令与仪表交互。使用这种方式,WIA适配器与仪表是分离的,需要独立封装。在上位机端接口,WIA网关支持基于HART指令的数据传输可以通过串行和并行两种方式接入4-20 mA链路中,通过无线通信方式与上位机交互HART命令。
  

  兼容IEEE802.15.4标准
  WIA网络在链路层兼容IEEE802.15.4的超帧结构,并对其进行了扩展。WIA网络维护两种不同的超帧:网络超帧和簇内超帧。网络超帧用于骨干网的数据传输,保证了通信的可靠性和实时性。簇内超帧用于路由器与现场设备之间的通信,使得符合原IEEE802.15.4标准的设备可加入WIA网络。
  支持扩频通信与窄带通信
  WIA网络物理层工作频带的选择符合中国《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》,在其中的低频频带支持窄带通信,其优点是通信距离远,绕障能力好,同频其它设备少,干扰较小;在高频频带支持扩频通

信,其优点是通信速率高,抗干扰能力强。
  WIA网络可同时支持扩频通信与窄带通信,并将它们无缝地集成到同一网络中。
  技术优势
  ●分层的组织模式,对网络拓扑的维护更加灵活、快速;
  ●自适应的跳频模式与自动重传机制,对保障通信的可靠性更加有效;
  ●支持网内报文聚合,有效地降低了网络开销,延长电池寿命;
  ●兼容IEEE802.15.4标准,可以使用现有商用器件,易于实现;
  ●兼容无线HART标准,支持HART命令,很容易升级传统仪表,为其增添无线通信功能。
  ●用户可以方便地使用、管理,无需较高的专业知识。

 
  
  
  
  
 
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