基于ISA100.11a标准的工业传感网系统设计

（西安航天自动化股份有限公司，西安 710065）

目前在工业无线传感网技术方面，国际上已形成了WirelessHART、ISA100.11a以及WIA-PA 3个标准共存的局面。ISAl00.11a标准由国际自动化学会ISA（International Society of Automation）下属的ISA100工业无线委员会制定。该标准的主要特点为提供过程工业应用服务，包括工厂自动化；物理层采用IEEE 802.15.4的2.4 GHz公共频段；时隙跳频的方式保证可靠和稳定无线通信；使用一个简单的应用层提供本地和隧道协议，以实现广泛的可用性；现场设备具有支持网状和星型多种网络拓扑结构的能力。相比于其他2个标准，ISA100.11a标准在应用的稳定性和广泛性方面具有突出的优势，更加适合应用工业无线环境，并且具有较多的国际厂商支持。对于该标准的研究开发和应用案例国内还比较少，因此开发基于ISA100.11a标准的工业无线网络系统，可提高我国工业物联网技术水平，并且能够加快我国工业控制领域的产业升级[1]。

1 ISA100.11a标准原理

ISA100.11a标准支持多种网络拓扑，如星型结构、Mesh结构等。在ISA100.11a网络结构中引入骨干网，来减小数据传输时延。所有现场终端设备通过骨干路由器BBR（backbone router）接入骨干网，现场终端设备和路由器组成的网络为 DL（data link）子网。DL子网和骨干网就组成了ISA100.11a网络[2]，如图1所示。工厂网络作为工业现场应用的控制网络，面对不同的现场环境区别较大，并且该网络的规定在ISA100.11a标准中不涉及。

图1 ISA100.11a拓扑图Fig.1 Topology graph of ISA100.11a

骨干网由BBR、网关、系统管理器和安全管理器功能角色构成。骨干网络标准中没有明确要求，但骨干网的通信协议应该是高性能的网络。

网关角色提供工业传感网和工厂网络之间的接口。网关应具有将符合本标准的通信和其他通信之间转换的能力，并在本标准的应用层和其他应用层之间承担了协议转换器的职责。

安全管理器是一个与系统管理器和可选的带有安全系统操作的外部安全系统共同工作的特殊功能。安全管理器在逻辑上是可分离的，且在某些用例下会固定于一个在分离地域中的一个分离设备上。

系统管理器是一个特殊的角色，它负责统筹网络运行、设备入网离网管理以及通信资源管理。系统管理器表现为基于策略的网络运行时配置控制、通信配置上的监视器和报告、性能以及操作状态，并且提供时间相关的服务。

终端设备或路由器的协议体系结构参考标准的ISO/OSI 7层结构模型，主要由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层组成[3]。其中物理层采用的是IEEE 802.15.4协议[4]，数据链路层包括IEEE 802.15.4 MAC子层、ISA100.11a的MAC扩展子层和数据链路层上层，应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理应用进程[5]。

2 方案与体系结构

采用ISA100.11a标准来设计开发面向工业现场的物联网采集控制应用系统。详细的技术方案如下描述。

如图2所示，基于ISA100.11a标准的网络拓扑结构，分为工厂网络、骨干网和无线子网3个部分。工厂网络主要为网关设备和控制监视系统之间的通信；骨干网由若干个骨干路由器通过连接组成，主要功能为实现骨干路由的功能，减少无线网络设备间传输延时；无线子网系统主要由一个骨干路由器，现场路由设备和现场I/O设备组成。所有子网设备的数据经由骨干网，通过网关传输到工厂网络。

图2 网络拓扑结构图Fig.2 Network topology architecture

在本系统中，将系统管理器、安全管理器和网关封装在一个物理实体中，即网关设备，是系统中最核心模块。其中，系统管理器负责对设备的加入离开以及子网路由和资源的分配等功能；安全管理器负责对网络中密钥维护、设备安全管理；网关负责外部协议和ISA100.11a协议的转换，并且和工厂网络上的系统监视控制系统之间进行数据信息传输。

基于上述的技术方案，现场I/O终端设备采集信息，通过子网路由将数据信息送给BBR，BBR再通过Socket机制将数据传输到网关设备，传输媒介目前采用以太网，在某些特殊情况下可以采用无线局域网技术传输。网关设备将该数据进行服务协议的转换，最终显示在监控终端；同样，监控终端可以将符合某个工业现场标准的数据通过该路径传输到现场I/O设备，完成对子网内任意设备的无线控制功能。

2.1 网关设备设计

从研发设计的角度考虑，将网关设备软件系统划分为网关、系统管理器、安全管理器和骨干网路由传输模块，如图3所示。其中，考虑到安全管理器只和系统管理器通信，故将安全管理器作为系统管理器的一个模块，负责网络的安全管理功能。

图3 网关系统软件模块划分Fig.3 Gateway system software module

BBR和网关、系统管理器3个模块之间通过Socket机制通信，这样3个模块同时运行在Linux操作系统上，采用多线程设计思路，提高运行稳定性，降低硬件资源消耗。网关通过TCP/IP接口将无线网络信息和设备采集信息传输给Monitor-Host模块，Monitor-Host将该信息写入数据库；当用户通过Web服务器模块获取网络和设备信息时，Web服务器访问数据库方式来获取网络信息，并通过该接口完成对网络设备的配置命令等操作。

在设计过程中，网关设备的硬件主要由2部分组成，主板模块和核心模块。主板模块包括电源、存储器、UART接口、以太网接口，以及工业现场总线通信（Modbus、Profibus）模块等。核心模块主要是高性能处理模块，设计采用了TI公司的DM3730芯片，该芯片基于ARM CORTEX-A8内核的处理器，搭载Linux操作系统，满足多线程运行的实时性调度。

2.2 骨干路由器设计

骨干路由器设备具有将数据包通过骨干网的路由功能。骨干路由器可以使外部网络能以携带本地协议并封装PDU的形式传输数据。

本方案中骨干网基于IPv6数据传输协议，图4描述了骨干路由器的模块，分为协议子栈、数据包解析和转换模块、UDP接口模块。协议子栈主要功能是与DL子网通信，发送广播帧、接收来自终端设备的无线帧。协议子栈的NL层解析后，如果是要经过骨干网到其他设备的数据，则通过对无线帧处理封装成IPv6包，通过Socket端口发送出去。

图4 BBR模块图Fig.4 Module diagram of BBR

2.3 终端设备设计

终端设备的主要功能为按照协议栈进行数据的发送和接收处理。图5是终端设备的模块划分示意图，分为传感采集模块和协议栈核心模块。传感采集模块实现用户应用进程和感知信息处理，和协议栈之间通过SPI/UART接口实现数据传输。采用该设计的优势是传感采集模块可以根据不同的应用进行实现，具有广泛的应用。协议栈核心模块按照标准的分层设计，如下详细描述。

图5 终端设备模块图Fig.5 Module diagram of terminal

应用子层不包含任何用户应用，只在那些应用和网络服务间提供接口，即给用户应用进程和设备管理进程提供各种服务。

传输层提供端到端的通信服务，负责传输层帧头的装载和解析，传输层的安全和管理信息库的管理。传输层支持IPv6数据包格式。

DL层包括IEEE802.15.4的MAC层和数据链路层上层。MAC层主要负责时间同步、跳信道和通信调度，提供点对点的重传机制。数据链路子层主要负责帧头的装载和解析、DL层安全、DL子网内路由、邻居发现等功能。

物理层主要功能有激活和休眠射频收发器，发射功率控制，信道能量检测，检测接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估和收发数据。

从开发复杂度和节约成本的角度，节点的设计采用主处理器+射频模块的方案。在选用国内外主流的嵌入微处理器、微控制器的基础上，构造出易于扩展、适应性强的无线传感器网络小型化硬件平台，可以采集或输出工业现场常见的数字量输入输出信号，以及模拟量输入输出信号。

3 关键技术

3.1 精准时间同步技术

ISA100.11a网络拓扑分为2层结构，分别为骨干网和 DL子网。因此，本设计根据网络的结构基于分级同步的思想进行时间同步控制。系统管理器作为系统时钟源，BBR入网过程中，系统管理器在回复的响应数据中携带当前时间信息，BBR接收到该信息进行时间同步；当骨干网完成时间同步后，BBR便向其所在的DL子网内的终端设备发送广播帧，终端设备根据广播帧中携带的时间信息来进行时间同步。这样，经过两级同步后达到全网同步的目的。

3.2 确定性调度技术

实现确定性调度技术的核心是协议栈在实现时间同步的基础上必须能够提供精确的时隙。时隙的划分为协议栈调度的运行提供时间。当一个新的时隙到来之后，协议栈将判断在该时隙是否有链路触发，流程图如图6所示。具体步骤是根据当前时隙偏移，依次和链路表中链路的时隙偏移进行对比，如果当前时隙偏移和链路表中某一个链路的时隙偏移相等，那么就认为该条链路触发了，否则认为该时隙处于空闲状态。如果在该时隙有一条链路或有多条链路触发，那么根据链路的优先级进行排序，设备将选择优先级最高的一条链路执行相应操作。

图6 确定性调度中断处理流程Fig.6 Deterministic scheduling interrupt handling procedure

当判断当前信道为Active_RX，则进入RX处理流程，此时设备将打开接收机等待接收数据帧；若当前信道为Active_TX，则进入TX处理流程，检查发送缓冲区是否有要发送的帧，如果有再打开发射机发送数据给目的设备。

3.3 低功耗技术

在保证传输距离满足工业现场应用的情况下，在终端设备的开发过程中采用低功耗管理和设计思路。主要涉及微处理器模块和射频模块，对微处理器模块采用的技术为在休眠时降低时钟频率，采用32.768 kHz时钟频率作为低功耗状态下。对射频模块在发送或接收到帧后及时关闭收发机来降低射频功耗。

微处理器低功耗设计，通过配置睡眠控制寄存器。根据每个时隙到来时，不同的链路模式来进行控制。若当前时隙为空闲时隙，则配置寄存器进入Doze模式（该模式下保持低频晶振运行），不做任何业务处理；若当前时隙为发送时隙，则在接收到发送完成中断后立刻关掉射频发射机；在当前时隙接收到无线帧后，先关闭接收机，等待回复Ack帧时，再打开发射机，接收到发送完成中断时关闭接收机。

4 结语

基于该方案的工业传感网系统设计合理，能满足工业用户的不同需求。目前，基于ISA100.11a标准的工业传感网通信协议栈软件、终端设备以及监控显示系统的原型机基本实现，形成了一套完整的ISA100.11a工业物联网系统，具有很好的应用前景。

[1] 王平，刘其琛，王恒，等.一种适用于ISAl00.11a工业无线网络的通信调度方法[J].仪器仪表学报，2011，32（5）：1189-1195

[2] Wireless Systems for Industrial Automation：Process Control and Related Applications[S].ISA Std.100.11a，2011.

[3] Project Proposal-ISA100.11a[EB/OL].https：//github.com/ESE519/ ISA100.11a/wiki/Project-Proposal，2014.

[4] IEEE Standard for Information Technology Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks Specific Requirements[S].IEEE Std 802.15.4，2006.

[5] 张海鹏.ISA100.11a协议栈研究与开发—应用层关键技术的研究与实现[D].重庆：重庆邮电大学，2010.