工业物联网感知层协议分析与应用展望

郭涛 高米翔 韩鹏

摘 要：工业物联网已在国内外引起了非常大的关注，比如“中国制造2025”以及“德国工业4.0”。工业物联网可以分为感知层、网络层以及应用层，其中感知层起到了连接物理世界的重要作用。文章通过对工业物联网感知层主流无线通信协议进行对比分析，从不同的角度（比如物理层频率、调制技术、网络拓扑、网络寿命以及实时性等）对比各种协议的优缺点，并对协议的应用领域进行了展望，从而为行业应用提供了参考。

关键词：物联网；感知层；无线通信；协议

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-04

0 引 言

2013年4月德国政府在汉诺威工业博览会上正式提出 “工业4.0”，目的是为了在新一轮工业革命中占领先机。2015年5月中国国务院公布强化高端制造业的国家战略规划“中国制造2025”，希望通过新一代信息技术（云计算、大数据、物联网）与制造业融合，提升传统制造业水平[1]。不管是德国“工业4.0”还是“中国制造2025”，都希望将物联网技术深度融入现有工业系统，提升工业系统的信息化水平。

工业物联网系统的架构主要分为三个层次：最底层为感知层，中间为网络层，最上层为应用层[2，3]。感知层主要包括无线传感器网络以及RFID等系统。感知层可以采集到现有工业系统的物理参数，通过无线网络网关传递给网络层。网络层主要包括现有的有线网络或者移动通信网络。网络层是整个物联网系统的骨干，可以把分布于广泛区域的感知层网络联接起来。应用层主要是对底层采集的信息进行集中分析、处理及控制。

目前存在很多现有的感知层无线网络通信协议，不同的协议适用于不同的应用场景。本文首先详细分析了各个协议 （包括短距离无线通信网络协议以及低功耗广域网络协议）的技术特点，然后从不同的维度（频段、网络拓扑、网络寿命、实时性等）对比分析了不同无线网络协议的优缺点以及适用范围。最后，针对不同行业的应用特点，展望了各种无线网络协议的应用前景。

1 短距离无线通信网络

物联网系统是一种跟实际应用强相关的系统，特别是在感知层，没有一种感知层协议能够适用于所有的应用场景。比如有的应用比较适合采用短距离自组织网络，而有的应用却适合采用低功耗广域网络。文中将对当前主流短距离无线通信网络协议进行详细分析及比较，主要包括ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA以及ZigBee。

1.1 ISA100.11a

ISA100.11a由国际自动化学会（ISA）下属的ISA100工业无线委员会制定，是工业级无线传感器网络国际标准之一[4]。ISA100.11a于2014年9月获得国际电工委员会（IEC）的批准，成为正式国际标准IEC 62734。

ISA100.11a基于IEEE 802.15.4协议，工作于ISM 2.4 GHz频段。由于ISA100.11a主要面向工业自动化领域，可靠性与实时性是协议设计之初的重要指标。为了达到工业要求的实时性和可靠性，ISA100.11a在物理层采用了IEEE 802.15.4的 PHY（信道11至信道26），采用O-QPSK调制方式。在数据链路层整合了IEEE 802.15.4的MAC层以及跳信道、确定性时隙调度技术[5，6]。在数据链路层提供高可靠性和实时性的基础上，为了让ISA100.11a网络能够方便的接入工业自动化现场现有的IP网络，ISA100.11a在网络层整合了6lowPAN的网络技术，在网络层可以将运行IPv6协议的骨干网络与子网无缝连接与转换。ISA100.11a网络层则主要负责网络层帧头的装载和解析，数据报文的分片和重组，IP帧头的压缩等。

凭借着非常高的实时性以及网络可扩展性，ISA100.11a目前在工业自动化现场得到了比较广泛的应用。

1.2 WirelessHART

WirelessHART是HART通讯协议的扩展，专为工业环境中的过程监视和控制等应用所设计。WirelessHART于2008年9月19日正式获得国际电工标准委员会（IEC）的认可，成为国际标准（IEC 62591）。WirelessHART的主要支持厂商包括Emerson、ABB、E+H、Honeywell、Siemens等。

与ISA100.11a类似，WirelessHART的物理层也是基于IEEE 802.15.4标准，运行于ISM 2.4 GHz频段。在物理层方面，直序扩频（DSSS）以及O-QPSK技术同样被采用。由于该协议主要也是面向工业自动化领域，在数据链路层通过整合IEEE 802.15.4的MAC以及在链路层采用跳频和时隙调度技术来达到应用所要求的实时性和可靠性[5]。在网络层，WirelessHART支持MESH路由技术，但与ISA100.11a不同的是，WirelessHART不支持IPv6技术，也不像ISA100.11a的子网，会导致网络规模受到一定的限制[7，8]。

与工业自动化领域的另一个标准ISA100.11a相比，WirelessHART主要有如下几点区别：

（1）MESH路由在网络层实现，ISA100.11a则在数据链路层实现；

（2）网络中节点都有对等的功能（都具有路由能力），ISA100.11a有路由节点和非路由节点的区别；

（3）相比ISA100.11a，WirelessHART的网络规模较小。

1.3 WIA-PA

WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation，WIA-PA）标准是中国主导制定的工业无线标准。WIA-PA于2011年正式成为IEC 62601国际标准[9，10]。

与WirelesHART以及ISA100.11a不同的是，WIA-PA为两层拓扑结构，下层为星型结构，由簇首和簇成员构成。上层为MESH结构，由网关和簇首构成。与WirelessHART以及ISA100.11a相同的是，WIA-PA的物理层也是基于IEEE 802.15.4协议，同样采用DSSS及O-QPSK技术。在超帧结构上，WirelessHART与ISA100.11a都没有采用IEEE 802.15.4的超帧结构。而WIA-PA则采用IEEE 802.15.4的超帧结构。WIA-PA的超帧分为活动期和非活动期。活动期中的竞争接入期主要用于设备加入以及簇内管理，非竞争接入期主要用于节点与簇首通信。非活动期分为三个部分，一部分用于簇内通信，一部分用于簇间通信，另一部分用于休眠。

WIA-PA协议主要有如下特点：

（1）采用与ISA100.11a以及WirelessHART不一样的超帧结构；

（2）采用双层网络拓扑结构能够很大程度上将网络的调度以及管理功能分散到簇首节点，提升网络的鲁棒性以及运行效率。

1.4 ZigBee

与前面章节所介绍的三个工业自动化领域的实时性较好的无线通信协议不同，ZigBee主要的应用场景是那些对实时性要求不高的应用（比如家庭自动化等）。ZigBee是由ZigBeeAlliance提出的基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议[11，12]。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee网络的节点主要有两种，分别为全功能节点和半功能节点。其中全功能节点具有路由功能，而半功能节点则没有。这样，全功能节点为了保障网络的连通性就不能进入休眠模式，而半功能节点则在没有业务的情况下可以进入休眠模式。由于全功能节点不能休眠，会导致ZigBee网络的寿命相比前面三个实时性协议而言短很多。

ZigBee协议主要有如下特点：

（1）采用IEEE802.15.4物理层以及MAC层技术；

（2）主要采用CSMA技术；

（3）网络层采用源路由技术；

（4）不能保证实时性。

2 低功耗广域网络

与短距离无线通信网络使用多跳自组织网络不同，低功耗广域网络主要采用星型网络组网。本章将对三种主要协议进行介绍，其中包括LoRa、SigFox及NB-IoT。

2.1 LoRa

LoRa是由LoRa Alliance发起的一个低功耗广域网络协议。目前，LoRa得到了比较广泛的应用，比如法国运营商布依格的物联网应用将使用LoRa技术。LoRa在物理层使用DSSS以及FSK调制技术。支持0.3 Kb/s至50 Kb/s的数据传输速率，对于需要长时间共享小量数据的智能终端来说非常适用。相关数据显示，LoRa终端仅靠电池就可维持在网时间达10年之久。

LoRaWAN的网络架构是一个典型的星状网络。网关通过标准的IP连接到网络服务器，终端设备通过单跳的无线网络与网关通信。通过自适应速率技术，LoRaWAN网络可以自动调节速率以及射频输出功率以最大化电池寿命。LoRaWAN网络主要有三类设备：

Class A：终端下行传输跟随在上行传输之后。

Class B：除了A类终端的随机下行传输时隙之外，网关还为终端调度了专用的下行传输时隙。

Class C：终端一直有下行传输时隙，当有上行传输终止命令时才会停止。

三类不同的终端类型适用于不同的应用场景。比如对于典型的下载类应用，类型C终端就比较适合。

2.2 SigFox

SigFox是创立于法国的一家物联网创业公司所提出的一个私有协议。目前已经得到很多运营商的支持，并且在欧美多个城市部署了大规模的网络。与现有的其他低功耗广域无线通信协议不同的是，SigFox使用UNB（超窄带）通信技术，极大地降低了终端的成本。同时，其具有功耗小、覆盖范围大的特点。

Sigfox的网络在结构上属于星型网络，在有数据需要传输的情况下才建立连接。SigFox工作于ISM频段，用户可以根据每个国家的实际情况进行部署，比如在欧洲可以使用868 MHz，而在美国可以使用915 MHz。

在市郊场景下，一个SigFox基站可以达到30至50公里的覆盖范围，而在城市场景下，也可以达到3至10公里的覆盖范围。

SigFox的通信安全通过如下几种方式来保证：anti-replay， message scrambling， sequencing， etc.

Sigfox的最大优点之一是简化了天线设计，同时降低了终端以及网络的成本。

2.3 NB-IoT

2015年9月，NB-IoT（Narrow Band – Internet of Things，NB-IoT）协议正式在3GPP立项，预计会在2016年上半年完成。与其它几种LoRaWAN协议不同，NB-IoT运行于Licensed频段。NB-IoT主要面向广覆盖、低功耗、低成本以及大规模接入的物联网应用。目前参与讨论和制定的主要有运营商以及电信设备制造商，包括沃达丰、中国移动、中国联通、华为、高通、爱立信等。

NB-IoT主要由华为主导的NB-CIoT以及爱立信主导的NB-LTE融合而成。NB-CIoT与NB-LTE在时隙设计、信道设计方面存在差异。在物理层方面，NB-CIoT上下行的带宽都是200 kHz，其中下行48个子载波，上行36个子载波，下行使用OFDMA技术，而上行使用FDMA技术。NB-LTE下行使用OFDMA技术，上行使用SC-FDMA技术[13]。

3 协议比较

前面章节对几种短距离无线通信网络协议以及低功耗广域网络协议进行了基本介绍。每个协议有它自己的设计应用场景，即有各自的优缺点。在本章将会对它们分不同的角度进行比较。详细特点对比见表1所列。

（1） 频段：除了NB-IoT运行于Licensed频段之外，其它所有协议都设计运行于ISM频段。

（2）调制技术：四个短距离通信协议由于都采用了IEEE 802.15.4协议所支持的DSSS以及O-QPSK。LoRA采用了DSSS以及FSK调制技术。Sigfox则采用超窄带配合DBPSK调制技术。NB-IoT主要采用8PSK调制技术。调制技术的选择会直接影响到网络的覆盖范围。

（3）最大速率：短距离通信协议的速率相比低功耗广域网的速率要高。几个短距离通信协议由于都是基于IEEE 802.15.4，最大速率都能达到250 Kb/s。对速率要求比较高的应用，比如视频传输，就不太适合选用SigFox协议。

（4） MAC：为了达到良好的实时性，工业自动化领域的三个短距离通信协议都采用了CSMA/TDMA/FDMA的混合技术。低功耗广域网协议由于主要是面向非实时性应用，在MAC层则主要采取CSMA的方式。

（5） 实时性：由于ISA100.11a、WirelessHART以及WIA-PA都采用了确定性时隙调度技术，在链路层可以达到比较高的实时性。

（6）网络拓扑：短距离自组织网络都支持两种网络拓扑，Mesh以及Star。而低功耗广域网络则都是Star。

（7）电池寿命：文章所提到的物联网协议都能够有比较长的电池寿命，除了ZigBee由于全功能节点无法休眠导致寿命缩短。

（8）路由：低功耗广域网络由于都是星型拓扑因此并不需要路由协议。几个短距离通信协议都支持源路由。其中，ISA100.11a在数据链路层实现，而其他三个短距离协议则在网络层实现。

（9）最大覆盖：ISA100.11a的覆盖主要由子网个数决定，部署的子网个数越多，所能支持的覆盖就越大。其他三个短距离协议的覆盖主要由网络跳数决定。

（10）维护性：短距离通信协议虽然在部署方面比较简单，但是由于多跳网络的存在造成了维护难度的增加。相比之下，低功耗广域网都是星型网络，可维护性都比较强。

对于不同的物联网应用，应该根据实际需求选择相应的协议。比如在一些工业自动化应用中，采集的参数以及控制命令都需要进行实时传输，在这种情况下，选择ISA100.11a、WirelessHART或者WIA-PA比较合适。如果应用的需求是采集一些对实时性要求不高的参数，则可以选择ZigBee协议。但是ZigBee协议目前存在一个比较大的弱点，即在组成Mesh网络后，路由节点由于需要维护网络的连通性，不能进入休眠状态，导致节点的寿命会有所下降。对于那些数据量非常小的应用，比如家庭抄表，一个星期甚至一个月才有很小量的数据发送，并且电表水表都在大楼内，对信号的穿墙能力要求比较高，这种应用场景则比较适合于选择LoRa、Sigfox或者NB-IoT协议，因为这三个低功耗广域网络协议都有很大的链路预算。

4 结 语

本文首先详细分析了两类协议（短距离无线通信网络协议以及低功耗广域网络协议）的技术特点，其中短距离无线通信网络协议主要包括ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA以及ZigBee。低功耗广域网络协议主要包括LoRa、SigFox以及NB-IoT。分别从不同的维度（频段、最大速率、网络拓扑、网络寿命、实时性等）对比分析了不同无线网络协议的优缺点以及适用范围。根据协议的特点，ISA100.11a、WirelessHART及WIA-PA比较适合于空旷的工业自动化实时应用场景，因为他们有较好的实时性以及电池寿命。ZigBee则适用于对实时性要求不高并且方便给全功能节点更换电池或者提供电源供电的应用场景，比如智能家居。而低功耗广域网络则比较适合应用于城市的智能抄表应用或者野外的参数监控，比如野外石油管道、森林火灾监控等。总之，根据不同行业的应用特点，需要根据不同的实际应用需求选择合适的通信协议方案。

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