工业无线网络WIA技术

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关键词:摘要: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。一、概述     ...
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  • 摘要: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。

一 、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h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 。

二、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。
三、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 。

四 、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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