工業無線網絡WIA技術概述

一、概述
工業無線網絡WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術是由中科院沈陽自動化所推出的具有自主知識產權的高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網絡技術，該技術提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網絡路由機制，能夠針對應用條件和環境的動態變化，保持網絡性能的高可靠性和強穩定性。
工業無線網絡WIA技術基于短程無線通信IEEE 802.15.4標準，使用符合中國無線委會規定的自由頻帶，解決工廠環境下遍布的各種大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應，以及馬達、器械運轉時產生電磁噪聲對無線通信的干擾，提供能夠滿足工業應用需求的高可靠、實時無線通信服務。
通過使用工業無線網絡WIA技術，用戶可以以較低的投資和使用成本實現對工業全流程的泛在感知，獲取傳統由于成本原因無法在線監測的重要工業過程參數，并以此為基礎實施優化控制，來達到提高產品質量和節能降耗的目標。
工業無線網絡WIA技術主要應用于石油、石化、冶金、環保、污水處理等領域。
二、技術體系
工業無線網絡WIA技術體系是由中國工業無線聯盟推出的具有自主知識產權的技術體系，形成了國家標準草案，并與Wireless HART、ISA100并列為主流的工業無線技術體系。
WIA網絡采用星型和Mesh結合的兩層網絡拓撲結構。第一層是Mesh結構，由網關設備及路由設備構成；第二層是星型結構，由路由設備及終端設備或手持設備構成。
網關：負責WIA網絡與工廠內的其它網絡的協議轉換與數據映射；
冗余網關：負責網關的熱備份；
網絡管理者：負責構建由路由設備構成的Mesh網絡；監測全網性能；
安全管理者：負責路由設備及終端設備的密鑰管理與安全認證；
WIA網絡的協議棧結構遵循ISO/OSI的層次結構，但只定義了物理層、數據鏈路層、網絡層、應用層。
WIA協議棧由協議層實體，包括數據鏈路層、網絡層、應用層（由應用支持子層、用戶應用進程、設備管理應用進程構成）、功能模塊及層實體間的數據接口和管理接口構成。數據鏈路層、網絡層和應用支持子層包含的功能模塊有：數據實體和管理實體。用戶應用進程包含的功能模塊是多個用戶應用對象。設備管理應用進程包含的功能模塊有：設備管理模塊、網絡管理模塊、安全管理模塊、網絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫。
三、技術特征
高可靠自組織網絡
WIA網絡采用了以下措施保障工業環境中無線通信的高可靠性：
●TDMA避免了報文沖突
系統產用全網TDMA模式，并且全網的時間同步精度達到微秒級。
●跳頻通信方式提高了點到點通信的抗干擾能力
WIA技術使用多信道進行通信，通過TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信負載，在DSSS的基礎上引入FHSS的思想，采用根據信道狀態自適應跳頻機制，可以有效地抑制突發性干擾，消除頻率選擇性衰減。
●自動請求重傳保證了報文傳輸的成功率
WIA技術在鏈路層采用自動請求重傳機制，保證了點到點的報文傳輸成功率，在應用層采用面向連接的（connection-oriented）數據傳輸技術，通過端到端的重傳機制保證數據傳輸的高可靠性。
●Mesh路由提高了端到端通信的可靠性
WIA技術在網絡層采用智能的Mesh網絡技術。每個設備至少有兩條可用的通信路徑，設備加入網絡后，可以自主選擇或由網絡管理者分配多條數據傳輸路徑。當一條路徑由于干擾被中斷，設備可以自動切換到其它通信質量較好的路徑。
● 設備冗余提高了系統的魯棒性
分層組織模式
WIA網絡采用集中式與分布式結合的系統管理方式，在路由設備組成的mesh網絡中采用了集中式的管理策略，提高了通信的可靠性和網絡的可擴展能力，保證了簇間通信資源的優化配置及統一管理；在終端設備組成的多個星型網絡中采用了分布式的管理策略，簇首可以自主決定簇成員通信資源的分配，降低了終端設備協議的復雜性，提高了終端設備加入和退出網絡的靈活性。WIA網絡分層的組織模式，對網絡拓撲的維護更加靈活、快速。
超低能耗
WIA網絡支持由電池供電的終端設備，采用基于TDMA的全網同步的休眠喚醒模式，減少了串聽和待機時間，使設備的占空比達到99%，平均電流達到微安級，在不更換電池的情況下能工作2年以上。
WIA網絡支持以降低通信開銷為目的的報文合并，支持簇內的報文合并，通過簇首將多個簇成員的周期性報文合并，提高了報文中的有效數據比例，降低報文頭部的通信開銷，從而有效地降低了網絡開銷，延長了電池壽命。
兼容無線HART標準
工業無線網絡WIA技術在應用層支持HART命令和操作，兼容于現有的HART 工具，應用和系統集成技術。對于傳統HART儀表，WIA網絡在設備端和上位機端為用戶提供了接口，通過WIA網絡提供透明的數據傳輸服務。在設備端接口，WIA適配器串接到儀表與控制器間4~20mA的信號線上，通過HART命令與儀表交互。使用這種方式，WIA適配器與儀表是分離的，需要獨立封裝。在上位機端接口，WIA網關支持基于HART指令的數據傳輸可以通過串行和并行兩種方式接入4-20 mA鏈路中，通過無線通信方式與上位機交互HART命令。
兼容IEEE802.15.4標準
WIA網絡在鏈路層兼容IEEE802.15.4的超幀結構，并對其進行了擴展。WIA網絡維護兩種不同的超幀：網絡超幀和簇內超幀。網絡超幀用于骨干網的數據傳輸，保證了通信的可靠性和實時性。簇內超幀用于路由器與現場設備之間的通信，使得符合原IEEE802.15.4標準的設備可加入WIA網絡。
支持擴頻通信與窄帶通信
WIA網絡物理層工作頻帶的選擇符合中國《微功率（短距離）無線電設備的技術要求》，在其中的低頻頻帶支持窄帶通信，其優點是通信距離遠，繞障能力好，同頻其它設備少，干擾較小；在高頻頻帶支持擴頻通信，其優點是通信速率高，抗干擾能力強。
WIA網絡可同時支持擴頻通信與窄帶通信，并將它們無縫地集成到同一網絡中。
四、技術優勢
●分層的組織模式，對網絡拓撲的維護更加靈活、快速； ●自適應的跳頻模式與自動重傳機制，對保障通信的可靠性更加有效；
●支持網內報文聚合，有效地降低了網絡開銷，延長電池壽命；
●兼容IEEE802.15.4標準，可以使用現有商用器件，易于實現；
●兼容無線HART標準，支持HART命令，很容易升級傳統儀表，為其增添無線通信功能。
●用戶可以方便地使用、管理，無需較高的專業知識。