工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA技術(shù)概述

一、概述
工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術(shù)是由中科院沈陽自動化所推出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，該技術(shù)提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網(wǎng)絡路由機制，能夠針對應用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，保持網(wǎng)絡性能的高可靠性和強穩(wěn)定性。
工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA技術(shù)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(guī)定的自由頻帶，解決工廠環(huán)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(zhuǎn)時產(chǎn)生電磁噪聲對無線通信的干擾，提供能夠滿足工業(yè)應用需求的高可靠、實時無線通信服務。
通過使用工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA技術(shù)，用戶可以以較低的投資和使用成本實現(xiàn)對工業(yè)全流程的泛在感知，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實施優(yōu)化控制，來達到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標。
工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA技術(shù)主要應用于石油、石化、冶金、環(huán)保、污水處理等領(lǐng)域。
二、技術(shù)體系
工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA技術(shù)體系是由中國工業(yè)無線聯(lián)盟推出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，形成了國家標準草案，并與Wireless HART、ISA100并列為主流的工業(yè)無線技術(shù)體系。
WIA網(wǎng)絡采用星型和Mesh結(jié)合的兩層網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。第一層是Mesh結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)關(guān)設(shè)備及路由設(shè)備構(gòu)成；第二層是星型結(jié)構(gòu)，由路由設(shè)備及終端設(shè)備或手持設(shè)備構(gòu)成。
網(wǎng)關(guān)：負責WIA網(wǎng)絡與工廠內(nèi)的其它網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射；
冗余網(wǎng)關(guān)：負責網(wǎng)關(guān)的熱備份；
網(wǎng)絡管理者：負責構(gòu)建由路由設(shè)備構(gòu)成的Mesh網(wǎng)絡；監(jiān)測全網(wǎng)性能；
安全管理者：負責路由設(shè)備及終端設(shè)備的密鑰管理與安全認證；
WIA網(wǎng)絡的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)遵循ISO/OSI的層次結(jié)構(gòu)，但只定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、應用層。
WIA協(xié)議棧由協(xié)議層實體，包括數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、應用層（由應用支持子層、用戶應用進程、設(shè)備管理應用進程構(gòu)成）、功能模塊及層實體間的數(shù)據(jù)接口和管理接口構(gòu)成。數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用支持子層包含的功能模塊有：數(shù)據(jù)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(shè)備管理應用進程包含的功能模塊有：設(shè)備管理模塊、網(wǎng)絡管理模塊、安全管理模塊、網(wǎng)絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫。
三、技術(shù)特征
高可靠自組織網(wǎng)絡
WIA網(wǎng)絡采用了以下措施保障工業(yè)環(huán)境中無線通信的高可靠性：
●TDMA避免了報文沖突
系統(tǒng)產(chǎn)用全網(wǎng)TDMA模式，并且全網(wǎng)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(shù)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(chǔ)上引入FHSS的思想，采用根據(jù)信道狀態(tài)自適應跳頻機制，可以有效地抑制突發(fā)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?shù)某晒β?
WIA技術(shù)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(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過端到端的重傳機制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?BR> ●Mesh路由提高了端到端通信的可靠性
WIA技術(shù)在網(wǎng)絡層采用智能的Mesh網(wǎng)絡技術(shù)。每個設(shè)備至少有兩條可用的通信路徑，設(shè)備加入網(wǎng)絡后，可以自主選擇或由網(wǎng)絡管理者分配多條數(shù)據(jù)傳輸路徑。當一條路徑由于干擾被中斷，設(shè)備可以自動切換到其它通信質(zhì)量較好的路徑。
● 設(shè)備冗余提高了系統(tǒng)的魯棒性
分層組織模式
WIA網(wǎng)絡采用集中式與分布式結(jié)合的系統(tǒng)管理方式，在路由設(shè)備組成的mesh網(wǎng)絡中采用了集中式的管理策略，提高了通信的可靠性和網(wǎng)絡的可擴展能力，保證了簇間通信資源的優(yōu)化配置及統(tǒng)一管理；在終端設(shè)備組成的多個星型網(wǎng)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(shè)備協(xié)議的復雜性，提高了終端設(shè)備加入和退出網(wǎng)絡的靈活性。WIA網(wǎng)絡分層的組織模式，對網(wǎng)絡拓撲的維護更加靈活、快速。
超低能耗
WIA網(wǎng)絡支持由電池供電的終端設(shè)備，采用基于TDMA的全網(wǎng)同步的休眠喚醒模式，減少了串聽和待機時間，使設(shè)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(wǎng)絡支持以降低通信開銷為目的的報文合并，支持簇內(nèi)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(shù)據(jù)比例，降低報文頭部的通信開銷，從而有效地降低了網(wǎng)絡開銷，延長了電池壽命。
兼容無線HART標準
工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA技術(shù)在應用層支持HART命令和操作，兼容于現(xiàn)有的HART 工具，應用和系統(tǒng)集成技術(shù)。對于傳統(tǒng)HART儀表，WIA網(wǎng)絡在設(shè)備端和上位機端為用戶提供了接口，通過WIA網(wǎng)絡提供透明的數(shù)據(jù)傳輸服務。在設(shè)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(wǎng)關(guān)支持基于HART指令的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡在鏈路層兼容IEEE802.15.4的超幀結(jié)構(gòu)，并對其進行了擴展。WIA網(wǎng)絡維護兩種不同的超幀：網(wǎng)絡超幀和簇內(nèi)超幀。網(wǎng)絡超幀用于骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，保證了通信的可靠性和實時性。簇內(nèi)超幀用于路由器與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信，使得符合原IEEE802.15.4標準的設(shè)備可加入WIA網(wǎng)絡。
支持擴頻通信與窄帶通信
WIA網(wǎng)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(shè)備的技術(shù)要求》，在其中的低頻頻帶支持窄帶通信，其優(yōu)點是通信距離遠，繞障能力好，同頻其它設(shè)備少，干擾較小；在高頻頻帶支持擴頻通信，其優(yōu)點是通信速率高，抗干擾能力強。
WIA網(wǎng)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(wǎng)絡中。
四、技術(shù)優(yōu)勢
●分層的組織模式，對網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)報文聚合，有效地降低了網(wǎng)絡開銷，延長電池壽命；
●兼容IEEE802.15.4標準，可以使用現(xiàn)有商用器件，易于實現(xiàn)；
●兼容無線HART標準，支持HART命令，很容易升級傳統(tǒng)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(yè)知識。