工业物联网与网络化控制教育部重点实验室 重庆邮电大学 王 平 魏 旻

1 工业物联网概述

2011年11月APEC峰会檀香山宣言中，提出了节能减排的目标，要在2035年将区内总能源消耗量较目前减少45%。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出“低成本的工业无线技术将使工业生产效率提高10%，并使排放和污染降低25%”。以工业无线技术为核心的工业物联网是当前物联网领域最活跃的主流发展方向，通过支持设备间的交互与互联，提供低成本、高可靠、高灵活的新一代泛在制造信息系统和环境，能够有效降低自动化成本、提高自动化系统应用范围。

工业物联网通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实现在工业现场采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程、采集其声、光、热、电等各种需要的信息。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，可大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段。

2 工业物联网标准化情况

当前，在工业物联网领域已形成三大国际标准，分别是由我国自主研发的WIA-PA标准、由ISA国际自动化协会（原美国仪器仪表协会）发布的ISA100.11a标准和由HART基金会发布的WirelessHART标准。

ISA从2005年便开始启动工业无线标准ISA100.11a 的制定工作，ISA100委员会致力于通过制定该领域的一系列标准、建议规范、技术报告来定义工业自动化控制环境下的无线系统实现技术。考虑到技术的广泛覆盖，ISA100委员会已成立了若干工作组分别从事不同的具体任务。目前，国内仅有两家单位（重庆邮电大学，北京科技大学）具有ISA100的投票权。ISA100.11a标准可解决与其他短距离无线网络的共存性问题以及无线通信的可靠性和确定性问题，其核心技术包括精确时间同步技术、自适应跳信道技术、确定性调度技术、数据链路层子网路由技术和安全管理方案等，并具有数据传输可靠、准确、实时、低功耗等特点。

WirelessHART（Wireless HART）标准是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标准在2007年6月，经HART通讯基金会批准，作为HART 7技术规范的一部分，加进了总的HART通讯协议族中。国际电工委员会于2010年4月批准发布了完全国际化的WirelessHART标准IEC 62591（Ed.1.0），是第一个过程自动化领域的无线传感器网络国际标准。该网络使用运行在2.4GHz频段上的无线电IEEE802.15.4标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址（TDMA）同步、网络上设备间延控通信（Latency-control led Communications）等技术。

国内中科院沈阳自动化所、重庆邮电大学等单位抓住工业设备无线化的历史机会WIA-PA（Wireless Networks for Industr ial Automation-Process Automation）从2006年开始联合制定我国自主的工业无线国家标准WIA-PA，并将该标准提交到IE C。WIA-PA已于2011年正式成为IEC 62601国际标准。它的研发成功，为我国推进工业化与信息化相融合提供了一种新的高端技术解决方案，也标志着我国在工业无线通信技术领域的研发已处于世界领先地位。WIA-PA协议与另外两种标准相比，在规模可扩展性、抗干扰性和低能耗运行等关键性能方面具有明显优势，在拓扑结构、自适应跳频、分簇报文聚合等方面具有创新性。

3 工业无线国际标准的比较

目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA这三大国际工业无线标准形成了三足鼎立的局面，各具优势和特色。三种工业无线国际标准的网络拓扑结构如图1所示。

图1 三种工业物联网网络的拓扑结构

表1 三种标准协议性能对比

数据链路层链路实现 收发独立 管理和数据分开, 基于网络管理者 收发独立M IC 32位 IEEE802.15.4 安全策略 IEEE802.15.4 安全策略邻居发现 使用广播帧 使用IEEE802.15.4信标帧 使用广播帧络层 采用图路由和源路由方式，动态网络带宽管理寻址路由（支持静态路由）分段与重组采用6LoWPAN标准： 地址转换，分片与重组，骨干网间的路由传输层 无 无 基于RFC786 （UDP）协议应用层支持周期性信息支持报警等信息基于HART命令支持周期性信息支持报警等信息基于服务支持周期性信息支持报警等信息基于服务，面向对象网关 每一个网络仅允许一个网关 允许有冗余网关 DL子网允许一个网关骨干网络中可允许多个安全 通信设备之间数据加密、消息鉴别、设备认证、健壮性操作等分层分级实施不同的安全策略和措施，数据加密、数据校验、设备认证数据加密和完整性鉴别保护点到点和端到端安全、消息/设备认证、入网设备安全处理

工业无线技术的核心技术包括时间同步、确定性调度、跳信道、路由和安全技术等。表1通过从物理层、数据链路层、网络层等方面对三个标准进行比较分析，可以看到三大标准具有相似的特征，其标准协议体系结构都遵循OSI模型，并且都引用IEEE802.15.4作为物理层标准。无线HART标准已有大量的网络设备和应用设备被研制出来，ISA100.11a也被不少欧美企业所采用和部署。国外厂商正在加紧推广这些标准。在工业无线的标准竞争方面，通过WIA-PA标准，我国已占据了一定的优势，但标准颁布以后，工程化实施和大规模推广应用效果，才是决定标准前途的关键环节。在国家科技重大专项的总体安排下，重庆邮电大学、中科沈阳自动化所分别牵头承担了“面向工业无线网络协议WIA-PA的网络设备研发及应用”项目，这将为推动我国工业物联网技术的普遍应用，并在国际上占据领先地位具有重要作用。

4 工业物联网融合技术及标准的最新进展

目前工业无线领域形成了ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA等三个标准共存的局面，由此带来了标准之间互通性差、多标准支持设备研发周期长、成本高等问题。为此，以NAMUR为首的用户组织经过研究发布了NE133（“无线传感器网络：对现有标准的融合需求”）报告，希望三种工业无线国际标准能够融合为单一的标准，从而方便全球工业物联网设备和网络的部署。为了响应用户需求，国际上成立了融合工作组（Heathrow Wireless Convergence Team）负责融合技术的研究与标准制订。基于重庆邮电大学在工业无线领域的技术优势，项目组成员成为国际工业无线融合标准Hear throw工作组5人小组成员和技术融合工作组核心成员，长期参与工业无线融合技术标准的制定。目前该工作组已经起草了工作组Position Paper，完成了议事规则的制定，完成了对三个标准的前期分析及融合框架及路线图的制定。

针对跳信道机制、超帧调度引擎、时间同步机制、时隙通信机制等工业无线技术的核心功能，重庆邮电大学联合达盛电子（中国台湾）推出了全球首款工业物联网核心芯片—渝芯一号，率先对三大标准的主要关键技术提供芯片支持。为此，国际WINA联盟特邀项目组作报告——“A Heterogeneous Coexistence Architecture for Indust rial Wireless Net works”、国际自动化协会ISA特邀项目在“2012 Internation al Instrumentation Symposium”上做主题为“Heterogeneous Wi reless”的报告，有望主导国际工业无线融合技术与标准的发展方向。

渝芯一号采用先进的射频架构，具有低功耗、低成本、微型化、高可靠性等突出特点，通过对工业无线关键技术提供芯片级支撑能力，将软件开发从繁琐复杂的通信任务中解脱出来，使工业物联网应用设备的研制变得简便和快速，从而对推动全球工业物联网技术的普遍应用、加快推进我国工业化与信息化的深度融合具有重要意义和作用。

[1] HART Comm unication. http://www.hartcomm 2.org/index.htm l.

[2] ISA100: W ireless System s for Autom ation. http://www.isa.org/.

[3] ISA100 WCI W eb Site, http://www.isa100w ci.org/

[4] IEEE Standard for Inform ation Technology—Telecomm unications and Inform ation Exchange Betw een System s—Local and M etropolitan Netw orks—Specific Requirem ents—Part 15.4: W ireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications for Low Rate W ireless Personal Area Netw orks (LR-WPANs), IEEE 802.15.4, 2006.

[5] IEC 62601 Ed1, “Industrial comm unication netw orks-fieldbus specification-W IA-PA comm unication netw ork and comm unication profile,” Oct.2011.

[6] IEC/PAS 62734, “Industrial Comm unication Netw orks—Fieldbus specifications—W ireless System s for Industrial Autom ation: Process Control and Related App lications (based on ISA 100.11a),” Sept. 2011.

[7] IEC 62591 Ed.1, “Industrial Comm unication Netw orks—W ire less Comm unication Netw ork and Comm unication Profiles—W irelessHARTTM,”Apr. 2010.

[8] GB/T 26790.1-2011. 工业无线网络W IA规范, 第一部分; 用于过程自动化的W IA系统结构与通信规范.

[9] Heathrow W ireless Convergence Team Position Paper, February 2012.