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工業(yè)無(wú)線協(xié)議

2022-09-20

  ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是由ZigBee聯(lián)盟制定的一組基于802.15.4協(xié)議,關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用方面的低成本和低功耗雙向通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)致力于短距離、低速率無(wú)線通信的研究,強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)易組網(wǎng)、恰如其分的實(shí)現(xiàn)傳輸要求。ZigBee協(xié)議明確定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即星型結(jié)構(gòu)(star)、簇狀結(jié)構(gòu)(cluster tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(mesh),如圖1所示。并定義了兩種相互配合使用的物理設(shè)備:全功能設(shè)備FFD (Full Function Device)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD (Reduced Function Device)。

(1)全功能設(shè)備支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和普通協(xié)調(diào)者,并且可以和網(wǎng)絡(luò)中任何一種設(shè)備進(jìn)行通信。

(2)精簡(jiǎn)功能設(shè)備只支持星型結(jié)構(gòu),不能成為網(wǎng)絡(luò)中任一形式的協(xié)商者。它只可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者進(jìn)行通信,功能實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

從ZigBee協(xié)議定義的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可以看出,由全功能模塊構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理工作,獲取網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息,存儲(chǔ)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“地圖”,識(shí)別網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的功能,協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)與中央控制室的通信,因此網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是構(gòu)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵所在。


WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是由我國(guó)科技人員自主研發(fā)成功的,用于構(gòu)建符合中國(guó)微功率(短距離)無(wú)線電設(shè)備的技術(shù)要求的流程工業(yè)用監(jiān)視和測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用star-mesh兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò),降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備協(xié)議的復(fù)雜性,提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加入和退出網(wǎng)絡(luò)的靈活性。路由設(shè)備構(gòu)成mesh網(wǎng)絡(luò),提高了通信的可靠性和網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展能力。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,網(wǎng)絡(luò)中定義了以下7類邏輯角色:
(1) 網(wǎng)關(guān):負(fù)責(zé)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)與工廠內(nèi)的其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射;
(2) 冗余網(wǎng)關(guān):負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)的熱備份;
(3) 網(wǎng)絡(luò)管理者:負(fù)責(zé)構(gòu)建由路由設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),監(jiān)測(cè)全網(wǎng)性能;
(4) 安全管理者:負(fù)責(zé)路由設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的密鑰管理與安全認(rèn)證;
(5) 簇首:作為網(wǎng)絡(luò)管理者的代理,負(fù)責(zé)構(gòu)建由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和路由設(shè)備組成的星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),監(jiān)測(cè)星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能;作為安全管理者的代理,負(fù)責(zé)合并及轉(zhuǎn)發(fā)簇成員的數(shù)據(jù);負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首的數(shù)據(jù);
(6) 冗余簇首:負(fù)責(zé)簇首的熱備份;
(7) 簇成員:負(fù)責(zé)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并發(fā)送到族首。

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理涉及對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理屬性以及與通信、組網(wǎng)過(guò)程相關(guān)的屬性的管理。網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)由網(wǎng)絡(luò)管理者和簇首共同完成,這些功能主要涉及到網(wǎng)絡(luò)地址分配、路由配置、通信資源配置和網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)等。用于系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡(luò)管理者和安全管理者在實(shí)現(xiàn)時(shí)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)或中央控制室的計(jì)算機(jī)執(zhí)行。一種類型的物理設(shè)備可以擔(dān)任多個(gè)邏輯角色,例如網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以擔(dān)任網(wǎng)關(guān)、冗余網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理者、安全管理者等多種角色,但一個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備不能同時(shí)擔(dān)任網(wǎng)關(guān)與冗余網(wǎng)關(guān)的角色;路由設(shè)備可以擔(dān)任簇首和冗余簇首的角色,一個(gè)路由設(shè)備不能同時(shí)擔(dān)任簇首與冗余族首的角色;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和手持設(shè)備只能擔(dān)任簇成員的角色。

無(wú)線HART標(biāo)準(zhǔn)釆用了由美國(guó)Dust Networks公司幵發(fā)的面向工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠通信的無(wú)線短程協(xié)議技術(shù)TSMP(Time Synchronization Mesh Protocol)協(xié)議。TSMP同ZigBee協(xié)議類似,也是一種基于IEEE 802.15.4基礎(chǔ)的無(wú)線短程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但它并不像ZigBee協(xié)議一樣完全應(yīng)用IEEE 802.15.4協(xié)議的底層物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層,而是在IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層的基礎(chǔ)上,自行開發(fā)了介質(zhì)訪問(wèn)控制層和網(wǎng)絡(luò)層的無(wú)線短程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

  無(wú)線HART技術(shù)工作于2.4GHz ISM射頻頻段,具有安全、穩(wěn)健的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過(guò)將所有信息統(tǒng)統(tǒng)打包在一個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi),使用IEEE802.15.4兼容的直序擴(kuò)頻DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)和跳頻技術(shù)FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum),傳送數(shù)據(jù)包。無(wú)線HART通信利用時(shí)分多址訪問(wèn)技術(shù)TDMA(Time Division MultipleAccess)來(lái)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信。TDMA數(shù)據(jù)鏈路層以指定時(shí)間槽和信道的方式來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備間的鏈接,這些鏈接組成周期性重復(fù)的超頓結(jié)構(gòu),支持定時(shí)循環(huán)的通信流和非循環(huán)的通信流。為了彈性地利用通信帶寬,鏈接可以是專用的,也可以是共享的。

  無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)、無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信調(diào)度、路由表的管理以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)健康狀況的報(bào)告。網(wǎng)關(guān)僅承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線終端采集儀表與中央控制系統(tǒng)之間的橋梁通信,它既支持一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn),又和其接入點(diǎn)都包括在每個(gè)無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中,另外也支持冗余網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)與許多無(wú)線短程網(wǎng)規(guī)定的網(wǎng)關(guān)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)有顯著的不同,較好地解決了工業(yè)控制系統(tǒng)要求以冗余機(jī)制獲取可靠傳輸?shù)膯?wèn)題。

ISA SP100標(biāo)準(zhǔn)定義了子網(wǎng)的OSI協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特性、系統(tǒng)管理器、網(wǎng)關(guān)和安全規(guī)范等。ISA SP100標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用側(cè)重為周期監(jiān)控和過(guò)程控制的執(zhí)行,容許100ms或更短的延遲。

  ISASP100的網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定了所有設(shè)備的邏輯角色,一種邏輯角色對(duì)應(yīng)一種功能。如果一個(gè)設(shè)備充當(dāng)某種邏輯角色,那么它必須能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的該角色相應(yīng)的功能。ISA SP100網(wǎng)絡(luò)中定義的邏輯角色包括:系統(tǒng)管理器、網(wǎng)關(guān)、骨干路由器、系統(tǒng)時(shí)鐘源、配置、非路由設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)路由器。設(shè)備類型包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)備。一個(gè)ISA SP100網(wǎng)絡(luò)必須有至少一個(gè)系統(tǒng)管理器和一個(gè)安全管理器,有一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)。一個(gè)物理設(shè)備可能承擔(dān)多個(gè)邏輯角色,圖4描述了物理設(shè)備以及它們可能承擔(dān)的邏輯角色的類別。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包含以下幾種物理設(shè)備:傳感器、執(zhí)行器、路由器、手持設(shè)備和工作站。工作站擔(dān)任了網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)管理器和安全管理器的邏輯角色;兩個(gè)專職的路由器負(fù)責(zé)骨干路由器的功能,其他路由器擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)路由器的角色;掌上型電腦承擔(dān)了手持設(shè)備的邏輯角色;低層的路由器承擔(dān)了配置角色;幾個(gè)執(zhí)行器承擔(dān)了非路由設(shè)備的角色;其中一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了非路由設(shè)備的角色,另外兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了現(xiàn)場(chǎng)路由器的角色。

ISASP100網(wǎng)絡(luò)特性如下:支持星狀、網(wǎng)狀和星網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);支持低功耗的非路由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備;網(wǎng)關(guān)作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備至有線控制網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn),為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到有線控制網(wǎng)絡(luò)提供單一的或全冗余路徑;支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性、加密、數(shù)據(jù)認(rèn)證等安全措施。ISA SP100標(biāo)準(zhǔn)支持骨干網(wǎng),可以通過(guò)高效的骨干網(wǎng)更為直接地?zé)o線傳遞數(shù)據(jù)信息,這樣可以減少數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)奶鴶?shù),在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)優(yōu)勢(shì)尤為明顯。為了增加機(jī)動(dòng)性, ISA SP100沒(méi)有指定主干網(wǎng)絡(luò)的類型,可以是無(wú)線或有線以太網(wǎng)等任何高數(shù)據(jù)率網(wǎng)絡(luò)。

自定義協(xié)議
主要是各個(gè)開發(fā)廠商根據(jù)應(yīng)用需要自己定義的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
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