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基于ISA100.11a標準的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設計與實現(xiàn)

作者: 時間:2012-05-21 來源:網(wǎng)絡 收藏

摘要:技術是未來幾年自動化產(chǎn)品新的增長點。作者所在實驗室作為Voting Member和ISA WCI工作組成員參加.的制定,研發(fā)了通信協(xié)議棧軟件、網(wǎng)絡設備及終端設備,研制的工業(yè)物具有完善的硬件、軟件產(chǎn)品及技術支持,核心技術已經(jīng)形成專利池,可廣泛應用于智能工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、智能電網(wǎng)等應用系統(tǒng)的開發(fā),并已經(jīng)在中國四聯(lián)集團、韓國漢陽大學等單位得到應用。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/160574.htm

關鍵詞:ISA100.11a;物聯(lián)網(wǎng);無線網(wǎng)絡;通信

0 引言

以工業(yè)無線技術為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術是繼現(xiàn)場總線之后,工業(yè)控制領域的又一個熱點技術,是降低工業(yè)自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應用范圍最有潛力的技術。美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“面向21世紀的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出:工業(yè)無線技術的應用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10%,并使排放和污染降低25%,是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。

目前,在物聯(lián)網(wǎng)技術方面,國際上已經(jīng)形成了WiHART、lSA100.11a以及WIA-PA三個共存的局面。重慶郵電大學是國際上參與研發(fā)和應用工業(yè)無線通信技術最早的單位之一,不僅作為核心成員制定了WIA-PA,還作為VotingMember和ISA WCI工作組成員,參加了ISA 100.11a標準制定。同時研發(fā)了ISA100.11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議棧軟件、網(wǎng)絡設備及終端設備,形成了一套完整的ISA100.11a網(wǎng)絡系統(tǒng)。其核心技術已經(jīng)形成專利池,從而了我國面向工業(yè)測量與控制的無線通信技術與產(chǎn)品的跨越式發(fā)展,使國內(nèi)在此領域直接跨入國際前沿水平。

1 平臺系統(tǒng)的功能結構與通信原理

1. 1 網(wǎng)絡拓撲結構

ISA100.11a能支持小同的網(wǎng)絡拓撲,主要有星型結構和Mesh結構。星型網(wǎng)絡拓撲具有容易、實時性高等優(yōu)點,但是僅限于單跳范圍,所以,在ISA100.11a網(wǎng)絡結構中引入了骨干網(wǎng)。骨干網(wǎng)是一個高速網(wǎng)絡,可有效擴大網(wǎng)絡覆蓋面積并減小數(shù)據(jù)時延?,F(xiàn)場設備先通過骨干路由器接入骨干網(wǎng)組成ISA100.11a DL子網(wǎng),然后由ISA100.11a DL子網(wǎng)和骨干網(wǎng)組成ISA100.11a網(wǎng)絡,其網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

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1.2 平臺系統(tǒng)的功能結構

本系統(tǒng)平臺根據(jù)功能可劃分為上位機系統(tǒng)(PC機)、路由、無線網(wǎng)關和多個終端節(jié)點四部分,平臺的系統(tǒng)結構如圖2所示。終端設備配置了傳感器(溫濕度傳感器、煙霧傳感器、瓦斯傳感器等),可進行數(shù)據(jù)的采集,然后通過無線模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚?;路由收到?shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)刮網(wǎng)關;網(wǎng)關具有系統(tǒng)管理器和安全管理器的功能,在對數(shù)據(jù)進行必要的處理后,通過以太網(wǎng)或串口傳輸把數(shù)據(jù)傳到上位機;上位機可進行顯示界面,并可以通過對數(shù)據(jù)的提取、處理和控制管理來實時觀測和監(jiān)控各個傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。

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2 平臺硬件構成和

ISA100.11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)包括符合ISA100.11a標準的工業(yè)無線協(xié)議棧、網(wǎng)絡設備、應用設備以及組態(tài)軟件。平臺系統(tǒng)的硬件構成實物圖如圖3所示,系統(tǒng)中集成了不同類型的設備和不同級別的節(jié)點,主要包括1個網(wǎng)關、3個煙霧傳感器、2個溫濕度傳感器、1個仿真器和若干配線。

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2.1 網(wǎng)關節(jié)點

ISA100.11a網(wǎng)關是一種集成有ISA100.11a核心協(xié)議的短程無線通信設備,工作在基于工業(yè)標準802.15.4的2.4 GHz頻段。網(wǎng)關負責整個網(wǎng)絡的調(diào)度、管理和優(yōu)化,統(tǒng)一為網(wǎng)絡設備分配通信資源,調(diào)度網(wǎng)絡設備的通信,同時監(jiān)控和報告網(wǎng)絡運行狀態(tài)。另外,ISA100.11a網(wǎng)關還是全網(wǎng)的時間同步源和均衡網(wǎng)絡負載,是整個網(wǎng)絡的核心。

網(wǎng)關底板上的ARM處理器選用美國ATMEL公司的AT91R40008微處理器,它集成有帶ARM7TDMI核的32位微處理器和豐富的資源,片內(nèi)用大量的分組寄存器和8個優(yōu)先級向量中斷控制器來實時快速地處理中斷。ISA100.11a網(wǎng)關可支持一個或多個網(wǎng)絡接入點和服務接入點。網(wǎng)絡接入點提供有與其他網(wǎng)絡連接的接口,比如工廠自動化網(wǎng)絡,目前提供有串口和以太網(wǎng)兩種連接方式。其硬件結構框圖如圖4所示。

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2.2 路由節(jié)點

ISA100.11a路由器為低能耗的短程無線網(wǎng)絡通信設備,可自帶電源,使用全球免費的2.4 GHz頻段。其作用是連接網(wǎng)絡終端設備使其入網(wǎng),具備網(wǎng)絡路由功能,并可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理和安全管理功能。

路由設備主要由CC2530芯片、電源模塊、天線模塊、晶體振蕩電路四部分組成。CC2530無線接收器用于處理收到的數(shù)字信號并恢復正確的傳輸數(shù)據(jù),然后把要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中,再根據(jù)IEEE802.15.4標準,把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4位通過32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器,然后調(diào)制到2.4 GHz的設定信道上,最后經(jīng)放大后通過天線發(fā)射出去。


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