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工业无线协议

Zigbee

ZigBee标准是由ZigBee联盟制定的一组基于802.15.4协议,关于组网、安全和应用方面的低成本和低功耗双向通信标准。该标准致力于短距离、低速率无线通信的研究,强调简易组网、恰如其分的实现传输要求。ZigBee协议明确定义了三种拓扑结构,即星型结构(star)、簇状结构(cluster tree)和网状结构(mesh),如图1所示。并定义了两种相互配合使用的物理设备:全功能设备FFD (Full Function Device)和精简功能设备RFD (Reduced Function Device)

(1)全功能设备支持任何一种拓扑结构,可以作为网络协调者和普通协调者,并且可以和网络中任何一种设备进行通信。

(2)精简功能设备只支持星型结构,不能成为网络中任一形式的协商者。它只可以和网络协调者进行通信,功能实现较为简单。

ZigBee协议定义的三种拓扑结构中可以看出,由全功能模块构成的网络协调器负责整个网络的管理工作,获取网络中节点信息,存储整个网络的“地图”,识别网络内各节点的功能,协调整个网络以及网络中各节点与中央控制室的通信,因此网络协调器是构建一个ZigBee网络的关键所在。




WIA

WIA-PA标准是由我国科技人员自主研发成功的,用于构建符合中国微功率(短距离)无线电设备的技术要求的流程工业用监视和测控网络。WIA-PA网络采用star-mesh两层拓扑结构。现场设备构成星型网络,降低了现场设备协议的复杂性,提高了现场设备加入和退出网络的灵活性。路由设备构成mesh网络,提高了通信的可靠性和网络的可扩展能力。WIA-PA网络结构如图2所示,网络中定义了以下7类逻辑角色:

(1)网关:负责WIA-PA网络与工厂内的其他网络的协议转换与数据映射;

(2)冗余网关:负责网关的热备份;

(3)网络管理者:负责构建由路由设备构成的网状拓扑结构,监测全网性能;

(4)安全管理者:负责路由设备及现场设备的密钥管理与安全认证;

(5)簇首:作为网络管理者的代理,负责构建由现场设备和路由设备组成的星型结构网络,监测星型结构网络性能;作为安全管理者的代理,负责合并及转发簇成员的数据;负责转发其他簇首的数据;

(6)冗余簇首:负责簇首的热备份;

(7)簇成员:负责获取现场数据并发送到族首。

WIA-PA网络管理涉及对网络设备的物理属性以及与通信、组网过程相关的属性的管理。网络管理任务由网络管理者和簇首共同完成,这些功能主要涉及到网络地址分配、路由配置、通信资源配置和网络性能监测等。用于系统管理的网络管理者和安全管理者在实现时可通过网关或中央控制室的计算机执行。一种类型的物理设备可以担任多个逻辑角色,例如网关设备可以担任网关、冗余网关、网络管理者、安全管理者等多种角色,但一个网关设备不能同时担任网关与冗余网关的角色;路由设备可以担任簇首和冗余簇首的角色,一个路由设备不能同时担任簇首与冗余族首的角色;现场设备和手持设备只能担任簇成员的角色。

WirelessHART

无线HART标准釆用了由美国Dust Networks公司幵发的面向工业传感器网络可靠通信的无线短程协议技术TSMP(Time Synchronization Mesh Protocol)协议。TSMPZigBee协议类似,也是一种基于IEEE 802.15.4基础的无线短程网络协议。但它并不像ZigBee协议一样完全应用IEEE 802.15.4协议的底层物理层和介质访问控制层,而是在IEEE 802.15.4协议的物理层的基础上,自行开发了介质访问控制层和网络层的无线短程网络协议。

无线HART技术工作于2.4GHz ISM射频频段,具有安全、稳健的网格拓扑结构,通过将所有信息统统打包在一个数据包内,使用IEEE802.15.4兼容的直序扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)和跳频技术FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum),传送数据包。无线HART通信利用时分多址访问技术TDMA(Time Division MultipleAccess)来协调网络设备间的通信。TDMA数据链路层以指定时间槽和信道的方式来建立网络中各设备间的链接,这些链接组成周期性重复的超顿结构,支持定时循环的通信流和非循环的通信流。为了弹性地利用通信带宽,链接可以是专用的,也可以是共享的。


无线HART网络结构图如图3所示。在无线HART网络中,网络管理器负责网络的组态、无线HART网络设备之间的通信调度、路由表的管理以及整个网络健康状况的报告。网关仅承担现场无线终端采集仪表与中央控制系统之间的桥梁通信,它既支持一个或多个接入点,又和其接入点都包括在每个无线HART网络中,另外也支持冗余网关的结构。这一特点与许多无线短程网规定的网关承担网络的组态有显著的不同,较好地解决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的问题。

ISA SP100

ISA SP100标准定义了子网的OSI协议栈、网络结构、网络特性、系统管理器、网关和安全规范等。ISA SP100标准的应用侧重为周期监控和过程控制的执行,容许100ms或更短的延迟。



ISASP100的网络中规定了所有设备的逻辑角色,一种逻辑角色对应一种功能。如果一个设备充当某种逻辑角色,那么它必须能够实现标准规定的该角色相应的功能。ISA SP100网络中定义的逻辑角色包括:系统管理器、网关、骨干路由器、系统时钟源、配置、非路由设备和现场路由器。设备类型包括现场设备和基础结构设备。一个ISA SP100网络必须有至少一个系统管理器和一个安全管理器,有一个或多个网关。一个物理设备可能承担多个逻辑角色,4描述了物理设备以及它们可能承担的逻辑角色的类别。在这个网络中包含以下几种物理设备:传感器、执行器、路由器、手持设备和工作站。工作站担任了网关、系统管理器和安全管理器的逻辑角色;两个专职的路由器负责骨干路由器的功能,其他路由器担任现场路由器的角色;掌上型电脑承担了手持设备的逻辑角色;低层的路由器承担了配置角色;几个执行器承担了非路由设备的角色;其中一个传感器节点承担了非路由设备的角色,另外两个传感器节点承担了现场路由器的角色。

ISASP100网络特性如下:支持星状、网状和星网状拓扑结构;支持低功耗的非路由现场设备;网关作为现场设备至有线控制网络的接入点,为现场设备到有线控制网络提供单一的或全冗余路径;支持数据完整性、加密、数据认证等安全措施。ISA SP100标准支持骨干网,可以通过高效的骨干网更为直接地无线传递数据信息,这样可以减少数据无线传输的跳数,在网络规模较大时优势尤为明显。为了增加机动性, ISA SP100没有指定主干网络的类型,可以是无线或有线以太网等任何高数据率网络。

自定义协议

主要是各个开发厂商根据应用需要自己定义的协议标准。


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