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工業無線協議

Zigbee

ZigBee標準是由ZigBee聯盟制定的一組基于802.15.4協議,關于組網、安全和應用方面的低成本和低功耗雙向通信標準。該標準致力于短距離、低速率無線通信的研究,強調簡易組網、恰如其分的實現傳輸要求。ZigBee協議明確定義了三種拓撲結構,即星型結構(star)、簇狀結構(cluster tree)和網狀結構(mesh),如圖1所示。并定義了兩種相互配合使用的物理設備:全功能設備FFD (Full Function Device)和精簡功能設備RFD (Reduced Function Device)

(1)全功能設備支持任何一種拓撲結構,可以作為網絡協調者和普通協調者,并且可以和網絡中任何一種設備進行通信。

(2)精簡功能設備只支持星型結構,不能成為網絡中任一形式的協商者。它只可以和網絡協調者進行通信,功能實現較為簡單。

ZigBee協議定義的三種拓撲結構中可以看出,由全功能模塊構成的網絡協調器負責整個網絡的管理工作,獲取網絡中節點信息,存儲整個網絡的“地圖”,識別網絡內各節點的功能,協調整個網絡以及網絡中各節點與中央控制室的通信,因此網絡協調器是構建一個ZigBee網絡的關鍵所在。




WIA

WIA-PA標準是由我國科技人員自主研發成功的,用于構建符合中國微功率(短距離)無線電設備的技術要求的流程工業用監視和測控網絡。WIA-PA網絡采用star-mesh兩層拓撲結構。現場設備構成星型網絡,降低了現場設備協議的復雜性,提高了現場設備加入和退出網絡的靈活性。路由設備構成mesh網絡,提高了通信的可靠性和網絡的可擴展能力。WIA-PA網絡結構如圖2所示,網絡中定義了以下7類邏輯角色:

(1)網關:負責WIA-PA網絡與工廠內的其他網絡的協議轉換與數據映射;

(2)冗余網關:負責網關的熱備份;

(3)網絡管理者:負責構建由路由設備構成的網狀拓撲結構,監測全網性能;

(4)安全管理者:負責路由設備及現場設備的密鑰管理與安全認證;

(5)簇首:作為網絡管理者的代理,負責構建由現場設備和路由設備組成的星型結構網絡,監測星型結構網絡性能;作為安全管理者的代理,負責合并及轉發簇成員的數據;負責轉發其他簇首的數據;

(6)冗余簇首:負責簇首的熱備份;

(7)簇成員:負責獲取現場數據并發送到族首。

WIA-PA網絡管理涉及對網絡設備的物理屬性以及與通信、組網過程相關的屬性的管理。網絡管理任務由網絡管理者和簇首共同完成,這些功能主要涉及到網絡地址分配、路由配置、通信資源配置和網絡性能監測等。用于系統管理的網絡管理者和安全管理者在實現時可通過網關或中央控制室的計算機執行。一種類型的物理設備可以擔任多個邏輯角色,例如網關設備可以擔任網關、冗余網關、網絡管理者、安全管理者等多種角色,但一個網關設備不能同時擔任網關與冗余網關的角色;路由設備可以擔任簇首和冗余簇首的角色,一個路由設備不能同時擔任簇首與冗余族首的角色;現場設備和手持設備只能擔任簇成員的角色。

WirelessHART

無線HART標準釆用了由美國Dust Networks公司幵發的面向工業傳感器網絡可靠通信的無線短程協議技術TSMP(Time Synchronization Mesh Protocol)協議。TSMPZigBee協議類似,也是一種基于IEEE 802.15.4基礎的無線短程網絡協議。但它并不像ZigBee協議一樣完全應用IEEE 802.15.4協議的底層物理層和介質訪問控制層,而是在IEEE 802.15.4協議的物理層的基礎上,自行開發了介質訪問控制層和網絡層的無線短程網絡協議。

無線HART技術工作于2.4GHz ISM射頻頻段,具有安全、穩健的網格拓撲結構,通過將所有信息統統打包在一個數據包內,使用IEEE802.15.4兼容的直序擴頻DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)和跳頻技術FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum),傳送數據包。無線HART通信利用時分多址訪問技術TDMA(Time Division MultipleAccess)來協調網絡設備間的通信。TDMA數據鏈路層以指定時間槽和信道的方式來建立網絡中各設備間的鏈接,這些鏈接組成周期性重復的超頓結構,支持定時循環的通信流和非循環的通信流。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。


無線HART網絡結構圖如圖3所示。在無線HART網絡中,網絡管理器負責網絡的組態、無線HART網絡設備之間的通信調度、路由表的管理以及整個網絡健康狀況的報告。網關僅承擔現場無線終端采集儀表與中央控制系統之間的橋梁通信,它既支持一個或多個接入點,又和其接入點都包括在每個無線HART網絡中,另外也支持冗余網關的結構。這一特點與許多無線短程網規定的網關承擔網絡的組態有顯著的不同,較好地解決了工業控制系統要求以冗余機制獲取可靠傳輸的問題。

ISA SP100

ISA SP100標準定義了子網的OSI協議棧、網絡結構、網絡特性、系統管理器、網關和安全規范等。ISA SP100標準的應用側重為周期監控和過程控制的執行,容許100ms或更短的延遲。



ISASP100的網絡中規定了所有設備的邏輯角色,一種邏輯角色對應一種功能。如果一個設備充當某種邏輯角色,那么它必須能夠實現標準規定的該角色相應的功能。ISA SP100網絡中定義的邏輯角色包括:系統管理器、網關、骨干路由器、系統時鐘源、配置、非路由設備和現場路由器。設備類型包括現場設備和基礎結構設備。一個ISA SP100網絡必須有至少一個系統管理器和一個安全管理器,有一個或多個網關。一個物理設備可能承擔多個邏輯角色,4描述了物理設備以及它們可能承擔的邏輯角色的類別。在這個網絡中包含以下幾種物理設備:傳感器、執行器、路由器、手持設備和工作站。工作站擔任了網關、系統管理器和安全管理器的邏輯角色;兩個專職的路由器負責骨干路由器的功能,其他路由器擔任現場路由器的角色;掌上型電腦承擔了手持設備的邏輯角色;低層的路由器承擔了配置角色;幾個執行器承擔了非路由設備的角色;其中一個傳感器節點承擔了非路由設備的角色,另外兩個傳感器節點承擔了現場路由器的角色。

ISASP100網絡特性如下:支持星狀、網狀和星網狀拓撲結構;支持低功耗的非路由現場設備;網關作為現場設備至有線控制網絡的接入點,為現場設備到有線控制網絡提供單一的或全冗余路徑;支持數據完整性、加密、數據認證等安全措施。ISA SP100標準支持骨干網,可以通過高效的骨干網更為直接地無線傳遞數據信息,這樣可以減少數據無線傳輸的跳數,在網絡規模較大時優勢尤為明顯。為了增加機動性, ISA SP100沒有指定主干網絡的類型,可以是無線或有線以太網等任何高數據率網絡。

自定義協議

主要是各個開發廠商根據應用需要自己定義的協議標準。


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