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基于ISA100.11a标准的工业物联网开发平台的设计与实现

作者:时间:2012-05-21来源:网络收藏

摘要:技术是未来几年自动化产品新的增长点。作者所在实验室作为Voting Member和ISA WCI工作组成员参加.的制定,研发了通信协议栈软件、网络设备及终端设备,研制的工业物具有完善的硬件、软件产品及技术支持,核心技术已经形成专利池,可广泛应用于智能工业、环境监测、智能电网等应用系统的开发,并已经在中国四联集团、韩国汉阳大学等单位得到应用。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/160574.htm

关键词:ISA100.11a;物联网;无线网络;通信

0 引言

以工业无线技术为代表的工业物联网技术是继现场总线之后,工业控制领域的又一个热点技术,是降低工业自动化成本、提高自动化系统应用范围最有潜力的技术。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:工业无线技术的应用将使工业生产效率提高10%,并使排放和污染降低25%,是未来几年工业自动化产品新的增长点。

目前,在物联网技术方面,国际上已经形成了WiHART、lSA100.11a以及WIA-PA三个共存的局面。重庆邮电大学是国际上参与研发和应用工业无线通信技术最早的单位之一,不仅作为核心成员制定了WIA-PA,还作为VotingMember和ISA WCI工作组成员,参加了ISA 100.11a标准制定。同时研发了ISA100.11a的工业物联网通信协议栈软件、网络设备及终端设备,形成了一套完整的ISA100.11a网络系统。其核心技术已经形成专利池,从而了我国面向工业测量与控制的无线通信技术与产品的跨越式发展,使国内在此领域直接跨入国际前沿水平。

1 平台系统的功能结构与通信原理

1. 1 网络拓扑结构

ISA100.11a能支持小同的网络拓扑,主要有星型结构和Mesh结构。星型网络拓扑具有容易、实时性高等优点,但是仅限于单跳范围,所以,在ISA100.11a网络结构中引入了骨干网。骨干网是一个高速网络,可有效扩大网络覆盖面积并减小数据时延。现场设备先通过骨干路由器接入骨干网组成ISA100.11a DL子网,然后由ISA100.11a DL子网和骨干网组成ISA100.11a网络,其网络拓扑结构如图1所示。

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1.2 平台系统的功能结构

本系统平台根据功能可划分为上位机系统(PC机)、路由、无线网关和多个终端节点四部分,平台的系统结构如图2所示。终端设备配置了传感器(温湿度传感器、烟雾传感器、瓦斯传感器等),可进行数据的采集,然后通过无线模块把数据传输到路由;路由收到数据后转发刮网关;网关具有系统管理器和安全管理器的功能,在对数据进行必要的处理后,通过以太网或串口传输把数据传到上位机;上位机可进行显示界面,并可以通过对数据的提取、处理和控制管理来实时观测和监控各个传感器节点的运行状态。

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2 平台硬件构成和

ISA100.11a的工业物联网包括符合ISA100.11a标准的工业无线协议栈、网络设备、应用设备以及组态软件。平台系统的硬件构成实物图如图3所示,系统中集成了不同类型的设备和不同级别的节点,主要包括1个网关、3个烟雾传感器、2个温湿度传感器、1个仿真器和若干配线。

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2.1 网关节点

ISA100.11a网关是一种集成有ISA100.11a核心协议的短程无线通信设备,工作在基于工业标准802.15.4的2.4 GHz频段。网关负责整个网络的调度、管理和优化,统一为网络设备分配通信资源,调度网络设备的通信,同时监控和报告网络运行状态。另外,ISA100.11a网关还是全网的时间同步源和均衡网络负载,是整个网络的核心。

网关底板上的ARM处理器选用美国ATMEL公司的AT91R40008微处理器,它集成有带ARM7TDMI核的32位微处理器和丰富的资源,片内用大量的分组寄存器和8个优先级向量中断控制器来实时快速地处理中断。ISA100.11a网关可支持一个或多个网络接入点和服务接入点。网络接入点提供有与其他网络连接的接口,比如工厂自动化网络,目前提供有串口和以太网两种连接方式。其硬件结构框图如图4所示。

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2.2 路由节点

ISA100.11a路由器为低能耗的短程无线网络通信设备,可自带电源,使用全球免费的2.4 GHz频段。其作用是连接网络终端设备使其入网,具备网络路由功能,并可转发数据、系统管理和安全管理功能。

路由设备主要由CC2530芯片、电源模块、天线模块、晶体振荡电路四部分组成。CC2530无线接收器用于处理收到的数字信号并恢复正确的传输数据,然后把要发送的数据送入128字节的发送缓存器中,再根据IEEE802.15.4标准,把需要发送的数据流的每4位通过32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器,然后调制到2.4 GHz的设定信道上,最后经放大后通过天线发射出去。


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