淺談工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證及其應(yīng)用

譚勝淋

摘要：本文通過分析工業(yè)無線技術(shù)IS100.11a標(biāo)準(zhǔn)和其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究及協(xié)議的現(xiàn)狀，著重分析ISA100.11a協(xié)議一致性測(cè)試的重要意義，最后剖析ISA100.11a的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特性及協(xié)議體系結(jié)構(gòu)和ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證之間的銜接及其目前的推廣進(jìn)展情況.旨在為國(guó)內(nèi)提供一個(gè)完善無線技術(shù)體系借鑒。

關(guān)鍵詞：工業(yè)無線技術(shù)；一致性測(cè)試；標(biāo)準(zhǔn)；認(rèn)證

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.007

引言

工業(yè)無線技術(shù)是本世紀(jì)初新興的一種面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)有無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升，將引發(fā)傳統(tǒng)工業(yè)測(cè)控模式的變革，引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向著低成本、高可靠、高靈活的方向發(fā)展。目前，國(guó)際上有Wireless HART、ISA 100和中國(guó)的WIA-PA共3種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2009年，國(guó)際電工協(xié)會(huì)成立了無線工作組IEC SC65CANG16，負(fù)責(zé)工業(yè)無線技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制的工作。

ISA100.11a是最常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)（The International society of Automation，ISA）下屬的ISA100工業(yè)無線委員會(huì)制定，該委員會(huì)致力于通過制定一系列標(biāo)準(zhǔn)、建議操作規(guī)程、起草技術(shù)報(bào)告來定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)相關(guān)規(guī)程和實(shí)現(xiàn)技術(shù)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性與有線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的互操作性等，其工業(yè)無線設(shè)備主要包括執(zhí)行器、傳感器、無線手持設(shè)備等現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備。

世界著名市場(chǎng)調(diào)研公司。NWorod調(diào)研報(bào)告表明“55%的人計(jì)劃采用ISA100技術(shù)，40%的人說計(jì)劃支持無線HART”。由此可見，ISA100.11 a是將會(huì)成為最受關(guān)注、最有影響力的工業(yè)無線技術(shù)之一，世界各地專項(xiàng)針對(duì)ISA100.11a技術(shù)的研究和開發(fā)工作正如火如荼地進(jìn)行.但是ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)使用自然語言描述，并涉及很多關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)者對(duì)于協(xié)議的不同理解會(huì)導(dǎo)致不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，甚至?xí)清e(cuò)誤的。因此，ISA100標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化的前提條件之一是所有產(chǎn)品必須通過嚴(yán)格的一致性、互操作性等測(cè)試和認(rèn)證，來檢測(cè)被測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)與協(xié)議規(guī)范的符合程度。

1 ISA100.11a概述

ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)（InstrumentSociety of America.ISA）下屬的ISA100工業(yè)無線委員會(huì)制定，該委員會(huì)致力于以研制及修訂一系列標(biāo)準(zhǔn)、建議性操作規(guī)章、技術(shù)規(guī)范及指導(dǎo)性文件來定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)及其相關(guān)規(guī)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)規(guī)范及推廣。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)希望工業(yè)無線設(shè)備以低功耗、低復(fù)雜度、合理的成本和適當(dāng)?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)速率去支持工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2009年4月24日，ISA100委員會(huì)以81.0%的高贊成率通過了ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)。隨后，基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將越來越多地被應(yīng)用于工程實(shí)際，最終形成ISAl00.11a標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群。ISA100.11 a標(biāo)準(zhǔn)在遵循歐洲、日本、美國(guó)和加拿大相關(guān)規(guī)范的前提下，適用于全世界各地區(qū)。且ISA100.11a設(shè)備必須遵循當(dāng)?shù)氐恼吆头ㄒ?guī)要求。

1.1 ISA100.11a工作組介紹

ISA100.11a工作組是由ISA100.14工作組與ISA100.11工作組合并而成.其中ISA100.11工作組應(yīng)用于各種控制的無線連接標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)同樣經(jīng)過優(yōu)化，以適應(yīng)從閉環(huán)調(diào)節(jié)控制到開環(huán)手動(dòng)操作的各種控制應(yīng)用；ISA100.14工作組應(yīng)用于各種工業(yè)監(jiān)控、記錄與報(bào)警的無線連接標(biāo)準(zhǔn)，希望通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化獲得獨(dú)特的性能與成本優(yōu)勢(shì)。該兩工作組相互協(xié)調(diào)，以確保ISA100可以提供完整與集成的工業(yè)無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

ISA100.11 a工作組的主要職責(zé)為研制及修訂工業(yè)無線技術(shù)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)。目前，ISA100.11a工作組主要由系統(tǒng)工作組、匯集工作組、PHY/MAC層工作組、安全工作組、網(wǎng)絡(luò)/傳輸層工作組、網(wǎng)絡(luò)管理工作組、評(píng)估工作組、應(yīng)用層工作組、編輯工作組和網(wǎng)關(guān)工作組共10個(gè)子工作組組成（見圖1）。

1.2 ISA100.11a國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

2006年7月，ISA 100委員會(huì)面向全球征集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提案，重慶郵電大學(xué)、浙江浙大中控信息技術(shù)有限公司和中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所等三家知名院校與美國(guó)霍尼韋爾公司（Honeywell）、美國(guó)通用電氣公司（General ElectricCompany，GE）、德國(guó)西門子股份公司（Siemens co.，LTD，Siemens）等著名國(guó)際公司均提交技術(shù)方案與技術(shù)白皮書，大力推進(jìn)工業(yè)級(jí)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化。

2008年4月，重慶郵電大學(xué)在重慶成功舉辦了由“面向自動(dòng)化領(lǐng)域的無線解決方案”國(guó)際高峰論壇“ISA100和ISA100.11 a標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議”和“中國(guó)無線工廠應(yīng)用高峰論壇”三個(gè)部分組成的“2008工業(yè)無線國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)”。

2008年6月，一致性測(cè)試工作組（ISA WCI）通過決議決定吸納重慶郵電大學(xué)為ISA1 00測(cè)試工作組的成員且免組員年費(fèi)，同時(shí)確定重慶郵電大學(xué)與美國(guó)NIVlS公司負(fù)責(zé)ISA100標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試驗(yàn)證，并于2009年10月美國(guó)休斯敦舉行的國(guó)際儀器儀表、自動(dòng)控制覽會(huì)上免費(fèi)展示其ISA100.11a研究成果。因此，以重慶郵電大學(xué)為代表的國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在ISA100工業(yè)無線技術(shù)方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的跟蹤研究，我國(guó)在工業(yè)無線技術(shù)方面，尤其在ISA100領(lǐng)域處于國(guó)際先進(jìn)水平。

2008年7月，霍尼韋爾公司宣布推出其工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)解決方案One Wireless更新版本，實(shí)現(xiàn)了與ISA100.11a工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)兼容。下一階段，針對(duì)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議一致性、互操作性等測(cè)試將成為迫切需要解決的問題之一。越來越多的企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)關(guān)注和參與ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的完善和開發(fā)等相關(guān)工作，ISA100.11 a技術(shù)將是一種具有很大潛力的工業(yè)通信技術(shù)，必將在正興起的工業(yè)無線領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，引起更多的重視和關(guān)注。

1.3 ISA100.11a一致性測(cè)試研究

一致性測(cè)試，即驗(yàn)證協(xié)議實(shí)現(xiàn)在多大程度上與相應(yīng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一致。在多個(gè)廠家進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)時(shí)，通過一致性測(cè)試會(huì)提高人們對(duì)設(shè)備符合相應(yīng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的置信程度，提高相同標(biāo)準(zhǔn)不同實(shí)現(xiàn)之間互聯(lián)的概率，以減少產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)性。標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議并不能確保不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)之間能夠成功地互連互通，所以其需要“協(xié)議一致性測(cè)試”來對(duì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的正確性和有效性進(jìn)行測(cè)試。

隨著ISA100.11 a協(xié)議的逐步推廣應(yīng)用，各種相關(guān)產(chǎn)品蜂擁而來，可對(duì)協(xié)議理解的差異，同一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)會(huì)存在許多不同的實(shí)現(xiàn)版本。為檢查各個(gè)不同生產(chǎn)廠家的ISA100.11a實(shí)現(xiàn)是否與標(biāo)準(zhǔn)要求保持一致，并保證協(xié)議的不同實(shí)現(xiàn)版本之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，則須對(duì)協(xié)議進(jìn)行一致性測(cè)試。一致性測(cè)試是開放系統(tǒng)互聯(lián)產(chǎn)品的重要步驟，是ISA100.11 a產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素。一致性測(cè)試的流程見圖2。

2 ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)框架研究

2.1 ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議結(jié)構(gòu)分析

ISA100.11 a標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)必須遵循ISO/OSI的七層結(jié)構(gòu)，但其只定義了應(yīng)用層（Application laye）、傳輸層（Transport Layer）、網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）和物理層（Physical Layer）

（見圖3）.其中數(shù)據(jù)鏈路層包括ISA100.11 a的MAC擴(kuò)展層、IEEE 802.15.4的MAC子層和數(shù)據(jù)鏈路層上層；應(yīng)用層包括應(yīng)用子層、用戶應(yīng)用進(jìn)程和設(shè)備管理器。

每一層提供了兩種服務(wù)訪問點(diǎn)（Service Access Port，SAP），即數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和管理服務(wù)實(shí)體提供管理服務(wù)，上層通過這兩種服務(wù)訪問點(diǎn)使用下層提供的功能服務(wù)。在ISA100.11 a網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備只能通過ISA100.11 a應(yīng)用子層提供的數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備進(jìn)行通信。在每個(gè)設(shè)備里，設(shè)備管理器是一個(gè)具有管理功能的實(shí)體，可以直接訪問應(yīng)用子層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和DLL的管理信息庫(kù)。

2.2 ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

為了滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，ISA100.11a必須支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括Mesh、網(wǎng)狀、星狀和星網(wǎng)狀拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，擴(kuò)大其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入骨干網(wǎng)，可減小數(shù)據(jù)時(shí)延。舉例說明，如現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備經(jīng)骨干路由器接入骨干網(wǎng)，該設(shè)備與骨干路由器組成的網(wǎng)絡(luò)為ISA100.11a DLL子網(wǎng).ISA100.PPa DLL子網(wǎng)和骨干網(wǎng)就組成了ISA100.11a網(wǎng)絡(luò).

再如，現(xiàn)場(chǎng)路由器和終端設(shè)備，經(jīng)骨干路由器接入骨干網(wǎng)，骨干路由器通過網(wǎng)關(guān)接入工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)。若ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)中接入骨干網(wǎng)，則ISA100.11a DLL子網(wǎng)只包含其現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和骨干路由器，而ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)包含其所有的DLL子網(wǎng)、骨干路由器和網(wǎng)關(guān)（見圖4）。

3 ISA100認(rèn)證

3.1 ISA100認(rèn)證分析

ISA100認(rèn)證為測(cè)試產(chǎn)品的互操作性、安全性、安裝方便性和可靠性的程序，提供了一個(gè)廣泛認(rèn)可的關(guān)于互操作性和質(zhì)量方面的憑證，并確保其具有ISA100.11a功能的產(chǎn)品能滿足最佳的用戶體驗(yàn)。

按照ISA100規(guī)定，需ISA100認(rèn)證的廠商應(yīng)向ISA100授權(quán)的測(cè)試實(shí)驗(yàn) 無線兼容委員會(huì)（Wireless ComplianceInstitute，WCI）遞交申請(qǐng)，對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行ISA100認(rèn)證測(cè)試。所以廠商需在網(wǎng)上申請(qǐng)，并獲得ISA100測(cè)試及認(rèn)證服務(wù)。

3.2認(rèn)證機(jī)構(gòu)分析

ISA100授權(quán)符合ISA100.11 a標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室來測(cè)試廠商的產(chǎn)品。無線兼容委員會(huì)是符合ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的專門產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)，能夠幫助科技公司更快地將更多的可互操作的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，致力于改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)之間的互操作性。

無線兼容委員會(huì)是非營(yíng)利性工業(yè)組織，為用戶和技術(shù)開發(fā)者提供市場(chǎng)調(diào)查、教育培訓(xùn)信息、技術(shù)支持以及ISA100標(biāo)準(zhǔn)族中工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試認(rèn)證，向ISA標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提供關(guān)于ISA100設(shè)備和系統(tǒng)的使用反饋，從而促進(jìn)工業(yè)無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的快速改進(jìn)和發(fā)展。

重慶郵電大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所兩家無線兼容委員會(huì)成員單位。其中重慶郵電大學(xué)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ISA100.11 a協(xié)議測(cè)試方法和系統(tǒng)部分完成多信道測(cè)試分析儀及ISA100.11a測(cè)試軟件。廠商可以申請(qǐng)成為其成員，把產(chǎn)品拿到無線兼容委員會(huì)相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，通過認(rèn)證的產(chǎn)品會(huì)加認(rèn)證標(biāo)識(shí)（如圖5），詳見WCI官網(wǎng)。

3.3認(rèn)證流程說明

若認(rèn)證測(cè)試不合格，廠商則須進(jìn)行整改。如果整改過程涉及到軟件升級(jí)、設(shè)備更換，則產(chǎn)品須全部重新進(jìn)行檢測(cè)，確保所有的測(cè)試都是在同一個(gè)設(shè)備、同一個(gè)軟硬件版本的限定條件下進(jìn)行的。ISA100認(rèn)證流程見圖6。

3.4認(rèn)證項(xiàng)目分析

一般情況下，WCI認(rèn)證主要有兩項(xiàng)，包括ISA100.11 a設(shè)備互操作性認(rèn)證和ISA100.11a協(xié)議一致性認(rèn)證，且供應(yīng)商也可以購(gòu)買符合WCI認(rèn)證認(rèn)可的測(cè)試工具包進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)。

ISA.100.11a設(shè)備互操作性測(cè)試套件是WCI認(rèn)證的主要工具，使用戶能夠確保制造商的設(shè)備符合WCI的官方ISA100.11a產(chǎn)品注冊(cè)檢驗(yàn)，確保ISA100在本地模式下，無線設(shè)備的互操作性與ISA100無線協(xié)議棧一致性測(cè)試套件相結(jié)合。其組件包括腳本服務(wù)器與軟件、測(cè)試腳本的源代碼和技術(shù)文檔、測(cè)試腳本的源代碼和技術(shù)文檔、診斷骨干路由器、參考測(cè)試設(shè)備和以太網(wǎng)路由器。同時(shí)規(guī)定其系統(tǒng)要求為PC和Web瀏覽器。

3.5會(huì)員制度與收費(fèi)

目前，ISA100所公布的會(huì)員制度及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

4結(jié)語

隨著信息社會(huì)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無線技術(shù)的日益增長(zhǎng)的需求，工業(yè)無線技術(shù)ISA100將成為可靠好、性價(jià)比高、安全性高的受人青睞的高新技術(shù)。工業(yè)無線傳感器必將成為工業(yè)過程測(cè)控的首選，在優(yōu)化資源利用率和提高生產(chǎn)率方面發(fā)揮著巨大的作用。

而ISA100終究會(huì)成為無線工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流，ISA100的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證體系日前已成為ISA100標(biāo)準(zhǔn)化工作的主題.截止日前，中國(guó)對(duì)無線工業(yè)技術(shù)認(rèn)證環(huán)節(jié)較為欠缺，盡管近些年來在這一方面做出了巨大的努力并取得了一定的成績(jī)，但與國(guó)際水平相比仍有一定差距。總之，ISA100評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其認(rèn)證體系的建立是ISA100占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位的前提和關(guān)鍵，我國(guó)在工業(yè)無線技術(shù)中應(yīng)要不斷革新，積極借鑒國(guó)際先進(jìn)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系，逐步完善我國(guó)工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證與市場(chǎng)規(guī)范化的體系，樹立中國(guó)品牌與中國(guó)信譽(yù)。