常用無線通信協(xié)議比較 工業(yè)無線技術(shù)比較

工業(yè)無線技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，是未來工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點(diǎn)。工業(yè)無線技術(shù)是21世紀(jì)新興、面向設(shè)備間短程、低速率信息交互的無線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、超低耗能、實(shí)時通信等技術(shù)特征。

目前我們所熟知的無線技術(shù)有ZigBee、無線局域網(wǎng)(WiFi)、藍(lán)牙(Blue-tooth)、超寬頻(UWB)等。但他們由于自身協(xié)議的限制（如發(fā)射功率、安全等級、抗干擾性等方面的性能），通常應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，不適合復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。其特點(diǎn)如表1所示：

表1 常用無線通信協(xié)議比較

目前工業(yè)無線技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)形成了三大國際標(biāo)準(zhǔn)，分別是由HART基金會發(fā)布的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，ISA國際自動化協(xié)會（原美國儀器儀表協(xié)會）發(fā)布的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)、和我國自主研發(fā)的WIA-PA和WIA-FA標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)簡介

WirelessHART

WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)是2007年9月由HART通訊基金會發(fā)布，是第一個專門為過程工業(yè)而設(shè)計(jì)的開放的可互操作的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，滿足了工業(yè)工廠對于可靠、強(qiáng)勁、安全的無線通訊方式的迫切需求。作為HART7技術(shù)規(guī)范的一部分，除了保持現(xiàn)有HART設(shè)備、命令和工具的能力，它增加了HART協(xié)議的無線能力。國際電工委員會于2010年4月批準(zhǔn)發(fā)布了完全國際化的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)IEC 62591（Ed.1.0），是第一個過程自動化領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)使用運(yùn)行在2.4GHz頻段上的無線電IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、通信安全與可靠的信道跳頻、時分多址（TDMA）同步、網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備間延控通信（Latency-controlled Communications）等技術(shù)，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要應(yīng)用于工廠自動化領(lǐng)域和過程自動化領(lǐng)域，彌補(bǔ)了高可靠、低功耗及低成本的工業(yè)無線通信市場的空缺。

ISA100.11a

ISA從2005年便開始啟動工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a 的制定工作, 已經(jīng)于2014年09月獲得了國際電工委員會（IEC）的批準(zhǔn)，成為正式國際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號IEC 62734。我國重慶郵電學(xué)院作為核心單位也參與該標(biāo)準(zhǔn)的制定。ISA 100.11a是第一個開放的、面向多種工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)族。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)定義的工業(yè)無線設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、無線手持設(shè)備等現(xiàn)場自動化設(shè)備，主要內(nèi)容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性、魯棒性以及與有線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的互操作性等。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)可解決與其他短距離無線網(wǎng)絡(luò)的共存性問題以及無線通信的可靠性和確定性問題，其核心技術(shù)包括精確時間同步技術(shù)、自適應(yīng)跳信道技術(shù)、確定性調(diào)度技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層子網(wǎng)路由技術(shù)和安全管理方案等，并具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時、低功耗等特點(diǎn)。

WIA

WIA技術(shù)一種高可靠性、超低功耗的智能多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，能夠針對應(yīng)用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，保持網(wǎng)絡(luò)性能的高可靠性和強(qiáng)穩(wěn)定性。同時，圍繞語義化數(shù)字工廠建模與動態(tài)服務(wù)組合，研發(fā)了WIA－PA和WIA－FA兩項(xiàng)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品體系，打通了跨協(xié)議、軟件和系統(tǒng)的互操作接口。

---WIA-PA

WIA-PA是一種經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證的、適合于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它在時間上(時分多址TDMA)、頻率上(巧妙的FHSS跳頻機(jī)制)和空間上(基于網(wǎng)狀及星型混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬傻目煽柯窂絺鬏?的綜合靈活性，使這個相對簡單但又很有效的協(xié)議具有嵌入式的自組織和自愈能力，大大降低了安裝的復(fù)雜性，確保了無線網(wǎng)絡(luò)具有長期而且可預(yù)期的性能。

WIA-PA已于2011年正式成為IEC 62601國際標(biāo)準(zhǔn)。

---WIA-FA

WIA-FA技術(shù)是專門針對工廠自動化高實(shí)時、高可靠性要求而研發(fā)的一組工廠自動化無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案，適用于工廠自動化對速度及可靠性要求較高的工業(yè)無線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速無線數(shù)據(jù)傳輸。采用無線系統(tǒng)可以使車間內(nèi)更加干凈、整潔，消除線纜對車間內(nèi)人員羈絆、糾纏等危險(xiǎn)，使車間的工作環(huán)境更加安全,具有低成本、易使用、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是工廠自動化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)在線可重構(gòu)的重要使能技術(shù)，將助推我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

幾日前，WIA-FA正式成為國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62948）。

專家們用一句話概括了當(dāng)前的局面是：工業(yè)無線，三足鼎立。

工業(yè)無線技術(shù)比較

目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA這三大國際工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)各具優(yōu)勢和特色。

表2 三種協(xié)議性能對比

工業(yè)無線技術(shù)的核心技術(shù)包括時間同步、確定性調(diào)度、跳信道、路由和安全技術(shù)等。表2通過從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等方面對三個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，可以看到三大標(biāo)準(zhǔn)具有相似的特征，其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)都遵循OSI模型，并且都引用IEEE802.15.4作為物理層標(biāo)準(zhǔn)。

目前，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)已有大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用設(shè)備被研制出來，全球已在使用的HART設(shè)備超過2600萬臺，用戶已經(jīng)具有一定的HART培訓(xùn)和使用經(jīng)驗(yàn)，熟悉WirelessHART無線協(xié)議只需要極少的改變。艾默生已經(jīng)推出了兼容HART標(biāo)準(zhǔn)的自動化產(chǎn)品（如無線適配器）以及WirelessHART儀表、網(wǎng)關(guān)，并投入使用，ABB、E+H、P+F等儀表和現(xiàn)場設(shè)備提供商都在積極地推出產(chǎn)品。博微公司已經(jīng)研制出國內(nèi)首款WirelessHART 模塊及網(wǎng)關(guān)，并得到成功應(yīng)用以及良好的客戶反饋，WirelessHART適配器也已經(jīng)在研制過程中。ISA100.11a也被不少歐美企業(yè)所采用和部署，在工業(yè)無線市場上取得了廣泛的認(rèn)可，橫河電機(jī)(Yokogawa)和霍尼韋爾(Honeywell)兩大巨頭已經(jīng)開發(fā)出了ISA100.11a中等規(guī)模的系統(tǒng)解決方案。WIA-PA技術(shù)在冶金、石化等領(lǐng)域進(jìn)行了初步應(yīng)用，得到了用戶的認(rèn)可。WIA-FA用于實(shí)現(xiàn)傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等工廠自動化設(shè)備之間，高安全、高可靠、硬實(shí)時信息交互的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于離散制造業(yè)裝備的智能化升級。