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(1.中國航天科工集團第六研究院 西安航天自動化股份有限公司,西安 710065; 2.陜西省物聯(lián)網(wǎng)與智能控制工程技術(shù)研究中心,西安 710065)

0 概述

ISA100.11a協(xié)議[1]在2014年由國際電工委員會(IEC)批準[2],使之成為目前業(yè)內(nèi)最新的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)協(xié)議標準。該協(xié)議相對于ZigBee Pro、WirelessHART、WIA-PA等其他協(xié)議而言具備更加優(yōu)異的綜合性能,如可擴展性、可靠性、健壯性[3];并且該協(xié)議還具有多徑路由、隧道傳輸?shù)绕渌麉f(xié)議所沒有的豐富功能[4]。對于終端設(shè)備這一WSN最基本的組成單元而言,ISA100.11a協(xié)議標準的高要求與多功能也進一步帶來了許多研究與實踐的挑戰(zhàn)。

在性能方面,ISA100.11a的綜合性能優(yōu)勢是其復(fù)雜的通信機制所換取的。包括終端設(shè)備和路由設(shè)備在內(nèi),任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在時隙開始時都要先查看鏈路表,再根據(jù)鏈路所屬超幀和時隙偏移查找下一跳所使用的信道,最后根據(jù)所選鏈路在信道上進行具體的收發(fā)工作,如此則可以保證通信的抗干擾能力和較高的帶寬使用率[5]。但此類機制反過來會對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和系統(tǒng)管理器的處理能力造成很大的壓力,甚至在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過大時可能造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點丟包率過高而重新入網(wǎng)[6]。針對此類問題,文獻[6]提出了令路由設(shè)備分擔(dān)一部分系統(tǒng)管理器職責(zé)的分散管理方法,文獻[7]則從終端設(shè)備的角度采取了減少可選信道數(shù)量、空閑信道快速篩選等方法。這些方法都對ISA100.11a協(xié)議的原始機制做出了調(diào)整和改變,雖然能夠獲得局部的性能突破,但也付出了通用性方面的犧牲,并且有可能造成其他負面影響。

在功能方面,日益增長的多樣化需求對WSN的終端設(shè)備提出了具備靈活搭載多種傳感器和控制器的能力要求[8]。文獻[9]對WSN的終端設(shè)備在功能劃分上給出了理論上的體系結(jié)構(gòu),并通過實踐證明了功能劃分的設(shè)計減少了傳感器與其他功能的互相影響。以應(yīng)用最為廣泛的ZigBee協(xié)議為例,為了應(yīng)對更為復(fù)雜的實際需求,終端設(shè)計也從傳統(tǒng)的嵌入式單片機方式[10]轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄐ排c控制分離部署的設(shè)計方式[11]。

綜合以上分析,同時考慮到ISA100.11a協(xié)議應(yīng)用層面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)特點[12],以及應(yīng)用層與ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的入網(wǎng)、路由等通信功能的弱相關(guān)特性,本文提出一種用戶應(yīng)用進程(User Application Process,UAP)與其他通信協(xié)議相分離的終端設(shè)計。在性能上,該設(shè)計優(yōu)先保證終端設(shè)備通信功能的需要,不受傳感器和控制器的負載影響,提高終端設(shè)備的在線穩(wěn)定性;在功能上,獨立的應(yīng)用層可以更靈活地向外提供標準的I/O接口,不需要考慮多個傳感器和控制器的負載對通信資源的占用。此外,由于隧道對象在ISA100.11a協(xié)議標準內(nèi)也屬于應(yīng)用層的范疇,因此終端設(shè)計還可方便實現(xiàn)兼容外部協(xié)議的隧道傳輸功能。

1 ISA100.11a協(xié)議特點分析

ISA100.11a協(xié)議的結(jié)構(gòu)繼承于傳統(tǒng)的OSI七層模型,但只使用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層這5個層次,如圖1所示。為了論述方便,圖1并未描繪出ISA100.11a協(xié)議的所有結(jié)構(gòu)細節(jié)。

圖1 ISA100.11a協(xié)議結(jié)構(gòu)

ISA100.11a協(xié)議的應(yīng)用功能體現(xiàn)在具備面向?qū)ο筇卣鞯膽?yīng)用層,具體分為上部應(yīng)用層(Upper Application Layer,UAL)和應(yīng)用子層(Application Sub Layer,ASL)。上部應(yīng)用層由不同的UAP組成,除固定的設(shè)備管理器之外,所有UAP均可根據(jù)需要增刪;每個UAP中包含若干對象,每個對象負責(zé)不同的具體工作并作為外部用戶的訪問接口。應(yīng)用子層負責(zé)將傳輸層的端到端通信傳遞至與傳輸層端口一一對應(yīng)的UAP訪問點,具體的傳遞方式體現(xiàn)為應(yīng)用子層向UAP中的對象提供一般性服務(wù);這些一般性服務(wù)只有對象訪問、數(shù)據(jù)發(fā)布、警報報告和隧道4種,可以認為應(yīng)用子層的少數(shù)一般性服務(wù)通過有序結(jié)合衍生出了功能各不相同的具體UAP對象。

ISA100.11a協(xié)議的通信功能集中體現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層這2個部分。由于數(shù)據(jù)鏈路層只提供了16位的短地址,故而限制了數(shù)據(jù)鏈路子網(wǎng)的范圍。網(wǎng)絡(luò)層提供了對IPv6的支持,使得網(wǎng)關(guān)可以通過骨干路由器將多個數(shù)據(jù)鏈路子網(wǎng)整合起來,并通過網(wǎng)絡(luò)層對終端設(shè)備進行快速定位,如圖2所示。

圖2 多個數(shù)據(jù)鏈路子網(wǎng)的ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)拓撲

數(shù)據(jù)鏈路層除提供數(shù)據(jù)鏈路子網(wǎng)內(nèi)的無線路由之外,最重要的則是通信調(diào)度的能力。所謂通信調(diào)度指ISA100.11a系統(tǒng)管理器對每個設(shè)備的超幀、時隙、鏈路等通信資源進行配置,在時間同步的基礎(chǔ)上保證不同設(shè)備之間無線通信的有序、穩(wěn)定,進而提高通信帶寬使用率以及實現(xiàn)跳信道抗干擾等動態(tài)通信功能[5]。

從上述分析可知,基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計特點,ISA100.11a協(xié)議的應(yīng)用層可以根據(jù)需要提供靈活多變的應(yīng)用接口,每個終端設(shè)備的UAP數(shù)量和其中的對象數(shù)量并無定數(shù);同時ISA100.11a協(xié)議為了支持大規(guī)模和高性能的網(wǎng)絡(luò)通信,提供了IPv6尋址、時隙和超幀配置以及跳信道等能力,尤其是數(shù)據(jù)鏈路層的超幀、時隙、無線路由表和跳信道序列等資源配置會定時由系統(tǒng)管理器進行評估與優(yōu)化以維持最佳的動態(tài)無線通信狀況。因此,傳統(tǒng)的嵌入式單片機平臺難以在維持復(fù)雜通信管理的前提下同時兼顧處理外部變化多端的I/O接口。本文在考慮ISA100.11a協(xié)議的完整性前提下,僅將按需可變的UAP從協(xié)議中獨立出來并專門設(shè)計應(yīng)用模塊以動態(tài)管理UAP及其對象,同時將協(xié)議的其他部分作為通信模塊以保證終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的基本通信功能和性能不受影響。

2 終端設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述ISA100.11a協(xié)議特點可知,傳統(tǒng)的嵌入式單片機平臺將所有終端協(xié)議內(nèi)容全部實現(xiàn)于其中的方式已經(jīng)難以兼顧復(fù)雜通信性能的保障和多樣化I/O接口的靈活部署。同時考慮到ISA100.11a協(xié)議的應(yīng)用層具備典型的面向?qū)ο筇卣鲝亩c其他協(xié)議層不同這一特點,這就為協(xié)議在功能實現(xiàn)方面提供了天然的差異化思路,容易使應(yīng)用層和其他協(xié)議部分之間形成互相獨立并且低耦合的結(jié)構(gòu)關(guān)系。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心思路是將UAP從ISA100.11a協(xié)議結(jié)構(gòu)中提取出來獨立管理。具體為定義應(yīng)用模塊和通信模塊作為終端的2個部分,UAP作為應(yīng)用模塊的主體,協(xié)議其他部分作為通信模塊的主體,兩者之間按照協(xié)議規(guī)定的應(yīng)用子層的一般性服務(wù)來定義交互接口,如圖3所示。

圖3 終端結(jié)構(gòu)設(shè)計

需要強調(diào)的是,應(yīng)用模塊和通信模塊更多的是軟件實體上的概念,在實現(xiàn)時可以分別部署于2個不同的嵌入式硬件平臺上,但不可集中于同一個嵌入式單片機平臺,否則將失去終端分離UAP的設(shè)計意義。ISA100.11a協(xié)議將設(shè)備管理器定義為一種特殊的UAP,內(nèi)含設(shè)備管理相關(guān)的多個標準對象,在設(shè)備的入網(wǎng)、通信、退網(wǎng)過程中負責(zé)與ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)進行基礎(chǔ)交互,是協(xié)議結(jié)構(gòu)不可分割的部分,但和終端設(shè)備執(zhí)行具體的采集控制功能關(guān)系不大。因此,通信模塊的設(shè)計中包含了除動態(tài)可增刪的UAP之外的所有協(xié)議結(jié)構(gòu),最大限度保持了終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)通信過程中協(xié)議的完整性,使基本的通信交互不受影響。假設(shè)沒有應(yīng)用模塊,單純的通信模塊也可以作為一個無實際功能的終端設(shè)備加入ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)。

應(yīng)用模塊主要負責(zé)動態(tài)建立UAP和其中的對象,具體由UAP管理器根據(jù)終端設(shè)備所需要搭載的傳感器、控制器和外部協(xié)議接口的實際情況而創(chuàng)建。為了保證通信模塊維持終端在網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定在線,UAP管理器必須通過狀態(tài)監(jiān)控器定時獲取該終端設(shè)備的狀態(tài),在基本網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定的前提下才允許UAP管理器按需申請新的UAP及其對象。成功建立的對象將負責(zé)具體的終端數(shù)據(jù)傳輸工作,應(yīng)用子層服務(wù)管理器會將該對象的待傳輸數(shù)據(jù)按照協(xié)議規(guī)定封裝為應(yīng)用子層服務(wù)數(shù)據(jù),并根據(jù)該對象所在的UAP找到與之一一對應(yīng)的傳輸層端口號以便繼續(xù)向協(xié)議下層傳遞。

2.2 交互設(shè)計

終端結(jié)構(gòu)設(shè)計將通信模塊與應(yīng)用模塊作為不同的實體分離部署,并優(yōu)先保證通信模塊的穩(wěn)定運行,因此需要解決2個模塊之間的交互設(shè)計問題。交互設(shè)計的核心問題在于保證通信模塊和應(yīng)用模塊之間能夠順利提供對方所需要的信息,同時又要保證交互信息的簡單化,如果交互信息繁多復(fù)雜就失去了結(jié)構(gòu)設(shè)計的分離化設(shè)計意義?？紤]到基礎(chǔ)通信功能是終端在網(wǎng)絡(luò)中運行的基礎(chǔ),因此交互設(shè)計的原則在于,所有應(yīng)用模塊的活動都必須建立在通信模塊狀態(tài)正常的基礎(chǔ)上,即UAP管理器對終端各個UAP和對象的管理活動都要依賴于狀態(tài)監(jiān)控器所代表的通信模塊狀態(tài),故交互設(shè)計的核心內(nèi)容是圍繞著通信模塊的狀態(tài)屬性展開的。

ISA100.11a協(xié)議規(guī)定了設(shè)備管理器中的設(shè)備管理對象(Device Management Object,DMO)可以反映設(shè)備當(dāng)前在線狀態(tài)、重啟次數(shù)、設(shè)備資源列表等詳細信息。定義狀態(tài)監(jiān)控器的意義就在于通過設(shè)備管理對象給應(yīng)用模塊提供通信模塊的狀態(tài),并對交互內(nèi)容做出歸納以降低交互成本。對應(yīng)用模塊而言,重要的通信模塊狀態(tài)可歸納為離線、在線和Contract資源這3種。所謂Contract資源,是ISA100.11a協(xié)議規(guī)定的不同設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)通信的契約,由預(yù)備通信的設(shè)備向系統(tǒng)管理器申請,系統(tǒng)管理器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)總體狀況批準,代表系統(tǒng)管理器允許設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。一般而言,一個Contract資源僅支持一個具體的對象到對象的數(shù)據(jù)傳輸,如果需要傳輸多種數(shù)據(jù)則必須申請額外的Contract資源。

當(dāng)通信模塊狀態(tài)為離線時,應(yīng)用模塊的UAP管理器會保持其所含的UAP數(shù)量為0;當(dāng)通信模塊狀態(tài)為在線時,UAP管理器的工作才會被激活,并根據(jù)應(yīng)用模塊所負擔(dān)的I/O任務(wù)來決定申請多少個UAP以及每個UAP所包含的負責(zé)具體I/O工作的對象;UAP中的每個對象建立之后即通過狀態(tài)監(jiān)控器告知設(shè)備管理器,后者的設(shè)備管理對象按照ISA100.11a協(xié)議的規(guī)定向系統(tǒng)管理器申請所需的Contract資源,通信模塊會將申請結(jié)果送于應(yīng)用模塊的狀態(tài)監(jiān)控器查閱,若Contract資源申請成功,則該對象就可以開始其數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)了。

以帶傳感器的終端設(shè)備向網(wǎng)關(guān)上傳采集數(shù)據(jù)為例詳述其交互過程,如圖4所示。假設(shè)終端設(shè)備初始為離線狀態(tài),第1步,通信模塊的設(shè)備管理器向系統(tǒng)管理器發(fā)送入網(wǎng)請求,系統(tǒng)管理器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)總體狀況批準其是否入網(wǎng)以及何時入網(wǎng)。第2步,通信模塊收到入網(wǎng)許可后,代表該終端設(shè)備已經(jīng)加入到ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)中,因此立即通過狀態(tài)監(jiān)控器通知應(yīng)用模塊來創(chuàng)建UAP及對象。第3步,對象創(chuàng)建完成后,應(yīng)用模塊通知通信模塊開始申請Contract以取得對象在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的許可,系統(tǒng)管理器批準Contract的申請后,通信模塊立即通知對象以告知可以開始數(shù)據(jù)傳輸。第4步,對象作為終端設(shè)備的I/O接口來訪問傳感器或控制器,本例的情況是對象訪問傳感器以收集數(shù)據(jù)并形成數(shù)據(jù)集;數(shù)據(jù)集由UAP利用應(yīng)用子層服務(wù)管理器封裝為符合應(yīng)用子層數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)的格式,并直接送給對象所在UAP對應(yīng)的應(yīng)用子層訪問點,進而找到傳輸層端口,最后通過與網(wǎng)關(guān)之間的端到端通信將數(shù)據(jù)發(fā)布送給網(wǎng)關(guān)。需要強調(diào)的是,只要對象所需要的Contract資源持續(xù)有效,則相關(guān)通信可以一直循環(huán)進行,不需要重新申請額外的Contract資源,但對象的I/O任務(wù)有變化時就必須重新申請相匹配的新Contract。

圖4 終端設(shè)備向網(wǎng)關(guān)上傳采集數(shù)據(jù)的示意圖

從圖4還可以看出,如果終端不需要進行數(shù)據(jù)傳輸或者暫時停止數(shù)據(jù)傳輸時,應(yīng)用模塊與通信模塊之間除了后者向前者反映在線狀態(tài)之外是沒有任何交互的。如此則可以最大限度減少通信模塊維持在線的業(yè)務(wù)處理負擔(dān),同時保證了終端設(shè)備的協(xié)議完整性和輕量化。

2.3 I/O接口設(shè)計

2.3.1 I/O接口管理邏輯

在終端設(shè)備中,I/O接口本質(zhì)上就是負責(zé)與傳感器、控制器或外部協(xié)議接口直接溝通的UAP中的對象,ISA100.11a協(xié)議規(guī)定了具備不同功能的多種類型的對象,也允許用戶根據(jù)需要自行定義對象。一般情況下,集中器對象(Concentrator Object,CO)負責(zé)與單個或多個傳感器對接;接口對象(Interface Object,IO)負責(zé)與單個控制器對接,這是因為控制器面臨的往往是突發(fā)性通信要求,與持續(xù)性通信要求的傳感器不同;隧道對象(Tunnel Object,TUN)負責(zé)與外部協(xié)議接口進行對接。當(dāng)使用隧道對象和外部協(xié)議進行I/O通信時,隧道對象本身只是負責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)上傳或控制信息下發(fā)還是需要由集中器對象或接口對象來繼續(xù)處理。本文所設(shè)計的終端結(jié)構(gòu)使UAP在實現(xiàn)時減少了ISA100.11a協(xié)議框架的影響,可專注于對象的分布與搭配。圖5所示為上述種類的對象在UAP中的一種典型分布,圖中的IO代表接口對象而不是一般意義上的輸入輸出。

圖5 UAP中的對象分布

但對象的分配管理并非隨意而不受約束的,否則有限的I/O接口資源將很快不堪重負。因此在管理這些不同對象代表的眾多I/O接口時,UAP管理器必須提供一種管理邏輯,據(jù)此在每次UAP創(chuàng)建時決定應(yīng)該給各個UAP分配多少傳感器、控制器和外部協(xié)議接口。ISA100.11a協(xié)議規(guī)定了UAP可以使用的傳輸層的端口號范圍是0xF0B2到0xF0BF,這意味著終端設(shè)備中同時存在的UAP數(shù)量最多不能超過14個。因此,I/O接口管理邏輯的設(shè)計原則是,盡可能少地創(chuàng)建UAP并盡量將所需的I/O接口集中至同一個UAP中,這樣既節(jié)省了端口資源又方便了UAP內(nèi)部對象之間的交互(如隧道對象與集中器對象或接口對象之間的交互),除非UAP的UAP管理對象(UAP Management Object,UAPMO)偵測到了通信擁塞。

2.3.2 隧道傳輸設(shè)計

隧道傳輸?shù)囊饬x在于使用ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)兼容傳輸外部協(xié)議數(shù)據(jù),在這種情況下ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)起到一種信息傳遞者的作用,很適合與其他類型的總線或網(wǎng)絡(luò)組成有針對性的混合物聯(lián)網(wǎng),使無線網(wǎng)絡(luò)與外部系統(tǒng)的無縫對接成為可能[13]。以上傳采集數(shù)據(jù)為例,隧道傳輸?shù)闹饕绞绞窃诮K端設(shè)備中輸入外部協(xié)議的采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為ISA100.11a協(xié)議格式的隧道數(shù)據(jù)包,再通過ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān),最后由網(wǎng)關(guān)將包裹著外部協(xié)議數(shù)據(jù)的隧道數(shù)據(jù)包解析之后送給可以識別外部協(xié)議數(shù)據(jù)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。圖6顯示了ISA100.11a隧道傳輸外部ZigBee采集數(shù)據(jù)的過程,其中網(wǎng)關(guān)的離散器對象與終端的集中器對象相匹配以解析數(shù)據(jù)發(fā)布的內(nèi)容。

圖6 隧道傳輸兼容ZigBee數(shù)據(jù)的示意圖

隧道數(shù)據(jù)的打包和解析都由隧道對象負責(zé),因此,在終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的隧道傳輸實質(zhì)上是一種隧道對象到隧道對象的傳輸,而ISA100.11a協(xié)議規(guī)定了一個Contract資源只支持一條對象到對象的數(shù)據(jù)傳輸。此外,I/O接口管理邏輯在原則上也要求盡量減少額外新對象的建立與分配。綜合以上要求,為了節(jié)省通信資源,必須盡量充分利用每條隧道對象之間的隧道傳輸通路,故應(yīng)在終端的隧道對象中設(shè)計緩存及其管理機制。

隧道傳輸所涉及的一對設(shè)備中,每個設(shè)備的隧道對象都設(shè)計2個消息緩存,每個緩存分別和對方設(shè)備中的一個緩存進行消息交互。當(dāng)隧道對象所在設(shè)備作為請求端時,2個緩存分別負責(zé)發(fā)送請求消息和接收響應(yīng)消息;當(dāng)隧道對象所在設(shè)備作為響應(yīng)端時,2個緩存則分別負責(zé)接收請求消息和發(fā)送響應(yīng)消息。圖7以網(wǎng)關(guān)向終端發(fā)送基于隧道的請求消息為例進一步詳述了隧道對象緩存的管理機制。假設(shè)網(wǎng)關(guān)需要通過隧道傳輸向某個終端所接的外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求消息以獲取外部網(wǎng)絡(luò)的信息,首先由網(wǎng)關(guān)UAP的隧道對象令其中一個負責(zé)發(fā)送請求消息的緩存生成為隧道傳輸數(shù)據(jù),并由該緩存發(fā)送至終端;終端收到請求消息后,終端UAP的隧道對象令其負責(zé)接收請求消息的緩存并送入外部網(wǎng)絡(luò);外部網(wǎng)絡(luò)處理請求內(nèi)容后,終端UAP的隧道對象令其中負責(zé)發(fā)送響應(yīng)消息的緩存向網(wǎng)關(guān)發(fā)回響應(yīng)消息;最后在網(wǎng)關(guān)UAP的隧道對象中,負責(zé)接收響應(yīng)消息的緩存得到整個請求活動的結(jié)果。

圖7 隧道傳輸?shù)南⒕彺鏅C制

為隧道對象設(shè)計2個消息緩存的意義在于,當(dāng)2個設(shè)備之間需要大量隧道傳輸時,眾多的請求響應(yīng)消息可以在緩存中組成隊列依次處理。此外,額外的緩存有助于快速處理掉因超時或其他原因造成的請求失敗或無響應(yīng)消息,并對這些有問題的待處理消息根據(jù)需要進行其他調(diào)整,如重新評估消息內(nèi)容的負載并分段重發(fā)。

3 性能測試

本文所設(shè)計的終端最突出的特點是UAP從ISA100.11a協(xié)議棧中的分離,優(yōu)先保證終端在網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)通信,按需逐步啟動終端應(yīng)用,最大限度維持終端的通信穩(wěn)定性。因此,選用丟包率作為衡量終端通信穩(wěn)定性的性能指標。同時為了避免單個終端可能造成的不可控性能差異的影響,最終采用網(wǎng)絡(luò)總丟包率作為性能測試的參考,總丟包率可以通過ISA100.11a系統(tǒng)管理器所提供的網(wǎng)絡(luò)健康報告服務(wù)獲取。如圖8所示為本文的依托項目所完成的Web監(jiān)控系統(tǒng)[12]呈現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)健康報告頁面截圖,圖中可見DPDU的總發(fā)送量和總丟失量。

圖8 網(wǎng)絡(luò)健康報告監(jiān)控總丟包率

為了測試全面,除骨干路由器外,分別以10、20、30、40、50為總的組網(wǎng)終端數(shù)量,每次組網(wǎng)持續(xù)一周。同時,將以橫河電機YTA510[14]為基礎(chǔ)開發(fā)的舊版終端進行同樣方式的組網(wǎng)來作為對比測試組。其中,本文所設(shè)計的終端方案采用了飛思卡爾的MC13224芯片為通信模塊,LPC1114芯片作為應(yīng)用模塊搭載傳感器;舊版終端參照橫河YTA510,以STM32L162RD芯片搭載完整ISA100.11a協(xié)議棧及傳感器,CC2520芯片只負責(zé)物理層的射頻發(fā)送。

如圖9所示為新舊終端組網(wǎng)測試總丟包率的結(jié)果。從圖中可知,雖然總丟包率會隨著節(jié)點數(shù)量的提高而大幅增加,但本文所設(shè)計的終端能夠明顯減少同樣條件下的丟包率,提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

圖9 終端在網(wǎng)絡(luò)中的總丟包率測試

4 實地應(yīng)用

將本文所設(shè)計的終端研制完成后應(yīng)用于陜西周至佰瑞獼猴桃研究院的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)升級,將原有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)變更為以ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)為主體并兼容ZigBee節(jié)點農(nóng)業(yè)墑情采集的混合網(wǎng)絡(luò),拓撲結(jié)構(gòu)如圖10所示?？紤]到ZigBee設(shè)備雖然在性能上要弱于ISA100.11a設(shè)備,但其在面向農(nóng)業(yè)等非極端環(huán)境下仍然具有更好的適應(yīng)性[15],因此并沒有將原有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)全盤替換為ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)。該拓撲方案的核心思路是,借助ISA100.11a優(yōu)異的通信能力和方便的外部協(xié)議兼容能力,將原有的多個較分散的ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)組合為統(tǒng)一的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

圖10中的ZigBee集中器即為終端在該系統(tǒng)中的名稱,其主要任務(wù)是將ZigBee數(shù)據(jù)經(jīng)隧道對象轉(zhuǎn)換為ISA100.11a數(shù)據(jù)后,由集中器對象整合并發(fā)送至網(wǎng)關(guān)設(shè)備,網(wǎng)關(guān)設(shè)備的隧道對象將其還原為ZigBee數(shù)據(jù)并送給監(jiān)控中心查看。

新系統(tǒng)在半年的使用過程中,網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定、可靠,十分適應(yīng)關(guān)中地區(qū)同類作物離散化種植的現(xiàn)狀,解決了原有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存在的覆蓋面積小、無線傳輸不穩(wěn)定等實際問題。

實際上,本文所設(shè)計終端的隧道傳輸方法可以應(yīng)用于任何基于其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)或總線系統(tǒng)的兼容性升級。例如工廠內(nèi)可以使用ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)替換ModBus等有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸部分,即在原有的ModBus節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間將具有較高部署維護成本的ModBus總線替換為ISA100.11a無線網(wǎng)絡(luò),ModBus節(jié)點的數(shù)據(jù)將通過ISA100.11a終端的隧道傳輸方法無線傳送至ModBus網(wǎng)關(guān),如此既可以降低部署維護成本又可以減少有線線路的物理安全隱患。但工業(yè)領(lǐng)域的無線傳輸在數(shù)據(jù)可靠性和安全性方面仍然有待進一步的突破。

圖10 隧道傳輸拓撲結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于ISA100.11a協(xié)議的終端設(shè)計,將UAP從協(xié)議棧中分離出來作為應(yīng)用模塊獨立管理,其他協(xié)議內(nèi)容作為通信模塊保證終端基本通信,2個模塊之間主要以狀態(tài)監(jiān)控器進行交互。經(jīng)長期測試研究證實,本文所設(shè)計的終端能夠顯著降低網(wǎng)絡(luò)的丟包率,此外能夠通過隧道傳輸靈活兼容其他總線或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù),并且終端已經(jīng)在大規(guī)?；旌闲娃r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景中得到應(yīng)用實踐,效果良好。在下一步的研究中,將重點解決應(yīng)用模塊通信實時性和雙模塊終端低功耗的問題。

[1] International Society of Automation.ISA-100.11a-2011 Wireless Systems for Industrial Automation:Process Control and Related Applications[EB/OL].(2011-06-01).https://www.isa.org/store/products/product-detail/?productid=118261.

[2] SAVAZZI S,RAMPA V,SPAGNOLINI U.Wireless Cloud Networks for the Factory of Things:Connectivity Modeling and Layout Design[J].IEEE Internet of Things Journal,2014,1(2):180-195.

[3] ZAND P,CHATTERJEA S,DAS K,et al.Wireless Industrial Monitoring and Control Networks:The Journey so Far and the Road Ahead[J].Journal of Sensor and Actuator Networks,2012,1(3):123-152.

[4] PETERSEN S,CARLSEN S.Wireless HART Versus ISA100.11a:The Format War Hits the Factory Floor[J].IEEE Industrial Electronics Magazine,2011,5(4):23-34.

[5] 王 平,劉其琛,王 恒,等.一種適用于ISA100.11a工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的通信調(diào)度方法[J].儀器儀表學(xué)報,2011,32(5):1189-1195.

[6] ZAND P,MATHEWS E,DAS K,et al.ISA100.11a*:The ISA100.11a Extension for Supporting Energy-harvested I/O Devices[C]//Proceedings of the 15th International Symposium on a World of Wireless,Mobile and Multimedia Networks.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2014:1-8.

[7] DAS K,MATHEWS E,ZAND P,et al.Efficient I/O Joining and Reliable Data Publication in Energy Harvested ISA100.11a Network[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2015:2184-2191.

[8] KOO B,HAN K,PARK J J,et al.Design and Implementation of a Wireless Sensor Network Architecture Using Smart Mobile Devices[J].Telecommunication Systems,2013,52(4):2311-2320.

[9] NATHESWARAN S,ATHISHA G.Remote Reconfiguration Wireless Sensor Node Design for Wireless Sensor Network[C]//Proceedings of International Conference on Communications and Signal Processing.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2014:649-652.

[10] 張永梅,楊 沖,馬 禮,等.一種低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方法[J].計算機工程,2012,38(3):71-73.

[11] 李 偉,王 利,易子川,等.一種魯棒的ZigBee智能插座擴展系統(tǒng)[J].計算機工程,2016,42(8):305-310.

[12] 成斐鳴,王鼎衡,劉志剛.基于ISA100.11a的Web監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2016,37(8):2042-2049.

[13] KUMAR R,RAY A,KANDE M.Wireless HART Device Integration Challenges and Solutions in Industrial Automation[C]//Proceedings of the 18th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2013:1-4.

[14] YAMAMOTO S,EMORI T,TAKAI K.Field Wireless Solution Based on ISA100.11a to Innovate Instrumentation[J].Yokogawa Technical Report,2010,53(2):69-74.

[15] WAGNER R S,BARTON R J.Performance Comparison of Wireless Sensor Network Standard Protocols in an Aerospace Environment:ISA100.11a and ZigBee Pro[C]//Proceedings of IEEE Aerospace Conference.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2012:1-14.