1、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述
2011年11月APEC峰會檀香山宣言中，提出了節(jié)能減排的目標，要在2035年將區(qū)內(nèi)總能源消耗量較目前減少45%。美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“面向21世紀的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出“低成本的工業(yè)無線技術將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10％，并使排放和污染降低25％”。以工業(yè)無線技術為核心的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是當前物聯(lián)網(wǎng)領域最活躍的主流發(fā)展方向，通過支持設備間的交互與互聯(lián)，提供低成本、高可靠、高靈活的新一代泛在制造信息系統(tǒng)和環(huán)境，能夠有效降低自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應用范圍。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別技術、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程、采集其聲、光、熱、電等各種需要的信息。具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，可大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。
2、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準化情況
當前，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域已形成三大國際標準，分別是由我國自主研發(fā)的WIA-PA標準、由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標準和由HART基金會發(fā)布的WirelessHART標準。
ISA從2005年便開始啟動工業(yè)無線標準ISA100.11a 的制定工作，ISA100委員會致力于通過制定該領域的一系列標準、建議規(guī)范、技術報告來定義工業(yè)自動化控制環(huán)境下的無線系統(tǒng)實現(xiàn)技術�？紤]到技術的廣泛覆蓋，ISA100委員會已成立了若干工作組分別從事不同的具體任務。目前，國內(nèi)僅有兩家單位（重慶郵電大學，北京科技大學）具有ISA100的投票權。
ISA100.11a標準可解決與其他短距離無線網(wǎng)絡的共存性問題以及無線通信的可靠性和確定性問題，其核心技術包括精確時間同步技術、自適應跳信道技術、確定性調(diào)度技術、數(shù)據(jù)鏈路層子網(wǎng)路由技術和安全管理方案等，并具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、準確、實時、低功耗等特點。
WirelessHART（Wireless HART）標準是HART通訊協(xié)議的擴展，專為工業(yè)環(huán)境中的過程監(jiān)視和控制等應用所設計。
WirelessHART標準在2007年6月，經(jīng)HART通訊基金會批準，作為HART 7技術規(guī)范的一部分，加進了總的HART通訊協(xié)議族中。國 際電工委員會于2010年4月批準發(fā)布了完全國際化的WirelessHART標準IEC 62591（Ed.1.0），是第一個過程自動化領域的無線傳感器網(wǎng)絡國際標準。該網(wǎng)絡使用運行在2.4GHz頻段上的無線電IEEE802.15.4標準，采用直接序列擴頻（DSSS）、通信安全與可靠的信道跳頻、時分多址（TDMA）同步、網(wǎng)絡上設備間延控通信（Latency-controlled Communications）等技術。
國內(nèi)中科院沈陽自動化所、重慶郵電大學等單位抓住工業(yè)設備無線化的歷史機會WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）從2006 年開始聯(lián)合制定我國自主的工業(yè)無線國家標準WIA-PA，并將該標準提交到IEC。WIA-PA已于2011年正式成為IEC 62601國際標準。它的研發(fā)成功，為我國推進工業(yè)化與信息化相融合提供了一種新的高端技術解決方案，也標志著我國在工業(yè)無線通信技術領域的研發(fā)已處于世界領先地位。WIA-PA協(xié)議與另外兩種標準相比，在規(guī)�？蓴U展性、抗干擾性和低能耗運行等關鍵性能方面具有明顯優(yōu)勢，在拓撲結構、自適應跳頻、分簇報文聚合等方面具有創(chuàng)新性。
3、工業(yè)無線國際標準的比較
目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA這三大國際工業(yè)無線標準形成了三足鼎立的局面，各具優(yōu)勢和特色。三種工業(yè)無線國際標準的網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。
圖1 三種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的拓撲結構
工業(yè)無線技術的核心技術包括時間同步、確定性調(diào)度、跳信道、路由和安全技術等。表1通過從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層等方面對三個標準進行比較分析，可以看到三大標準具有相似的特征，其標準協(xié)議體系結構都遵循OSI模型，并且都引用IEEE802.15.4作為物理層標準。無線HART標準已有大量的網(wǎng)絡設備和應用設備被研制出來，ISA100.11a也被不少歐美企業(yè)所采用和部署。國外廠商正在加緊推廣這些標準。在工業(yè)無線的標準競爭方面，通過WIA-PA標準，我國已占據(jù)了一定的優(yōu)勢，但標準頒布以后，工程化實施和大規(guī)模推廣應用效果，才是決定標準前途的關鍵環(huán)節(jié)。在國家科技重大專項的總體安排下，重慶郵電大學、中科沈陽自動化所分別牽頭承擔了“面向工業(yè)無線網(wǎng)絡協(xié)議WIA-PA的網(wǎng)絡設備研發(fā)及應用”項目，這將為推動我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的普遍應用，并在國際上占據(jù)領先地位具有重要作用。
4、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)融合技術及標準的最新進展
目前工業(yè)無線領域形成了ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA等三個標準共存的局面，由此帶來了標準之間互通性差、多標準支持設備研發(fā)周期長、成本高等問題。為此，以NAMUR為首的用戶組織經(jīng)過研究發(fā)布了NE133（“無線傳感器網(wǎng)絡：對現(xiàn)有標準的融合需求”）報告，希望三種工業(yè)無線國際標準能夠融合為單一的標準，從而方便全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備和網(wǎng)絡的部署。為了響應用戶需求，國際上成立了融合工作組（Heathrow Wireless Convergence Team）負責融合技術的研究與標準制訂�；谥貞c郵電大學在工業(yè)無線領域的技術優(yōu)勢，項目組成員成為國際工業(yè)無線融合標準Hearthrow工作組5人小組成員和技術融合工作組核心成員，長期參與工業(yè)無線融合技術標準的制定。目前該工作組已經(jīng)起草了工作組Position Paper，完成了議事規(guī)則的制定，完成了對三個標準的前期分析及融合框架及路線圖的制定。
針對跳信道機制、超幀調(diào)度引擎、時間同步機制、時隙通信機制等工業(yè)無線技術的核心功能，重慶郵電大學聯(lián)合達盛電子（中國臺灣）推出了全球首款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心芯片—渝芯一號，率先對三大標準的主要關鍵技術提供芯片支持。為此，國際WINA聯(lián)盟特邀項目組作報告——“A Heterogeneous Coexistence A rchitecture for Industrial Wireless Networks”、國際自動化協(xié)會ISA特邀項目在“2012 International Instrumentation Symposium”上做主題為“Heterogeneous Wireless”的報告，有望主導國際工業(yè)無線融合技術與標準的發(fā)展方向。
渝芯一號采用先進的射頻架構，具有低功耗、低成本、微型化、高可靠性等突出特點，通過對工業(yè)無線關鍵技術提供芯片級支撐能力，將軟件開發(fā)從繁瑣復雜的通信任務中解脫出來，使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用設備的研制變得簡便和快速，從而對推動全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的普遍應用、加快推進我國工業(yè)化與信息化的深度融合具有重要意義和作用。
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本文標題：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準及技術綜述
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