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以工業(yè)無線技術(shù)為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最活躍的主流發(fā)展方向。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用主要介紹了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與三大工業(yè)無線標準的發(fā)展歷程，探討了工業(yè)無線技術(shù)的融合趨勢與Heathrow 融合標準；以作者的科研成果為基礎(chǔ)，重點介紹了精確時間同步、確定性調(diào)度、自適應(yīng)跳信道、通信鏈路冗余、輕量級加密等關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)方法；在敘述IEEE 802.15.4 協(xié)議簇標準和物理層、MAC 層的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上，介紹了無線HART、WIA-PA、ISA 100.11a 三大標準體系的協(xié)議棧、關(guān)鍵模塊、典型產(chǎn)品的開發(fā)技術(shù)與測控系統(tǒng)的開發(fā)實例；同時，結(jié)合全球首款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心芯片——“渝芯一號”，介紹了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計方法、開發(fā)技術(shù)、開發(fā)平臺和產(chǎn)品開發(fā)案例。

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第 1章概述
1.1 引言
網(wǎng)絡(luò)改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。歐盟對物聯(lián)網(wǎng)的定義指出：物聯(lián)網(wǎng)是一個動態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它具有基于標準和互操作通信協(xié)議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并與信息網(wǎng)絡(luò)無縫整合。中國工程院院士鄔賀銓指出了物聯(lián)網(wǎng)具備的三大特征：聯(lián)網(wǎng)的每一個物件均可尋址；聯(lián)網(wǎng)的每一個物件均可通信；聯(lián)網(wǎng)的每一個物件均可控制。
通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“泛在感知”工業(yè)全流程、實施優(yōu)化控制，已經(jīng)成為企業(yè)提高設(shè)備可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量、降低人工成本與減少生產(chǎn)消耗、增強核心競爭力的主要手段。以工業(yè)無線為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（本書在后面的論述中將不加區(qū)分地使用工業(yè)無線和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)兩個概念）是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點技術(shù)，是降低自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應(yīng)用范圍、實現(xiàn)工業(yè)化與信息化深度融合的最佳技術(shù)，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。美國能源部（Department of Energy，DOE）在 2004年發(fā)布的“未來工業(yè)計劃（ Industries of the Future，IOF）”中指出：這種基于工業(yè)無線技術(shù)的新型測控模式是實現(xiàn)“到 2020年美國工業(yè)整體能耗降低 5%”目標的主要手段。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》中也指出：工業(yè)無線技術(shù)的應(yīng)用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高 10%，并使排放和污染降低 25%。隨后，工業(yè)無線技術(shù)成為工業(yè)界研究的熱點，被稱為工業(yè)控制領(lǐng)域的革命性技術(shù)。
1.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程
當前，國際上工業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡(luò)化和智能化。網(wǎng)絡(luò)化是適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場儀表和控制設(shè)備不斷增加、測控系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大的要求，將工業(yè)現(xiàn)場需要交互信息的單元組織成高效的通信系統(tǒng)；智能化是適應(yīng)降低使用和維護成本、提高系統(tǒng)可靠性和易用性的要求，使測控系統(tǒng)具備自配置、自適應(yīng)、自修復能力。因此，具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術(shù)的計算模式、適應(yīng)惡劣環(huán)境的移動通信等融入工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，是工業(yè)技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的必然結(jié)果。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一種在實時性與確定性、可靠性與環(huán)境適應(yīng)性、互操作性與安全性、移動性與組網(wǎng)靈活性等方面滿足工業(yè)自動化應(yīng)用需求的無線通信技術(shù)，它為現(xiàn)場儀表、控制設(shè)備和操作人員間的信息交互提供了一種低成本的有效手段。
在計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)發(fā)展的推動下，經(jīng)過幾個階段的發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在逐漸成熟并被廣泛應(yīng)用。
第一階段，20世紀 60～70年代模擬儀表控制系統(tǒng)占主導地位，現(xiàn)場儀表之間使用二線制的4～20mA電流和1～5V電壓標準的模擬信號通信, 只是初步實現(xiàn)了信息的單向傳遞，其缺點是布線復雜、抗干擾性差。雖然目前仍有應(yīng)用，但隨著技術(shù)的進步，最終將被淘汰。
第二階段，集散控制系統(tǒng)（ Distributed Control System，DCS）于 20世紀 80～ 90年代占主導地位，實現(xiàn)分布式控制，各上下機之間通過控制網(wǎng)絡(luò)互連實現(xiàn)相互之間的信息傳遞�，F(xiàn)場控制站間的通信是數(shù)字化的，數(shù)據(jù)通信標準 RS-232、RS-485等被廣泛應(yīng)用，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
第三階段，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）在 21世紀初占主導地位，F(xiàn)CS采用全數(shù)字、開放式的雙向通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器與儀表設(shè)備互連，將控制功能徹底下放到現(xiàn)場，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性和易用性。同時，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，F(xiàn)CS已從信息層滲透到控制層和設(shè)備層，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的重要成員，逐步向現(xiàn)場層延伸。
第四階段，隨著組網(wǎng)靈活、擴展方便、使用簡單的工業(yè)無線通信技術(shù)的出現(xiàn)，智能終端、泛在計算、移動互連等技術(shù)被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)實施全流程的“泛在感知”和優(yōu)化控制，為提高設(shè)備可靠性與產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)與人工成本、節(jié)能降耗、建設(shè)資源節(jié)約與環(huán)境友好型社會、促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與產(chǎn)品優(yōu)化升級等提供了有效手段。
隨著測控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，降低投資和使用成本成為工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展的迫切要求。據(jù)美國市場研究機構(gòu) Freedonia統(tǒng)計， 2001年全球工業(yè)用傳感器的市場份額是 110億美元，而安裝和使用成本（主要是布線成本）超過 1000億美元，成為阻礙工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展的主要難題。在這一背景下，無線通信技術(shù)安裝和維護成本低的特征引起了人們的廣泛關(guān)注。2003年美國能源部組織研究機構(gòu)，對在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下利用低成本無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)采集的可行性及其對工業(yè)控制領(lǐng)域的影響進行了深入的分析。2004年由美國能源部發(fā)起 GE、Honeywell、 RAE等 70多家大公司參與成立了無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（ Wireless Industrial Networking Alliance，WINA），該聯(lián)盟專門討論無線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用問題。同年，美國工業(yè)技術(shù)計劃在傳感器和自動化方向設(shè)立了 4個重點項目，分別推進無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電解鋁、采礦、化工、玻璃、鋼鐵等行業(yè)的應(yīng)用。在這些項目的支持下，GE、Honeywell、Emerson、Eaton等工業(yè)自動化領(lǐng)域的著名公司針
對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用面臨的問題開展了研究。同時， Accutech、
SIEMENS、Ember和 Crossbow等公司也利用自有技術(shù)開發(fā)面向工業(yè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)
用的無線通信模塊和無線儀表來滿足市場的需求。
與此同時，國內(nèi)的重慶郵電大學、中國科學院沈陽自動化研究所、浙江大學
等單位也相繼開展了工業(yè)無線技術(shù)的研究，我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與標準的研究始
終與國際同步，并正在形成自己的核心技術(shù)專利群。特別是重慶郵電大學聯(lián)合達
盛電子股份有限公司（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（UZ/CY2420），創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)鏈接庫（ Data Link Layer，DLL）處理單元設(shè)
計首次通過芯片實現(xiàn)了超幀調(diào)度引擎、精確時間同步、跳信道機制和時隙通信等
功能，為 ISA（International Society of Automation）100.11a（國際儀器儀表協(xié)會）、
WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation）（中國
WIA-PA聯(lián)盟）和無線 HART（Highway Addressable Remote Transducer）（HART
基金會）標準的數(shù)據(jù)鏈路層核心技術(shù)提供硬件直接支持，具有低功耗、低成本、
微型化、高可靠性的優(yōu)勢。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)化與信息化深度融合的強大推手，將有效地提高智能
化和大規(guī)模定制化生產(chǎn)能力，促進生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變，無論生產(chǎn)過程
控制、故障診斷還是節(jié)能減排、提高效率、降低成本、增加產(chǎn)品附加值都會帶來
新的發(fā)展機遇，從而必將引發(fā)工業(yè)行業(yè)的一場新技術(shù)革命。

1.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準的發(fā)展
自 2004年美國能源部成立 WINA以來，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域形成了 ISA100.11a、無線 HART、WIA-PA三大主流國際標準共存的局面，三個標準皆引用 IEEE
802.15.4作為物理層和媒體訪問控制（ Media Access Control，MAC）層標準。
（1）無線 HART標準是 HART通信協(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(yīng)用所設(shè)計，是第一個過程自動化領(lǐng)域的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)國際標準。 2007年 6月，HART通信基金會批準無線 HART標準成為 HART通信協(xié)議族的組成部分，并于 2008年 1月正式發(fā)布了包含無線 HART的 HART 7技術(shù)規(guī)范。 2008年 7月 18日，瑞士國家委員會向 IEC/SC65C提交了無線 HART的 NP
（New Proposal）和 PAS（Public Available Specification）文件。 2008年 9月，無線 HART通過 PAS投票，成為 IEC/PAS 62591 Ed.1。 2008年10月，無線 HART通過 NP投票，成立 IEC/SC65C/WG16無線工作組。 2009年 2～4月，無線 HART CD（Committee Draft）階段。 2009年 6～11月，無線 HART CDV（Committee Draft for Vote）投票。
2010年 1～3月，F(xiàn)DIS（Final Draft International Standard）投票通過成為 IEC 62591。
國際電工委員會于 2010年 4月正式發(fā)布 HART Wireless Devices Specification的1.0版本為 IEC 62591，這是第一個過程自動化領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標準。
（2）WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線標準，國家標準和國際標準制定工作同步進行，WIA-PA國際標準的正式發(fā)布標志著我國在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域與世界同步。
2006～2008年，WIA-PA標準工作組確立了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò) WIA標準體系。
2008年 8月，工作組完成了《工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò) WIA規(guī)范第 1部分：用于過程自動化的 WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范（征求意見稿）》的制定，并通過中國國家標準化管理委員會向 IEC/SC65C提交了 WIA-PA的 PAS文件。
2008年 10月，WIA-PA以 96%的得票率成為 IEC/PAS 62601，成為國際上與無線 HART被同時承認的兩個國際標準化文件之一。
2009年 7月，中國向 IEC/SC65C提交的 WIA-PA的 NP文件以 100%的得票率通過 65C/533/NP投票，德國、法國、美國、日本、瑞典都指派專家參加 WIA-PA國際標準起草項目組。
2009年 9月，《工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò) WIA規(guī)范第 1部分：用于過程自動化的 WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范（送審稿）》通過 SAC/TC124和 SAC/TC124/SC4的投票。
2011年 7月，國家標準化委員會正式批復《工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò) WIA規(guī)范第 1部分：用于過程自動化的 WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范》成為 GB/T 26790.1—2011。
2011年 10月，Industrial Communication Networks-Fieldbus Specification-WIA-PA Communication Network and Communication Profile正式成為 IEC國際標準 IEC 62601，是第二個過程自動化領(lǐng)域的專業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)國際標準，標志著 WIA-PA標準得到了國際上的廣泛認可。
（3）ISA100（ISA100: Wireless Systems for Automation）致力于通過制定一系列標準規(guī)范和技術(shù)報告來確定工業(yè)自動化控制環(huán)境下的無線系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)，是國際自動化協(xié)會（International Society of Automation，ISA）負責工業(yè)無線技術(shù)與系列標準制定的下屬機構(gòu)。考慮到其廣泛的覆蓋范圍， ISA100成立了若干工作組分別從事不同的具體任務(wù)。其中，制定 ISA100.11a標準是其核心工作；ISA100無線符合性測試機構(gòu)（Wireless Compliance Institute，WCI）負責提供 ISA100標準族的符合性認證服務(wù)。重慶郵電大學作為國內(nèi)第一個投票成員和 ISA WCI工作組專家參加 ISA100標準制定工作。
2006年10月，在美國休斯敦會議上以投票方式確定將 SP100.14與 SP100.11工作組合并為 SP100.11a，其后更名為 ISA100.11a工作組。
2009年 4月 24日，ISAl00.11a標準以 81.0%的贊成率通過了 ISA100委員會的階段投票。
2011年 9月，ISAl00.11a通過 IEC投票成為 IEC PAS 62734。
2012年 1月，ISAl00.11a成為美國標準。
2013年10月，ISA100.11a（IEC 62734/Ed.1: Industrial Communication Networks- Wireless Communication Network and Communication Profiles-ISA100.11a）以 100%的贊成率通過 IEC投票，正式成為 IEC 62734 CDV。
目前，委員會將繼續(xù)完善該標準，擬于 2014年 9月對 FDIS進行投票，使之成為國際標準 IEC 62734，并將取代現(xiàn)有的 IEC PAS 62734。
（4）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三大主流國際標準性能對比如表 1-1所示。

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