工业无线网络wia标准体系与关键技术

‘壹’ WIA-PA的介绍

WIA-PA(Wireless Networks for Instrial Automation Process Automation 面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术)标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域制定的 WIA 子标准，是基于 IEEE 802.15.4 标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统。

‘贰’ 短距离无线通信 如Zigbee 和工业无线通信如WIA之间的区别。他们是不是都能用在工业控制

短距离无线通信 如Zigbee 和工业无线通信是不同的通信协议栈，都可以用在工业上，但是是不是适合用在工业控制上就不好说，工业控制要求的不是低速率、低功耗，而是实时性、高可靠

‘叁’ 工业互联网的应用技术包括什么

工业互联网的本质和核心是通过工业互联网平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来。

工业互联网的关键核心技术主要涵盖“一硬(工业控制)+一软(工业软件)+一网(工业网络)+一安全(工业信息安全)”四大基础技术，“边缘智能+工业大数据分析+工业机理建模+工业应用开发”四大关键技术，以及“开源平台+开源社区”两大杀手锏技术。

工业互联网首先是全面互联，在全面互联的基础上，通过数据流动和分析，形成智能化变革，形成新的模式和新的业态。互联是基础，工业互联网是工业系统的各种元素互联起来，无论是机器、人还是系统。

互联解决了通信的基本，更重要的是数据端到端的流动，跨系统的流动，在数据流动技术上充分分析、建模。伯特认为智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸是在互联的基础上，通过数据流动和分析，形成新的模式和新的业态。

这是工业互联网的基理，比现在的互联网更强调数据，更强调充分的连接，更强调数据的流动和集成以及分析和建模，这和互联网是有所不同的。工业互联网的本质是要有数据的流动和分析。

工业互联网平台可以参考SAP思爱普提出的工业4.0解决方案，作为ERP的鼻祖，德国公司SAP在工业管理数字化方面的创新走在非常前沿。SAP 将为企业提供所需的简化、创新和加速功能，帮助他们制定数字化业务战略。在 SAP 的协作式价值与创新框架内，企业将能充分利用这些功能。

‘肆’ 自动化工业无线网络（WIA-PA）

不错，用ZIGBEE模块可以组建无线网络。

‘伍’ 工业物联网涉及哪些技术

工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，可大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段。物联网在工业领域的主要应用环保监测及能源管理、工业安全生产管理、制造业供应链管理、生产过程工艺优化、中国计算机报制图等等方面。物联网在工业应用领域的应用，构成了“工业物联网”，它是广域的物联网的具体化的实例，也是最容易被世人接受的物联网。工业物联网的核心理念是交叉学科的组合，涉及到信息安全、网络通信、自动化，是跨学科的，其特征为：嵌入式、互通和实时性、经济性和便利性。

工业用传感网络层：即以二维码、RFID、传感器为主，实现对“物”或环境状态的识别以及感知信号的摄入；
传输网络层：即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网(1Pv6)，实现数据的传输和计算，尤其是现在流行的概念：云计算：
应用网络层：即输入输出控制终端，包括电脑、手机等终端等等。
从整体上来看，物联网还处于起步阶段，而工业物联网的真正达到实用化、大规模应用，必须解决如下关键技术问题：
工业用传感器：工业用传感器是一种检测装置，能够测量或感知特定物体的状态和变化，并转化为可传输、可处理、可存储的电子信号或其他形式信息。工业用传感器是实现工业自动检测和自动控制的首要环节。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。可以说，没有众多质优价廉的工业传感器，就没有现代化工业生产体系，更谈不上工业物联网。
工业无线网络技术：工业无线网络是一种由大量随机分布的、具有实时感知和自组织能力的传感器节点组成的网状(Mesh)网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，具有低耗自组、泛在协同、异构互连的特点。工业无线网络技术是继现场总线之后工业控制系统领域的又一热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点，已经引起许多国家学术界和工业界的高度莺视。
工业过程建模：没有模型就不可能实施先进有效的控制，传统的集中式、封闭式的仿真系统结构已不能满足现代工业发展的需要。工业过程建模是系统设计、分析、仿真和先进控制必不可少的基础。

‘陆’ 扫描仪的Twain 标准, WIA 标准是指什么

TWAIN是一项重要的接口标准，为软件开发商和硬件设备生产厂商之间提供了一个统一的规范，以有效地避免系统及设备之间的不兼容问题。

WIA，是Windows ImageAcquisition的缩写，可直接翻译为：Windows图像采集系统。这是windows XP加入的一个新功能，该功能主要包括了indowsXP对图像设备的支持以及对图像信息的处理编辑等功能。

图像采集图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器。图像处理是指，用计算机对图像进行分析，以达到所需结果的处理，又称影像处理，一般是指数字图像处理。图片采集处理系统主要功能包括单片机控制ISP-PLD器件，实现对摄像头的图像高速采集与存储，单片机图像压缩与PC机串行通信实现图像数据的传输，在PC机端实现图像处理和显示等。

(6)工业无线网络wia标准体系与关键技术扩展阅读：

图像处理的时间消耗与处理任务的复杂程度密切相关，如果处理仅限于图像显示等简单工作，无论采用软件或是硬件处理所消耗的时间均很少，不会对系统实时性产生明显影响；

但是，若处理工作复杂，涉及大量的数值运算(特别是浮点运算)，如：图像旋转、图像匹配、目标识别等，此时消耗的处理时间与处理方式密切相关，硬件方式(上述方案二和三)由于采用支持数字运算的专用处理器结构设计，能大大提高数值运算速度和图像处理效率，与软件处理方式相比，速度和效率优势非常明显。

‘柒’ 工业级无线路由器和普通无线路由器的区别

工业级无线路由器和普通无线路由器有如下几个区别：

1. 应用场景

四信工业级无线路由器主要应用在智能交通、环境监控、安防监控、安防无线移动检测、工业大数据传输、金融行业、电力行业、水利行业等，支持-30℃+75℃宽温应用。而普通路由主要是家庭室内使用，所以在对环境的适应性要求并不高，温度仅要求0~55℃即可。

2. 模块配置及设计工艺

工业级无线路由器采用坚固耐用的工业外观设计，IP30防护，内置高性能的工业级32位通信处理器无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，可同时连接串口设备、以太网设备或WIFI设备等。这也导致两种路由价格上会相差很多。

3. 安全性差异

四信工业级无线路由器要多很多安全规则设定和更高级的防火墙，如支持APN/VPDN专网，同时设备具有IPSEC、PPTP、L2TP、GRE、OPENVPN多种VPN连接， 具有VPN客户端、服务端等功能而。普通路由甚至有些都没有防火墙，数据安全性较低。

4. 信号稳定性

工业级无线路由器可为复杂系统提供可靠组网与稳定通信，在同等环境中，信号灵敏度更强。

5. 接口配置

四信工业级无线路由器支持可同时提供RS232、RS485、RS422、以太网、WIFI、USB等接口，可同时连接串口设备、以太网设备和WIFI设备，实现数据透明传输和路由功能。普通路由器主要接口有WAN、LAN、WIFI等接口

6. 计费方式

工业上用的最多的是无线路由器，通过使用SIM卡插卡使用，具有流量控制、流量记录、实时网络速度显示功能。普通无线路由器可以看作一个转发器，将家中墙上接出的宽带网络信号通过天线转发给附近的无线网络设备（笔记本电脑、支持wifi的手机。以及所有带有WIFI功能的设备）。

‘捌’ isa100.11a的ISA100.11a标准

ISA100.11a是四种最常见的无线传感器网络标准之一，另外的三种分别是Zigbee, WirelessHART, WIA-PA。
其由国际自动化学会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定 ，该委员会致力于通过制定一系列标准、建议操作规程、起草技术报告来定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术ISA100.11a标准的主要内容包括工业无线的网络构架、共存性、健壮性、与有线现场网络的互操作性等，其定义的工业无线设备包括:传感器、执行器、无线手持设备等现场自动化设备。ISA100.11a标准希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通信数据速率去支持工业现场应用。
ISA100.11a标准的目标是将各种传感器以无线的方式集成到各种应用中，所以IP技术与无线技术融合的想法促使ISA100.11a网络层的主要工作是采用IPv6协议的骨干网以及骨干网与DL子网间的转换上。网络层主要负责网络层帧头的装载和解析，数据报文的分片和重组，IPv6帧头的HC1压缩方案以及6LoWPAN的路由技术等。
ISA100.11a在遵循欧洲、日本、加拿大和美国相关规范的前提下，可以在全世界范围内应用。如果一些地区的政策和法规不允许实现某些特征(如加解密算法的使用和无线电频谱使用限制等)，可通过对ISA100.11a设备进行针对性的配置，使其不具备这些特征。
ISA100.11a标准遵循公认的ANSI标准化流程，标准的制定过程一直立足于用户的需求。ISA100.11a标准是用于工业传感器和执行器网络的多功能标准，它可以为众多应用提供可靠、安全的运行方案。ISA100.11a通过简单的无线基础结构能够支持多种协议: HART，Profibus，Modbus，FF 等；ISA100.11a支持多种性能水平，以满足工业自动化的多种不同的应用需求，Ifu不仅仅局限于过程工业。与WirelessHART、WIA-PA标准相比，ISA100.11a标准具有以下一些特色和优势: (1)隧道和映射技术，ISA100.11a能够便利地、简单地通过无线介质传输各种应用协议；(2)骨干网路由机制，通过高效的骨干网更为直接的传递数据信息，这样可以减少数据无线传输的跳数，在网络规模较大其优势尤其明显；(3)灵活的时隙长度和超帧长度。
2009年4月24口，ISA100.11a标准以81.0%的赞成率通过了ISA100委员会的阶段投票。随后，ISA100委员会正式向国际电工委员会IEC/SC65提交了IEC PAS文件草案的表决稿，以期望成为IEC国际标准。该阶段投票的通过说明ISA100.11a标准草案已经基本成熟。随后，基于ISA100.11a标准的设备将越来越多地被应用于工程实际，最终形成ISA100.11a标准的设备产业集群。
世界着名市场调研公司ONWorld的2007年度调研报告表明“55%的人计划采用ISA100技术，40%的人说计划支持无线HART”。由此可见，ISA100.11a是将会成为最受关注、最有影响力的工业无线技术之一，针对ISA100.11a技术的研究和开发工作正如火如荼的进行。但是，由于ISA100.11a标准使用自然语言描述，并涉及很多关键技术，实现者对于协议的不同理解会导致不同的协议实现，甚至有时会是错误实现。因此，ISA100标准产业化的前提条件之一是所有产品必须通过严格的一致性、互操作性等测试和认证，来检测被测协议实现与协议规范的符合程度。 ISA100.11a标准是第一个开放的、面向于多种工业应用的标准，其主要特征如下:
(1)提供过程工业应用服务，包括工厂自动化；
(2)在工厂内/工厂附近使用；
(3)全球部署；
(4)提供等级1(非关键)到等级5的应用；
(5)保证不同厂家设备的互操作性；
(6)跳信道的方式支持共存和增加可靠性；
(7)使用一个简单的应用层提供本地和隧道协议，以实现广泛的可用性；
(8)针对IEEE 802.15.4-2006[19]安全的主要工业威胁，提供简单、灵活、可选的安全方法；
(9)现场设备具有支持网状和星型结构的能力。 ISA100.11a标准协议体系结构遵循ISO/OSI的七层结构，但只使用了其中的物理层(Physical Layer, PHY)、数据链路层(Data Link Layer, DLL)、网络层(Network Layer, NL)、传输层(Transport Layer, TL)和应用层(Application Layer, AL)等五层，在这一点上与以太网是相同的。
图2.1ISA100.11a标准协议体系结构
如图2.1所示，每一层定义了两种服务实体：数据服务实体(Data Entity, DE)和管理服务实体(Management Entity, ME)。DE用于为上层提供数据传输服务，ME用于提供管理服务。相应地有两种服务访问点(Service Access Point, SAP): 数据服务实体访问点(DESAP)和管理服务实体访问点(MESAP)。上层通过DESAP使用下层提供的数据传输服务；又定义了一个具有管理功能的实体：设备管理应用进程(Device Management Application Process, DMAP)，来统一地访问各层的MESAP，从而对协议栈各层进行管理和配置。系统管理器下发的管理信息都通过设备的DMAP对本设备的每一层进行管理和配置。在一个设备中，DMAP会设置一个专门的通道通向较低的协议层，目的是对这些层的操作提供直接的控制，并且能对诊断和状态信息提供直接的接口。
应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理器进程。用户应用进程是一个设备内的所有应用对象的总和。在ISA100.11a网络中，一个设备只能通过应用子层(ASL)提供的数据服务访问点与其它设备进行通信。应用子层不包含任何用户应用，只在那些应用和网络服务间提供接口，即给用户应用进程和设备管理进程提供各种服务，ISA100.11a中共有7种服务，分别为读服务、写服务、发布服务、执行服务、隧道服务、报警服务、报警接收服务。
传输层提供端到端的通信服务，负责传输层帧头的装载和解析，传输层的安全和管理信息库的管理。传输层支持UDP协议，为了实现设备与其他网络的统一编址和网络的互通，传输层支持IPv6。
数据链路层包括①IEEE 802.15.4的MAC子层、②ISA100.11a的MAC扩展层和③数据链路层上层。IEEE 802.15.4的MAC子层通过数据服务访问点(ML-DESAP)和管理服务访问点(ML-MESAP)给ISA100.11a的MAC扩展层提供了服务接口。ISA100.11a的MAC扩展层主要负责时间同步、跳信道和通信调度，提供点对点的重传机制，TDMA和CSMA信道访问机制，在两个对等的ISA100.11a的MAC扩展层实体之间提供一个可靠的通信链路。数据链路子层(DLL)子层通过数据服务访问点(DLDE SAP)给网络层提供服务接口，通过管理服务访问点(DL-MESAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DL-MESAP)提供了服务接口。DLL子层主要负责DLL帧头的装载和解析、DLL层的安全、ISA100.11a DL子网内的路由、邻居发现及 ISA100.11a的MAC扩展层的时间同步、跳信道和通信调度能够正常工作。
物理层通过物理层数据服务访问点(PL-DESAP)和物理层管理服务访问点(PL-MESAP)给IEEE 802.15.4的MAC子层提供了服务接口。物理层主要功能有激活和休眠射频收发器，发射功率控制，信道能量检测(ED)，检测接受数据包的链路质量指示(Link Quality Indication, LQI)，空闲信道评估(Clear Channel Assessment, CCA)和收发数据。 为满足工业应用的需求，ISA100.11a支持多种网络拓扑，如星型拓扑、网状拓扑等。星型网络拓扑结构，容易实现，实时性高，但仅限单跳范围。网状结构拓扑结构灵活，便于配置和扩展，同时具备良好的稳定性。为了扩大网络覆盖面积，在ISA100.11a网络结构中引入了骨干网，骨干网是一个高速网络，可以减小数据时延。所有现场设备通过骨干路由器接入骨干网，现场设备和骨干路由器组成的网络为ISA100.11a DL子网。ISA100.11a DL子网不含骨干网就组成了ISA100.11a网络。如果ISA100.11a网络中没有骨干网，ISA100.11a DL子网包括现场设备和网关，等同于ISA100.11a网络。
如果ISA100.11a网络中有骨干网，ISA100.11a DL子网只包含现场设备和骨干路由器， 而ISA100.11a网络包含所有相关DL子网骨干路由器和网关。 该协议定义了以下5种类型的设备角色:
(1)上位机控制系统，是用户、工程师与ISA100.11a系统实现交互的平台。
(2)网关(Gateway)，提供了上位机和网络的接口，也是与其它工厂级网络的接口。一个ISA100.11a网络系统中可以存在有多个网关。
(3)骨干路由器(Backbone Router, 即BBR)，是ISA100.11a骨干网络的基础设施，负责骨干网中的数据路由。ISAl00.11a骨干网上的通信协议可以是无线协议，如WiFi；也可以是有线协议，如标准以太网。即，ISA100.11a的骨干网是其它高性能的网络。
(4)现场设备，有①终端节点设备 和②现场路由器 两种。终端节点设备一般带有传感器/执行器。现场路由器除了具有传感器/执行器外，还具有路由功能，可以在ISA100.11a DLL子网内，路由终端节点设备的数据。
(5)手持设备(Handheld Device)，是访问ISA100.11a系统的设备，用于现场维护与配置设备。 在工业无线市场上取得了广泛的认可，特别是横河电机(Yokogawa) 和霍尼韦尔(Honeywell) 两大巨头已经开发出了ISA100.11a中等规模的系统解决方案，单一系统中最大可以接入500个终端设备节点。

‘玖’ WIA-PA的简介

WIA-PA标准是具有我国自主知识产权、符合我国工业应用国情的一种无线标准体系。
WIA-PA标准是由863先进制造技术领域《工业无线技术及网络化测控系统研究与开发》项目(2007AA041201)提出的。参加该项目的有中科院沈阳自动化研究所、北科大、浙大、重庆邮电大学、上海工业自动化仪表研究院等 。 WIA-PA 网络由主控计算机、网关设备、路由设备、现场设备和手持设备5 类物理设备构成。此外还定义了两类逻辑设备：网络管理器、安全管理器，在实现时可位于网关或者主控计算机中。
WIA-PA 网络采用星型和网状结合的两层网络拓扑结构，如图所示，第一层的网状结构由网关和路由设备组成；第二层的星型结构由路由设备及现场设备或手持设备组成。 WIA-PA 网络协议遵循ISO/OSI 的七层结构，但只定义了数据链路层、网络层、应用层，如图所示 。