基本介紹
- 中文名：isa100.11a
- 基於：IEEE 802.15.4
- 使用：2.4GHz的ISM頻段
- 定義：工業級無線感測器網路國際標準
標準,概述,體系結構,網路拓撲,設備類型,現狀,
標準
其由國際自動化學會(ISA)下屬的ISA100工業無線委員會制定，該委員會致力於通過制定一系列標準、建議操作規程、起草技術報告來定義工業環境下的無線系統相關規程和實現技術ISA100.11a標準的主要內容包括工業無線的網路構架、共存性、健壯性、與有線現場網路的互操作性等，其定義的工業無線設備包括:感測器、執行器、無線手持設備等現場自動化設備。ISA100.11a標準希望工業無線設備以低複雜度、合理的成本和低功耗、適當的通信數據速率去支持工業現場套用。
ISA100.11a標準的目標是將各種感測器以無線的方式集成到各種套用中，所以IP技術與無線技術融合的想法促使ISA100.11a網路層的主要工作是採用IPv6協定的骨幹網以及骨幹網與DL子網間的轉換上。網路層主要負責網路層幀頭的裝載和解析，數據報文的分片和重組，IPv6幀頭的HC1壓縮方案以及6LoWPAN的路由技術等。
ISA100.11a在遵循歐洲、日本、加拿大和美國相關規範的前提下，可以在全世界範圍內套用。如果一些地區的政策和法規不允許實現某些特徵(如加解密算法的使用和無線電頻譜使用限制等)，可通過對ISA100.11a設備進行針對性的配置，使其不具備這些特徵。
ISA100.11a標準遵循公認的ANSI標準化流程，標準的制定過程一直立足於用戶的需求。ISA100.11a標準是用於工業感測器和執行器網路的多功能標準，它可以為眾多套用提供可靠、安全的運行方案。ISA100.11a通過簡單的無線基礎結構能夠支持多種協定: HART，Profibus，Modbus，FF 等；ISA100.11a支持多種性能水平，以滿足工業自動化的多種不同的套用需求，Ifu不僅僅局限於過程工業。與WirelessHART、WIA-PA標準相比，ISA100.11a標準具有以下一些特色和優勢: (1)隧道和映射技術，ISA100.11a能夠便利地、簡單地通過無線介質傳輸各種套用協定；(2)骨幹網路由機制，通過高效的骨幹網更為直接的傳遞數據信息，這樣可以減少數據無線傳輸的跳數，在網路規模較大其優勢尤其明顯；(3)靈活的時隙長度和超幀長度。
2009年4月24口，ISA100.11a標準以81.0%的贊成率通過了ISA100委員會的階段投票。隨後，ISA100委員會正式向國際電工委員會IEC/SC65提交了IEC PAS檔案草案的表決稿，以期望成為IEC國際標準。該階段投票的通過說明ISA100.11a標準草案已經基本成熟。隨後，基於ISA100.11a標準的設備將越來越多地被套用於工程實際，最終形成ISA100.11a標準的設備產業集群。
世界著名市場調研公司ONWorld的2007年度調研報告表明“55%的人計畫採用ISA100技術，40%的人說計畫支持無線HART”。由此可見，ISA100.11a是將會成為最受關注、最有影響力的工業無線技術之一，針對ISA100.11a技術的研究和開發工作正如火如荼的進行。但是，由於ISA100.11a標準使用自然語言描述，並涉及很多關鍵技術，實現者對於協定的不同理解會導致不同的協定實現，甚至有時會是錯誤實現。因此，ISA100標準產業化的前提條件之一是所有產品必須通過嚴格的一致性、互操作性等測試和認證，來檢測被測協定實現與協定規範的符合程度。
概述
ISA100.11a標準是第一個開放的、面向於多種工業套用的標準，其主要特徵如下:
(1)提供過程工業套用服務，包括工廠自動化；
(2)在工廠內/工廠附近使用；
(3)全球部署；
(4)提供等級1(非關鍵)到等級5的套用；
(5)保證不同廠家設備的互操作性；
(6)跳信道的方式支持共存和增加可靠性；
(7)使用一個簡單的套用層提供本地和隧道協定，以實現廣泛的可用性；
(8)針對IEEE 802.15.4-2006[19]安全的主要工業威脅，提供簡單、靈活、可選的安全方法；
(9)現場設備具有支持網狀和星型結構的能力。
體系結構
ISA100.11a標準協定體系結構遵循ISO/OSI的七層結構，但只使用了其中的物理層(Physical Layer, PHY)、數據鏈路層(Data Link Layer, DLL)、網路層(Network Layer, NL)、傳輸層(Transport Layer, TL)和套用層(Application Layer, AL)等五層，在這一點上與乙太網是相同的。
ISA100.11a標準協定體系結構圖2.1ISA100.11a標準協定體系結構
如圖2.1所示，每一層定義了兩種服務實體：數據服務實體(Data Entity, DE)和管理服務實體(Management Entity, ME)。DE用於為上層提供數據傳輸服務，ME用於提供管理服務。相應地有兩種服務訪問點(Service Access Point, SAP): 數據服務實體訪問點(DESAP)和管理服務實體訪問點(MESAP)。上層通過DESAP使用下層提供的數據傳輸服務；又定義了一個具有管理功能的實體：設備管理套用進程(Device Management Application Process, DMAP)，來統一地訪問各層的MESAP，從而對協定棧各層進行管理和配置。系統管理器下發的管理信息都通過設備的DMAP對本設備的每一層進行管理和配置。在一個設備中，DMAP會設定一個專門的通道通向較低的協定層，目的是對這些層的操作提供直接的控制，並且能對診斷和狀態信息提供直接的接口。
套用層包括套用子層、用戶套用進程和設備管理器進程。用戶套用進程是一個設備內的所有套用對象的總和。在ISA100.11a網路中，一個設備只能通過套用子層(ASL)提供的數據服務訪問點與其它設備進行通信。套用子層不包含任何用戶套用，只在那些套用和網路服務間提供接口，即給用戶套用進程和設備管理進程提供各種服務，ISA100.11a中共有7種服務，分別為讀服務、寫服務、發布服務、執行服務、隧道服務、報警服務、報警接收服務。
傳輸層提供端到端的通信服務，負責傳輸層幀頭的裝載和解析，傳輸層的安全和管理信息庫的管理。傳輸層支持UDP協定，為了實現設備與其他網路的統一編址和網路的互通，傳輸層支持IPv6。
數據鏈路層包括①IEEE 802.15.4的MAC子層、②ISA100.11a的MAC擴展層和③數據鏈路層上層。IEEE 802.15.4的MAC子層通過數據服務訪問點(ML-DESAP)和管理服務訪問點(ML-MESAP)給ISA100.11a的MAC擴展層提供了服務接口。ISA100.11a的MAC擴展層主要負責時間同步、跳信道和通信調度，提供點對點的重傳機制，TDMA和CSMA信道訪問機制，在兩個對等的ISA100.11a的MAC擴展層實體之間提供一個可靠的通信鏈路。數據鏈路子層(DLL)子層通過數據服務訪問點(DLDE SAP)給網路層提供服務接口，通過管理服務訪問點(DL-MESAP)給系統管理器或設備管理套用進程(DL-MESAP)提供了服務接口。DLL子層主要負責DLL幀頭的裝載和解析、DLL層的安全、ISA100.11a DL子網內的路由、鄰居發現及 ISA100.11a的MAC擴展層的時間同步、跳信道和通信調度能夠正常工作。
物理層通過物理層數據服務訪問點(PL-DESAP)和物理層管理服務訪問點(PL-MESAP)給IEEE 802.15.4的MAC子層提供了服務接口。物理層主要功能有激活和休眠射頻收發器，發射功率控制，信道能量檢測(ED)，檢測接受數據包的鏈路質量指示(Link Quality Indication, LQI)，空閒信道評估(Clear Channel Assessment, CCA)和收發數據。
網路拓撲
為滿足工業套用的需求，ISA100.11a支持多種網路拓撲，如星型拓撲、網狀拓撲等。星型網路拓撲結構，容易實現，實時性高，但僅限單跳範圍。網狀結構拓撲結構靈活，便於配置和擴展，同時具備良好的穩定性。為了擴大網路覆蓋面積，在ISA100.11a網路結構中引入了骨幹網，骨幹網是一個高速網路，可以減小數據時延。所有現場設備通過骨幹路由器接入骨幹網，現場設備和骨幹路由器組成的網路為ISA100.11a DL子網。ISA100.11a DL子網不含骨幹網就組成了ISA100.11a網路。如果ISA100.11a網路中沒有骨幹網，ISA100.11a DL子網包括現場設備和網關，等同於ISA100.11a網路。
如果ISA100.11a網路中有骨幹網，ISA100.11a DL子網只包含現場設備和骨幹路由器， 而ISA100.11a網路包含所有相關DL子網骨幹路由器和網關。
設備類型
該協定定義了以下5種類型的設備角色:
(1)上位機控制系統，是用戶、工程師與ISA100.11a系統實現互動的平台。
(2)網關(Gateway)，提供了上位機和網路的接口，也是與其它工廠級網路的接口。一個ISA100.11a網路系統中可以存在有多個網關。
(3)骨幹路由器(Backbone Router, 即BBR)，是ISA100.11a骨幹網路的基礎設施，負責骨幹網中的數據路由。ISAl00.11a骨幹網上的通信協定可以是無線協定，如WiFi；也可以是有線協定，如標準乙太網。即，ISA100.11a的骨幹網是其它高性能的網路。
(4)現場設備，有①終端節點設備 和②現場路由器 兩種。終端節點設備一般帶有感測器/執行器。現場路由器除了具有感測器/執行器外，還具有路由功能，可以在ISA100.11a DLL子網內，路由終端節點設備的數據。
(5)手持設備(Handheld Device)，是訪問ISA100.11a系統的設備，用於現場維護與配置設備。
現狀
在工業無線市場上取得了廣泛的認可，特別是橫河電機(Yokogawa)和霍尼韋爾(Honeywell)兩大巨頭已經開發出了ISA100.11a中等規模的系統解決方案，單一系統中最大可以接入500個終端設備節點。
