浅谈工业无线技术标准与认证及其应用

摘要：本文通过分析工业无线技术ISA100.11a标准和其标准化进程，并结合国内外ISA100.11a标准技术研究及协议的现状，着重分析ISA100.11a协议一致性测试的重要意义，最后剖析ISA100.11a的网络结构、网络特性及协议体系结构和ISA100.11a标准认证之间的衔接及其目前的推广进展情况，旨在为国内提供一个完善无线技术体系借鉴。

引言

工业无线技术是本世纪初新兴的一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和提升，将引发传统工业测控模式的变革，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。目前，国际上有Wireless HART、ISA 100和中国的WIA-PA共3种无线网络技术。2009年，国际电工协会成立了无线工作组IEC SC65C/WG16，负责工业无线技术的国际标准研制的工作。

ISA100.11a是最常见的无线传感器网络标准，由国际自动化学会 (The International Society of Automation，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、共存性与有线现场网络的互操作性等，其工业无线设备主要包括执行器、传感器、无线手持设备等现场自动化设备。

世界著名市场调研公司ONWorld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，世界各地专项针对ISA100.11a技术的研究和开发工作正如火如荼地进行。但是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，甚至会是错误的。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。

1 ISA100.11a 概述

ISA100.11a标准由美国仪器仪表协会(Instrument Society of America,ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定，该委员会致力于以研制及修订一系列标准、建议性操作规章、技术规范及指导性文件来定义工业环境下的无线系统及其相关规程，进而实现技术规范及推广。ISA100.11a标准希望工业无线设备以低功耗、低复杂度、合理的成本和适当的通信数据速率去支持工业现场应用。

2009年4月24日，ISA100委员会以81.0%的高赞成率通过了ISA100.11a标准。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。ISA100.11a 标准在遵循欧洲、日本、美国和加拿大相关规范的前提下，适用于全世界各地区。且ISA100.11a 设备必须遵循当地的政策和法规要求。

1.1 ISA100.11a 工作组介绍

ISA100.11a工作组是由ISA100.14工作组与 ISA100.11工作组合并而成。其中ISA100.11工作组应用于各种控制的无线连接标准，该标准同样经过优化，以适应从闭环调节控制到开环手动操作的各种控制应用;ISA100.14工作组应用于各种工业监控、记录与报警的无线连接标准，希望通过对标准的优化获得独特的性能与成本优势。该两工作组相互协调，以确保ISA100可以提供完整与集成的工业无线应用标准。

ISA100.11a工作组的主要职责为研制及修订工业无线技术ISA100.11a标准。目前，ISA100.11a工作组主要由系统工作组、汇集工作组、PHY/MAC层工作组、安全工作组、网络/传输层工作组、网络管理工作组、评估工作组、应用层工作组、编辑工作组和网关工作组共10个子工作组组成(见图1)。



1.2 ISA100.11a 国内外现状分析

2006年7月，ISA 100委员会面向全球征集技术标准提案，重庆邮电大学、浙江浙大中控信息技术有限公司和中国科学院沈阳自动化研究所等三家知名院校与美国霍尼韦尔公司(Honeywell)、美国通用电气公司(General Electric Company, GE)、德国西门子股份公司(Siemens co.,LTD, Siemens) 等著名国际公司均提交技术方案与技术白皮书，大力推进工业级无线技术标准的国际化。

2008年4月，重庆邮电大学在重庆成功举办了由“面向自动化领域的无线解决方案”国际高峰论坛“ISA100 和 ISA100.11a 标准化会议”和“中国无线工厂应用高峰论坛”三个部分组成的“2008 工业无线国际学术大会”。



2008年6月，一致性测试工作组(ISA WCI)通过决议决定吸纳重庆邮电大学为ISA100测试工作组的成员且免组员年费，同时确定重庆邮电大学与美国NIVIS公司负责ISA100标准的测试验证，并于2009年10月美国休斯敦举行的国际仪器仪表、自动控制览会上免费展示其 ISA100.11a 研究成果。因此，以重庆邮电大学为代表的国内相关单位在 ISA100 工业无线技术方面进行了长期的跟踪研究，我国在工业无线技术方面，尤其在ISA100 领域处于国际先进水平。

2008年7月，霍尼韦尔公司宣布推出其工业无线网络解决方案One Wireless更新版本，实现了与ISA100.11a工业无线通信标准兼容。下一阶段，针对ISA100.11a标准的协议一致性、互操作性等测试将成为迫切需要解决的问题之一。越来越多的企业及研究机构关注和参与ISA100.11a标准的完善和开发等相关工作，ISA100.11a技术将是一种具有很大潜力的工业通信技术，必将在正兴起的工业无线领域发挥重要的作用，引起更多的重视和关注。

1.3 ISA100.11a 一致性测试研究

一致性测试，即验证协议实现在多大程度上与相应的协议标准一致。在多个厂家进行设备互联时，通过一致性测试会提高人们对设备符合相应协议标准的置信程度，提高相同标准不同实现之间互联的概率，以减少产品在现场运行时发生错误的风险性。标准化的协议并不能确保不同的协议实现之间能够成功地互连互通，所以其需要“协议一致性测试”来对协议实现的正确性和有效性进行测试。



随着 ISA100.11a 协议的逐步推广应用，各种相关产品蜂拥而来，可对协议理解的差异，同一协议标准会存在许多不同的实现版本。为检查各个不同生产厂家的 ISA100.11a 实现是否与标准要求保持一致，并保证协议的不同实现版本之间实现互联互通，则须对协议进行一致性测试。一致性测试是开放系统互联产品的重要步骤，是 ISA100.11a 产品产业化和商业运营的关键因素。一致性测试的流程见图2。