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工业物联网标准及技术综述Summarization on Industrial IoT Standard and Technology

工业物联网与网络化控制教育部重点实验室 重庆邮电大学 王 平 魏 旻

摘 要：本文介绍工业物联网技术及其优势，重点介绍了工业无线标准

化情况，并对各自技术特征进行了对比，进一步讨论了工业物联网技术

的三种典型应用及工业无线融合标准的进展情况。

关键词：工业物联网； ISA100.11I；WIA-PA； 渝“芯”一号

Abstract: This paper introduces key technologies and advantages of the

industrial IoT, then introduce the industrial wireless network standardization

process. The features of WirelessHART, ISA100.11a and WIA-PA are

described. Further more, we discuss the typical applications about technologies

of the industrial IoT, and the convergence progress of industrial wireless

standard.

Key words: Industrial IoT; ISA100.11a; WIA-PA; Standard; UZ/CY2420

1 工业物联网概述

2011年11月APEC峰会檀香山宣言中，提出了节能减排的目

标，要在2035年将区内总能源消耗量较目前减少45%。美国总

统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”

中指出“低成本的工业无线技术将使工业生产效率提高10％，

并使排放和污染降低25％”。以工业无线技术为核心的工业物

联网是当前物联网领域最活跃的主流发展方向，通过支持设备

间的交互与互联，提供低成本、高可靠、高灵活的新一代泛在

制造信息系统和环境，能够有效降低自动化成本、提高自动化

系统应用范围。

工业物联网通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别

技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器

等各种装置与技术，实现在工业现场采集任何需要监控、连

接、互动的物体或过程、采集其声、光、热、电等各种需要的

信息。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。

作者简介： 王平（1963-），重庆黔江人，博士，二

级教授，博士生导师，重庆邮电大学自动化学

院院长、工业物联网与网络化控制教育部重点

实验室主任、重邮CISCO绿色科技联合研发

中心主任，研究方向为智能检测与物联网技

术、网络化控制与智能仪器仪表等。

2 工业物联网标准化情况

当前，在工业物联网领域已形成三大国际标准，分别是由

我国自主研发的WIA-PA标准、由ISA国际自动化协会（原美国仪

器仪表协会）发布的ISA100.11a标准和由HART基金会发布的

WirelessHART标准。

ISA从2005年便开始启动工业无线标准ISA100.11a 的制定工

作，ISA100委员会致力于通过制定该领域的一系列标准、建议

规范、技术报告来定义工业自动化控制环境下的无线系统实现

技术。考虑到技术的广泛覆盖，ISA100委员会已成立了若干工

作组分别从事不同的具体任务。目前，国内仅有两家单位（重

庆邮电大学，北京科技大学）具有ISA1 0 0的投票权。

ISA100.11a标准可解决与其他短距离无线网络的共存性问题以

及无线通信的可靠性和确定性问题，其核心技术包括精确时间

同步技术、自适应跳信道技术、确定性调度技术、数据链路层

子网路由技术和安全管理方案等，并具有数据传输可靠、准确、

实时、低功耗等特点。

WirelessHART（Wireless HART）标准是HART通讯协议的扩

展，专为工业环境中的过程监视和控制等应用所设计。

WirelessHART标准在2007年6月，经HART通讯基金会批准，作为

HART 7技术规范的一部分，加进了总的HART通讯协议族中。国际电工委

员会于2010年4月批准发布了完全国际化的WirelessHART标准

IEC 62591（Ed.1.0），是第一个过程自动化领域的无线传感器

网络国际标准。该网络使用运行在2.4GHz频段上的无线电

IEEE802.15.4标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可

靠的信道跳频、时分多址（TDMA）同步、网络上设备间延控通

信（Latency-controlled Communications）等技术。

国内中科院沈阳自动化所、重庆邮电大学等单位抓住工业

设备无线化的历史机会WIA-PA（Wireless Networks for Industr

ial Automation-Process Automation）从2006 年开始联合制定

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45 综述·SURVEY

我国自主的工业无线国家标准WIA-PA，并将该标准提交到IEC。

WIA-PA已于2011年正式成为IEC 62601国际标准。它的研发成

功，为我国推进工业化与信息化相融合提供了一种新的高端

技术解决方案，也标志着我国在工业无线通信技术领域的研

发已处于世界领先地位。WIA-PA协议与另外两种标准相比，

在规模可扩展性、抗干扰性和低能耗运行等关键性能方面具

有明显优势，在拓扑结构、自适应跳频、分簇报文聚合等方

面具有创新性。

3 工业无线国际标准的比较

目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA这三大国际工

业无线标准形成了三足鼎立的局面，各具优势和特色。三种

工业无线国际标准的网络拓扑结构如图1所示。

(a) WirelessHART (b) ISA100.11a

图1 三种工业物联网网络的拓扑结构

表1 三种标准协议性能对比

相关技术 WirelessHART WIA-PA ISA100.11a

物理层IEEE 802.15.4-20062.4GHz，信道26排除

IEEE 802.15.4-2006 2.4GHz

IEEE 802.15.4-2006 2.4GHz，信道 26 可选

概述

TDMA接入，支持多超帧，跳信

道，重传机制，时隙可配置成专

用方式和共享方式。

基于超帧和跳频的时隙通

信、重传机制、用于时间同

步、TDMA 和 CSMA 混合信

道访问机制。链路配置及性

能度量。

MAC子层兼容802.15.4协议；MAC扩展层完成传统的 DLL 层功能；

DLL 上层完成 Mesh 子网内的路由

功能。支持 3 种跳信道机制、超帧

调度、时间同步、TDMA/CSMA 信

道接入。 时间

同步 根据时间同步命令帧同步

可根据信标帧、时间同步命

令帧同步 可根据广播帧、确认帧同步

跳频 自适应信道，黑名单技术 自适应跳频，时隙跳频 时隙跳频，慢跳频，混合跳，黑名

单技术

超帧 使用一般超帧 使用 IEEE802.15.4 超帧结构 使用一般超帧

时隙 可变长度 可变长度 固定长度

邻居 支持 只支持与簇头通信 支持邻居组

数

据

链

路

层

链路

实现 收发独立

管理和数据分开, 基于网络

管理者 收发独立

MIC 32 位 IEEE802.15.4 安全策略 IEEE802.15.4 安全策略

邻居

发现 使用广播帧 使用 IEEE802.15.4 信标帧 使用广播帧

络层采用图路由和源路由方式，动态

网络带宽管理

寻址路由（支持静态路由）

分段与重组

采用 6LoWPAN 标准： 地址转换，

分片与重组，骨干网间的路由

传输层 无 无 基于 RFC786 （UDP）协议

应用层

支持周期性信息 支持报警等信息 基于 HART 命令

支持周期性信息 支持报警等信息 基于服务

支持周期性信息 支持报警等信息 基于服务，面向对象

网关 每一个网络仅允许一个网关 允许有冗余网关DL 子网允许一个网关 骨干网络中可允许多个

安全通信设备之间数据加密、消息鉴

别、设备认证、健壮性操作等

分层分级实施不同的安全策

略和措施，数据加密、数据

校验、设备认证

数据加密和完整性鉴别保护点到

点和端到端安全、消息/设备认证、

入网设备安全处理

数

据

链

路

层

工业无线技术的核心技术包括时间同步、确定性调度、跳

信道、路由和安全技术等。表1通过从物理层、数据链路层、

网络层等方面对三个标准进行比较分析，可以看到三大标准

具有相似的特征，其标准协议体系结构都遵循OSI模型，并且

都引用IEEE802.15.4作为物理层标准。无线HART标准已有大

量的网络设备和应用设备被研制出来，ISA100.11a也被不少

欧美企业所采用和部署。国外厂商正在加紧推广这些标准。

在工业无线的标准竞争方面，通过WIA-PA标准，我国已占据

了一定的优势，但标准颁布以后，工程化实施和大规模推广

应用效果，才是决定标准前途的关键环节。在国家科技重大

专项的总体安排下，重庆邮电大学、中科沈阳自动化所分别

牵头承担了“面向工业无线网络协议WIA-PA的网络设备研发

及应用”项目，这将为推动我国工业物联网技术的普遍应用，

并在国际上占据领先地位具有重要作用。

4 工业物联网融合技术及标准的最新进展

目前工业无线领域形成了ISA100.11a、WirelessHART、

WIA-PA等三个标准共存的局面，由此带来了标准之间互通性

差、多标准支持设备研发周期长、成本高等问题。为此，以

NAMUR为首的用户组织经过研究发布了NE133（“无线传感器

网络：对现有标准的融合需求”）报告，希望三种工业无线

国际标准能够融合为单一的标准，从而方便全球工业物联网

设备和网络的部署。为了响应用户需求，国际上成立了融合

工作组（Heathrow Wireless Convergence Team）负责融合技

术的研究与标准制订。基于重庆邮电大学在工业无线领域的

技术优势，项目组成员成为国际工业无线融合标准Hearthrow

工作组5人小组成员和技术融合工作组核心成员，长期参与工

业无线融合技术标准的制定。目前该工作组已经起草了工作

组Position Paper，完成了议事规则的制定，完成了对三个

标准的前期分析及融合框架及路线图的制定。

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路由设备

冗余路由设备

现场设备

手持设备

Mesh网络连接

星型网络连接

其它网络

星型结构

星型结构星型结构

星型结构网状结构

网关设备 冗余网关设备

主控计算机

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图2 渝“芯”一号 UZ/CY2420

针对跳信道机制、超帧调度引擎、时间同步机制、时隙通

信机制等工业无线技术的核心功能，重庆邮电大学联合达盛

电子（中国台湾）推出了全球首款工业物联网核心芯片—渝

芯一号，率先对三大标准的主要关键技术提供芯片支持。为

此，国际WINA联盟特邀项目组作报告——“A Heterogeneous

Coexistence Architecture for Industrial Wireless Net

works”、国际自动化协会ISA特邀项目在“2012 Internation

al Instrumentation Symposium”上做主题为“Heterogeneous

Wireless”的报告，有望主导国际工业无线融合技术与标准

的发展方向。

渝芯一号采用先进的射频架构，具有低功耗、低成本、微

型化、高可靠性等突出特点，通过对工业无线关键技术提供

芯片级支撑能力，将软件开发从繁琐复杂的通信任务中解脱

出来，使工业物联网应用设备的研制变得简便和快速，从而

对推动全球工业物联网技术的普遍应用、加快推进我国工业

化与信息化的深度融合具有重要意义和作用。

参考文献：

[1] HART Communication. http://www.hartcomm2.org/index.html.

[2] ISA100: Wireless Systems for Automation. http://www.isa.org/.

[3] ISA100 WCI Web Site, http://www.isa100wci.org/

[4] IEEE Standard for Information Technology—Telecommunications and Information

Exchange Between Systems—Local and Metropolitan Networks—Specific Requirements

—Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)

Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE

802.15.4, 2006.

[5] IEC 62601 Ed1, “Industrial communication networks-fieldbus specification-WIA-PA

communication network and communication profile,” Oct.2011.

[6] IEC/PAS 62734, “Industrial Communication Networks—Fieldbus specifications—Wireless

Systems for Industrial Automation: Process Control and Related Applications (based on ISA

100.11a),” Sept. 2011.

[7] IEC 62591 Ed.1, “Industrial Communication Networks—Wireless Communication

Network and Communication Profiles—WirelessHARTTM,”Apr. 2010.

[8] GB/T 26790.1-2011. 工业无线网络WIA规范, 第一部分; 用于过程自动化的WIA系统结构

与通信规范.

[9] Heathrow Wireless Convergence Team Position Paper, February 2012.

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