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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
ISA100工業(yè)無(wú)線協(xié)議棧的研發(fā)及應(yīng)用
小類(lèi)：
機(jī)械與控制
簡(jiǎn)介：
本作品根據(jù)國(guó)際工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a草案，研發(fā)了ISA100工業(yè)無(wú)線通信協(xié)議棧，并突破了標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)技術(shù)壁壘，形成了多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)解決方案。同時(shí)以所開(kāi)發(fā)的協(xié)議棧為核心，研發(fā)了路由器、網(wǎng)關(guān)等一系列ISA100網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并開(kāi)發(fā)了多種應(yīng)用設(shè)備和組態(tài)、系統(tǒng)管理等軟件，形成一套完整的ISA100網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)，以解決無(wú)線通信技術(shù)在工控領(lǐng)域中應(yīng)用的確定性、共存性、可靠性、安全性等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問(wèn)題，為推動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。
詳細(xì)介紹：
工業(yè)無(wú)線通信是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低自動(dòng)化成本、提高自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用范圍的最有潛力的技術(shù)。然而，現(xiàn)有的短距離無(wú)線通信技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮到工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)。因此，鑒于無(wú)線通信技術(shù)在工控領(lǐng)域應(yīng)用的需要， 我們研究開(kāi)發(fā)了符合ISA100.11a國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)無(wú)線通信協(xié)議棧軟件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、應(yīng)用設(shè)備以及組態(tài)軟件。 針對(duì)ISA100網(wǎng)絡(luò)與其他短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存性問(wèn)題、無(wú)線通信的可靠性和確定性問(wèn)題，本作品提出并實(shí)現(xiàn)了自主的抗干擾解決機(jī)制、時(shí)間同步方案、確定性調(diào)度算法、DL子網(wǎng)路由算法和安全機(jī)制?？垢蓴_解決機(jī)制采用了慢跳、快跳、混合跳三種不同的跳頻方式，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)跳信道。時(shí)間同步方案是在組網(wǎng)時(shí)采用廣播幀分別在骨干網(wǎng)和DL子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分級(jí)同步，在形成網(wǎng)絡(luò)后用確認(rèn)幀維持網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。確定性調(diào)度是在精確時(shí)間同步的基礎(chǔ)上結(jié)合跳信道技術(shù)，通過(guò)對(duì)超幀、時(shí)隙和信道等網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度實(shí)現(xiàn)的。DL子網(wǎng)路由算法是根據(jù)設(shè)備收集到的鏈路質(zhì)量報(bào)告，同時(shí)結(jié)合確定性調(diào)度算法與ISA100網(wǎng)絡(luò)多超幀結(jié)構(gòu)計(jì)算出的傳輸延時(shí)，做出最優(yōu)路徑與冗余路徑選擇。安全管理機(jī)制結(jié)合ISA100.11a規(guī)范，構(gòu)建安全管理體系，設(shè)計(jì)安全通信協(xié)議棧，充分利用基于AES加密算法的CCM*模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路點(diǎn)到點(diǎn)和傳輸端到端的數(shù)據(jù)安全保護(hù)和相關(guān)安全服務(wù)。 此外，本作品以所開(kāi)發(fā)的ISA100工業(yè)無(wú)線協(xié)議棧為核心，還成功研制一系列ISA100網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括普通節(jié)點(diǎn)、路由器、網(wǎng)關(guān)等，并研發(fā)了一批ISA100工業(yè)無(wú)線應(yīng)用設(shè)備，如：一氧化碳傳感器，瓦斯傳感器，煙霧傳感器，粉塵傳感器，壓力變送器，閥門(mén)定位器，電動(dòng)執(zhí)行器等，同時(shí)自主開(kāi)發(fā)了組態(tài)和系統(tǒng)管理軟件，形成了一套完整的ISA100應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)。這些設(shè)備、軟件和系統(tǒng)均屬?lài)?guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為下一步的產(chǎn)品化和規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

作品圖片

  • ISA100工業(yè)無(wú)線協(xié)議棧的研發(fā)及應(yīng)用
  • ISA100工業(yè)無(wú)線協(xié)議棧的研發(fā)及應(yīng)用
  • ISA100工業(yè)無(wú)線協(xié)議棧的研發(fā)及應(yīng)用
  • ISA100工業(yè)無(wú)線協(xié)議棧的研發(fā)及應(yīng)用
  • ISA100工業(yè)無(wú)線協(xié)議棧的研發(fā)及應(yīng)用

作品專(zhuān)業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1、設(shè)計(jì)目的： 研發(fā)ISA100工業(yè)無(wú)線通信協(xié)議棧，攻克標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)技術(shù)壁壘，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)解決方案；在此基礎(chǔ)上，研發(fā)路由器、網(wǎng)關(guān)等ISA100網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并開(kāi)發(fā)各種無(wú)線應(yīng)用設(shè)備及系統(tǒng)管理和組態(tài)軟件，形成一套完整的ISA100網(wǎng)絡(luò)實(shí)用驗(yàn)證系統(tǒng)，以解決無(wú)線通信技術(shù)在工控領(lǐng)域中應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問(wèn)題。 2、基本思路： 先實(shí)現(xiàn)ISA100.11a協(xié)議棧，提出關(guān)鍵技術(shù)解決方案，然后研制ISA100無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、典型應(yīng)用設(shè)備、系統(tǒng)管理軟件、組態(tài)軟件等。 3、創(chuàng)新點(diǎn)： (1)本作品是國(guó)內(nèi)首套、全球第二套完整支持ISA100.11a國(guó)際工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的可用性進(jìn)行了驗(yàn)證，獲得ISA100標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的高度肯定；同時(shí)作為ISA100認(rèn)證組織WCI所認(rèn)可的規(guī)范協(xié)議棧，將用于對(duì)ISA100認(rèn)證產(chǎn)品的測(cè)試工作。 (2)本作品針對(duì)ISA100標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)技術(shù)壁壘，在自適應(yīng)抗干擾、確定性調(diào)度等五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的解決方案，突破了國(guó)外公司的專(zhuān)利封鎖。 (3)本作品所開(kāi)發(fā)的ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、應(yīng)用設(shè)備、組態(tài)和系統(tǒng)管理軟件等均屬?lài)?guó)內(nèi)首次研制成功，這套完整的ISA100.11a應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為下一步的產(chǎn)品化和規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)。 4、技術(shù)關(guān)鍵： (1)確定性調(diào)度；(2)精確時(shí)間同步；(3)自適應(yīng)跳信道技術(shù)；(4)路由技術(shù)；(5)安全通信。 5、技術(shù)指標(biāo)： ISA100協(xié)議棧軟件和各類(lèi)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)論文。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1、ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)自身與ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙等無(wú)線技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的各種有線技術(shù)相比都具有很大的優(yōu)越性。 2、本作品是嚴(yán)格按照ISA100.11a協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)草案，針對(duì)協(xié)議提出的多項(xiàng)技術(shù)需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)現(xiàn)方案。這些技術(shù)方案在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先位置。例如精確時(shí)間同步技術(shù)能夠完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，冗余路由技術(shù)保證了系統(tǒng)可靠性等。 3、本作品在開(kāi)發(fā)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，還開(kāi)發(fā)了ISA100系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品集成了智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和工業(yè)主導(dǎo)的高可靠、低功耗的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)ISA100技術(shù)，已經(jīng)被驗(yàn)證適用于工廠惡劣環(huán)境的高可靠無(wú)線通信中。 4、本作品還開(kāi)發(fā)了能夠應(yīng)用于多種場(chǎng)合的儀器儀表和傳感器設(shè)備，如溫濕度傳感器、CO傳感器、瓦斯傳感器、煙霧傳感器、粉塵傳感器等，從而可適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)械制造、電力、石油化工、冶金、紡織/化纖、塑膠、建材、汽車(chē)等領(lǐng)域。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2009年6月，獲得第十一屆“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽重慶賽區(qū)特等獎(jiǎng)。 2009年5月，在日本京都舉辦的ISA100委員會(huì)全體會(huì)議上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)展示，受到與會(huì)委員的高度評(píng)價(jià)。 2009年3月，小組成員收到ISA的標(biāo)準(zhǔn)一致性測(cè)試分支機(jī)構(gòu)（ASCI）的邀請(qǐng)，參與ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試與認(rèn)證工作。 2008年11月，在第十九屆多國(guó)儀器儀表學(xué)術(shù)會(huì)議暨展覽會(huì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)展示，受到國(guó)內(nèi)外同行的高度重視。 2008年10月，在美國(guó)休斯頓舉辦的ISA EXPO（自動(dòng)化與控制技術(shù)全球博覽會(huì)）上作為ISA100委員會(huì)的推薦展品向全球廠商和機(jī)構(gòu)進(jìn)行展示，受到廣泛關(guān)注。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示、樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1、使用說(shuō)明： (1)協(xié)議棧軟件：使用編譯軟件打開(kāi)本協(xié)議棧，跟據(jù)需要下載到CC2430模塊中。(2)ISA100應(yīng)用設(shè)備（以無(wú)線壓力變送器為例）：安裝在現(xiàn)場(chǎng)采集現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)ISA100網(wǎng)絡(luò)傳到上位機(jī)。 2、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： (1)支持圖路由和源路由兩種路由方式。(2)支持多超幀管理方式。(3)路由和網(wǎng)關(guān)都支持系統(tǒng)管理和安全管理功能。(4)支持多種類(lèi)型的儀器儀表。(5)支持與工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)。 3、適用范圍及推廣前景： ISA100網(wǎng)絡(luò)適用于惡劣且對(duì)節(jié)能要求高的工業(yè)控制與工廠自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域。通過(guò)使用ISA100網(wǎng)絡(luò)，用戶可以降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此本作品具有廣泛的適用范圍和推廣前景。 4、市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益： 目前全球工業(yè)無(wú)線通信市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)13億美元，并在未來(lái)的幾年中持續(xù)保持15%左右的年增長(zhǎng)水平。本作品已經(jīng)被初步驗(yàn)證能夠適用于工廠的惡劣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高可靠通信，具有極其良好的經(jīng)濟(jì)效益。

同類(lèi)課題研究水平概述

我們委托教育部科技查新工作站針對(duì)本作品的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了近25-30年的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索。 部分分析結(jié)果如下： 文獻(xiàn)[12]對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究，科技資訊，2008，（26）。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院的李游等人對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,并分析和比較了一些代表性的路由算法,對(duì)各種路由算法的有利和不利方面進(jìn)行了討論和總結(jié)。 文獻(xiàn)[15]無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信的一種方法，武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版）， 2004，（06）。 文獻(xiàn)[17]NISA100.11a Stack，http:// 。NIVIS公司開(kāi)發(fā)了一套NISA100.11a Stack協(xié)議棧。 文獻(xiàn)[20] A Deterministic Distributed TDMA Scheduling Algorithm for Wireless Sensor Networks 2007 INTERNATIONAL CONFERENCE ON WIRELESS COMMUNICATIONS, NETWORKING AND MOBILE COMPUTING, VOLS 1-15: 2759-2762 2007 Wang, Y (Wang, Yu); Henning, I (Henning, Ian)（Univ Essex, Dept Elect Syst Engn, Colchester CO4 3SQ, Essex, England） 本項(xiàng)目查新結(jié)論如下： （一）據(jù)檢索結(jié)果表明，國(guó)外NIVIS公司編寫(xiě)了一套NISA100.11a Stack協(xié)議棧（文獻(xiàn)[17]）。除文獻(xiàn)[17]外，未見(jiàn)其他編寫(xiě)ISA100.11a協(xié)議棧的報(bào)道。 （二）國(guó)外文獻(xiàn)[20] 報(bào)道了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)確定性調(diào)度算法，該算法也是基于TDMA的。而本查新項(xiàng)目是基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的確定性調(diào)度算法。 （三）在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中，未見(jiàn)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)跳信道技術(shù)的報(bào)道。 （四）文獻(xiàn)[12] 對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行了研究。但在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中，未見(jiàn)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)； （五）文獻(xiàn)[15]提出基于VPN的隧道協(xié)議(IPSec)在移動(dòng)IP上實(shí)現(xiàn)安全通信的原理和方法，但在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中未見(jiàn)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全通信的報(bào)道。
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