基本信息
- 項目名稱：
- ISA100工業(yè)無線協(xié)議棧的研發(fā)及應用
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品根據(jù)國際工業(yè)無線標準ISA100.11a草案，研發(fā)了ISA100工業(yè)無線通信協(xié)議棧，并突破了標準中的各項技術壁壘，形成了多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關鍵技術解決方案。同時以所開發(fā)的協(xié)議棧為核心，研發(fā)了路由器、網(wǎng)關等一系列ISA100網(wǎng)絡設備，并開發(fā)了多種應用設備和組態(tài)、系統(tǒng)管理等軟件，形成一套完整的ISA100網(wǎng)絡應用驗證系統(tǒng)，以解決無線通信技術在工控領域中應用的確定性、共存性、可靠性、安全性等關鍵技術瓶頸問題，為推動無線通信技術在工業(yè)中的應用和發(fā)展貢獻自己的力量。
- 詳細介紹：
- 工業(yè)無線通信是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領域的又一個熱點技術，是降低自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應用范圍的最有潛力的技術。然而，現(xiàn)有的短距離無線通信技術在設計時并沒有考慮到工業(yè)無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信的特點。因此，鑒于無線通信技術在工控領域應用的需要， 我們研究開發(fā)了符合ISA100.11a國際標準的工業(yè)無線通信協(xié)議棧軟件、網(wǎng)絡設備、應用設備以及組態(tài)軟件。 針對ISA100網(wǎng)絡與其他短距離無線網(wǎng)絡的共存性問題、無線通信的可靠性和確定性問題，本作品提出并實現(xiàn)了自主的抗干擾解決機制、時間同步方案、確定性調(diào)度算法、DL子網(wǎng)路由算法和安全機制?？垢蓴_解決機制采用了慢跳、快跳、混合跳三種不同的跳頻方式，實現(xiàn)了自適應跳信道。時間同步方案是在組網(wǎng)時采用廣播幀分別在骨干網(wǎng)和DL子網(wǎng)實現(xiàn)分級同步，在形成網(wǎng)絡后用確認幀維持網(wǎng)絡時間同步。確定性調(diào)度是在精確時間同步的基礎上結(jié)合跳信道技術，通過對超幀、時隙和信道等網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)的。DL子網(wǎng)路由算法是根據(jù)設備收集到的鏈路質(zhì)量報告，同時結(jié)合確定性調(diào)度算法與ISA100網(wǎng)絡多超幀結(jié)構(gòu)計算出的傳輸延時，做出最優(yōu)路徑與冗余路徑選擇。安全管理機制結(jié)合ISA100.11a規(guī)范，構(gòu)建安全管理體系，設計安全通信協(xié)議棧，充分利用基于AES加密算法的CCM*模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路點到點和傳輸端到端的數(shù)據(jù)安全保護和相關安全服務。 此外，本作品以所開發(fā)的ISA100工業(yè)無線協(xié)議棧為核心，還成功研制一系列ISA100網(wǎng)絡設備，包括普通節(jié)點、路由器、網(wǎng)關等，并研發(fā)了一批ISA100工業(yè)無線應用設備，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，閥門定位器，電動執(zhí)行器等，同時自主開發(fā)了組態(tài)和系統(tǒng)管理軟件，形成了一套完整的ISA100應用驗證系統(tǒng)。這些設備、軟件和系統(tǒng)均屬國內(nèi)首次開發(fā)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，為下一步的產(chǎn)品化和規(guī)?；瘧玫於肆己玫幕A。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1、設計目的： 研發(fā)ISA100工業(yè)無線通信協(xié)議棧，攻克標準中的各項技術壁壘，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多項關鍵技術解決方案；在此基礎上，研發(fā)路由器、網(wǎng)關等ISA100網(wǎng)絡設備，并開發(fā)各種無線應用設備及系統(tǒng)管理和組態(tài)軟件，形成一套完整的ISA100網(wǎng)絡實用驗證系統(tǒng)，以解決無線通信技術在工控領域中應用的一些關鍵技術瓶頸問題。 2、基本思路： 先實現(xiàn)ISA100.11a協(xié)議棧，提出關鍵技術解決方案，然后研制ISA100無線網(wǎng)絡設備、典型應用設備、系統(tǒng)管理軟件、組態(tài)軟件等。 3、創(chuàng)新點： (1)本作品是國內(nèi)首套、全球第二套完整支持ISA100.11a國際工業(yè)無線標準的協(xié)議棧。對標準的可用性進行了驗證，獲得ISA100標準委員會的高度肯定；同時作為ISA100認證組織WCI所認可的規(guī)范協(xié)議棧，將用于對ISA100認證產(chǎn)品的測試工作。 (2)本作品針對ISA100標準中的各項技術壁壘，在自適應抗干擾、確定性調(diào)度等五項關鍵技術上形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的解決方案，突破了國外公司的專利封鎖。 (3)本作品所開發(fā)的ISA100.11a網(wǎng)絡設備、應用設備、組態(tài)和系統(tǒng)管理軟件等均屬國內(nèi)首次研制成功，這套完整的ISA100.11a應用驗證系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，為下一步的產(chǎn)品化和規(guī)?；瘧玫於撕芎玫幕A。 4、技術關鍵： (1)確定性調(diào)度；(2)精確時間同步；(3)自適應跳信道技術；(4)路由技術；(5)安全通信。 5、技術指標： ISA100協(xié)議棧軟件和各類設備的技術指標見論文。
科學性、先進性
- 1、ISA100.11a標準自身與ZigBee、Wi-Fi、藍牙等無線技術和工業(yè)現(xiàn)場應用的各種有線技術相比都具有很大的優(yōu)越性。 2、本作品是嚴格按照ISA100.11a協(xié)議的標準草案，針對協(xié)議提出的多項技術需求，我們設計了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實現(xiàn)方案。這些技術方案在國內(nèi)處于領先位置。例如精確時間同步技術能夠完全滿足工業(yè)現(xiàn)場對實時性的要求，冗余路由技術保證了系統(tǒng)可靠性等。 3、本作品在開發(fā)協(xié)議棧的基礎上，還開發(fā)了ISA100系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品集成了智能網(wǎng)絡平臺和工業(yè)主導的高可靠、低功耗的工業(yè)無線網(wǎng)絡ISA100技術，已經(jīng)被驗證適用于工廠惡劣環(huán)境的高可靠無線通信中。 4、本作品還開發(fā)了能夠應用于多種場合的儀器儀表和傳感器設備，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)場需要監(jiān)控的各個領域，如機械制造、電力、石油化工、冶金、紡織/化纖、塑膠、建材、汽車等領域。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年6月，獲得第十一屆“挑戰(zhàn)杯”競賽重慶賽區(qū)特等獎。 2009年5月，在日本京都舉辦的ISA100委員會全體會議上進行了現(xiàn)場展示，受到與會委員的高度評價。 2009年3月，小組成員收到ISA的標準一致性測試分支機構(gòu)（ASCI）的邀請，參與ISA100.11a標準測試與認證工作。 2008年11月，在第十九屆多國儀器儀表學術會議暨展覽會進行了現(xiàn)場展示，受到國內(nèi)外同行的高度重視。 2008年10月，在美國休斯頓舉辦的ISA EXPO（自動化與控制技術全球博覽會）上作為ISA100委員會的推薦展品向全球廠商和機構(gòu)進行展示，受到廣泛關注。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1、使用說明： (1)協(xié)議棧軟件：使用編譯軟件打開本協(xié)議棧，跟據(jù)需要下載到CC2430模塊中。(2)ISA100應用設備（以無線壓力變送器為例）：安裝在現(xiàn)場采集現(xiàn)場壓力數(shù)據(jù)，通過ISA100網(wǎng)絡傳到上位機。 2、技術特點和優(yōu)勢： (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)關都支持系統(tǒng)管理和安全管理功能。(4)支持多種類型的儀器儀表。(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)絡適用于惡劣且對節(jié)能要求高的工業(yè)控制與工廠自動化過程控制領域。通過使用ISA100網(wǎng)絡，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、市場分析和經(jīng)濟效益： 目前全球工業(yè)無線通信市場規(guī)模已經(jīng)超過13億美元，并在未來的幾年中持續(xù)保持15%左右的年增長水平。本作品已經(jīng)被初步驗證能夠適用于工廠的惡劣環(huán)境，實現(xiàn)高可靠通信，具有極其良好的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 我們委托教育部科技查新工作站針對本作品的技術要點，對該項目進行了近25-30年的國內(nèi)外文獻檢索。 部分分析結(jié)果如下： 文獻[12]對無線網(wǎng)絡路由算法的研究，科技資訊，2008，（26）。中國地質(zhì)大學（武漢）信息工程學院的李游等人對無線傳感器網(wǎng)絡進行簡要介紹,并分析和比較了一些代表性的路由算法,對各種路由算法的有利和不利方面進行了討論和總結(jié)。 文獻[15]無線網(wǎng)絡安全通信的一種方法，武漢理工大學學報（信息與管理工程版）， 2004，（06）。 文獻[17]NISA100.11a Stack，http:// 。NIVIS公司開發(fā)了一套NISA100.11a Stack協(xié)議棧。 文獻[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） 本項目查新結(jié)論如下： （一）據(jù)檢索結(jié)果表明，國外NIVIS公司編寫了一套NISA100.11a Stack協(xié)議棧（文獻[17]）。除文獻[17]外，未見其他編寫ISA100.11a協(xié)議棧的報道。 （二）國外文獻[20] 報道了無線傳感器網(wǎng)絡確定性調(diào)度算法，該算法也是基于TDMA的。而本查新項目是基于工業(yè)無線網(wǎng)絡的確定性調(diào)度算法。 （三）在國內(nèi)文獻中，未見工業(yè)無線網(wǎng)絡的自適應跳信道技術的報道。 （四）文獻[12] 對無線網(wǎng)絡路由算法進行了研究。但在國內(nèi)文獻中，未見工業(yè)無線網(wǎng)絡的路由技術； （五）文獻[15]提出基于VPN的隧道協(xié)議(IPSec)在移動IP上實現(xiàn)安全通信的原理和方法，但在國內(nèi)文獻中未見工業(yè)無線網(wǎng)絡的安全通信的報道。
