WIA-PA工业无线技术解析

工业无线自动化：OWIA‐PA 概述与演进

1. 引言

工业自动化始终是工业市场非常关注和需要的领域，以改进工艺流程。在这方面，该领域的技术经常成为研究对象，旨在实现流程简化的同时提高相关工艺的性能水平。传统的现场总线自动化系统由于安装或扩展这些系统所需的大量电缆，导致工艺实施及其基础设施更加复杂（Zhong et al., 2010）。因此，许多系统被开发出来，旨在提高现场总线系统的可靠性和安全性，同时寻求方法以最小化或消除电缆的使用，从而优先采用无线系统。由此，工业无线传感器网络（IWSN）应运而生，该技术被用作有线系统的替代方案。其目标是实现工业设备之间的直接通信，形成自治网络，并尽可能减少与传统电缆系统的交互（P. Wang et al., 2016）。

为了应对这一问题，开始测试多种无线系统，以验证它们是否能够满足工业需求。已对IEEE 802.11、ZigBee和蓝牙等广为人知的无线协议进行了测试。然而，这些系统本身无法满足工业及工艺流程的需求，因此有必要开发新的通信协议，以在工业环境中提供与有线系统相同的可靠性和安全性，从而使它们在工业环境中具有可行性（P. Wang et al., 2016；焦和杨，2017）。

特别是在21世纪初，一些研究开始关注使用专有协议甚至硬件来提供工业无线系统所需的可靠性与安全性。2007年，中国工业无线联盟（CIWA）提出了一种基于IEEE 802.15.4协议栈的通信协议——工业自动化过程自动化无线网络（WIA‐PA），该协议在中国迅速占据较大份额。2011年，它获得了一项标准作为基础，即IEC‐62601，从而开始在全球范围扩展（焦和杨，2017）。在此之前，Wireless HART已推出，并成为市场上应用最广泛的工业无线传感器网络（IWSN），有多家厂商推广其应用（王和江，2016）。

本文对WIA‐PA协议进行了概述，解释了该协议的工作原理，展示了一些商用设备并说明了其机制。在澄清该技术的同时，文章还试图分析该协议的研究现状，通过考察相关研究工作来评估该协议在当前工业环境中的适用性。

本文结构如下：第2节描述WIA‐PA协议，包括其结构、特性和功能；第3节根据制造商规格描述WIA‐PA网络的一些设备；第4节描述协议技术的研究及其优缺点；第5节描述在协议研究和本文撰写过程中获得的结论。

2. WIA‐PA 描述

图1展示了一个WIA‐PA网络。可以观察到网络中各设备之间的布局，从而查看每种设备用于通信的网络结构类型。WIA‐PA网络主要由五种设备组成：主机、网关、路由器、现场设备和手持设备。主机提供用户与网络之间的交互功能。网关是一种允许不同通信模式之间进行交互的设备，例如可将WIA‐PA协议数据转换为以太网数据。为了实现网络中各网关之间的消息交换，网络必须具备路由器来执行此功能。最后，在WIA‐PA网络中还有现场设备，这些设备实际上是自动化系统设备，包括传感器和执行器，它们与网络进行交互，以及允许远程访问的 handheld 设备。

在网络中，所有WIA‐PA网络都有可能配备冗余的网关和路由器，以在主设备发生故障时提高系统的可靠性和安全（张和刘，2009；东风和艳群，2010）。

在WIA‐PA通信中，网络设备之间的交互形成两种类型的拓扑结构。路由器之间的通信采用网状拓扑，而现场设备与路由器之间的通信则采用星型拓扑。因此，每个路由器都类似于一个簇的主设备，以提供更优的通信。WIA‐PA网络通常支持星型‐网状或簇‐网状拓扑。这种混合网络是系统的一种通信方式，可提供设备之间更好的交互（孟和杜，2011）。

WIA‐PA系统的网关负责制定所有网络规则。这些规则包括网络安全和网络管理。网络安全规则负责为新设备配置安全密钥，执行设备间交互的检查，分析传输的消息。网络管理规则是系统的主要规则。它监控设备上的所有设置，从调度表到通信信道（王和赵，2016；Zheng et al.，2017）。

基于OSI模型的系统，WIA‐PA的协议栈如图2所示。物理层使用由IEEE 802.15.4标准化的无线电设备，并提供14个可用信道。链路层同样基于IEEE 802.15.4，但具有一些附加功能，例如自适应跳频（AFH），旨在最小化系统中的外部干扰。网络层负责寻址、路由和数据包管理。传输层以用户数据报协议（UDP）作为工作基础。此外，应用层遵循设备和服务的映射方向，目的在于最终，应用层负责使协议与传统的WIA‐PA技术兼容（王、威和王，2016）。

为了确保网络中各设备之间通信的可靠性以及它们之间的同步，WIA‐PA协议采用了与IEEE 802.15.4标准兼容的超帧结构，如图3所示（H. Wang et al., 2016；王和江，2016）。

通过网关设备定期发送的信标帧中的消息，现场设备监控可用信道。竞争访问期（CAP）用于检查和管理所有设备。无竞争期（CFP）用于移动现场设备之间的通信。非活动期用于子网之间的通信以及每个子网络内部的通信，也可用作协议本身的非活动期。超帧的总持续时间定义为32个网络通信时基时隙（魏和金，2012；H. Wang et al., 2016）。

利用混合拓扑和超帧，系统管理器可以对整个网络的通信资源进行统一管理，即根据网络拓扑和设备通信的需求将资源分配给各个设备。此后，网络设备将在上层结构中的特定时间间隔和信道进行通信（魏和金，2012；王和江，2016）。

层	参数	无线HART	ISA100.11a	WIA‐PA
PHY	频道数	15 (2.4 GHz 频段)	16 (2.4 GHz 频段)	16 (2.4 GHz 频段)
MAC/DLL	信标	No	No	Yes
	超帧结构	时隙集合	时隙集合	IEEE 802.15.4 超帧
	跳频	时隙跳频	时隙/慢速/混合跳频	分时/自适应跳频
	时隙持续时间	10毫秒	灵活且可配置	可配置
	时间标准	UTC	TAI	可选协调世界时
DLL/网络	路由	超帧图/形源路由	超帧图/形源路由	静态路由
NET	网络拓扑	星型, 网状	星型, 网状	网状 + 星型
APP	原生应用程序层	HART	ISA 100.11a	Profibus/FF/HART
SYS	Time 同步机制	广告 + 成对通信	广告/成对通信	信标帧；时间同步帧
	设备的路由能力	所有设备都可以运行作为路由器	非路由现场设备是允许的	无现场设备路由能力

表1展示了某些IWSN标准中可用的一些特性。考虑到无线工业自动化领域中使用最多的两种协议，WirelessHART和ISA100.11a，并将其与WIA‐PA进行比较。这三种标准的主要区别在于它们的超帧结构和网络拓扑（王和江，2016；王和赵，2016）。

3. WIA‐PA网络设备

如前所述，WIA‐PA传感器网络基于IEEE 802.15.4标准，因此所有无线电设备必须统一标准化，才能实现它们之间的通信。因此，制造商必须制定必要的通信规范。（孟和杜，2011；P. Wang 等，2016）

从这个意义上说，沈阳中科艾尔威科技有限公司于2013年成立，由艾尔威通信有限公司和中国科学院沈阳自动化研究所共同组建，该公司作为路由器、网关和中继器等设备的制造商。图4显示了一款无线中继器，以满足WIA‐PA技术标准（Shenyang Keaowei Limited by Share Ltd，2018年）。

3. WIA‐PA网络设备（续）

除了网络管理设备外，沈阳中科奥维科技股份有限公司还生产便携式设备和现场设备，例如图5所示的无线压力变送器。这些设备用于监控工业过程（Shenyang Keaowei Limited by Share Ltd，2018年）。

即使设备符合标准，仍可能需要将来自旧现场总线系统或其他标准的现有现场设备改造为WIA‐PA版本。通过这种方式，可以使用无线适配器将不兼容传感器的信号转换为与协议兼容的信号。该适配器包含一个标准化无线电，由天线、滤波电路、信号调理电路、收发器、微控制器以及带有UART、SPI和I2C等协议的接口电路组成。该适配器的框图如图6所示（史杰、志俊和鹏，2015年）。

适配器中的微控制器通过为射频通信创建协议单元，执行现场设备数据输入与收发器之间的整个通信接口，并监控信号调节器和适配器，完成所有必要的管理。

WIA‐PA协议的适配器如图7所示（史杰、志俊和鹏，2015年）。

WIA‐PA协议的另一种电路适配形式是无线透明传输模块。该模块如图8所示，能够完美适配现场设备的外围电路，包括该设备的电源和通信（史杰、志俊和鹏，2015年）。

4. WIA‐PA最新研究现状

正如本文已提到的，WIA‐PA系统自2007年起由中国工业无线联盟开始开发。随着新工业系统所提出概念的逐步成熟，许多工作相继展开，旨在对该系统进行多项测试，例如：在特定情况下对设备冗余进行测试以验证系统的有效性（张和刘，2009），以及用于实现该冗余功能的算法（Zeng et al., 2010）。

该技术的进步推动了与其他现有系统交互的相关研究，例如关于开发网关以将基金会现场总线系统转换为新的WIA‐PA无线系统的研究（Zhong et al., 2010）。

WIA‐PA系统已取得先进技术进展，且该技术的相关设备已开始申请专利，例如支持WIA‐PA的2.4 GHz无线通信模块专利。该无线通信模块包括一个发射模块和一个接收模块（Kunzhi et al., 2015）。

演进过程的延续为原本仅用于过程自动化的协议增加了一个新系统，从而衍生出面向工厂自动化的版本WIA‐FA，并且该版本随后获得了IEC 62948标准的适配。尽管这两个系统的设备在中国以外地区较难采购，但WIA‐FA系统已被证明是一种高度面向工业的无线系统，具有快速的现场设备，并采用与WIA‐PA相同的通信拓扑结构。WIA‐FA系统已与互联网上的实时通信系统（如PROFIBUS‐DP系统）进行了测试。在这些测试中，WIA‐FA验证了开发者的初衷，提供了一个兼容工厂自动化的系统，能够以令人满意的响应时间满足实时要求（Zhong et al., 2015）。

关于该技术的最新研究提出了一些方案，例如在WIA‐PA网络上使用IPv6协议。该方案基于WIA‐PA系统的现有无线网络，解决IPv6协议的数据传输问题。为此，该研究提出了构建IPv6协议栈，并根据系统可用性发送数据包，优先考虑工业系统。该研究表明，这种适配是可行的，因此在现有的WIA‐PA网络上传输IPv6协议是兼容的，前提是这些数据包得到适当控制（王、威和王，2016）。

然而，一些研究涉及WIA‐PA系统仍然存在的问题。WIA‐PA面临的问题之一源于其混合拓扑结构。这种拓扑结构可能导致协议中的时序问题。由于其架构特点，其他技术中使用的传统时间调度算法不适用于WIA‐PA。因此，已有许多研究试图为WIA‐PA系统提供更优的通信时序结构（Zheng et al., 2017）。

另一个仍然影响WIA‐PA协议使用的问题是数据聚合。该系统采用大量数据集中方式，利用超帧将数据传输到网络中的所有设备。尽管这种周期性的数据聚合降低了自主传感器的功耗，但由于每个数据包携带的信息量较大，以及整个网络完成一次操作所需的时间较长，导致数据包间延迟较大。这与实时性要求相矛盾，因为许多工业应用需要严格的时序通信，而WIA‐PA协议在服务这些特定场景时可能存在困难（Zheng et al., 2017）。

阻碍该系统在国际市场推广的另一个因素是自适应跳频（AFH）。如前所述，WIA‐PA采用跳频技术以提高通信性能，并增强对外部干扰的安全性。尽管自适应算法在应对外部干扰方面表现良好，因为外部信道通常是固定的，但这种技术类型可能存在内部干扰问题，即同一网络内节点之间或相邻WIA‐PA系统之间的干扰。这是因为每个节点在切换通信信道时，系统的内部干扰也随之变化，但这种变化无法预测。也就是说，WIA‐PA无法保证其他节点不再使用该信道进行通信，从而导致网络出现问题。这迫使节点持续扫描空闲信道，造成系统过载和功耗增加，对系统产生不利影响（Zheng et al., 2017）。为了减少因频率跳变引起的数据丢失，已有相关研究针对每次频率跳变采用不同的算法。也就是说，根据系统中干扰的程度，算法会计算跳变方式，可以是单跳、顺序跳变、基于簇的关系，甚至评估网络中的所有信道以验证最佳跳变信道假设（H. Wang et al., 2016）。

5. 结论

本文对WIA‐PA系统的运行及其典型的网络拓扑进行了探讨。此外，还讨论了用于将其他系统适配到WIA‐PA的一些网络结构设备。最后，简要回顾了该系统的一些研究趋势，以及WIA‐PA系统尚未像其竞争对手那样在全球广泛普及的主要原因。

考虑到本文提供的数据，可以得出结论：WIA‐PA系统仍是一项有待进一步探索和评估的技术。尽管该系统已被研究了相当长的时间，并且已有针对过程自动化系统的标准（IEC‐62601）适应版本以及针对工厂自动化系统的标准（IEC‐62948）适应版本，但由于所采用的技术原因，该系统仍然存在一些问题。

尽管已开展了大量研究，且本文引用了其中一些研究，但WIA‐PA技术仍需进一步研究以提升其在工业中的应用，从而打破障碍，最终迈向全球应用格局。

在今后的工作中，可以对协议中超帧之间的延迟周期进行重新调整，以尝试减少等待时间，同时仍保持自主设备的省电系统。此外，还可以研究用于预测频率跳变的算法，以更好地应对外部干扰，同时进一步最小化该技术带来的内部干扰问题。