基本信息
- 项目名称：
- ISA100工业无线协议栈的研发及应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品根据国际工业无线标准ISA100.11a草案，研发了ISA100工业无线通信协议栈，并突破了标准中的各项技术壁垒，形成了多项具有自主知识产权的关键技术解决方案。同时以所开发的协议栈为核心，研发了路由器、网关等一系列ISA100网络设备，并开发了多种应用设备和组态、系统管理等软件，形成一套完整的ISA100网络应用验证系统，以解决无线通信技术在工控领域中应用的确定性、共存性、可靠性、安全性等关键技术瓶颈问题，为推动无线通信技术在工业中的应用和发展贡献自己的力量。
- 详细介绍：
- 工业无线通信是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术。然而，现有的短距离无线通信技术在设计时并没有考虑到工业无线网络数据通信的特点。因此，鉴于无线通信技术在工控领域应用的需要， 我们研究开发了符合ISA100.11a国际标准的工业无线通信协议栈软件、网络设备、应用设备以及组态软件。 针对ISA100网络与其他短距离无线网络的共存性问题、无线通信的可靠性和确定性问题，本作品提出并实现了自主的抗干扰解决机制、时间同步方案、确定性调度算法、DL子网路由算法和安全机制。抗干扰解决机制采用了慢跳、快跳、混合跳三种不同的跳频方式，实现了自适应跳信道。时间同步方案是在组网时采用广播帧分别在骨干网和DL子网实现分级同步，在形成网络后用确认帧维持网络时间同步。确定性调度是在精确时间同步的基础上结合跳信道技术，通过对超帧、时隙和信道等网络资源的统一调度实现的。DL子网路由算法是根据设备收集到的链路质量报告，同时结合确定性调度算法与ISA100网络多超帧结构计算出的传输延时，做出最优路径与冗余路径选择。安全管理机制结合ISA100.11a规范，构建安全管理体系，设计安全通信协议栈，充分利用基于AES加密算法的CCM*模式，实现数据链路点到点和传输端到端的数据安全保护和相关安全服务。 此外，本作品以所开发的ISA100工业无线协议栈为核心，还成功研制一系列ISA100网络设备，包括普通节点、路由器、网关等，并研发了一批ISA100工业无线应用设备，如：一氧化碳传感器，瓦斯传感器，烟雾传感器，粉尘传感器，压力变送器，阀门定位器，电动执行器等，同时自主开发了组态和系统管理软件，形成了一套完整的ISA100应用验证系统。这些设备、软件和系统均属国内首次开发。该系统运行稳定可靠，为下一步的产品化和规模化应用奠定了良好的基础。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、设计目的： 研发ISA100工业无线通信协议栈，攻克标准中的各项技术壁垒，形成具有自主知识产权的多项关键技术解决方案；在此基础上，研发路由器、网关等ISA100网络设备，并开发各种无线应用设备及系统管理和组态软件，形成一套完整的ISA100网络实用验证系统，以解决无线通信技术在工控领域中应用的一些关键技术瓶颈问题。 2、基本思路： 先实现ISA100.11a协议栈，提出关键技术解决方案，然后研制ISA100无线网络设备、典型应用设备、系统管理软件、组态软件等。 3、创新点： (1)本作品是国内首套、全球第二套完整支持ISA100.11a国际工业无线标准的协议栈。对标准的可用性进行了验证，获得ISA100标准委员会的高度肯定；同时作为ISA100认证组织WCI所认可的规范协议栈，将用于对ISA100认证产品的测试工作。 (2)本作品针对ISA100标准中的各项技术壁垒，在自适应抗干扰、确定性调度等五项关键技术上形成了具有自主知识产权的解决方案，突破了国外公司的专利封锁。 (3)本作品所开发的ISA100.11a网络设备、应用设备、组态和系统管理软件等均属国内首次研制成功，这套完整的ISA100.11a应用验证系统运行稳定可靠，为下一步的产品化和规模化应用奠定了很好的基础。 4、技术关键： (1)确定性调度；(2)精确时间同步；(3)自适应跳信道技术；(4)路由技术；(5)安全通信。 5、技术指标： ISA100协议栈软件和各类设备的技术指标见论文。
科学性、先进性
- 1、ISA100.11a标准自身与ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等无线技术和工业现场应用的各种有线技术相比都具有很大的优越性。 2、本作品是严格按照ISA100.11a协议的标准草案，针对协议提出的多项技术需求，我们设计了具有自主知识产权的实现方案。这些技术方案在国内处于领先位置。例如精确时间同步技术能够完全满足工业现场对实时性的要求，冗余路由技术保证了系统可靠性等。 3、本作品在开发协议栈的基础上，还开发了ISA100系列产品。这些产品集成了智能网络平台和工业主导的高可靠、低功耗的工业无线网络ISA100技术，已经被验证适用于工厂恶劣环境的高可靠无线通信中。 4、本作品还开发了能够应用于多种场合的仪器仪表和传感器设备，如温湿度传感器、CO传感器、瓦斯传感器、烟雾传感器、粉尘传感器等，从而可适用于工业现场需要监控的各个领域，如机械制造、电力、石油化工、冶金、纺织/化纤、塑胶、建材、汽车等领域。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月，获得第十一届“挑战杯”竞赛重庆赛区特等奖。 2009年5月，在日本京都举办的ISA100委员会全体会议上进行了现场展示，受到与会委员的高度评价。 2009年3月，小组成员收到ISA的标准一致性测试分支机构（ASCI）的邀请，参与ISA100.11a标准测试与认证工作。 2008年11月，在第十九届多国仪器仪表学术会议暨展览会进行了现场展示，受到国内外同行的高度重视。 2008年10月，在美国休斯顿举办的ISA EXPO（自动化与控制技术全球博览会）上作为ISA100委员会的推荐展品向全球厂商和机构进行展示，受到广泛关注。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、使用说明： (1)协议栈软件：使用编译软件打开本协议栈，跟据需要下载到CC2430模块中。(2)ISA100应用设备（以无线压力变送器为例）：安装在现场采集现场压力数据，通过ISA100网络传到上位机。 2、技术特点和优势： (1)支持图路由和源路由两种路由方式。(2)支持多超帧管理方式。(3)路由和网关都支持系统管理和安全管理功能。(4)支持多种类型的仪器仪表。(5)支持与工业以太网互联。 3、适用范围及推广前景： ISA100网络适用于恶劣且对节能要求高的工业控制与工厂自动化过程控制领域。通过使用ISA100网络，用户可以降低成本、提高产品质量。因此本作品具有广泛的适用范围和推广前景。 4、市场分析和经济效益： 目前全球工业无线通信市场规模已经超过13亿美元，并在未来的几年中持续保持15%左右的年增长水平。本作品已经被初步验证能够适用于工厂的恶劣环境，实现高可靠通信，具有极其良好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 我们委托教育部科技查新工作站针对本作品的技术要点，对该项目进行了近25-30年的国内外文献检索。 部分分析结果如下： 文献[12]对无线网络路由算法的研究，科技资讯，2008，（26）。中国地质大学（武汉）信息工程学院的李游等人对无线传感器网络进行简要介绍,并分析和比较了一些代表性的路由算法,对各种路由算法的有利和不利方面进行了讨论和总结。 文献[15]无线网络安全通信的一种方法，武汉理工大学学报（信息与管理工程版）， 2004，（06）。 文献[17]NISA100.11a Stack，http:// 。NIVIS公司开发了一套NISA100.11a Stack协议栈。 文献[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） 本项目查新结论如下： （一）据检索结果表明，国外NIVIS公司编写了一套NISA100.11a Stack协议栈（文献[17]）。除文献[17]外，未见其他编写ISA100.11a协议栈的报道。 （二）国外文献[20] 报道了无线传感器网络确定性调度算法，该算法也是基于TDMA的。而本查新项目是基于工业无线网络的确定性调度算法。 （三）在国内文献中，未见工业无线网络的自适应跳信道技术的报道。 （四）文献[12] 对无线网络路由算法进行了研究。但在国内文献中，未见工业无线网络的路由技术； （五）文献[15]提出基于VPN的隧道协议(IPSec)在移动IP上实现安全通信的原理和方法，但在国内文献中未见工业无线网络的安全通信的报道。
