以工业无线技术为代表的工业物联网技术是物联网领域最活跃的主流发展方向。工业物联网技术与应用主要介绍了工业物联网技术与三大工业无线标准的发展历程，探讨了工业无线技术的融合趋势与Heathrow 融合标准；以作者的科研成果为基础，重点介绍了精确时间同步、确定性调度、自适应跳信道、通信链路冗余、轻量级加密等关键技术与实现方法；在叙述IEEE 802.15.4 协议簇标准和物理层、MAC 层的相关技术基础上，介绍了无线HART、WIA-PA、ISA 100.11a 三大标准体系的协议栈、关键模块、典型产品的开发技术与测控系统的开发实例；同时，结合全球首款工业物联网核心芯片——“渝芯一号”，介绍了工业物联网芯片设计方法、开发技术、开发平台和产品开发案例。
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《工业物联网技术及应用》主要面向物联网及自动控制领域从事科学研究、产品开发与工程应用的科研人员、工程技术人员，也可作为自动化、物联网、计算机、通信、测控、电气等专业高年级本科生和研究生的教学用书。
目录
前言
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 工业物联网发展历程 1
1.3 工业物联网标准的发展 3
1.4 工业物联网的发展趋势 6
第2章 工业物联网关键技术 9
2.1 工业物联网关键技术分析 9
2.2 工业无线网络的精确时间同步方法 11
2.3 工业无线网络的确定性调度机制 17
2.4 基于确定性调度的工业无线网络Mesh路由 27
2.5 基于时隙通信的自适应跳信道方法 33
2.6 工业无线网络的冗余路径建立方法 40
2.7 基于轻量级加密算法的安全通信方法 47
第3章 IEEE 802.15.4系列标准 58
3.1 引言 58
3.2 IEEE 802.15.4-2006标准 59
3.2.1 IEEE 802.15.4网络拓扑结构 59
3.2.2 IEEE 802.15.4报文格式 61
3.2.3 IEEE 802.15.4网络形成与维护 62
3.2.4 IEEE 802.15.4标准的介质访问控制 65
3.3 IEEE 802.15.4MAC协议 69
3.3.1 MAC层管理服务 69
3.3.2 MAC层数据服务 79
3.4 IEEE 802.15.4物理层协议 79
3.4.1 物理层管理服务 80
3.4.2 物理层数据服务 81
3.5 IEEE 802.15.4协议簇 82
3.5.1 IEEE 802.15.4a标准 82
3.5.2 IEEE 802.15.4b标准 84
3.5.3 IEEE 802.15.4c标准 85
3.5.4 IEEE 802.15.4d标准 87
3.5.5 IEEE 802.15.4e标准 88
3.5.6 IEEE 802.15.4f标准 105
3.5.7 IEEE 802.15.4g标准 106
3.5.8 IEEE 802.15.4k标准 115
第4章 WIA-PA技术 117
4.1 WIA-PA标准的发展 117
4.1.1 WIA-PA标准概述 117
4.1.2 WIA-PA的技术特征 118
4.2 WIA-PA网络构成 119
4.2.1 WIA-PA网络的拓扑结构 119
4.2.2 WIA-PA的设备分类与功能 120
4.3 WIA-PA协议体系 120
4.4 WIA-PA协议栈的设计 123
4.4.1 WIA-PA协议栈总体设计 123
4.4.2 WIA-PA数据结构设计与实现 125
4.4.3 WIA-PA主要流程及接口设计与实现 126
4.4.4 WIA-PA协议栈的实现 130
4.5 WIA-PA开发实例 157
4.5.1 WIA-PA开发平台 157
4.5.2 WIA-PA通信模块开发 165
4.5.3 WIA-PA路由设备 172
4.5.4 WIA-PA网关设备 179
4.5.5 WIA-PA手持设备 192
4.5.6 WIA-PA现场设备 200
4.6 WIA-PA测控系统开发 206
4.6.1 WIA-PA测控系统设计 206
4.6.2 WIA-PA测控系统实例 208
第5章 ISA100技术 214
5.1 ISA100的发展 214
5.1.1 ISA简介 214
5.1.2 ISA100简介 214
5.1.3 ISAlOO.11a工作组 217
5.2 ISAlOO.11a网络结构 218
5.2.1 ISAlOO.11a网络拓扑 218
5.2.2 ISAlOO.11a的设备类型与逻辑角色 220
5.2.3 ISAlOO.11a的设备状态 221
5.3 ISAlOO.11a协议栈开发 223
5.3.1 ISAlOO.11a协议体系 223
5.3.2 ISAlOO.11a协议栈状态机 225
5.3.3 数据服务流程 227
5.4 ISAlOO.11a各层详细设计与实现 229
5.4.1 数据链路层的设计与实现 229
5.4.2 网络层的设计与实现 251
5.4.3 传输层的设计与实现 264
5.4.4 应用层的设计与实现 266
5.5 ISAlOO.11a协议栈系统管理 275
5.5.1 设备管理应用进程定义的对象 275
5.5.2 系统管理应用进程定义的对象 275
5.5.3 安全管理信息库 279
5.6 协议栈预配置 280
5.6.1 预配置网络 280
5.6.2 状态转移图 282
5.6.3 预配置时设备管理应用协议对象 283
5.7 ISAlOO.11a产品开发实例 285
5.7.1 ISAlOO.11a设备开发平台 285
5.7.2 ISAlOO.11a通信模块的开发 293
5.7.3 ISAlOO.11a路由设备 296
5.7.4 ISAlOO.11a网关设备 298
5.7.5 ISAlOO.11a无线烟雾浓度传感器节点 301
5.7.6 ISAlOO.11a无线压力变送器 306
5.8 ISAlOO.11a系统开发案例 307
5.8.1 ISAlOO.11a系统验证平台 307
5.8.2 ISAlOO.11a测控系统实例 309
第6章 无线HART技术 317
6.1 无线HART标准 317
6.2 无线HART协议栈体系结构 320
6.3 物理层 325
6.4 数据链路层 328
6.4.1 数据链路层的层次模型 328
6.4.2 逻辑链路控制子层 331
6.4.3 错误检测和安全 338
6.5 介质访问控制子层 338
6.5.1 时隙通信 339
6.5.2 通信表和缓冲区 341
6.5.3 链路调度 346
6.5.4 MAC层操作 349
6.6 网络层 357
6.6.1 路由功能 357
6.6.2 NPDU结构 360
6.6.3 安全功能 362
6.6.4 网络层列表 366
6.6.5 NLE状态机 369
6.6.6 网络层管理信息 371
6.7 传输层 372
6.7.1 传输层数据单元结构 372
6.7.2 传输通道表 373
6.7.3 TLE状态机 374
6.8 应用层 378
6.8.1 应用层接口 378
6.8.2 动态和设备变量 382
6.8.3 主机4致性分类 382
6.9 无线HART系统应用案例 383
6.9.1 基于无线HART的控制应用 383
6.9.2 基于无线HART网络的流程工业控制 388
第7章 工业无线通信核心芯片 393
7.1 工业物联网核心芯片设计 393
7.1.1 工业物联网核心芯片总体方案设计 393
7.1.2 基于时隙方式的D11处理单元设计 394
7.1.3 芯片主要单元设计 397
7.1.4 芯片硬件时间同步设计 400
7.1.5 芯片硬件超帧调度设计 403
7.1.6 芯片硬件安全引擎设计 407
7.2 工业物联网核心芯片UZ/CY2420 408
7.2.1 芯片特性 408
7.2.2 芯片引脚配置 409
7.2.3 芯片封装规格 412
7.3 基于UZ/CY2420的工业物联网产品开发平台 413
7.3.1 开发平台硬件组成 413
7.3.2 开发平台软件组件 415
7.4 基于UZ/CY2420的工业物联网产品开发案例 417
7.4.1 基于UZ/CY2420的通信模块开发 417
7.4.2 基于UZ/CY2420的温湿度传感器的开发 418
7.4.3 基于UZ/CY2420的压力变送器的开发 420
7.4.4 基于UZ/CY2420的测控系统开发 423
第 1章概述
1.1 引言
网络改变着人类的生产和生活方式。欧盟对物联网的定义指出：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。中国工程院院士邬贺铨指出了物联网具备的三大特征：联网的每一个物件均可寻址；联网的每一个物件均可通信；联网的每一个物件均可控制。
通过物联网技术“泛在感知”工业全流程、实施优化控制，已经成为企业提高设备可靠性和产品质量、降低人工成本与减少生产消耗、增强核心竞争力的主要手段。以工业无线为代表的工业物联网技术（本书在后面的论述中将不加区分地使用工业无线和工业物联网两个概念）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、实现工业化与信息化深度融合的最佳技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。美国能源部（Department of Energy，DOE）在 2004年发布的“未来工业计划（ Industries of the Future，IOF）”中指出：这种基于工业无线技术的新型测控模式是实现“到 2020年美国工业整体能耗降低 5%”目标的主要手段。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》中也指出：工业无线技术的应用将使工业生产效率提高 10%，并使排放和污染降低 25%。随后，工业无线技术成为工业界研究的热点，被称为工业控制领域的革命性技术。
1.2 工业物联网发展历程
当前，国际上工业技术的发展趋势是网络化和智能化。网络化是适应工业现场仪表和控制设备不断增加、测控系统规模不断扩大的要求，将工业现场需要交互信息的单元组织成高效的通信系统；智能化是适应降低使用和维护成本、提高系统可靠性和易用性的要求，使测控系统具备自配置、自适应、自修复能力。因此，具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、适应恶劣环境的移动通信等融入工业生产的各个环节，是工业技术向网络化、智能化方向发展的必然结果。
工业物联网作为一种在实时性与确定性、可靠性与环境适应性、互操作性与安全性、移动性与组网灵活性等方面满足工业自动化应用需求的无线通信技术，它为现场仪表、控制设备和操作人员间的信息交互提供了一种低成本的有效手段。
在计算机、通信、网络和嵌入式技术发展的推动下，经过几个阶段的发展，工业物联网技术正在逐渐成熟并被广泛应用。
第一阶段，20世纪 60～70年代模拟仪表控制系统占主导地位，现场仪表之间使用二线制的4～20mA电流和1～5V电压标准的模拟信号通信, 只是初步实现了信息的单向传递，其缺点是布线复杂、抗干扰性差。虽然目前仍有应用，但随着技术的进步，最终将被淘汰。
第二阶段，集散控制系统（ Distributed Control System，DCS）于 20世纪 80～ 90年代占主导地位，实现分布式控制，各上下机之间通过控制网络互连实现相互之间的信息传递。现场控制站间的通信是数字化的，数据通信标准 RS-232、RS-485等被广泛应用，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。
第三阶段，现场总线控制系统（ Fieldbus Control System，FCS）在 21世纪初占主导地位，FCS采用全数字、开放式的双向通信网络将现场各控制器与仪表设备互连，将控制功能彻底下放到现场，进一步提高了系统的可靠性和易用性。同时，随着以太网技术的迅速发展和广泛应用，FCS已从信息层渗透到控制层和设备层，工业以太网已经成为现场总线控制网络的重要成员，逐步向现场层延伸。
第四阶段，随着组网灵活、扩展方便、使用简单的工业无线通信技术的出现，智能终端、泛在计算、移动互连等技术被应用到工业生产的各个环节，实现了对工业生产实施全流程的“泛在感知”和优化控制，为提高设备可靠性与产品质量、降低生产与人工成本、节能降耗、建设资源节约与环境友好型社会、促进产业结构调整与产品优化升级等提供了有效手段。
随着测控系统规模的不断扩大，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展的迫切要求。据美国市场研究机构 Freedonia统计， 2001年全球工业用传感器的市场份额是 110亿美元，而安装和使用成本（主要是布线成本）超过 1000亿美元，成为阻碍工业通信技术发展的主要难题。在这一背景下，无线通信技术安装和维护成本低的特征引起了人们的广泛关注。2003年美国能源部组织研究机构，对在工业现场环境下利用低成本无线网络技术实现高效数据采集的可行性及其对工业控制领域的影响进行了深入的分析。2004年由美国能源部发起 GE、Honeywell、 RAE等 70多家大公司参与成立了无线工业控制网络联盟（ Wireless Industrial Networking Alliance，WINA），该联盟专门讨论无线技术在工业控制领域的应用问题。同年，美国工业技术计划在传感器和自动化方向设立了 4个重点项目，分别推进无线网络技术在电解铝、采矿、化工、玻璃、钢铁等行业的应用。在这些项目的支持下，GE、Honeywell、Emerson、Eaton等工业自动化领域的著名公司针
对无线网络技术在工业现场环境下使用面临的问题开展了研究。同时， Accutech、
SIEMENS、Ember和 Crossbow等公司也利用自有技术开发面向工业数据采集应
用的无线通信模块和无线仪表来满足市场的需求。
与此同时，国内的重庆邮电大学、中国科学院沈阳自动化研究所、浙江大学
等单位也相继开展了工业无线技术的研究，我国工业物联网技术与标准的研究始
终与国际同步，并正在形成自己的核心技术专利群。特别是重庆邮电大学联合达
盛电子股份有限公司（中国台湾）推出了全球首款工业物联网核心芯片——渝芯
一号（UZ/CY2420），创新性的数据链接库（ Data Link Layer，DLL）处理单元设
计首次通过芯片实现了超帧调度引擎、精确时间同步、跳信道机制和时隙通信等
功能，为 ISA（International Society of Automation）100.11a（国际仪器仪表协会）、
WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation）（中国
WIA-PA联盟）和无线 HART（Highway Addressable Remote Transducer）（HART
基金会）标准的数据链路层核心技术提供硬件直接支持，具有低功耗、低成本、
微型化、高可靠性的优势。
工业物联网技术是工业化与信息化深度融合的强大推手，将有效地提高智能
化和大规模定制化生产能力，促进生产型制造向服务型制造转变，无论生产过程
控制、故障诊断还是节能减排、提高效率、降低成本、增加产品附加值都会带来
新的发展机遇，从而必将引发工业行业的一场新技术革命。
1.3 工业物联网标准的发展
自 2004年美国能源部成立 WINA以来，工业物联网领域形成了 ISA100.11a、无线 HART、WIA-PA三大主流国际标准共存的局面，三个标准皆引用 IEEE
802.15.4作为物理层和媒体访问控制（ Media Access Control，MAC）层标准。
（1）无线 HART标准是 HART通信协议的扩展，专为工业环境中的过程监视和控制等应用所设计，是第一个过程自动化领域的工业无线网络国际标准。 2007年 6月，HART通信基金会批准无线 HART标准成为 HART通信协议族的组成部分，并于 2008年 1月正式发布了包含无线 HART的 HART 7技术规范。 2008年 7月 18日，瑞士国家委员会向 IEC/SC65C提交了无线 HART的 NP
（New Proposal）和 PAS（Public Available Specification）文件。 2008年 9月，无线 HART通过 PAS投票，成为 IEC/PAS 62591 Ed.1。 2008年10月，无线 HART通过 NP投票，成立 IEC/SC65C/WG16无线工作组。 2009年 2～4月，无线 HART CD（Committee Draft）阶段。 2009年 6～11月，无线 HART CDV（Committee Draft for Vote）投票。
2010年 1～3月，FDIS（Final Draft International Standard）投票通过成为 IEC 62591。
国际电工委员会于 2010年 4月正式发布 HART Wireless Devices Specification的1.0版本为 IEC 62591，这是第一个过程自动化领域的无线传感器网络国际标准。
（2）WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）是我国拥有自主知识产权的工业无线标准，国家标准和国际标准制定工作同步进行，WIA-PA国际标准的正式发布标志着我国在工业物联网技术领域与世界同步。
2006～2008年，WIA-PA标准工作组确立了具有我国自主知识产权工业无线网络 WIA标准体系。
2008年 8月，工作组完成了《工业无线网络 WIA规范第 1部分：用于过程自动化的 WIA系统结构与通信规范（征求意见稿）》的制定，并通过中国国家标准化管理委员会向 IEC/SC65C提交了 WIA-PA的 PAS文件。
2008年 10月，WIA-PA以 96%的得票率成为 IEC/PAS 62601，成为国际上与无线 HART被同时承认的两个国际标准化文件之一。
2009年 7月，中国向 IEC/SC65C提交的 WIA-PA的 NP文件以 100%的得票率通过 65C/533/NP投票，德国、法国、美国、日本、瑞典都指派专家参加 WIA-PA国际标准起草项目组。
2009年 9月，《工业无线网络 WIA规范第 1部分：用于过程自动化的 WIA系统结构与通信规范（送审稿）》通过 SAC/TC124和 SAC/TC124/SC4的投票。
2011年 7月，国家标准化委员会正式批复《工业无线网络 WIA规范第 1部分：用于过程自动化的 WIA系统结构与通信规范》成为 GB/T 26790.1—2011。
2011年 10月，Industrial Communication Networks-Fieldbus Specification-WIA-PA Communication Network and Communication Profile正式成为 IEC国际标准 IEC 62601，是第二个过程自动化领域的专业无线网络国际标准，标志着 WIA-PA标准得到了国际上的广泛认可。
（3）ISA100（ISA100: Wireless Systems for Automation）致力于通过制定一系列标准规范和技术报告来确定工业自动化控制环境下的无线系统实现技术，是国际自动化协会（International Society of Automation，ISA）负责工业无线技术与系列标准制定的下属机构。考虑到其广泛的覆盖范围， ISA100成立了若干工作组分别从事不同的具体任务。其中，制定 ISA100.11a标准是其核心工作；ISA100无线符合性测试机构（Wireless Compliance Institute，WCI）负责提供 ISA100标准族的符合性认证服务。重庆邮电大学作为国内第一个投票成员和 ISA WCI工作组专家参加 ISA100标准制定工作。
2006年10月，在美国休斯敦会议上以投票方式确定将 SP100.14与 SP100.11工作组合并为 SP100.11a，其后更名为 ISA100.11a工作组。
2009年 4月 24日，ISAl00.11a标准以 81.0%的赞成率通过了 ISA100委员会的阶段投票。
2011年 9月，ISAl00.11a通过 IEC投票成为 IEC PAS 62734。
2012年 1月，ISAl00.11a成为美国标准。
2013年10月，ISA100.11a（IEC 62734/Ed.1: Industrial Communication Networks- Wireless Communication Network and Communication Profiles-ISA100.11a）以 100%的赞成率通过 IEC投票，正式成为 IEC 62734 CDV。
目前，委员会将继续完善该标准，拟于 2014年 9月对 FDIS进行投票，使之成为国际标准 IEC 62734，并将取代现有的 IEC PAS 62734。
（4）工业物联网三大主流国际标准性能对比如表 1-1所示。
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