浅谈工业无线技术标准与认证及其应用

谭胜淋

摘要：本文通过分析工业无线技术IS100.11a标准和其标准化进程，并结合国内外ISA100.11a标准技术研究及协议的现状，着重分析ISA100.11a协议一致性测试的重要意义，最后剖析ISA100.11a的网络结构、网络特性及协议体系结构和ISA100.11a标准认证之间的衔接及其目前的推广进展情况.旨在为国内提供一个完善无线技术体系借鉴。

关键词：工业无线技术；一致性测试；标准；认证

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.007

引言

工业无线技术是本世纪初新兴的一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和提升，将引发传统工业测控模式的变革，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。目前，国际上有Wireless HART、ISA 100和中国的WIA-PA共3种无线网络技术。2009年，国际电工协会成立了无线工作组IEC SC65CANG16，负责工业无线技术的国际标准研制的工作。

ISA100.11a是最常见的无线传感器网络标准，由国际自动化学会（The International society of Automation，ISA）下属的ISA100工业无线委员会制定，该委员会致力于通过制定一系列标准、建议操作规程、起草技术报告来定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术ISA100.11a标准的主要内容包括工业无线的网络构架、共存性与有线现场网络的互操作性等，其工业无线设备主要包括执行器、传感器、无线手持设备等现场自动化设备。

世界著名市场调研公司。NWorod调研报告表明“55%的人计划采用ISA100技术，40%的人说计划支持无线HART”。由此可见，ISA100.11 a是将会成为最受关注、最有影响力的工业无线技术之一，世界各地专项针对ISA100.11a技术的研究和开发工作正如火如荼地进行.但是ISA100.11a标准使用自然语言描述，并涉及很多关键技术，实现者对于协议的不同理解会导致不同的协议实现，甚至会是错误的。因此，ISA100标准产业化的前提条件之一是所有产品必须通过严格的一致性、互操作性等测试和认证，来检测被测协议实现与协议规范的符合程度。

1 ISA100.11a概述

ISA100.11a标准由美国仪器仪表协会（InstrumentSociety of America.ISA）下属的ISA100工业无线委员会制定，该委员会致力于以研制及修订一系列标准、建议性操作规章、技术规范及指导性文件来定义工业环境下的无线系统及其相关规程，进而实现技术规范及推广。ISA100.11a标准希望工业无线设备以低功耗、低复杂度、合理的成本和适当的通信数据速率去支持工业现场应用。

2009年4月24日，ISA100委员会以81.0%的高赞成率通过了ISA100.11a标准。随后，基于ISA100.11a标准的设备将越来越多地被应用于工程实际，最终形成ISAl00.11a标准的设备产业集群。ISA100.11 a标准在遵循欧洲、日本、美国和加拿大相关规范的前提下，适用于全世界各地区。且ISA100.11a设备必须遵循当地的政策和法规要求。

1.1 ISA100.11a工作组介绍

ISA100.11a工作组是由ISA100.14工作组与ISA100.11工作组合并而成.其中ISA100.11工作组应用于各种控制的无线连接标准，该标准同样经过优化，以适应从闭环调节控制到开环手动操作的各种控制应用；ISA100.14工作组应用于各种工业监控、记录与报警的无线连接标准，希望通过对标准的优化获得独特的性能与成本优势。该两工作组相互协调，以确保ISA100可以提供完整与集成的工业无线应用标准。

ISA100.11 a工作组的主要职责为研制及修订工业无线技术ISA100.11a标准。目前，ISA100.11a工作组主要由系统工作组、汇集工作组、PHY/MAC层工作组、安全工作组、网络/传输层工作组、网络管理工作组、评估工作组、应用层工作组、编辑工作组和网关工作组共10个子工作组组成（见图1）。

1.2 ISA100.11a国内外现状分析

2006年7月，ISA 100委员会面向全球征集技术标准提案，重庆邮电大学、浙江浙大中控信息技术有限公司和中国科学院沈阳自动化研究所等三家知名院校与美国霍尼韦尔公司（Honeywell）、美国通用电气公司（General ElectricCompany，GE）、德国西门子股份公司（Siemens co.，LTD，Siemens）等著名国际公司均提交技术方案与技术白皮书，大力推进工业级无线技术标准的国际化。

2008年4月，重庆邮电大学在重庆成功举办了由“面向自动化领域的无线解决方案”国际高峰论坛“ISA100和ISA100.11 a标准化会议”和“中国无线工厂应用高峰论坛”三个部分组成的“2008工业无线国际学术大会”。

2008年6月，一致性测试工作组（ISA WCI）通过决议决定吸纳重庆邮电大学为ISA1 00测试工作组的成员且免组员年费，同时确定重庆邮电大学与美国NIVlS公司负责ISA100标准的测试验证，并于2009年10月美国休斯敦举行的国际仪器仪表、自动控制览会上免费展示其ISA100.11a研究成果。因此，以重庆邮电大学为代表的国内相关单位在ISA100工业无线技术方面进行了长期的跟踪研究，我国在工业无线技术方面，尤其在ISA100领域处于国际先进水平。

2008年7月，霍尼韦尔公司宣布推出其工业无线网络解决方案One Wireless更新版本，实现了与ISA100.11a工业无线通信标准兼容。下一阶段，针对ISA100.11a标准的协议一致性、互操作性等测试将成为迫切需要解决的问题之一。越来越多的企业及研究机构关注和参与ISA100.11a标准的完善和开发等相关工作，ISA100.11 a技术将是一种具有很大潜力的工业通信技术，必将在正兴起的工业无线领域发挥重要的作用，引起更多的重视和关注。

1.3 ISA100.11a一致性测试研究

一致性测试，即验证协议实现在多大程度上与相应的协议标准一致。在多个厂家进行设备互联时，通过一致性测试会提高人们对设备符合相应协议标准的置信程度，提高相同标准不同实现之间互联的概率，以减少产品在现场运行时发生错误的风险性。标准化的协议并不能确保不同的协议实现之间能够成功地互连互通，所以其需要“协议一致性测试”来对协议实现的正确性和有效性进行测试。

随着ISA100.11 a协议的逐步推广应用，各种相关产品蜂拥而来，可对协议理解的差异，同一协议标准会存在许多不同的实现版本。为检查各个不同生产厂家的ISA100.11a实现是否与标准要求保持一致，并保证协议的不同实现版本之间实现互联互通，则须对协议进行一致性测试。一致性测试是开放系统互联产品的重要步骤，是ISA100.11 a产品产业化和商业运营的关键因素。一致性测试的流程见图2。

2 ISA100.11a标准框架研究

2.1 ISA100.11a标准协议结构分析

ISA100.11 a标准协议体系结构必须遵循ISO/OSI的七层结构，但其只定义了应用层（Application laye）、传输层（Transport Layer）、网络层（Network Layer）、数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer）

（见图3）.其中数据链路层包括ISA100.11 a的MAC扩展层、IEEE 802.15.4的MAC子层和数据链路层上层；应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理器。

每一层提供了两种服务访问点（Service Access Port，SAP），即数据服务实体提供数据传输服务和管理服务实体提供管理服务，上层通过这两种服务访问点使用下层提供的功能服务。在ISA100.11 a网络中，每个设备只能通过ISA100.11 a应用子层提供的数据服务访问点从而实现与其它设备进行通信。在每个设备里，设备管理器是一个具有管理功能的实体，可以直接访问应用子层、传输层、网络层和DLL的管理信息库。

2.2 ISA100.11a网络拓扑结构分析

为了满足工业应用的需求，ISA100.11a必须支持多种网络拓扑，包括Mesh、网状、星状和星网状拓扑等结构。同时，扩大其网络覆盖面积，在ISA100.11a网络结构中引入骨干网，可减小数据时延。举例说明，如现场设备经骨干路由器接入骨干网，该设备与骨干路由器组成的网络为ISA100.11a DLL子网.ISA100.PPa DLL子网和骨干网就组成了ISA100.11a网络.

再如，现场路由器和终端设备，经骨干路由器接入骨干网，骨干路由器通过网关接入工厂级网络。若ISA100.11a网络中接入骨干网，则ISA100.11a DLL子网只包含其现场的设备和骨干路由器，而ISA100.11a网络包含其所有的DLL子网、骨干路由器和网关（见图4）。

3 ISA100认证

3.1 ISA100认证分析

ISA100认证为测试产品的互操作性、安全性、安装方便性和可靠性的程序，提供了一个广泛认可的关于互操作性和质量方面的凭证，并确保其具有ISA100.11a功能的产品能满足最佳的用户体验。

按照ISA100规定，需ISA100认证的厂商应向ISA100授权的测试实验 无线兼容委员会（Wireless ComplianceInstitute，WCI）递交申请，对其产品进行ISA100认证测试。所以厂商需在网上申请，并获得ISA100测试及认证服务。

3.2认证机构分析

ISA100授权符合ISA100.11 a标准的测试实验室来测试厂商的产品。无线兼容委员会是符合ISA100.11a标准产品的专门产品认证机构，能够帮助科技公司更快地将更多的可互操作的产品推向市场，致力于改善网络设备和相关技术之间的互操作性。

无线兼容委员会是非营利性工业组织，为用户和技术开发者提供市场调查、教育培训信息、技术支持以及ISA100标准族中工业无线标准的测试认证，向ISA标准委员会提供关于ISA100设备和系统的使用反馈，从而促进工业无线应用标准的快速改进和发展。

重庆邮电大学和中国科学院沈阳自动化研究所两家无线兼容委员会成员单位。其中重庆邮电大学拥有自主知识产权的ISA100.11 a协议测试方法和系统部分完成多信道测试分析仪及ISA100.11a测试软件。厂商可以申请成为其成员，把产品拿到无线兼容委员会相关认证机构进行认证，通过认证的产品会加认证标识（如图5），详见WCI官网。

3.3认证流程说明

若认证测试不合格，厂商则须进行整改。如果整改过程涉及到软件升级、设备更换，则产品须全部重新进行检测，确保所有的测试都是在同一个设备、同一个软硬件版本的限定条件下进行的。ISA100认证流程见图6。

3.4认证项目分析

一般情况下，WCI认证主要有两项，包括ISA100.11 a设备互操作性认证和ISA100.11a协议一致性认证，且供应商也可以购买符合WCI认证认可的测试工具包进行产品检测。

ISA.100.11a设备互操作性测试套件是WCI认证的主要工具，使用户能够确保制造商的设备符合WCI的官方ISA100.11a产品注册检验，确保ISA100在本地模式下，无线设备的互操作性与ISA100无线协议栈一致性测试套件相结合。其组件包括脚本服务器与软件、测试脚本的源代码和技术文档、测试脚本的源代码和技术文档、诊断骨干路由器、参考测试设备和以太网路由器。同时规定其系统要求为PC和Web浏览器。

3.5会员制度与收费

目前，ISA100所公布的会员制度及收费标准见表1。

4结语

随着信息社会和工业现场对无线技术的日益增长的需求，工业无线技术ISA100将成为可靠好、性价比高、安全性高的受人青睐的高新技术。工业无线传感器必将成为工业过程测控的首选，在优化资源利用率和提高生产率方面发挥着巨大的作用。

而ISA100终究会成为无线工业技术发展的主流，ISA100的评价标准及认证体系日前已成为ISA100标准化工作的主题.截止日前，中国对无线工业技术认证环节较为欠缺，尽管近些年来在这一方面做出了巨大的努力并取得了一定的成绩，但与国际水平相比仍有一定差距。总之，ISA100评价标准及其认证体系的建立是ISA100占据市场主导地位的前提和关键，我国在工业无线技术中应要不断革新，积极借鉴国际先进技术及标准体系，逐步完善我国工业无线技术标准、认证与市场规范化的体系，树立中国品牌与中国信誉。