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第6章WIA-PA技术第第6章章 WIA-PA技术技术主要内容nWIA-PA标准的发展nWIA-PA网络构成nWIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA开发平台26.1 WIA-PA标准的发展WIA-PA标准概述 n中国自主开发的工业无线标准 WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）由中科院沈阳自动化所牵头，浙江大学、重庆邮电大学等多家单位联合参与制定n2011年10月，获得国际电工委员会（IEC）全体成员国 100%的投票，正式成为IEC 62601国际标准，使工业无线 技术国际标准形成无线HART（HART基金会）、ISA 100.11a（国际自动化学会）、WIA-PA（中国WIA-PA联盟）三足鼎立的局面。36.1 WIA-PA标准的发展WIA-PA的技术特征n支持扩频通信与窄带通信n星形和网状两层拓扑结构n集中式与分布式结合的系统管理nTDMA/CSMA混合接入模式n多信道通信n多种措施结合保证通信可靠性n超低能耗n兼容IEEE802.15.4标准n支持以降低通信开销为目的的报文合并46.2 WIA-PA网络构成WIA-PA网网络络的的拓拓扑扑结结构构nWIA-PA网络支持星型和网状结合的两层网拓扑结构或者星型拓扑结构。n星型和网状结合的两层拓扑结构，第一层是网状结构，由网关设备及路由设备构成；第二层是星型结构，由路由设备及现场设备或手持设备(如果存在)构成。n星型拓扑结构仅由网关设备和现场设备(或手持设备)构成。56.2 WIA-PA网络构成nWIA-PA网络星型和网状结合的两层拓扑结构66.2 WIA-PA网络构成nWIA-PA网络星型拓扑结构76.2 WIA-PA网络构成nWIA-PA设备分类及功能 物理设备（5类）主控计算机 网关设备 路由设备 现场设备 手持设备逻辑角色（5类）网关 网络管理者 安全管理者 簇首 簇成员一种类型的物理设备可以担任多个逻辑角色8大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点96.3 WIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA协议体系虽然WIA-PA标准规定的网络协议结构遵循ISO/OSI的层次结构定义，但是WIA-PA标准中只定义了物理层、数据链路层、网络层和应用层。下图为WIA-PA协议架构：106.3 WIA-PA协议栈的设计与实现n物理层WIA-PA 网络标准的物理层基于IEEE STD 802.15.42006 标准，负责启动和终止无线射频收发器、能量探测、链路质量指示器、信道选择、空闲信道检测以及通过物理 媒介收发数据。可支持16 个信道（11-26）且基本的数据 传输率为250 kbit/s。116.3 WIA-PA协议栈的设计与实现n 数据链路层WIA-PA 数据链路层支持基于时隙的跳频机制、重传机 制、时分多路访问（TDMA）和载波侦听多路访问（CSMA）混合信道访问机制，保证传输的可靠性和实时性。WIA-PA 的数据链路层（DLL）包括：IEEE STD 802.15.4-2006 MAC 层，负责数据帧的发送和接收；数据链路子层 DLSL，定义通信资源分配等方面的内容。126.3 WIA-PA协议栈的设计与实现n网络层WIA-PA的网络层由寻址、路由、分段与重组、管理服务等功能模块构成。主要功能是实现面向工业应用的端到端的可靠通信、资源分配。网络层的主要技术特征包括：通信资源分配（时隙和信道）聚合与解聚136.3 WIA-PA协议栈的设计与实现两级聚合机制n数据聚合：当现场设备有超过一个以上用户应用对象时，可选择启用现场设备的数据聚合机制以减少通信频率。n包聚合：当路由设备接收超过一个现场设备的数据包时，可选择启用路由设备的包聚合机制，以减少了路由设备到网关的数据包数目，提高网络效率。注：聚合和解聚是自愿的，由实际应用程序通过设置标志位来决定。146.3 WIA-PA协议栈的设计与实现应用层WIA-PA 网络的应用层（AL）包括用户应用进程（UAP）和应用子层（ASL）两个部分。n 用户应用进程的功能：通过传感器采集物理世界的数据信息；产生并发布报警功能；通过 UAP 可以实现与其他WIA-PA 设备的互操作。n应用子层功能：为用户应用进程和设备管理应用进程提供端到端的透明数据通信服务，支持Client/Server、Publisher/Subscriber、Report source/Sink 通信模式的数据传输。156.3 WIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA协协议议栈栈总总体体设设计计WIA-PA协议栈由五个主状态机、数据服务、管理服 务和底层驱动组成。五个主状态机分别是:应用层状态机（apsFSM）网络层状态机（nlFSM）数据链路子层状态机（dlslFSM）MAC层状态机（macFSM）和物理层状态机（phyFSM）166.3 WIA-PA协议栈的设计与实现网络层模块实现面向 工业应用的端到端的 可靠通信、资源分配数据链路层模块保证 WIA-PA网络设备间 点对点的可靠、安全、无误、实时地传输物理层模块负责与硬 件相关的工作，如串 口数据的接收和发送176.3 WIA-PA协议栈的设计与实现WIA-PA协协议议栈栈的的实实现现 nWIA-PA数据链路层的设计与实现 WIA-PA数据链路层主要任务是保证WIA-PA网络设备间的可靠、安全、无误、实时地传输。数据链路层主状态机状态转移图186.3 WIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA网络层的设计与实现网络层的主要任务是为下层（数据链路层）提供一些必要的功能，以确保其正常工作，同时为上层（应用子层）提供发送和接收数据的接口，实现网络层管理功能，配置和控制网络层的操作。另外，网络层功能还包括分段重组、路由、寻址和网络性能监控管理。196.3 WIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA应用层的设计与实现应用层主函数实现了十几种传感器驱动及数据采集应用程序，以及从形成网络、组网到数据通信的协议栈运行时序。系统管理、网络管理和安全管理位于操作后台。应用层设计框架主要包括组网、应用对象列表汇报、资源分配和用户应用进程四部分。应用层主状态机转移图如图所示：206.3 WIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA网络管理的设计与实现WIA-PA网络管理的通信交互主要在WIA-PA协议栈的网络层实现216.3 WIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA网络管理信息交互WIA-PA网络管理具有主动和被动管理信息两种交互模式，包括P/S（Publisher/Subscriber，发布/订阅）、R/S（Report/Sink，报告）、C/S（Client/Server，客户端/服务器）三种通信模式。nWIA-PA网络管理结构226.3 WIA-PA协议栈的设计与实现nWIA-PA的安全的设计与实现WIA-PA网络的安全管理架构由安全管理者、网关设备的安全管理模块，路由设备的安全管理模块和现场设备的安全管理模块组成。WIA-PA网络的安全包括：各个层的安全、安全服务以及数据流安全传输过程。安全服务主要提供了数据完整性、保密性、认证服务和重放攻击服务。236.4 WIA-PA开发平台n开发平台简介 WIA-PA平台功能特点标准工业无线WIA-PA网络协议组网灵活 系统安全性高 节点耗电低可视化显示基于WIA-PA的工业物联网开发测试平台246.4 WIA-PA开发平台开开发发平平台台实实验验开发平台的实验过程：n安装网络管理软件n连接网关和设备n查看设备上线情况和拓扑图n实时监控数据n观测安全管理情况n监控后台数据库25习题1.简要回答WIA-PA的技术特征。2.WIA-PA网络支持哪几种拓扑结构？3.简单叙述集中式与分布式结合的系统管理的作用。4.WIA-PA逻辑设备分为几类，都有哪些？5.WIA-PA 数据链路层支持哪种访问机制？6.WIA-PA协议栈结构分为哪几层，各自的功能是什么？26