基于ISA10011a标准的烟雾传感器.docx

基于ISA100 ll.a标准的烟雾传感器1引言ISA100.Ha 标准是 由国际 自动化协会(ISA , International Society of Automation)下属的IS Al 00工业无线委员会制定的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ISAlOO.lla遵循公认的ANSI标准化流程，标准的制定过程一直立 足于用户的需求ISAlOO.lla支持多种性能水平，以满足工业自动化的多种不同 的应用需求，而不是仅仅局限于过程工业ISAlOO.lla标准协议定义的工业无线 设备包括：传感器、执行器、无线手持设备等现场自动化设备主要内容包括工 业无线的网络构架、共存性、鲁棒性以及与有线现场网络的互操作性等2 ISA100 ll.a标准简介ISAlOO.lla标准是第一个开放的、面向于多种工业应用的标准，其主要特征 如下：(1) 提供过程工业应用服务，包括工厂自动化；(2) 在工厂内/工厂附近使用；(3) 全球部署；(4) 提供等级1(非关键)到等级5的应用；(5) 保证不同厂家设备的互操作性；(6) 跳信道的方式支持共存和增加可靠性；(7) 使用一个简单的应用层提供本地和隧道协议，以实现广泛的可用性；(8) 针对IEEE 802.15.4-2006安全的主要工业威胁，提供简单、灵活、可选 的安全方法；(9) 现场设备具有支持网状和星型结构的能力。

ISAlOO.lla标准协议具有不同于以太网、移动通信网的特性，那么针对 ISAlOO.lla标准的协议一致性测试必须根据ISAlOO.lla标准的体系结构、拓扑 结构、设备类型等特点制定一系列测试的原则和步骤2.1 ISA100 ll.a的体系结构ISAlOO.lla标准协议体系结构遵循ISO/OSI的七层结构，但只定义了物理 层、数据链路层(DLL)、网络层、传输层和应用层，如图2.1所示数据链路层 包括IEEE 802.15.4的MAC子层、ISA100.11a的MAC扩展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TLDE-1 SAP)ASLDE-0 SAP^―I £ M "% tn(DMAP)NLDE SAP^TLDE-n SAP^YtLDE-0 SAPASLME SAP)TLME SAP)VDLME SAPDLDE SAP图2.1 ISAlOO.lla标准协议体系结构每一层提供了两种服务访问点(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ISAlOO.lla网络，一个设备只能通过ISAlOO.lla应用子层(ASL)提供的数 据服务访问点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的管理信息库物理层通过数据服务访问点(PLDE SAP)和管理服务访问点(PLME SAP)给 IEEE 802.15.4的MAC子层提供了服务接口物理层主要功能有激活和休眠射频 收发器，发射功率控制，信道能量检测(ED),检测接受数据包的链路质量指示 (LQI),空闲信道评估(CCA)和收发数据IEEE 802.15.4的MAC子层通过数据服务访问点(MLDE SAP)和管理服务访 问点(MLME SAP)给ISAlOO.lla的MAC扩展层提供了服务接口ISAlOO.lla的 MAC扩展层主要负责时间同步、跳信道和通信调度，提供点对点数据通信的重 传机制，TDMA和CSMA信道访问机制，在两个对等的ISAlOO.lla的MAC扩 展层实体之间提供一个可靠的通信链路DLL子层通过数据服务访问点(DLDE SAP)给网络层提供了服务接口，通过 管理服务访问点(DLME SAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DLME SAP)提 供了服务接口DLL子层主要负载DLL帧头的装载和解析，DLL层的安全， ISAlOO.lla DLL子网内的路由、邻居发现及加入网络和管理信息库的管理。

管 理信息库主要有超帧、链路、邻居、路由、图和跳信道序列等信息DLL子层 可以根据管理信息库的内容，使得ISAlOO.lla的MAC扩展层的时间同步、跳信 道和通信调度能够正常工作ISAlOO.lla网络层是基于IPv6的，通过数据服务访问点(NLDE SAP)给传输 层提供了服务接口，通过管理服务访问点(NLME SAP)给系统管理器或设备管理 应用进程(DLME SAP)提供了服务接口网络层主要负责网络层帧头的装载和解 析，数据的分片和重组，ISAlOO.lla骨干网的路由和管理信息库的管理传输层通过数据服务访问点(TLDE SAP)给应用子层提供了服务接口，通过 管理服务访问点(NLME SAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DLME SAP)提 供了服务接口传输层提供端到端的通信服务，负责传输层帧头的装载和解析， 传输层的安全和管理信息库的管理应用子层通过数据服务访问点(APSDE SAP)给用户应用进程(UAP)和设备管 理应用进程(DMAP)提供了数据服务接口，通过管理服务访问点(APSMESAP)给 设备管理进程提供了管理服务接口用户应用进程是一个设备内的所有应用对象 的总和。

设备管理进程用于管理设备本身和与其它设备2.2 ISAlOO.lla中的设备类型ISAlOO.lla标准协议定义了以下5种设备类型：(1)上位机，即控制系统， 是工程师、用户和管理者与ISAlOO.lla网络实现交互的平台2)网关，提供 了上位机和ISAlOO.lla网络的接口，提供了 ISAlOO.lla网络与其它工厂级网络 的接口一个ISAlOO.lla网络系统可以有多个网关3)骨干路由器，是 ISAlOO.lla骨干网络的基础设施，负责骨干网络中的数据路由ISAlOO.lla骨干 网络上的通信协议可以是无线协议，如802.11b,也可以是有线协议因此， ISAlOO.lla网络可以借助其它高性能的网络4)现场设备，有现场路由器和终 端设备两种设备，一般为传感器设备或执行器设备现场路由器除了具有终端设 备上的功能外，还有路由功能，负责ISAlOO.lla DLL子网中的数据路由5) 手持设备，是用户访问ISAlOO.lla网络的接入设备，用于现场维护与配置网络， 还可以调校现场设备从逻辑角色的角度来看，网关负责ISAlOO.lla网络与工厂内的其它网络的 协议转换与数据映射，具有网络管理代理和安全管理代理的功能。

冗余网关负责 网关的热备份网络系统管理器对系统资源配置和设备的系统资源使用进行管 理，监测全网性能安全管理器负责系统的安全管理、密钥管理与安全认证骨 干路由器作为网络管理器的代理，负责构建由现场设备组成的ISAlOO.lla DLL 子网，负责骨干网络中的数据路由冗余骨干路由器负责骨干路由器的热备份 现场路由器是带路由功能的现场设备，即负责ISAlOO.lla DLL子网中的数据路 由，提供路径冗余，有效的扩展了网络的结构终端设备负责获取现场数据并发 送到现场路由器或骨干路由器一种类型的物理设备可以有多个逻辑角色网关设备可以具备网关、冗余网 关、网络管理器代理、安全管理器代理的角色(一个网关设备不能同时具有网关 与冗余网关的角色)2.3 ISAlOO.lla网络拓扑结构为了满足工业应用的需求，ISA100.Ha支持多种网络拓扑，如星型结构、 Mesh结构等星型网络拓扑结构，容易实现，实时性高，但仅限单跳范围为 了扩大网络覆盖面积，在ISAlOO.lla网络结构中引入骨干网，骨干网是一个高 速的网络，可以减小数据时延所有现场设备通过骨干路由器接入骨干网，现场 设备和骨干路由器组成的网络为ISAlOO.lla DLL子网。

ISAlOO.lla DLL子网和 骨干网就组成了 ISAlOO.lla网络图2.2星形和辐射式拓扑结构图2.3 mesh网和星行加mesh网络如果ISAlOO.lla网络中没有骨干网，ISAlOO.lla DLL子网包括现场设备和 网关，等同于ISAlOO.lla网络，如图1-2所示FMd deviceRouting device QI/O device Ponable deviceInfrastructure deviceB Backbone router G GatewayRoute 1 Route(s)2...n BackboneS Security manageroControl systemnetwork图2.4 ISA100.Ha网络和DLL子网重叠如果ISA100.Ha网络中有骨干网，ISAlOO.lla DLL子网只包含现场设备和 骨干路由器，而ISAlOO.lla网络包含所有相关DLL子网、骨干路由器和网关， 如图1-3所示Plan-MtwCentro- system图2.5 ISAlOO.lla网络和DLL子网不同2.4 ISAlOO.lla 通信模型在ISAlOO.lla标准协议中，终端设备、手持设备和现场路由器存在于 ISAlOO.lla DLL子网，终端设备一般是传感器设备或执行器设备，现场路由器 对终端设备的数据进行路由oISAlOO.lla DLL子网的路由是在数据链路层(DLL) 中完成的，而不是在网络层。

骨干路由器将数据高速率地、高可靠性地传输到网 关，其路由发生在网络层网关完成数据报文在ISAlOO.lla标准协议和工厂内 的其它网络的协议转换如果ISAlOO.lla网络中没有骨干网，终端设备和控制系统之间的数据流涉 及终端设备、现场路由器、网关和控制系统，如图1-5所示对于传感器设备， 现场数据从终端设备出发，经过现场路由器和网关最终到达主控计算机；对于执 行器设备，控制数据从主控计算机出发，经过网关和现场路由器最终到达终端设 备终端设备 现场路由器控制系统ISAlOO.lla应用层jISAlOO.lla应用层转换ISAlOO.lla工厂网络应用层\ 1/应用层1——1ISAlOO.lla 网关工厂网络I应用层ISAlOO.llai传输层IISAlOO.lla传输层ISAlOO.lla|网络层IISAlOO.lla网络层ISAlOO.lla1数据链路层I[iSAlOOTla]|数据链路层|ISAlOO.llai物理层|USAlOO.llal|物理层|jlSA100.Ha工厂网络11传输层传输层11 1_1 LjlSA100.Ha工厂网络j1网络层网络层11 1ilSA100.Ha工厂网络!1数据链路层数据链路层1i iilSAlOO.lla1工厂网络11物理层物理层;I工厂网络|传输层；工厂网络 I网络层'工厂网络I数据链路层I工厂网络\物理层I II II I•ISAlOO.lla DLL 子网工厂级网络•ISAlOO.lla 网络图1-5终端设备和控制系统之间的数据流如果ISAlOO.lla网络中存在骨干网，终端设备和控制系统之间的数据流涉 及终端设备、现场路由器、骨干路由器、网关和控制系统，如图1-6所示。

对于 传感器设备，现场数据从终端设备出发，经过现场路由器、骨干路由器和网关最 终到达主控计算机；对于执行器设。