WIA-PA標準測試平臺的設計和實現
楊中興2, 樑煒2
2×××瀋陽自動化研究所, 瀋陽110016
摘要：本文概要介紹WIP-PA無線網絡協議標準的測試方法及相關研究進展，詳細介紹了WIA-PA測試認證平臺的設計和實現過程，詳細論述了WIA-PA測試認證平臺的軟件架構及其他諸多關鍵技術特點，同時介紹測試平臺的工作流程。
關鍵詞：工業無線網絡; WIA-PA; 測試系統
WIA-PA standard test platform for research and design
LIANG Wei2 ，YANG Zhongxing2
(2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)
Abstract：This paper presents an overview of the WIP-PA test platform and certification system and goes deep into the detailed design and implementation. WIA-PA is a wireless network protocol standard developed and promoted by China, which is of great importance in the industry wireless network application areas. This paper also discusses the architecture of the test system and highlights the process how it works.
Key words：Industry wireless network; WIA-PA; Test system
1 WIA-PA標準概述
1.1 WIA-PA標準
工業無線網絡是降低工業測控系統成本、擴展應用範疇的革命性技術。工業無線網絡技術正在改變現有系統控制信息傳遞的方式，是繼現場總線之後，工業控制領域的又一個熱點技術。基於無線技術的信息傳遞方式，使得測控系統具有低成本、易使用、易維護等優點，在工業控制領域具有廣闊的應用前景。
WIA-PA技術標準正是在工業物聯網技術領域具有重要地位和作用的通信協議標準。工業物聯網技術目前有三個比較公認的技術體系：無線HART、ISA100和WIA-PA。其中，無線HART技術由HART基金會於2007年推出，於2010年通過IEC投票成爲國際標準。ISA100是由美國儀器儀表協會於2004年啓動制定的，目標是爲主流的現場總線技術提供無線補充和替代技術。WIA-PA標準由我國自主研發、制定和推廣，與前兩者相比，WIA-PA不僅具有技術優勢，其市場前景和發展應用空間也得到了業界的認同。
1.2 拓撲結構
WIA-PA網絡採用星型和網狀相結合的兩層網絡拓撲結構，如圖1所示。第一層是網狀結構，由網關及路由設備構成，用於系統管理的網絡管理器和安全管理器，在實現時可位於網關或主控計算機中；第二層是星型結構，又稱爲簇，由路由設備及現場設備或手持設備構成，WIA-PA網絡的路由設備承擔簇首功能，現場設備承擔簇成員功能。
圖1 WIA-PA網絡拓撲
1.3 協議體系及特點
WIA-PA網絡的協議棧結構遵循ISO/OSI的層次結構，基於IEEE802.15.4的物理層和MAC層，並定義了數據鏈路子層、網絡層和應用層。如圖2所示。
數據鏈路層：包括MAC層和數據鏈路子層。MAC層基於IEEE802.15.4MAC協議，數據鏈路子層對IEEE802.15.4MAC進行了擴展，以滿足工業應用的需要。數據鏈路子層由時間同步、時隙通信、鏈路和信道性能度量、鏈路層安全、管理服務等功能模塊構成。
網絡層：由尋址、路由、分段與重組、管理服務等功能模塊構成。主要功能是實現面向工業應用的端到端的可靠通信。
應用層：應用層由應用子層、用戶應用進程、設備管理應用進程構成。應用子層提供通信模式、應用層安全和管理服務等功能。設備管理應用進程包含的功能模塊有網絡管理模塊、安全管理模塊和管理信息庫。
圖2協議體系
2 WIA-PA測試
協議測試研究領域的興起源於對其必不可少的需求。在網絡通信技術的發展過程中，協議的測試一直處於很重要的地位，它是測試協議產品的實現滿足一致性和互操作性標準的基本前提和保證。目前的網絡協議多是以自然語言描述的文本，實現者對於協議文本的不同理解以及實現過程中的非形式化因素都會導致不同的協議實現，有時甚至是錯誤的協議實現，這些錯誤將在協議產品的應用中造成嚴重的後果。即便協議實現正確，也不能保證不同的實現彼此之間能夠準確無誤地通信，而且同一協議的不同實現其性能也有差別。
協議測試過程中的一致性測試正是爲了保證不同的實現者對協議的實現都是正確的。而互操作性測試則爲了保證同一協議不同實現間能夠準確無誤地通信。
本文研究WIA-PA通信協議一致性測試、互操作測試以及性能評估系統的結構和測試方法，測試系統設計和實現的整體架構。
3 WIA-PA測試平臺設計
WIA-PA測試系統的構成爲一臺運行Linux系統的主機和一個射頻收發設備，以及用於它們之間相連接的串口通信電纜。系統構成示意圖如圖3所示。
圖3 測試系統構成
射頻收發設備主要由物理層射頻收發驅動模塊、MAC層功能子集模塊、系統支持模塊、通信解析樁程序模塊和串口通信模塊幾部分構成。其中，物理層負責射頻信號的收發；MAC子層實現部分子集功能，以保證測試系統可靠的實時性；樁程序模塊用來解析測試主機發來的各種命令，並完成相應調用；串口收發模塊實現和主機之間的串口通信；系統支持模塊總體協調設備內各個線程的工作和運行、擴展接口也可完成一小部分的日誌記錄工作。
Linux主機工作站運行測試系統的上層部分及軟件部分，其主要功能爲測試系統提供腳本驅動引擎，用來對測試腳本進行解析和協議棧內相應庫函數的調用，本系統採用CINT腳本解析器，可支持C/C++語言的解析執行；與下層射頻收發設備進行通信的模塊，以及WIA-PA協議棧子集的虛擬實現。其結構如圖4所示。
圖4 WIA-PA測試系統上層架構
測試系統內部運行協議棧鏈路層和網絡層部分，根據測試情景的不同，可以在測試系統內部運行虛擬設備繼而組成虛擬網絡拓撲。測試系統的工作過程爲，測試人員將寫好的測試腳本提交測試系統後，測試系統負責解析執行腳本，並調用相應庫函數將需要對待測設備進行的設置和測試數據通過串口發送給下層的射頻收發器件。該射頻收發器件在收到上層系統數據後，由樁程序進行解析並調用相應射頻收發函數完成功能。整體工作過程可示於圖5。
圖5 WIA-PA測試系統架構
4 結論
工業無線網絡技術是繼現場總線與工業以太網之後工業控制領域的又一熱點技術，是未來工業自動化系統的發展方向，也因此備受國際先進工業國家的關注。我國自主研究開發並且大力推動的WIA-PA標準也得到國際標準的認可，成爲與WirelessHart、ISA100並列的三大主流工業無線標準。而WIA-PA測試系統的實現必將進一步推廣這一標準的應用和相關領域的研發，規範產品開發，降低應用風險，對推動WIA-PA產業化進程具有十分重要的意義。
參考文獻
[1] http://www.eere.energy.gov/industry/sensors_automation
[2] Wei Liang, Xiaoling Zhang, et al. Survey and Experiments of WIA-PA Specification of Industrial Wireless Network. Wiley Wireless Communications and Mobile Computing. Volume 11, Issue 8, 1197-1212, August 2011
[3] Industrial communication network - Fieldbus specifications - WIA-PA communication network and communication profile. http://www.iec.ch/