杨中兴2, 梁炜2
2×××沈阳自动化研究所, 沈阳110016
摘要：本文概要介绍WIP-PA无线网络协议标准的测试方法及相关研究进展，详细介绍了WIA-PA测试认证平台的设计和实现过程，详细论述了WIA-PA测试认证平台的软件架构及其他诸多关键技术特点，同时介绍测试平台的工作流程。
关键词：工业无线网络; WIA-PA; 测试系统
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
1.1 WIA-PA标准
工业无线网络是降低工业测控系统成本、扩展应用范畴的革命性技术。工业无线网络技术正在改变现有系统控制信息传递的方式，是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术。基于无线技术的信息传递方式，使得测控系统具有低成本、易使用、易维护等优点，在工业控制领域具有广阔的应用前景。
WIA-PA技术标准正是在工业物联网技术领域具有重要地位和作用的通信协议标准。工业物联网技术目前有三个比较公认的技术体系：无线HART、ISA100和WIA-PA。其中，无线HART技术由HART基金会于2007年推出，于2010年通过IEC投票成为国际标准。ISA100是由美国仪器仪表协会于2004年启动制定的，目标是为主流的现场总线技术提供无线补充和替代技术。WIA-PA标准由我国自主研发、制定和推广，与前两者相比，WIA-PA不仅具有技术优势，其市场前景和发展应用空间也得到了业界的认同。
1.2 拓扑结构
WIA-PA网络采用星型和网状相结合的两层网络拓扑结构，如图1所示。第一层是网状结构，由网关及路由设备构成，用于系统管理的网络管理器和安全管理器，在实现时可位于网关或主控计算机中；第二层是星型结构，又称为簇，由路由设备及现场设备或手持设备构成，WIA-PA网络的路由设备承担簇首功能，现场设备承担簇成员功能。
图1 WIA-PA网络拓扑
1.3 协议体系及特点
WIA-PA网络的协议栈结构遵循ISO/OSI的层次结构，基于IEEE802.15.4的物理层和MAC层，并定义了数据链路子层、网络层和应用层。如图2所示。
数据链路层：包括MAC层和数据链路子层。MAC层基于IEEE802.15.4MAC协议，数据链路子层对IEEE802.15.4MAC进行了扩展，以满足工业应用的需要。数据链路子层由时间同步、时隙通信、链路和信道性能度量、链路层安全、管理服务等功能模块构成。
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。
应用层：应用层由应用子层、用户应用进程、设备管理应用进程构成。应用子层提供通信模式、应用层安全和管理服务等功能。设备管理应用进程包含的功能模块有网络管理模块、安全管理模块和管理信息库。
图2协议体系
协议测试研究领域的兴起源于对其必不可少的需求。在网络通信技术的发展过程中，协议的测试一直处于很重要的地位，它是测试协议产品的实现满足一致性和互操作性标准的基本前提和保证。目前的网络协议多是以自然语言描述的文本，实现者对于协议文本的不同理解以及实现过程中的非形式化因素都会导致不同的协议实现，有时甚至是错误的协议实现，这些错误将在协议产品的应用中造成严重的后果。即便协议实现正确，也不能保证不同的实现彼此之间能够准确无误地通信，而且同一协议的不同实现其性能也有差别。
协议测试过程中的一致性测试正是为了保证不同的实现者对协议的实现都是正确的。而互操作性测试则为了保证同一协议不同实现间能够准确无误地通信。
本文研究WIA-PA通信协议一致性测试、互操作测试以及性能评估系统的结构和测试方法，测试系统设计和实现的整体架构。
WIA-PA测试系统的构成为一台运行Linux系统的主机和一个射频收发设备，以及用于它们之间相连接的串口通信电缆。系统构成示意图如图3所示。
图3 测试系统构成
射频收发设备主要由物理层射频收发驱动模块、MAC层功能子集模块、系统支持模块、通信解析桩程序模块和串口通信模块几部分构成。其中，物理层负责射频信号的收发；MAC子层实现部分子集功能，以保证测试系统可靠的实时性；桩程序模块用来解析测试主机发来的各种命令，并完成相应调用；串口收发模块实现和主机之间的串口通信；系统支持模块总体协调设备内各个线程的工作和运行、扩展接口也可完成一小部分的日志记录工作。
Linux主机工作站运行测试系统的上层部分及软件部分，其主要功能为测试系统提供脚本驱动引擎，用来对测试脚本进行解析和协议栈内相应库函数的调用，本系统采用CINT脚本解析器，可支持C/C++语言的解析执行；与下层射频收发设备进行通信的模块，以及WIA-PA协议栈子集的虚拟实现。其结构如图4所示。
图4 WIA-PA测试系统上层架构
测试系统内部运行协议栈链路层和网络层部分，根据测试情景的不同，可以在测试系统内部运行虚拟设备继而组成虚拟网络拓扑。测试系统的工作过程为，测试人员将写好的测试脚本提交测试系统后，测试系统负责解析执行脚本，并调用相应库函数将需要对待测设备进行的设置和测试数据通过串口发送给下层的射频收发器件。该射频收发器件在收到上层系统数据后，由桩程序进行解析并调用相应射频收发函数完成功能。整体工作过程可示于图5。
图5 WIA-PA测试系统架构
工业无线网络技术是继现场总线与工业以太网之后工业控制领域的又一热点技术，是未来工业自动化系统的发展方向，也因此备受国际先进工业国家的关注。我国自主研究开发并且大力推动的WIA-PA标准也得到国际标准的认可，成为与WirelessHart、ISA100并列的三大主流工业无线标准。而WIA-PA测试系统的实现必将进一步推广这一标准的应用和相关领域的研发，规范产品开发，降低应用风险，对推动WIA-PA产业化进程具有十分重要的意义。
参考文献
[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/
