工业物联网技术与应用

前言

第 1章概述 1

1.1引言 1

1.2工业物联网发展历程 1

1.3工业物联网标准的发展 3

1.4工业物联网的发展趋势 6

第 2章工业物联网关键技术 9

2.1工业物联网关键技术分析 9

2.2工业无线网络的精确时间同步方法 11

2.3工业无线网络的确定性调度机制 17

2.4基于确定性调度的工业无线网络 Mesh路由 27

2.5基于时隙通信的自适应跳信道方法 33

2.6工业无线网络的冗余路径建立方法 40

2.7基于轻量级加密算法的安全通信方法 47

第 3章 IEEE 802.15.4系列标准 58

3.1引言 58

3.2 IEEE 802.15.4—2006标准 59

3.2.1 IEEE 802.15.4网络拓扑结构 59

3.2.2 IEEE 802.15.4报文格式 61

3.2.3 IEEE 802.15.4网络形成与维护 62

3.2.4 IEEE 802.15.4标准的介质访问控制 65

3.3 IEEE 802.15.4 MAC协议 69

3.3.1 MAC层管理服务 69

3.3.2 MAC层数据服务 79

3.4 IEEE 802.15.4物理层协议 79

3.4.1 物理层管理服务 80

3.4.2 物理层数据服务 81

3.5 IEEE 802.15.4协议簇 82

3.5.1 IEEE 802.15.4a标准 82

3.5.2 IEEE 802.15.4b标准 84

3.5.3 IEEE 802.15.4c标准 85

3.5.4 IEEE 802.15.4d标准 87

3.5.5 IEEE 802.15.4e标准 88

3.5.6 IEEE 802.15.4f标准 105

3.5.7 IEEE 802.15.4g标准 106

3.5.8 IEEE 802.15.4k标准 115

第 4章 WIA-PA技术 117

4.1 WIA-PA标准的发展 117

4.1.1 WIA-PA标准概述 117

4.1.2 WIA-PA的技术特征 118

4.2 WIA-PA网络构成 119

4.2.1 WIA-PA网络的拓扑结构 119

4.2.2 WIA-PA的设备分类与功能 120

4.3 WIA-PA协议体系 120

4.4 WIA-PA协议栈的设计 123

4.4.1 WIA-PA协议栈总体设计 123

4.4.2 WIA-PA数据结构设计与实现 125

4.4.3 WIA-PA主要流程及接口设计与实现 126

4.4.4 WIA-PA协议栈的实现 130

4.5 WIA-PA开发实例 157

4.5.1 WIA-PA开发平台 157

4.5.2 WIA-PA通信模块开发 165

4.5.3 WIA-PA路由设备 172

4.5.4 WIA-PA网关设备 179

4.5.5 WIA-PA手持设备 192

4.5.6 WIA-PA现场设备 200

4.6 WIA-PA测控系统开发 206

4.6.1 WIA-PA测控系统设计 206

4.6.2 WIA-PA测控系统实例 208

第 5章 ISA100技术 214

5.1 ISA100的发展 214

5.1.1 ISA简介 214

5.1.2 ISA100简介 214

5.1.3 ISA100.11a工作组 217

5.2 ISA100.11a网络结构 218

5.2.1 ISA100.11a网络拓扑 218

5.2.2 ISA100.11a的设备类型与逻辑角色 220

5.2.3 ISA100.11a的设备状态 221

5.3 ISA100.11a协议栈开发 223

5.3.1 ISA100.11a协议体系 223

5.3.2 ISA100.11a协议栈状态机 225

5.3.3 数据服务流程 227

5.4 ISA100.11a各层详细设计与实现 229

5.4.1 数据链路层的设计与实现 229

5.4.2 网络层的设计与实现 251

5.4.3 传输层的设计与实现 264

5.4.4 应用层的设计与实现 266

5.5 ISA100.11a协议栈系统管理 275

5.5.1 设备管理应用进程定义的对象 275

5.5.2 系统管理应用进程定义的对象 275

5.5.3 安全管理信息库 279

5.6协议栈预配置 280

5.6.1 预配置网络 280

5.6.2 状态转移图 282

5.6.3 预配置时设备管理应用协议对象 283

5.7 ISA100.11a产品开发实例 285

5.7.1 ISA100.11a设备开发平台 285

5.7.2 ISA100.11a通信模块的开发 293

5.7.3 ISA100.11a路由设备 296

5.7.4 ISA100.11a网关设备 298

5.7.5 ISA100.11a无线烟雾浓度传感器节点 301

5.7.6 ISA100.11a无线压力变送器 306

5.8 ISA100.11a系统开发案例 307

5.8.1 ISA100.11a系统验证平台 307

5.8.2 ISA100.11a测控系统实例 309

第 6章无线 HART技术 317

6.1无线 HART标准 317

6.2无线 HART协议栈体系结构 320

6.3物理层 325

6.4数据链路层 328

6.4.1 数据链路层的层次模型 328

6.4.2 逻辑链路控制子层 331

6.4.3 错误检测和安全 338

6.5介质访问控制子层 338

6.5.1 时隙通信 339

6.5.2 通信表和缓冲区 341

6.5.3 链路调度 346

6.5.4 MAC层操作 349

6.6网络层 357

6.6.1 路由功能 357

6.6.2 NPDU结构 360

6.6.3 安全功能 362

6.6.4 网络层列表 366

6.6.5 NLE状态机 369

6.6.6 网络层管理信息 371

6.7传输层 372

6.7.1 传输层数据单元结构 372

6.7.2 传输通道表 373

6.7.3 TLE状态机 374

6.8应用层 378

6.8.1 应用层接口 378

6.8.2 动态和设备变量 382

6.8.3 主机一致性分类 382

6.9无线 HART系统应用案例 383

6.9.1 基于无线 HART的控制应用 383

6.9.2 基于无线 HART网络的流程工业控制 388

第 7章工业无线通信核心芯片 393

7.1工业物联网核心芯片设计 393

7.1.1 工业物联网核心芯片总体方案设计 393

7.1.2 基于时隙方式的 DLL处理单元设计 394

7.1.3 芯片主要单元设计 397

7.1.4 芯片硬件时间同步设计 400

7.1.5 芯片硬件超帧调度设计 403

7.1.6 芯片硬件安全引擎设计 407

7.2工业物联网核心芯片 UZ/CY2420 408

7.2.1 芯片特性 408

7.2.2 芯片引脚配置 409

7.2.3 芯片封装规格 412

7.3基于 UZ/CY2420的工业物联网产品开发平台 413

7.3.1 开发平台硬件组成 413

7.3.2 开发平台软件组件 415

7.4基于 UZ/CY2420的工业物联网产品开发案例 417

7.4.1 基于 UZ/CY2420的通信模块开发 417

7.4.2 基于 UZ/CY2420的温湿度传感器的开发 418

7.4.3 基于 UZ/CY2420的压力变送器的开发 420

7.4.4 基于 UZ/CY2420的测控系统开发 423

以工业无线技术为代表的工业物联网技术是物联网领域最活跃的主流发展方向。工业物联网技术与应用主要介绍了工业物联网技术与三大工业无线标准的发展历程，探讨了工业无线技术的融合趋势与Heathrow 融合标准；以作者的科研成果为基础，重点介绍了精确时间同步、确定性调度、自适应跳信道、通信链路冗余、轻量级加密等关键技术与实现方法；在叙述IEEE 802.15.4 协议簇标准和物理层、MAC 层的相关技术基础上，介绍了无线HART、WIA-PA、ISA 100.11a 三大标准体系的协议栈、关键模块、典型产品的开发技术与测控系统的开发实例；同时，结合全球首款工业物联网核心芯片——“渝芯一号”，介绍了工业物联网芯片设计方法、开发技术、开发平台和产品开发案例。