ZigBee標準是由ZigBee聯(lián)盟制定的一組基于802.15.4協(xié)議,關于組網(wǎng)、安全和應用方面的低成本和低功耗雙向通信標準。該標準致力于短距離、低速率無線通信的研究,強調(diào)簡易組網(wǎng)、恰如其分的實現(xiàn)傳輸要求。ZigBee協(xié)議明確定義了三種拓撲結(jié)構(gòu),即星型結(jié)構(gòu)(star)、簇狀結(jié)構(gòu)(cluster tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(mesh),如圖1所示。并定義了兩種相互配合使用的物理設備:全功能設備FFD (Full Function Device)和精簡功能設備RFD (Reduced Function Device)。

       (1)全功能設備支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu),可以作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者和普通協(xié)調(diào)者,并且可以和網(wǎng)絡中任何一種設備進行通信。

       (2)精簡功能設備只支持星型結(jié)構(gòu),不能成為網(wǎng)絡中任一形式的協(xié)商者。它只可以和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者進行通信,功能實現(xiàn)較為簡單。

       從ZigBee協(xié)議定義的三種拓撲結(jié)構(gòu)中可以看出,由全功能模塊構(gòu)成的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責整個網(wǎng)絡的管理工作,獲取網(wǎng)絡中節(jié)點信息,存儲整個網(wǎng)絡的“地圖”,識別網(wǎng)絡內(nèi)各節(jié)點的功能,協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡中各節(jié)點與中央控制室的通信,因此網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器是構(gòu)建一個ZigBee網(wǎng)絡的關鍵所在。

       WIA-PA標準是由我國科技人員自主研發(fā)成功的,用于構(gòu)建符合中國微功率(短距離)無線電設備的技術要求的流程工業(yè)用監(jiān)視和測控網(wǎng)絡。WIA-PA網(wǎng)絡采用star-mesh兩層拓撲結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場設備構(gòu)成星型網(wǎng)絡,降低了現(xiàn)場設備協(xié)議的復雜性,提高了現(xiàn)場設備加入和退出網(wǎng)絡的靈活性。路由設備構(gòu)成mesh網(wǎng)絡,提高了通信的可靠性和網(wǎng)絡的可擴展能力。WIA-PA網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示,網(wǎng)絡中定義了以下7類邏輯角色:

       (1) 網(wǎng)關:負責WIA-PA網(wǎng)絡與工廠內(nèi)的其他網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射;

       (2) 冗余網(wǎng)關:負責網(wǎng)關的熱備份;

       (3) 網(wǎng)絡管理者:負責構(gòu)建由路由設備構(gòu)成的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu),監(jiān)測全網(wǎng)性能;

       (4) 安全管理者:負責路由設備及現(xiàn)場設備的密鑰管理與安全認證;

       (5) 簇首:作為網(wǎng)絡管理者的代理,負責構(gòu)建由現(xiàn)場設備和路由設備組成的星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡,監(jiān)測星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡性能;作為安全管理者的代理,負責合并及轉(zhuǎn)發(fā)簇成員的數(shù)據(jù);負責轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首的數(shù)據(jù);

       (6) 冗余簇首:負責簇首的熱備份;

       (7) 簇成員:負責獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并發(fā)送到族首。

       WIA-PA網(wǎng)絡管理涉及對網(wǎng)絡設備的物理屬性以及與通信、組網(wǎng)過程相關的屬性的管理。網(wǎng)絡管理任務由網(wǎng)絡管理者和簇首共同完成,這些功能主要涉及到網(wǎng)絡地址分配、路由配置、通信資源配置和網(wǎng)絡性能監(jiān)測等。用于系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡管理者和安全管理者在實現(xiàn)時可通過網(wǎng)關或中央控制室的計算機執(zhí)行。一種類型的物理設備可以擔任多個邏輯角色,例如網(wǎng)關設備可以擔任網(wǎng)關、冗余網(wǎng)關、網(wǎng)絡管理者、安全管理者等多種角色,但一個網(wǎng)關設備不能同時擔任網(wǎng)關與冗余網(wǎng)關的角色;路由設備可以擔任簇首和冗余簇首的角色,一個路由設備不能同時擔任簇首與冗余族首的角色;現(xiàn)場設備和手持設備只能擔任簇成員的角色。

       無線HART標準釆用了由美國Dust Networks公司幵發(fā)的面向工業(yè)傳感器網(wǎng)絡可靠通信的無線短程協(xié)議技術TSMP(Time Synchronization Mesh Protocol)協(xié)議。TSMP同ZigBee協(xié)議類似,也是一種基于IEEE 802.15.4基礎的無線短程網(wǎng)絡協(xié)議。但它并不像ZigBee協(xié)議一樣完全應用IEEE 802.15.4協(xié)議的底層物理層和介質(zhì)訪問控制層,而是在IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層的基礎上,自行開發(fā)了介質(zhì)訪問控制層和網(wǎng)絡層的無線短程網(wǎng)絡協(xié)議。

      無線HART技術工作于2.4GHz ISM射頻頻段,具有安全、穩(wěn)健的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu),通過將所有信息統(tǒng)統(tǒng)打包在一個數(shù)據(jù)包內(nèi),使用IEEE802.15.4兼容的直序擴頻DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)和跳頻技術FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum),傳送數(shù)據(jù)包。無線HART通信利用時分多址訪問技術TDMA(Time Division MultipleAccess)來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡設備間的通信。TDMA數(shù)據(jù)鏈路層以指定時間槽和信道的方式來建立網(wǎng)絡中各設備間的鏈接,這些鏈接組成周期性重復的超頓結(jié)構(gòu),支持定時循環(huán)的通信流和非循環(huán)的通信流。為了彈性地利用通信帶寬,鏈接可以是專用的,也可以是共享的。

      無線HART網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在無線HART網(wǎng)絡中,網(wǎng)絡管理器負責網(wǎng)絡的組態(tài)、無線HART網(wǎng)絡設備之間的通信調(diào)度、路由表的管理以及整個網(wǎng)絡健康狀況的報告。網(wǎng)關僅承擔現(xiàn)場無線終端采集儀表與中央控制系統(tǒng)之間的橋梁通信,它既支持一個或多個接入點,又和其接入點都包括在每個無線HART網(wǎng)絡中,另外也支持冗余網(wǎng)關的結(jié)構(gòu)。這一特點與許多無線短程網(wǎng)規(guī)定的網(wǎng)關承擔網(wǎng)絡的組態(tài)有顯著的不同,較好地解決了工業(yè)控制系統(tǒng)要求以冗余機制獲取可靠傳輸?shù)膯栴}。

       ISA SP100標準定義了子網(wǎng)的OSI協(xié)議棧、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡特性、系統(tǒng)管理器、網(wǎng)關和安全規(guī)范等。ISA SP100標準的應用側(cè)重為周期監(jiān)控和過程控制的執(zhí)行,容許100ms或更短的延遲。

        ISASP100的網(wǎng)絡中規(guī)定了所有設備的邏輯角色,一種邏輯角色對應一種功能。如果一個設備充當某種邏輯角色,那么它必須能夠?qū)崿F(xiàn)標準規(guī)定的該角色相應的功能。ISA SP100網(wǎng)絡中定義的邏輯角色包括:系統(tǒng)管理器、網(wǎng)關、骨干路由器、系統(tǒng)時鐘源、配置、非路由設備和現(xiàn)場路由器。設備類型包括現(xiàn)場設備和基礎結(jié)構(gòu)設備。一個ISA SP100網(wǎng)絡必須有至少一個系統(tǒng)管理器和一個安全管理器,有一個或多個網(wǎng)關。一個物理設備可能承擔多個邏輯角色,圖4描述了物理設備以及它們可能承擔的邏輯角色的類別。在這個網(wǎng)絡中包含以下幾種物理設備:傳感器、執(zhí)行器、路由器、手持設備和工作站。工作站擔任了網(wǎng)關、系統(tǒng)管理器和安全管理器的邏輯角色;兩個專職的路由器負責骨干路由器的功能,其他路由器擔任現(xiàn)場路由器的角色;掌上型電腦承擔了手持設備的邏輯角色;低層的路由器承擔了配置角色;幾個執(zhí)行器承擔了非路由設備的角色;其中一個傳感器節(jié)點承擔了非路由設備的角色,另外兩個傳感器節(jié)點承擔了現(xiàn)場路由器的角色。

       ISASP100網(wǎng)絡特性如下:支持星狀、網(wǎng)狀和星網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu);支持低功耗的非路由現(xiàn)場設備;網(wǎng)關作為現(xiàn)場設備至有線控制網(wǎng)絡的接入點,為現(xiàn)場設備到有線控制網(wǎng)絡提供單一的或全冗余路徑;支持數(shù)據(jù)完整性、加密、數(shù)據(jù)認證等安全措施。ISA SP100標準支持骨干網(wǎng),可以通過高效的骨干網(wǎng)更為直接地無線傳遞數(shù)據(jù)信息,這樣可以減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù),在網(wǎng)絡規(guī)模較大時優(yōu)勢尤為明顯。為了增加機動性, ISA SP100沒有指定主干網(wǎng)絡的類型,可以是無線或有線以太網(wǎng)等任何高數(shù)據(jù)率網(wǎng)絡。

       自定義協(xié)議

       主要是各個開發(fā)廠商根據(jù)應用需要自己定義的協(xié)議標準。