ISA100无线网络（又称ISA100.11a和IEC 62734）是专为工业应用而开发的无线网络标准。它基于802.15.4无线电收发器规范，工作在2.4 GHz频段，并包括许多扩展功能，以满足过程控制应用的严格要求，如确定性、鲁棒性和安全性。ISA100无线网络适用于各种过程控制应用，如监控和开环及闭环控制，尤其是需要100毫秒级延迟的监管和调节用途。

2005年工业自动化和控制系统行业对无线通信的需求日益增加，推动了ISA（国际自动化协会）启动了ISA100标准的开发。目标是创建一个满足工业环境严格要求的无线标准，特别是在可靠性、实时性和安全性方面。

2007年，ISA100标准委员会正式成立，成员包括来自全球领先的自动化公司、学术机构和标准化组织的专家。委员会的任务是开发一个开放的、可互操作的无线通信标准，以支持工业自动化和控制应用。

系统架构与操作

ISA100无线网络的系统架构包含以下主要组件：

输入/输出（I/O）设备：传感器/执行器设备能够发送和接收消息，而无需作为网状网络中的中继。

路由器：专用的仅用于路由的设备，可以在ISA100无线网络中中继消息。

安全管理器：通常是网关实现的一部分，负责启用、配置和监督基于安全策略的所有网络设备的安全操作。

系统时间源：维护公共时间源以实现网络范围内的时间同步。

配置设备：用于配置、调试和配置新设备的手持终端设备。

网关：在IPv6主干网和工厂有线现场总线网络（如Modbus、OPC或PROFINET）之间翻译消息的设备。

系统管理器：通常是网关实现的一部分，负责资源管理、地址分配、通信调度和设置无线设备之间的路由。

ISA100无线网络基于6LoWPAN（IETF RFC4944标准），使低速率、低功耗无线网络上的IPv6网络成为可能。无线网络作为IPv6网络的一部分，由主干路由器负责在6LoWPAN和IPv6格式之间翻译地址、进行数据包压缩和扩展、以及IP路由。

核心特性与优势

时间多样性：协议使用时间调度来实现确定性通信，由系统管理器集中分配时间槽，优化鲁棒性和延迟。

频率多样性：协议指定了不同的信道跳频方案，每个设备在连续的时间槽之间更换通信频率，提高成功传输的概率，使协议在面对信道选择性衰落和射频干扰时更具弹性。

路径多样性：协议支持冗余路由，增强了网络在路径故障时的鲁棒性。系统管理器基于设备提供的诊断和统计信息，集中管理和适应路由。

可扩展性和灵活性：ISA100无线网络通常可以扩展到每个主干路由器支持50个设备，每个系统管理器支持约500个设备，提供了广泛的配置选项，以满足不同应用的需求。

安全性：ISA100无线标准在OSI堆栈的多个层次上提供先进的安全机制。传输层每条消息可以进行端到端保护，以确保消息的保密性、数据完整性和源认证，而链路层则支持逐跳保护。

应用案例与场景

过程控制和监控：ISA100无线网络广泛应用于石油、天然气、化工等行业的过程控制和监控系统。这些系统需要高可靠性和低延迟的通信，以确保生产过程的安全和高效运行。

环境监测：在环境监测领域，ISA100无线网络用于收集和传输各种传感器数据，如温度、湿度、气体浓度等，以实现对环境的实时监控和数据分析。

智能工厂：在工业4.0背景下，智能工厂需要实现设备之间的无缝通信和数据共享。ISA100无线网络能够提供高带宽、低延迟和高可靠性的通信支持，使得设备间的数据交互更加高效和精准。

资产管理：ISA100无线网络在资产管理中的应用包括设备状态监测和故障预警系统。通过实时监测设备运行状态，可以预防故障发生，提高设备利用率和生产效率。

实施与应用

Silicon Labs提供了一系列2.4 GHz无线SoC，如EFR32MG24，具备实施ISA100无线设备所需的硬件和软件特性。该SoC包括一个符合802.15.4标准的2.4 GHz无线电收发器，在使用ISA100协议的OQPSK DSSS模式下具有-105.4 dBm的灵敏度。EFR32MG24具有1536 kB闪存和256 kB RAM，可以在单个SoC上实现无线堆栈和应用，从而降低了BOM成本。

在软件方面，Silicon Labs提供了一个干净且易于使用的编程框架用于RAIL（无线电抽象接口层）库，这是对EFR32无线电硬件级自定义的最直接接口。Silicon Labs还提供了其他无线技术的SoC，如蓝牙低能耗（BLE），可用于扩展ISA100无线的当前功能。

总结

ISA100无线网络是一个广泛应用于过程自动化行业的工业标准，适用于监控和开环及闭环控制应用。虽然该标准基于802.15.4无线电规范，但ISA100无线的扩展功能增加了许多灵活性，以满足严格的要求，如确定性、鲁棒性和安全性。通过在无线节点和IPv6主干中使用6LoWPAN，ISA100无线网络实现了无缝操作和可扩展性。

Silicon Labs提供了一系列符合这些要求的2.4 GHz无线SoC，如EFR32MG24，具备实施ISA100无线设备所需的硬件和软件特性，使得在工业物联网（IIoT）领域的应用变得更加便捷和高效。