摘 要：工业物联网已在国内外引起了非常大的关注，比如“中国制造2025”以及“德国工业4.0”。工业物联网可以分为感知层、网络层以及应用层，其中感知层起到了连接物理世界的重要作用。文章通过对工业物联网感知层主流无线通信协议进行对比分析，从不同的角度（比如物理层频率、调制技术、网络拓扑、网络寿命以及实时性等）对比各种协议的优缺点，并对协议的应用领域进行了展望，从而为行业应用提供了参考。
关键词：物联网；感知层；无线通信；协议
0 引 言
2013年4月德国政府在汉诺威工业博览会上正式提出 “工业4.0”，目的是为了在新一轮工业革命中占领先机。2015年5月中国国务院公布强化高端制造业的国家战略规划“中国制造2025”，希望通过新一代信息技术（云计算、大数据、物联网）与制造业融合，提升传统制造业水平[1]。不管是德国“工业4.0”还是“中国制造2025”，都希望将物联网技术深度融入现有工业系统，提升工业系统的信息化水平。
工业物联网系统的架构主要分为三个层次：最底层为感知层，中间为网络层，最上层为应用层[2，3]。感知层主要包括无线传感器网络以及RFID等系统。感知层可以采集到现有工业系统的物理参数，通过无线网络网关传递给网络层。网络层主要包括现有的有线网络或者移动通信网络。网络层是整个物联网系统的骨干，可以把分布于广泛区域的感知层网络联接起来。应用层主要是对底层采集的信息进行集中分析、处理及控制。
目前存在很多现有的感知层无线网络通信协议，不同的协议适用于不同的应用场景。本文首先详细分析了各个协议 （包括短距离无线通信网络协议以及低功耗广域网络协议）的技术特点，然后从不同的维度（频段、网络拓扑、网络寿命、实时性等）对比分析了不同无线网络协议的优缺点以及适用范围。最后，针对不同行业的应用特点，展望了各种无线网络协议的应用前景。
1 短距离无线通信网络
物联网系统是一种跟实际应用强相关的系统，特别是在感知层，没有一种感知层协议能够适用于所有的应用场景。比如有的应用比较适合采用短距离自组织网络，而有的应用却适合采用低功耗广域网络。文中将对当前主流短距离无线通信网络协议进行详细分析及比较，主要包括ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA以及ZigBee。
1.1 ISA100.11a
ISA100.11a由国际自动化学会（ISA）下属的ISA100工业无线委员会制定，是工业级无线传感器网络国际标准之一[4]。ISA100.11a于2014年9月获得国际电工委员会（IEC）的批准，成为正式国际标准IEC 62734。
ISA100.11a基于IEEE 802.15.4协议，工作于ISM 2.4 GHz频段。由于ISA100.11a主要面向工业自动化领域，可靠性与实时性是协议设计之初的重要指标。为了达到工业要求的实时性和可靠性，ISA100.11a在物理层采用了IEEE 802.15.4的 PHY（信道11至信道26），采用O-QPSK调制方式。在数据链路层整合了IEEE 802.15.4的MAC层以及跳信道、确定性时隙调度技术[5，6]。在数据链路层提供高可靠性和实时性的基础上，为了让ISA100.11a网络能够方便的接入工业自动化现场现有的IP网络，ISA100.11a在网络层整合了6lowPAN的网络技术，在网络层可以将运行IPv6协议的骨干网络与子网无缝连接与转换。ISA100.11a网络层则主要负责网络层帧头的装载和解析，数据报文的分片和重组，IP帧头的压缩等。
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