CAN协议工业无线网络中的自组织与自管理之心
在工业自动化领域，现场设备（如仪表和执行器）的无线连接至关重要。ANSI/ISA100.11a和WirelessHART是两种常见的无线协议，它们被国际电工委员会（IEC）标准化，并广泛应用于全球范围内。
这两个协议共享一些特点，如使用相同的低功耗IEEE802.15.4无线技术。WirelessHART网络是一种自我修复且自组织的网状结构，而ISA100.11a同样具有自我修复能力，每个节点都可以配置冗余路径，以确保通信连通性。不过，网络管理方式有所不同。关键在于如何形成通信路径以及是否采用网格技术，这种技术决定了各个现场设备之间如何双向通信。
图1展示了路由器如何在各种仪器和网关之间布局，有助于管理数据流量并减少对网格的依赖。
WirelessHART的一大优势是其简单易用性，它避免了早期过程总线战争期间出现的问题，那些问题导致许多自动化供应商认识到，即便拥有先进技术，如果无法实现也可能难以将其转化为实际应用。这促使WirelessHART采用传统有线HART协议工具与技术，但通过无线进行通信。
由于它具备自组织功能，网络中的设备可以动态地确定彼此应该怎样交换数据。一旦某个单一发射器发送数据到相邻设备，该数据会被接收并传递给其他设备，一直到达到最终目的地——即网关。这会引入一定延迟，但通常不算是一个主要考虑因素。这种自组织机制有效且具有优势，但同时也带来了一些挑战：
WirelessHART的自组织意味着可扩展性可能成为问题，因为每个网关都有处理数量限制，比如最大支持100台设备。
自组织并不总是意味着最佳性能或最优路径。在某些情况下，即使添加更多设备，也无法消除瓶颈或减少信号需要穿越多远才能抵达目的地。
网络根据需要调整自身，使得对于试图探索或破坏该网络的人来说提供了攻击面的入口点，如“虫洞”攻击专门针对特定目的而设计，虽然不会破坏主机但可能干扰正常通信。
物理布局可能导致创建的通信路径过度依赖少数关键节点，这些节点承担大量数据传输，从而增加它们遭遇故障时影响整个网络风险。
尽管如此，WirelessHART协议意识到了这些潜在问题，并提出了解决方案：
对于通过夹点进行通信的无线设备，其可靠性、带宽和功耗均受限。此外，对于电池供电或清洁能源供电（如太阳能）的装置尤其要注意，因為额外负载会缩短电池寿命或者影响清洁能源效率。
WirelessHART分析工具能够监控通讯路径及其成员状态等信息，以识别已形成夹点位置并警告运行人员。但由于缺乏手动旁路选项，无法直接纠正这些条件造成的问题；必须重新安排事物直至找到适当解决方案，或是在另一个位置添加新的网关设置新路径。
为了应对这些挑战，可以选择更大的标准编制工作，以支持复杂制造环境中不仅包括现场设施，还涵盖整体生产环境。为了获得最高性能与安全性的比重，在简化的情况下加入必要规划与管理变得必要，同时保持现场总线可用性不受影响。
另一方面，与之竞争的是ISA100系列标准，其中第3组负责开发ISA100.11a产品，该标准从2013年起开始推出。在实施工程阶段做好简单规划和思考，将显著改善所有涉及到的链路质量。在信号传播基础上指导天线部署避免钢罐、钢结构等复杂工厂环境中的干扰，以及避免面临诸多缺点。此外，可以利用路由器作为中继站，而不是将大型系统中的所有设备直接连接到同一条链路中，因此减少每台单独移动信号所需时间加速整体速度，同时降低功耗。此举特别适用于刷新率非常低但长时间处于休眠状态的大型水箱液位指示器，由此节省电力。当重大网络断开打乱了任何一个地方与其主路由器间联系时，则随后会寻找辅助路由器继续活动下去。如果单一仪表尝试发送消息至特定地点，可以使用定向天线增强信号强度提高成功概率。而工程师则负责建立这些链路，一旦建立，就通常保持静态，最终只需偶尔调整以应对意料之外事件就足够了。
因此，在实施ISA100.11a项目时，大量考虑都会帮助确保稳定的长期运行，有时候仅需轻微移动天线即可完美解决问题，不再需要持续不断调整以维持良好的操作状况。
