各種工業環境皆有其獨特的需求及目的，也需要不同的物聯網解決方案，當然對中間層的通訊傳輸要求自然也不同。在程序自動化工業(Process Automation)上一般皆被歸類於所謂的重工業，其特色是有上中下游的帶狀生產運輸運作，另外是其應用場域通常是占地幅員廣大，環境相當嚴苛，常常處在高溫高濕、高塵粒、高汙染、高爆炸性的作業空間下。
工業環境場域嚴苛 無線技術須具備特殊功能
如常見的油、氣、水、化學等工廠皆屬於這一類的。然而一般的工廠廠房也常有小規模的危險場域如鍋爐(蒸氣高壓)，大宗原物料儲存倉、運輸工具(塵暴)、化學槽或排(高汙染性)。
這些領域基本上皆是具備危險性且人員不便或是無法到達的地方。如何應用高穩定性、高可靠性、高安全性的通訊技術來達到聯網、現場資料採集、設備運作監控的自動化目的呢？有線網路在此種場域不但布建成本相當高，維護成本也驚人，在彈性調整上更是不方便；而隨著無線通訊技術的發展，無線傳輸具有不須布線，安裝重置迅速又簡單的優點。
工業無線感測網路已經成為架構此種重工業聯網一個不可或缺的必要解決方案。根據許多案例統計，一般來說無線網路比有線網路可節省20~30%整體成本，而隨著規模越大，成本效益更是拋物線般擴大，更何況許多場域是有線網路建設無法實施的困難。
然而，適用於嚴苛環境的工業無線技術必須在嚴苛環境中持續運作5~10年甚至更久，也常伴隨著須符合國際防爆認證要求，所以除了必須符合穩定可靠(Reliability)跟安全性(Security)的基本要求外，更要能符合管理(Management)，環境生存(Survival Ability)，以及布建便利性(Deploy Scalability)等條件。
ISA100a滿足工業無線標準
目前適用於此種程序自動化工業的無線網路協議且為標竿產業龍頭廠商所認可的國際標準，只有WirelessHART和ISA100a(IEC 62734)兩種。相較於WirelessHART，ISA100a強調高穩定性，高共容性與抗干擾性。
其設計目標主要應用於高度危險性產業，例如石化廠、煉油廠等重工業，也適用於惡劣環境或特殊環境等的通訊標準。ISA100a無線架構能夠讓自動化工程師快速的創建、修改、最適化，以及擴充一個具備高可靠性、相容性、開放性的工業無線網路，進而滿足種種嚴苛、重要的重工業應用需求。
ISA100a已於2014年9月獲得國際電工委員會(IEC)批准成為正式國際標準，主要內容包括工業無線的網路架構、共存性、穩定性及與有線網路的協作能力，應用設備包括感應器、閘道器(Gateway)、無線手持設備等現場自動化設備。
ISA100a系統運用特性
ISA100a無線通訊標準是第一個開放性、且可於多種工業應用的標準，能支援HART、Profibus、Modbus、FE等各式樣現場總線協議，而不須要汰換現有的現場設備。
經由ISA100的中立相容認證機構(WCI)，其架構可以作工廠自動化、跨場域、跨國際的異地部署及不同品牌設備間的相互操作性(圖2)。由於ISA100a通訊協定的穩定特性，將可應用在其他同樣具危險性，或高度穩定依賴性的產業中，如礦業、食品飲料業或食品原料加工業。
ISA100a的無線通訊為網狀網路(Mesh)拓撲架構來達成與程序控制現場儀表的溝通，具有自組網、自癒合、智慧擴展的多路徑網路特性。自組網為其各節點(Node)皆有智慧性可同一個網段自行組網，無需有上位的控制器介入且系統將會尋找決定最佳路徑。
奠基於穩定/可靠之Mesh無線網格拓撲
自癒合為因其同時保持多路徑的監聽，若某一節點受影響，其他節點會使用其他鄰近節點(Neighborhood)繼續傳輸資訊，使其切換速度可少於100ms等級。智慧擴展為若有節點加入，則該節點便會開始發送並傳遞封包，如同其他節點般運作。Mesh網格拓撲具有容易設定，可輕易完成擴充，只要放置並接上電源，啟動即可新增節點(不須或減少組態設定需求)，且維護需求低，適用於嚴峻的環境條件。
相容性介接各種現場總線協議
除了ISA100a既有的標準資料協議外，ISA100a在現場設備和閘道器之間有支持Tunneling透明通道，這樣即使設備使用的資料協議與ISA100a不相同，透明通道也能可以在整個ISA100a無線網絡上傳遞其他格式數據。
現場儀表設備可以內置ISA100a無線通訊模組，也可以使用ISA100a適配器，以設備原有的資料協議如Modbus、DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP、Profibus和HART等來完成通訊，並將訊息封裝，通過ISA100a無線網路將其傳遞給閘道器。
ISA100a具有IPv6位址，因此外部系統便可以像與其它任何IP設備交互一樣，將訊息傳遞給具有該IP位址的現場設備。
高可靠度又兼具適時性
無線的干擾為不可避免的狀況，ISA100a設計多種機制以求高可靠抗干擾性，ISA100a無線網路可以依劃分的時間配置封包的長度(Time Diversity)，讓資料可以在預計時間點發生。也具有避免碰撞(Collision Avoidance)的機制，讓通道傳輸效率提高。其ISM頻段可切成16頻道搭配不同的跳頻機制進行通訊。在頻譜管理上有Channel Blacklisting跟上述的跳頻機制(Adaptive Hopping)來避免其他無線的干擾。
ISA100.11a無線技術特性
ISA100.11a基於IEEE 802.15.4，定義了通訊協定(Protocol Stack)，系統管理(System Management)和安全性功能(Security Functions)。ISA100.11a沒有指定自動化協議應用層或現有協議的接口，IAS100.11a只有定義接口的工具(圖3)。
ISA100.11a網路層和傳輸層(Network and Transport Layers)基於6LoWPAN，IPv6和UDP標準。ISA100.11a數據鏈路層不兼容IEEE802.15.4 MAC。為了確保資料可靠性加入了跳頻(Frequency Hopping)和時隙時域多路訪問功能(Time-slotted Time Domain Multiple Access Features)，ISA100.11a資料傳輸利用無線網路鏈路層Mesh-Network設計。
ISA100.11a在定義時，基於使用者在工業應用中部署無線感測器網路的設計為考量，主要項目有：
．高度可靠的數據通訊。
．易於部署和使用。
．擴展性。
．標準規範增加相容性。
．資訊安全性。
．延長電池壽命。
．IP可尋址性。
．單個工廠網路中運行的解決方案。
資料傳送時間多樣性(Time Diversity)
所有無線ISA100.11a設備，在通訊前會先分配不同傳送時間與頻段。ISA100.11a技術將通訊時間劃分為可配置長度，而其範圍為10~14ms。每一筆資料最大傳輸時間為4ms，所以每秒傳輸一次資料比為0.004%，傳輸資料將以預定時間點發生，增強了抗干擾性。
避免碰撞(Collision Avoidance)
ISA100.11a技術採用TDMA(Time Division Multiple Access)和CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)(圖4)。
由圖4中可以得知，在訊息發送之前，發送器(Transmitter)將會監聽它打算發送的頻道，藉此評估頻道是否清除。如果頻道不清晰的話，那麼發送器將會在一段隨機時間內停止，然後再嘗試重新發送數據包。
頻率分集(Frequency Diversity)
ISA100.11a將2.4GHz免執照頻段(Unlicensed Band)整合變成16個頻道，設備根據各種頻道跳頻方案進行通訊，每個後續傳輸利用跳變序列中定義的下一個頻道(圖5)。同時，ISA100.11a技術利用頻段黑名單(Channel Blacklisting)與自動跳頻(Adaptive Hopping)，來避免其他無線訊號干擾，例如：
．其他的802.15.4訊號(WirelessHart、Zigbee等)。
．802.11 a、b、g、n、LP。
．藍牙(Bluetooth)。
．微波爐等。
網狀拓撲(Mesh Topologies)
ISA100.11a設備基於MESH Network，將網路狀態傳送回系統管理器(圖6)，其將根據現場設備接收到的診斷和統計訊息進行配置，ISA100.11a設備也能做出即時切換路由決定。
通訊安全
ISA100.11a路由器對路由的數據包進行認證和加密/解密(AES-128)，為了防範各種攻擊，ISA100.11a在安全性方面採用了時間戳。
ISA100.11a網路基於嚴格執行同步時間，在ISA100.11a網路中使用的時間基礎是基於TAI(International Time Atomic)，並且網路內的所有設備都不斷同步到TAI。
傳輸層安全性在隨機數中使用時間戳，指示何時創建數據包。設備的最終收件人嘗試認證數據包，但是如果數據包是在N秒以前的(可配置)，收到的設備將丟棄數據包。這為防止重播攻擊提供了保護，這對於惡意攻擊可能干擾操作的工業應用至關重要。
延長電池壽命(Prolonged Battery Life)
ISA100.11a路由器協調網路調度精準的分配通訊時隙，其餘時間用於深度睡眠模式，然後同步喚醒，以達到延長電池壽命。一般而言ISA100.11A設備在電池供電下可運作3~5年。ISA100.11A規範每個設備須報告預估的電池量給管理系統，管理者可依據電池量管理所有ISA100.11A設備，定義的項目如表1。
網路架構在設備和主機上可同時適應多個協議，應用程序在通用網路基礎架構上以可互操作的方式運行，在主幹(Backnoe)上允許以下的組合：
．有線和無線系統。
．基於IP或非IP的技術。
．專有或標準化技術。
．低頻寬(感測器數據或高頻寬影像、語音)。
ISA100.11a有效解決穩定與電波干擾兩大挑戰
另外，工業無線技術中有許多關鍵性的問題，而「穩定性和可靠性」與「電子波干擾」是最大的兩個採用無線技術的障礙，ISA100.11a基於這些問題提出解決方案。
在Nippon Steel&Sumikin Engineering Co., Ltd測試報告中，使用現場工廠架設ISA100.11a設備，測試50公尺距離，監控數據丟失率及RSSI和PER。在1週的測試期間，結果表明PER的範圍從3%的最低點到最高點19%(圖7)。但是這段時間的數據丟失率被測量為「零」；這意味著在半徑50公尺內，此一連續製程所產生的資料，在無線傳輸到控制系統的過程中沒有任何損失。
嚴苛環境場域的工業無線通訊建築在不同物理特性量測的感知器(例如油槽的液位量測、高壓鍋爐的壓力計、易燃氣體的洩漏偵測等)形成工業無線感測網路。
ISA100a符合各式工業應用
透過各種有線或無線網路拓撲經過不同轉換之後，資訊回饋到雲端或是數據採集與監控系統(SCADA)、分布式控制系統(DCS)作一系列大數據的分析、統計，再回饋到管理決策做生產最佳化，以及監測資料管理與資源調度規畫等程序自動化的應用，以便達到預知維護保養，增進運作效益的目的。
工業無線典型通常被用在下列幾項應用(圖8)：
1.設備或狀況的監控(Monitoring)：持續性長期性的設備或現場監控，如鍋爐的震動或溫度。
2.程序或環境目標值的告警(Alert)，像溫溼度、瓦斯濃度等等數值的提示告警。
3.控制程序動作(Control)：可能是有操作人員會介入的Open Loop或是自動化的Close Loop。
4.安全制動(Safety Instrumented Function, SIF)：全自動化的安全機制連動，基本上此項的應用比較少應用於無線網路，主要是通常其回報率(Reporting Rate)要求在少於1秒內，因此並非ISA100規格上作不到，而是市面支援此應用的設備較少。除此之外，還有幾項典型的設備儀表應用：
．機器健康狀況監看(Machine Health Monitoring)
．採油機監看(Monitoring of Well Heads)
．遠端流程監看(Remote Process Monitoring)
．洩油洩氣監看(Leak Detection Monitoring)
．設備檢驗(Diagnosis of Field Devices)
．環境監控(Environmental Monitoring)
．油槽水位監控(Tank Level Monitoring)
．氣體監控(Gas Detection)
．蒸氣監控(Steam Trap Monitoring)
典型將ISA100a架構導入以分散式控制系統(Distributed Control System, DCS)為管控核心的程序自動化，是藉由工業無線網路通訊(IWSN)將成百上千甚至是上萬個散布在場域上的目標設備、儀表的資料作採集後，傳輸並結合計算機圖形顯示(HMI)、自動化控制技術等，將工業現場各級的控制站和操作員站等連接起來，從而實現生產系統的分散控制和集中管理。
ISA100a導入DCS 自動化生產更容易
這在實現程序自動化運作是相當重要的關鍵，這些系統也通常是計畫性長期、大規模的方案評估及投資。然而除了這些以外，由於工業物聯網的普及，也開始出現小規模化的應用趨勢，如在特定遠端環境監控、人員安全告警、高危險設施監控等單點或少數點部署等。
其特性是現場資料不經過DCS系統，而是適時性直接呈現在現場或雲端的資料蒐集與監控系統顯示介面上，除了遙控外，並適時利用警報系統或搭配視訊監控技術，達到有效遠端監控的目的。
以新漢的ISA100a雲端資料採集監控系統為例子，主要是針對高危險場域的環境及設備監控來設計，該系統主要包含無線/有線感知器、ISA100a適配器(Adaptor)、閘道器(Gateway)、IoT Studio連網服務器、nCare網路，以及設備管理平台、人機介面(HMI)及雲端SCADA戰情室等模組。
上述產品組成雲、管、端三層架構實現遠端的端對端(End-to-End)解決方案，透過安全的網路連線取得監控的資訊，以利進行整體性的雲端後台的大數據分析，將會是未來合乎危險場域布建的工業無線通訊解決方案。
無線感知器/閘道器於危險場域之設計考量
實務上這類設備因為處於危險場域，因此在設計考量上必須涵蓋以下需求：
1.硬體防爆法規設計：須具備相當的防爆安規認證(北美的C1D1/C1D2，ATEX或IEC-Ex)，確保在危險場域運行，不致於因為設備的溫度過高或操作異常點燃火花引起爆炸。
2.機構惡劣環境防護：因為安裝布建大部分都在戶外場所，在設計上必須有比較高防水、防塵等級(例如IP67等級，即使設備浸泡水深一公尺下也不會進水)，外殼必須具備抗UV、抗鹽霧、防腐蝕等機能。
閘道器對於雷擊與靜電防護必須提高到Level 4的等級，即使受到外在電磁干擾依舊穩定運行，不受影響。
3.國際認可之無線協議：採用IEEE802.15.4d之ISA100.11a的無線感測技術。此類無線網路技術基於特有的協議規範，使得布建的無線網路組成具備高度可靠的數據通訊、低功耗感測設備、低延時傳輸，以及高度資訊安全性的特色。因此，最能符合危險區域的工業無線感測網路建置也確保其各廠家現場感知設備的相容性。
除了ISA100無線網路外，現場尚需要能支持其他網路介面的閘道器來用作跟現場人員及設備之溝通，通常5GHz Wi-Fi是主要的無線架構，另外因為現場部署分線的關係，可跳台(Hopping)的Mesh網格拓撲的支持就凸顯能快速布建，彈性調整的優勢了。
網路與設備管理平台所需功能
除網路管理功能、適合M2M所需資訊安全防護之白/黑名單管理以外，同時需能將底層端點的感知訊息傳到上層雲端形成End-to-End(端對端)的通訊管理機能。因此，管理平台須具備以下特色：
1.具備一般網路管理所需的SNMP、LLDP等網管協議功能；甚至，具備工業常用之Modbus協議溝通解析功能。
2.透過閘道器採集各感測器之訊息，並透過拖拉式的簡易操作方式進行採集資訊的Data Path以及異常處置規畫，如新漢之IoT Studio工具。
3.銜接雲端方面，可透過常用的AMQP、MQTT等不同的協議處理方式，讓終端用戶的端點資訊上傳到Mircosoft的Azure、IBM Bluemix等雲端設備。
最後，危險場域通常處在相較偏遠地方，若是設備查修以及資料擷取的維運機制皆必須親到現場處理，對於營運效益以及人身安全都是挑戰。
相較於現場的SCADA監控系統架構，建立在雲端的後台處理以及SCADA監控系統可實現危險場域的實時監控並減少人員暴露在危險場域的風險。
