活動鏈接：2012年控制網(wǎng)技術專題---將無線技術引入傳感器2012

    摘要：WirelessHART是面向過程控制和資產(chǎn)管理可靠的協(xié)議。近幾年，工業(yè)過程自動化用戶選用WirelessHART協(xié)議已超過其它標準，該通信協(xié)議從而成為最好的無線傳感器網(wǎng)絡國際標準。本文較全面論述WirelessHART工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡技術的優(yōu)點、數(shù)據(jù)傳送技術、時間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議（TSMP）、系統(tǒng)架構、網(wǎng)絡系統(tǒng)應用，以及WirelessHART無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)與設計。較詳細闡述了菲尼克斯電氣公司最近研發(fā)的具有WLAN能力的WirelessHART智能網(wǎng)關，它將消除回程電纜，大大提高網(wǎng)絡的靈活性和進一步降低成本。最后，給出WirelessHART組網(wǎng)設計的原則。

   關鍵詞：無線HART；傳感器網(wǎng)絡；系統(tǒng)架構；集成WLAN網(wǎng)關；組網(wǎng)設計

    1 概述

    HART （Highway Addressable Remote Transducer）可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)公路通信協(xié)議，最早于1986年由Rosemount公司開發(fā)，得到了100余家儀表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金會。

    HART協(xié)議采用基于Bell202通信標準的頻移鍵控FSK技術，在現(xiàn)有的4~20mA模擬信號上迭加FSK信號，以1200Hz信號表示邏輯1，以2200Hz信號表示邏輯0，它成功地使模擬信號與數(shù)字信號雙向通信能同時進行，而不互相干擾。HART協(xié)議還能在一根雙絞線上以全數(shù)字的方式通信，支持15個現(xiàn)場設備的多站網(wǎng)絡，并且能對現(xiàn)場儀表的各項特性進行清晰描述。

    由于HART數(shù)據(jù)能與通常使用的4~20mA信號共享同一根雙絞線，從而減化了接線方式和采集所有數(shù)據(jù)所需的導線數(shù)量。因為HART儀表既具有常規(guī)模擬性能，又具有數(shù)字性能，所以HART設備可以向后兼容不具有HART能力的現(xiàn)有主系統(tǒng)。事實上，目前已安裝的HART設備90%都連接到不具有利用HART數(shù)據(jù)能力的傳統(tǒng)主系統(tǒng)，但是，在這種HART設備的應用中，為了組態(tài)可以使用公共的編程工具，能夠賦予儀表較多的智能功能，比起傳統(tǒng)的模擬儀表具有較強的價格優(yōu)勢。HART儀表的上述優(yōu)點吸引了世界各地廣大的最終用戶，到目前為止，HART設備的安裝量已超過三千萬臺。2001年，HART通信協(xié)議正式成為IEC61158第四版現(xiàn)場總線標準的第20種類型的現(xiàn)場總線。

    多年來，HART通信基金會一直有組織的進行HART協(xié)議的創(chuàng)新開發(fā)工作，一直收集最終用戶在使用后反饋的意見，不斷集成HART儀表供應商的創(chuàng)新理念，經(jīng)過了近二十年的發(fā)展，于2007年6月推出了HART 7通信協(xié)議版本，在物理層增加了新的無線物理介質，從而產(chǎn)生了WirelessHART通信協(xié)議，它將使得過程測量和控制領域產(chǎn)生新的變革。

   2 WirelessHART面向過程控制和資產(chǎn)管理可靠的協(xié)議

    Wireless HART協(xié)議構筑在IEEE802.15.4無線平臺上，工作頻率為專用于工業(yè)、科技和醫(yī)療（ISM）應用的，無需許可證的2.4GHz寬帶信道，該頻率采用DSSS直接序列擴頻技術和FHSS跳頻擴頻技術來保證安全和可靠性，并采用時分多址（TDMA）的同步、隱式報文控制通信技術進行網(wǎng)絡設備通信。它強制規(guī)定所有的兼容設備必須支持可互操作性，不同供應商提供的WirelessHART設備無需進行系統(tǒng)操作就能實現(xiàn)互換，即連即用。Wireless HART向后兼容現(xiàn)有的HART設備和應用，傳統(tǒng)的HART應用，無需進行任何軟件升級，都可以利用WirelessHART協(xié)議。該協(xié)議已成為IEC62591 國際標準。

   2.1 時間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議（TSMP）

    WirelessHART采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓樸結構。網(wǎng)狀網(wǎng)絡的每一個裝置都可為其它裝置的報文提供路由功能。換句話說，一個裝置無需直接與網(wǎng)關通信而只需將其發(fā)送的報文傳遞到最近的下一個裝置。這樣就擴展了網(wǎng)絡范圍，并增加了冗余通信路由能力，最終增強了網(wǎng)絡可靠性。為了保證冗余路由途徑保持開放和暢路，報文將持續(xù)在冗余路徑之間進行切換選擇。就如Internet技術中那樣，如果一條報文無法通過某一路由到達目的地，它將自動重新路由到一條正確的冗余路徑上，而且數(shù)據(jù)不會丟失。因此，Wireless HART網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有自組織和自愈特性，即動態(tài)組網(wǎng)功能。

   Wi r e l e s sHART 真正的優(yōu)勢是時間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議（TSMP），該協(xié)議提供冗余技術和保證在時間、頻率以及空間上不會中斷，從而確保即使在極其惡劣的無線環(huán)境中也具有很高的可靠性。TSMP也提供自組織、自愈網(wǎng)狀網(wǎng)絡路由所需的智能功能。其結果是可以構筑一個短程（廠內(nèi)50~100m）無線網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡無需專門技術安裝容易，能夠自動適應環(huán)境的各種變化，并能按需進行擴展。

    TSMP的時間同步通信、跳頻、節(jié)點自動加入和網(wǎng)絡自動構建、全冗余網(wǎng)狀網(wǎng)絡路由、以及安全報文傳送等5項技術是確保端—端網(wǎng)絡可靠性，安裝簡便和提高電源效率的關鍵。

    使用時間同步通信，網(wǎng)絡中的每臺設備都支持精準的時間概念，這樣就能與相鄰設備保持同步。為了避免產(chǎn)生碰撞，提高電源效率和完成可擴展的通信，所有設備—設備的通信都應該在一個預調(diào)度窗口（長度為10ms）內(nèi)產(chǎn)生。除按時間調(diào)度傳送外，TSMP也會根據(jù)不同的頻率調(diào)度產(chǎn)生每次傳送，如圖1所示。這樣就極大地提高了有效帶寬，同時也有效地減少了電源的消耗，使得設備使用小容量電池就能維持運行幾年。
       
               
                                圖1 WirelessHART 頻率和時間是多變的

    TSMP網(wǎng)絡的主要優(yōu)點是它的自組織能力。由于實現(xiàn)了“全網(wǎng)狀網(wǎng)絡”拓撲結構，使得每臺設備都具有多條冗余通信路徑。網(wǎng)絡中不存在減化功能或沒有路由的節(jié)點。全網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構具有自組織和自愈特性，在環(huán)境發(fā)生變化的情況下，仍然能使網(wǎng)絡維持長期的，不許干預的可靠性和預測性。
   
    每臺設備都具有發(fā)現(xiàn)相鄰設備、測量RF信號強度、采集同步和跳頻信息的智能功能，從而能構建或斷開與相鄰設備的鏈接。每個網(wǎng)絡都由唯一的ID地址定義，然后與節(jié)點一起綁定至網(wǎng)絡。這就使得多個網(wǎng)絡能夠同時存在，無需分享數(shù)據(jù)或出錯路由的報文。

    2.2 WirelessHART傳送數(shù)據(jù)技術

   WirelessHART采用跳頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）相組合的無線傳輸技術，以提供干擾抑制（FHSS）和編碼增益（DSSS），從而構建了非常強有力的抗干擾處理機制。

    在FHSS傳輸系統(tǒng)中，工作頻段被分割成一系列子信道，載波根據(jù)偽隨機序列改變頻率。這個偽隨機系列是幾個頻率的列表，發(fā)送器通過應用跳頻序列來選擇傳輸?shù)男蛄小０l(fā)送器頻率從一個子信道跳到另一個子信道上。在事先定義好的時間里，在每個信道發(fā)送突發(fā)短數(shù)據(jù)，然后應用小數(shù)量的時間跳躍到下一個頻率（跳躍時間）。當這個頻率列表被用完時，發(fā)送器將重復這個序列。接收器與發(fā)送器之間跳頻序列同步進行。簡單地講，發(fā)送器和接收器按照事先約定好的、只有雙方知道的順序不斷改變無線傳輸?shù)念l率。FHSS傳輸系統(tǒng)通過不斷改變傳輸頻率避開干擾源。對于具有較強干擾的工業(yè)過程應用場合，F(xiàn)HSS可以進行長距離信號傳輸，傳輸速率較低，但抗干擾能力極強，是一種非常可靠的傳輸數(shù)據(jù)技術。

    直接序列擴頻（DSSS）技術是用于ISM頻段的另一種傳輸數(shù)據(jù)方法。DSSS是在發(fā)送端用高碼率的擴頻碼序列擴展信號的擴展頻譜技術，在接收端用相同的擴頻碼序列進行解調(diào)，把被擴展的擴頻信號還原成原始的信息。換句話說，每個信息位對應生成一個假的任意代碼，這個代碼會把有用的窄頻信號擴成寬頻信號。由于擴頻導致傳輸能量分散，所以某個特定頻率信號強度便降低了。這個寬頻信號通過天線發(fā)送，由使用相同擴頻代碼發(fā)生器的接收器接收，這樣就能接收到有用信號。當一個干擾信號進入無線傳輸時，這個窄頻干擾信號便通過擴頻代碼發(fā)生器傳輸?shù)浇邮掌鳎藭r它已被轉換成寬頻信號（噪音）。DSSS適用于中等距離信號傳輸，傳輸速率較高，可以傳輸大流量的數(shù)據(jù)。

    2.3 WirelessHART信息安全技術

    WirelessHART采用強大的信息安全措施，包括信息加密、文電鑒別和信息完整性，以提供最大程度的網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)保護。

    • 標準的128位AES加密，每條報文都有唯一的加密密鑰，保護數(shù)據(jù)不被截獲；

    • 通過使用由32位報文完整性碼（MIC）保護數(shù)據(jù)包源地址，文電鑒別能夠驗證發(fā)送者的有效性，實現(xiàn)對每個數(shù)據(jù)包的驗證；

   • 完整性能夠確保報文通過同一的MIC毫不變更地進行傳送。

   3 WirelessHART系統(tǒng)架構與設備類型

    WirelessHART核心技術經(jīng)過多年的開發(fā)已相當成熟，并且還在不斷地完善。它的靈活性和適應能力使得它能夠很好地適用于惡劣工業(yè)環(huán)境。WirelessHART系統(tǒng)構成如圖2所示。從圖2中可看出，WirelessHART設備主要分為三種類型：無線現(xiàn)場設備、適配器和網(wǎng)關。
      
              
                          圖2 WirelessHART系統(tǒng)架構  

    3.1 無線現(xiàn)場設備

    無線現(xiàn)場設備與過程或工廠設施連接，該設備可以是一臺具有內(nèi)置Wireless HART的設備，也可以是與WirelessHART適配器相連的具有HART功能的設備。這就使得現(xiàn)有工廠很容易擴展或在新的安裝中能夠快速利用無線技術。由于電纜成本或環(huán)境限制過去不能訪問的測量點，現(xiàn)在能夠很容易采集到數(shù)據(jù)。同時，無線現(xiàn)場設備可以使用多種不同電源供電，包括太陽能、交流電、回路供電或電池。