活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---將無(wú)線技術(shù)引入傳感器2012

    摘要：WirelessHART是面向過(guò)程控制和資產(chǎn)管理可靠的協(xié)議。近幾年，工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化用戶(hù)選用WirelessHART協(xié)議已超過(guò)其它標(biāo)準(zhǔn)，該通信協(xié)議從而成為最好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本文較全面論述WirelessHART工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳送技術(shù)、時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TSMP）、系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用，以及WirelessHART無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與設(shè)計(jì)。較詳細(xì)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(guān)，它將消除回程電纜，大大提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和進(jìn)一步降低成本。最后，給出WirelessHART組網(wǎng)設(shè)計(jì)的原則。

   關(guān)鍵詞：無(wú)線HART；傳感器網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)架構(gòu)；集成WLAN網(wǎng)關(guān)；組網(wǎng)設(shè)計(jì)

    1 概述

    HART （Highway Addressable Remote Transducer）可尋址遠(yuǎn)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(kāi)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(huì)。

    HART協(xié)議采用基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控FSK技術(shù)，在現(xiàn)有的4~20mA模擬信號(hào)上迭加FSK信號(hào)，以1200Hz信號(hào)表示邏輯1，以2200Hz信號(hào)表示邏輯0，它成功地使模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)雙向通信能同時(shí)進(jìn)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多站網(wǎng)絡(luò)，并且能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的各項(xiàng)特性進(jìn)行清晰描述。

    由于HART數(shù)據(jù)能與通常使用的4~20mA信號(hào)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(dǎo)線數(shù)量。因?yàn)镠ART儀表既具有常規(guī)模擬性能，又具有數(shù)字性能，所以HART設(shè)備可以向后兼容不具有HART能力的現(xiàn)有主系統(tǒng)。事實(shí)上，目前已安裝的HART設(shè)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(shè)備的應(yīng)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(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。HART儀表的上述優(yōu)點(diǎn)吸引了世界各地廣大的最終用戶(hù)，到目前為止，HART設(shè)備的安裝量已超過(guò)三千萬(wàn)臺(tái)。2001年，HART通信協(xié)議正式成為IEC61158第四版現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的第20種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線。

    多年來(lái)，HART通信基金會(huì)一直有組織的進(jìn)行HART協(xié)議的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)工作，一直收集最終用戶(hù)在使用后反饋的意見(jiàn)，不斷集成HART儀表供應(yīng)商的創(chuàng)新理念，經(jīng)過(guò)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(wú)線物理介質(zhì)，從而產(chǎn)生了WirelessHART通信協(xié)議，它將使得過(guò)程測(cè)量和控制領(lǐng)域產(chǎn)生新的變革。

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

    Wireless HART協(xié)議構(gòu)筑在IEEE802.15.4無(wú)線平臺(tái)上，工作頻率為專(zhuān)用于工業(yè)、科技和醫(yī)療（ISM）應(yīng)用的，無(wú)需許可證的2.4GHz寬帶信道，該頻率采用DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和FHSS跳頻擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)保證安全和可靠性，并采用時(shí)分多址（TDMA）的同步、隱式報(bào)文控制通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信。它強(qiáng)制規(guī)定所有的兼容設(shè)備必須支持可互操作性，不同供應(yīng)商提供的WirelessHART設(shè)備無(wú)需進(jìn)行系統(tǒng)操作就能實(shí)現(xiàn)互換，即連即用。Wireless HART向后兼容現(xiàn)有的HART設(shè)備和應(yīng)用，傳統(tǒng)的HART應(yīng)用，無(wú)需進(jìn)行任何軟件升級(jí)，都可以利用WirelessHART協(xié)議。該協(xié)議已成為IEC62591 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

   2.1 時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TSMP）

    WirelessHART采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)裝置都可為其它裝置的報(bào)文提供路由功能。換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)裝置無(wú)需直接與網(wǎng)關(guān)通信而只需將其發(fā)送的報(bào)文傳遞到最近的下一個(gè)裝置。這樣就擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)范圍，并增加了冗余通信路由能力，最終增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)可靠性。為了保證冗余路由途徑保持開(kāi)放和暢路，報(bào)文將持續(xù)在冗余路徑之間進(jìn)行切換選擇。就如Internet技術(shù)中那樣，如果一條報(bào)文無(wú)法通過(guò)某一路由到達(dá)目的地，它將自動(dòng)重新路由到一條正確的冗余路徑上，而且數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。因此，Wireless HART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自愈特性，即動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能。

   Wi r e l e s sHART 真正的優(yōu)勢(shì)是時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TSMP），該協(xié)議提供冗余技術(shù)和保證在時(shí)間、頻率以及空間上不會(huì)中斷，從而確保即使在極其惡劣的無(wú)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(luò)路由所需的智能功能。其結(jié)果是可以構(gòu)筑一個(gè)短程（廠內(nèi)50~100m）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)無(wú)需專(zhuān)門(mén)技術(shù)安裝容易，能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的各種變化，并能按需進(jìn)行擴(kuò)展。

    TSMP的時(shí)間同步通信、跳頻、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)建、全冗余網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由、以及安全報(bào)文傳送等5項(xiàng)技術(shù)是確保端—端網(wǎng)絡(luò)可靠性，安裝簡(jiǎn)便和提高電源效率的關(guān)鍵。

    使用時(shí)間同步通信，網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)設(shè)備都支持精準(zhǔn)的時(shí)間概念，這樣就能與相鄰設(shè)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(kuò)展的通信，所有設(shè)備—設(shè)備的通信都應(yīng)該在一個(gè)預(yù)調(diào)度窗口（長(zhǎng)度為10ms）內(nèi)產(chǎn)生。除按時(shí)間調(diào)度傳送外，TSMP也會(huì)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(shí)也有效地減少了電源的消耗，使得設(shè)備使用小容量電池就能維持運(yùn)行幾年。
       
               
                                圖1 WirelessHART 頻率和時(shí)間是多變的

    TSMP網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)是它的自組織能力。由于實(shí)現(xiàn)了“全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得每臺(tái)設(shè)備都具有多條冗余通信路徑。網(wǎng)絡(luò)中不存在減化功能或沒(méi)有路由的節(jié)點(diǎn)。全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(luò)維持長(zhǎng)期的，不許干預(yù)的可靠性和預(yù)測(cè)性。
   
    每臺(tái)設(shè)備都具有發(fā)現(xiàn)相鄰設(shè)備、測(cè)量RF信號(hào)強(qiáng)度、采集同步和跳頻信息的智能功能，從而能構(gòu)建或斷開(kāi)與相鄰設(shè)備的鏈接。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都由唯一的ID地址定義，然后與節(jié)點(diǎn)一起綁定至網(wǎng)絡(luò)。這就使得多個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)存在，無(wú)需分享數(shù)據(jù)或出錯(cuò)路由的報(bào)文。

    2.2 WirelessHART傳送數(shù)據(jù)技術(shù)

   WirelessHART采用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）和直接序列擴(kuò)頻（DSSS）相組合的無(wú)線傳輸技術(shù)，以提供干擾抑制（FHSS）和編碼增益（DSSS），從而構(gòu)建了非常強(qiáng)有力的抗干擾處理機(jī)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(jī)序列改變頻率。這個(gè)偽隨機(jī)系列是幾個(gè)頻率的列表，發(fā)送器通過(guò)應(yīng)用跳頻序列來(lái)選擇傳輸?shù)男蛄小０l(fā)送器頻率從一個(gè)子信道跳到另一個(gè)子信道上。在事先定義好的時(shí)間里，在每個(gè)信道發(fā)送突發(fā)短數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用小數(shù)量的時(shí)間跳躍到下一個(gè)頻率（跳躍時(shí)間）。當(dāng)這個(gè)頻率列表被用完時(shí)，發(fā)送器將重復(fù)這個(gè)序列。接收器與發(fā)送器之間跳頻序列同步進(jìn)行。簡(jiǎn)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(wú)線傳輸?shù)念l率。FHSS傳輸系統(tǒng)通過(guò)不斷改變傳輸頻率避開(kāi)干擾源。對(duì)于具有較強(qiáng)干擾的工業(yè)過(guò)程應(yīng)用場(chǎng)合，F(xiàn)HSS可以進(jìn)行長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，傳輸速率較低，但抗干擾能力極強(qiáng)，是一種非常可靠的傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)。

    直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)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(kuò)頻碼序列擴(kuò)展信號(hào)的擴(kuò)展頻譜技術(shù)，在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解調(diào)，把被擴(kuò)展的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。換句話(huà)說(shuō)，每個(gè)信息位對(duì)應(yīng)生成一個(gè)假的任意代碼，這個(gè)代碼會(huì)把有用的窄頻信號(hào)擴(kuò)成寬頻信號(hào)。由于擴(kuò)頻導(dǎo)致傳輸能量分散，所以某個(gè)特定頻率信號(hào)強(qiáng)度便降低了。這個(gè)寬頻信號(hào)通過(guò)天線發(fā)送，由使用相同擴(kuò)頻代碼發(fā)生器的接收器接收，這樣就能接收到有用信號(hào)。當(dāng)一個(gè)干擾信號(hào)進(jìn)入無(wú)線傳輸時(shí)，這個(gè)窄頻干擾信號(hào)便通過(guò)擴(kuò)頻代碼發(fā)生器傳輸?shù)浇邮掌鳎藭r(shí)它已被轉(zhuǎn)換成寬頻信號(hào)（噪音）。DSSS適用于中等距離信號(hào)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(shù)

    WirelessHART采用強(qiáng)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(luò)和數(shù)據(jù)保護(hù)。

    • 標(biāo)準(zhǔn)的128位AES加密，每條報(bào)文都有唯一的加密密鑰，保護(hù)數(shù)據(jù)不被截獲；

    • 通過(guò)使用由32位報(bào)文完整性碼（MIC）保護(hù)數(shù)據(jù)包源地址，文電鑒別能夠驗(yàn)證發(fā)送者的有效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的驗(yàn)證；

   • 完整性能夠確保報(bào)文通過(guò)同一的MIC毫不變更地進(jìn)行傳送。

   3 WirelessHART系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)備類(lèi)型

    WirelessHART核心技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)已相當(dāng)成熟，并且還在不斷地完善。它的靈活性和適應(yīng)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(gòu)成如圖2所示。從圖2中可看出，WirelessHART設(shè)備主要分為三種類(lèi)型：無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、適配器和網(wǎng)關(guān)。
      
              
                          圖2 WirelessHART系統(tǒng)架構(gòu)  

    3.1 無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

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