活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---將無(wú)線(xiàn)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)其它標準，該通信協(xié)議從而成為最好的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )國際標準。本文較全面論述WirelessHART工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、數據傳送技術(shù)、時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（TSMP）、系統架構、網(wǎng)絡(luò )系統應用，以及WirelessHART無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(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)設計的原則。

   關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)HART；傳感器網(wǎng)絡(luò )；系統架構；集成WLAN網(wǎng)關(guān)；組網(wǎng)設計

    1 概述

    HART （Highway Addressable Remote Transducer）可尋址遠程傳感器數據公路通信協(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通信標準的頻移鍵控FSK技術(shù)，在現有的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字信號雙向通信能同時(shí)進(jìn)行，而不互相干擾。HART協(xié)議還能在一根雙絞線(xiàn)上以全數字的方式通信，支持15個(gè)現場(chǎng)設備的多站網(wǎng)絡(luò )，并且能對現場(chǎng)儀表的各項特性進(jìn)行清晰描述。

    由于HART數據能與通常使用的4~20mA信號共享同一根雙絞線(xiàn)，從而減化了接線(xiàn)方式和采集所有數據所需的導線(xiàn)數量。因為HART儀表既具有常規模擬性能，又具有數字性能，所以HART設備可以向后兼容不具有HART能力的現有主系統。事實(shí)上，目前已安裝的HART設備90%都連接到不具有利用HART數據能力的傳統主系統，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，比起傳統的模擬儀表具有較強的價(jià)格優(yōu)勢。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設備的安裝量已超過(guò)三千萬(wàn)臺。2001年，HART通信協(xié)議正式成為IEC61158第四版現場(chǎng)總線(xiàn)標準的第20種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)。

    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(xiàn)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)議構筑在IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)平臺上，工作頻率為專(zhuān)用于工業(yè)、科技和醫療（ISM）應用的，無(wú)需許可證的2.4GHz寬帶信道，該頻率采用DSSS直接序列擴頻技術(shù)和FHSS跳頻擴頻技術(shù)來(lái)保證安全和可靠性，并采用時(shí)分多址（TDMA）的同步、隱式報文控制通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )設備通信。它強制規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(wú)需進(jìn)行系統操作就能實(shí)現互換，即連即用。Wireless HART向后兼容現有的HART設備和應用，傳統的HART應用，無(wú)需進(jìn)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(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 )拓樸結構。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的每一個(gè)裝置都可為其它裝置的報文提供路由功能。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)送的報文傳遞到最近的下一個(gè)裝置。這樣就擴展了網(wǎng)絡(luò )范圍，并增加了冗余通信路由能力，最終增強了網(wǎng)絡(luò )可靠性。為了保證冗余路由途徑保持開(kāi)放和暢路，報文將持續在冗余路徑之間進(jìn)行切換選擇。就如Internet技術(shù)中那樣，如果一條報文無(wú)法通過(guò)某一路由到達目的地，它將自動(dòng)重新路由到一條正確的冗余路徑上，而且數據不會(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(xiàn)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。其結果是可以構筑一個(gè)短程（廠(chǎng)內50~100m）無(wú)線(xiàn)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)適應環(huán)境的各種變化，并能按需進(jìn)行擴展。

    TSMP的時(shí)間同步通信、跳頻、節點(diǎn)自動(dòng)加入和網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)構建、全冗余網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )路由、以及安全報文傳送等5項技術(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 )中的每臺設備都支持精準的時(shí)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(gè)預調度窗口（長(cháng)度為10ms）內產(chǎn)生。除按時(shí)間調度傳送外，TSMP也會(huì )根據不同的頻率調度產(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，使得設備使用小容量電池就能維持運行幾年。
       
               
                                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)現了“全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )”拓撲結構，使得每臺設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)有路由的節點(diǎn)。全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )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(luò )維持長(cháng)期的，不許干預的可靠性和預測性。
   
    每臺設備都具有發(fā)現相鄰設備、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(kāi)與相鄰設備的鏈接。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)需分享數據或出錯路由的報文。

    2.2 WirelessHART傳送數據技術(shù)

   WirelessHART采用跳頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）相組合的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，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傳輸系統中，工作頻段被分割成一系列子信道，載波根據偽隨機序列改變頻率。這個(gè)偽隨機系列是幾個(gè)頻率的列表，發(fā)送器通過(guò)應用跳頻序列來(lái)選擇傳輸的序列。發(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)短數據，然后應用小數量的時(shí)間跳躍到下一個(gè)頻率（跳躍時(shí)間）。當這個(gè)頻率列表被用完時(shí)，發(fā)送器將重復這個(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(xiàn)傳輸的頻率。FHSS傳輸系統通過(guò)不斷改變傳輸頻率避開(kāi)干擾源。對于具有較強干擾的工業(yè)過(guò)程應用場(chǎng)合，FHSS可以進(jìn)行長(cháng)距離信號傳輸，傳輸速率較低，但抗干擾能力極強，是一種非?？煽康膫鬏敂祿夹g(shù)。

    直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)是用于ISM頻段的另一種傳輸數據方法。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(shù)，在接收端用相同的擴頻碼序列進(jìn)行解調，把被擴展的擴頻信號還原成原始的信息。換句話(huà)說(shuō)，每個(gè)信息位對應生成一個(gè)假的任意代碼，這個(gè)代碼會(huì )把有用的窄頻信號擴成寬頻信號。由于擴頻導致傳輸能量分散，所以某個(gè)特定頻率信號強度便降低了。這個(gè)寬頻信號通過(guò)天線(xiàn)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(gè)干擾信號進(jìn)入無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)，這個(gè)窄頻干擾信號便通過(guò)擴頻代碼發(fā)生器傳輸到接收器，此時(shí)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據。

    2.3 WirelessHART信息安全技術(shù)

    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(luò )和數據保護。

    • 標準的128位AES加密，每條報文都有唯一的加密密鑰，保護數據不被截獲；

    • 通過(guò)使用由32位報文完整性碼（MIC）保護數據包源地址，文電鑒別能夠驗證發(fā)送者的有效性，實(shí)現對每個(gè)數據包的驗證；

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

   3 WirelessHART系統架構與設備類(lèi)型

    WirelessHART核心技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)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系統構成如圖2所示。從圖2中可看出，WirelessHART設備主要分為三種類(lèi)型：無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備、適配器和網(wǎng)關(guān)。
      
              
                          圖2 WirelessHART系統架構  

    3.1 無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備

    無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備與過(guò)程或工廠(chǎng)設施連接，該設備可以是一臺具有內置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。這就使得現有工廠(chǎng)很容易擴展或在新的安裝中能夠快速利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)。由于電纜成本或環(huán)境限制過(guò)去不能訪(fǎng)問(wèn)的測量點(diǎn)，現在能夠很容易采集到數據。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設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。