Erforschung der Fortschritte und Implementierung von WirelessHART für industrielle IoT-Anwendungen

Einführung

Highway Addressable Remote Transducer (HART) ist ein kabelgebundenes Kommunikationsprotokoll, das in der Prozessindustrie weit verbreitet ist. Mit über 40 Millionen installierten Geräten ist HART der globale Standard für die digitale Kommunikation über 4-20 mA analoge Stromschleifen, die verteilte Steuerungssysteme mit Feldgeräten wie Sensoren und Aktuatoren verbinden.

WirelessHART wurde 2007 als erstes industrielles Mesh-Protokoll eingeführt, das die drahtlose Fähigkeit zu HART hinzufügt, während die Abwärtskompatibilität mit bestehenden HART-Systemen beibehalten wird. WirelessHART verwendet einen standardmäßigen 802.15.4-Funktransceiver, der auf das weltweit zugängliche 2,4-GHz-Frequenzband beschränkt ist. In den höheren Schichten des Protokollstapels beinhaltet WirelessHART zahlreiche Anpassungen und Erweiterungen gegenüber dem 802.15.4-Standard, um die strengen Anforderungen industrieller Anwendungen zu erfüllen, wie niedrige Latenz, Determinismus, Robustheit und Sicherheit. Die folgenden Abschnitte bieten einen Überblick über WirelessHART.

WirelessHART: Systemarchitektur und Betrieb

Ein WirelessHART-System ist in Abbildung 1 dargestellt und beinhaltet die folgenden Komponenten:

Ein WirelessHART-Netzwerk wird um das Gateway herum gebildet, das in der Regel sowohl als Sicherheitsmanager als auch als Netzmanager fungiert. Es initialisiert das drahtlose Netzwerk und fügt neue Feldgeräte hinzu, wenn diese in Betrieb genommen werden. Als Sicherheitsmanager ist es verantwortlich für die Erzeugung, Speicherung und Verwaltung von Sicherheitsschlüsseln sowie für die Pflege und Kontrolle der Netzwerkkontrollliste. Als Netzmanager ist es verantwortlich für die zentrale Organisation der Funkübertragungszeitpläne, der Frequenzsprungsequenz und der Kommunikationsrouten im gesamten drahtlosen Mesh-Netzwerk. Es ist auch verantwortlich für die Verwaltung der Topologie, die Überwachung der Netzwerkgesundheit und die Anpassung der Routen zwischen den Feldgeräten.

Das resultierende drahtlose Netzwerk ist ein redundantes, selbstorganisierendes, selbstheilendes, adaptives Mesh-Netzwerk, das zentral vom Netzwerkmanager verwaltet werden kann. Die zentrale Konfiguration ermöglicht eine Optimierung für verschiedene Bedürfnisse, wie z.B. Robustheit, Latenz, Determinismus oder Batterielebensdauer. Um beispielsweise die Robustheit zu erhöhen, bietet WirelessHART die folgenden Techniken:

Seit der Einführung von WirelessHART haben Prozessindustrien mehrere Richtlinien und bewährte Praktiken für die Implementierung und Nutzung des WirelessHART-Protokolls entwickelt. So kann bei der Übertragungsreichweite eine Einzelhop-Kommunikation eine Reichweite von 30 m bei Vorhandensein von Hindernissen erreichen, jedoch ist eine viel größere Reichweite ohne Hindernisse oder in einem Mehrhop-Kommunikationssetup möglich. Ebenso kann eine Netzwerklatenz von weniger als 100 ms im Fall einer Sterntopologie erreicht werden, aber die erreichte Latenz hängt generell von der Netzwerkgröße und -topologie ab. Schließlich kann die Netzwerkgröße auf 80 Geräte skalieren, ohne Leistungseinbußen zu erfahren, kann jedoch mit Leistungskompromissen, zum Beispiel in Latenz, Durchsatz oder Batterielebensdauer, sogar noch weiter auf 250 Geräte anwachsen.

WirelessHART-Protokollstapel

Der OSI-Kommunikations-Stack von WirelessHART ist in Abbildung 2 dargestellt.

Die physikalische Schicht von WirelessHART verwendet den 802.15.4 (2006) Standard mit der Einschränkung, nur 15 weltweit unterstützte Kanäle zu nutzen, wie in Abbildung 3 gezeigt. Dies vereinfacht das Design, den Zertifizierungsprozess und die Bereitstellung von WirelessHART-Geräten in verschiedenen Ländern erheblich, ohne dass länderspezifische Konfigurationsänderungen erforderlich sind. WirelessHART verwendet 2 MHz breite RF-Kanäle, die 5 MHz auseinander liegen, mit einer maximalen Sendeleistung von 10 dBm. Es nutzt Offset-Quadratur-Phasenumtastung (OQPSK) Modulation und eine Datenrate von 250 kbps. Schließlich ermöglicht die Verwendung von Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) dem drahtlosen Standard, widerstandsfähig gegen RF-Interferenzen und Kanalverblassen zu sein.

Um eine robuste Kommunikation in Industriequalität im überlasteten 2,4-GHz-Frequenzband zu erreichen, verwendet WirelessHART die folgenden Techniken: Die MAC-Schicht von WirelessHART nutzt das Time Division Multiple Access (TDMA), um kollisionsfreie und deterministische Kommunikation zu erreichen. Das Protokoll nutzt das Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), um nach jedem Zeitfenster auf einem anderen drahtlosen Kanal zu kommunizieren, und schließlich unterstützt das Protokoll das Ausschließen von drahtlosen Kanälen, die stark überlastet sind und eine schlechte Leistung aufweisen.

Um eine robuste industriegerechte Kommunikation im überlasteten 2,4-GHz-Frequenzband zu erreichen, verwendet WirelessHART folgende Techniken: Die MAC-Schicht von WirelessHART nutzt Time Division Multiple Access (TDMA), um eine kollisionsfreie und deterministische Kommunikation zu gewährleisten. Das Protokoll nutzt Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), um nach jedem Zeitfenster auf einem anderen Funkkanal zu kommunizieren, und schließlich unterstützt das Protokoll das Ausschließen von Funkkanälen, die stark überlastet sind und eine schlechte Leistung aufweisen.

Die Kommunikation zwischen WirelessHART-Geräten erfolgt in 10 ms langen Zeitschlitzen. Während jedes Zeitschlitzes sendet das sendende Gerät ein Datenpaket und wartet auf eine Bestätigung vom Empfänger. Das Protokoll bildet einen Superframe, indem es eine konfigurierbare Anzahl solcher Zeitschlitze zuweist, die sich periodisch wiederholt, wie in Abbildung 4 gezeigt. Der Superframe wird zentral vom Netzwerkmanager gesteuert, der jedem Zeitschlitz ein sendendes und empfangendes Gerät sowie den drahtlosen Kanal zuweist, über den die Kommunikation stattfindet. Die resultierende Zeitschlitz- und Kanalzuweisung wird an die Feldgeräte zur individuellen Funkplanung verteilt. Darüber hinaus unterstützt der Standard auch Funktionen wie Nachrichtenübertragung und das Teilen von Zeitschlitzen unter mehreren Sendern auf Wettbewerbsbasis unter Verwendung von Carrier Sense Multiple Access (CSMA).

Die Netzwerkschicht von WirelessHART unterstützt mehrere Routing-Mechanismen, um ein robustes Mesh-Netzwerk aufzubauen. Zwei der Mechanismen sind unten aufgeführt:

Die Netzwerkschicht von WirelessHART macht es zu einem hoch konfigurierbaren Protokoll, da der Netzwerkmanager die volle Kontrolle sowohl über den netzwerkweiten F/TDMA-Zeitplan als auch über das Graph-Routing hat. Der Netzwerkmanager kann beispielsweise sowohl das Routing-Schema als auch die MAC-Schicht optimieren, um geringe Latenz und verbesserte Gesamtrobustheit zu erreichen. Bei der Optimierung für Latenz kann der Netzwerkmanager das Netzwerk auf eine Stern-Topologie beschränken oder Routen von Interesse im Routing-Graphen basierend auf dem F/TDMA-Zeitplan priorisieren. Ebenso kann der Netzwerkmanager zur Verbesserung der Robustheit einem Gerät erlauben, mehrere Zeitschlitze zu nutzen oder die Routenvielfalt für die gleiche Übertragung zu erhöhen.

Die Transportschicht von WirelessHART bietet verbindungsorientierte Kommunikation zwischen der Host-Anwendung und den Feldgeräten mit Hilfe von End-zu-Ende-Bestätigungen und automatischen Wiederholungsanfragen (ARQ). Darüber hinaus unterstützt WirelessHART auch eine verbindungslose Übertragung ohne Bestätigung, die für Fälle geeignet ist, in denen ein reduzierter Overhead bevorzugt wird.

Obwohl die Anwendungsschicht von WirelessHART eine Kommando-Antwort-Art der Kommunikation übernimmt, unterstützt sie auch andere Arten, wie z. B. einseitige Datenveröffentlichung, spontane Benachrichtigungen und Blockübertragung großer Datenmengen. Im kommandoorientierten Kommunikationsmodus stellt die HART-Anwendungsschicht die Interoperabilität mit älteren HART-Geräten sicher. Die folgenden Arten von Befehlen werden in der Kommunikation verwendet:

Sicherheit in WirelessHART

WirelessHART bietet Sicherheit auf mehreren Ebenen im OSI-Stack durch die Verwendung von 128-Bit-AES-Verschlüsselung. Auf der Netzwerkschicht ist jede Nachricht durch End-to-End-Schutz gesichert, um die Vertraulichkeit der Nachrichten, die Authentizität der Quelle und die Datenintegrität zu gewährleisten. Zusätzlich wird ein gemeinsamer Schlüssel von allen Geräten im Netzwerk genutzt, um das Broadcasting von Nachrichten zu erleichtern. Jedes Gerät erhält während der Inbetriebnahme individuelle Schlüssel, die regelmäßig aktualisiert werden, um ein noch höheres Schutzniveau zu bieten. Darüber hinaus sind der Inbetriebnahmeprozess und die Kommunikation mit den drahtlosen Handgeräten ebenfalls gesichert. Neben der Sicherheit der Netzwerkschicht bietet auch die MAC-Schicht Datenintegrität zwischen aufeinanderfolgenden Kommunikations-Hops im Mesh-Netzwerk.

Implementierung von WirelessHART mit Silicon Labs SoC

Silicon Labs bietet drahtlose SoCs, wie den EFR32MG24, der als Grundlage für die Implementierung eines WirelessHART-Produkts dienen kann. Dieses spezielle SoC beinhaltet einen 802.15.4 konformen 2,4 GHz Funktransceiver, der eine Empfindlichkeit von -105,4 dBm beim Betrieb im OQPSK DSSS-Modus aufweist, der von WirelessHART verwendet wird. Der 1536 kB Flash und 256 kB RAM des EFR32MG24 können sowohl den drahtlosen Stack als auch die Anwendung auf einem einzigen SoC integrieren, was somit einen niedrigen BOM-Kosten ermöglicht. Darüber hinaus kann das SoC in den Betriebsarten Host, Network Co-Processor (NCP) und Radio Co-Processor (RCP) arbeiten, um verschiedene Architekturen zu unterstützen. Auf der Softwareseite bietet Silicon Labs ein sauberes und benutzerfreundliches Programmier-Framework für die RAIL (Radio Abstraction Interface Layer) Bibliothek, die die direkteste Schnittstelle zur hardwareseitigen Anpassung von EFR32-Radios darstellt.

Zusammenfassung

WirelessHART ist ein Industriestandard, der in Prozessautomatisierungs-, Steuerungs- und Überwachungssystemen verwendet wird. Obwohl es den 802.15.4-Funktransceiver verwendet, wurden zahlreiche Anpassungen wie Direct Sequence Spread Spectrum, Frequenzsprungverfahren usw. hinzugefügt. Dies ermöglicht dem Protokoll, die Auswirkungen von HF-Interferenzen und Kanalverblassen zu mindern und damit die strengen Anforderungen industrieller Anwendungen zu erfüllen. Darüber hinaus kann WirelessHART als zentral verwaltetes Mesh-Netzwerk redundante Routen zwischen den drahtlosen Knoten im Netzwerk unterstützen, was es ermöglicht, das Robustheitskriterium zu erreichen. Schließlich gewährleistet WirelessHART die Abwärtskompatibilität mit verkabeltem HART, indem es bestehende Geräte, Befehle und Software-Tools unterstützt. Als IoT-Lösungsanbieter verfügen Silicon Labs SoCs, wie z. B. EFR32MG24, über die erforderlichen Hardware- und Software-Funktionen zur Implementierung eines WirelessHART-Geräts.