Exploration des avancées et de la mise en œuvre de WirelessHART pour les applications IoT industrielles

Introduction

Le Highway Addressable Remote Transducer (HART) est un protocole de communication filaire largement utilisé dans les industries de transformation. Avec plus de 40 millions de dispositifs déployés, HART est la norme mondiale pour la communication numérique sur des boucles de courant analogiques 4-20 mA, reliant des systèmes de contrôle distribués aux instruments de terrain tels que les capteurs et les actionneurs.

WirelessHART a été introduit en 2007 comme le premier protocole maillé industriel ajoutant des capacités sans fil à HART tout en maintenant la compatibilité rétroactive avec les systèmes HART existants. WirelessHART utilise un émetteur-récepteur radio standard 802.15.4 limité à la bande de fréquence 2,4 GHz accessible mondialement. Dans les couches supérieures de la pile de protocoles, WirelessHART inclut de nombreuses adaptations et extensions au standard 802.15.4 pour répondre aux exigences strictes des applications industrielles, telles que la faible latence, le déterminisme, la robustesse et la sécurité. Les sections suivantes donnent un aperçu de WirelessHART.

WirelessHART : Architecture du système et fonctionnement

Un système WirelessHART est illustré dans la Figure 1 et comprend les composants suivants :

Un réseau WirelessHART est formé autour de la passerelle, qui agit généralement à la fois comme gestionnaire de sécurité et gestionnaire de réseau. Elle initialise le réseau sans fil et ajoute de nouveaux appareils de terrain lors de leur mise en service. En tant que gestionnaire de sécurité, elle est responsable de la génération, du stockage et de la gestion des clés de sécurité, ainsi que du maintien et du contrôle de la liste d'accès au réseau. En tant que gestionnaire de réseau, elle est chargée d'organiser de manière centralisée les calendriers de transmission radio, la séquence de saut de fréquence et les itinéraires de communication dans l'ensemble du réseau maillé sans fil. Elle est également responsable de la gestion de la topologie, de la surveillance de la santé du réseau et de l'adaptation des itinéraires entre les appareils de terrain.

Le réseau sans fil résultant est un réseau maillé redondant, auto-organisé, auto-réparateur et adaptatif, qui peut être géré de manière centralisée par le gestionnaire de réseau. La configuration centrale permet une optimisation pour divers besoins, tels que la robustesse, la latence, le déterminisme ou la durée de vie de la batterie. Par exemple, pour augmenter la robustesse, WirelessHART propose les techniques suivantes :

Depuis l'introduction de WirelessHART, les industries de processus ont élaboré plusieurs lignes directrices et bonnes pratiques pour le déploiement et l'utilisation du protocole WirelessHART. Par exemple, en ce qui concerne la portée de transmission, les communications à saut unique peuvent atteindre une portée de 30 m en présence d'obstacles, mais une portée beaucoup plus longue est réalisable sans obstacles ou dans une configuration de communication multi-sauts. De même, une latence réseau inférieure à 100 ms peut être atteinte dans le cas d'une topologie en étoile, mais la latence obtenue dépend généralement de la taille et de la topologie du réseau. Enfin, la taille du réseau peut évoluer jusqu'à 80 appareils sans impact sur les performances, mais peut s'étendre encore davantage jusqu'à 250 appareils avec des compromis sur les performances, par exemple, en termes de latence, de débit ou d'autonomie de la batterie.

Pile de protocoles WirelessHART

La pile de communication OSI de WirelessHART est illustrée à la Figure 2.

La couche physique de WirelessHART utilise la norme 802.15.4 (2006) avec la restriction de n'utiliser que 15 canaux pris en charge dans le monde entier, comme illustré à la Figure 3. Cela simplifie grandement la conception, le processus de certification et le déploiement des dispositifs WirelessHART dans différents pays sans nécessiter de modifications de configuration spécifiques à chaque pays. WirelessHART utilise des canaux RF de 2 MHz de large, espacés de 5 MHz, avec une puissance de transmission maximale de 10 dBm. Il utilise une modulation par décalage de phase en quadrature (OQPSK) et un débit de données de 250 kbps. Enfin, l'utilisation du spectre étalé à séquence directe (DSSS) permet à la norme sans fil d'être résistante aux interférences RF et à l'évanouissement des canaux.

Pour assurer une communication robuste de qualité industrielle dans la bande de fréquence encombrée de 2,4 GHz, WirelessHART utilise les techniques suivantes : La couche MAC de WirelessHART utilise le Time Division Multiple Access (TDMA) pour garantir une communication sans collision et déterministe. Le protocole exploite le Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) pour communiquer sur un canal sans fil différent après chaque intervalle de temps, et enfin, le protocole permet d'exclure les canaux sans fil fortement encombrés et présentant de faibles performances.

Pour garantir une communication robuste de qualité industrielle dans la bande de fréquences encombrée de 2,4 GHz, WirelessHART utilise les techniques suivantes : la couche MAC de WirelessHART utilise la méthode d'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) pour une communication sans collision et déterministe. Le protocole exploite la technique de saut de fréquence à spectre étalé (FHSS) pour communiquer sur un canal sans fil différent après chaque intervalle de temps, et enfin, le protocole prend en charge l'exclusion des canaux sans fil fortement encombrés et souffrant de mauvaises performances.

La communication entre les dispositifs WirelessHART s'effectue dans des créneaux de temps de 10 ms. Pendant chaque créneau, l'appareil émetteur envoie un paquet de données et attend une confirmation du récepteur. Le protocole forme une supertrame en allouant un nombre configurable de tels créneaux de temps, qui se répètent périodiquement, comme illustré à la Figure 4. La supertrame est contrôlée de manière centrale par le gestionnaire de réseau, qui alloue chaque créneau de temps à un dispositif émetteur et récepteur, ainsi qu'au canal sans fil sur lequel a lieu la communication. L'allocation des créneaux de temps et des canaux résultante est distribuée aux dispositifs de terrain pour la planification individuelle des radios. En outre, la norme prend également en charge des fonctionnalités telles que la diffusion de messages et le partage des créneaux de temps entre plusieurs émetteurs sur une base de contention en utilisant Carrier Sense Multiple Access (CSMA).

La couche réseau de WirelessHART prend en charge plusieurs mécanismes de routage pour établir un réseau maillé robuste. Deux de ces mécanismes sont listés ci-dessous :

La couche réseau de WirelessHART en fait un protocole hautement configurable car le gestionnaire de réseau a un contrôle total sur l'horaire F/TDMA de l'ensemble du réseau ainsi que sur le routage par graphe. Par exemple, le gestionnaire de réseau peut optimiser à la fois le schéma de routage et la couche MAC pour atteindre une faible latence et améliorer la robustesse globale. Lors de l'optimisation pour la latence, le gestionnaire de réseau peut limiter le réseau à une topologie en étoile ou prioriser les routes d'intérêt dans le graphe de routage en fonction de l'horaire F/TDMA. De même, lors de l'amélioration de la robustesse, le gestionnaire de réseau peut permettre à un appareil d'utiliser plusieurs créneaux horaires ou ajouter une diversité de routes pour une même transmission.

La couche de transport de WirelessHART assure une communication orientée connexion entre l'application hôte et les appareils de terrain à l'aide de confirmations de bout en bout et de demandes de répétition automatique (ARQ). De plus, WirelessHART prend également en charge un transport sans connexion sans confirmation, ce qui convient aux cas où une surcharge réduite est préférable.

Alors que la couche application de WirelessHART adopte un type de communication par commande-réponse, elle prend également en charge d'autres types, tels que la publication unidirectionnelle de données, les notifications spontanées et le transfert en bloc de données volumineuses. En mode de communication orienté commande, la couche application HART assure l'interopérabilité avec les dispositifs HART existants. Les types de commandes suivants sont utilisés dans la communication :

Sécurité dans WirelessHART

WirelessHART fournit une sécurité à plusieurs niveaux dans la pile OSI en utilisant un chiffrement AES 128 bits. Dans la couche réseau, chaque message est protégé de bout en bout pour garantir la confidentialité des messages, l'authenticité de la source et l'intégrité des données. De plus, une clé partagée commune est utilisée par tous les dispositifs du réseau pour faciliter la diffusion des messages. Des clés individuelles sont attribuées à chaque dispositif lors de la mise en service et sont mises à jour périodiquement pour offrir un niveau de protection encore plus élevé. Par ailleurs, le processus de mise en service et la communication avec les dispositifs portables sans fil sont également sécurisés. En plus de la sécurité de la couche réseau, la couche MAC garantit également l'intégrité des données entre les sauts de communication successifs dans le réseau maillé.

Mise en œuvre de WirelessHART avec Silicon Labs SoC

Silicon Labs propose des SoC sans fil, tels que l'EFR32MG24, qui peuvent servir de base pour la mise en œuvre d'un produit WirelessHART. Ce SoC spécifique inclut un émetteur-récepteur radio 2,4 GHz conforme à la norme 802.15.4, offrant une sensibilité de -105,4 dBm lorsqu'il fonctionne en mode OQPSK DSSS utilisé par WirelessHART. La mémoire flash de 1536 kB et la RAM de 256 kB de l'EFR32MG24 permettent d'intégrer à la fois la pile sans fil et l'application sur un seul SoC, permettant ainsi de réduire le coût de la nomenclature. De plus, le SoC peut fonctionner en modes Host, Network Co-Processor (NCP) et Radio Co-Processor (RCP) pour prendre en charge différentes architectures. Du côté logiciel, Silicon Labs fournit un cadre de programmation clair et facile à utiliser pour la bibliothèque RAIL (Radio Abstraction Interface Layer), qui est l'interface la plus directe pour la personnalisation au niveau matériel des radios EFR32.

Résumé

WirelessHART est une norme industrielle utilisée dans les systèmes d'automatisation, de contrôle et de surveillance des processus. Bien qu'il utilise le transcepteur radio 802.15.4, de nombreuses adaptations, telles que le spectre étalé par séquences directes, le saut de fréquence, etc., ont été ajoutées. Cela permet au protocole d'atténuer les effets des interférences RF et de l'affaiblissement des canaux, répondant ainsi aux besoins stricts des applications industrielles. De plus, en étant un réseau maillé géré de manière centralisée, WirelessHART est capable de prendre en charge des itinéraires redondants entre les nœuds sans fil du réseau, ce qui lui permet d'atteindre l'exigence de robustesse. Enfin, WirelessHART maintient la compatibilité avec les versions antérieures de HART filaire, ce qui inclut la prise en charge des appareils, des commandes et des outils logiciels existants. En tant que fournisseur de solutions IoT, les SoCs de Silicon Labs, tels que l’EFR32MG24, possèdent les fonctionnalités matérielles et logicielles nécessaires pour implémenter un appareil WirelessHART.