Esplorare i progressi e l'implementazione di WirelessHART per applicazioni industriali IoT

Introduzione

Il protocollo di comunicazione cablato Highway Addressable Remote Transducer (HART) è ampiamente utilizzato nelle industrie di processo. Con oltre 40 milioni di dispositivi installati, HART è lo standard globale per la comunicazione digitale su anelli di corrente analogici da 4-20 mA, collegando i sistemi di controllo distribuiti con gli strumenti da campo, come sensori e attuatori.

WirelessHART è stato introdotto nel 2007 come il primo protocollo mesh industriale che aggiunge la capacità wireless a HART mantenendo la compatibilità retroattiva con i sistemi HART esistenti. WirelessHART utilizza un ricetrasmettitore radio standard 802.15.4 limitato alla banda di frequenza 2.4 GHz accessibile globalmente. Nei livelli più alti dello stack di protocollo, WirelessHART include numerosi adattamenti ed estensioni rispetto allo standard 802.15.4 per soddisfare le rigide esigenze delle applicazioni industriali, come bassa latenza, determinismo, robustezza e sicurezza. Le sezioni seguenti forniscono una panoramica di WirelessHART.

WirelessHART: Architettura di sistema e funzionamento

Un sistema WirelessHART è mostrato nella Figura 1, e include i seguenti componenti:

Una rete WirelessHART viene formata attorno al gateway, che di solito agisce sia come gestore della sicurezza sia come gestore di rete. Inizia la rete wireless e aggiunge nuovi dispositivi di campo quando vengono messi in servizio. Come gestore della sicurezza, è responsabile della generazione, archiviazione e gestione delle chiavi di sicurezza, oltre a mantenere e controllare la lista di accesso alla rete. Come gestore di rete, è responsabile dell'organizzazione centralizzata dei programmi di trasmissione radio, della sequenza di salto di frequenza e delle rotte di comunicazione lungo tutta la rete mesh wireless. È anche responsabile della gestione della topologia, del monitoraggio della salute della rete e dell'adattamento delle rotte tra i dispositivi di campo.

La rete wireless risultante è una rete mesh ridondante, auto-organizzante, auto-riparativa e adattiva, che può essere gestita centralmente dal gestore di rete. La configurazione centrale consente l'ottimizzazione per varie esigenze, come robustezza, latenza, determinismo o durata della batteria. Ad esempio, per aumentare la robustezza, WirelessHART offre le seguenti tecniche:

Dall'introduzione di WirelessHART, le industrie di processo hanno sviluppato diverse linee guida e migliori pratiche per l'implementazione e l'uso del protocollo WirelessHART. Ad esempio, per quanto riguarda il raggio di trasmissione, le comunicazioni a singolo salto possono raggiungere un raggio di 30 m in presenza di ostacoli, ma un raggio molto più lungo è possibile senza ostacoli o in una configurazione di comunicazione multi-salto. Allo stesso modo, la latenza della rete inferiore a 100 ms può essere raggiunta nel caso di una topologia a stella, ma la latenza raggiunta dipende generalmente dalla dimensione e topologia della rete. Infine, la dimensione della rete può scalare fino a 80 dispositivi senza subire impatti sulle prestazioni, ma può crescere ulteriormente fino a 250 dispositivi con compromessi sulle prestazioni, ad esempio in latenza, throughput o durata della batteria.

Stack del protocollo WirelessHART

La pila di comunicazione OSI di WirelessHART è mostrata nella Figura 2.

Lo strato fisico di WirelessHART utilizza lo standard 802.15.4 (2006) con la restrizione di usare solo 15 canali supportati a livello mondiale, come mostrato nella Figura 3. Questo semplifica notevolmente il design, il processo di certificazione e la distribuzione dei dispositivi WirelessHART in diversi paesi senza richiedere modifiche specifiche del paese nella configurazione. WirelessHART utilizza canali RF larghi 2 MHz distanziati di 5 MHz, con una potenza massima di trasmissione di 10 dBm. Usa la modulazione Offset Quadrature Phase Shift Keying (OQPSK) e una velocità di trasmissione dei dati di 250 kbps. Infine, l'uso dello spettro diffuso a sequenza diretta (DSSS) consente allo standard wireless di essere resiliente contro le interferenze RF e il fading del canale.

Per ottenere una comunicazione di livello industriale robusta nella banda di frequenza congestionata a 2,4 GHz, WirelessHART utilizza le seguenti tecniche: Il livello MAC di WirelessHART utilizza l'accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) per ottenere una comunicazione senza collisioni e deterministica. Il protocollo sfrutta la tecnica di Spectrum Espansione con Salto di Frequenza (FHSS) per comunicare su un canale wireless diverso dopo ogni slot di tempo e, infine, il protocollo supporta l'esclusione dei canali wireless che sono fortemente congestionati e soffrono di scarsa performance.

Per ottenere una comunicazione robusta a livello industriale nella congesta banda di frequenza a 2.4 GHz, WirelessHART utilizza le seguenti tecniche: Il livello MAC di WirelessHART utilizza il Time Division Multiple Access (TDMA) per ottenere una comunicazione priva di collisioni e deterministica. Il protocollo sfrutta il Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) per comunicare su un canale wireless differente dopo ogni intervallo di tempo e, infine, il protocollo supporta l'esclusione dei canali wireless che sono fortemente congestionati e che presentano scarse prestazioni.

La comunicazione tra i dispositivi WirelessHART avviene in slot di tempo della durata di 10 ms. Durante ogni slot di tempo, il dispositivo trasmettitore invia un pacchetto di dati e attende un riconoscimento dal ricevitore. Il protocollo forma una superframe allocando un numero configurabile di tali slot di tempo, che si ripete periodicamente, come mostrato nella Figura 4. La superframe è controllata centralmente dal gestore della rete, che assegna ogni slot di tempo a un dispositivo trasmittente e ricevente, così come il canale wireless su cui avviene la comunicazione. L'allocazione risultante dello slot di tempo e del canale viene distribuita ai dispositivi sul campo per la pianificazione radio individuale. Inoltre, lo standard supporta anche funzionalità come l'invio in broadcasting di messaggi e la condivisione degli slot di tempo tra più trasmettitori su base di contenzioso utilizzando Carrier Sense Multiple Access (CSMA).

Il livello di rete di WirelessHART supporta diversi meccanismi di routing per stabilire una rete mesh robusta. Di seguito sono elencati due dei meccanismi:

Il livello di rete di WirelessHART lo rende un protocollo altamente configurabile perché il gestore di rete ha il pieno controllo sia del programma F/TDMA a livello di rete sia dell'instradamento grafico. Ad esempio, il gestore di rete può ottimizzare sia il sistema di instradamento che il livello MAC per ottenere una bassa latenza e migliorare la robustezza complessiva. Quando si ottimizza per la latenza, il gestore di rete può limitare la rete a una topologia a stella o dare priorità ai percorsi di interesse nel grafico di instradamento in base al programma F/TDMA. Allo stesso modo, quando si migliora la robustezza, il gestore di rete può consentire a un dispositivo di utilizzare più slot temporali o aggiungere diversità di instradamento per la stessa trasmissione.

Il livello di trasporto di WirelessHART fornisce comunicazione orientata alla connessione tra l'applicazione host e i dispositivi di campo con l'aiuto di riconoscimenti end-to-end e richieste di ripetizione automatica (ARQ). Inoltre, WirelessHART supporta anche il trasporto senza connessione senza riconoscimento, adatto nei casi in cui si preferisce ridurre il sovraccarico.

Sebbene il livello applicativo di WirelessHART adotti un tipo di comunicazione comando-risposta, supporta anche altri tipi, come la pubblicazione di dati unidirezionale, notifiche spontanee e trasferimenti a blocchi di grandi dati. Nella modalità di comunicazione orientata ai comandi, il livello applicativo HART garantisce l'interoperabilità con i dispositivi HART legacy. I seguenti tipi di comandi vengono utilizzati nella comunicazione:

Sicurezza in WirelessHART

WirelessHART fornisce sicurezza su più livelli nello stack OSI utilizzando la crittografia AES a 128 bit. Nel livello di rete, ogni messaggio è protetto end-to-end per garantire la riservatezza del messaggio, l'autenticità della fonte e l'integrità dei dati. Inoltre, una chiave condivisa comune viene utilizzata da tutti i dispositivi nella rete per facilitare la trasmissione dei messaggi. Le chiavi individuali vengono assegnate a ciascun dispositivo durante il commissioning e sono aggiornate periodicamente per offrire un livello di protezione ancora più elevato. Inoltre, il processo di commissioning e la comunicazione con i dispositivi portatili wireless sono anch'essi protetti. Oltre alla sicurezza del livello di rete, il livello MAC fornisce anche l'integrità dei dati tra i successivi passaggi di comunicazione nella rete mesh.

Implementazione di WirelessHART con Silicon Labs SoC

Silicon Labs offre SoC wireless, come l'EFR32MG24, che possono servire come base per implementare un prodotto WirelessHART. Questo specifico SoC include un ricetrasmettitore radio da 2,4 GHz conforme a 802.15.4, che presenta una sensibilità di -105,4 dBm quando opera in modalità OQPSK DSSS utilizzata da WirelessHART. I 1536 kB di flash e i 256 kB di RAM dell'EFR32MG24 possono integrare sia lo stack wireless che l'applicazione su un singolo SoC, permettendo così un basso costo BOM. Inoltre, il SoC può funzionare in modalità Host, Network Co-Processor (NCP) e Radio Co-Processor (RCP) per supportare diverse architetture. Sul fronte software, Silicon Labs fornisce un framework di programmazione pulito e facile da usare per la libreria RAIL (Radio Abstraction Interface Layer), che è l'interfaccia più diretta per la personalizzazione a livello hardware delle radio EFR32.

Riepilogo

WirelessHART è uno standard industriale utilizzato nei sistemi di automazione, controllo e monitoraggio dei processi. Pur utilizzando il ricetrasmettitore radio 802.15.4, sono state aggiunte numerose adattamenti, come lo spettro di diffusione a sequenza diretta, la frequenza hopping, ecc., che consentono al protocollo di mitigare gli effetti delle interferenze RF e dell'attenuazione del canale, soddisfacendo così le rigorose esigenze delle applicazioni industriali. Inoltre, essendo una rete mesh gestita centralmente, WirelessHART è in grado di supportare percorsi ridondanti tra i nodi wireless nella rete, il che gli consente di raggiungere il requisito di robustezza. Infine, WirelessHART mantiene la compatibilità retroattiva con HART cablato, il che include il supporto di dispositivi, comandi e strumenti software esistenti. In qualità di fornitore di soluzioni IoT, i SoC di Silicon Labs, come EFR32MG24, hanno le caratteristiche hardware e software necessarie per implementare un dispositivo WirelessHART.