무선HART의 발전 및 산업용 IoT 애플리케이션에 대한 구현 탐구

소개

고속 주소 지정 원격 트랜스듀서(HART)는 프로세스 산업에서 광범위하게 사용되는 유선 통신 프로토콜입니다. 4천만 개 이상의 장치가 배치된 HART는 4-20mA 아날로그 전류 루프를 통한 디지털 통신에 대한 글로벌 표준으로, 분산 제어 시스템과 센서 및 액추에이터와 같은 필드 기기를 연결합니다.

WirelessHART는 기존 HART 시스템과의 역호환성을 유지하면서 HART에 무선 기능을 추가한 최초의 산업용 메시 프로토콜로, 2007년에 도입되었습니다. WirelessHART는 전 세계적으로 접근 가능한 2.4 GHz 주파수 대역으로 제한되는 표준 802.15.4 라디오 트랜시버를 사용합니다. 프로토콜 스택의 상위 계층에서 WirelessHART는 낮은 지연 시간, 결정론, 견고성, 보안 등 산업 응용 프로그램의 엄격한 요구를 충족하기 위해 802.15.4 표준을 기반으로 한 여러 가지 적응 및 확장을 포함하고 있습니다. 다음 섹션에서는 WirelessHART에 대한 개요를 제공합니다.

WirelessHART: 시스템 아키텍처 및 운영

무선HART 시스템은 그림 1에 나타나 있으며, 다음 구성 요소를 포함합니다:

WirelessHART 네트워크는 일반적으로 보안 관리자로서와 네트워크 관리자 역할을 수행하는 게이트웨이를 중심으로 형성됩니다. 게이트웨이는 무선 네트워크를 초기화하고 현장 장비가 승인될 때 새 장치를 추가합니다. 보안 관리자 역할 수행 시 보안 키를 생성, 저장 및 관리하고 네트워크 액세스 목록을 유지하며 제어하는 책임이 있습니다. 네트워크 관리자 역할 수행 시 네트워크 전체 무선 메쉬 네트워크를 중앙에서 조직하여 라디오 전송 시간 일정, 주파수 홉핑 시퀀스 및 통신 경로를 관리합니다. 또한 네트워크의 토폴로지를 관리하고, 네트워크 상태를 모니터링하며, 현장 장비 사이의 경로를 조정하는 역할을 수행합니다.

결과적으로 생성되는 무선 네트워크는 중복적이고, 자체 조직화되며, 자체 치유 기능을 갖춘 적응형 메쉬 네트워크로, 네트워크 관리자를 통해 중앙에서 관리할 수 있습니다. 중앙 구성은 강인성, 지연 시간, 결정론, 배터리 수명 등 다양한 요구 사항에 최적화할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 강인성을 높이기 위해 WirelessHART는 다음과 같은 기술을 제공합니다:

WirelessHART가 도입된 이후, 프로세스 산업에서는 WirelessHART 프로토콜을 배치하고 사용하는 데 있어 여러 지침과 모범 사례를 개발해 왔습니다. 예를 들어, 전송 범위와 관련하여 단일 홉 통신은 장애물이 있는 경우 30m의 범위를 달성할 수 있지만, 장애물이 없거나 다중 홉 통신 설정에서는 훨씬 더 긴 범위를 실현할 수 있습니다. 마찬가지로, 별형 토폴로지의 경우 100ms 미만의 네트워크 지연 시간을 달성할 수 있지만, 달성된 지연 시간은 일반적으로 네트워크 크기와 토폴로지에 따라 달라집니다. 마지막으로, 네트워크 크기는 성능에 영향을 미치지 않으면서 80개의 장치로 확장할 수 있지만, 지연 시간, 처리량 또는 배터리 수명 등에서 성능에 타협이 있을 수 있는 경우 250개의 장치로 더 커질 수 있습니다.

WirelessHART 프로토콜 스택

WirelessHART의 OSI 통신 스택은 그림 2에 표시되어 있습니다.

WirelessHART의 물리층은 802.15.4 (2006) 표준을 사용하며, 전 세계적으로 지원되는 15개 채널만 사용하는 제한이 있습니다. 이는 그림 3과 같이 보여줍니다. 이 제한은 다양한 국가에서 WirelessHART 장치를 설계, 인증 절차 및 배포를 간소화하며, 국가별 구성 변경이 필요하지 않게 합니다. WirelessHART는 5 MHz 간격의 2 MHz 폭 RF 채널을 사용하며, 최대 송신 전력은 10 dBm입니다. Offset Quadrature Phase Shift Keying (OQPSK) 변조와 250 kbps 데이터 속도를 사용합니다. 마지막으로, Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)을 사용함으로써 RF 간섭 및 채널 페이딩에 대해 무선 표준의 탄력성을 향상시킵니다.

혼잡한 2.4 GHz 주파수 대역에서 견고한 산업 등급의 통신을 달성하기 위해, WirelessHART는 다음 기술을 사용합니다: WirelessHART의 MAC 계층은 Time Division Multiple Access (TDMA)를 사용하여 충돌 없는 결정론적 통신을 달성합니다. 이 프로토콜은 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)을 활용하여 각 시간 슬롯 후에 다른 무선 채널에서 통신을 수행하며, 마지막으로 프로토콜은 심하게 혼잡하고 성능이 저하된 무선 채널을 제외하는 것을 지원합니다.

혼잡한 2.4 GHz 주파수 대역에서 견고한 산업 등급 통신을 달성하기 위해 WirelessHART는 다음 기술을 사용합니다: WirelessHART의 MAC 계층은 시분할 다중 접속(TDMA)을 사용하여 충돌 없는 결정적 통신을 구현합니다. 이 프로토콜은 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS)을 활용하여 각 시간 슬롯 후 다른 무선 채널에서 통신을 수행하며, 최종적으로 프로토콜은 성능이 저하되고 혼잡이 심한 무선 채널을 제외하는 기능을 지원합니다.

WirelessHART 디바이스 간의 통신은 10ms 길이의 타임 슬롯에서 이루어집니다. 각 타임 슬롯 동안, 송신 디바이스는 데이터 패킷을 전송하고 수신자로부터 확인 응답을 기다립니다. 프로토콜은 이러한 타임 슬롯의 구성 가능한 수를 할당하여 슈퍼프레임을 형성하며, 이는 그림 4에 표시된 것처럼 주기적으로 반복됩니다. 슈퍼프레임은 네트워크 관리자가 중앙에서 제어하며, 모든 타임 슬롯을 송신 및 수신 디바이스와 통신이 이루어지는 무선 채널에 할당합니다. 생성된 타임 슬롯 및 채널 할당은 개별 라디오 스케줄링을 위해 필드 디바이스에 배포됩니다. 추가로, 표준은 메시지 브로드캐스팅 및 Carrier Sense Multiple Access(CSMA)를 사용한 다수의 송신기가 경쟁 기반으로 타임 슬롯을 공유하는 기능과 같은 기능 또한 지원합니다.

WirelessHART의 네트워크 계층은 견고한 메시 네트워크를 구축하기 위해 다양한 라우팅 메커니즘을 지원합니다. 아래는 두 가지 메커니즘입니다:

WirelessHART의 네트워크 계층은 네트워크 관리자가 네트워크 전체의 F/TDMA 일정 및 그래프 라우팅을 완전히 제어할 수 있기 때문에 매우 구성 가능한 프로토콜로 만들어줍니다. 예를 들어, 네트워크 관리자는 라우팅 방식과 MAC 계층을 모두 최적화하여 저지연을 달성하고 전체적인 견고성을 향상시킬 수 있습니다. 지연 시간을 최적화할 때 네트워크 관리자는 네트워크를 스타 토폴로지로 제한하거나 F/TDMA 일정에 기반하여 라우팅 그래프에서 중요 경로를 우선할 수 있습니다. 마찬가지로 견고성을 향상시킬 때 네트워크 관리자는 디바이스가 여러 타임슬롯을 사용할 수 있도록 허용하거나 동일한 전송을 위해 경로 다양성을 추가할 수 있습니다.

WirelessHART의 전송 계층은 종단 간 승인 및 자동 재전송 요청(ARQ)의 도움으로 호스트 애플리케이션과 현장 장치 간에 연결 지향 통신을 제공합니다. 또한, WirelessHART는 승인 없이 연결되지 않은 전송도 지원하며, 이는 오버헤드를 줄이는 것이 선호되는 경우에 적합합니다.

WirelessHART의 애플리케이션 계층은 명령-응답 유형의 통신을 채택하지만, 단방향 데이터 게시, 자발적 알림, 대량 데이터 블록 전송과 같은 다른 유형도 지원합니다. 명령 중심 통신 모드에서 HART 애플리케이션 계층은 기존 HART 장치와의 상호 운용성을 보장합니다. 통신에서 사용되는 명령 유형은 다음과 같습니다:

WirelessHART의 보안

WirelessHART는 OSI 스택의 여러 계층에서 128비트 AES 암호화를 사용하여 보안을 제공합니다. 네트워크 계층에서는 모든 메시지가 종단 간 보호되어 메시지 기밀성, 출처 인증 및 데이터 무결성을 보장합니다. 또한, 네트워크 내 모든 기기가 메시지 방송을 용이하게 하기 위해 공통 공유 키를 사용합니다. 개별 키는 커미셔닝 시 각 기기에 할당되며, 더 높은 수준의 보호를 제공하기 위해 주기적으로 업데이트됩니다. 게다가 커미셔닝 프로세스와 무선 핸드헬드 기기와의 통신도 보안이 유지됩니다. 네트워크 계층 보안 외에도 MAC 계층은 메시 네트워크의 연속 통신 홉 간 데이터 무결성을 제공합니다.

Silicon Labs SoC를 사용한 WirelessHART 구현하기

Silicon Labs는 EFR32MG24와 같은 무선 SoC를 제공하여 WirelessHART 제품 구현의 기초로 사용할 수 있습니다. 이 특정 SoC는 802.15.4를 준수하는 2.4 GHz 라디오 트랜스시버를 포함하며, WirelessHART에서 사용되는 OQPSK DSSS 모드로 작동할 때 -105.4 dBm 민감도를 제공합니다. EFR32MG24의 1536 kB 플래시와 256 kB RAM은 무선 스택과 애플리케이션을 단일 SoC에 통합할 수 있어 낮은 BOM 비용을 가능하게 합니다. 게다가, SoC는 Host, Network Co-Processor (NCP), Radio Co-Processor (RCP) 모드에서 작동하여 다양한 아키텍처를 지원할 수 있습니다. 소프트웨어 측면에서는 Silicon Labs가 RAIL (Radio Abstraction Interface Layer) 라이브러리에 대한 깨끗하고 사용하기 쉬운 프로그래밍 프레임워크를 제공하며, 이는 EFR32 라디오의 하드웨어 수준 커스터마이징을 위한 가장 직접적인 인터페이스입니다.

요약

WirelessHART는 공정 자동화, 제어 및 모니터링 시스템에서 사용되는 산업 표준입니다. 802.15.4 무선 트랜시버를 사용하면서도 직접 시퀀스 스펙트럼 확산, 주파수 호핑 등 다양한 적응 기술이 추가되었습니다. 이를 통해 RF 간섭 및 채널 페이딩의 영향을 완화하고 산업용 애플리케이션의 엄격한 요구사항을 충족할 수 있도록 합니다. 또한 중앙에서 관리되는 메시 네트워크로서, WirelessHART는 네트워크 내 무선 노드 간의 이중 경로를 지원할 수 있어 견고성 요건을 충족할 수 있습니다. 마지막으로, WirelessHART는 기존 HART 유선 시스템과의 역호환성을 유지하여 기존 장치, 명령 및 소프트웨어 도구를 지원합니다. Silicon Labs SoC인 EFR32MG24와 같은 제품은 IoT 솔루션 제공업체로서 WirelessHART 디바이스를 구현하는 데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 기능을 갖추고 있습니다.