生产设施历来是活动频繁的地方，对精度和更高产出的要求也越来越高。HART 有线通信协议一直非常流行，但近年来已开始显示出其局限性。WirelessHART 具有安装成本更低、可靠性更高、安全性更强等优点，正在迅速成为首选协议。本文将探讨 Silicon Labs 的 WirelessHART 技术在现代工业应用中的适用性。
前言
高速公路可寻址远程传感器 (HART) 是一种有线通信协议，广泛应用于流程工业。HART 是通过 4-20 mA 模拟电流环路进行数字通信的全球标准，将分布式控制系统与现场仪表（如传感器和执行器）连接起来，目前已部署了 4000 多万台设备。
WirelessHART 于 2007 年推出，是第一个为 HART 增加无线功能同时保持与现有 HART 系统向后兼容的工业网状协议。WirelessHART 使用标准 802.15.4 无线电收发器，该收发器仅限于全球可访问的 2.4 GHz 频段。在协议栈的较高层，WirelessHART 包含对 802.15.4 标准的大量修改和扩展，以满足工业应用的严格需求，例如低延迟、确定性、稳健性和安全性。以下部分概述了 WirelessHART。
WirelessHART：系统架构和操作
WirelessHART 系统如图 1 所示，它包括以下组件：
- 网关：实现 WirelessHART 网络与执行主机应用程序的过程自动化后端之间通信的中央设备。后端是有线现场总线或以太网网络，可包括过程自动化控制器 (PAC)、分布式控制系统 (DCS)、数据历史记录程序或资产管理软件等。
- 接入点：连接网关和 WirelessHART 网络的设备。
- 现场设备：单个无线节点，通常是传感器或执行器，也可充当网状网络中的无线路由器。
- 无线路由器：不带传感器或执行器的可选无线设备，纯粹用于在网络内路由数据包。
- 无线适配器：允许将有线 HART 设备连接到无线网络。
- 无线手持设备：支持系统安装、配置、控制、监控和维护的最终用户设备。
图 1. WirelessHART 系统结构
WirelessHART 网络围绕网关形成，网关通常既是安全管理器，又是网络管理器。它初始化无线网络，并在新的现场设备投入使用时将其添加进来。作为安全管理器，负责生成、存储和管理安全密钥，以及维护和控制网络访问列表。作为网络管理器，它负责集中组织整个无线网状网络的无线电传输时间表、跳频序列和通信路由。它还负责管理拓扑、监控网络健康状况以及调整现场设备之间的路由。
由此形成的无线网络是一个冗余、自组织、自修复、自适应的网状网络，可由网络管理员集中管理。中央配置可以针对各种需求进行优化，例如稳健性、延迟、确定性或电池寿命。例如，为了提高稳健性，WirelessHART 提供了以下技术：
- 时间分集：该协议使用时间调度通信，并支持多个时间段内的冗余数据传输，以缓解瞬态通信问题。
- 信道分集：该协议使用信道跳变，其中冗余数据传输发生在不同的频率上，从而防止信道选择性衰落和射频干扰。
- 路由分集：该协议支持在网状网络中定义冗余路由，以提高网络抵御路由故障的稳健性。
自 WirelessHART 推出以来，过程工业已经制定了多项用于部署和使用 WirelessHART 协议的指南和最佳实践。例如，就传输距离而言，在有障碍物的情况下，单跳通信的传输距离可达 30 米，但在没有障碍物或多跳通信设置的情况下，传输距离可远得多。同样，在星形拓扑结构中，网络延迟可小于 100 毫秒，但延迟时间一般取决于网络规模和拓扑结构。最后，网络规模可扩展到 80 个设备，而不会影响性能，但也可进一步扩展到 250 个设备，但需要在延迟、吞吐量或电池寿命等方面进行性能折衷。
WirelessHART 协议栈
WirelessHART 的 OSI 通信堆栈如图 2 所示。
| 无线网络堆栈 (WPAN) | |
| 应用程序/应用程序支持 | 命令导向的 HART 协议， 请求/响应模式、发布模式、 通知、块传输 |
| 传输层 | 面向连接的传输， 无连接传输 |
| 网络层 | 集中管理的多路径图路由， 源路由、代理路由、安全性 |
| 数据链路层 | 802.15.4 MAC 定制，修改为 F/TDMA、 集中管理的 TDMA、同步信道 跳频、共享时隙 (CSMA-CA)、安全性 |
| 物理层 |
|
图 2. WirelessHART 协议栈
如图 3 所示，WirelessHART 的物理层使用 802.15.4 (2006) 标准，但仅限于使用全球支持的 15 个信道。这大大简化了 WirelessHART 设备的设计、认证过程和在不同国家的部署，而无需针对具体国家进行配置更改。WirelessHART 使用 2 MHz 宽的 RF 通道，间隔 5 MHz，最大发射功率为 10 dBm。它采用偏移正交相移键控 (OQPSK) 调制，数据传输速率为 250 kbps。最后，使用直接序列扩频 (DSSS) 可以使无线标准具有抵抗射频干扰和信道衰落的能力。
为了在拥挤的 2.4 GHz 频段实现稳健的工业级通信，WirelessHART 采用了以下技术：WirelessHART 的 MAC 层使用时分多址 (TDMA) 技术实现无碰撞和确定性通信。该协议利用跳频扩频 (FHSS) 在每个时隙后在不同的无线信道上进行通信，最后，该协议支持排除严重拥塞和性能较差的无线信道。
图 3. WirelessHART 的频率信道
为了在拥挤的 2.4 GHz 频段实现稳健的工业级通信，WirelessHART 采用了以下技术：WirelessHART 的 MAC 层使用时分多址 (TDMA) 技术实现无碰撞和确定性通信。该协议利用跳频扩频 (FHSS) 在每个时隙后在不同的无线信道上进行通信，最后，该协议支持排除严重拥塞和性能较差的无线信道。
WirelessHART 设备之间的通信在 10 毫秒长的时隙内进行。在每个时隙期间，发送设备发送一个数据包并等待接收器的确认。如图 4 所示，该协议通过分配可配置数量的此类时隙形成超帧，并定期重复。超帧由网络管理器集中控制，它将每个时隙分配给发送和接收设备，以及进行通信的无线信道。将产生的时隙和信道分配分发给现场设备以进行单独的无线电调度。此外，该标准还支持信息广播和使用载波感应多路访问 (CSMA) 在多个发射机之间共享时隙等功能。
图 4. WirelessHART 的 MAC 层
WirelessHART 的网络层支持多种路由机制，以建立强大的网状网络。下面列出了其中两种机制：
- 图路由是 WirelessHART 的主要路由方案，网络路由由网络管理员集中确定，并分配给网状网络的各个现场设备。该路由方案提供了灵活性，例如为上行链路、下行链路和广播通信配置不同的路由。此外，还可定义冗余路径，以支持路径多样性。
- 源路由是用于网络诊断和配置目的的补充路由机制。在该方案中，源设备确定数据包的路由，并在数据包的路由头中写入中间跳数的有序列表。中间节点根据此信息中继数据包，无需任何先验配置。
WirelessHART 的网络层使其成为一种高度可配置的协议，因为网络管理员可以完全控制整个网络的 F/TDMA 计划和图路由。例如，网络管理员可以优化路由方案和 MAC 层，以实现低延迟并提高整体鲁棒性。在优化延迟时，网络管理员可将网络限制为星形拓扑，或根据 F/TDMA 计划优先处理路由图中的相关路由。同样，在提高鲁棒性时，网络管理员可以允许设备使用多个时隙，或为同一传输增加路由多样性。
WirelessHART 的传输层借助端到端确认和自动重复请求 (ARQ)，在主机应用程序和现场设备之间提供面向连接的通信。此外，WirelessHART 还支持无需确认的无连接传输，适用于需要减少开销的情况。
虽然 WirelessHART 应用层采用命令-响应式通信，但它也支持其他类型的通信，如单向数据发布、自发通知和大数据块传输。在面向命令的通信模式下，HART 应用层确保与传统 HART 设备的互操作性。通信中使用以下类型的命令：
- 系统中的所有 HART 设备都必须支持通用命令，例如读取设备状态和过程变量。
- 通用实践命令是可选的，但强烈推荐使用，因为它们为现场设备的通信和配置提供了额外功能。
- 无线命令特定于 WirelessHART，用于支持网络形成、维护和安全以及其他后台功能。
- 设备特定命令用于支持现场设备特定的功能或实现供应商特定的命令。
WirelessHART 的安全性
WirelessHART 在 OSI 堆栈中使用 128 位 AES 加密技术提供多层次的安全性。在网络层，每条消息都受到端到端的保护，以确保消息的机密性、来源真实性和数据完整性。此外，网络中的所有设备都使用一个共同的共享密钥来促进消息广播。在调试过程中，会为每个设备分配单独的密钥，并定期更新，以提供更高级别的保护。此外，调试过程和与无线手持设备的通信也得到保护。除了网络层安全性之外，MAC 层还提供网状网络中连续通信跳跃之间的数据完整性。
利用 Silicon Labs SoC 实现 WirelessHART
Silicon Labs 提供无线 SoC，例如 EFR32MG24，可作为实现 WirelessHART 产品的基础。该特定的 SoC 包括一个符合 802.15.4 标准的 2.4 GHz 无线电收发器，在 WirelessHART 使用的 OQPSK DSSS 模式下运行时具有 -105.4 dBm 的灵敏度。EFR32MG24 的 1536 kB 闪存和 256 kB RAM 可在单个 SoC 上集成无线协议栈和应用程序，从而降低 BOM 成本。此外，该 SoC 可在主机、网络协处理器 (NCP) 和无线电协处理器 (RCP) 模式下运行，以支持不同的架构。在软件方面，Silicon Labs 为 RAIL（无线电抽象接口层）库提供了一个简洁易用的编程框架，这是 EFR32 无线电硬件级定制的最直接接口。
结语
WirelessHART 是用于过程自动化、控制和监控系统的工业标准。WirelessHART 采用 802.15.4 无线电收发器，但增加了许多适配功能，如直接序列扩频、跳频等。这使得该协议能够减轻射频干扰和信道衰落的影响，从而满足工业应用的严格需求。此外，作为一个集中管理的网状网络，WirelessHART 能够支持网络中无线节点之间的冗余路由，从而达到鲁棒性要求。最后，WirelessHART 与有线 HART 保持向后兼容，包括支持现有设备、命令和软件工具。作为物联网解决方案提供商，Silicon Labs SoC（如 EFR32MG24）具有实现 WirelessHART 设备所需的硬件和软件功能。
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