探索用于工业物联网应用的WirelessHART的进展与实施
生产设施传统上是繁忙的工作场所，面临着对精确度和更高产量日益增加的需求。HART有线通信协议一直极为流行，但近年来已开始显现其局限性。而WirelessHART以其较低的安装成本、更好的可靠性和更高的安全性等优势，正迅速成为首选协议。本文探讨了Silicon Labs的WirelessHART技术在现代工业应用中的适用性。
介绍
高速可寻址远程传感器 (HART) 是一种广泛应用于流程工业的有线通信协议。HART 已经部署了超过 4000 万台设备，是通过 4-20 mA 模拟电流回路进行数字通信的全球标准，用于将分布式控制系统与现场设备（如传感器和执行器）连接起来。
WirelessHART 于 2007 年推出，是第一个工业级网状协议，在为 HART 增加无线功能的同时，还保持了与现有 HART 系统的向后兼容性。WirelessHART 使用标准的 802.15.4 射频收发器，并限制在全球可用的 2.4 GHz 频段内。协议栈的更高层中，WirelessHART 针对 802.15.4 标准进行了诸多适配和扩展，以满足工业应用对低延迟、确定性、鲁棒性以及安全性等严格需求。以下部分将概述 WirelessHART。
WirelessHART：系统架构与运行
一个无线HART系统如图1所示，其包括以下组件：
- 网关：中央设备，允许WirelessHART网络与过程自动化后端之间进行通信，后端执行主机应用程序。后端是一个有线的现场总线或以太网网络，可以包括例如过程自动化控制器（PAC）、分布式控制系统（DCS）、数据历史记录系统或资产管理软件。
- 接入点：将网关与WirelessHART网络连接的设备。
- 现场设备：单个无线节点，通常是传感器或执行器，同时也在网状网络中充当无线路由器的作用。
- 无线路由器：可选的无线设备，无传感器或执行器，仅用于在网络中路由数据包。
- 无线适配器：用于将有线HART设备连接到无线网络。
- 无线手持设备：支持系统的安装、配置、控制、监控和维护的终端用户设备。
WirelessHART系统架构
图 1
一个WirelessHART网络围绕网关形成，网关通常同时充当安全管理器和网络管理器的角色。它负责初始化无线网络，并在设备调试过程中添加新的现场设备。作为安全管理器，它负责生成、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，它负责集中组织无线网格网络中的无线电传输时间表、频率跳变序列和通信路径。同时，它还负责管理拓扑结构、监控网络健康状况，并调整现场设备之间的通信路径。
生成的无线网络是一个冗余的、自组织的、自愈的、适应性的网状网络，可以由网络管理器集中管理。中央配置使得优化能够满足各种需求，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：
- 时间多样性：该协议采用时间调度通信，并支持在多个时间槽上进行冗余数据传输，以缓解瞬时通信问题。
- 信道多样性：该协议使用信道跳频技术，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。
- 路由多样性：该协议支持在网状网络中定义冗余路由，以提高网络在路由故障情况下的鲁棒性。
自从引入WirelessHART以来，流程工业已经制定了若干关于部署和使用WirelessHART协议的指南和最佳实践。例如，在传输范围方面，单跳通信在存在障碍物的情况下可以实现30米的范围，但在没有障碍物或采用多跳通信设置时，可以实现更长的范围。同样，在星型拓扑结构的情况下，网络时延可以小于100毫秒，但实际的时延通常取决于网络的规模和拓扑结构。最后，网络规模可以扩展到80个设备而不会影响性能，但如果接受性能上的权衡，例如时延、吞吐量或电池寿命，网络规模甚至可以进一步扩展到250个设备。
WirelessHART 协议栈
WirelessHART 的 OSI 通信堆栈如图 2 所示。
| 无线网络协议栈（WPAN） | |
| 应用层/应用支持 | 基于命令的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、无连接的传输 |
| 网络层 | 集中式管理的多路径图路由、源路由、代理路由、安全性 |
| 数据链路层 | 基于802.15.4 MAC进行定制，包含修改的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 |
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WirelessHART 协议栈
图 2
WirelessHART 的物理层使用 802.15.4 (2006) 标准，并限制仅使用全球支持的 15 个信道，如图 3 所示。这大大简化了 WirelessHART 设备在不同国家的设计、认证流程和部署过程，而无需进行针对特定国家的配置更改。WirelessHART 使用 2 MHz 宽的 RF 信道，信道间隔为 5 MHz，最大发射功率为 10 dBm。它采用偏移正交相移键控 (OQPSK) 调制方式，数据速率为 250 kbps。最后，使用直接序列扩频 (DSSS) 技术使该无线标准能够有效抵御射频干扰和信道衰落。
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，实现无冲突且具有确定性的通信。该协议利用频率跳频扩展（FHSS）技术，在每个时间槽之后切换到不同的无线信道进行通信。最后，该协议支持排除严重拥堵且性能较差的无线信道。
WirelessHART 的频率通道
图 3
为了在拥挤的2.4 GHz频段中实现可靠的工业级通信，WirelessHART 使用了以下技术：WirelessHART 的 MAC 层使用时分多址 (TDMA) 技术，实现无冲突且确定性的通信。协议利用频率跳频扩频 (FHSS) 技术，在每个时隙后切换到不同的无线信道进行通信。最后，协议支持排除严重拥堵且性能较差的无线信道。
WirelessHART设备之间的通信在10毫秒长的时间槽中进行。在每个时间槽期间，发送设备会发送一个数据包，并等待接收设备的确认。协议通过分配可配置数量的此类时间槽来形成超帧，超帧会周期性重复，如图4所示。超帧由网络管理器集中控制，网络管理器将每个时间槽分配给发送设备和接收设备，以及通信所用的无线信道。分配好的时间槽和信道会被分发到现场设备，用于各自的无线调度。此外，标准还支持一些功能，例如消息广播以及通过载波侦听多路访问（CSMA）在多发送端之间共享时间槽的争用传输。
WirelessHART的MAC层
图 4
WirelessHART 的网络层支持多种路由机制，以建立一个稳健的网状网络。以下列出了其中的两种机制：
- 图形路由是WirelessHART的主要路由方案，其中网络路由由网络管理器集中确定，并分发到网状网络的各个现场设备。该路由方案提供了灵活性，例如可以为上行、下行和广播通信配置不同的路由。此外，还可以定义冗余路径以支持路径多样性。
- 源路由是一种用于网络诊断和配置目的的补充路由机制。在这种方案中，源设备确定数据包的路径，并将中间跳点的有序列表写入数据包的路由头中。中间节点根据这些信息转发数据包，而无需任何预先配置。
WirelessHART的网络层使其成为高度可配置的协议，因为网络管理器可以完全控制整个网络的F/TDMA计划和图路由。例如，网络管理器可以同时优化路由方案和MAC层，以实现低延迟并提高整体的鲁棒性。在优化延迟时，网络管理器可以将网络限制为星型拓扑结构，或根据F/TDMA计划优先考虑路由图中的感兴趣路径。同样，在提高鲁棒性时，网络管理器可以允许设备使用多个时隙，或者为同一传输添加路由多样性。
WirelessHART 的传输层通过端到端确认和自动重传请求（ARQ），在主机应用程序与现场设备之间提供面向连接的通信。此外，WirelessHART 还支持无确认的无连接传输，这适用于需要减少开销的情况。
虽然WirelessHART的应用层采用命令-响应类型的通信，但它也支持其他类型的通信，例如单向数据发布、自发通知和大数据块传输。在命令导向的通信模式中，HART应用层确保与传统HART设备的互操作性。在通信中使用了以下类型的命令：
- 所有 HART 设备必须支持通用命令，例如，用于读取设备状态和过程变量。
- 常用实践命令是可选的，但强烈建议使用，因为它们为现场设备的通信和配置提供了额外的功能。
- 无线命令特定于WirelessHART，用于支持网络的组建、维护和安全，以及其他后台功能。
- 设备特定命令用于支持与现场设备相关的特定功能或实现供应商特定命令。
WirelessHART中的安全性
WirelessHART 在OSI模型的多个层级通过使用128位AES加密提供安全性。在网络层，每条消息都采用端到端保护，以确保消息保密性、来源真实性和数据完整性。此外，网络中的所有设备使用一个通用共享密钥，以便于消息广播。在设备调试期间，为每个设备分配单独的密钥，并定期更新这些密钥以提供更高的安全级别。此外，调试过程和与无线手持设备的通信也得到了保护。除了网络层的安全性外，MAC层同样在网状网络的连续通信跳之间提供数据完整性。
使用 Silicon Labs SoC 实现 WirelessHART
Silicon Labs 提供无线 SoC，例如 EFR32MG24，可以作为实现 WirelessHART 产品的基础。这个特定的 SoC 包含一个符合 802.15.4 标准的 2.4 GHz 无线电收发器，在使用 WirelessHART 所用的 OQPSK DSSS 模式时，其灵敏度达到 -105.4 dBm。EFR32MG24 拥有 1536 kB 的闪存和 256 kB 的 RAM，可以在单一 SoC 上集成无线协议栈和应用程序，从而实现较低的 BOM 成本。此外，该 SoC 可以在主机模式（Host Mode）、网络协处理器（NCP）模式和无线电协处理器（RCP）模式下运行，以支持不同的体系架构。在软件方面，Silicon Labs 提供了一种清晰且易于使用的编程框架，用于 RAIL（无线电抽象接口层）库，这是最直接的接口，用于硬件级别定制 EFR32 无线电的功能。
摘要
WirelessHART 是一种用于过程自动化、控制和监控系统的工业标准。虽然它使用 802.15.4 无线电收发器，但加入了许多改进，例如直接序列扩频、频率跳变等。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径，从而满足稳健性的要求。最后，WirelessHART 保持与有线 HART 的向后兼容性，包括支持现有的设备、命令和软件工具。作为一家物联网解决方案供应商，Silicon Labs 的 SoC（如 EFR32MG24）具有实现 WirelessHART 设备所需的硬件和软件功能。
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