在HART基础上增加无线功能的WirelessHART工业网状网络

满足工业应用对低延迟、确定性、稳固性和安全性要求的WirelessHART网络协议

高速可寻址远程传感器（HART）是一种广泛应用于工业流程的有线通信协议。HART已部署超过4000万台设备，是全球4-20 mA模拟电流环路数字通信的标准，用于连接分布式控制系统和现场仪表，例如传感器和执行器。
 
WirelessHART于2007年推出，是首个在HART基础上增加无线功能的工业网状网络协议，同时保持与现有HART系统的向后兼容性。WirelessHART使用标准的802.15.4无线收发器，该收发器仅限于全球通用的2.4 GHz频段。在协议栈的高层，WirelessHART对802.15.4标准进行了诸多改进和扩展，以满足工业应用对低延迟、确定性、稳固性和安全性等严苛要求。
 
WirelessHART系统包含网关、接入点、现场设备、无线路由器、无线适配器、无线手持设备等组件。网关属于中央设备，用于实现WirelessHART网络与流程自动化后端之间的通信，后端执行主机应用程序。后端可以是有线现场总线或以太网网络，例如流程自动化控制器（PAC）、分布式控制系统（DCS）、数据历史记录器或资产管理软件。接入点则是用于连接网关和WirelessHART网络的设备。
 
现场设备则是独立的无线节点，通常是传感器或执行器，同时也是网状网络中的无线路由器。无线路由器是可选的无线设备，不包含传感器或执行器，仅用于在网络内路由数据包。无线适配器则用于将有线HART设备连接到无线网络。无线手持设备则属于终端用户设备，用于支持系统的安装、配置、控制、监控和维护。

以网关为中心构建的WirelessHART网络

WirelessHART网络以网关为中心构建，网关通常同时承担安全管理器和网络管理器的角色。它负责初始化无线网络，并在新现场设备投入使用时添加它们。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控制列表。作为网络管理器，它负责集中管理整个无线网状网络中的无线电传输时间表、跳频序列和通信路由。它还负责管理网络拓扑、监控网络健康状况以及调整现场设备之间的路由。
 
由此产生的无线网络是一个冗余、自组织、自恢复、自适应的网状网络，可由网络管理器集中管理。集中配置能够针对各种需求进行优化，例如稳固性、延迟、确定性或电池寿命。例如，为了提高稳固性，WirelessHART提供了时间分集协议，其采用定时通信，并支持跨多个时隙的冗余数据传输，以缓解瞬态通信问题。通道分集则采用通道跳频技术，冗余数据传输发生在不同的频率上，从而防止通道选择性衰落和射频干扰。该协议还支持路由分集以在网状网络中定义冗余路由，以提高网络对路由故障的稳固性。
 
自WirelessHART推出以来，流程工业已经制定了多项部署和使用WirelessHART协议的指南和最佳实践。例如，就传输范围而言，在存在障碍物的情况下，单跳通信可以达到30米的传输距离，但在无障碍物或采用多跳通信设置的情况下，传输距离可以更远。同样，星型拓扑结构也能实现低于100毫秒的网络延迟，但实际延迟通常取决于网络规模和拓扑结构。此外，网络规模可扩展至80台设备而不会影响性能，但若进一步扩展至250台设备，则会在性能方面做出权衡，例如延迟、吞吐量或电池续航时间的降低。

实现稳健工业级通信的WirelessHART协议栈

WirelessHART的无线网络协议栈（WPAN）包含应用层／应用支持层，这是面向命令的HART协议、请求／响应模式、发布模式、通知、块传输。传输层则是面向连接的传输、无连接的传输。网络层用于集中管理的多路径图路由、源路由、代理路由、安全功能。数据链路层则是802.15.4 MAC定制版，F/TDMA修改、集中管理的TDMA、同步通道跳频、共享时隙（CSMA-CA）、安全功能。物理层则是802.15.4 (2006) PHY，支持2.4 GHz、OQPSK、DSSS、250 kbps、最大10 dBm。
 
WirelessHART的物理层采用802.15.4 (2006) 标准，但限制仅使用15个全球支持的通道，这大大简化了WirelessHART设备在不同国家／地区的设计、认证和部署流程，无需进行针对特定国家／地区的配置更改。WirelessHART使用2 MHz宽、间隔5 MHz的射频通道，最大发射功率为10 dBm。它采用偏移正交相移键控（OQPSK）调制，数据速率为250 kbps。此外，直接序列扩频（DSSS）的使用使该无线标准能够有效抵抗射频干扰和通道衰落。
 
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）技术来实现无冲突且确定性的通信。该协议利用跳频扩频（FHSS）技术，在每个时隙后使用不同的无线通道进行通信，并且能够排除拥塞严重、性能较差的无线通道。
 
WirelessHART设备之间的通信以10毫秒的时隙进行，在每个时隙内，发送设备发送一个数据包并等待接收设备的确认。该协议通过分配可配置数量的此类时隙来形成超帧，该超帧周期性重复。超帧由网络管理器集中控制，网络管理器将每个时隙分配给发送设备和接收设备，以及通信所使用的无线通道。最终的时隙和通道分配结果会分发给各个现场设备，以便进行各自的无线电调度。此外，该标准还支持消息广播和使用载波侦听多路访问（CSMA）在多个发射器之间基于竞争共享时隙等功能。
 
WirelessHART的网络层支持多种路由机制以建立稳健的网状网络。其中两种机制包括图路由与源路由。图路由是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给网状网络的各个现场设备。这种路由方案提供了灵活性，例如可以为上行链路、下行链路和广播通信配置不同的路由。此外，还可以定义冗余路径以支持路径多样性。
 
源路由则是一种用于网络诊断和配置的辅助路由机制。在该方案中，源设备确定数据包的路由，并将中间跳数的有序列表写入数据包的路由头中。中间节点根据此信息转发数据包，而无需任何预先配置。

使用Silicon Labs SoC实现WirelessHART

Silicon Labs提供多款无线SoC，例如EFR32MG24可作为实现WirelessHART产品的基础。这款特定的SoC包含一个符合802.15.4标准的2.4 GHz无线收发器，在WirelessHART使用的OQPSK DSSS模式下，其灵敏度为-105.4 dBm。EFR32MG24的1536 kB闪存和256 kB RAM可以将无线协议栈和应用程序集成在单个SoC上，从而降低物料清单成本。
 
此外，该SoC可以运行在主机、网络协处理器（NCP）和无线电协处理器（RCP）模式下，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，该库是EFR32无线电硬件级定制的最直接接口。
 
对于WirelessHART中使用的802.15.4技术，MG24 SoC具有市场上出色性能和124dB超低功耗RF通信链路。而这是通过提供高达+19.5 dBm的发射功率和-104.5 dBm的接收器灵敏度得以实现的。通常，这种级别的无线性能意味着需要在能效方面作出权衡。然而，通过微调睡眠模式电流和调度电池供电的设备传输数据时间，实现了低功耗能耗配置文件，从而确保了这些SoC出色的可靠性和延迟。
 
面对诈骗者和黑客的点子越来越多，工业部门面临着许多安全问题。潜在黑客名单很长，设备劫持、数据泄露和中间人攻击相当常见。Silicon Lab在SoC层面注入最高级别的行业安全认证PSA Level 3认证Secure Vault™，从而为设备制造商从一开始就优先满足网络安全的工作提供支持。为了进一步消除任何安全漏洞，Silicon Labs还提供闪存编程的软件安全配置服务，以及定制零件制造服务（CPMS）可提供先进的安全性和唯一的证书，样本周转时间少于4周。
 
众所周知，工业环境中的射频（RF）条件非常恶劣，在这种条件下，视线障碍物包括厚墙壁、金属外壳、旋转设备以及在制造过程中产生的其他电磁波，这给设备制造商带来了重大挑战。更为糟糕的是，这些快速增长的应用运行在拥塞的2.4 GHz传输频带上，对射频模块提出了更高的要求。
 
在互联世界中，工业环境需要高质量的传感数据来作出明智的决策。虽然这些行业仍在不断发展，但对于监测关键设备与改造设施和站点以提高效率、可持续性和安全性而言，也提出了新的要求。
 
由于精确测量可确保系统的稳健性和可靠性，因此非常注重底层硬件及其设计考虑因素。为了确保传感应用的输出值具有更高的分辨率，设备制造商需要选择具有先进模拟器件且能够测量最小电压／电流变化的无线SoC。
 
全新推出的MG24 SoC系列无需外部模拟器件，通过内置的20位ADC和12位DAC以及比较器即可满足行业基准。这对设备制造商意味通过高精度测量，将可降低物料表（BOM）成本和印刷电路板（PCB）占用空间。除了明显的经济效益外，MG24 SoC还真正简化了开发过程。

结语

WirelessHART是一种工业标准，广泛应用于程序自动化、控制和监控系统。它采用802.15.4无线收发器，并添加了许多改进技术，例如直接序列扩频、跳频等。这些改进使得该协议能够有效降低射频干扰和通道衰落的影响，从而满足工业应用的严苛需求。此外，WirelessHART采用集中管理的网状网络架构，支持网络中无线节点间的冗余路由，从而满足其稳固性要求。最后，WirelessHART保持了与有线HART的向下兼容性，包括支持现有的设备、命令和软件工具。作为物联网解决方案提供商，Silicon Labs推出的SoC（例如EFR32MG24）将具备实现WirelessHART设备所需的硬件和软件特性。