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     活動鏈接：2012年控制網技術專題---將無線技術引入傳感器2012

    摘要：WirelessHART是面向過程控制和資產管理可靠的協議。近幾年，工業過程自動化用戶選用WirelessHART協議已超過其它標準，該通信協議從而成為最好的無線傳感器網絡國際標準。本文較全面論述WirelessHART工業無線傳感器網絡技術的優點、數據傳送技術、時間同步網狀網絡協議（TSMP）、系統架構、網絡系統應用，以及WirelessHART無線網絡的組網與設計。較詳細闡述了菲尼克斯電氣公司最近研發的具有WLAN能力的WirelessHART智能網關，它將消除回程電纜，大大提高網絡的靈活性和進一步降低成本。最后，給出WirelessHART組網設計的原則。

   關鍵詞：無線HART；傳感器網絡；系統架構；集成WLAN網關；組網設計

    1 概述

    HART （Highway Addressable Remote Transducer）可尋址遠程傳感器數據公路通信協議，最早于1986年由Rosemount公司開發，得到了100余家儀表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金會。

    HART協議采用基于Bell202通信標準的頻移鍵控FSK技術，在現有的4~20mA模擬信號上迭加FSK信號，以1200Hz信號表示邏輯1，以2200Hz信號表示邏輯0，它成功地使模擬信號與數字信號雙向通信能同時進行，而不互相干擾。HART協議還能在一根雙絞線上以全數字的方式通信，支持15個現場設備的多站網絡，并且能對現場儀表的各項特性進行清晰描述。

    由于HART數據能與通常使用的4~20mA信號共享同一根雙絞線，從而減化了接線方式和采集所有數據所需的導線數量。因為HART儀表既具有常規模擬性能，又具有數字性能，所以HART設備可以向后兼容不具有HART能力的現有主系統。事實上，目前已安裝的HART設備90%都連接到不具有利用HART數據能力的傳統主系統，但是，在這種HART設備的應用中，為了組態可以使用公共的編程工具，能夠賦予儀表較多的智能功能，比起傳統的模擬儀表具有較強的價格優勢。HART儀表的上述優點吸引了世界各地廣大的最終用戶，到目前為止，HART設備的安裝量已超過三千萬臺。2001年，HART通信協議正式成為IEC61158第四版現場總線標準的第20種類型的現場總線。

    多年來，HART通信基金會一直有組織的進行HART協議的創新開發工作，一直收集最終用戶在使用后反饋的意見，不斷集成HART儀表供應商的創新理念，經過了近二十年的發展，于2007年6月推出了HART 7通信協議版本，在物理層增加了新的無線物理介質，從而產生了WirelessHART通信協議，它將使得過程測量和控制領域產生新的變革。

   2 WirelessHART面向過程控制和資產管理可靠的協議

    Wireless HART協議構筑在IEEE802.15.4無線平臺上，工作頻率為專用于工業、科技和醫療（ISM）應用的，無需許可證的2.4GHz寬帶信道，該頻率采用DSSS直接序列擴頻技術和FHSS跳頻擴頻技術來保證安全和可靠性，并采用時分多址（TDMA）的同步、隱式報文控制通信技術進行網絡設備通信。它強制規定所有的兼容設備必須支持可互操作性，不同供應商提供的WirelessHART設備無需進行系統操作就能實現互換，即連即用。Wireless HART向后兼容現有的HART設備和應用，傳統的HART應用，無需進行任何軟件升級，都可以利用WirelessHART協議。該協議已成為IEC62591 國際標準。

   2.1 時間同步網狀網絡協議（TSMP）

    WirelessHART采用網狀網絡拓樸結構。網狀網絡的每一個裝置都可為其它裝置的報文提供路由功能。換句話說，一個裝置無需直接與網關通信而只需將其發送的報文傳遞到最近的下一個裝置。這樣就擴展了網絡范圍，并增加了冗余通信路由能力，最終增強了網絡可靠性。為了保證冗余路由途徑保持開放和暢路，報文將持續在冗余路徑之間進行切換選擇。就如Internet技術中那樣，如果一條報文無法通過某一路由到達目的地，它將自動重新路由到一條正確的冗余路徑上，而且數據不會丟失。因此，Wireless HART網狀網絡具有自組織和自愈特性，即動態組網功能。

   Wi r e l e s sHART 真正的優勢是時間同步網狀網絡協議（TSMP），該協議提供冗余技術和保證在時間、頻率以及空間上不會中斷，從而確保即使在極其惡劣的無線環境中也具有很高的可靠性。TSMP也提供自組織、自愈網狀網絡路由所需的智能功能。其結果是可以構筑一個短程（廠內50~100m）無線網絡，該網絡無需專門技術安裝容易，能夠自動適應環境的各種變化，并能按需進行擴展。

    TSMP的時間同步通信、跳頻、節點自動加入和網絡自動構建、全冗余網狀網絡路由、以及安全報文傳送等5項技術是確保端—端網絡可靠性，安裝簡便和提高電源效率的關鍵。

    使用時間同步通信，網絡中的每臺設備都支持精準的時間概念，這樣就能與相鄰設備保持同步。為了避免產生碰撞，提高電源效率和完成可擴展的通信，所有設備—設備的通信都應該在一個預調度窗口（長度為10ms）內產生。除按時間調度傳送外，TSMP也會根據不同的頻率調度產生每次傳送，如圖1所示。這樣就極大地提高了有效帶寬，同時也有效地減少了電源的消耗，使得設備使用小容量電池就能維持運行幾年。
       
               
                                圖1 WirelessHART 頻率和時間是多變的

    TSMP網絡的主要優點是它的自組織能力。由于實現了“全網狀網絡”拓撲結構，使得每臺設備都具有多條冗余通信路徑。網絡中不存在減化功能或沒有路由的節點。全網狀網絡拓撲結構具有自組織和自愈特性，在環境發生變化的情況下，仍然能使網絡維持長期的，不許干預的可靠性和預測性。
   
    每臺設備都具有發現相鄰設備、測量RF信號強度、采集同步和跳頻信息的智能功能，從而能構建或斷開與相鄰設備的鏈接。每個網絡都由唯一的ID地址定義，然后與節點一起綁定至網絡。這就使得多個網絡能夠同時存在，無需分享數據或出錯路由的報文。

    2.2 WirelessHART傳送數據技術

   WirelessHART采用跳頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）相組合的無線傳輸技術，以提供干擾抑制（FHSS）和編碼增益（DSSS），從而構建了非常強有力的抗干擾處理機制。

    在FHSS傳輸系統中，工作頻段被分割成一系列子信道，載波根據偽隨機序列改變頻率。這個偽隨機系列是幾個頻率的列表，發送器通過應用跳頻序列來選擇傳輸的序列。發送器頻率從一個子信道跳到另一個子信道上。在事先定義好的時間里，在每個信道發送突發短數據，然后應用小數量的時間跳躍到下一個頻率（跳躍時間）。當這個頻率列表被用完時，發送器將重復這個序列。接收器與發送器之間跳頻序列同步進行。簡單地講，發送器和接收器按照事先約定好的、只有雙方知道的順序不斷改變無線傳輸的頻率。FHSS傳輸系統通過不斷改變傳輸頻率避開干擾源。對于具有較強干擾的工業過程應用場合，FHSS可以進行長距離信號傳輸，傳輸速率較低，但抗干擾能力極強，是一種非常可靠的傳輸數據技術。

    直接序列擴頻（DSSS）技術是用于ISM頻段的另一種傳輸數據方法。DSSS是在發送端用高碼率的擴頻碼序列擴展信號的擴展頻譜技術，在接收端用相同的擴頻碼序列進行解調，把被擴展的擴頻信號還原成原始的信息。換句話說，每個信息位對應生成一個假的任意代碼，這個代碼會把有用的窄頻信號擴成寬頻信號。由于擴頻導致傳輸能量分散，所以某個特定頻率信號強度便降低了。這個寬頻信號通過天線發送，由使用相同擴頻代碼發生器的接收器接收，這樣就能接收到有用信號。當一個干擾信號進入無線傳輸時，這個窄頻干擾信號便通過擴頻代碼發生器傳輸到接收器，此時它已被轉換成寬頻信號（噪音）。DSSS適用于中等距離信號傳輸，傳輸速率較高，可以傳輸大流量的數據。

    2.3 WirelessHART信息安全技術

    WirelessHART采用強大的信息安全措施，包括信息加密、文電鑒別和信息完整性，以提供最大程度的網絡和數據保護。

    • 標準的128位AES加密，每條報文都有唯一的加密密鑰，保護數據不被截獲；

    • 通過使用由32位報文完整性碼（MIC）保護數據包源地址，文電鑒別能夠驗證發送者的有效性，實現對每個數據包的驗證；

   • 完整性能夠確保報文通過同一的MIC毫不變更地進行傳送。

   3 WirelessHART系統架構與設備類型

    WirelessHART核心技術經過多年的開發已相當成熟，并且還在不斷地完善。它的靈活性和適應能力使得它能夠很好地適用于惡劣工業環境。WirelessHART系統構成如圖2所示。從圖2中可看出，WirelessHART設備主要分為三種類型：無線現場設備、適配器和網關。
      
              
                          圖2 WirelessHART系統架構  

    3.1 無線現場設備

    無線現場設備與過程或工廠設施連接，該設備可以是一臺具有內置Wireless HART的設備，也可以是與WirelessHART適配器相連的具有HART功能的設備。這就使得現有工廠很容易擴展或在新的安裝中能夠快速利用無線技術。由于電纜成本或環境限制過去不能訪問的測量點，現在能夠很容易采集到數據。同時，無線現場設備可以使用多種不同電源供電，包括太陽能、交流電、回路供電或電池。