WirelessHART網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用研究

蒙 恩 張 盛

(1.北海供電局，廣西 北海 536000；2.清華大學(xué)深圳研究生院智能傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心，廣東 深圳 518055)

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用研究

蒙 恩1張 盛2

(1.北海供電局，廣西 北海 536000；2.清華大學(xué)深圳研究生院智能傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心，廣東 深圳 518055)

介紹了WirelessHART網(wǎng)絡(luò)及其研究現(xiàn)狀，分析了其技術(shù)難點，最后探討了其應(yīng)用領(lǐng)域與未來發(fā)展前景。

WirelessHART；可靠性；應(yīng)用

0 引言

在進程自動化控制應(yīng)用上，無線技術(shù)發(fā)展一直比較緩慢，其主要原因是缺少一個開放式并能滿足工業(yè)需求的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。HART通信基金會于2007年9月公布WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于工業(yè)進程控制[1]。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)針對實際的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，采取了一系列的技術(shù)措施來滿足工業(yè)過程控制嚴(yán)格的實時性和高可靠性要求。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)是一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，采用TDMA(Time Division Multiple Access)和跳頻擴頻接入機制，節(jié)點通過偽隨機序列隨機選取通信信道，有效抵抗干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r采用集中式管理，網(wǎng)絡(luò)管理器通過收集網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的信息并向各節(jié)點發(fā)送命令來配置和管理整個網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的通信分配時隙和信道。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)鏈路分配只考慮時間分集和頻率分集，不允許不同空間區(qū)域的節(jié)點工作在同一時隙的同一信道上。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)有多個可用信道，每個超幀包含多個時隙，因此整個網(wǎng)絡(luò)擁有豐富的資源。

與WirelessHART相似的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括ZigBee和ISA100。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是一個低速率與低能耗的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，主要是針對家庭自動化和消費電子應(yīng)用，于2004年發(fā)布，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是建立在IEEE802.15.4規(guī)范之上。和WirelessHART不同的是，ZigBee不支持跳頻技術(shù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在整個生命周期都運行于同一靜態(tài)信道中。靜態(tài)信道使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)更加容易受外界噪聲和干擾的影響，這對于實際工業(yè)應(yīng)用中惡劣的無線信道環(huán)境來說是不可靠的。而ISA100是工業(yè)無線通信中一個十分有力的競爭者。ISA100標(biāo)準(zhǔn)委員會目標(biāo)是創(chuàng)建一個工業(yè)自動化無線標(biāo)準(zhǔn)家族，第一個標(biāo)準(zhǔn)是ISA100.11a。WirelessHART和ISA100之間的主要區(qū)別是在應(yīng)用層，ISA100除了運用HART命令外，還兼容現(xiàn)場總線基金會、現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。此外，ISA100.11a包含管理功能，并支持跨網(wǎng)絡(luò)各層次的5個管理領(lǐng)域。這5個管理領(lǐng)域分別是計算、配置、故障、性能和安全性。

盡管WirelessHART協(xié)議相比于其他協(xié)議具有低功耗、高可靠性、強實時性和高安全性等優(yōu)勢，但WirelessHART發(fā)展與應(yīng)用并沒有想象中那么迅速，主要原因在于其技術(shù)欠成熟，存在一定的技術(shù)難點。本文將首先介紹WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)及其網(wǎng)絡(luò)模型，然后分析其技術(shù)難點，并提出其應(yīng)用領(lǐng)域與未來發(fā)展前景。

1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)及其研究現(xiàn)狀

1.1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，采用集中式管理，如圖1所示，其基本設(shè)備包括：

(1) 現(xiàn)場設(shè)備，用來連接工廠進程。按功能可以分為采集器和執(zhí)行器兩種設(shè)備，采集器用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場信息，執(zhí)行器用于接收和執(zhí)行網(wǎng)關(guān)下發(fā)的控制命令。現(xiàn)場設(shè)備廣泛應(yīng)用于溫度、密度、壓力、電力、pH值監(jiān)控、資產(chǎn)管理、設(shè)備健康監(jiān)控等領(lǐng)域。

(2) 網(wǎng)關(guān)，包含一個或多個接入點，用來連接主機應(yīng)用和現(xiàn)場設(shè)備，負責(zé)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)管理著網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的時鐘，緩存現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，同時進行流量控制，防止網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)堵塞。網(wǎng)關(guān)可以和網(wǎng)絡(luò)管理器直接通信，也可以和網(wǎng)絡(luò)管理器集成在一起。

(3) 網(wǎng)絡(luò)管理者，是WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的中心樞紐，負責(zé)組建和配置整個網(wǎng)絡(luò)，分配通信任務(wù)，建立和管理路由表，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的健康狀況，同時網(wǎng)絡(luò)管理者通過超幀和鏈路的設(shè)置來分配網(wǎng)絡(luò)通信資源。一個WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中只包含一個網(wǎng)絡(luò)管理者，而一個網(wǎng)絡(luò)管理者卻能管理多個WirelessHART網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)管理者通常是由一臺高性能PC機擔(dān)任，其核心是主機上的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)管理軟件。

圖1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

此外，WirelessHART網(wǎng)絡(luò)通常還包括：適配器，將現(xiàn)有的有線HART設(shè)備接入WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中；手持儀器，用于連接現(xiàn)場設(shè)備，監(jiān)視節(jié)點的加入和維護網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)；安全管理器，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)密鑰的分配和管理。

1.2 WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)模型

WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)符合OSI(Open System Interconnection)模型，分別對物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層作出了詳細的功能定義。WirelessHART物理層基于IEEE802.15.4—2006標(biāo)準(zhǔn)，采用ISM 2.4 GHz頻段，有16個可用信道，通過O -QPSK調(diào)制方式可以實現(xiàn)250 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并采用直接序列擴頻方式。鏈路層采用TDMA和FHSS技術(shù)來接入信道，兩個節(jié)點間的通信鏈路是預(yù)先分配的，因而可以避免數(shù)據(jù)沖突。同時，WirelessHART加入黑名單技術(shù)，對干擾信道加以屏蔽，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的強健性。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)數(shù)據(jù)的路由和加密，保障了端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴irelessHART支持網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，含有豐富的冗余路徑，并通過圖路由極大地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴鬏攲涌梢源_保數(shù)據(jù)包從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點，提供非認證和認證的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層提供豐富的HART命令，網(wǎng)絡(luò)管理器通過應(yīng)用層命令對網(wǎng)絡(luò)進行配置和維護。

1.3 WirelessHART研究現(xiàn)狀

自2007年HART通信基金會發(fā)布WirelessHART以來，針對其關(guān)鍵技術(shù)的研究一直是一個熱點，主要包括路由算法、鏈路調(diào)度、時間同步等。各研究目的在于提高網(wǎng)絡(luò)性能，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，使其更好地滿足工業(yè)應(yīng)用需求。如文獻[2]提出了一種高可靠性的WirelessHART超幀調(diào)度算法，在避免數(shù)據(jù)沖突的前提下，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時考慮了節(jié)點硬件有限的存儲能力，符合實際應(yīng)用需求；文獻[3]提出一種基于BFS(Breadth-First Search)的WirelessHART最短路徑圖路由算法，在實現(xiàn)圖路由跳間冗余特性的同時，提高了路由中連接的通信質(zhì)量，增強了路由及網(wǎng)絡(luò)的健壯性。針對WirelessHART網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和節(jié)點設(shè)計也有許多研究。如文獻[4]設(shè)計了一個基于WirelessHART的監(jiān)控系統(tǒng)，雖然文中沒有給出具體的協(xié)議棧，但詳細地描述了關(guān)鍵的軟硬件設(shè)計，并進行了實際測試；文獻[5]提出了一種智能電表設(shè)計方案，在綠色傳感網(wǎng)絡(luò)抄表實現(xiàn)上，將智能電表結(jié)合采集器作為傳感網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，使用WirelessHART協(xié)議構(gòu)建抄表本地通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了電表的功能及智能抄表系統(tǒng)；文獻[6]設(shè)計了一種WirelessHART智能壓力儀表，闡述了壓力儀表設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)以及具體的硬件電路和軟件實施方案。雖然針對WirelessHART的研究有很多，但至今還沒有一個完全開放且十分完整的WirelessHART協(xié)議棧，這也阻礙了WirelessHART技術(shù)在實際工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展。

2 WirelessHART技術(shù)難點

WirelessHART相比于其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有多個方面的優(yōu)勢，這必然使得其實現(xiàn)更加復(fù)雜。總的來說，其主要存在以下幾個技術(shù)難點：

2.1 跳頻擴頻

與其他WSN(Wireless Sensor Network)協(xié)議不同，WirelessHART數(shù)據(jù)鏈路層采用FHSS技術(shù)降低信道干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴irelessHART網(wǎng)絡(luò)物理層有16個可用信道，節(jié)點通過偽隨機序列隨機選取通信信道，然而處于同一鏈路的兩個節(jié)點在實際通信過程中必須保持相同的通信頻率，各節(jié)點的隨機跳頻具有不確定性，所以在通信開始之前，通信節(jié)點間要求預(yù)先知道對方的信道頻率，這就使得實際通信過程變得復(fù)雜化。

2.2 時間同步

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都有自己的本地時鐘，環(huán)境溫度的變化會使晶振頻率產(chǎn)生漂移，不同節(jié)點的時鐘便會出現(xiàn)一定的偏差。隨著時間的延長，時鐘偏差達到一定程度，節(jié)點之間便無法通信，從而脫離網(wǎng)絡(luò)，引起網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，甚至使網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，必須有一個高精度、高可靠性的時間同步機制，才能保證整個網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定運行。WirelessHART通常以網(wǎng)絡(luò)管理器的時間作為時鐘源，網(wǎng)關(guān)節(jié)點首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理器反饋的時間信息進行時鐘校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之后設(shè)置ATN(Absolute Timeslot Number)時隙計數(shù)器為0，并啟動計數(shù)器。其他加入節(jié)點以已完成時間同步的節(jié)點為時鐘源進行主動時鐘同步，全網(wǎng)保持統(tǒng)一的ATN和精確的時隙同步。

2.3 鏈路調(diào)度

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)相對于其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多特點，從而決定了其鏈路調(diào)度的特殊性。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)采用集中式管理，節(jié)點之間的通信鏈路是預(yù)先配置的，而且只能通過網(wǎng)絡(luò)管理器對整個網(wǎng)絡(luò)進行資源的優(yōu)化配置。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)鏈路分配只考慮時間分集和頻率分集。鏈路分配的結(jié)果影響網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚速率、可靠性和資源利用率等性能，這就需要一個可靠性高、實時性強的鏈路調(diào)度算法為網(wǎng)絡(luò)中每個鏈路合理地分配時隙和信道，保證在無數(shù)據(jù)沖突的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)的強健性與吞吐量。

3 WirelessHART技術(shù)應(yīng)用及其前景

3.1 WirelessHART技術(shù)應(yīng)用

相比于有線設(shè)備，無線設(shè)備可以大大節(jié)約成本，省去安裝電纜等費用，但WirelessHART協(xié)議的復(fù)雜度對網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備硬件的性能有一定的要求，主要是節(jié)點的計算能力和存儲能力。目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了許多針對WirelessHART協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備，可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。和其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相同，WirelessHART技術(shù)可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

(1) 工業(yè)進程控制；

(2) 智能監(jiān)控；

(3) 軍事應(yīng)用；

(4) 資產(chǎn)管理；

(5) 醫(yī)療健康。

在現(xiàn)場系統(tǒng)應(yīng)用中，原有的有線HART可以通過適配器來連接WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備，這兩種技術(shù)相結(jié)合能夠提供具有成本效益、低風(fēng)險的通信解決方案。如今，WirelessHART網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在工業(yè)進程控制、智能監(jiān)控等領(lǐng)域得以應(yīng)用，有越來越多的設(shè)備廠商生產(chǎn)WirelessHART工業(yè)級專業(yè)儀器儀表，而在軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域，WirelessHART還沒有得到廣泛應(yīng)用，相信隨著技術(shù)的不斷成熟，WirelessHART必將以其高可靠性、安全等優(yōu)勢在這些領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。

3.2 WirelessHART發(fā)展前景

WirelessHART是一種面向過程測量、過程控制和資產(chǎn)管理等全面應(yīng)用的高可靠無線通信協(xié)議，其自身的特點和優(yōu)勢也引起了相關(guān)領(lǐng)域科研人員的極大興趣。經(jīng)過多年的發(fā)展，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵技術(shù)已被大量地研究，其協(xié)議不斷地被完善而日趨成熟，HART通信基金會也不斷努力推動其前進。近些年來，工業(yè)過程自動化用戶選用WirelessHART協(xié)議已超過其他標(biāo)準(zhǔn)，WirelessHART通信協(xié)議成為了公認的最好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)。隨著相關(guān)行業(yè)人員的共同努力，WirelessHART協(xié)議將在實際工業(yè)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代具有廣闊的前景。

4 結(jié)語

由于采用了不同的關(guān)鍵技術(shù)，WirelessHART相比于其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性、低功耗、強實時性等優(yōu)勢，也引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注與實際應(yīng)用，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚南仍敿毜亟榻BWirelessHART網(wǎng)絡(luò)及其研究現(xiàn)狀，然后分析了其關(guān)鍵技術(shù)特點，最后提出了其目前與未來可能的應(yīng)用領(lǐng)域，并展望了發(fā)展前景。

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2014-06-22

蒙恩(1980—)，男，廣西南寧人，碩士研究生，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運行與生產(chǎn)管理工作。