WirelessHART无线传感器网络技术及其应用WirelessHART无线传感器网络技术及其应用WirelessHART无线传感器网络技术及其应用

　　一、概述
　　
　　HART（High way Addressable Remote Transducer）可寻址远程传感器数据公路通信协议，zui早于1986年由Roscmount公司开发，得到了100余家仪表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金会。
　　
　　HART协议采用基于Bell202通信标准的频移键控FSK技术，在现有的4～2OmA模拟信号上迭加FSK信号，以12OOHz信号表示逻辑1，以2200Hz信号表示逻辑0，它成功地使模拟信号与数字信号双向通信能同时进行，而不互相干扰。HART协议还能在一根双绞线上以全数字的方式通信，支持15个现场设备的多站网络，并且能对现场仪表的各项特性进行清晰描述。
　　
　　由于HART数据能与通常使用的4～20mA信号共享同一根双绞线，从而减化了接线方式和采集所有数据所需的导线数量。因为HART仪表既具有常规模拟性能，又具有数字性能，所以HART设备可以向后兼容不具有HART能力的现有主系统。事实上，目前已安装的HART设备90％都连接到不具有利用HART数据能力的传统主系统，但是，在这种HART设备的应用中，为了组态可以使用公共的编程工具，能够赋予仪表较多的智能功能，比起传统的模拟仪表具有较强的价格优势。HART仪表的上述优点吸引了世界各地广大的zui终用户，到目前为止，HART设备的安装量已超过三千万台。2001年，HART通信协议正式成为IEC61158第四版现场总线标准的第20种类型的现场总线。
　　
　　多年来，HART通信基金会一直有组织的进行HART协议的创新开发工作，一直收集zui终用户在使用后反馈的意见，不断集成HART仪表供应商的创新理念，经过了近二十年的发展，于2007年6月推出了HART7通信协议版本，在物理层增加了新的无线物理介质，从而产生了WirelessHART通信协议，它将使得过程测量和控制领域产生新的变革。
　　
　　二、Wireless HART面向过程控制和资产管理可靠的协议
　　
　　Wireless HART协议构筑在IEEE802.15.4无线平台上，工作频率为于工业、科技和医疗（ISM）应用的，无需许可证的24GHz宽带信道，该频率采用DSSS直接序列扩频技术和FHSS跳频扩频技术来保证安全和可靠性，并采用时分多址（TDMA）的同步、隐式报文控制通信技术进行网络设备通信。它强制规定所有的兼容设备必须支持可互操作性，不同供应商提供的Wireless HART设备无需进行系统操作就能实现互换，即连即用。WirelossHART向后兼容现有的HART设备和应用，传统的HART应用，无需进行任何软件升级，都可以利用Wireless HART协议。该协议已成为IEC62591标准。
　　
　　2.1时间同步网状网络协议（TSMP）
　　
　　Wireless HART采用网状网络拓扑结构。网状网络的每一个装置都可为其它装置的报文提供路由功能。换句话说，一个装置无需直接与网关通信而只需将其发送的报文传递到zui近的下一个装置。这样就扩展了网络范围，并增加了冗余通信路由能力，zui终增强了网络可靠性。为了保证冗余路由途径保持开放和畅路，报文将持续在冗余路径之间进行切换选择。就如Internet技术中那样，如果一条报文无法通过某一路由到达目的地，它将自动重新路由到一条正确的冗余路径上，而且数据不会丢失。因此，WirelessHART网状网络具有自组织和自愈特性，即动态组网功能。
　　
　　Wireless HART真正的优势是时间同步网状网络协议（TSMP），该协议提供冗余技术和保证在时间、频率以及空间上不会中断，从而确保即使在极其恶劣的无线环境中也具有很高的可靠性。TSMP也提供自组织、自愈网状网络路由所需的智能功能。其结果是可以构筑一个短程（厂内50～100m）无线网络，该网络无需专门技术安装容易，能够自动适应环境的各种变化，并能按需进行扩展。　　
　　TSMP的时间同步通信、跳频、节点自动加入和网络自动构建、全冗余网状网络路由、以及安全报文传送等5项技术是确保端一端网络可靠性，安装简便和提高电源效率的关键。
　　
　　使用时间同步通信，网络中的每台设备都支持的时间概念，这样就能与相邻设备保持同步。为了避免产生碰撞，提高电源效率和完成可扩展的通信，所有设备一设备的通信都应该在一个预调度窗口（长度为10ms）内产生。除按时间调度传送外，TSMP也会根据不同的频率调度产生每次传送，如图1所示。这样就极大地提高了有效带宽，同时也有效地减少了电源的消耗，使得设备使用小容量电池就能维持运行几年。
　　
　　TSMP网络的主要优点是它的自组织能力。由于实现了“全网状网络”拓扑结构，使得每台设备都具有多条冗余通信路径。网络中不存在减化功能或没有路由的节点。全网状网络拓扑结构具有自组织和自愈特性，在环境发生变化的情况下，仍然能使网络维持长期的，不许干预的可靠性和预测性。
　　
　　每台设备都具有发现相邻设备、测量RF信号强度、采集同步和跳频信息的智能功能，从而能构建或断开与相邻设备的链接。每个网络都由*的ID地址定义，然后与节点一起绑定至网络。这就使得多个网络能够同时存在，无需分享数据或出错路由的报文。
　　
　　2.2Wireless HART传送数据技术
　　
　　Wireless HART采用跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）相组合的无线传输技术，以提供干扰抑制（FHSS）和编码增益（DSSS），从而构建了非常强有力的抗干扰处理机制。
　　
　　在FHSS传输系统中，工作频段被分割成一系列子信道，载波根据伪随机序列改变频率。这个伪随机系列是几个频率的列表，发送器通过应用跳频序列来选择传输的序列。发送器频率从一个子信道跳到另一个子信道上。在事先定义好的时间里，在每个信道发送突发短数据，然后应用小数量的时间跳跃到下一个频率（跳跃时间）。当这个频率列表被用完时，发送器将重复这个序列。接收器与发送器之间跳频序列同步进行。简单地讲，发送器和接收器按照事先约定好的、只有双方知道的顺序不断改变无线传输的频率。FHSS传输系统通过不断改变传输频率避开干扰源。对于具有较强干扰的工业过程应用场合，FHSS可以进行长距离信号传输，传输速率较低，但抗*力*，是一种非常可靠的传输数据技术。
　　
　　直接序列扩频（DSSS）技术是用于ISM频段的另一种传输数据方法。DSSS是在发送端用高码率的扩频码序列扩展信号的扩展频谱技术，在接收端用相同的扩频码序列进行解调，把被扩展的扩频信号还原成原始的信息。换句话说，每个信息位对应生成一个假的任意代码，这个代码会把有用的窄频信号扩成宽频信号。由于扩频导致传输能量分散，所以某个特定频率信号强度便降低了。这个宽频信号通过天线发送，由使用相同扩频代码发生器的接收器接收，这样就能接收到有用信号。当一个干扰信号进人无线传输时，这个窄频干扰信号便通过扩频代码发生器传输到接收器，此时它已被转换成宽频信号（噪音）。DSSS适用于中等距离信号传输，传输速率较高，可以传输大流量的数据。
　　
　　2.3Wireless HART信息安全技术
　　
　　Wireless HART采用强大的信息安全措施，包括信息加密、文电鉴别和信烹弃整性，以提供zui大程度的网络和数据保护。
　　
　　标准的128位AES加密，每条报文都有*的加密密钥，保护数据不被截获；
　　
　　通过使用由32位报文完整性码（MIC）保护数据包源地址，文电鉴别能够验证发送者的有效性，实现对每个数据包的验证；
　　
　　完整性能够确保报文通过同一的MIC毫不变更地进行传送。
　　
　　三、WirelessHART系统架构与设备类型
　　
　　WirelessHART核心技术经过多年的开发已相当成熟，并且还在不断地完善。它的灵活性和适应能力使得它能够很好地适用于恶劣工业环境。WirelessHART系统构成如图2所示。从图2中可看出，WirelessHART设备主要分为三种类型：无线现场设备、适配器和网关。　　
　　3.1无线现场设备
　　
　　无线现场设备与过程或工厂设施连接，该设备可以是一台具有内置WirelessHART的设备，也可以是与WirelessHART适配器相连的具有HART功能的设备。这就使得现有工厂很容易扩展或在新的安装中能够快速利用无线技术。由于电缆成本或环境限制过去不能访问的测量点，现在能够很容易采集到数据。同时，无线现场设备可以使用多种不同电源供电，包括太阳能、交流电、回路供电或电池。
　　
　　3.2适配器
　　
　　WirelessHART适配器将现有的有线HART设备连接到WirelessHART网络中。适配器连接到4～20mA，以采集HART信号。一台适配器能够连接多台HART仪表，从而降低了安装成本。适配器能够由回路或电池供电。这样一来，一方面可以充分利用现有设备，另一方面可以扩大应用范围，使得有线HART设备能够实现测量和诊断信息的无线传送，使其功能升级。
　　
　　3.3无线网关
　　
　　按照标准，WirolessHART网关由三部分组成。与远方现场设备连接的无线部件称作无线接入点；网络管理器负责配置网络、调度设备之间的通信及监测网络的状态。同时，控制网状网络的连接和管理现场设备的信息安全；网关接口部分负责WirolessHART网络与工厂主干网或主机系统的连接。这三部分可以集成在一起，也可以按任意组合方式或分开。
　　
　　WirelessHART网络网状设计使得添加或移动设备简便易行。只要设备处于网络上其他设备的范围之内，它便可以通信。
　　
　　为了灵活满足不同应用的需求，WirelessHART标准支持多种信息模式，包括过程和控制值的单向发布，通过例外报告发出自发性的通知，临时请求/响应，以及大型数据集的自动分块传输。这些功能使得通信能够按照应用的要求而进行定制，从而减少耗电不口开销。
　　
　　四、WirelessHART系统应用
　　
　　无线技术开辟了在广泛领域进行应用的机会，这包括从加入以前由于物理或经济上的原因而无法进行的测量，到获得全厂范围的功能，如资产和人员跟踪、安全性和员工工作效率。WirelessHART把重点放在过程自动化的尚无无线标准的核心功能之上。
　　
　　像有线HART技术一样，WirelessHART支持全系列的过程监控和控制应用，包括
　　
　　设备和过程监控；
　　
　　环境监测、能源管理、法规遵从；
　　
　　资产管理、预防性维护、*的诊断；
　　
　　闭环控制（在适当情况下）。
　　
　　WirelessHART技术将补充而不是取代有线仪表，工厂中两者往往平行工作。WirelessHART技术的向后兼容，包括HART指令结构和设备描述语言，使得使用同一工具便可以方便地同时支持有线和无线设备。WirelessHART设备还希望超越“互换性”，以提供真正的互操作性。这意味着，用户可以选择的WirelessHART设备，而无需考察制造商是谁，还能够保证兼容设备可以在一个系统中协同工作，并可相互替代而在主机系统一级依然不丧失功能。
　　
　　WirelessHART设备可以是个独立的装置，其消除了到控制系统的模拟连接。该设备可安装在工厂的任何地方，而无需线缆的花费。过程变量（PV）和HART数据通过WirelessHART网关与控制或资产管理系统连接。WirelessHART应用系统构成如图3所示。　　
　　在现场系统应用中，有线HART+WirelessHART两种技术相结合提供具有成本效益、低风险的通信解决方案。协同工作，使得在已安装HART设备上的投资得到保护，而且可以快速、经济地增加额外的HART设备。
　　
　　五、WirelessHART无线网络组网与设计
　　
　　随着工业无线网络应用范围的扩大，工厂企业开始大规模应用无线网状网络技术。构建一个WirelessHART网状网络是一个不困难的任务。由于设备类型有限以及网状网络具有自组织能力，已不需要进行大量的设计工作，但是随着网络规模的扩大，该技术暴露了某些局限性。从逻辑上讲，大规模网络配置有大量设备，这些设备需要通过网状网络多次“跳跃”后将获取的数据返回给主机。随着跳跃次数的增加，执行时间随之增加。
　　
　　大规模网络的管理较为困难，由于无线RF的范围相对较短，需要增加额外的中继器。这样一来，无线网状网络中可能会出现瓶颈，而且故障也会影响网络的较大范围。　　
　　为了克服上述缺陷，将大规模网络划分为几个小型网络或几个集群（Cluster）。由于节点通过几次跳跃就可到达网关然后到主机，所以集群方式减少了整个网络的执行时间。这种简化的网络拓扑形式大大降低了需要中继器的可能性。从而产生了没有瓶颈的可靠而又稳定的网络。由于在网络中消除了瓶颈，并且无需安装高性能的路由器，对电池供电设备的要求也随之降低，大大减少了网络的维护量。
　　
　　使用集群方法后，设计的注意力集中于网关的能力。由于WirelessHART通信范围有限，这种方法要求网关尽量安装在靠近现场设备的地方，这样一来，网关至主机的物理连接就成了问题。假如使用铜缆或光缆连接到现场的网关，则采用WirelessHART无线通信节约的成本将被抵消，因此必须消除回程（Backhaul）电缆才能达到进一步节约成本和提高灵活性的目的。菲尼克斯电气公司为了解决这个问题，研发了集成WLAN收发器的WirelessHART智能网关。　　
　　DIN导轨安装的菲尼克斯公司RAD-WHG/WLAN-XD网关包括WirelessHART无线接入点、网络管理器、与WLAN客机连接的网关接口。网关能够连接多至250台WirelessHART现场设备，并能将HART数据转换成ModbusTCP格式，从而很容易集成到几乎所有的资产管理系统。连接可以通过卡上的Ethernet通信口或WLAN客户机收发器完成，HART至Modbus的变换则是自动完成。网关的编程和诊断可以通过手持式HART编程器或嵌入式Web服务器进行。wir。lesSHART数据采用128位AES标准加密，WLAN数据采用WEP和WPA进行加密。
　　
　　综上所述，尽管目前传统的HART设备在石化、电站、食品饮料、石油天然气、水工业/污水处理及其它工业领域的安装量已超过三千万台，但是由于安装电缆的高成本，其中90％绝大部分仪表的有用数据被“困“在现场仪表中，这些有价值的数据不能提供给资产管理系统或其它数据采集系统，HART设备的潜能得不到发挥。WirelessHART提供了将这些现场仪表连接至主系统的安装简便、可靠而又低成本的方法。使用开放的WirelessHART协议，可极大提升仪表性能，大幅提高工厂的生产力和生产效率。WirolessHART是面向过程测量、过程控制和资产管理全面应用的一种可靠的无线网状网络通信协议。近几年，工业过程自动化用户选用WirelessHART协议已超过其它标准，WirelessHART通信协议从而成为的无线传感器网络标准。可以相信，WirelessHART通信协议将会得到越来越广泛的应用，加速推进工厂物联网时代的到来。