技術干貨
簡介
隨著工業自動化和智能制造的快速發展，現場設備之間的可靠通信已成為提升生產效率、保障系統安全與實現預測性維護的關鍵。HART (Highway Addressable Remote Transducer) 協議是當前工業過程控制領域最為廣泛部署的通信標準之一。WirelessHART標準 (IEC 62591) 則是在完整繼承HART協議應用層的基礎上，創新性地引入了基于IEEE 802.15.4的無線通信能力，并采用自組織、自恢復的網狀網絡拓撲。本文將為您介紹WirelessHART標準在工業物聯網應用的發展，以及由Silicon Labs推出的相關解決方案。
滿足工業應用對低延遲、確定性、
穩固性和安全性要求的
WirelessHART網絡協議
高速可尋址遠程傳感器（HART）是一種廣泛應用于工業流程的有線通信協議。HART已部署超過4000萬臺設備，是全球4-20 mA模擬電流環路數字通信的標準，用于連接分布式控制系統和現場儀表，例如傳感器和執行器。
WirelessHART于2007年推出，是首個在HART基礎上增加無線功能的工業網狀網絡協議，同時保持與現有HART系統的向后兼容性。WirelessHART使用標準的802.15.4無線收發器，該收發器僅限于全球通用的2.4 GHz頻段。在協議棧的高層，WirelessHART對802.15.4標準進行了諸多改進和擴展，以滿足工業應用對低延遲、確定性、穩固性和安全性等嚴苛要求。
WirelessHART系統包含網關、接入點、現場設備、無線路由器、無線適配器、無線手持設備等組件。網關屬于中央設備，用于實現WirelessHART網絡與流程自動化后端之間的通信，后端執行主機應用程序。后端可以是有線現場總線或以太網網絡，例如流程自動化控制器（PAC）、分布式控制系統（DCS）、數據歷史記錄器或資產管理軟件。接入點則是用于連接網關和WirelessHART網絡的設備。
現場設備則是獨立的無線節點，通常是傳感器或執行器，同時也是網狀網絡中的無線路由器。無線路由器是可選的無線設備，不包含傳感器或執行器，僅用于在網絡內路由數據包。無線適配器則用于將有線HART設備連接到無線網絡。無線手持設備則屬于終端用戶設備，用于支持系統的安裝、配置、控制、監控和維護。
以網關為中心構建的
WirelessHART網絡
WirelessHART網絡以網關為中心構建，網關通常同時承擔安全管理器和網絡管理器的角色。它負責初始化無線網絡，并在新現場設備投入使用時添加它們。作為安全管理器，它負責生成、存儲和管理安全密鑰，以及維護和控制網絡訪問控制列表。作為網絡管理器，它負責集中管理整個無線網狀網絡中的無線電傳輸時間表、跳頻序列和通信路由。它還負責管理網絡拓撲、監控網絡健康狀況以及調整現場設備之間的路由。
由此產生的無線網絡是一個冗余、自組織、自恢復、自適應的網狀網絡，可由網絡管理器集中管理。集中配置能夠針對各種需求進行優化，例如穩固性、延遲、確定性或電池壽命。例如，為了提高穩固性，WirelessHART提供了時間分集協議，其采用定時通信，并支持跨多個時隙的冗余數據傳輸，以緩解瞬態通信問題。通道分集則采用通道跳頻技術，冗余數據傳輸發生在不同的頻率上，從而防止通道選擇性衰落和射頻干擾。該協議還支持路由分集以在網狀網絡中定義冗余路由，以提高網絡對路由故障的穩固性。
自WirelessHART推出以來，流程工業已經制定了多項部署和使用WirelessHART協議的指南和最佳實踐。例如，就傳輸范圍而言，在存在障礙物的情況下，單跳通信可以達到30米的傳輸距離，但在無障礙物或采用多跳通信設置的情況下，傳輸距離可以更遠。同樣，星型拓撲結構也能實現低于100毫秒的網絡延遲，但實際延遲通常取決于網絡規模和拓撲結構。此外，網絡規?？蓴U展至80臺設備而不會影響性能，但若進一步擴展至250臺設備，則會在性能方面做出權衡，例如延遲、吞吐量或電池續航時間的降低。
實現穩健工業級通信的
WirelessHART協議棧
WirelessHART的無線網絡協議棧（WPAN）包含應用層／應用支持層，這是面向命令的HART協議、請求／響應模式、發布模式、通知、塊傳輸。傳輸層則是面向連接的傳輸、無連接的傳輸。網絡層用于集中管理的多路徑圖路由、源路由、代理路由、安全功能。數據鏈路層則是802.15.4 MAC定制版，F/TDMA修改、集中管理的TDMA、同步通道跳頻、共享時隙（CSMA-CA）、安全功能。物理層則是802.15.4 (2006) PHY，支持2.4 GHz、OQPSK、DSSS、250 kbps、最大10 dBm。
WirelessHART的物理層采用802.15.4 (2006) 標準，但限制僅使用15個全球支持的通道，這大大簡化了WirelessHART設備在不同國家／地區的設計、認證和部署流程，無需進行針對特定國家／地區的配置更改。WirelessHART使用2 MHz寬、間隔5 MHz的射頻通道，最大發射功率為10 dBm。它采用偏移正交相移鍵控（OQPSK）調制，數據速率為250 kbps。此外，直接序列擴頻（DSSS）的使用使該無線標準能夠有效抵抗射頻干擾和通道衰落。
為了在擁擠的2.4 GHz頻段實現穩健的工業級通信，WirelessHART采用了以下技術：WirelessHART的MAC層使用時分多址（TDMA）技術來實現無沖突且確定性的通信。該協議利用跳頻擴頻（FHSS）技術，在每個時隙后使用不同的無線通道進行通信，并且能夠排除擁塞嚴重、性能較差的無線通道。
WirelessHART設備之間的通信以10毫秒的時隙進行，在每個時隙內，發送設備發送一個數據包并等待接收設備的確認。該協議通過分配可配置數量的此類時隙來形成超幀，該超幀周期性重復。超幀由網絡管理器集中控制，網絡管理器將每個時隙分配給發送設備和接收設備，以及通信所使用的無線通道。最終的時隙和通道分配結果會分發給各個現場設備，以便進行各自的無線電調度。此外，該標準還支持消息廣播和使用載波偵聽多路訪問（CSMA）在多個發射器之間基于競爭共享時隙等功能。
WirelessHART的網絡層支持多種路由機制以建立穩健的網狀網絡。其中兩種機制包括圖路由與源路由。圖路由是WirelessHART的主要路由方案，其中網絡路由由網絡管理器集中確定并分發給網狀網絡的各個現場設備。這種路由方案提供了靈活性，例如可以為上行鏈路、下行鏈路和廣播通信配置不同的路由。此外，還可以定義冗余路徑以支持路徑多樣性。
源路由則是一種用于網絡診斷和配置的輔助路由機制。在該方案中，源設備確定數據包的路由，并將中間跳數的有序列表寫入數據包的路由頭中。中間節點根據此信息轉發數據包，而無需任何預先配置。
使用Silicon Labs SoC實現
WirelessHART
Silicon Labs提供多款無線SoC，例如EFR32MG24可作為實現WirelessHART產品的基礎。這款特定的SoC包含一個符合802.15.4標準的2.4 GHz無線收發器，在WirelessHART使用的OQPSK DSSS模式下，其靈敏度為-105.4 dBm。EFR32MG24的1536 kB閃存和256 kB RAM可以將無線協議棧和應用程序集成在單個SoC上，從而降低物料清單成本。
此外，該SoC可以運行在主機、網絡協處理器（NCP）和無線電協處理器（RCP）模式下，以支持不同的架構。在軟件方面，Silicon Labs為RAIL（無線電抽象接口層）庫提供了一個簡潔易用的編程框架，該庫是EFR32無線電硬件級定制的最直接接口。
對于WirelessHART中使用的802.15.4技術，MG24 SoC具有市場上出色性能和124dB超低功耗RF通信鏈路。而這是通過提供高達+19.5 dBm的發射功率和-104.5 dBm的接收器靈敏度得以實現的。通常，這種級別的無線性能意味著需要在能效方面作出權衡。然而，通過微調睡眠模式電流和調度電池供電的設備傳輸數據時間，實現了低功耗能耗配置文件，從而確保了這些SoC出色的可靠性和延遲。
面對詐騙者和黑客的點子越來越多，工業部門面臨著許多安全問題。潛在黑客名單很長，設備劫持、數據泄露和中間人攻擊相當常見。Silicon Lab在SoC層面注入最高級別的行業安全認證PSA Level 3認證Secure Vault?，從而為設備制造商從一開始就優先滿足網絡安全的工作提供支持。為了進一步消除任何安全漏洞，Silicon Labs還提供閃存編程的軟件安全配置服務，以及定制零件制造服務（CPMS）可提供先進的安全性和唯一的證書，樣本周轉時間少于4周。
眾所周知，工業環境中的射頻（RF）條件非常惡劣，在這種條件下，視線障礙物包括厚墻壁、金屬外殼、旋轉設備以及在制造過程中產生的其他電磁波，這給設備制造商帶來了重大挑戰。更為糟糕的是，這些快速增長的應用運行在擁塞的2.4 GHz傳輸頻帶上，對射頻模塊提出了更高的要求。
在互聯世界中，工業環境需要高質量的傳感數據來作出明智的決策。雖然這些行業仍在不斷發展，但對于監測關鍵設備與改造設施和站點以提高效率、可持續性和安全性而言，也提出了新的要求。
由于精確測量可確保系統的穩健性和可靠性，因此非常注重底層硬件及其設計考慮因素。為了確保傳感應用的輸出值具有更高的分辨率，設備制造商需要選擇具有先進模擬器件且能夠測量最小電壓／電流變化的無線SoC。
全新推出的MG24 SoC系列無需外部模擬器件，通過內置的20位ADC和12位DAC以及比較器即可滿足行業基準。這對設備制造商意味通過高精度測量，將可降低物料表（BOM）成本和印刷電路板（PCB）占用空間。除了明顯的經濟效益外，MG24 SoC還真正簡化了開發過程。
結語
WirelessHART是一種工業標準，廣泛應用于程序自動化、控制和監控系統。它采用802.15.4無線收發器，并添加了許多改進技術，例如直接序列擴頻、跳頻等。這些改進使得該協議能夠有效降低射頻干擾和通道衰落的影響，從而滿足工業應用的嚴苛需求。此外，WirelessHART采用集中管理的網狀網絡架構，支持網絡中無線節點間的冗余路由，從而滿足其穩固性要求。最后，WirelessHART保持了與有線HART的向下兼容性，包括支持現有的設備、命令和軟件工具。作為物聯網解決方案提供商，Silicon Labs推出的SoC（例如EFR32MG24）將具備實現WirelessHART設備所需的硬件和軟件特性。
