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(diǎn)，最后探討了其應(yīng)用領(lǐng)域與未來(lái)發(fā)展前景。

WirelessHART；可靠性；應(yīng)用

0 引言

在進(jìn)程自動(dòng)化控制應(yīng)用上，無(wú)線技術(shù)發(fā)展一直比較緩慢，其主要原因是缺少一個(gè)開(kāi)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(huì)于2007年9月公布WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于工業(yè)進(jìn)程控制[1]。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，采取了一系列的技術(shù)措施來(lái)滿足工業(yè)過(guò)程控制嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性和高可靠性要求。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，采用TDMA(Time Division Multiple Access)和跳頻擴(kuò)頻接入機(jī)制，節(jié)點(diǎn)通過(guò)偽隨機(jī)序列隨機(jī)選取通信信道，有效抵抗干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)采用集中式管理，網(wǎng)絡(luò)管理器通過(guò)收集網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的信息并向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令來(lái)配置和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的通信分配時(shí)隙和信道。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)鏈路分配只考慮時(shí)間分集和頻率分集，不允許不同空間區(qū)域的節(jié)點(diǎn)工作在同一時(shí)隙的同一信道上。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)可用信道，每個(gè)超幀包含多個(gè)時(shí)隙，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)擁有豐富的資源。

與WirelessHART相似的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括ZigBee和ISA100。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)低速率與低能耗的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，主要是針對(duì)家庭自動(dòng)化和消費(fèi)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(gè)生命周期都運(yùn)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(duì)于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中惡劣的無(wú)線信道環(huán)境來(lái)說(shuō)是不可靠的。而ISA100是工業(yè)無(wú)線通信中一個(gè)十分有力的競(jìng)爭(zhēng)者。ISA100標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)家族，第一個(gè)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(yùn)用HART命令外，還兼容現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)、現(xiàn)場(chǎng)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(gè)管理領(lǐng)域。這5個(gè)管理領(lǐng)域分別是計(jì)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(qiáng)實(shí)時(shí)性和高安全性等優(yōu)勢(shì)，但WirelessHART發(fā)展與應(yīng)用并沒(méi)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(diǎn)。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(diǎn)，并提出其應(yīng)用領(lǐng)域與未來(lái)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?fù)浣Y(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(chǎng)設(shè)備，用來(lái)連接工廠進(jìn)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(chǎng)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?，F(xiàn)場(chǎng)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(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)，用來(lái)連接主機(jī)應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，負(fù)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(shí)鐘，緩存現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)進(jìn)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(fù)責(zé)組建和配置整個(gè)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(shí)網(wǎng)絡(luò)管理者通過(guò)超幀和鏈路的設(shè)置來(lái)分配網(wǎng)絡(luò)通信資源。一個(gè)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中只包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理者，而一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理者卻能管理多個(gè)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)管理者通常是由一臺(tái)高性能PC機(jī)擔(dān)任，其核心是主機(jī)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(chǎng)設(shè)備，監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的加入和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)；安全管理器，負(fù)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(duì)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(xì)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(gè)可用信道，通過(guò)O -QPSK調(diào)制方式可以實(shí)現(xiàn)250 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并采用直接序列擴(kuò)頻方式。鏈路層采用TDMA和FHSS技術(shù)來(lái)接入信道，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，WirelessHART加入黑名單技術(shù)，對(duì)干擾信道加以屏蔽，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)健性。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)層負(fù)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?。WirelessHART支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，含有豐富的冗余路徑，并通過(guò)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(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，提供非認(rèn)證和認(rèn)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(guò)應(yīng)用層命令對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和維護(hù)。

1.3 WirelessHART研究現(xiàn)狀

自2007年HART通信基金會(huì)發(fā)布WirelessHART以來(lái)，針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)，主要包括路由算法、鏈路調(diào)度、時(shí)間同步等。各研究目的在于提高網(wǎng)絡(luò)性能，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，使其更好地滿足工業(yè)應(yīng)用需求。如文獻(xiàn)[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(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)硬件有限的存儲(chǔ)能力，符合實(shí)際應(yīng)用需求；文獻(xiàn)[3]提出一種基于BFS(Breadth-First Search)的WirelessHART最短路徑圖路由算法，在實(shí)現(xiàn)圖路由跳間冗余特性的同時(shí)，提高了路由中連接的通信質(zhì)量，增強(qiáng)了路由及網(wǎng)絡(luò)的健壯性。針對(duì)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也有許多研究。如文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于WirelessHART的監(jiān)控系統(tǒng)，雖然文中沒(méi)有給出具體的協(xié)議棧，但詳細(xì)地描述了關(guān)鍵的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試；文獻(xiàn)[5]提出了一種智能電表設(shè)計(jì)方案，在綠色傳感網(wǎng)絡(luò)抄表實(shí)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(diǎn)，使用WirelessHART協(xié)議構(gòu)建抄表本地通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電表的功能及智能抄表系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種WirelessHART智能壓力儀表，闡述了壓力儀表設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)以及具體的硬件電路和軟件實(shí)施方案。雖然針對(duì)WirelessHART的研究有很多，但至今還沒(méi)有一個(gè)完全開(kāi)放且十分完整的WirelessHART協(xié)議棧，這也阻礙了WirelessHART技術(shù)在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展。

2 WirelessHART技術(shù)難點(diǎn)

WirelessHART相比于其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，這必然使得其實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜?？偟膩?lái)說(shuō)，其主要存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

2.1 跳頻擴(kuò)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(gè)可用信道，節(jié)點(diǎn)通過(guò)偽隨機(jī)序列隨機(jī)選取通信信道，然而處于同一鏈路的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在實(shí)際通信過(guò)程中必須保持相同的通信頻率，各節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)跳頻具有不確定性，所以在通信開(kāi)始之前，通信節(jié)點(diǎn)間要求預(yù)先知道對(duì)方的信道頻率，這就使得實(shí)際通信過(guò)程變得復(fù)雜化。

2.2 時(shí)間同步

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘，環(huán)境溫度的變化會(huì)使晶振頻率產(chǎn)生漂移，不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘便會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，時(shí)鐘偏差達(dá)到一定程度，節(jié)點(diǎn)之間便無(wú)法通信，從而脫離網(wǎng)絡(luò)，引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓踔潦咕W(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，必須有一個(gè)高精度、高可靠性的時(shí)間同步機(jī)制，才能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。WirelessHART通常以網(wǎng)絡(luò)管理器的時(shí)間作為時(shí)鐘源，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理器反饋的時(shí)間信息進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之后設(shè)置ATN(Absolute Timeslot Number)時(shí)隙計(jì)數(shù)器為0，并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。其他加入節(jié)點(diǎn)以已完成時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)為時(shí)鐘源進(jìn)行主動(dòng)時(shí)鐘同步，全網(wǎng)保持統(tǒng)一的ATN和精確的時(shí)隙同步。

2.3 鏈路調(diào)度

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多特點(diǎn)，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(diǎn)之間的通信鏈路是預(yù)先配置的，而且只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源的優(yōu)化配置。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)鏈路分配只考慮時(shí)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(gè)可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的鏈路調(diào)度算法為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)鏈路合理地分配時(shí)隙和信道，保證在無(wú)數(shù)據(jù)沖突的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)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(wú)線設(shè)備可以大大節(jié)約成本，省去安裝電纜等費(fèi)用，但WirelessHART協(xié)議的復(fù)雜度對(duì)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(diǎn)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了許多針對(duì)WirelessHART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。和其他無(wú)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(jìn)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(chǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，原有的有線HART可以通過(guò)適配器來(lái)連接WirelessHART現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)的通信解決方案。如今，WirelessHART網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在工業(yè)進(jìn)程控制、智能監(jiān)控等領(lǐng)域得以應(yīng)用，有越來(lái)越多的設(shè)備廠商生產(chǎn)WirelessHART工業(yè)級(jí)專業(yè)儀器儀表，而在軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域，WirelessHART還沒(méi)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(shì)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(guò)程測(cè)量、過(guò)程控制和資產(chǎn)管理等全面應(yīng)用的高可靠無(wú)線通信協(xié)議，其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)也引起了相關(guān)領(lǐng)域科研人員的極大興趣。經(jīng)過(guò)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(huì)也不斷努力推動(dòng)其前進(jìn)。近些年來(lái)，工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化用戶選用WirelessHART協(xié)議已超過(guò)其他標(biāo)準(zhǔn)，WirelessHART通信協(xié)議成為了公認(rèn)的最好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)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(shí)際工業(yè)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代具有廣闊的前景。

4 結(jié)語(yǔ)

由于采用了不同的關(guān)鍵技術(shù)，WirelessHART相比于其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性、低功耗、強(qiáng)實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)，也引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注與實(shí)際應(yīng)用，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。本文先詳?xì)地介紹WirelessHART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(diǎn)，最后提出了其目前與未來(lái)可能的應(yīng)用領(lǐng)域，并展望了發(fā)展前景。

[1]HART Communication Foundation.HART7 Specification[Z]，2007

[2]K.Dang，J.Shen，L.Dong，et al.A Graph Route-Based Superframe Scheduling Scheme in WirelessHART Mesh Networks for High Robustness[J].Wireless Personal Communications，2013(4)

[3]黨魁，沈繼忠，董利達(dá).基于RSL篩選的WirelessHART最短路徑路由算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012(6)

[4]夏顯中，牛玉剛，王駿.基于WirelessHART的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(4)

[5]石彪，林孝康，張盛.綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2011(8)

[6]李麒，王亞剛，王凱.WirelessHART智能壓力儀表的設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2013(10)

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(yùn)行與生產(chǎn)管理工作。