活动链接：2012年控制网技术专题---将无线技术引入传感器2012

    摘要：WirelessHART是面向过程控制和资产管理可靠的协议。近几年，工业过程自动化用户选用WirelessHART协议已超过其它标准，该通信协议从而成为最好的无线传感器网络国际标准。本文较全面论述WirelessHART工业无线传感器网络技术的优点、数据传送技术、时间同步网状网络协议（TSMP）、系统架构、网络系统应用，以及WirelessHART无线网络的组网与设计。较详细阐述了菲尼克斯电气公司最近研发的具有WLAN能力的WirelessHART智能网关，它将消除回程电缆，大大提高网络的灵活性和进一步降低成本。最后，给出WirelessHART组网设计的原则。

   关键词：无线HART；传感器网络；系统架构；集成WLAN网关；组网设计

    1 概述

    HART （Highway Addressable Remote Transducer）可寻址远程传感器数据公路通信协议，最早于1986年由Rosemount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4~20mA模拟信号上迭加FSK信号，以1200Hz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最终用户，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，一直收集最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HART 7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。

   2 WirelessHART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，工作频率为专用于工业、科技和医疗（ISM）应用的，无需许可证的2.4GHz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WirelessHART设备无需进行系统操作就能实现互换，即连即用。Wireless HART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WirelessHART协议。该协议已成为IEC62591 国际标准。

   2.1 时间同步网状网络协议（TSMP）

    WirelessHART采用网状网络拓朴结构。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最近的下一个装置。这样就扩展了网络范围，并增加了冗余通信路由能力，最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，Wireless HART网状网络具有自组织和自愈特性，即动态组网功能。

   Wi r e l e s sHART 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—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精准的时间概念，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—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。
       
               
                                图1 WirelessHART 频率和时间是多变的

    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。每个网络都由唯一的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。

    2.2 WirelessHART传送数据技术

   WirelessHART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，但抗干扰能力极强，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。当一个干扰信号进入无线传输时，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。

    2.3 WirelessHART信息安全技术

    WirelessHART采用强大的信息安全措施，包括信息加密、文电鉴别和信息完整性，以提供最大程度的网络和数据保护。

    • 标准的128位AES加密，每条报文都有唯一的加密密钥，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。

   3 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。
      
              
                          图2 WirelessHART系统架构  

    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Wireless HART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。