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　　一、概述
　　
　　HART（High way Addressable Remote Transducer）可尋址遠程傳感器數據公路通信協(xié)議，zui早于1986年由Roscmount公司開發(fā)，得到了100余家儀表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金會。
　　
　　HART協(xié)議采用基于Bell202通信標準的頻移鍵控FSK技術，在現(xiàn)有的4～2OmA模擬信號上迭加FSK信號，以12OOHz信號表示邏輯1，以2200Hz信號表示邏輯0，它成功地使模擬信號與數字信號雙向通信能同時進行，而不互相干擾。HART協(xié)議還能在一根雙絞線上以全數字的方式通信，支持15個現(xiàn)場設備的多站網絡，并且能對現(xiàn)場儀表的各項特性進行清晰描述。
　　
　　由于HART數據能與通常使用的4～20mA信號共享同一根雙絞線，從而減化了接線方式和采集所有數據所需的導線數量。因為HART儀表既具有常規(guī)模擬性能，又具有數字性能，所以HART設備可以向后兼容不具有HART能力的現(xiàn)有主系統(tǒng)。事實上，目前已安裝的HART設備90％都連接到不具有利用HART數據能力的傳統(tǒng)主系統(tǒng)，但是，在這種HART設備的應用中，為了組態(tài)可以使用公共的編程工具，能夠賦予儀表較多的智能功能，比起傳統(tǒng)的模擬儀表具有較強的價格優(yōu)勢。HART儀表的上述優(yōu)點吸引了世界各地廣大的zui終用戶，到目前為止，HART設備的安裝量已超過三千萬臺。2001年，HART通信協(xié)議正式成為IEC61158第四版現(xiàn)場總線標準的第20種類型的現(xiàn)場總線。
　　
　　多年來，HART通信基金會一直有組織的進行HART協(xié)議的創(chuàng)新開發(fā)工作，一直收集zui終用戶在使用后反饋的意見，不斷集成HART儀表供應商的創(chuàng)新理念，經過了近二十年的發(fā)展，于2007年6月推出了HART7通信協(xié)議版本，在物理層增加了新的無線物理介質，從而產生了WirelessHART通信協(xié)議，它將使得過程測量和控制領域產生新的變革。
　　
　　二、Wireless HART面向過程控制和資產管理可靠的協(xié)議
　　
　　Wireless HART協(xié)議構筑在IEEE802.15.4無線平臺上，工作頻率為于工業(yè)、科技和醫(yī)療（ISM）應用的，無需許可證的24GHz寬帶信道，該頻率采用DSSS直接序列擴頻技術和FHSS跳頻擴頻技術來保證安全和可靠性，并采用時分多址（TDMA）的同步、隱式報文控制通信技術進行網絡設備通信。它強制規(guī)定所有的兼容設備必須支持可互操作性，不同供應商提供的Wireless HART設備無需進行系統(tǒng)操作就能實現(xiàn)互換，即連即用。WirelossHART向后兼容現(xiàn)有的HART設備和應用，傳統(tǒng)的HART應用，無需進行任何軟件升級，都可以利用Wireless HART協(xié)議。該協(xié)議已成為IEC62591標準。
　　
　　2.1時間同步網狀網絡協(xié)議（TSMP）
　　
　　Wireless HART采用網狀網絡拓撲結構。網狀網絡的每一個裝置都可為其它裝置的報文提供路由功能。換句話說，一個裝置無需直接與網關通信而只需將其發(fā)送的報文傳遞到zui近的下一個裝置。這樣就擴展了網絡范圍，并增加了冗余通信路由能力，zui終增強了網絡可靠性。為了保證冗余路由途徑保持開放和暢路，報文將持續(xù)在冗余路徑之間進行切換選擇。就如Internet技術中那樣，如果一條報文無法通過某一路由到達目的地，它將自動重新路由到一條正確的冗余路徑上，而且數據不會丟失。因此，WirelessHART網狀網絡具有自組織和自愈特性，即動態(tài)組網功能。
　　
　　Wireless HART真正的優(yōu)勢是時間同步網狀網絡協(xié)議（TSMP），該協(xié)議提供冗余技術和保證在時間、頻率以及空間上不會中斷，從而確保即使在極其惡劣的無線環(huán)境中也具有很高的可靠性。TSMP也提供自組織、自愈網狀網絡路由所需的智能功能。其結果是可以構筑一個短程（廠內50～100m）無線網絡，該網絡無需專門技術安裝容易，能夠自動適應環(huán)境的各種變化，并能按需進行擴展。　　
　　TSMP的時間同步通信、跳頻、節(jié)點自動加入和網絡自動構建、全冗余網狀網絡路由、以及安全報文傳送等5項技術是確保端一端網絡可靠性，安裝簡便和提高電源效率的關鍵。
　　
　　使用時間同步通信，網絡中的每臺設備都支持的時間概念，這樣就能與相鄰設備保持同步。為了避免產生碰撞，提高電源效率和完成可擴展的通信，所有設備一設備的通信都應該在一個預調度窗口（長度為10ms）內產生。除按時間調度傳送外，TSMP也會根據不同的頻率調度產生每次傳送，如圖1所示。這樣就極大地提高了有效帶寬，同時也有效地減少了電源的消耗，使得設備使用小容量電池就能維持運行幾年。
　　
　　TSMP網絡的主要優(yōu)點是它的自組織能力。由于實現(xiàn)了“全網狀網絡”拓撲結構，使得每臺設備都具有多條冗余通信路徑。網絡中不存在減化功能或沒有路由的節(jié)點。全網狀網絡拓撲結構具有自組織和自愈特性，在環(huán)境發(fā)生變化的情況下，仍然能使網絡維持長期的，不許干預的可靠性和預測性。
　　
　　每臺設備都具有發(fā)現(xiàn)相鄰設備、測量RF信號強度、采集同步和跳頻信息的智能功能，從而能構建或斷開與相鄰設備的鏈接。每個網絡都由*的ID地址定義，然后與節(jié)點一起綁定至網絡。這就使得多個網絡能夠同時存在，無需分享數據或出錯路由的報文。
　　
　　2.2Wireless HART傳送數據技術
　　
　　Wireless HART采用跳頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）相組合的無線傳輸技術，以提供干擾抑制（FHSS）和編碼增益（DSSS），從而構建了非常強有力的抗干擾處理機制。
　　
　　在FHSS傳輸系統(tǒng)中，工作頻段被分割成一系列子信道，載波根據偽隨機序列改變頻率。這個偽隨機系列是幾個頻率的列表，發(fā)送器通過應用跳頻序列來選擇傳輸的序列。發(fā)送器頻率從一個子信道跳到另一個子信道上。在事先定義好的時間里，在每個信道發(fā)送突發(fā)短數據，然后應用小數量的時間跳躍到下一個頻率（跳躍時間）。當這個頻率列表被用完時，發(fā)送器將重復這個序列。接收器與發(fā)送器之間跳頻序列同步進行。簡單地講，發(fā)送器和接收器按照事先約定好的、只有雙方知道的順序不斷改變無線傳輸的頻率。FHSS傳輸系統(tǒng)通過不斷改變傳輸頻率避開干擾源。對于具有較強干擾的工業(yè)過程應用場合，F(xiàn)HSS可以進行長距離信號傳輸，傳輸速率較低，但抗*力*，是一種非?？煽康膫鬏敂祿夹g。
　　
　　直接序列擴頻（DSSS）技術是用于ISM頻段的另一種傳輸數據方法。DSSS是在發(fā)送端用高碼率的擴頻碼序列擴展信號的擴展頻譜技術，在接收端用相同的擴頻碼序列進行解調，把被擴展的擴頻信號還原成原始的信息。換句話說，每個信息位對應生成一個假的任意代碼，這個代碼會把有用的窄頻信號擴成寬頻信號。由于擴頻導致傳輸能量分散，所以某個特定頻率信號強度便降低了。這個寬頻信號通過天線發(fā)送，由使用相同擴頻代碼發(fā)生器的接收器接收，這樣就能接收到有用信號。當一個干擾信號進人無線傳輸時，這個窄頻干擾信號便通過擴頻代碼發(fā)生器傳輸到接收器，此時它已被轉換成寬頻信號（噪音）。DSSS適用于中等距離信號傳輸，傳輸速率較高，可以傳輸大流量的數據。
　　
　　2.3Wireless HART信息安全技術
　　
　　Wireless HART采用強大的信息安全措施，包括信息加密、文電鑒別和信烹棄整性，以提供zui大程度的網絡和數據保護。
　　
　　標準的128位AES加密，每條報文都有*的加密密鑰，保護數據不被截獲；
　　
　　通過使用由32位報文完整性碼（MIC）保護數據包源地址，文電鑒別能夠驗證發(fā)送者的有效性，實現(xiàn)對每個數據包的驗證；
　　
　　完整性能夠確保報文通過同一的MIC毫不變更地進行傳送。
　　
　　三、WirelessHART系統(tǒng)架構與設備類型
　　
　　WirelessHART核心技術經過多年的開發(fā)已相當成熟，并且還在不斷地完善。它的靈活性和適應能力使得它能夠很好地適用于惡劣工業(yè)環(huán)境。WirelessHART系統(tǒng)構成如圖2所示。從圖2中可看出，WirelessHART設備主要分為三種類型：無線現(xiàn)場設備、適配器和網關。　　
　　3.1無線現(xiàn)場設備
　　
　　無線現(xiàn)場設備與過程或工廠設施連接，該設備可以是一臺具有內置WirelessHART的設備，也可以是與WirelessHART適配器相連的具有HART功能的設備。這就使得現(xiàn)有工廠很容易擴展或在新的安裝中能夠快速利用無線技術。由于電纜成本或環(huán)境限制過去不能訪問的測量點，現(xiàn)在能夠很容易采集到數據。同時，無線現(xiàn)場設備可以使用多種不同電源供電，包括太陽能、交流電、回路供電或電池。
　　
　　3.2適配器
　　
　　WirelessHART適配器將現(xiàn)有的有線HART設備連接到WirelessHART網絡中。適配器連接到4～20mA，以采集HART信號。一臺適配器能夠連接多臺HART儀表，從而降低了安裝成本。適配器能夠由回路或電池供電。這樣一來，一方面可以充分利用現(xiàn)有設備，另一方面可以擴大應用范圍，使得有線HART設備能夠實現(xiàn)測量和診斷信息的無線傳送，使其功能升級。
　　
　　3.3無線網關
　　
　　按照標準，WirolessHART網關由三部分組成。與遠方現(xiàn)場設備連接的無線部件稱作無線接入點；網絡管理器負責配置網絡、調度設備之間的通信及監(jiān)測網絡的狀態(tài)。同時，控制網狀網絡的連接和管理現(xiàn)場設備的信息安全；網關接口部分負責WirolessHART網絡與工廠主干網或主機系統(tǒng)的連接。這三部分可以集成在一起，也可以按任意組合方式或分開。
　　
　　WirelessHART網絡網狀設計使得添加或移動設備簡便易行。只要設備處于網絡上其他設備的范圍之內，它便可以通信。
　　
　　為了靈活滿足不同應用的需求，WirelessHART標準支持多種信息模式，包括過程和控制值的單向發(fā)布，通過例外報告發(fā)出自發(fā)性的通知，臨時請求/響應，以及大型數據集的自動分塊傳輸。這些功能使得通信能夠按照應用的要求而進行定制，從而減少耗電不口開銷。
　　
　　四、WirelessHART系統(tǒng)應用
　　
　　無線技術開辟了在廣泛領域進行應用的機會，這包括從加入以前由于物理或經濟上的原因而無法進行的測量，到獲得全廠范圍的功能，如資產和人員跟蹤、安全性和員工工作效率。WirelessHART把重點放在過程自動化的尚無無線標準的核心功能之上。
　　
　　像有線HART技術一樣，WirelessHART支持全系列的過程監(jiān)控和控制應用，包括
　　
　　設備和過程監(jiān)控；
　　
　　環(huán)境監(jiān)測、能源管理、法規(guī)遵從；
　　
　　資產管理、預防性維護、*的診斷；
　　
　　閉環(huán)控制（在適當情況下）。
　　
　　WirelessHART技術將補充而不是取代有線儀表，工廠中兩者往往平行工作。WirelessHART技術的向后兼容，包括HART指令結構和設備描述語言，使得使用同一工具便可以方便地同時支持有線和無線設備。WirelessHART設備還希望超越“互換性”，以提供真正的互操作性。這意味著，用戶可以選擇的WirelessHART設備，而無需考察制造商是誰，還能夠保證兼容設備可以在一個系統(tǒng)中協(xié)同工作，并可相互替代而在主機系統(tǒng)一級依然不喪失功能。
　　
　　WirelessHART設備可以是個獨立的裝置，其消除了到控制系統(tǒng)的模擬連接。該設備可安裝在工廠的任何地方，而無需線纜的花費。過程變量（PV）和HART數據通過WirelessHART網關與控制或資產管理系統(tǒng)連接。WirelessHART應用系統(tǒng)構成如圖3所示。　　
　　在現(xiàn)場系統(tǒng)應用中，有線HART+WirelessHART兩種技術相結合提供具有成本效益、低風險的通信解決方案。協(xié)同工作，使得在已安裝HART設備上的投資得到保護，而且可以快速、經濟地增加額外的HART設備。
　　
　　五、WirelessHART無線網絡組網與設計
　　
　　隨著工業(yè)無線網絡應用范圍的擴大，工廠企業(yè)開始大規(guī)模應用無線網狀網絡技術。構建一個WirelessHART網狀網絡是一個不困難的任務。由于設備類型有限以及網狀網絡具有自組織能力，已不需要進行大量的設計工作，但是隨著網絡規(guī)模的擴大，該技術暴露了某些局限性。從邏輯上講，大規(guī)模網絡配置有大量設備，這些設備需要通過網狀網絡多次“跳躍”后將獲取的數據返回給主機。隨著跳躍次數的增加，執(zhí)行時間隨之增加。
　　
　　大規(guī)模網絡的管理較為困難，由于無線RF的范圍相對較短，需要增加額外的中繼器。這樣一來，無線網狀網絡中可能會出現(xiàn)瓶頸，而且故障也會影響網絡的較大范圍。　　
　　為了克服上述缺陷，將大規(guī)模網絡劃分為幾個小型網絡或幾個集群（Cluster）。由于節(jié)點通過幾次跳躍就可到達網關然后到主機，所以集群方式減少了整個網絡的執(zhí)行時間。這種簡化的網絡拓撲形式大大降低了需要中繼器的可能性。從而產生了沒有瓶頸的可靠而又穩(wěn)定的網絡。由于在網絡中消除了瓶頸，并且無需安裝高性能的路由器，對電池供電設備的要求也隨之降低，大大減少了網絡的維護量。
　　
　　使用集群方法后，設計的注意力集中于網關的能力。由于WirelessHART通信范圍有限，這種方法要求網關盡量安裝在靠近現(xiàn)場設備的地方，這樣一來，網關至主機的物理連接就成了問題。假如使用銅纜或光纜連接到現(xiàn)場的網關，則采用WirelessHART無線通信節(jié)約的成本將被抵消，因此必須消除回程（Backhaul）電纜才能達到進一步節(jié)約成本和提高靈活性的目的。菲尼克斯電氣公司為了解決這個問題，研發(fā)了集成WLAN收發(fā)器的WirelessHART智能網關。　　
　　DIN導軌安裝的菲尼克斯公司RAD-WHG/WLAN-XD網關包括WirelessHART無線接入點、網絡管理器、與WLAN客機連接的網關接口。網關能夠連接多至250臺WirelessHART現(xiàn)場設備，并能將HART數據轉換成ModbusTCP格式，從而很容易集成到幾乎所有的資產管理系統(tǒng)。連接可以通過卡上的Ethernet通信口或WLAN客戶機收發(fā)器完成，HART至Modbus的變換則是自動完成。網關的編程和診斷可以通過手持式HART編程器或嵌入式Web服務器進行。wir。lesSHART數據采用128位AES標準加密，WLAN數據采用WEP和WPA進行加密。
　　
　　綜上所述，盡管目前傳統(tǒng)的HART設備在石化、電站、食品飲料、石油天然氣、水工業(yè)/污水處理及其它工業(yè)領域的安裝量已超過三千萬臺，但是由于安裝電纜的高成本，其中90％絕大部分儀表的有用數據被“困“在現(xiàn)場儀表中，這些有價值的數據不能提供給資產管理系統(tǒng)或其它數據采集系統(tǒng)，HART設備的潛能得不到發(fā)揮。WirelessHART提供了將這些現(xiàn)場儀表連接至主系統(tǒng)的安裝簡便、可靠而又低成本的方法。使用開放的WirelessHART協(xié)議，可極大提升儀表性能，大幅提高工廠的生產力和生產效率。WirolessHART是面向過程測量、過程控制和資產管理全面應用的一種可靠的無線網狀網絡通信協(xié)議。近幾年，工業(yè)過程自動化用戶選用WirelessHART協(xié)議已超過其它標準，WirelessHART通信協(xié)議從而成為的無線傳感器網絡標準。可以相信，WirelessHART通信協(xié)議將會得到越來越廣泛的應用，加速推進工廠物聯(lián)網時代的到來。