5 WirelessHARTTM传感器网络
S. Han*，M.尼克松†，D.陈‡，A.K.莫§，P.Muston†*康涅狄格大学，美国 康涅狄格州斯托尔斯，†艾默生过程管理，美国德克萨斯州朗洛克，‡同济大 学，中国上海，§德克萨斯大学奥斯汀分校，美国德克萨斯州奥斯汀
无线技术被视为流程工业中的范式转变，现已发展成熟，可安全应用于各种监 控、控制和资产管理应用（威利格，2008年；卡罗，2004年）。无线技术提 供了一种经济高效、简单且可靠的方法，能够在无需布线成本且无需彻底改变 现有系统的情况下部署新的测量与控制点。它还为中央和移动用户访问其工艺 过程及工艺设备提供了基础设施。该基础设施通常被统称为普适感知（流程世 界）。
流程工业一直需要一种建立全球标准的无线解决方案。标准的好处在于确 保来自多个供应商的设备能够协同工作，从而降低供应商和用户的风险与成本。
基于此原因，HART通信基金会（HCF）（HART基金会）开发了一种新的无 线技术，在保护全球已安装基础的同时，扩展了现有HART协议的功能。通过 对全球HART标准进行最新的演进式增强，该基金会将成熟的现场通信、网络 和安全协议集成到一个简单、可靠且安全的无线标准中。这一名为 WirelessHART的标准于2007年9月由HART通信基金会批准，成为首个专门 为流程工业测量与控制应用设计的开放无线通信标准（宋等人，2008年）。
2010年，WirelessHART成为首个IEC62591工业无线传感器网络标准。
5.1WirelessHART传感器网络概述
WirelessHART标准利用了现有标准，如HART标准、IEEE802.15.4标准（ IEEE802.15.4无线个域网任务组）、AES‐128加密（高级加密标准（AES）， 2001年）以及DDL/EDDL（电子设备描述语言（EDDL））。WirelessHART技 术是一种在2.4GHzISM无线电频段运行的简单、实时、可靠且安全的网络技术。
Simplicity ：WirelessHART标准易于实施。通过保持与现有HART设备、 工具及系统。这使得具有HART经验的用户能够快速、轻松地受益于无线技术。
便捷性部分源于网络的自组织和自愈特性。网络能够自动适应工厂基础设 施的变化，例如向网络中添加新仪表时。此外，无线特性也带来了便捷性。减 少布线和材料成本使得安装和调试更加容易，从而降低了人工成本。由于无需 布线，网络可以轻松扩展到偏远地区，并且仪表可以安装在移动资产和固定的 旋转设备上。
可靠性 ：工业环境通常不利于无线通信。工业设施通常具有带有金属的密 集基础设施，会干扰无线传输。大型设备频繁移动且条件不断变化。众多射频 和电磁干扰源可能导致通信困难。
WirelessHART标准在不同的OSI通信层中包含了许多功能，以在如此恶 劣的环境中提供可靠的通信。在物理层，WirelessHART标准采用直接序列和 跳频扩频（DSSS和FHSS）技术，将通信扩展到不同的物理信道上。在数据链 路层，WirelessHART标准在实际传输前会对目标信道执行空闲信道评估（ CCA）测试。由于采用了时分多址（TDMA），传输和接收保持同步。通过确 认应答和重传机制，确保消息的及时可靠交换。在网络层，WirelessHART传 感器网络是一个具有多个接入点的真正网状网络。它能够监控路径的劣化情况 并自我修复，自动寻找绕过障碍物的替代路径，并在不同信道上随机通信。在 网状网络的整个生命周期中，它会持续适应环境的变化。这种自适应能力利用 了健康报告和诊断信息，这些信息由网络中的所有设备持续不断地发送。
安全性 ：WirelessHART标准采用强大的安全机制，以保护网络并始终确 保数据安全。它在多个层级使用行业标准的128位AES加密算法。在数据链路 层使用一个秘密的全网密钥来认证每一次数据传输。在网络层，每次会话都使 用不同的密钥来加密和认证端到端的对等通信。每个设备在设备加入过程中使 用不同的加入密钥进行加密和认证。此外，网络管理器会在网络生命周期内周 期性地更换所有密钥。
WirelessHART标准还采用了多种技术来保护网状网络本身。它在时隙级 别上使用信道跳变；实际的物理传输通道在传输点进行选择。设备的发射功率 可由网络管理器控制。在噪声环境中可以使用较高的功率，而在网络安装的物 理区域非常小的情况下则可以使用较低的功率——例如，当使用生物反应器时。较低的功率也使得入侵者更难窃听通信流量。
在 WirelessHART网络中的现场设备连接到传感器和执行器，用于采集过程测量数据、控制某些 过程，或同时具备测量与控制功能。所有设备均支持路由功能，其中部分设备可能仅作为路由器，用于中继其他设备的数据。接入点是网关与所有其他设备之间的桥梁，接入点与网关之间的通信被视为可靠，且不占用无线带宽。网关 是无线网络与主机应用程序之间的接口，同时也作为传感器网络与称为网络管理器的软件之间的桥梁，负责控制设备的加入、配置、维护以及所有其他网络管理任务。安全管理器是另一类软件，负责管理网络层和数据链路层所使用的密钥。WirelessHART标准还定义了两种特殊的网络设备类型：适配器和手持设备。适配器在有线HART网络中充当主设备，通过无线网络为有线设备提供通信能力。手持设备通常由现场人员携带，用于工厂内的维护和故障排查。与其他WirelessHART设备类型不同，手持设备设计为可移动，预期会连接多个 WirelessHART网络和设备。
在WirelessHART网络中，每个设备上的通信栈采用分层结构组织，并使 用称为时分多址（TDMA）的方法对通信进行精确调度。WirelessHART通信 栈的详细信息在第5.2节中描述。绝大多数通信都是沿着图路由进行的。调度由 网络管理器执行，网络管理器结合整个网络的路由信息和通信来自各个设备和应用程序的需求。所构建的通信调度进一步划分为时隙，并由 网络管理器分发到各个设备；设备仅被分配其具有通信需求的时隙。网络管理 器持续根据网络动态及通信需求的变化，调整整体的网络拓扑和网络通信调度。
在本章的其余部分，我们将首先在第5.2节中描述WirelessHART通信栈中各 层的关键功能。我们在第5.3节中介绍WirelessHART的数据管理和网络管理功能。第5.4节介绍了在德克萨斯州奥斯汀的J.J.Pickle研究中心园区（PRC）的分离研 究计划（SRP）中应用WirelessHART传感器网络的案例研究。第5.5节对本章进 行总结，并讨论推动WirelessHART技术发展的未来研究与开发方向。
感兴趣的读者可参考：用于WirelessHART标准一致性测试设计和工具的 Wi‐HTest（Han等，2009）；用于工业环境中实时协同定位与跟踪的ColLoc （Zhu等，2014）；以及大量关于WirelessHART硬件挑战及解决方案（Zhu等， 2011）、降低控制延迟（Han等，2010）和在WirelessHART网络中维持多个实 时数据流的端到端延迟的研究工作（Saifullah等，2010，2011；Zhang等， 2013；Zou等，2012；Song等，2007）。
5.2WirelessHART通信栈
图5.2根据OSI七层通信模型，说明了HART通信协议的分层结构。随着无线技 术引入到HART中，支持两种数据链路层：令牌传递和时分多址（TDMA）。这两种方式均支持通用的HART应用层。此外，由于WirelessHART允许部署 网状拓扑，因此定义了一个重要的网络层。如图5.2右侧所示的 WirelessHART通信栈包含五层：物理层、基于TDMA的数据链路层、网络层、 传输层和应用层。我们将在接下来的章节中描述每一层的关键特性。
5.2.1物理层
WirelessHART物理层基于IEEE802.15.4‐2006的2.4GHz直接序列扩频（DSSS） 物理层。WirelessHART设备的目标射频硬件组件是为IEEE802.15.4标准设计的 商用现成（COTS）芯片。物理层定义了射频特性，例如信令方式、信号强度和设 备灵敏度。与IEEE802.15.4协议一样，WirelessHART协议在2400–2483.5 MHz免许可ISM频段内运行，数据速率最高可达250kbps。其信道编号从11到26， 相邻信道之间有5MHz间隔。由于信道26在许多地区不合法，因此 WirelessHART不支持该信道。WirelessHART物理层将其自身限制于发送和接收IEEE802.15.4数据消息，并且是IEEE802.15.4‐2006中定义内容的一个极大 简化的子集。其显著特点包括：
● 信道跳变 ：尽管IEEE802.15.4‐2006未规定信道跳变，但WirelessHART的物理信 道可在每次传输时改变，从而提供更可靠的传输。
● 发射功率 ：IEEE802.15.4标准定义的个人局域网（PAN）操作空间为10米。WirelessHART网状网络覆盖相对更大的区域。所有设备必须提供标称的等效全向辐射功 率+10 dBm（10mW）±3 dB。发射功率可在−10至+10 dBm范围内编程。最大室外视 距传输距离可达100米。
5.2.2数据链路层
WirelessHART标准的一个显著特征是其时间同步的数据链路层。它定义了严 格的10毫秒时隙，并利用时分多址（TDMA）技术来提供无冲突和确定性通信。
数据链路层的主要目标是维持时隙同步，识别必须服务的时隙，监听来自邻居 传播的数据包，并将从网络层接收到的数据包转发出去。
所有事务都在遵循特定时间要求的时隙中发生，每个10毫秒的时隙又被划 分为若干子时间间隔。图5.3的上半部分显示了一个时隙，并概述了事务定时。时隙定时中使用的符号及其描述总结在表5.1中。
| 符号 | 描述 |
|---|---|
| 发送偏移时间 | 时隙开始到前导码发送开始的时间 |
| 接收偏移时间 | 时隙开始到收发器必须开始监听的时间 |
| 接收等待时间 | 等待消息开始的最短时间。这与 邻居之间可容忍的时钟漂移量以及 仍能维持通信有关 |
| 时序误差 | 这是消息实际开始时间与理想开始时间之间的差异 消息开始时间在接收设备看来。在其他方面 换句话说，这是接收设备感知到的发送设备的信号强度 设备失去同步 |
| 最大报文传输时间 | 传输最长可能消息所需的时间 （包括物理层前导码、分隔符、长度和DLPDU） |
| 发送确认延迟 | 消息结束到确认应答开始。目标设备必须验证 接收的消息，并在此间隔内生成确认应答 注意：广播消息不被确认应答 |
| 接收确认延迟 | 消息结束到收发器必须开始监听确认应答的时间 |
| 确认等待时间 | 等待确认应答开始的最短时间 |
| 确认时间 | 传输确认应答所需的时间 |
| TsCCA偏移 | 从时隙开始到空闲信道评估开始 |
| TsCCA | 执行空闲信道评估的时间 |
| TsRxTx | 接收切换到发送所需的时间中较长的一个 反之亦然 |
表5.1WirelessHART时隙定时符号及描述
WirelessHART标准引入了超帧的概念，用于对一系列连续的时隙进行分 组。如图5.3底部所示，超帧是周期性的，其周期为成员时隙的总长度。在一个 WirelessHART网络中可以存在多个超帧。所有超帧均从ASN（绝对时隙号）0，即网络首次创建的时间。每个超帧随后根据其周期在 时间轴上重复。WirelessHART标准使用链路的概念来表示一时隙内的通信行 为。一时隙中的链路由一个向量定义：{frameid,index,type,srcaddr, dstaddr,channeloffset}，其中frameid标识特定的超帧；index是该时隙 在超帧中的索引；type表示时隙的类型（发送/接收/空闲）；srcaddr和dst addr分别是源设备和目的设备的地址；channeloffset提供通信中要使用的逻 辑信道。
为了调整信道使用，WirelessHART标准引入了信道黑名单的概念。受到 持续干扰的信道可以被加入黑名单。通过这种方式，网络管理员可以禁用黑名 单中的那些信道。为了支持信道跳变，每个设备都维护一个激活信道表。由于 信道黑名单的存在，该表可能少于16个条目。对于给定的时隙和信道偏移，实 际信道由以下公式确定：
实际信道号用作索引，以访问激活信道表来获取物理信道号。由于ASN不 断递增，相同的信道偏移在不同的时隙中可能映射到不同的物理信道。这种映 射实现了信道多样性，提高了通信可靠性。
在整个网络中保持时间同步是WirelessHART网络的一个关键方面。由于 每个设备的时钟可能会缓慢漂移，为了维持同步，每个设备必须持续地对其时 钟进行重新调整。这一功能由WirelessHART标准在每个时隙通信期间内置实 现。在时隙内的通信过程中，接收方会对发送方消息的到达进行时间戳标记， 并将其与基于时隙规范和自身时钟计算出的预期到达时间进行比较。
以{s1}为单位测量的时序误差TsError将是两个设备之间的时钟不同步。如果 发送方是接收方的时间源，则接收方会将其自身时钟减去TsError。TsError也会 在确认消息中用两个字节进行编码。由于发送方消息必须在接收方的监听窗口内发 送，因此TsError受窗口大小的限制。如果接收方是发送方的时间源，则发送方会 将其在确认消息中接收到的TsError值添加到自身时钟中进行调整。
最终的时间源是网关，而通过无线通信的最终时间源是接入点（AP）。如 果有多个接入点（AP），它们也必须保持同步。
图5.4描述了数据链路层的整体设计，该设计由五个主要模块组成：
接口 ：数据链路层提供两个接口，一个在MAC和物理层之间，描述物理层提供的服 务原语，另一个在MAC和网络层之间，定义提供给网络层的服务原语。
Timer ：Timer是WirelessHART数据链路层中的一个基础模块。它提供精确的定时以确保系 统的正确运行。一个重要的挑战是如何设计定时器模块并保持这些10毫秒时隙的同步。
通信表 ：每个设备中均维护一组表，用于控制设备通信并收集统计信息。这些表包括：
● 超帧表：其中包含可由网络管理器配置的多个超帧。
● 链路表：其中包含超帧内的多 条链路，这些链路被配置用于指定与特定邻居的通信，或向所有侦听该链路的邻居 进行广播通信。
● 邻居表：这是该设备能够在单跳范围内与其通信的所有设备的列表。
● 图表示：图用于将消息从源路由到目的地。设备并不知道完整的路径，图仅指示数 据包向其目的地传输时允许的下一跳目的地。有关图路由的更多细节将在第5.2节中 进一步讨论。
Link scheduler ：链路调度器根据超帧表和链路表中的通信调度，确定下一个要服务的 时隙。任何可能影响链路调度的事件都将导致链路调度被重新评估。
状态机 ：该状态机包含三个主要组件——TDMA状态机、发送引擎和接收引擎。TDMA状态机负责在时隙中执行事务并调整定时器时钟。发送引擎和接收引擎则直 接与硬件交互，分别通过收发器发送和接收数据包。
5.2.3网络层和传输层
WirelessHART网络层和一个轻量级传输层协同工作，为WirelessHART传感 器网络中的网络设备提供安全可靠的端到端通信。
WirelessHART网络层的关键功能是及时且可靠地将数据从源传输到汇聚 节点，这称为路由。路由数据的方式有很多，每种方式适用于不同的目的。接 下来，我们将介绍WirelessHART中定义的四种路由方法。我们使用术语“上 行”（如上行链路和上行图）来描述从设备到网关的路径，使用术语“下行” （如下行链路和下行图）来描述从网关到设备的路径。
源路由 ：源路由很简单；源路由在消息中包含整个路由路径。中间的每个 设备只需将消息转发到路径上的下一个设备即可。这主要由了解完整网络拓扑 并能构建从源到目的地的完整路径的网络管理器或网关使用。源路由主要用于 诊断目的。
图路由 ：在图路由中，设备根据消息中嵌入的2字节图ID转发消息。图I D表示一个有向图，其顶点为设备，其有向边为从发送方到接收方的传输链路。该图由网络管理器构建。图中的每个设备必须接收到关于图ID以及图中存在出 边的每个邻近设备地址的信息。设备应选择第一个匹配图边的可用链路来转发 消息，而无需考虑是哪个邻居。任何在图上传输自身数据的设备也必须知道与 该图相关联的目标设备地址。
显然，为了使图正常工作，图中的所有路径都必须通向一个单一的目标设 备。构建正确图是网络管理器的职责。同样明显的是，图中不应存在环路，以 避免消息在环路中无限循环传输。没有环路的情况下，图路由可确保任何消息 都能及时送达。在WirelessHART网络中定义了三种类型的路由图：
●
上行链路图
：这是一个将所有设备向上连接到网关的图，用于将设备的过程数据传输 至网关。不同设备可能具有不同的采样率。
●
广播图
：这是一个从网关向下连接到所有设备的图。它用于向整个网络广播通用的配 置和控制消息。
●
下行图
：每个设备都有一个这样的图。它是从网关到每个单独设备的 图。从网关和网络管理器发送到每个设备的单播消息通过该图传输。
基于给定的WirelessHART网络拓扑，图5.5给出了上行链路、广播和下行链路图 的示例。图5.5基于一个给定的WirelessHART网络拓扑。
请注意，源路由和图路由信息在WirelessHART中定义于单独的网络头字段中，并 可在一条消息中共存。这提供了良好的灵活性，因此成功路由的机会更大。如果某条路由到达死胡同，路由设 备可以选择另一种路由方式。此外，还有一些特殊规则来促进数据转发。例如， 如果目的地是邻居，设备可以忽略路由指令，直接将消息发送给该邻居。
超帧路由 ：有一种称为超帧路由的图路由特殊形式。在超帧路由中，设备 根据消息中嵌入的超帧ID来转发消息。超帧由网络管理器构建。设备应选择超 帧中第一个可用的正常传输链路来转发消息，而不论其邻居是哪个设备。任何 使用超帧路由传输自身数据的设备也必须知道与该超帧相关联的目标设备的地 址。
为了不改变消息格式，决定在消息中使用图ID字段来表示超帧ID。如果该 字段的值不超过255，则为超帧路由；如果为256或更大，则为图路由。因此， 有效的图ID必须始终大于255。
代理路由 ：当一个新设备加入网络时，它会与网络中已存在的设备通信， 该设备称为代理设备。代理设备必须在其广告消息中包含自己的上行图ID，新 设备必须使用此ID以图路由方式构造其消息，直到其自身的路由配置完成为止。
代理路由是指通过代理将消息发送给新设备。与源路由和图路由一样，代理路 由在网络头中拥有自己的字段。路由设备将根据源和图字段将消息路由到代理， 就像处理目的地为代理的正常消息一样。换句话说，发送方设置这些路由字段 的方式与向代理发送正常消息时完全相同。对于源路由，源路由列表中的最后 一个地址应为代理的地址；对于图路由，图ID应为指向代理的下行图。只有代 理设备会处理代理字段，并最终将消息转发给新设备。网络头中的目的地址将 是新设备的长地址。对路由设备的影响是，它们的邻居列表中均不会发现该新 设备。
5.2.4应用层
应用层定义了各种设备命令、响应、数据类型和状态报告。在 WirelessHART标准中，设备与网关/网络管理器之间的通信基于命令和响应。应用层负责解析消息内容，提取命令号，执行指定的命令，并生成响应。图 5.6描述了应用层的整体设计。
WirelessHART标准中的命令集分为以下类别：
●
通用命令
：所有HART设备都必须支持的一组命令。
●
通用实践命令
：适用于多种设备的一组命令。现场设备应尽可能支持通用实践命令。
●
非公开命令
：专用于现场设备制造过程中仅限工厂使用的特殊命令集合。这些命令在现 场服务设备时不应使用。
●
无线命令
：用于支持WirelessHART产品的命令集合。所有 支持WirelessHART标准的产品必须实现全部无线命令。
●
设备系列命令
：一组允许对 现场设备进行设置和参数化配置的命令，无需使用设备特定命令或特殊的设备专用驱动 程序。
●
设备特定命令
：由制造商根据现场设备的需求定义的一组命令。
5.2.5安全架构
WirelessHART网络是一个安全网络系统。数据链路层和网络层均提供安全服 务。数据链路层通过结合使用循环冗余校验(CRC)和消息完整性码(MIC)来提 供逐跳数据完整性。尽管CRC的作用有限，但仍被使用。发送方和接收方均采 用CCM*模式，并以AES‐128作为底层使用分组密码生成和比较消息完整性校验。网络层采用各种密钥来为端到端连 接提供保密性和数据完整性。安全架构中定义了四种类型的密钥：
● 一个公钥，当网络密钥不适用时，用于在MAC层生成消息完整性校验。
● 网络密钥， 由所有已加入的网络设备共享，用于生成MACMIC。
● 每个网络设备唯一的加入密钥，在加入过程中用于向网络管理器认证加入设备。
● 由 网络管理器生成的会话密钥，每对网络设备之间的端到端会话具有唯一的会话密钥。它们 提供端到-end的保密性和数据完整性。会话密钥进一步区分为单播密钥和广播密钥。单播密 钥和广播密钥在随机数计数器的存储和使用方式上存在显著差异。
图5.7描述了在两种不同场景下这些密钥的使用情况：（1）新网络设备希 望加入网络；（2）现有网络设备与网络管理器进行通信。在第一种场景中， 加入设备将使用公钥生成MAC层头部的消息完整性校验（MIC），并使用加入 密钥生成网络层的MIC并对加入请求进行加密。在加入设备经过身份验证后， 网络管理器将为该设备创建一个会话密钥，从而在两者之间建立安全会话。在 第二种场景中，在MAC层，数据链路协议数据单元（DLPDU）通过网络密钥 进行身份验证；在网络层，数据包通过会话密钥进行身份验证和加密。
5.3WirelessHART网络中的数据管理和网络管理
WirelessHART倡导明确且集中的数据和网络管理。在WirelessHART传感 器网络中，设备被组织成网状拓扑结构，网络上方设有中央网关和中央网络管理器。网关负责协议适配、数据缓存和查询处理，而网络管理器则负责维护最新的路由和通信调度，从而在设备与网关之间提供可靠且实时的网络通信。接下来，我们将分别描述网关和网络管理器的关键功能。
5.3.1WirelessHART网关功能
网关是一种WirelessHART设备，通过连接一个或多个接入点，将 WirelessHART网络与工厂自动化网络相连，实现两个网络之间的数据传输。
安装WirelessHART网络包括安装无线现场设备、带有一个或多个接入点的网 关，以及连接到主机或控制系统。网关为主机应用程序或控制系统提供对 WirelessHART网络中现场设备的访问。网关还可用于在不同协议之间进行转换， 或将命令和数据从一种格式转换为另一种格式。网关的主要功能是使用标准 HART命令与现场设备和主机应用程序通信。网关还充当服务器负责收集和维护来自网络中所有设备的缓存数据和命令响应。这些缓存 响应包括突发消息、事件通知以及通用HART命令响应。当主机应用程序请求 时，这些缓存响应会立即返回。这减少了网络通信负载，提高了电源利用率和 主机应用层的响应速度。在启用异常通信的情况下，网络通信量通常可减少至 原来的1/10到1/20。
在许多情况下，WirelessHART网络将具有多个直接与网关通信的接入点。这 些多个接入点可用于提高网络的有效吞吐量和可靠性。如果网关提供了多个接入点， 则网络管理器将通过所有接入点调度通信流量（稍后解释）。如果其中一个 WirelessHART接入点发生故障，则网络管理器将调整调度，将流量分配到剩余的 接入点上。每个接入点都有其自己的物理地址和昵称地址。在网关内部，所有接入 点都将流量通过网关路由到主机接口或网络管理器。为了简化对冗余接入点的支持， 每个网关都有一个固定的、众所周知的地址（唯一标识符= 0xF981000002；昵称 = 0xF981）。每个WirelessHART网络有一个网关，且网关可以是冗余的。
WirelessHART网关是整个网络的时间源，必须将网络时钟传播到所有其 他现场设备。时钟信息从网络层级的顶部向下逐级传递。
5.3.2WirelessHART网络管理器和安全性管理 r
与网关类似，网络管理器也被视为一种WirelessHART设备。网络管理器通过 网关与WirelessHART网络中的设备进行通信。网络管理器用于设置、监控和 管理整个网络的命令在WirelessHART标准的通用实践命令规范和无线命令规 范中有详细描述。
网络管理器负责WirelessHART网络的整体管理、调度和优化。作为其职 责的一部分，网络管理器初始化并维护网络通信参数值。网络管理器提供设备 加入和离开网络的机制。它还负责收集和维护有关网络整体健康状况的诊断信 息。这些诊断信息可上报给基于主机的应用程序，并用于使整个网络适应变化 的条件。
网络管理器具有以下核心功能：
网络诊断 ：作为其系统功能的一部分，网络管理器会收集网络性能和诊断信息。这 些信息在运行时可访问，从而可以查看和分析整个网络的行为。如果检测到问题， 将在网络运行期间对网络进行重新配置。
可靠的网络性能 ：WirelessHART网络通过使用多种机制保持很高的可靠性，包括 多条路由路径连接至网络设备、多个射频信道以及多次通信尝试。如果需要提高可 靠性，网络管理器可以通过增加更多路径来提升路径多样性额外的WirelessHART接入点和现场设备。增加的WirelessHART接入点以及各种 设备可提高吞吐量，降低延迟，并可用于绕开潜在的干扰源。
时间同步通信 ：所有在WirelessHART网络中的通信都是时间同步的。精确的时间同步 对于基于时分复用的网络运行至关重要。由于所有通信都在时隙中进行，现场设备必须 对每个时隙的开始和结束时间具有一致的认知，且偏差最小。WirelessHART协议和网 络管理器定义了时间同步机制，并从网关向外传播网络时间。
会话 ：端到端通信由网络层的会话进行管理。每个会话包含一对（或一组）网络设 备之间的安全性信息。所有网络设备都将与网络管理器建立两个会话：一个用于成 对通信，另一个用于来自网络管理器的网络广播通信。所有设备还将拥有两个网络 管理器会话密钥。在与网络管理器的成对会话中，将使用设备的标准网络设备地址； 在广播会话中，将使用特殊的网络设备地址0xFFFF。
调度 ：网络管理器的主要功能是进行调度、监控、管理和优化通信资源。网络管理 器结合其掌握的网络拓扑信息、通信需求的启发式方法，以及来自网络设备和应用 程序的通信资源请求，生成调度方案并分发给相应的网络设备。
WirelessHART网络架构中的另一个重要组成部分是安全管理器，它在客 户端‐服务器架构中与网络管理器紧密协作。安全管理器与网络管理器共同协作， 保护WirelessHART网络免受对其运行的对抗性威胁。它负责生成和管理网络 使用的加密材料，并负责密钥的生成、存储和管理。
安全管理器与网络管理器分开显示，因为在某些工厂自动化网络中，它可 能是集中式功能，服务于一个以上的WirelessHART网络，有时还服务于其他 网络和应用程序。每个WirelessHART网络都关联有一个安全管理器。
5.4案例研究
SRP（流体混合物分离项目）是一个由工业界支持的联盟，专注于流体混合物 分离。在石油和化工公司、生物技术、生物燃料、食品、发电公司以及流程制 造公司的支持下，SRP持续发展。近期项目包括一氧化碳 2 分离、藻类生长与 加工，以及隔板塔技术的领先研究。作为这一持续发展的组成部分，现场已增 加了覆盖工艺设备、实验室、仪表车间以及位于主工艺装置约300米外的锅炉 房的WirelessHART网络。主要工艺设备如图5.8所示。
吸收塔和strippingtower的直径均为16.8英寸，高度约为35英尺。吸收塔内含有 两层填料。塔内温度每12至18英寸测量一次，有助于监控塔的操作。如图5.8所示，该工艺使烟气在吸收塔中与溶液（例如MEA溶液）接触。溶液吸收CO2 后，被 送入strippingtower。在strippingtower中，富含CO2的MEA溶液被加热以 释放几乎纯净的CO2。贫MEA溶液随后被回收回吸收塔。随着CO 2 被吸收，热 量被释放，系统温度可能迅速升高，这并不一定有利。strippingtower利用 蒸汽提供的热量将二氧化碳从溶液中分离出来。为研究该系统的水力特性和传 质特性，需要配备大量的仪表设备。
由于频繁进行新的实验和测试，设备每年需重新配置多次。因此，无线设 备非常理想。目前，WirelessHART设备用于流量、压力、pH值、液位和温 度等过程测量，同时也用于设备健康监测和安全应用。本章所包含设备的 HART标签和类型信息汇总于表5.2的前两列中，最后两列显示了设备昵称和已 识别的相邻设备。
| HART标签 | 设备类型 | 昵称 | 邻居 (昵称) |
|---|---|---|---|
| 安全淋浴1 | 安全 | 2 | 1, 3, 4, 5, 12, 20 |
| P102‐DI‐DISCHG | 压力 | 3 | 2, 12, 14 |
| 振动监测器2 | 振动 | 4 | 1, 9, 10, 13, 15, 21 |
| 振动监测器1 | 振动 | 5 | 1, 2, 15, 16 |
| WFT‐2SEC‐000 | Flow | 6 | 1, 11, 13, 17 |
| ABS气体出口T | 气体传感器 | 7 | 1, 14, 17 |
| TMX206W | 温度 | 8 | 18, 19 |
| A_LT203_GWR | 液位 | 9 | 1, 4 |
| TMX205W | 温度 | 10 | 1, 4 |
| TMX405W | 温度 | 11 | 1, 6 |
| 安全淋浴器2 | 安全 | 12 | 2, 3, 14, 20 |
| VT‐3000 | 振动 | 13 | 1, 4, 6 |
| T403‐1W | 温度 | 14 | 1, 4, 5 |
| 无线罐1 | 温度 | 15 | 1, 5 |
| BH_蒸汽_压力 | 压差 | 16 | 6, 7, 18 |
| 压差 | 压力 | 17 | 8、17、19、22、23 |
| TMX406W | 温度 | 18 | 8, 18, 23 |
| WPT‐2SEC‐02 | 压力 | 19 | 2, 12 |
| BHDIMON | 离散 | 20 | 1, 4, 24 |
| OFLOLVL01 | 液位 | 21 | 1, 12, 14, 18 |
| 外部温度1 | 温度 | 22 | 18, 19 |
| 外部温度2 | 温度 | 23 | 1, 4, 21 |
| BH_蒸汽‐压力19 | 压力 | 24 | 1, 4, 21 |
表5.2设备和网络摘要
注意：邻居由设备发现，并由网络管理器用来构建网状网络。
如本章前面所述，每个设备都配置有一组与邻居的链路。这些链路随后用 于发送和接收数据包。本研究中所包含的每个设备所涉及的邻居汇总于表5.2的 最后一列中。设备23的链路信息示例如表5.3所示。
| 邻居 | 超帧 | Slot | 链路类型 | XMIT | 接收 |
|---|---|---|---|---|---|
| 18 | 0 | 23 | 正常 | True | False |
| 18 | 0 | 538 | 正常 | True | False |
| 18 | 0 | 801 | 正常 | True | False |
| 18 | 1 | 142 | 广播 | False | True |
| 19 | 0 | 166 | 正常 | True | False |
| 19 | 1 | 157 | 广播 | False | True |
| 0xFFFF | 0 | 1 | 发现 | True | True |
| 0xFFFF | 0 | 48 | Join | False | True |
| 0xFFFF | 1 | 150 | Join | True | False |
| 0xFFFF | 4 | 83 | 广播 | True | False |
表5.3设备23的链路信息
注意：为简便起见，未显示其他设备。
本研究中包含的设备位于三个位置：主工艺区、仪表区和锅炉房。锅炉房 距离主要工艺设备超过300米，只能通过专门安装以实现远程通信的路由设备 进行连接。这些路由设备标记为“外部温度1”和“外部温度2”。网络管理器 在使用两天后建立的网络拓扑如图5.9所示。
此次现场测试中，网络被重新启动，并在45小时期间内收集了数据。在此 期间，收集并分析了超过75万个数据包。这些数据包的细分情况汇总于表5.4。
| 数据包类型 | 通信的数据包数量 |
|---|---|
| ACK | 256,391 |
| 广播 | 250,495 |
| Data | 130,271 |
| 保持连接 | 114,592 |
| 断开连接 | 1183 |
表5.445小时现场测试中通信情况的汇总
仔细查看表5.4中汇总的数据，在初始运行的2小时内，网络流量主要由广 播信息主导。这些广播信息对于发现设备和网络形成至关重要。一旦网络形成后，网络流量的大部分由测量数据组成。排除最初2小时和最后1小时 的网络流量汇总按小时绘制于图5.10。
网络管理器持续进行健康报告和网络优化是网络运行的一个重要方面。网 络利用健康报告和报告的路径故障来增加或删除链路。系统会识别优选邻居， 并为这些设备增加额外的链路。随着网络的运行，整体运行状况通常会得到改 善。这一点在图5.10中的19小时标记处得到了体现。在19小时标记时，网络管 理器利用新发现的邻居设备对网络进行了重新配置。新发现邻居的发现与利用 以及链路的增加，体现在中间跳数的减少上。（“中间跳数”用于描述数据包 从源到目的地传输过程中所使用的额外跳数。在此测试中，如果数据包直接从 源传输到目的地，则中间跳数为零；如果需要一个额外跳数，则中间跳数为一。）
网络运行的其他重要方面是数据包传输的跳数。如表5.4所示，并在图5.9 中说明，45%的设备位于距离网关一跳的范围内。其余设备可通过两跳或三跳 到达（锅炉房的设备需要两到三跳）。在少量情况下，从源到目的地传输一个 数据包会使用超过三跳。查看表5.2可知，有15台设备与网关和网络管理器具有 直接链路。现场测试期间通过网状网络发送的数据包的跳数信息汇总于表5.5中。
| 跳数 | 数据包计数 | 数据包计数 (%) | 中间跳数 |
|---|---|---|---|
| 1 | 58,923 | 45.25 | 0 |
| 2 | 48,674 | 37.38 | 1 |
| 3 | 14,406 | 11.06 | 2 |
| 4 | 7348 | 5.64 | 3 |
| 5 | 835 | 0.64 | 4 |
| 6 | 19 | 0.01 | 5 |
表5.5发送到网关的数据包跳数
其他值得关注的指标包括信道使用、数据包长度统计和故障计数。该信息 汇总如表5.6–5.8所示。信道使用计数分布非常均匀。由于故障消息很少，这表 明现场干扰极小。
| 通道 | 数据包计数 | 通道 | 数据包计数 |
|---|---|---|---|
| 11 | 32,935 | 19 | 33,054 |
| 12 | 34,451 | 20 | 30,076 |
| 13 | 34,222 | 21 | 33,697 |
| 14 | 31,033 | 22 | 33,197 |
| 15 | 31,132 | 23 | 35,086 |
| 16 | 31,630 | 24 | 32,419 |
| 17 | 32,229 | 25 | 32,775 |
| 18 | 32,345 | — | — |
表5.6信道使用
数据包长度使用情况摘要显示，大多数通信数据包为64字节或更短，较长的消息非常少。
| 数据包长度 | 的总数数据量包 | 数据包长度 | 的总数数据量包 |
|---|---|---|---|
| 42 | 194,676 | 65 | 319 |
| 19 | 116,754 | 81 | 312 |
| 16 | 114,559 | 78 | 310 |
| 64 | 55,858 | 46 | 245 |
| 62 | 1049 | 92 | 194 |
| 96 | 814 | 77 | 182 |
| 33 | 689 | 84 | 173 |
| 72 | 674 | 51 | 169 |
| 41 | 599 | 54 | 144 |
| 75 | 370 | 57 | 125 |
| 82 | 360 | — | — |
表5.7数据包长度使用情况汇总
告警计数为网络的整体健康状况和运行情况提供了重要的反馈。当无法使 用指定的源路由传递数据包时，设备会向网络管理器返回源路由失败告警。网 络管理器通常使用源路由来测试网络中的路径。在完成网络的初始设置后，不 再出现源路由失败消息。另一方面，当某个邻居设备无法被访问时，设备会向 网络管理器发送路径失败告警。同样，在完成网络的初始设置后，这类告警仅 有少量出现。也就是说，大约会返回一到两个此类告警每小时向网络管理器发送一次。没有出现图形路由失败和传输层故障的告警， 表明网络管理器在建立链路和设置路由方面表现出色。
| 命令 | Time | 计数 | 讨论 |
|---|---|---|---|
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0914 | 7 | 命令通知 网络管理器， 到邻居的路径 失败。少量这些在⋯⋯期间是正常的 |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0915 | 3 | 网络运行 网络管理器使用 这些报警以及 健康报告以监控 并维护网络 |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0916 | 4 | — |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0917 | 3 | — |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0919 | 5 | — |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0920 | 3 | — |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0921 | 4 | — |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0922 | 5 | — |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐0923 | 2 | — |
| 788 路径失败 | 2013‐12‐101 | 1 | — |
| 789 源路由 失败 | 2013‐12‐0914 | 22 | 此报警来自 设备到网络 管理员 源路由失败时的 路由失败 |
| 789 源路由 失败 | 2013‐12‐0915 | 2 | — |
| 789 源路由 失败 | 2013‐12‐0920 | 1 | — |
| 789 源路由 失败 | 2013‐12‐0922 | 1 | — |
| 789 源路由 失败 | 2013年12月10日08 | 1 | — |
| 789 源路由 失败 | 2013‐12‐1010 | 1 | — |
| 790 图路由 失败 | None | None | 此命令通知 网络管理器，一个 图形路由失败 |
| 791 传输 层失败 | None | None | 此命令通知 网络管理器，一个 传输层连接 失败 |
表5.8告警计数
注意：未列出所有源路由失败消息。每小时大约会出现一次此类警报。
总结来说，从重置网关到网络稳定，网络的启动和初始设置大约花费了2 小时。在此期间，设备被分配了网络资源，并开始进行设备自动更新。网络运 行从一开始就保持稳定。由于该网络实际上被分为三个独立的部分，网络管理 器必须通过其他设备建立路由，然后优化通信流。如果要通过现场勘察来建立 骨干网，则成本高昂且难以准确实现。而另一方面，网络管理器能够自动完成 这一过程，并持续优化网络运行。
5.5结论和未来趋势
在数千万台现场HART设备中，只有一小部分通过数字方式连接到主机，以提 供除过程数据之外的辅助数据。借助WirelessHART标准，用户可将无线技术 应用于现有安装和新建项目。该无线解决方案在现场设备、控制系统和资产管 理软件包之间提供了灵活性、可扩展性和互操作性。它通过低功耗、低数据速 率无线通信连接小型传感器。凭借大量新增的环境数据，我们能够探索提升过 程控制质量的无限潜力。用户现在拥有一条清晰的路径，可将无线连接添加到 其运营中，并利用智能现场设备中嵌入的信息来提高生产率。展望未来，有许 多发展方向将推动WirelessHART技术实现更高的数据速率、更强的安全性、 可靠性、可扩展性和移动性，从而使WirelessHART适用于更广泛的应用领域。
5.5.1新型无线电技术
WirelessHART标准所基于的许多技术将持续发展。例如，新型无线电技术将不断 发布，新的频率范围也将陆续开放。该标准并未局限于802.15.4定义的16个信道—— WirelessHART标准最多支持64个信道。随着新型无线电技术的推出，WirelessHART标准中的物理层未来可轻松替换。我们近期的研究（Wei et al., 2013）探讨了用802.11替代802.15.4物理层，以实现高达6kHz采样率。
5.5.2位置感知服务
定位技术可用于追踪工厂车间的人员和资产。在化工厂等流程工厂中，由于涉及有 毒或易燃化学品，存在高风险，因此对车间人员进行追踪对于人身安全至关重要。资产跟踪使得工厂车间的人员能够更轻松地定位材料和设备。最初的 WirelessHART规范已经包含了支持定位感知应用程序所需的大部分功能。通 过首次发布的WirelessHART规范，可以进行离线位置计算。但目前缺少一种 标准化方式，使现场提供位置信息的设备能够与控制室或手持设备上运行的支 持定位的应用程序进行通信。
为了满足这些需求，WirelessHART标准的未来版本将增加标准化命令， 使定位跟踪设备能够与支持定位的应用程序通信。这些命令将可以确定资产在 工厂中的位置。另一项增强功能是添加会话，允许跟踪设备与支持定位的应用 程序进行通信。这些通信的内容将被完全加密和安全保护。
5.5.3空中配置
WirelessHART规范的初始版本包含了一整套广泛的安全特性，旨在确保设备 在经过身份验证之前无法加入网络。一旦通过身份验证，所有通信都是私密的。其中有一项功能曾被讨论但未作具体规定，即空中配置。为了支持此功能，原 始设计在标准中预留了空间，以便规定和使用附加安全机制。
展望未来，将要增加的功能之一是公钥加密。目前有多种技术可用于实现 这一点；其中最有前景的技术之一是椭圆曲线Diffie‐Hellman（ECDH）。但 在接受此技术或任何其他技术之前，必须充分理解该技术及其实施所需的资源 需求（内存和中央处理器）。
5.5.4无线控制
利用无线技术作为闭环控制的基础设施，给设备制造商带来了许多技术挑战。大多 数多回路控制器的设计会对测量值进行2到10倍的过采样。此外，为了最小化控制 偏差，通常的经验法则是：反馈控制的执行速度应比过程响应时间（即过程时间常 数加上过程延迟）快4到10倍。而在无线应用中，电池寿命至关重要，目标是尽可 能减少通信次数。尽管这起初看似巨大的障碍，但仍存在可行的解决方案。
在WirelessHART中，采用的方法是允许设备根据需要进行采样，但仅在 数值发生变化时才进行通信。通过这种方法，网络上的通信开销显著降低。在 实际工厂中应用这些技术后，通信量减少了10到30倍。为了在测量值非周期性 更新时实现最佳控制，PID控制器可以重构，以反映自上次测量更新以来针对 预期过程响应的复位作用（Song et al., 2006）。
另一种类型的控制设备是具有两种状态的离散设备，例如开关值、开关等。它们接 受0或1值。最新的WirelessHART离散标准定义了WirelessHART离散设备的机制和命令。我们已经看到这类设备 进入市场。
5.5.5工业物联网
WirelessHART将遵循的一个趋势是物联网（IoT），它能够将资源受限的嵌 入式设备无缝连接到互联网。我们通过设计和实验（韩等人，2013）证明， WirelessHART可以扩展以支持6LoWPAN（低功耗无线个域网上的IPv6 （6LoWPAN））和CoAP（受限应用协议）协议，从而使WirelessHART设备具备IPv6地址并可直接接入互联网。
还值得一提的是，WirelessHART标准所基于的IEEE802.15.4标准正在持 续演进。在WirelessHART开发时，IEEE802.15.4有两个版本：IEEE 802.15.4‐2003及其扩展版本IEEE802.15.4‐2006。WirelessHART符合IEEE 802.15.4‐2006，但实际上仅需要IEEE802.15.4‐2003。自IEEE802.15.4‐2006 之后，IEEE802.15.4‐2011于2011年发布，IEEE802.15.4e于2012年发布。IEEE802.15.4e的目标之一是采用在WirelessHART中开发的时间同步技术以及 许多其他特性。这一演进是积极的，但也带来了在同一市场中出现竞争性标准的风 险。未来的一个方向是，希望该领域的参与者能够围绕物联网（IoT）团结一致， 将各自的努力融合到一个以IPv6为核心的通用标准中。我们已从 WirelessHART的角度研究了这一演进过程，并探讨了WirelessHART如何朝着 正确方向发展并为物联网革命做出贡献（陈等人，2014）。
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