Bezdrátová komunikace si úspěšně razí cestu světem a neustále vznikají nové a nové standardy poskytující různé specifické funkce a vlastnosti vhodné pro určité aplikace. Pro průmyslovou komunikaci senzorů a jednoduchých zařízení v nedávné době vznikla velmi odolná komunikace WirelessHART, která poskytují až 250 kB/s rychlý přenos v 2.4 GHz pásmu ISM. První dostupné informace o tomto novém bezdrátovém standardu naleznete v tomto článku...

Bezdrátová komunikace WirelessHART je než samostatným standardem spíše rozšířením či doplňkem již dlouhodobě ověřené klasické HART komunikace pro případy, kdy je nemožné nebo není vhodné použít vodičovou proudovou smyčku. Byla speciálně navržena organizací HART Communication Foundation pro splnění požadavků automatizace průmyslových procesů a aplikací z čehož vyplývají i implementované vlastnosti a princip funkce.

Vlastnosti

• Plně kompatibilní s klasickým HART protokolem
• Bezdrátový přenos dle standardu IEEE STD 802.15.4-2006 kompatibilní s DSSS
• Bezdrátová síťová komunikace - samoorganizující se MESH sítě
• Komunikace v 2.4GHz ISM radiovém pásmu
• 16 komunikačních kanálů (frekvenčních podpásem)
• Přenosová rychlost 250 kB/s
• Přístup na sběrnici pomocí TDMA (Time Division Multiple Access)
• Podpora mnoho různých přenosových módů:
  • jednosměrný přenos předem definovaných proměnných a hodnot
  • spontánní přenos/hlášení pomocí výjimek - přenos informací při nastolení určitého stavu
  • komunikace typu ad-hoc žádost/odpověď - přenos momentálně požadovaných informací
  • automaticky segmentovaný přenos velkých bloků dat
• Zabezpečení komunikace pomocí AES-128 blokového šifrování
• Funkce pro sdílení ISM pásma různými standardy
  • Clear Channel Assessment (CCA)
  • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - automatické přeskakování frekvenčních pásem (channel hopping ) podle rušení
  • Regulace vysílacího výkonu
• Možnost zakazovat komunikaci pomocí blacklistů
• Prioritní rozlišení všech typů přenášených zpráv - snadné zajištění QoS
• Sdílená šířka pásma - pro pružné zajištění požadavků přenosu zpráv

Architektura sítě

Bezdrátovou komunikaci a přenos dat mezi zařízeními prostřednictvím WirelessHART lze zajistit pomocí komunikačních rozhraní, tzv. WFD (WirelessHART Field Devices). Každá síť pak musí dále obsahovat i WirelessHART bránu či brány (Gateways), které naopak slouží ke komunikaci mezi nadřazenými systémy a WFD zařízeními, přičemž podporují jeden nebo více přístupových bodů (Access Points). Za konfiguraci sítě, plánování komunikace mezi jednotlivými WFD, správu směrovacích tabulek a hlášení o stavu WirelessHART sítě je pak zodpovědný tzv. WirelessHART Network Manager. I když je podporována přítomnost většího počtu manažerů, v daný okamžik však v síti musí být aktivní vždy jen jeden. Mimo to může dále síť obsahovat WirelessHART adaptéry umožňující existujícím HART zařízením se integrovat do WirelessHART sítě nebo WirelessHART Handhelds, což jsou přenosné (servisní) přístroje s vestavěným WirelessHART transceiverem, které podobně jako ve verzi pro klasickou HART umožňují přímé nastavení, čtení a sledování komunikace a parametrů jednotlivých zařízení v síti.

Základní popis funkce

Fyzická vrstva - vlastnosti přenos. kanálu

Samotný přenosový kanál s přenosovou rychlostí 250 kB/s je narozdíl od fyzických vodičů u klasického HART založen na komunikaci dle standardu IEEE STD 802.15.4-2006, kde se ve volném ISM frekvenčním pásmu 2400 až 2483.5 MHz a při jmenovitém vysílacím výkonu 10 dBm přenáší data dnes již klasickou kvadraturní modulací O-QPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying) v rozprostřeném frekvenčním spektru DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Protože v této oblasti radiového pásma již pracuje velké množství jiných dalších přenosových standardů (WiFi, Bluetooth a další), jsou všechny WirelessHART zařízení vybaveny regulací vysílacího výkonu, automatickým střídáním/měněním kanálů (channel hopping) pro zajištění co nejmenšího vzájemného rušení s dalšími komunikačními standardy (WiFi, Bluetooth apod.). Z pohledu přenosu dat je limitující maximální délka datového bloku rámce zprávy 127 bajtů.

Linková vrstva - MAC

Linková vrstva je plně vystavěna na MAC PDU standardu IEEE 802.15.4 a podporuje dlouhé i krátké adresování (malé i rozsáhlé sítě). Speciální jsou pak EUI-64 adresy založené na unikátním HART indikátoru (HART ID) a HCF identifikátoru (HCF ID). WirelessHART DLPDU bajt pak určuje typ paketu. Pro zajištění spolehlivého provozu se využívá řízení přístupu na linku pomocí technologie TDMA (Time Division Multiple Access) s časovými sloty (timeslots), kde veškerá komunikace mezi zařízeními probíhá v předdefinovaných časových oknech, které mohou být organizované do tzv. superrámců. Ty umožňují přenos 100 timeslotů za sekundu a jejich použití může být povoleno či zakázáno v závislosti na šířce frekvenčního pásma. Všechny zařízení s komunikací WirelessHART podporují různém provedení superrámců s odlišným počtem timeslotů, což umožňuje "míchat" rychlou jednosekundovou a pomalou minutovou, periodickou a neperiodickou síťovou komunikaci. Pro kontinuální synchronizaci TDMA funkce celé sítě slouží běžné potvrzovací pakety (Acknowledgement packets) obsahující časovou informaci. Od jednoho zdrojového zařízení k dalším mohou být vytvořeny přiřazeny linky, které mohou navíc být sdíleny mezi vícenásobnými zdroji.

Channel blacklisting podporuje prioritizaci zprávy DLPDU podle řízení toku dat na jednu ze čtyř úrovní:

• Příkazy (nejvyšší priorita)
• Procesní data - téměř každý paket s daty
• Normální - zprávu se nehodí do žádné jiné kategorie
• Alarmy (nejnižší priorita) - pakety obsahující pouze hlášky a reporty událostí

Síťová vrstva - směrování a topologie sítě

Síťová vrstva určuje topologii, která je u Wireless v podobě plné mesh sítě. Všechny zasíťované zařízení musí být vždy plně funkční, musí přijímat a vysílat pakety a podporovat jejich směrování na cestě k sousedním zařízením. Spolehlivost dobře formované sítě je díky mnoha variantám možných cest veliká, vždy lepší než 99.73 % (obvykle 99.9999998 %).

Z pohledu uspořádání sítě WirelessHART jsou podporovány 3 možné topologie:

• Mesh sítě - pro složitější síťovou komunikaci. Všechny uzly (jednotky/zařízení) se zároveň chovají jako směrovací uzly (Routing Nodes), což umožňuje funkci samoorganizace.
• Hvězda - pro jednoduchou síť jen několik senzorů přenášející naměřená data například do PLC
• Hvězda-Mesh - kombinace topologií mesh a hvězda

Výhodou Mesh sítí je jejich schopnost samoorganizace a samoopravy, což v praxi znamená, že každá komunikující jednotka "hlídá" svoje nejbližší sousední jednotky, s nimi vytváří přenosové cesty a linky, měří sílu RF signálu, získává informaci o synchronizaci a přeskakování frekvencí (frequency hopping) apod. Každé zařízení má tak schopnost směrovat provoz od svých nejbližších sousedů na základě vzájemných RF spojení a výkonnosti sítě. Tento princip vytváří jednoduchou a robustní komunikační síť s možností snadného měnění její velikosti (dynamické rozšíření a zmenšování sítě dle potřeby).

S ohledem na co největší flexibilitu a spolehlivost přenosu bylo pro WirelessHART implementováno několik zajímavých funkcí pro směrování zpráv:

• Redundantní směrování plné mesh topologie, kde každé zařízení/jednotka má v záloze vždy několik cest, jak se dostat. K tomu to účelu si spravuje tzv. upstream a downstream směrovací graf , který průběžně updatuje a podle něho se pak volí nejlepší trasu
• Zdrojové směrování pro ad-hoc komunikace s potvrzení platnosti cesty
• Podpora všech běžných typů přenosu - broadcast, multicast a unicast
• Dynamické řízení šířky pásma, které umožňuje k alokaci a dealokaci superrámců a linků podle toho, jak jsou nastavena zařízení a jejich požadavky (např. při blokovém přenosu balíku dat se alokuje větší šířka pásma, která se po skončení přenosu opět sníží).

Transportní vrstva

Jednoduchá transportní vrstva poskytuje nepotvrzené a koncové potvrzení komunikace. Potvrzené přenosy včetně automatického opakování k potvrzení úspěšného datového přenosu. Transportní vrstva také podporuje TCP blokový přenos velkých bloků dat. Data jsou automaticky segmentovány ve zdroji a znovu spojeny v cílovém zařízení a blokové přenosy jsou transparentní do vyšších hladin.

Aplikační vrstva

WirelessHART využívá aplikační vrstvu standardního HARTu, tzn. využívá příkazy založené na standardních datových typech a procedurách, které se dělí do třech skupin:

• Univerzální příkazy (Universal Commands) - jsou implementovány ve všech zařízeních podporující standard HART a umožňují vzájemnou komunikaci mezi různými zařízeními různých výrobců. Obsahují: přenos dat o výrobci a typu zařízení, měřené veličině a jejích jednotkách, osmiznakový popis, hodnotu proudu na výstupu a jeho procentuelní úroveň z rozsahu, sériové číslo, měřící rozsah a limity apod.
  

• Obecné praktické příkazy (Common Practice Commands) - jde o volitelné příkazy, které nemusí již být implementovány ve všech zařízeních HART. Obsahují možnost: čtení a volba až čtyř dynamických proměnných, změnu rozsahu vysílače, nastavení pevného výstupního proudu, provádění samotestování, zápis tlumící časové konstanty apod.
  

• Specifické příkazy zařízení (Device Specific Commands) - speciální příkazy, které jsou unikátní pro určitou skupinu přístrojů funkce. Například obsahují započetí a ukončení měření, volbu primární proměnné, ladění parametrů, nastavení a informace o kalibraci, specifické informace o stavu a konstrukci zařízení, čtení a zápis typu senzoru, mazání čítačů, servisní testování zařízení, softwarové spínání relé apod.

Navíc však s WirelessHART byly do ni přidáno sedm nových vlastností:

• Smart Data Publishing - složí pro generování zpráv pro přenos procesních dat pouze, jen když je to potřeba, tj. v určitém čase, při změně signálu nebo při překročené definované úrovně
• Vzorky procesních dat jsou časově odebírány k snížení efektů změny zpoždění
• Měření může být spouštěno ve určitý specifikovaný čas, což umožňuje synchronizovat činnost napříč mnoha zařízeními
• Agregace příkazu umožňuje čtení příkazů v jedné transakci pro rychlejší nahrávání konfigurací

Zabezpečení přenosu

U bezdrátové komunikace je vždy důležitější správné zabezpečení přenosu, protože přístup ke komunikaci má fyzicky každý, kdo je v dosahu vysílaného signálu. Proto je u WirelessHART použito robustní opatření využívající 128 blokové šifrování AES se symetrickými klíči a multiklíčové architektury (oddělený připojovací klíč každé jednotky, síťový klíč k ověření datalinkového PDU a sekční klíče pro zašifrování užitečných dat). K existující síti se tak může vždy připojit jen ověřené zařízení s příslušným připojovacím klíčem a standardními HART identifikačními daty (identifikátor výrobce - Manufacturer ID, typ zařízení - Device Type, identifikátor zařízení - Device ID apod.).

Závěr

WirelessHART je praktické rozšíření klasického kabelové sběrnice HART, protože využívá stejnou aplikační hladinu a lze tedy každým zařízení určené pro HART po doplnění o komunikační modul komunikovat i pro WirelessHART. Protože je to vcelku žhavá novinka, není ještě masivně výrobci podporována, ale to se asi v krátké době rychle změní. Například firma Pepperl&Fuchs již připravuje implementaci do svých senzorů.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovské stránky organizace HART Communication Foundation - www.hartcomm.org
• Domovské stránky firmy Pepperl&Fuchs, výrobce senzorů - www.pepperl-fuchs.com