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工业应用中的Wirelesshart和Zigbee比较
摘要
本文介绍了ZigBee不适合大多数工业应用的原因，这也是开发适合工业需求的新无线通信标准的动力：Wirelesshart。我们还简要介绍了使Wirelesshart更适合工业应用和要求的设计特点。
- 引言
HART是一种数字协议，用于主机应用程序和智能现场仪表之间的双向通信，提供对诊断、配置和过程数据的访问[1]。传统上，HART指定了一个物理层，该物理层使用模拟控制信号（4-20 mA）上叠加的频移键控（FSK）。自版本7起，HART还将基于IEEE802.15.4的无线网状网络作为物理层的选项。这通常被称为Wirelesshart。
本文通过ABB作为标准化委员会工作组成员的参与，总结了ABB对Hart7标准无线部分的印象。在过去，ABB对ZigBee也有着广泛的经验，我们发现，从工业角度来看，ZigBee中发现的缺陷已在Wirelesshart中解决。
1.1行业要求
ABB在为工业应用开发无线解决方案方面有着悠久的历史。为了实现工厂自动化，ABB开发了传感器和执行器（WISA）无线电技术的跳频无线接口，该技术已于2001年发布。对于过程自动化，ABB采取了一种不同的、更加冗长的方法，积极参与各种标准化工作。2004年和2005年，ZigBee成为业界的热门话题，但ABB在工业环境中进行的测试显示，ZigBee存在一些缺陷[2]。工业界要求通信安全可靠，但静态和多径衰落有时会由于使用一个静态信道而阻塞ZigBee。
1.2应用
Wirelesshart的主要使用案例是：1）访问HART启用仪器中可用的诊断数据，这些仪器安装在不使用HART的传统系统中。2）关键设备的状态和性能监测，由于接线费用过高，不属于控制回路的一部分。
1.3为什么使用标准？
自动化行业的关键问题是缺乏合适的标准来满足上述需求，以及不同供应商之间的互操作性。ABB凭借其在工业领域无线应用的丰富经验，在诸如ISA100（仪器、系统和自动化协会）和HCF（HART通信基金会）等STAR-DARDIS化机构中分享了它的知识，以实现这一目标。
2无线标准
2.1Wirelesshart
Wirelesshart的设计基于一系列基本要求：它必须简单（例如，易于使用和部署）、自组织和自愈、灵活（例如，支持不同的应用）、可扩展（即适合小型和大型设备）、可靠、安全和支持现有的hart技术（例如，hart命令、配置n工具等）。
图1显示了Wirelesshart的体系结构是基于OSI层设计的。Wirelesshart基于IEEE 802.15.4-2006标准[3]1中规定的物理层，但规定了新的数据链路（包括MAC）、网络、传输和应用层。
图1 Hart、WirelessHart和ZigBee协议栈
观察还可以看出，Wirelesshart和Hart在传输层和应用层是兼容的。
2.1.1基本特点
Wirelesshart是一个基于时分多址（TDMA）的网络。所有设备都是时间同步的，在预定的固定长度的时隙中通信。TDMA最大限度地减少了碰撞并降低了设备的功耗。
Wirelesshart使用几种机制来成功地共存于共享的2.4GHz ISM频段：频率跳跃扩频（fhss）允许Wire-Lesshart跨越IEEE802.15.4标准中定义的16个信道，以避免干扰。清除信道评估（CCA）是一个可选功能，可以在传输消息之前执行，传输功率级是可配置的，并且可以使用一种机制来禁止使用某些信道，称为黑名单。所有这些特性还确保了Wire-Lesshart不会干扰其他具有实时约束的共存无线系统。
所有无线HART设备都必须具有路由能力，即没有像Zig-Bee那样的功能降低的设备。由于所有设备在联网能力方面都可以被同等对待，因此无线HART网络的安装、形成和扩展变得简单，因为网络是自组织的。
Wirelesshart形成网状拓扑网络（也可以使用星型网络，但不推荐使用），提供冗余路径，允许在物理障碍物、断开的链接和相互引用周围路由消息。MES-SAGE路由提供了两种不同的机制：图形路由和源路由。图形路由使用预先确定的路径将消息从源设备路由到目标设备。为了利用路径约简，图路由在源设备和目标设备之间由几个不同的路径组成。这是在无线HART网络中路由上下流消息的首选方法。源路由为消息使用特别创建的路由，而不提供任何路径多样性。因此，源路由只能用于网络诊断，而不是与过程相关的消息。
图2显示了组成Wirelesshart网络的不同网络设备类型：
图2 Wirelesshart设备和与主机系统的连接
无线HART网络中的大多数设备都是现场设备，其特点是与过程相连，例如传感器和执行器。
路由器设备未连接到进程，即缺少传感器或执行器，而只具有通信功能。该标准不要求路由器设备，但在需要改进无线连接的情况下，路由器设备将非常有用。
适配器设备将有线HART设备连接到Wirelesshart网络，例如传统的HART或非无线设备。一个适配器设备可以为多个有线设备提供无线网络访问，如图2所示。
手持设备用于安装、配置、监视和维护各种无线切割设备。手持设备可以是：1）通过其他无线网络（如WLAN、蓝牙等）连接到工厂自动化网络，并通过工厂自动化主机与Wirelesshart设备通信，2）作为无线哈特设备直接连接到无线哈特网络，如图2所示。网关设备将Wirelesshart网络连接至工厂自动化系统（主机）。它为主机系统提供对Wirelesshart网络设备的访问，并在需要时在不同协议之间进行转换。
网络管理器是Wirelesshart网络的集中“大脑”，其职责是管理与无线网络相关的任何事物，例如形成网络、调度资源、网络路径配置和重新配置等。每个Wirelesshart网络只能存在一个活动的网络管理器，如果活动的网络发生故障，则可以有一个备份管理器来接管。
2.1.2安全性
在Wirelesshart中，安全是强制性的；没有任何操作可以完全关闭它。Wirelesshart通过网络和数据链路层上的有效载荷加密和消息认证提供端到端和跳到跳的安全措施。但是，安全措施对应用程序层是透明的。Wire-Lesshart使用CCM*2模式，结合使用对称密钥的AES-128块密码进行消息身份验证和加密。
一组不同的安全密钥用于确保安全通信：在新设备尝试加入无线网络之前，将为其提供一个连接密钥。join键用于对设备进行特定无线HART网络的身份验证。一旦设备成功加入网络，网络管理器将为其提供适当的会话和网络密钥，以便进行进一步的通信。实际的密钥生成和管理由“全厂范围”的安全管理器来处理，这不是由Wirelesshart指定的，而是由网络管理器将密钥分发到网络设备。网络层使用会话密钥来验证两个设备（如现场设备和网关）之间的端到端通信。每对通信使用不同的会话密钥（例如，现场设备到网关、现场设备到网络管理器等）。数据链路层使用网络密钥对消息进行单跳身份验证。当设备尝试加入网络时，即在收到正确的网络密钥之前，使用众所周知的网络密钥。
根据过程自动化工厂的安全程序旋转钥匙。
2.2 ZigBee
ZigBee是一种用于家庭自动化、监控和控制的低成本、低速率和低功耗无线通信协议的规范。它旨在提供可扩展、自组织和安全的短程无线网络，同时提供长达两年的电池寿命。尽管ZigBee自2004年底就已经存在，但它还没有证明自己的成功，至少在可靠性和安全性极其重要的工业试验领域是如此。在本节中，我们对ZigBee进行了简短的技术介绍，为我们在下一节中与Wirelesshart进行比较提供了背景。
2.2.1基本特点
ZigBee是更高协议层的规范，它基于802.15.4规范[3]中的物理（phy）和介质访问控制（mac）层，如图1。支持网格组网拓扑，并通过AODV算法实现路由选择。这意味着是设备本身负责路由发现，并且可以进行点对点通信。在ZigBee网络中，所有节点都共享相同的信道，并且频率灵活性最小。没有跳频，唯一的选择是在启动时扫描干扰最小的信道。ZigBee中有两类网络设备：全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）。前者可以在网状网络中路由消息并充当网络协调器，而后者只能在星形网络设置中与一个FFD通信。
ZigBee可以在信标和非信标模式下工作。在信标模式下，节点在某种程度上是同步的，超级帧被分割成16个插槽。帧中的插槽通常是基于竞争的，使用CSMA/CA3。有一个选项可以使用其中的七个作为特定节点的专用时隙，以增加确定性，即所谓的保证时隙时间（GTS）。但是，对这一功能的支持不是强制性的，使用这一功能可能会破坏互操作性。
2.2.2安全性
在2006版的规范中，安全性不是强制性的。但是，网络层和应用层都支持身份验证、完整性和加密。通过802.15.4提供的MAC层安全性在ZigBee标准中没有明确说明，其使用可能会破坏不同Ven-dor产品之间的互操作性。重播攻击可以防止使用顺序编号。ZigBee使用802.15.4中的安全机制；使用带有AES-128加密的CBC-MAC4（CCM）计数器，但可以选择仅使用加密或仅使用完整性。使用三种密钥类型：主密钥、链接密钥和网络密钥。mas-ter密钥与Wirelesshart中的join密钥相当，是连接网络所必需的。链接密钥用于端到端加密，从而以更高的存储需求为代价提供最高级别的安全性。网络密钥在所有设备之间共享，因此安全性较低，尽管设备中的存储需求有所降低。所有密钥都可以在工厂设置，也可以从信任中心（位于网络协调器中）通过无线或物理接口分发。对于商业级应用，信任中心可以控制新设备的连接，并定期刷新网络工作密钥。
3比较
3.1 ZigBee
由于设备的任何问题都会给工业用户带来经济损失，可靠性是这些用户的首要问题。因此，网络健壮性、可靠的消息传递、身份验证和完整性等参数对工业应用都很重要。此外，工业间谍活动的威胁使得对隐藏信息的加密要求更高，这些信息可以将工厂生产的任何信息透露给竞争对手。
反对Zigbee的最有力的论据之一是缺乏工业级的稳健性。首先，由于整个网络共享相同的静态信道，因此没有频率分集，因此很容易受到非预期干扰和预期干扰。这也意味着，由于植物中富含金属的传播环境，严重的频率选择性衰落可能会阻止所有的ZigBee通信。此外，静态信道还将增加对其他系统（如无线局域网）的干扰，并随着网络规模的增长和冲突迫使重新传输而增加延迟。第二，没有路径多样性，这意味着在链路中断的情况下，必须建立从源到目的的新路径。这会增加延迟和开销，并且路由发现最终会消耗具有不稳定路由的环境中的所有可用带宽。此外，缺乏鲁棒性也意味着ZigBee不太适合控制应用程序。
对于具有许多对等点的路由器，电池操作并不现实，因为CSMA/CA强制它在帧的大部分时间保持接收器的开启状态。
Zigbee的安全性在很大程度上可以满足工业用户的要求，但必须注意使用供应商提供的支持必要安全机制的设备。
3.2 WirelessHART
Wirelesshart解决了行业对ZigBee提出的一些主要问题。它从一开始就被设计成一个健壮的、安全的通信协议，从而实现了许多特性来实现它。跳频和重传限制了时间和频率干扰的影响（重传将在不同的频率上发生）。这也限制了无线HART对其他网络造成的干扰。带有图形路由的网状网络提供了路径冗余和自我修复特性，限制了断开链接的影响。无线HART的坚固性为无线控制提供了可能性，至少对于慢速和非关键过程是如此。使用TDMA和预先安排的时隙可以防止消息冲突，并允许设备增加其节能，因为设备只需要在所需的时隙内保持收音机打开。TDMA的成本是需要时间同步；但是，在Wirelesshart中，时间信息不需要额外的网络流量，因为它嵌入到自动化过程相关的流量中。
Wirelesshart是一种安全协议，提供了多个保护层。所有的通信都是安全的；有效负载是加密的，所有的消息都是经过身份验证的，既有单跳的，也有端到端的。Wirelesshart要求为所有设备提供一个秘密连接密钥和网络ID，以便连接网络。
4总结
本文介绍了一种新的工业无线网络标准Wirelesshart，并将其与Zigbee在工业应用领域的应用进行了比较。比较表明，Wirelesshart广告弥补了ZigBee受到批评的许多弱点，因此在工业试验应用中具有成功的潜力
表1 比较概述
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资料编号：[443907]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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ZigBee |
WirelessHART |
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鲁棒性 |
低 |
高 |
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共存 |
低 |
高 |
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功耗 |
高 |
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