A Comparison of WirelessHART and ZigBee for Industrial Applications
Abstract
In this paper we present reasons why ZigBee is not considered suitable for use in most industrial applications,which was also motivation for the development of a new wireless communication standard tailored to the industrial needs: WirelessHART. We also give a short presentation of the design features that makes WirelessHART more suitable for industrial applications and requirements.
1 Introduction
HART is a digital protocol for two-way communication between a host application and smart field instruments, providing access to diagnostics, configuration and process data [1].Traditionally, HART specified a physical layer which used frequency-shift keying (FSK) superimposed on the analog control signal (4-20 mA).As of version 7, HART also incorporates an IEEE 802.15.4-based wireless mesh network as an option for the physical layer.This is commonly referred to as WirelessHART.In this paper we summarize ABBrsquo;s impression of the WirelessHART part of the HART7 standard through ABBrsquo;s participation as a working group member in the standardization committee. ABB also has extensive experience with ZigBee in the past, and we show that the flaws that were identified in ZigBee from an industrial viewpoint, have been addressed in WirelessHART.
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- Industrial requirements
ABB has a long history of developing wireless solutions for industry applications. For factory automation ABB developed the frequency hopping Wireless Interface to Sensors and Actuators (WISA) radio technology that was released already in 2001. For process automation ABB has taken a different, more lengthy, approach, actively taking part in various standardization efforts. In 2004 and 2005 ZigBee was the buzz of the industry but testing in industrial environments by ABB revealed it had some deficiencies [2]. The industry demanded secure and reliable communication, but static and multi-path fading sometimes blocked ZigBee due to its use of one static channel.
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- Application
The primary use cases for WirelessHART are: 1) access to diagnostics data available in HART-enabled instruments, which are installed in legacy systems that do not speak HART. 2) condition and performance monitoring of critical equipment, which is not part of the control loop due to excessive wiring cost.
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- Why use standards?
Key concerns within the automation industry has been the lack of suitable standards to fulfill the above mentioned demands, and also interoperability between different vendors. ABB with its vast experience of wireless in industry applications has shared its knowledge in standardization bodies like ISA100 (Instruments, Systems,and Automation Society) and HCF (HART Communication Foundation) in order to achieve just that.
2 Wireless Standards
2.1 WirelessHART
WirelessHART is designed based on a set of fundamental requirements: it must be simple (e.g., easy to use and deploy), self-organizing and self-healing, flexible (e.g., support different applications), scalable (i.e., fit both small and large plants), reliable, secure, and support existing HART technology (e.g., HART commands, configuration tools,etc). Figure 1 shows that the architecture of WirelessHART is based on the OSI layer design. WirelessHART is based on the PHY layer specified in the IEEE 802.15.4-2006 standard [3] 1, but specifies new Data-link (including MAC), Network, Transport, and Application layers.
Figure 1. HART, WirelessHART, and ZigBee protocol stacks
Observe that it can also be seen that WirelessHART and HART are compatible at the Transport and Application layers.
2.1.1 Basic features
WirelessHART is a Time Division Multiple Access (TDMA) based network. All devices are time synchronized and communicates in pre-scheduled fixed length time-slots. TDMA minimizes collisions and reduces the power consumption of the devices.
WirelessHART uses several mechanisms in order to successfully coexist in the shared 2.4GHz ISM band: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) allows WirelessHART to hop across the 16 channels defined in the IEEE802.15.4 standard in order to avoid interference. Clear Channel Assessment (CCA) is an optional feature that can be performed before transmitting a message, the
transmit power level is configurable, and a mechanism to disallow the use of certain channels, called Blacklisting, is available. All of these features also ensures WirelessHART does not interfere with other co-existing wireless systems that have real-time constraints.
All WirelessHART devices must have routing capability, i.e., there are no reduced function devices like in ZigBee. Since all devices can be treated equally in terms of networking capability, installation, formation, and expansion of a WirelessHART network becomes simple as the network is self-organizing.
WirelessHART forms mesh topology networks (star networks are also possible, but not recommended), providing redundant paths which allows messages to be routed around physical obstacles, broken links, and interference. Two different mechanisms are provided for message routing: Graph routing and Source routing. Graph routing uses pre-determined paths to route a message from
a source to a destinat
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用于工业应用的WirelessHART和ZigBee的比较
摘要
在本文中，我们介绍了为什么ZigBee不适合在大多数工业应用中使用的原因，这也是WirelessHART适合工业需求的一种新的无线通信标准的新的发展动机。我们还简要介绍了设计功能，使WirelessHART更适合工业应用和要求。
1.介绍
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，它使用叠加在模拟控制信号（4-20 mA）上的频移键控（FSK）。从版本7开始，HART还将基于IEEE 802.15.4的无线网状网络作为物理层的选项。这通常称为WirelessHART。
在本文中，我们通过ABB作为标准化委员会的工作组成员参与，总结了ABB对HART7标准的WirelessHART部分的印象。ABB过去在ZigBee方面也有丰富的经验，我们表明，从工业角度来看，ZigBee中发现的缺陷已在WirelessHART中得到解决。
1.1工业要求
ABB在为行业应用开发无线解决方案方面拥有悠久的历史。对于工厂自动化，ABB开发了2001年发布的用于传感器和执行器（WISA）无线电技术的跳频无线接口。对于过程自动化，ABB采取了不同的，更长的方法，积极参与各种标准化工作。在2004年和2005年，ZigBee成为业界的领头羊，但ABB在工业环境中进行的测试显示它具有一些不足之处[2]。业界要求安全可靠的通信，但静态和多径衰落有时会因为使用一个静态信道而阻止ZigBee。
1.2应用
WirelessHART的主要用途是：1）访问支持HART的仪器中可用的诊断数据，这些仪器安装在传统系统中。2）监控由于布线成本过高而不属于控制回路的一部分的关键设备的状态和性能。
1.3为何使用标准？
自动化行业的主要问题是缺乏满足上述要求的合适标准，以及不同供应商之间的互操作性。ABB凭借其在工业应用领域的丰富无线经验，在ISA100（仪器，系统和自动化学会）和HCF（HART通信基金会）等标准化机构中分享了自己的知识，以实现这一目标。
2.无线标准
2.1无线HART
WirelessHART基于一系列基本要求而设计：它必须简单（例如，易于使用和部署），自我组织和自我修复，灵活（例如，支持不同的应用程序），可扩展（即适合小型和大型工厂），可靠，安全，并支持现有的HART技术（例如，HART命令，配置工具等）。
图1显示WirelessHART的架构基于OSI层设计。WirelessHART基于IEEE 802.15.4-2006标准[3] 1中规定的PHY层，但指定了新的数据链路（包括MAC），网络，传输和应用层。
图1. HART，WirelessHART和ZigBee协议栈
观察到还可以看出WirelessHART和HART在传输层和应用层是兼容的。
2.1.1基本功能
WirelessHART是基于时分多址（TDMA）的网络。所有设备都是时间同步的，并在预先安排的固定长度时隙中进行通信。TDMA最大限度地减少了冲突并降低了设备的功耗。
WirelessHART使用多种机制在共享的2.4GHz ISM频段中成功共存：跳频扩频（FHSS）允许WirelessHART跳过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）是可以在发送消息之前执行的可选功能，发送功率级别是可配置的，并且可以使用禁止使用某些信道的机制，称为黑名单。所有这些功能还确保WirelessHART不会干扰具有实时约束的其他共存无线系统。
所有WirelessHART设备都必须具有路由功能，即ZigBee中没有减少功能的设备。由于所有设备在联网能力方面都可以得到平等对待，因此无线网络网络的安装，组建和扩展变得简单，因为网络是自组织的。
WirelessHART形成网状拓扑网络（星型网络也是可能的，但不推荐），提供冗余路径，允许消息绕物理障碍，断开链路和干扰进行路由。为消息路由提供了两种不同的机制：图形路由和源路由。图形路由使用预定路径将消息从源路由到目标设备。为了利用路径冗余，图形路由由几个不同的路径组成源设备和目标设备之间。这是在WirelessHART网络中上行和下行路由消息的首选方式。源路由使用ad-hoc为消息创建的路由，而不提供任何路径分集。因此，源路由仅用于网络诊断，而不用于与进程相关的消息。
图2. WirelessHART设备和与主机系统的连接。
图2显示了构成WirelessHART网络的不同网络设备类型：
WirelessHART网络中的大多数设备是现场设备，其特征在于连接到过程，例如传感器和致动器。
路由器设备没有连接到过程，即缺少传感器或执行器，而只是具有通信功能。标准不要求路由器设备，但在需要改进无线连接的情况下非常有用。
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。
手持设备用于各种WirelessHART设备的安装，配置，监控和维护。手持设备可以是：1）通过另一个无线网络（例如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WirelessHART直接连接到WirelessHART网络设备如图2所示。网关设备将WirelessHART网络连接到工厂自动化系统（主机）。它为主机系统提供对WirelessHART网络设备的访问，并且如果需要，将在不同的设备之间进行转换协议。
网络管理器是集中的“大脑”WirelessHART网络。它的职责是管理与无线网络相关的所有内容，例如组建网络，调度资源，网络路径配置和重新配置等。每个WirelessHART网络只能有一个活动网络管理器，如果活动管理器发生故障，则有可能由备份管理器接管。
2.1.2 安全
WirelessHART必须提供安全性;没有选项可以完全关闭它。WirelessHART通过网络和数据链路层上的有效负载加密和消息认证提供端到端和跳到跳安全措施。但是，安全措施对Application层是透明的。WirelessHART使用CCM * 2 模式与AES-128分组密码结合使用对称密钥进行消息验证和加密。
一组不同的安全密钥用于确保安全通信：新设备在尝试加入无线网络之前配置了加入密钥。Join键用于验证特定WirelessHART网络的设备。设备成功加入网络后，网络管理员将为其提供适当的会话和网络密钥，以便进一步通信。实际的密钥生成和管理由“工厂范围”的安全管理器处理，该管理器未由WirelessHART指定，但密钥由网络管理器分发到网络设备。网络层使用会话密钥来验证两个设备（例如，现场设备和网关）之间的端到端通信。不同的会话密钥用于每个成对通信（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以一跳为基础对消息进行身份验证。当设备尝试加入网络时使用众所周知的网络密钥，即在它收到适当的网络密钥之前。
根据过程自动化工厂的安全程序轮换钥匙。
2.2 ZigBee
ZigBee是一种用于家庭自动化，监控和控制的经济高效，低功耗和低功耗无线通信协议的规范。它旨在提供可扩展，自组织和安全的短距离无线网络，同时提供长达两年的电池寿命。尽管自2004年底以来一直存在，但ZigBee尚未证明其成功，至少在可靠性和安全性至关重要的工业领域。在本节中，我们将简要介绍ZigBee，为下一节中与WirelessHART的比较提供背景信息。
2.2.1基本功能
ZigBee是更高协议层的规范，建立在802.15.4规范中的物理（PHY）和媒体访问控制（MAC）层[3]，图1.支持网状网络拓扑，并通过ad-hoc按需距离矢量（AODV）算法实现路由。这意味着设备本身负责路由发现，并且可以进行对等通信。在ZigBee网络中，所有节点共享相同的信道，并且频率捷变性最小。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;全功能器件（FFD）和降低功能器件（RFD）。前者可以在网状网络中路由消息并充当网络协调器，而后者只能在星型网络设置中与一个FFD通信。
ZigBee可以在beaconed和non-beaconed模式下运行。在信标模式中，节点在某种程度上是同步的，并且超帧被分成16个时隙。帧中的时隙通常是基于竞争的，使用CSMA / CA3。可以选择使用多达七个作为特定节点的专用插槽来增加确定性，即所谓的保证时隙时间（GTS）。但是，对此的支持不是强制性的，使用此功能可能会破坏互操作性。
2.2.2安全
在2006版规范中，安全性不是强制性的。但是，存在对网络和应用层的认证，完整性和加密的支持。通过802.15.4提供的MAC层安全性在ZigBee标准中没有明确解决，其使用可能会破坏不同产品之间的互操作性。防止重放攻击使用顺序编号。ZigBee利用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。主密钥与WirelessHART中的连接密钥相当，是加入网络所必需的。链接密钥用于端到端加密，并且可以以更高的存储要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，因此提供较低级别的安全性，但具有降低设备中存储要求的益处。所有密钥都可以在工厂设置，或者通过无线方式或通过物理接口从信任中心（驻留在网络协调器中）发出。对于商业级应用，信任中心可以控制加入新设备并定期刷新网络密钥。
对照
虽然到目前为止ZigBee在市场上取得的成功非常有限，但将它与WirelessHART进行比较很有意思，因为前者在学术界和业界都是众所周知的。通过讨论ZigBee受到业界批评的弱点，我们可以通过研究它如何解决ZigBee的批评来分析WirelessHART的成功概率。
3.1 ZigBee
由于设备的任何问题都会导致工业用户的经济损失，因此可靠性是这些用户首要关注的问题。因此，诸如网络稳健性，可靠的消息传递，认证和完整性之类的参数对于工业用途都是重要的。此外，工业间谍活动的威胁推动了加密的要求，以隐藏可以向竞争对手揭示工厂生产的信息。
反对ZigBee的最大争议之一是缺乏工业级的稳健性。首先，没有频率分集，因为整个网络共享相同的静态信道，使其非常容易受到意外和预期的干扰。这也意味着由于植物中富含金属的传播环境导致的严重频率选择性衰落可能会阻止所有ZigBee通信。此外，静态信道还会增加对无线LAN等其他系统的干扰，并随着网络规模的增长和冲突强制重传而增加延迟。其次，没有路径多样性意味着在链路断开的情况下，必须建立从源到目的地的新路径。这会增加延迟和开销，并且路由发现最终将消耗具有不稳定路由的环境中的所有可用带宽。此外，缺乏稳健性也意味着ZigBee不太适合控制应用。
具有许多对等体的路由器的电池操作是不现实的，因为CSMA / CA迫使其在接收器的大部分帧上保持其接收器。
ZigBee的安全性在很大程度上可以设置为满足工业用户的要求，但必须注意使用支持必要安全机制的供应商的设备。
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