Comparison of Wireless addressable remote Sensor and Zifeng Protocol in Industrial Application

summary

In this article, we give the reason why zigbee is not suitable for most industrial situations today. It also inspired us to develop a new wireless communication standard that is tailored to industrial demand: wireless HART. At the same time, we also briefly introduce the design features of wireless HART, which makes it more suitable for industrial applications and requirements.

1 introduction

HART is a digital protocol for two-way communication between host applications and intelligent field devices, which provides access to diagnosis, configuration and process data. Traditionally, HART specifies a physical layer that makes use of the advantages of frequency shift keying (FSK) on analog control signals (4-20ma). In version 7, HART also uses the wireless mesh network based on IEEE 802.15.4 as an option for the physical layer. This is often called wireless HART..

Through the participation of ABB as a member of the working group of the Standardization Committee, this paper summarizes the impression of ABB on the wireless HART part of the HART7 standard. ABB has also had extensive research on zigbee in the past. We prove that the defects in zigbee identified from the industrial point of view have been solved in wireless HART.

1.1 Industrial demand

ABB has a long history of developing wireless solutions for industrial applications. ABB has developed a frequency-hopping wireless interface for sensor and actuator (WISA) radio technology for factory automation, which was released in 2001. For process automation, ABB takes a different, longer approach and actively participates in various standardization work. In 2004 and 2005, zigbee was a hot spot in the industry, but ABB tests in the industrial environment show that it has some defects. Secure and reliable communication is required in industry, but static and multi-path fading is sometimes due to zigb Ee uses a static channel to block.

1.2 apply

The main use cases for wireless HART are: 1) the ability to process diagnostic data available in HART enabled devices installed in legacy systems that do not use the hart language. 2) status and performance monitoring of critical devices due to excessive wiring costs, It does not belong to the control loop.

1.3 Why use standards

The key problem in the automation industry is the lack of appropriate standards to meet the above requirements, as well as interoperability between different vendors. ABB, with its extensive experience in wireless industry applications, is already in areas such as ISA 100 (Instruments). Their knowledge was shared among institutions such as the Systems and Automation Association and the HCF (HART Communications Foundation to achieve the above goals.

2 Wireless standard

2.1 Wireless HART

The design of wireless HART is based on a basic set of psychological requirements: it must be simple (for example, easy to use and deploy), self-organizing and self-repairing, flexible (for example, supporting different applications), scalable (for example, Support for different applications), reliable, secure, support for existing HART technologies (such as HART commands, configuration tools, etc.)

Figure 1 shows that the architecture of wireless HART is based on the OSU layer. Wireless HART is based on the PHY layer specified by the IEEE 802.15.4 2006 standard, but also specifies new data links (including MAC), networks, transmission, and application layers).

As you can see, wireless HART and HART are compatible on the transport layer and the application layer.

2.1.1 basic characteristics

Wireless HART is a network based on time division multiple access (TDMA) (TDMA). All devices are time-synchronous and communicate in a predetermined fixed-length slot. TDMA minimizes collision and reduces power consumption of the device.

Wireless HART successfully coexists in 2.4GHZ ISM band: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) using a variety of mechanisms to allow wireless HART to skip the 16 channels defined in the IEEE802.15.4 standard to avoid interference. Clear channel evaluation (CCA) is an optional feature that can be executed before sending a message, the transmission power level is configurable, and a mechanism can be used to prohibit the use of certain channels, called blacklists. All of these features also ensure that wireless HART does not interfere Other coexisting wireless systems with real-time constraints.

All wireless HART devices must have routing capabilities, that is, there is no simplified functional device as in zigbee. Because all devices can be treated equally in terms of network capabilities. Therefore, because the wireless HART network is self-organized, the installation, formation and expansion of wireless HART network become very simple.

Wireless HART forms mesh topological networks (star networks can also be used, but star networks are not recommended), providing redundant paths that allow messages to bypass physical barriers, disconnected links, and interact to route. It provides two different mechanisms for message routing: graph routing and source routing. The graph route routes messages from the source device to the target device using a predetermined path. In order to make use of the redundant dominance of the pat

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

附录A 译文

无线可寻址远程传感器与紫蜂协议在工业应用中的比较

摘要

在本文中，我们提出来了为什么zigbee不适用于现在大多数的工业场合的理由。这也激发了我们去开发一种新的无线通信标准，这是为工业需求所量身定做的：无线HART。同时，我们还简要介绍了无线HART的设计特点，这使得它更加适用于工业应用和需求。

1 介绍

HART是一种用于主机应用和智能现场设备之间双向通信的数字协议，提供对诊断、配置和流程数据的访问。传统上，HART指定了一个物理层，该物理层利用了模拟控制信号（4-20ma）上的频移键控（FSK）优势。在version 7中，HART还将基于IEEE 802.15.4的无线网状网络作为物理层的一个选项。这通常被称为无线HART。

本文通过ABB作为标准化委员会工作小组成员的参与，总结了ABB对HART7标准中无线HART部分的印象。ABB过去对zigbee也有过广泛的研究，我们证明了从工业角度识别出的zigbee中的缺陷已经在无线HART中得到了解决。

1.1 工业需求

ABB为工业应用开发无线解决方案有着悠久的历史。ABB为工厂自动化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，更漫长的方法，积极参与各种标准化工作。在2004年和2005年，zigbee曾是业界的热点，但ABB在工业环境中进行的测试显示，它存在着一些缺陷。工业上要求安全可靠的通信，但是静态和多径衰落有时会因为zigbee使用一个静态通道而造成阻塞。

1.2 应用

无线HART的主要用例是：1）能够处理启用HART装置中可用的诊断数据，这些装置安装在不使用HART语言的遗留系统中。2）关键设备的状态和性能监控，由于布线成本过高，不属于控制回路。

1.3为什么使用标准

自动化行业中的关键问题是缺乏合适的标准来满足上述要求，以及不同供应商之间的互操作性。ABB凭借其在无线行业应用方面丰富的经验，已经在诸如ISA 100（仪器、系统和自动化协会）和HCF（HART通信基金会）等机构中分享了其知识，以实现上述目标。

2 无线标准

2.1 无线HART

无线HART的设计基于一组基本的心理需求：它必须简单（例如，易于使用和部署）、自组织和自修复、灵活（例如，支持不同的应用程序）、可伸缩（例如、支持不同的应用程序）、可靠、安全、支持现有的HART技术（如HART命令、配置工具等）

图一显示了无线HART的架构是基于OSU层设计的。无线HART基于IEEE 802.15.4 2006标准指定的PHY层，但是也指定了新的数据链路（包括MAC）、网络、传输和应用层。

可以看到，无线HART和HART在传输层和应用层上是兼容的。

2.1.1 基本特征

无线HART是一个基于时分多址（TDMA）的网络。所有的设备都是时间同步的，并在预定的固定长度的时隙中进行通信。TDMA最小化了碰撞，降低了设备的功耗。

无线HART使用多种机制成功共存于2.4GHZ ISM频段：Frequency Hopping Spread Spectrum(FHSS)允许无线HART跳过IEEE802.15.4标准中定义的16个信道，以避免干扰。清楚通道评估（CCA）是一个可选特性，可以在发送消息之前执行，传输功率级别是可配置的，并且可以使用一种机制来禁止使用某些通道，称为黑名单。所有这些特性还可以确保无线HART不会干扰具有实时约束的其他共存无线系统。

所有无线HART设备必须具有路由能力，即没有像zigbee中那样的简化功能设备。由于所有设备在网络能力方面都可以平等对待。因此，由于无线HART网络是自组织的，所以无线HART网络的安装、形成和扩展变得非常简单。

无线HART形成网状拓扑网络（也可以使用星形网络，但不推荐使用星形网络），提供冗余路径，允许消息绕过物理障碍、断开的链接和相互影响进行路由。为消息路由提供了两种不同的机制：图路由和源路由。图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。为了利用路径的冗余支配性，图路径由多条不同的路径组成。这是在无线HART网络中对消息进行上行和下行路由的首选方法。源路由使用专门为消息创建的路由，而不提供任何路径多样性。因此，源路由仅用于网络诊断，而不用于处理相关信息。

图2显示了组成无线HART网络的不同网络设备类型，无线HART网络中的大多数设备都是现场设备，其特征是连接到流程，例如传感器和执行器。

路由器设备没有连接到进程，即没有传感器或驱动器，而只有通信功能。路由器设备不是标准所要求的，但是在无线连接需要改进的情况下将是有用的。

适配器设备将有线HART设备连接到无线HART网络，例如，遗留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、监控和维护各类无线HART设备。手持设备可以是：1）连接到工厂自动化网络通过一个其他无线网络（例如WLAN，蓝牙）和与无线HART设备通过自动化主机。2）直接连接到无线HART网络作为无线HART设备，如图2所示。

网关设备连接无线HART网致力于工厂自动化系统。它为主机系统提供了对无线HART网络设备的访问，如果需要，还将提供在不同协议之间转换。

无线HART网络。它的职责是管理与无线网络相关的所有事物，如网络的形成、资源的调度、网络路径的配置、重构等。每个无线HART网络只能存在一个活动网络管理器，如果活动网络管理器失败，则有可能由备份管理器接管。

2.1.2 安全

无线HART的安全性是强制性的，没有办法完全关闭它。无线HART通过网络和数据链层的有效负载加密和消息身份验证，提供端到端和跳到跳的安全措施。但是，安全措施对应用层是透明的。无线HART使用CCM*2模式，结合使用对称密钥的AES128块密码，用于消息身份验证和加密。

使用一组不同的安全密钥来确保安全通信：在尝试连接无线网络之前，为新设备提供连接密钥。连接键用于对特定无线HART网络的设备进行身份验证。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。实际的密钥生成和人管理有工厂范围的安全管理器来处理，它不是由无线HART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实现两个设备（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对通信（例如，字段设备到网关，字段设备到网络管理层，等等）。数据链路层使用网络密钥在单跳的基础上对消息进行身份验证。当设备试图加入网络时，使用一个已知的网络密钥，即在它收到合适的网络密钥之前。钥匙是根据过程自动化工厂的安全程序旋转的。

2.2 Zigbee

ZigBee是一种低成本、低速率、低功耗的家庭自动化、监控无线通信协议的规范。它的目标是提供可伸缩、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。虽然ZigBee自2004年底就已经存在，但它还没有证明自己的成功，至少在工业试验领域，可靠性和安全性是最重要的。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无线HART进行比较提供了背景。

2.2.1基本特征

ZigBee是更高协议层的规范，建立在802.15.4规范中的物理层（PHY）和访问控制层（MAC）的基础上。支持网格网络拓扑结构，通过自组织按需距离向量（AODV）算法实现路由。这意味着设备本身负责路由发现，对等通信是可能的。在ZigBee网络中，所有节点共享相同的通道，且频率敏捷性极小。没有跳频，唯一的选择是在启动时扫描干扰最小的通道。ZigBee中有两类网络工作设备：全功能器件（FFD）和降功能器件（RFD）。前者可以在网状网络中路由消息并充当网络连机器，而后者在星形网络设置中只能有一个FFD通信。

ZigBee可以在信标模式和非信标模式下运行。在信标模式下，节点在一定程度上是同步的，超帧被划分为16个插槽。框架中的插槽通常是基于竞争的，使用CSMA/CA3，可以选择其中最多7个作为规定节点的专用插槽，以增加确定性，即所谓的保证插槽时间（GTS）。然而，对该特性的支持不是强制性的，使用该特性可能会破话互操作性。

2.2.2 安全

在2006年版本的规范中，安全性不是强制性的。但是，支持网络和应用层的身份验证、完整性和加密。在ZigBee标准中，802.15.4提供的MAC层安全性没有得到明确的解决，它的使用可能会破坏不同矢量产品之间的互操作性。重播攻击被防止使用顺序编号。ZigBee在802.15.4中使用了估算机制，计数器具有CBCMAC4和AES-128加密，但可以选择只使用加密或只使用完整性。使用三种密钥类型：主密钥、链路密钥和网络密钥。主密钥与无线HART中的连接密钥类似，是连接网络所必需的。链路密钥用于端到端加密，它将以更高的存储需求为代价提供最高级别的安全性。网络密钥是在所有的服务之间共享的，因此安全性较低，尽管这样做的好处是减少了服务中的存储需求。所有密钥可以在工厂中设置，也可以在信任中心分发。

3 比较

虽然到目前为止ZigBee在市场上取得的成功非常有限，但将其与无线HART进行比较很有意思，因为前者在学术界和业界都很有名。通过讨论ZigBee被业界批评的弱点，我们可以通过观察无线HART如何应对ZigBee的批评来分析其成功的可能性。

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，因此可靠性是这些用户最关心的问题。因此，网络鲁棒性，可靠的消息传递、认证和完整性等参数对于工业应用都很重要。此外，工业间谍活动的提高了对信息加密的要求，这种加密可以将工业生产的任何信息泄露给网络上访者。

反对ZigBee最响亮的论据之一是缺乏工业级的稳定性。首先，由于整个网络共享相同的静态通道，所以没有频率分集，这使得它非常容易受到预期和非预期干扰的影响。这也意味着，富含金属的传播环境所导致的严重频率选择性衰落，可能会导致ZigBee通信的全部中断。此外，静态通道还会

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[609527]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word