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无线HART和ZigBee在工业应用中的比较
摘 要
在这篇论文中，我们给出了为什么ZigBee没有被考虑的原因适用于大多数工业应用，这是开发一种新的适用于工业的无线通信标准需求:无线哈特。我们还做了简短的介绍让WirelessHART变得更加强大的设计特征适用于工业应用和要求。
1导言
HART是一种用于双向通信的数字协议在主机应用和智能现场仪器之间，提供对诊断、配置和过程数据[ 1 ]。传统上，HART规定了物理叠加使用频移键控( FSK )的层在模拟控制信号( 4-20 mA )上。截至版本7，HART还结合了基于IEEE 802.15.4的协议无线网状网络作为物理层的选项。这通常被称为WirelessHART。在这篇论文中，我们总结了ABB对以下方面的印象HART7标准的无线HART部分通过ABB作为工作组成员参加了标准化委员会。ABB也有丰富的经验过去的ZigBee，我们证明了这些缺陷在ZigBee中从工业的角度来看，已经在WirelessHART中讨论过了。
1.1工业要求
ABB在开发无线解决方案方面有着悠久的历史用于工业应用。工厂自动化ABB开发了跳频无线接口涉及传感器和执行器( WISA )无线电技术已经在2001年发布了。用于过程自动化ABB积极采取了一种不同的、更为冗长的方法参与各种标准化工作。在2004年和2005年ZigBee是业界的热门话题，但是ABB在工业环境中的测试显示，它已经一些缺陷[ 2 ]。该行业要求安全和可靠的通信，但静态和多径衰落有时由于ZigBee使用一个静态设备而被阻止信道。
1.2申请
WirelessHART的主要使用情形是: 1 )访问对于HART启用仪器中可用的诊断数据，它们安装在不说哈特。2 )条件和性能监控不属于控制回路的关键设备因为布线成本过高。
1.3为什么使用标准？
自动化行业中的主要问题是缺乏满足上述要求的适当标准需求，以及不同卖主。ABB凭借其丰富的无线接入经验工业应用分享了它在标准化方面的知识像ISA100 (仪器，系统，自动化协会)和HCF (HART通信)基础)来实现这一点。
2无线标准
2.1无线哈特
WirelessHART是基于一套基本原理设计的要求:它必须简单(例如，容易使用和部署)，自组织和自修复，灵活(例如，支持不同的应用)、可伸缩的(即，适合小型和大型工厂)，可靠、安全和支持现有HART技术(例如HART命令、配置成形工具等)。图1显示了WirelessHART的体系结构基于OSI层设计。WirelessHART是基于IEEE 802.15.4中指定的PHY层-2006标准[ 3 ] 1，但指定新的数据链接(包括MAC )、网络层、传输层和应用层。
注意，还可以看到WirelessHART和HART在运输和应用中是兼容的层。
2 .1 .1基本特征
WirelessHART是一种时分多址技术基于TDMA的网络。所有设备都是时间同步的并且以预定的固定长度通信时隙。TDMA最大限度地减少了冲突，减少了设备的功耗。
WirelessHART使用几种机制来成功共存于共享的2.4千兆赫ISM频段:频率跳频扩频( FHSS )允许无线通信跨越中定义的16个通道IEEE802.15.4标准，以避免干扰。清除渠道评估( CCA )是一项可选功能可以在发送消息之前执行的发射功率电平是可配置的，且一种机制禁止使用某些被称为黑名单的频道，可用。所有这些特性也确保了WirelessHART不会干扰其他共存的无线设备具有实时约束的系统。所有无线HART设备必须具有路由能力，即，不存在像ZigBee中那样的功能降低的设备。因为所有设备都可以在以下方面得到同等对待联网能力、安装、形成和扩展无线哈特网络变得简单网络是自组织的。WirelessHART形成网状拓扑网络(星形网络也是可能的，但不推荐)，提供允许消息被绕过物理障碍、断开的链路和干扰。为消息提供了两种不同的机制路由:图形路由和源路由。图表路由使用预先确定的路径来路由消息目的地设备的源。为了利用路径冗余，图路由由几条不同的路径组成在源设备和目标设备之间。这是上行和下行路由消息的首选方式在无线哈特网络中。源路由使用临时为消息创建路由，但不提供任何路径多样性。因此，源路由仅用于
对于网络诊断，不处理相关消息。
图2显示了不同的网络设备类型包括无线HART网络:无线HART网络中的大多数设备都是现场设备，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进程，即，缺少传感器或致动器，而是仅具有通信功能。路由器设备不是必需的标准，但是在无线的情况下会很有用连通性需要改善。适配器设备将有线HART设备连接到无线HART网络，例如，传统HART或非无线HART设备。一个适配器设备可以提供无线如图所示，多个有线设备的网络接入在图2中。手持设备用于安装、配置，监控和维护各种无线通讯设备
设备。手持设备可以是: 1 )通过另一个连接到工厂自动化网络无线网络(例如WLAN、蓝牙等)，以及通过工厂自动化与WirelessHART设备通话主机，2 )直接连接到WirelessHART
网络作为无线HART设备，如图2所示。网关设备连接无线HART网络到工厂自动化系统(主机)。它提供可以访问无线HART网络的主机系统设备，如果需要，将在不同的协议。
网络管理器是无线哈特网络。它的责任是管理一切与无线网络相关，例如形成网络、调度资源、网络路径配置和重新配置等。只有一个活动网络管理器可以存在于每个WirelessHART网络中，具有如果活动的失败。
2 . 1 . 2安保
在WirelessHART中，安全性是强制性的；没有选择把它完全关掉。WirelessHART提供端到端和跳对跳安全措施通过上的有效负载加密和消息验证网络和数据链路层。然而，安全测量对应用层是透明的。无线哈特将CCM* 2模式与AES结合使用-128分组密码使用对称密钥，用于消息认证和加密。一组不同的安全密钥用于确保安全通信:新设备配备有在尝试加入无线网络之前加入密钥。Join密钥用于验证特定设备的身份无线哈特网络。一旦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，以便进一步交流。实际的密钥生成和管理由“全厂”安全经理处理，这不是WirelessHART指定的，但是密钥是由网络管理器分发给网络设备。网络层使用会话密钥进行身份验证两个设备之间的端到端通信(例如，现场设备和网关)。不同的会话密钥用于每个成对通信(例如，现场设备到网关、现场设备到网络经理等)。数据链路层使用网络密钥来基于一跳对消息进行身份验证。众所周知的当设备试图加入时，使用网络密钥网络，即它在收到正确的网络之前钥匙。根据的安全程序旋转密钥过程自动化工厂。
2.2 ZigBee
ZigBee是一种低成本、低速率的规范和低功率无线通信协议，用于家庭自动化、监控和控制。它旨在提供可扩展的短程无线网络，自组织和安全，同时延长电池寿命到两年。尽管自2004年末就已经存在，ZigBee尚未证明其成功，至少在工业领域是如此可靠性和安全性最高的领域重要的。在本节中，我们将简要介绍技术到ZigBee，为我们提供背景与下一节中的WirelessHART进行比较。
2 . 2 . 1基本特征
ZigBee是高级协议层的规范，并且基于物理( PHY )和介质访问控制( MAC ) 802 . 15 . 4规范[ 3 ]中的图层，图1 .支持网状网络拓扑和路由通过自组织按需距离矢量实现( AODV )算法。这意味着它是设备负责路由发现的自身，以及对等通信是可能的。在ZigBee网络中，所有节点共享相同的信道和频率敏捷性是最小的。没有跳频，而且唯一的选择是扫描数量最少的频道启动时的干扰。有两类网络ZigBee中的设备；全功能设备( FFD )和功能降低的设备( RFD )。前者可以路由网状网络中的消息并充当网络协调器，而后者只能与其中一个通信星形网络设置中的FFD。ZigBee可以在信标和非信标中运行模式。在信标模式下，节点为在某种程度上同步，超帧被分割进入16个插槽。框架中的槽通常基于竞争，使用CSMA/CA3。有一个选择将其中多达七个用作特定的专用插槽节点增加确定性，即所谓的保证时隙时间。然而，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安保
在2006年版本的规范中，安全性不是强制性的。但是，支持身份验证、完整性网络层和应用层的加密是出席。MAC层安全性可通过802 . 15 . 4获得ZigBee标准中没有明确提及，并且它的使用可能会破坏不同供应商之间的互操作性产品。重放攻击受到保护，不被使用
顺序编号。ZigBee利用了安全性802 . 15 . 4中的机制；带CBC-MAC4的计数器( CCM )采用AES-128加密，但可选择使用仅加密或仅完整性。三种主要类型使用:主密钥、链接密钥和网络密钥。主人密钥与WirelessHART中的连接密钥相当并且是加入网络所必需的。使用链接键用于端到端加密，并由此提供以更高的存储需求为代价的最高安全级别。
网络密钥在所有设备之间共享，因此呈现较低的安全级别从而降低了设备中的存储需求。所有钥匙都可以在工厂设置，也可以分发从信任中心(驻留在网络协调器中)，或者通过空中，或者通过物理接口..为商业级应用，信任中心可以控制加入新设备并定期更新网络钥匙。
3比较
尽管ZigBee在2010年取得的成功非常有限迄今为止的市场，将其与WirelessHART相比较很有趣，因为前者在这两方面都是众所周知的学术界和工业界。通过讨论弱点ZigBee受到了业界的批评，我们可以通过以下方式分析WirelessHART的成功概率看看它是如何回应对ZigBee的批评的。
3.1 ZigBee
因为设备的任何问题都转化为对于工业用户的经济损失，可靠性是首要的关注这些用户。因此，参数如网络健壮性、可靠的消息传递、身份验证和完整性对于工业用途都很重要。此外，工业间谍的威胁推进了对加密的要求，以隐藏可能向竞争对手透露工厂生产的任何情况。
反对ZigBee的最激烈的争论之一是工业级鲁棒性的缺乏。首先，有没有频率分集，因为整个网络共享相同的静态通道，使得它对两者都非常敏感无意和有意的干扰。这也意味着由于富含金属，严重的频率选择性衰落植物中的繁殖环境可能会阻止所有的繁殖ZigBee通信。此外，静态通道将也增加了对无线局域网等其他系统的干扰，并且随着网络规模的增长而增加延迟冲突迫使重传。第二，没有路径多样性意味着在链路断开的情况下必须设置从源到目标的新路径。这增加延迟和开销，以及路由发现最终将消耗环境中所有可用的带宽路线不稳定。此外，缺乏鲁棒性也意味着ZigBee不太适合控制应用程序。具有许多对等体的路由器的电池操作不是现实的，因为CSMA/CA强迫它保留它的接收器在框架的很大一部分上。ZigBee中的安全性在很大程度上可以被设置为满足工业用户的要求，尽管小心必须使用供应商提供的设备必要的安全机制。
3.2无线哈特
WirelessHART解决了一些主要问题由业界向ZigBee发起。它是从开始成为一个健壮和安全的通信协议；从而实现许多特征它。跳频和重传限制了效果时间和频率干扰(重传将在不同的频率上发生)。这也是限制WirelessHART对其他网络的干扰。具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效果断开的链接。WirelessHART的鲁棒性打开了无线控制的可能性，至少对于缓慢和非关键的过程。时分多址和预先调度的时隙防止消息冲突允许设备增加节能，因为设备只需要在需要的时间内保持收音机开着时隙。TDMA成本是时间同步是必需的；但是，在WirelessHART中，时间信息不需要额外的网络流量，因为它是嵌入式的在自动化过程中相关的流量。WirelessHART是一种安全协议，提供了几种保护层。所有流量都得到保护；有效载荷加密，所有消息都经过身份验证单跳基础以及端到端。WirelessHART要求所有设备都有秘密加入密钥以及网络id，以便加入网络。
4摘要
在这篇论文中，我们展示了WirelessHART，一个最近发布的工业无线网络标准，并进行比较它适用于工业应用领域中的ZigBee。比较显示WirelessHART地址ZigBee的许多缺点受到了批评因此在工业上有成功的潜力应用程序。
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资料编号：[450508]，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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坚固性 |
低 |
高 |
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共存性 |
低 |
高 |
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能量消耗 |
高 |
低 |
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安全性 |
高 |
高 |
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