WirelessHART — это беспроводное расширение протокола HART, стандартизированное как IEC 62591. Оно было представлено организацией HART Communication Foundation (ныне входящей в состав FieldComm Group) в сентябре 2007 года и ратифицировано МЭК; действующая редакция опубликована как IEC 62591:2016. Стандарт ориентирован на технологические отрасли, которым требуется надёжная беспроводная полевая связь, — нефтеперерабатывающие и химические заводы, электроэнергетику, металлургию, — там, где прокладка нового кабеля слишком затратна, сопряжена с остановкой процессов или попросту невозможна.
Сеть WirelessHART поддерживает устройства разных производителей, которые делятся на пять категорий: полевые устройства, ручные коммуникаторы, адаптеры, шлюзы и точки доступа. Менеджер сети и менеджер безопасности представляют собой программные функции, управляющие сетью; как правило, они работают на шлюзе, а не на отдельном оборудовании.
Стек протокола
WirelessHART следует эталонной модели OSI и состоит из пяти уровней: физического, канального, сетевого, транспортного и прикладного. Прикладной уровень полностью совместим с проводным HART, поэтому существующие команды HART, описания устройств (DD) и инструменты конфигурации продолжают работать поверх беспроводной сети.
Физический уровень
Физический уровень основан на стандарте IEEE 802.15.4-2006 и работает в диапазоне ISM 2,4 ГГц (2400–2483,5 МГц) с использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS). Базовая скорость передачи данных составляет 250 кбит/с. Диапазон разделён на 16 каналов, пронумерованных с 11 по 26, с интервалом 5 МГц между соседними каналами.
Канальный уровень
Именно здесь WirelessHART сильнее всего отличается от обычной сети 802.15.4. Канальный уровень использует TDMA (множественный доступ с временным разделением) со строго заданным временным слотом длительностью 10 мс. Каждая передача планируется заранее, что исключает коллизии и делает задержку детерминированной — это жёсткое требование для управления технологическими процессами.
Канальный уровень также реализует частотные перескоки (channel hopping). Каждая передача может использовать другой канал из разрешённого списка, что снижает помехи от сосуществующего трафика 2,4 ГГц, такого как Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee.
Сетевой и транспортный уровни
Совместно они отвечают за маршрутизацию, сквозную надёжность и управление сеансами в ячеистой сети. Каждое устройство WirelessHART обязано пересылать пакеты для других устройств, поэтому сеть самоорганизуется в ячеистую (mesh) топологию и самовосстанавливается при выходе узлов из строя или ухудшении связей. Менеджер сети назначает маршруты, планирует временные слоты и отслеживает состояние сети.
Прикладной уровень
Основан на командах и идентичен проводному HART. Хост-приложение, уже работающее с HART, может взаимодействовать с беспроводными полевыми устройствами без изменения логики команд — это главная причина, по которой WirelessHART получил распространение на действующих (brownfield) предприятиях.
Модель безопасности
Безопасность встроена в канальный и сетевой уровни. Это не опциональное дополнение.
MAC-уровень использует CRC для обнаружения ошибок, а также код целостности сообщения (MIC) для обеспечения целостности на каждом переходе. MIC вычисляется с помощью AES-128 в режиме CCM (Counter with CBC-MAC). Сетевой уровень добавляет сквозное шифрование и контроль целостности, также на основе AES-128.
WirelessHART определяет четыре типа ключей:
- Открытый ключ (Public key) — используется для формирования MIC на MAC-уровне, когда устройство ещё не располагает сетевым ключом (например, при прослушивании объявлений о присоединении к сети).
- Сетевой ключ (Network key) — общий для всех устройств сети, используется для MIC на MAC-уровне при штатной работе.
- Ключ присоединения (Join key) — уникален для каждого устройства. Менеджер сети использует его для аутентификации нового устройства при запросе на вход в сеть.
- Сеансовый ключ (Session key) — создаётся менеджером сети для каждого сквозного соединения между двумя устройствами, применяется для шифрования и контроля целостности полезной нагрузки. Сеансовые ключи дополнительно делятся на одноадресные (unicast) и широковещательные (broadcast) варианты.
Ключ присоединения предоставляется вне основного канала (out of band) — обычно с помощью ручного коммуникатора HART или инструмента ввода в эксплуатацию — до подачи питания на устройство на объекте. После присоединения устройство получает сетевой и сеансовые ключи по радиоканалу в зашифрованном с помощью ключа присоединения виде.
Место WirelessHART на реальном предприятии
На предприятии с уже установленным оборудованием HART замена проводных приборов ради добавления беспроводного покрытия редко оправдана. Беспроводной адаптер — например, Microcyber A1110, совместимый с HART 7.6 — позволяет проводному HART-передатчику войти в сеть WirelessHART без демонтажа исходного прибора. Адаптер подключается к токовой петле 4–20 мА или работает от собственной батареи, после чего хост видит те же данные HART через ячеистую сеть.
Для новых точек измерения, где прокладка кабеля обходится дорого, беспроводной датчик температуры, такой как NCS-TT105W, передаёт технологические переменные на шлюз с настраиваемым периодом обновления.
Для OEM-производителей, разрабатывающих собственные приборы WirelessHART, встраиваемый модуль M1100S интегрирует полный стек протокола и предоставляет последовательный интерфейс для хост-микроконтроллера. Это избавляет от необходимости самостоятельно разрабатывать радиопрошивку, планировщик TDMA и стек безопасности.
На стороне хоста шлюз WirelessHART G1100 управляет формированием сети и присоединением устройств, выполняет функции менеджера сети и предоставляет полевые данные системам управления через Modbus TCP, Modbus RTU, OPC или HART-IP.