Inleiding tot het WirelessHART-protocol
WirelessHART-standaard
De WirelessHART-communicatiespecificatie werd in september 2008 officieel erkend door de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) en werd de internationale IEC-standaard voor industriële draadloze communicatie (IEC 62591). Deze specificatie voldoet aan de eisen van de procesindustrie op het gebied van betrouwbaarheid, storingsbestendigheid en beveiliging, netwerkflexibiliteit en compatibiliteit in realtime fabriekstoepassingen.
WirelessHART-netwerken ondersteunen een breed scala aan apparaten van talloze fabrikanten, en producten moeten worden ingedeeld in 5 verschillende producttypen:
Afbeelding 1. Typen draadloze HART-netwerkapparaten.
• Veldapparatuur: basisapparatuur die ter plaatse detectie- of uitvoeringsfuncties mogelijk maakt;
• Adapter: Aansluiten op bestaande HART-veldapparaten om draadloze communicatiemogelijkheden te bieden;
• Gateway: maakt communicatie mogelijk tussen hostapplicaties en apparaten die lid zijn van het draadloze netwerk;
• Netwerkbeheerder: verantwoordelijk voor de netwerkconfiguratie, het regelen van de communicatie tussen netwerkapparaten, het beheren van routeringstabellen en het bewaken en rapporteren van de status van het draadloze netwerk;
• Handheld apparaten: gebruikt voor het configureren, onderhouden of besturen van installaties.
Protocollaag
De WirelessHART-protocolstack volgt de architectuur van het OSI-protocolmodel met 7 lagen, waaronder de fysieke laag, de datalinklaag, de netwerklaag, de transportlaag en de applicatielaag.
Fysieke laag
De fysieke laag van WirelessHART is in principe gebaseerd op de IEEE 802.15.4-2006 2,4 GHz DSSS-standaard. Deze laag definieert RF-karakteristieken zoals signaalpatroon, signaalsterkte en apparaatgevoeligheid. WirelessHART werkt in de vrije ISM-frequentieband van 2400 ~ 2483,5 MHz en de gegevensoverdrachtssnelheid kan oplopen tot 250 kbit/s. Deze frequentieband is verdeeld in 16 kanalen, genummerd van 11 tot en met 26. De frequentieafstand tussen twee aangrenzende kanalen is 5 MHz.
Datalinklaag
Een opvallend kenmerk van de WirelessHART-standaard is de datalinklaag die gebaseerd is op tijdsynchronisatie. De communicatietijdslot van de WirelessHART-datalinklaag is strikt gedefinieerd op 10 ms, en TDMA-technologie wordt gebruikt om botsingsvermijding en deterministische communicatie te ondersteunen.
Netwerklaag en transportlaag
De netwerklaag en de transportlaag werken samen om veilige en betrouwbare communicatie voor netwerkapparaten te garanderen. Om de mesh-netwerkstructuur te ondersteunen, moet elk WirelessHART-apparaat gegevens doorsturen naar andere apparaten.
Applicatielaag
De applicatielaag is de bovenste laag van de WirelessHART-standaard en definieert diverse apparaatcommando's, reacties, gegevenstypen en statusrapporten. In de WirelessHART-standaard is de communicatie tussen apparaten en gateways gebaseerd op commando's en reacties. De applicatielaag is verantwoordelijk voor het parseren van de berichtinhoud, het extraheren van het commandonummer, het uitvoeren van het opgegeven commando en het genereren van een reactie.
Beveiligingsarchitectuur
Het WirelessHART-netwerk is een beveiligd netwerksysteem. Zowel de MAC-laag als de netwerklaag van WirelessHART bieden beveiligingsdiensten. De MAC-laag gebruikt een combinatie van Cyclic Redundancy Check (CRC) en Message Integrity Code (MIC) om de gegevensintegriteit tussen hops te waarborgen. Zowel de zender als de ontvanger gebruiken de CCM-modus en het AES-128-blokversleutelingsalgoritme om de MIC te genereren en te verifiëren. De netwerklaag gebruikt verschillende sleutels om end-to-end-versleuteling en gegevensintegriteit te garanderen. Het WirelessHART-beveiligingssysteem definieert vier sleutels:
• Als er geen netwerksleutel is, wordt de publieke sleutel gebruikt om de MAC-laag MIC te genereren.
• De netwerksleutel wordt gedeeld door alle netwerkapparaten en gebruikt door netwerkapparaten om MIC's te genereren op de MAC-laag.
• De netwerktoegangssleutel is uniek voor elk netwerkapparaat. Wanneer een apparaat zich bij het netwerk aansluit, gebruikt de netwerkbeheerder de netwerktoegangssleutel om het nieuwe apparaat te authenticeren dat netwerktoegang aanvraagt.
• Sessiesleutels worden aangemaakt door de netwerkbeheerder. Een sessiesleutel is uniek voor de end-to-end-verbinding tussen twee netwerkapparaten en wordt gebruikt voor end-to-end-encryptie en gegevensintegriteit. Sessiesleutels kunnen verder worden onderverdeeld in unicast-sleutels en broadcast-sleutels.
Draadloze HART-serie producten
De slimme draadloze producten van Microcyber maken gebruik van WirelessHART-technologie, die zich richt op procesautomatisering. Deze technologie kenmerkt zich door zelforganiserende netwerken, zelfherstellende eigenschappen, een laag energieverbruik en dataversleuteling, wat een betrouwbare werking en een flexibele en snelle installatie garandeert. Met onze draadloze modules, gateways, adapters, temperatuursensoren en andere producten kunnen we snel data verzamelen, processen bewaken, apparatuur bedienen, onderhouden en diagnosticeren in complexe industriële omgevingen. De slimme draadloze producten van Microcyber zijn uitgegroeid tot de favoriete draadloze communicatieoplossing voor industriële klanten in China. Ook internationaal gerenommeerde bedrijven werken met ons samen en onze producten worden veelvuldig gebruikt in de petrochemische industrie, de elektriciteitssector, de metallurgie, de machinebouw en andere sectoren.
Industrieel internettoegangspunt
Microcyber zet zich in voor onderzoek en ontwikkeling, productie, verkoop en geïntegreerde toepassing van industriële IoT-producten.
Microcyber is de eerste fieldbus-protocolstack in China en de derde ter wereld die internationale certificering heeft behaald, het eerste fieldbus-instrument in China dat internationale certificering heeft behaald, de eerste demonstratietoepassing van een netwerkbesturingssysteem in China en de eerste functie in China die internationale certificering heeft behaald, het eerste draadloze HART-product in China dat internationale certificering heeft behaald, enzovoort.
Microcyber is een van de belangrijkste uitvoerende eenheden van belangrijke nationale wetenschaps- en technologieprojecten op het gebied van het industriële internet der dingen en industriële automatisering. In de loop der jaren hebben we een aantal grote nationale wetenschaps- en technologieprojecten uitgevoerd, waaronder het Nationaal Plan voor Hightech Onderzoek en Ontwikkeling (Plan 863) en de ontwikkeling van intelligente productieapparatuur. Daarnaast hebben we speciale projecten en andere nationale wetenschaps- en technologieplannen uitgevoerd.
Microcyber heeft een rijke ervaring opgebouwd op het gebied van technische mogelijkheden, technische prestaties en technische reserves, en beschikt over een sterk R&D-team om de duurzame ontwikkeling van de producten van het bedrijf te waarborgen.
