Thiết kế và mô phỏng hệ thống đo lường điều khiển sử dụng wirelesshart IEC 62591 IEE 802154

: opology điển hình của một mạng WirelessHART [3] Các loại thiết bị logic và vật lý sau hoạt động trong mạng [11]:  Quản lý Mạng Network Manager duy nhất cho mỗi mạng, thiết lập mạng,

- CAO NGỌC KHÁNH

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG WIRELESSHART

IEC IEEE 802.15.4)

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS BÙI ĐĂNG THẢNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp “Thiết kế và mô phỏng hệ thống đo lường

điều khiển sử dụng ir l ss 6 5 IEEE 802.15.4)” do tôi tự thiết kế

dưới sự hướng dẫn của PGS TS Bùi Đăng Thảnh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018

Học viên cao học

Cao Ngọc Khánh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS TS Bùi Đăng Thảnh, thầy đã

có nhiều hướng dẫn và xét đánh giá đối với luận văn này, để luận văn được hoàn thành với chất lượng khoa học và tiến độ

Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Pouria Zand đã cho phép tôi sử dụng bộ thư viện WirelessHART trên NS-2, cảm ơn chuyên gia Knud Larsen tại diễn đàn LinuxQuestion và các chuyên gia về WirelessHART của Emerson đã giải đáp cho tôi các thắc mắc trong suốt quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, tôi cảm ơn gia đình, đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi được tập trung nghiên cứu trong gần 1 năm qua

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ WIRELESSHART 11

1.1 Giới thiệu chung 11

1.2 Kiến trúc hệ thống mạng WirelessHART 13

1.2.1 Công nghệ WirelessHART 13

1.2.2 Kiến trúc mạng WirelessHART 15

1.2.3 Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển có sử dụng WirelessHART 23

1.3 Truyền thông trong mạng WirelessHART 24

1.3.1 Lớp Vật lý 25

1.3.2 Lớp Liên kết dữ liệu 28

1.3.3 Lớp Mạng 33

1.3.4 Lớp Vận tải 36

1.3.5 Lớp Ứng dụng 37

1.4 Bảo mật trong mạng WirelessHART 39

1.4.1 Thuật toán CCM* 39

1.4.2 Các loại khóa mạng 39

1.4.3 Bảo vệ dữ liệu 41

1.4.4 Bảo vệ mạng 42

1.5 Các công nghệ không dây khác 42

1.5.1 Zigbee 43

1.5.2 ISA 100.11a 44

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG WIRELESSHART 48

2.1 Thiết bị và giải pháp công nghệ 48

2.1.1 Emerson Wireless 1420 Gateway 49

2.1.2 Emerson Wireless 775 THUM Adapter 50

2.1.3 Rosemount 3051S Wireless In-Line Pressure Transmitter 51

2.1.4 Rosemount 648 Wireless Temperature Transmitter 52

2.1.5 Fisher 4320 Wireless Position Monitor 52

2.2 Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển sử dụng WirelessHART 55

2.2.1 Dự án sử dụng công nghệ WirelessHART 56

2.2.2 Cách tiếp cận mạng có dây truyền thống 56

2.2.3 Cách tiếp cận WirelessHART 57

2.2.4 Lựa chọn công nghệ WirelessHART 58

2.2.5 Triển khai thực hiện 63

2.2.6 Xác lập bảo mật 71

2.2.7 Lắp đặt thiết bị 73

2.2.8 Cài đặt mạng 75

2.2.9 Quy trình kiểm tra các kết nối không dây 75

2.2.10 Quy trình kiểm tra toàn bộ mạng không dây 77

2.2.11 Phần mềm AMS SNAP-ON 78

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TRUYỀN THÔNG MẠNG WIRELESSHART BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NS-2 80

3.1 Các công cụ mô phỏng WirelessHART 80

3.1.1 NS-2 80

3.1.3 TrueTime 82

3.2 Netwok Simulator 2 83

3.2.1 Kiến trúc chương trình NS-2 83

3.2.2 Ngôn ngữ C++ và OTcl 85

3.3 Mô phỏng mạng WirelessHART cỡ nhỏ 85

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 97

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MIC Message Integrity Code

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.1: Quá trình phát triển của giao thức truyền thông HART 11

Hình 1.1.2: Logo nhận diện của giao thức WirelessHART 12

Hình 1.2.1: Topology điển hình của một mạng WirelessHART 16

Hình 1.2.2: Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển sử dụng kết hợp HART có dây và WirelessHART 24

Hình 1.4.1: Bảo mật trong mạng WirelessHART 40

Hình 1.5.1: Đánh giá ứng dụng các công nghệ không dây 44

Hình 1.5.2: Topology mạng ISA 100.11a 45

Hình 1.5.3: Gateway và Thiết bị Trường ISA 100.11a của hãng Yokogawa 47

Hình 2.1.1 Bộ thiết bị và phần mềm WirelessHART của hãng Emerson 48

Hình 2.1.2: Sản phẩm Emerson Wireless 1420 Gateway 50

Hình 2.1.3: Emerson Wireless 775 THUM Adapter 51

Hình 2.1.4: Rosemount 3051S Wireless In-Line Pressure Transmitter 51

Hình 2.1.5: Rosemount 648 Wireless Temperature Transmitter 52

Hình 2.1.6: Fisher 4320 Wireless Position Monitor 53

Hình 2.2.1: Chu trình một dự án thông thường 56

Hình 2.2.2: Đánh giá mức ứng dụng của các công nghệ không dây 59

Hình 2.2.3: So sánh chi phí của dự án công nghệ có dây và không dây 61

Hình 2.2.4: Sơ đồ P&ID cho vòng lặp kín bằng HART có dây, Foudation Fieldbus và WirelessHART 62

Hình 2.2.6: Chương trình ước tính số nút cho một Gateway của hãng Emerson 67

Hình 2.2.7: Chương trình quản lý redundancy cho Gateway 68

Hình 2.2.8: Xác lập bảo mật trên Gateway 72

Hình 2.2.9: Ví dụ lắp đặt Gateway trong Control Room 74

Hình 2.2.10: Chương trình quản lý thiết bị và đánh giá độ ổn định 78

Hình 2.2.11: Chương trình ASM Snap-ON 79

Hình 3.2.1: Kiến trúc cơ bản của chương trình NS-2 84

Hình 3.2.2: Cấu trúc ngôn ngữ lập trình của NS-2 85

Hình 3.3.1: Các file thư viện WirelessHART 86

Hình 3.3.2: Chương trình mô phỏng hoạt họa nam 89

Hình 3.3.3: Lưu đồ kịch bản mô phỏng truyền thông 90

Hình 3.3.4: Năng lượng còn lại các nút sau khi kết thúc mô phỏng 91

Hình 3.3.5: Biểu đồ năng lượng còn lại của các nút bằng xgraph 92

Hình 3.3.6: Tổng số packet đã truyền và nhận trong quá trình mô phỏng 92

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.3.1: Protocol Stack của giao thức WirelessHART 25

Bảng 1.5.1: So sánh tổng hợp các công nghệ không dây 43

Bảng 2.1.1: Tổng hợp thiết bị của ABB, Emerson và Siemens 55

Bảng 2.1.2: Danh sách thiết bị trong hệ thống đo lường điều khiển 55

Bảng 2.2.2: Lựa chọn giao thức phù hợp 60

Bảng 2.2.3: Lựa chọn các loại tín hiệu với giao thức phù hợp 60

Bảng 3.1.1: Bảng tổng hợp các chương trình mô phỏng 83

Bảng 3.3.1: Danh sách các cặp sensor – actuator 87

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ WIRELESSHART 1.1 Giới thiệu chung

Giao thức truyền thông HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một giao thức lai tương tự-số trong tự động hóa công nghiệp ra đời vào giữa thập niên

1980 Đến nay, HART vẫn là giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến nhất trên thế giới

Phiên bản HART 7.0 được HART Communication Foundation (HFC) giới thiệu vào năm 2007 với nhiều tính năng mới, cải thiện hiệu suất, giúp chẩn đoán nâng cao

và có khả năng bảo trì tốt hơn Phiên bản HART 7.0 cũng thêm các tính năng tối ưu hóa cho mạng không dây như:

• bao gồm mạng lưới dây và không dây,

• thêm đồng bộ thời gian,

Giao thức Wireless HART sử dụng kiến trúc lưới tự động đồng bộ hóa, tự tổ chức

và tự phục hồi Giao thức này hỗ trợ hoạt động trên băng tần 2.4 GHz ISM, sử dụng tiêu chuẩn radio IEEE 802.15.4 [7] Vào tháng 4 năm 2010, WirelessHART đã được Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) thông qua, đưa ra tiêu chuẩn quốc tế không dây đầu tiên IEC 62591

Giống như giao thức HART có dây, giao thức WirelessHART nhắm mục tiêu đến các cảm biến và cơ cấu chấp hành cố định Các hãng đã có sản phẩm sử dụng công nghệ WirelessHART phải kể đến ABB, Emerson, Siemens, Pepperl+Fuchs và Endress+Hauser

Hình 1.1.2: Logo nhận diện của giao thức WirelessHART

Trên xu thế đó, việc ứng dụng công nghệ WirelessHART chỉ còn là vấn đề thời gian Học viên đã lựa chọn đề tài này như một báo cáo tiền khả thi với việc ứng dụng công nghệ không dây vào hệ thống đo lường điều khiển trong các nhà máy tự động hóa quá trình tại Việt Nam

Các nghiên cứu trên thế giới bắt đầu vào khoảng 2008 Đầu tiên, nhóm tác giả Song Han tập trung phát triển thuật toán định tuyến Tiếp đến là các tính toán phân tích đối với vòng lặp kín Ngoài ra, các tác giả tiến hành thực nghiệm với testbeb bằng một số lượng nhỏ thiết bị và lần lượt mô phỏng bằng các loại phần mềm mô phỏng mạng khác nhau và tính toán tổng số gói tin trong suốt quá trình truyền nhận

Mục đích nghiên cứu của luận văn là phát triển hệ thống lý thuyết bổ sung cho việc giảng dạy mạng truyền thông công nghiệp trong các trường đại học và cao đẳng ở Việt Nam Trong đó phân tích ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng cụ thể bằng việc xem xét phương pháp thiết kế đối với mạng WirelessHART trong hệ thống

mô phỏng truyền thông bằng phần mềm chuyên dụng NS-2 Phần mô phỏng có thêm việc tính toán năng lượng của mỗi nút sau khi kết thúc quá trình giả lập

Phương pháp nghiên cứu sử dụng chương trình mô phỏng, cài đặt các thông số bám sát thực tế để đảm bảo kết quả đáng tin cậy

1.2 Kiến trúc hệ thống mạng WirelessHART

1.2.1 Công nghệ WirelessHART

Công nghệ WirelessHART dựa trên giao thức WirelessHART, được đánh giá là đơn giản, đáng tin cậy và bảo mật

1.2.1.1 Công nghệ WirelessHART đơn giản

Chuẩn WirelessHART là một công nghệ mạnh nhưng thực hiện đơn giản Nó cung cấp cùng một trải nghiệm an toàn, dễ dàng, đáng tin cậy mà người dùng đã biết qua các sản phẩm liên quan đến HART bằng cách duy trì tính tương thích với thiết bị, công cụ và hệ thống HART hiện có Điều này cho phép người dùng HART nhanh chóng và dễ dàng nhận ra được lợi ích của công nghệ không dây

Sự dễ dàng đó có được đến một phần từ các tính năng của mạng lưới Một lưới WirelessHART là một mạng lưới tự thích nghi, có thể tự tổ chức và tự hàn gắn lại

Nó sẽ tự động điều chỉnh để thay đổi cơ sở theo hạ tầng của nhà máy, ví dụ như khi một thiết bị đo mới được thêm vào mạng

Sự đơn giản này cũng xuất phát nhờ tính chất không dây Giảm lượng đi dây và chi phí vật liệu đáng kể sẽ dẫn đến việc lắp đặt và vận hành dễ dàng hơn, do đó giảm được chi phí nhân công Không cần dây nên mạng có thể dễ dàng mở rộng đến các vùng xa

Khả năng tương thích với tiêu chuẩn HART có dây làm cho việc triển các khai thiết

bị có dây và các thiết bị không dây cùng nhau, và cho phép các hệ thống WirelessHART được tích hợp trực tiếp với các Ứng dụng Máy chủ, hệ thống điều

khiển phân tán (Distributed Control System) hoặc các ứng dụng quản lý tài sản (Asset Management Applications)

Giảm chi phí thiết kế và thời gian dự án dẫn đến các lợi ích vận hành tốt hơn Truy cập các phép đo bổ sung thông qua lưới WirelessHART rất nhanh và dễ dàng, giúp loại bỏ việc thu thập dữ liệu thủ công, mở rộng khả năng hiển thị đến từ nhà máy ở

xa như các bể chứa, các cụm thiết bị tiện ích, vv Có quyền truy cập vào các phép

đo bổ sung và chẩn đoán cho phép người dùng xử lý sự cố vòng lặp, sắp xếp hợp lý các quy trình bảo trì, và khắc phục ngăn ngừa tốt hơn trên một khu vực làm việc rộng lớn Công nghệ không dây cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ việc tuân thủ quy định chẳng hạn như giám sát sự tuân thủ về sức khoẻ, an toàn và tuân thủ môi trường

Ngoài ra, không dây cũng đem lại những ích lợi khác Việc loại bỏ dây dẫn làm cho

nó có thể gắn vào các cấu tạo trên các thiết bị di chuyển như tàu cao tốc và thiết bị quay cố định thiết bị như lò nung quay và có những thiết bị đó giao tiếp với các thiết bị chủ giống như các thiết bị truyền thống Không dây cũng rất thuận tiện khi thiết lập cấu hình tạm thời cho các quá trình nghiên cứu

1.2.1.2 Công nghệ WirelessHART đáng tin cậy

Chuẩn WirelessHART bao gồm một số tính năng cung cấp truyền thông đáng tin cậy trong tất cả các môi trường công nghiệp, mà thông thường không thân thiện với truyền thông không dây Các cơ sở công nghiệp thường có cơ sở hạ tầng dày đặc kim loại cản trở truyền dẫn không dây Ở đó, có những chuyển động thường xuyên của thiết bị lớn và điều kiện môi trường thay đổi liên tục Nhiều nguồn tần số vô tuyến và nhiễu điện từ có thể gây ra những thách thức cho việc truyền thông Vì vậy, tiêu chuẩn WirelessHART sử dụng cả kỹ thuật trải phổ rộng và kỹ thuật trải phổ nhảy tần số giữa các kênh vật lý khác nhau

Mạng WirelessHART là một mạng lưới dự phòng tự phục hồi, tự sửa chữa chính

nhiên trên các kênh khác nhau Trong suốt vòng đời của lưới, nó liên tục thích ứng với những thay đổi trong môi trường Việc thích nghi này làm cho báo cáo sức khoẻ

và thông tin chẩn đoán được truyền đi liên tục bởi tất cả các thiết bị trong mạng Một lưới WirelessHART cũng bao gồm nhiều kỹ thuật để cùng tồn tại tốt với các các mạng WirlessHART khác hay các loại mạng không dây khác Nó sử dụng các bài kiểm tra đánh giá kênh rõ ràng trên kênh được nhắm mục tiêu trước khi truyền thực tế Những kênh nhiễu hằng số hoặc bị chiếm dụng có thể bị liệt vào danh sách đen không sử dụng Việc truyền dẫn được đồng bộ hóa cao, cả cung cấp nhắn tin đúng thời gian và tối ưu hóa thời gian băng thông và sóng vô tuyến

1.2.1.3 Công nghệ WirelessHART được bảo mật

Chuẩn WirelessHART sử dụng các biện pháp bảo mật mạnh mẽ để bảo vệ mạng và bảo mật dữ liệu mọi lúc Những biện pháp này bao gồm những công nghệ bảo mật mới nhất để cung cấp mức độ bảo vệ cao nhất hiện có Nó sử dụng thuật toán mã hóa công nghiệp AES 128-bit tiêu chuẩn ở nhiều lớp

Khóa mạng bí mật được sử dụng tại lớp liên kết dữ liệu để xác thực mỗi lần truyền

dữ liệu Tại lớp mạng, mỗi phiên có một chìa khóa khác để mã hóa và xác thực giao tiếp per-to-per Khóa tham gia khác được sử dụng cho mỗi thiết bị để mã hóa và xác thực trong quá trình tham gia thiết bị Ngoài ra, Quản lý Mạng định kỳ thay đổi tất

cả các khóa trong suốt cuộc đời của mạng

Ngoài ra, chuẩn WirelessHART cũng sử dụng một số kỹ thuật để bảo vệ lưới chính

nó Nó sử dụng nhảy kênh ở mức độ khe thời gian; Thực tế kênh truyền vật lý được chọn tại điểm truyền Năng lượng truyền thiết bị được kiểm soát bởi Quản lý Mạng Công suất cao có thể được sử dụng trong môi trường nhiễu, trong khi công suất thấp

có thể được sử dụng khi vùng lắp đặt vật lý của mạng được rất nhỏ Công suất thấp

cũng khiến cho kẻ xâm nhập khó khăn hơn để phát hiện giao thông truyền thông

1.2.2 Kiến trúc mạng WirelessHART

Giao thức WirelessHART đã được thiết kế để thực hiện một lưới hệ thống thông tin truyền thông của các cảm biến và thiết bị truyền động Kiến trúc điển hình của một mạng WirelessHART được minh họa như trong hình 1.2.1 dưới

ình : opology điển hình của một mạng WirelessHART [3]

Các loại thiết bị (logic và vật lý) sau hoạt động trong mạng [11]:

 Quản lý Mạng (Network Manager) duy nhất cho mỗi mạng, thiết lập mạng,

xử lý liên kết giữa các nút, lịch biểu tài nguyên, định tuyến, theo dõi và báo cáo sức khoẻ mạng, vv

 Quản lý An ninh (Security Manager), có nhiệm vụ để xử lý các vấn đề bảo mật, ví dụ như phân phối các khóa mã hóa để đảm bảo an ninh trong mỗi mạng

 Cổng (Gateway), có nhiệm vụ kết nối các Thiết bị Trường với hệ thống tự động hóa nhà máy bằng khai thác một hoặc nhiều Điểm Truy cập

 Các Điểm Truy cập (Access Points) được kết nối vào Gateway và cung cấp các đường dẫn dự phòng giữa các mạng không dây và Gateway

 Các Bộ định tuyến (Routers) được triển khai trong mạng để cải thiện vùng phủ sóng và kết nối mạng Trong WirelessHART, vai trò của Bộ định tuyến thường được thực hiện bởi các Thiết bị Trường Tuy nhiên, các Bộ định tuyến bổ sung có thể được thêm vào để cho phép sự đa dạng đường dẫn, tùy thuộc vào các trở ngại trong nhà máy Router là một loại thiết bị đặc biệt không cần có bộ cảm biến quá trình hoặc bộ phận điều khiển và do đó, không được kết nối đến quy trình

 Các Thiết bị Trường (Field Devices), tức là cảm biến và thiết bị truyền động, được kết nối với quy trình Tất cả các thiết bị này đều có thể tham gia vào các nhiệm vụ định tuyến

 Ngoài ra, còn có các thiết bị khác có giao diện truyền thông không dây, nhưng không có kết nối với quá trình và được lắp đặt trong lĩnh vực công nghiệp Ví dụ thiết bị đầu cuối cầm tay (Handheld) được sử dụng cho các mục đích vận hành và bảo trì và các Bộ điều hợp (Adapter) dùng để kết nối phần cứng HART có dây cũ vào với mạng không dây

1.2.2.1 Quản lý Mạng (Network Manager)

Quản lý Mạng tạo thành mạng WirelessHART, tham gia và cấu hình thiết bị mạng mới và giám sát mạng Quản lý Mạng sử dụng thông tin chẩn đoán để điều chỉnh topology mạng

Quản lý Mạng cũng được coi là một loại thiết bị mạng Làm như vậy để cho phép các thiết bị HART khác để trao đổi các lệnh HART với Quản lý Mạng

Quản lý Mạng có trách nhiệm quản lý tổng thể, lập kế hoạch, và tối ưu hóa mạng WirelessHART Là một phần của nhiệm vụ của mạng lưới quản lý khởi tạo và duy trì các giá trị thông số truyền thông mạng Quản lý Mạng cung cấp cơ chế cho các thiết bị được tham gia và rời mạng

Nó cũng chịu trách nhiệm quản lý các tài nguyên mạng riêng và chia sẻ Quản lý Mạng truyền thông với các thiết bị trên mạng WirelessHART thông qua lớp mạng Các lệnh mà Quản lý Mạng sử dụng để thiết lập, giám sát, và quản lý mạng lưới tổng thể thông qua các tập lệnh Common Practice Commands và Wireless Commands Quản lý Mạng cũng có trách nhiệm thu thập và duy trì chẩn đoán về sức khoẻ tổng thể của mạng Những chẩn đoán này luôn có sẵn để báo cáo cho các Ứng dụng Máy chủ Chẩn đoán cũng được sử dụng để điều chỉnh tổng thể mạng để thay đổi các điều kiện

Để thực hiện đầy đủ các chức năng của nó, Quản lý Mạng cần thông tin về các thiết

bị, thông tin về mạng lưới sẽ sử dụng như thế nào và phản hồi từ mạng về hiệu quả hoạt động của mạng Thông tin cấu hình và thiết lập về thiết bị được đọc từ chính các thiết bị đó Tài nguyên truyền thông được yêu cầu bởi các thiết bị, ứng dụng và người dùng Phản hồi về hiệu quả hoạt động của mạng được cung cấp bởi các thiết

bị thông qua các báo cáo tình trạng sức khỏe và chẩn đoán

Kiến trúc mạng WirelessHART không giới hạn Quản lý Mạng nằm ở đâu trong mạng tự động hóa nhà máy Quản lý Mạng có thể được cùng với Gateway trong cùng một thiết bị vật lý hoặc nằm hoàn toàn riêng biệt Có một Quản lý Mạng cho mỗi mạng WirelessHART Quản lý Mạng có thể phục vụ cho nhiều mạng WirelessHART

Người dùng (quản trị viên/bảo trì) tương tác với ứng dụng quản lý mạng tạo ra một gói kiểm soát quản lý mạng cho các thiết bị mạng Các gói tin quản lý mạng di chuyển qua lớp mạng, sau đó thông qua lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý trước khi được truyền qua không khí đến thiết bị đích

1.2.2.2 Quản lý An ninh (Security Manager)

Quản lý An ninh chịu trách nhiệm về việc tạo ra, lưu trữ và quản lý các khóa Sẽ có một Quản lý An ninh tương ứng với mỗi mạng WirelessHART Quản lý An ninh có

nhiều hơn một mạng WirelessHART và trong một số trường hợp các mạng và ứng dụng khác

Quản lý An ninh làm việc với Quản lý Mạng để bảo vệ mạng WirelessHART khỏi các mối đe dọa phải đối mặt với hoạt động của nó Quản lý An ninh tạo ra và quản

lý các mật mã được sử dụng bởi mạng Nó có trách nhiệm tạo ra, lưu trữ, và quản lý các khóa

Các khóa tham gia, khóa mạng và khóa phiên phải được cung cấp cho Quản lý Mạng; và các khóa tham gia phải được cung cấp cho thiết bị mạng Các khóa này được sử dụng để xác thực thiết bị và mã hóa dữ liệu trong mạng

Quản lý An ninh làm việc chặt chẽ với Quản lý Mạng trong một kiến trúc máy chủ- khách Quản lý An ninh được hiển thị riêng biệt với Quản lý Mạng bởi vì nó có thể

là một chức năng tập trung trong một số mạng tự động hóa nhà máy, phục vụ nhiều hơn một mạng WirelessHART và trong một số trường hợp mạng và ứng dụng khác

Có một Quản lý An ninh được liên kết với mỗi mạng WirelessHART

1.2.2.3 Cổng và các Điểm truy cập (Gateway và Access Points)

Gateway và Access Points có nhiệm vụ kết nối mạng WirelessHART với mạng tự động hóa nhà máy, cho phép dữ liệu lưu chuyển giữa hai mạng

Các thiết bị thương mại sẵn có trên thị trường thường kết hợp Gateway, Network Manager, Security Manager và thậm chí cả các Access Points vào một thiết bị vật lý đơn giản, gọi chung là Gateway Cách tiếp cận tập trung này cho phép tất cả các công việc tính toán được giới hạn trong một thiết bị duy nhất, do đó làm giảm giá thành thiết bị Tất cả các giao tiếp diễn ra bằng cách truyền dữ liệu đến/từ Gateway thông qua thiết bị định tuyến trung gian, do đó theo dõi các tuyến đường định tuyến trước Kiến trúc này, mặc dù đơn giản nhưng vẫn đảm bảo được hiệu quả trong mạng truyền thông công nghiệp, trong đó các nút ít khi phải cấu hình lại hoặc bổ

sung thêm nút trong suốt vòng đời của mạng và các yêu cầu về mạng là khá ổn định

Gateway cung cấp cho các Ứng dụng Máy chủ (Host Application) khả năng truy cập vào thiết bị mạng Một Gateway có thể được sử dụng để chuyển đổi từ một giao thức này sang giao thức khác, giống như việc đi giữa hai hoặc nhiều mạng sử dụng cùng một giao thức, hoặc để chuyển đổi các lệnh và dữ liệu từ một định dạng khác Chức năng chính của Gateway là để bắt dữ liệu burst đang được báo cáo bởi các Thiết bị Trường và sau đó trả lại dữ liệu đó cho các Ứng dụng Máy chủ Bộ nhớ đệm cải thiện khả năng đáp ứng của Gateway để Ứng dụng Máy chủ và làm giảm bớt đáng kể lượng truyền thông mạng Với thông tin ngoại lệ cho phép nó sẽ được rất phổ biến cho truyền thông mạng được giảm bằng một hệ số từ 10 đến 20 lần Trong nhiều trường hợp, mạng sẽ có nhiều hơn một Access Point Những Access Point này có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của mạng Các Access Point giao tiếp trực tiếp với Gateway

Cài đặt một mạng không dây bao gồm cài đặt các thiết bị không dây, một Gateway (trong một số trường hợp có cả một Gateway và một hoặc nhiều Access Point), và một kết nối đến một Ứng dụng Máy chủ hoặc hệ thống điều khiển Khi Gateway, các thiết bị và hệ thống điều khiển được cấu hình, mạng không dây hình thành và truyền thông bắt đầu

Để đơn giản hóa sự hỗ trợ cho Access Point dự phòng, mỗi Gateway đều có địa chỉ

cố định đã biết Có một Gateway cho mỗi mạng WirelessHART, Gateway có thể được dự phòng

1.2.2.4 Thiết bị Trường (Field Devices)

Thiết bị Trường được kết nối đến quá trình Chúng là những bộ sản xuất và tiêu thụ các gói tin WirelessHART và phải có khả năng định tuyến các gói thay cho các thiết

bị mạng khác

Thiết bị Trường được sử dụng trong nhiều ứng dụng bao gồm giám sát và kiểm soát nhiệt độ áp suất đường ống, mức bồn bể, giám sát tình trạng sức khỏe của thiết bị,

và một loạt các ứng dụng điều khiển khác Thiết bị Trường đo lường nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vị trí, độ rung, ect Chúng cũng kết nối đến các cơ cấu chấp hành như van điều khiển, máy khuấy, máy thổi và băng tải

Thiết bị Trường WirelessHART có thể được cấp nguồn bằng đường dây vòng lặp hoặc pin trong hoặc chúng có thể được cấp bằng một số cách khác như năng lượng mặt trời Thiết bị Trường được kết nối với quá trình hoặc thiết bị nhà máy Thiết bị Trường có thể hoặc không hỗ trợ truyền tín hiệu bằng dòng điện truyền thống Tất

cả các Thiết bị Trường WirelessHART phải có một cổng bảo trì được sử dụng để cung cấp và chẩn đoán tại chỗ Không có yêu cầu nào đối với thiết bị WirelessHART phải cung cấp tín hiệu 4-20mA có dây

Chuyển tiếp trạng thái thiết bị không dây

 Không hoạt động (Idle) - Thiết bị không hoạt động và bộ thu phát không dây

của nó không hoạt động Nó không biết về mạng WirelessHART

 Tham gia (Joining) - Thiết bị đang lắng nghe mạng, cố gắng để có được một

quảng cáo và yêu cầu gia nhập vào mạng

 Được cách ly (Quarantined) - Thiết bị đã gia nhập thành công mạng nhưng

chỉ có một bảo mật rõ ràng để nói chuyện với Network Manager Nó không

có sẵn hoặc được phép thực hiện các chức năng thu thập dữ liệu hoặc điều khiển hoặc liên lạc với Gateway

 Hoạt động (Operational) - Thiết bị có thể được truy cập bởi các ứng dụng

máy chủ qua Gateway Nó được tích hợp trong hoạt động của hệ thống

Ngoài bốn trạng thái chính kể trên, một thiết bị cũng có thể bị Treo (Suspended) hoặc vào ái đồng bộ (Re- synchronizing) sau khi tham gia [1]

1.2.2.5 Bộ định tuyến (Router)

Bộ định tuyến là một loại thiết bị mạng để chuyển tiếp gói tin từ một thiết bị mạng này đến một thiết bị khác Thiết bị mạng đang hoạt động như một thiết bị Router sử dụng đồ thị và kết nối để quyết định thiết bị hàng xóm nào sẽ gửi các gói dữ liệu Nói chung, các Router độc lập là điều không bắt buộc vì tất cả các thiết bị mạng đều phải hỗ trợ định tuyến Tuy nhiên, điều này có thể có ích (như khi mở rộng mạng, hoặc để lưu các nguồn của Thiết bị Trường trong mạng) để thêm các thiết bị bổ sung nhằm cải thiện định tuyến trong mạng Router không được kết nối với quá trình và cũng không thể hoạt động như Gateway

Trong một vài trường hợp, nên lắp đặt thêm Access Point thay vì Router Access Point sẽ cải thiện tổng thế tính thông suốt và tang khả năng dự phòng của mạng

1.2.2.6 Bộ điều hợp (Adapter)

Bộ điều hợp cho phép ghép nối với Thiết bị Trường HART hiện có hoặc cho một số Thiết bị Trường loại multi-dropped và cho phép truyền thông tới tất cả các ghép nối các Thiết bị Trường thông qua một mạng WirelessHART Bộ chuyển đổi phải chứa

cả một giao diện Token-Passing (có dây) và một giao diện TDMA (không dây) Nói cách khác, và trừ khi được nêu rõ ràng khác, Adapter phải đáp ứng tất cả các yêu cầu cho truyền thông HART có dây và WirelessHART Hơn nữa, bởi nhiều thiết bị kết nối với một Adapter sẽ là của cấp phiên bản trước đó, Adapter phải hỗ trợ các tính năng chính của HART version 7 cho thiết bị con Ví dụ, Adapter phải hỗ trợ tối thiểu 5 tin nhắn chế độ burst và 2 tin nhắn sự kiện

Adapter cũng phải cho phép truy cập hoàn toàn vào cấu hình và tình trạng của tất cả các thiết bị con ghép nối Ngoài ra để hỗ trợ HART liên lạc với các Thiết bị Trường được kết nối, Adapter phải không có bất lợi ảnh hưởng nào đến truyền tín hiệu tương tự 4-20mA

Adapter phải hỗ trợ các lệnh Universal Commands và Common Practice Commands

và xác định chính nó trong phản hồi Identify Commands Ngoài ra, Adapter phải hỗ

Adapter có trách nhiệm thương lượng các tài nguyên mạng thay mặt chính nó và các thiết bị con Trong nhiều trường hợp, ví dụ như khi một phát thanh tìm kiếm được gửi đi, Adapter cũng phải có khả năng đáp ứng thay mặt cho thiết bị con của

nó

1.2.2.7 Thiết bị cầm tay (Handheld)

Thiết bị cầm tay được sử dụng trong việc cài đặt và bảo trì thiết bị mạng Thiết bị cầm tay là thiết bị di động được vận hành bởi nhân viên nhà máy

Thiết bị cầm tay được kết nối với Thiết bị Trường WirelessHART Một thiết bị cầm tay kết nối qua mạng WirelessHART tới thiết bị WirelessHART được giới hạn trong giao tiếp với thiết bị WirelessHART mà thiết bị cầm tay được kết nối Cung cấp đặc biệt được sử dụng để đảm bảo rằng thiết bị cầm tay bị giới hạn trong một

lần nhảy và một thiết bị cùng một thời điểm Đây sẽ được gọi là Đã kết nối như một

thiết bị bảo trì (Connected as a Maintenance Device) Các thiết bị cầm tay được kết

nối theo cách này phải có phiên riêng để sử dụng giữa thiết bị cầm tay và thiết bị mà chúng được kết nối

1.2.3 Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển có sử dụng WirelessHART

Hình 1.2.2 dưới cho thấy một mạng WirelessHART kết nối với mạng lưới nhà máy

tự động hóa thông qua một Gateway Mạng lưới tự động hoá nhà máy có thể là một mạng dựa trên mạng TCP, hệ thống Remote I/O, hoặc một bus như Ethernet TCP/IP, Modbus, Profibus-DP hoặc HART-IP Gateway được kết nối với mạng WirelessHART thông qua các Access Points

Phần cứng truyền thông từ Ứng dụng Máy chủ đến Gateway có thể là cáp Cat5e hoặc cáp quang (Fiber Optic) cho phép tốc độ đường truyền tốt hơn

Tất cả các thiết bị mạng truyền và nhận các gói tin WirelessHART và thực hiện các chức năng cơ bản cần thiết để hỗ trợ sự hình thành và bảo trì mạng Tất cả các thiết

bị mạng phải có khả năng tạo và bắt gói tin và có khả năng định tuyến các gói tin thay cho các thiết bị khác trong mạng

Hình 1.2.2: Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển sử dụng kết hợp HART có dây

và WirelessHART [3]

1.3 Truyền thông trong mạng WirelessHART

Truyền thông WirelessHART bao gồm 5 lớp của mô hình tham chiếu OSI: lớp vật

lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp vận chuyển và lớp ứng dụng Sự khác biệt chính giữa phiên bản có dây và phiên bản không dây là ở các lớp vật lý, lớp liên kết

dữ liệu và lớp mạng Trên thực tế, HART có dây không có lớp mạng Ta sẽ xem xét đến từng lớp một trong mô hình này

nghĩa trước, Quy trình ứng dụng Trình diễn

Phiên

Vận chuyển Tự động phân chia vận chuyển tập dữ liệu

tiện truy cập

IEEE 802.15.4-2006 MAC, Bảo mật, Đồng

bộ hóa theo thời gian, Lập lịch liên kết

2.4 GHz DSSS, Công suất phát 10dBm

Bảng 1.3.1: Protocol Stack của giao thức WirelessHART

1.3.1 Lớp Vật lý

Lớp vật lý WirelessHART chủ yếu dựa trên lớp vật lý của chuẩn IEEE

802.15.4-2006 2.4GHz DSSS Lớp này định nghĩa đặc điểm của sóng vô tuyến, chẳng hạn như phương pháp truyền tín hiệu, cường độ tín hiệu và độ nhạy của thiết bị Cũng giống như IEEE 802.15.4, giao thức WirelessHART hoạt động trong tần số từ 2400

- 2483.5MHz dải ISM không có giấy phép với tốc độ dữ liệu lên đến 250 kbps Các kênh của nó được đánh số từ 11 đến 26, với khoảng trống 5MHz giữa hai kênh lân cận Các kênh từ 11-25 được sử dụng với tiêu chuẩn WirelessHART, kênh 26 không hợp pháp ở nhiều khu vực, không được hỗ trợ

Tất cả các thiết bị phải cung cấp công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (Effective Isotropic Radiated Power) danh nghĩa là + 10dBm (10mW) ± 3dB Công suất phát

là có thể lập trình từ -10dBm đến +10dBm.Thành phần phần cứng vô tuyến thương mại hóa của một thiết bị WirelessHART là các chip được thiết kế cho các tiêu chuẩn IEEE 802.15.4

Tiêu chuẩn WirelessHART sử dụng cả kỹ thuật trải phổ rộng (DSSS) và kỹ thuật trải phổ nhảy tần số (FHSS) ở các cấp độ khác nhau DSSS được sử dụng cho mỗi

lần truyền tin, để chống lại sự can thiệp của tắc nghẽn FHSS được áp dụng cho trình tự các khe thời gian, có hiệu quả trong việc khắc phục băng thông hẹp Chuẩn WirelessHART áp dụng FHSS ở mức cao hơn Thay vì nhảy kênh sau mỗi bit, nó nhảy kênh sau mỗi tin nhắn Hay chính xác hơn, nó nhảy kênh cho mỗi khe thời gian Lớp vật lý WirelssHART sử dụng kỹ thuật điều chế O-QPSK (kỹ thuật điều chế tín hiệu số có dịch pha)

Băng tần ISM 2.4GHz

Mạng WirelessHART sử dụng băng tần 2.4GHz, được thừa hưởng từ chuẩn IEEE 802.15.4 Với băng tần này tác động của mưa hoặc tuyết là không đáng kể trong vòng 1 km 2.4GHz là một trong những băng tần ISM (công nghiệp, khoa học và y khoa) Chúng không cần cấp phép bởi các quy định của chính phủ trên toàn thế giới Nói cách khác, không cần phải trả tiền để sử dụng tần số Một nhược điểm nữa của băng tần cấp phép là các nước khác nhau lại có những cách sử dụng khác nhau cho các băng tần khác nhau Tiêu chuẩn quốc tế như công nghệ WirelessHART phải được chấp nhận quốc tế rộng rãi nhất có thể Tất nhiên, khi đó nhược điểm là mạng WirelessHART phải cạnh tranh với các mạng trong cùng một băng tần vô tuyến

Đánh giá kênh rõ ràng (Clear Channel Assessment)

Clear Channel Assessment (Đánh giá kênh rõ ràng) là một kỹ thuật được sử dụng trong các mạng không dây để xác định xem một kênh đang bận hay không CCA có

ba chế độ khác nhau cho xác định một kênh không có lưu lượng truy cập: Chế độ 0, năng lượng phát hiện vượt quá ngưỡng quy định Chế độ 1, phát hiện tín hiệu gói tin vật lý DSSS 802.11 Bên nhận liên tục theo dõi kênh tìm preamble 802.11 Chế độ 2

là sự kết hợp của cả chế độ 0 và chế độ 1 WirelessHART sử dụng chế độ 2 của CCA, xác định kênh rõ ràng nếu không phát hiện được lưu lượng IEEE 802.15.4

Nhảy kênh (Channel Hopping)

Channel Hopping là một kỹ thuật được sử dụng trong các mạng không dây để tránh gây nhiễu và giảm thiểu sự can thiệp của các thiết bị khác trong quá trình truyền Kênh vật lý được thay đổi cho mỗi lần truyền tải, đảm bảo rằng chỉ có thiết bị xác thực biết kênh nào sẽ sử dụng bất cứ lúc nào Tiêu chuẩn sử dụng 16 kênh được đánh số từ 11 đến 26, nơi các kênh có thể bị vào danh sách đen nếu đã được sử dụng hoặc ảnh hưởng bởi nhiễu

Điều chế trải phổ (Spread Spectrum Modulation)

Người ta hình dung ra rằng có rất nhiều yếu tố có thể gây ra các lỗi trong toàn bộ trình tự truyền một số dữ liệu số từ bên gửi đến bên nhận Một trong những phương pháp thành công là điều chế trải phổ Nó sử dụng nhiều tần số tại cùng một thời điểm cho một tác vụ truyền thông đơn lẻ Hai điển hình là kỹ thuật trải phổ rộng (DSSS) và kỹ thuật trải phổ nhảy tần số (FHSS)

Kênh vật lý là một dải nhỏ xung quanh một tần số Nó là đơn vị duy nhất của phương tiện truyền thông Các kênh khác nhau có thể được sử dụng cho các truyền thông khác nhau tại cùng một thời điểm Công nghệ trải phổ sử dụng nhiều kênh cho một truyền thông đơn lẻ Nếu một kênh là xấu, phần còn lại sẽ chuyển truyền thông đó qua

Kỹ thuật trải phổ rộng DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Trong DSSS nhiều kênh được sử dụng đồng thời Công suất truyền tải được chia ra trong số các kênh này và dữ liệu thực tế truyền trên mỗi kênh được mã hoá với giả

mã từ dữ liệu ban đầu Bên nhận sử dụng cùng giả mã để kết hợp tín hiệu từ các kênh nhân trở lại dữ liệu gốc Sự can thiệp vào một kênh sẽ chỉ ảnh hưởng đến phần

đó của toàn bộ dữ liệu Với một số mã phục hồi lỗi, bên nhận sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp Bởi vì bên gửi phân phối đồng đều năng lượng giữa các kênh này với DSSS, truyền tải của nó sẽ giống như tiếng ồn trắng đối với các bên khác

DSSS giúp giải quyết vấn đề khoảng cách xa-gần Trong khi sự truyền tải của hàng xóm gần vẫn giống như tiếng ồn, tín hiệu của thiết bị xa được nhân lên với số kênh

đã sử dụng Do đó, tỉ số tín hiệu lỗi (Signal to Noise Ratio) được tăng cường bởi bội

số của số lượng các kênh

Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum)

FHSS không trải công suất truyền tải ra nhiều kênh Thay vào đó giả ngẫu nhiên chọn một kênh tại một thời điểm giữa nhiều kênh để truyền tải Ví dụ, 8 bit của một byte có thể được gửi trên 8 kênh vật lý khác nhau Bên nhận sẽ nhảy theo cùng một cách để duy trì truyền thông Một lần nữa, bởi vì được xây dựng trong các byte sửa lỗi thêm, sự mất mát của một kênh sẽ không làm gián đoạn tổng thể truyền thông FHSS cũng giúp giải quyết vấn đề khoảng cách xa-gần Bởi vì các thiết bị gần và xa nhảy kênh ở các trình tự khác nhau, trong phần lớn trường hợp chúng nói chuyện với nhau trên nhiều kênh khác nhau Trong một số ít trường hợp khi thiết bị gần truyền không cùng kênh và can thiệp vào thiết bị ở xa, thiết bị ở xa chỉ đơn giản là xóa bỏ các trường hợp như vậy và phục hồi khi nó liên lạc thành công trên các kênh khác

Kỹ thuật điều chế tín hiệu số có dịch pha O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying)

O-QPSK là kỹ thuật điều chế tín hiệu số dùng trục tọa độ cắt vòng tròn ra 4 pha và

có dịch pha, mã hóa 2 bit thành 1 symbols

1.3.2 Lớp Liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu cung cấp các cách thức đáng tin cậy để chuyển dữ liệu giữa hai nút, nó cũng cố gắng phát hiện và sửa lỗi có thể xảy ra Lớp liên kết dữ liệu có nhiệm vụ đồng bộ hóa các khe thời gian và lập lịch cho liên kết, đồng thời có vai trò quan trọng trong việc tạo và quản lý các thông điệp dữ liệu

Hình 1.3.1: Kiến trúc lớp liên kết dữ liệu [1]

Lớp liên kết dữ liệu giới thiệu việc sử dụng các siêu khung (superframe) và công nghệ Đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để cung cấp giao tiếp tự do không bị

va chạm, xác định Các khe thời gian chiều dài 10ms được nhóm thành các siêu khung Các siêu khung này được sử dụng để kiểm soát thời gian truyền để đảm bảo giao tiếp đáng tin cậy và giảm va chạm

Lớp liên kết dữ liệu sử dụng kênh nhảy và danh sách kênh đen để tăng độ an toàn và

độ tin cậy Trong nhảy kênh (channel hopping), mỗi lần truyền xảy ra, kênh được chuyển Danh sách đen kênh (channel blacklist) xác định các kênh liên tục bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp và loại bỏ chúng khỏi sử dụng

Lớp liên kết dữ liệu bao gồm hai lớp con:

 Kiểm soát liên kết logic (Logical Link Control) định nghĩa các dịch vụ được cung cấp ở cấp cao hơn tiếp theo Các dịch vụ an ninh được sử dụng cho toàn vẹn tin nhắn và phát hiện lỗi mã hóa để được sử dụng

 Điều khiển phương tiện truy cập (Medium Access Control) kiểm soát cách truyền tải tin nhắn giữa các nút khác nhau Lớp MAC trực tiếp khai thác các dịch vụ của lớp vật lý, do đó sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng tổng thể và tuổi thọ pin của thiết bị

Tại lớp con MAC, giao thức WirelessHART sử dụng Đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để đảm bảo truyền rỗi không có tranh chấp Mỗi khe thời gian có thời lượng 10 ms Giữa hai thiết bị liên lạc, khe thời gian chỉ có đủ chỗ để truyền/nhận một đơn vị dữ liệu cộng với một gói tin xác nhận Trong trường hợp tin nhắn phát sóng, xác nhận không còn cần thiết và nhiều máy thu có thể được gán cho cùng một khe Một dãy các khe thời gian tạo thành siêu khung Kích thước của siêu khung có thể thay đổi và tất cả các thiết bị trong mạng được yêu cầu hỗ trợ nhiều khung đồng thời Các siêu khung sau đó được lặp lại với tốc độ cố định trong suốt tuổi đời mạng

Về bản chất, truyền thông trong mạng WirelessHART được xác định thông qua siêu khung, khe thời gian và các liên kết không dây Các liên kết ghép đôi thiết bị (ngoài các liên kết phát sóng) có thể thuộc về một và chỉ một siêu khung Mỗi liên kết được gắn với một tập hợp các kênh được sử dụng để nhảy tần số Tất cả các thiết bị trong mạng chia sẻ một danh sách kênh giống nhau cho biết kênh nào có thể được

sử dụng

Mỗi thiết bị mạng cũng duy trì một danh sách các liên kết, hiển thị kết nối của chúng với các thiết bị khác Mỗi khi truyền nhận, thiết bị ngẫu nhiên chọn một liên kết từ danh sách liên kết có sẵn để truyền và sử dụng kênh bù đắp để tính toán tần số/kênh liên kết Truyền nhận sau đó được bắt đầu tại khe thời gian được chỉ định trong siêu khung Quá trình này lặp lại tại khe thời gian kế tiếp, có thể nằm trong cùng một siêu khung, hoặc siêu khung đồng thời

Do sự đa dạng kênh được cung cấp bởi nhảy tần số, khe thời gian cũng có thể được chia sẻ bởi các nút khác nhau, ví dụ được sử dụng cho sự hiện diện của thiết bị

quảng cáo hoặc phát hiện hàng xóm Trong trường hợp có va chạm tại nút đích, các thiết bị nguồn sử dụng cơ chế tắt ngẫu nhiên để chờ đợi cơ hội truyền nhận mới Đối với mỗi lần truyền tải không được xác nhận, kích thước cửa sổ chờ đợi sẽ tăng lên Điều này cũng tương tự như các cách tiếp cận kênh khác dựa trên sự cạnh tranh Tuy nhiên, tin nhắn quảng bá không được phép vào khe thời gian dùng chung

Khe thời gian (Timeslot)

Một khe thời gian là khoảng 10 ms trong đó một thiết bị có thể giao tiếp với mạng Quản lý Mạng có trách nhiệm phân bổ các khe thời gian tới các thiết bị Các khe thời gian được gán cho một thiết bị và đặc biệt cho một liên kết Trong khe thời gian đó một thiết bị có thể gửi các gói tin trên liên kết, và thiết bị lân cận sẽ được thiết lập để nhận chế độ Quản lý Mạng đặt các khe thời gian trong các siêu khung phân bố giữa các nút

Siêu khung (Superframe)

Siêu khung được sử dụng kết hợp với TDMA để sắp đặt các khe thời gian và gán một thời gian xác định để gửi hoặc nhận tại các thiết bị Có thể có siêu khung, tại đó xác định một dãy/chuỗi cụ thể các khe thời gian Mỗi siêu khung bắt đầu từ Khe tuyệt đối số 0 (Absolute Slot Number #0) và có chiều dài số khe thời gian Siêu khung sẽ lặp lại chính nó khi nó đạt tới kết thúc Quản lý Mạng phân bổ khe thời gian cho thiết bị theo nhu cầu, và xác định xem đó là một khe thời gian gửi hay nhận Khi khe thời gian chỉ là một cách, nếu một cặp thiết bị lân cận muốn liên lạc chúng sẽ yêu cầu mỗi một khe thời gian để truyền

Time Division Multiple Access (TDMA)

TDMA là viết tắt của Time Division Multiple Access nghĩa là Đa truy cập phân chia theo thời gian Kênh được chia thành các khe thời gian, thiết bị sử dụng khe thời gian được chỉ định riêng để truyền tải Nguyên nhân gây va chạm được tránh vì

không quá hai thiết bị được truyền cùng một thời gian Đa truy cập có nghĩa là nhiều thiết bị có thể truyền cùng một lúc trên cùng một kênh TDMA giải quyết vấn

đề nút ẩn

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA)

CSMA viết tắt của Carrier Sense Multiple Access nghĩa là Đa truy cập sử dụng sóng mang phòng tránh xung đột Trong CSMA, một thiết bị đã sẵn sàng để truyền tải sẽ lắng nghe kênh trước Nếu kênh trống, thiết bị sau đó bắt đầu truyền, nếu không nó sẽ đợi cho đến khi các kênh là rõ ràng một lần nữa Trong CSMA/CA, thay vào đó thiết bị sẽ đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên Điều này ngăn ngừa sự va chạm tiếp tục của nhiều tất cả các thiết bị cố gắng để truyền tải

Trình lập lịch liên kết (Link Scheduler)

Chức năng của trình lập lịch liên kết là xác định khe thời gian tiếp theo được phục

vụ dựa trên lịch trình truyền thông trong bảng siêu khung và bảng liên kết Trình lên lịch phức tạp bởi các yếu tố như các ưu tiên giao dịch, các liên kết thay đổi, và cho phép và vô hiệu hoá các siêu khung Mọi sự kiện đều có thể ảnh hưởng đến lập kế hoạch liên kết sẽ làm cho lịch trình liên kết phải được đánh giá lại

Liên kết lịch trong WirelessHART là tập trung Quản lý Mạng giữ và cập nhật bản ghi chi tiết về mạng Chỉ Quản lý Mạng mới có thể cập nhật sắp xếp các siêu khung Mỗi thiết bị đều biết các khe thời gian mà nó có thể truyền đạt và kênh bù đắp Thuật toán quy hoạch phải đơn giản, có thể mở rộng và thích nghi với các yêu cầu ứng dụng khác nhau

Đồng bộ hóa thời gian (Time-synchronized Communication)

Tất cả các giao tiếp trên mạng WirelessHART được đồng bộ hóa thời gian Các đơn

vị đo cơ bản là khe thời gian là một đơn vị thời gian cố định phổ biến được chia sẻ bởi tất cả các thiết bị mạng trong một mạng Khoảng thời gian của một khe thời gian là đủ để gửi hoặc nhận một gói tin cho mỗi kênh và đều có nhận kèm theo, bao

gồm thời gian bảo vệ ban tần để đồng bộ hóa trên toàn mạng Chất lượng cho mỗi kênh chỉ ra rằng có thể có nhiều sự liên lạc xảy ra trong cùng một khe thời gian Đồng bộ hóa thời gian chính xác là rất quan trọng đối với hoạt động của các mạng dựa trên ghép kênh thời gian Vì tất cả các giao tiếp xảy ra trong khe thời gian, thiết

bị mạng phải có cùng một khái niệm khi mỗi khe thời gian bắt đầu và kết thúc, với biến số tối thiểu Giao thức WirelessHART định nghĩa các cơ chế để đồng bộ hóa thời gian Trong mạng WirelessHART, thời gian lan truyền ra bên ngoài căn cứ theo Gateway

1.3.3 Lớp Mạng

Hình 1.3.2: Kiến trúc lớp mạng và vận chuyển [1]

Các lớp mạng và các lớp vận chuyển hợp tác để xử lý các loại lưu lượng, định tuyến, tạo phiên và bảo mật WirelessHART thiết lập một mạng lưới, yêu cầu mỗi thiết bị có thể chuyển tiếp các gói tin cho các thiết bị khác Mỗi thiết bị được cung

cấp với một đồ thị mạng cập nhật để xử lý các nhiệm vụ định tuyến Trên thực tế, lớp mạng hoạt động như là một lớp kết hợp mạng/vận chuyển/phiên, xử lý tất cả các chức năng theo yêu cầu của giao thức tại ba lớp của mô hình OSI

Lớp mạng chịu trách nhiệm về chính sách định tuyến Nó cũng cung cấp các cơ chế bảo mật, cung cấp dịch vụ cho các lớp trên và quản lý các phiên truyền thông

Mạng lưới hay mắt lưới (Mesh Network)

Topology chính của mạng WirelessHART là một lưới, phức tạp nhưng mạnh mẽ Lưới WirelessHART là một tổ chức mạng linh hoạt, ad-hoc Không có hệ thống phân cấp trong số các Thiết bị trường; tất cả các thiết bị có cùng khả năng mạng Ngoài ra, không có RFD (thiết bị chức năng suy giảm) hoặc FFD (thiết bị chức năng đầy đủ) để phức tạp vấn đề Mỗi thiết bị thu thập và phát đi các gói dữ liệu như một Router Chuẩn WirelessHART cho phép thích ứng với các ứng dụng khác nhau và các loại môi trường Không có yêu cầu thiết kế hoặc lắp đặt đặc biệt và nó

có thể bao phủ một khu vực địa lý rộng lớn

Phiên tham gia (Joining Session)

Khi mạng WirelessHART được khởi tạo lần đầu tiên, một định danh mạng duy nhất cùng với khóa bảo mật từ Quản lý bảo mật được cung cấp cho Quản lý Mạng Nó thiết lập kết nối với Gateway và Access Point để đảm bảo băng thông cần thiết cho quản lý và kiểm soát các gói dữ liệu đến và đi từ Thiết bị mạng Khi một thiết bị mới muốn tham gia vào mạng, Quản lý Mạng xác nhận tính toàn vẹn của nó bằng cách sử dụng các khóa tham gia và định danh mạng để đảm bảo nó là đáng tin cậy

và đang tham gia đúng mạng Một khi được chứng thực, Quản lý Mạng cung cấp cho thiết bị với định danh mạng cần thiết và khóa phiên từ Quản lý An ninh và chỉ định một địa chỉ mạng 16-bit

Định tuyến (Routing)

Các quyết định định tuyến cũng do Quản lý Mạng thực hiện theo cách tập trung Có hai phương pháp tiếp cận định tuyến chính: định tuyến đồ thị và định tuyến nguồn, (ngoài ra còn có định tuyến proxy và định tuyến siêu khung) Quản lý Mạng làm tất

cả các nhiệm vụ tính toán, nó thu thập bảng lân cận, tình trạng pin của các nút, và xây dựng con đường tối ưu Đồ thị định tuyến có thể trùng lặp Chúng có tính cách đơn và có thể được xác định bằng một định danh đồ thị duy nhất Mỗi thiết bị phải

có ít nhất hai nút lân cận trong mỗi tuyến đồ thị để đảm bảo hai lựa chọn chuyển tiếp khác nhau, và do đó đảm bảo độ tin cậy tốt hơn Các chính sách định tuyến được Quản lý Mạng thông qua có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tổng thể trong một số yếu tố như hiệu suất năng lượng, độ tin cậy và độ trễ

 Định tuyến đồ thị là một tập hợp các liên kết định hướng

 Trong định tuyến nguồn, mỗi tin nhắn có toàn bộ danh sách các bước nhảy từ nguồn đến đích [4]

Định tuyến đồ thị (Graph Routing)

Đồ thị là tập hợp các đường dẫn nối các nút mạng Các đường dẫn trong mỗi đồ thị được tạo ra một cách rõ ràng bởi Quản lý Mạng và được tải xuống cho từng cá nhân thiết bị mạng Để gửi một gói tin, thiết bị nguồn ghi một định danh đồ thị cụ thể (được xác định bởi đích) trong tiêu đề mạng Tất cả các thiết bị mạng trên đường đến điểm đến phải được cấu hình sẵn với thông tin đồ thị chỉ định các hàng xóm mà các gói tin có thể được chuyển tiếp

Định tuyến nguồn (Source Routing)

Định tuyến nguồn là một bổ sung của định tuyến đồ thị nhằm chẩn đoán mạng Để gửi gói tin đến đích, thiết bị nguồn bao gồm trong tiêu đề và danh sách sắp xếp sẵn các thiết bị thông qua đó gói tin phải đi qua Khi gói được định tuyến, mỗi thiết bị định tuyến sẽ sử dụng địa chỉ thiết bị mạng tiếp theo trong danh sách xác định hop tiếp theo cho đến khi thiết bị đích đến

1.3.4 Lớp Vận tải

Lớp vận chuyển đảm bảo các gói tin được truyền thành công qua nhiều bước nhảy (multi-hops) đến đích cuối cùng của chúng Lớp vận chuyển hỗ trợ cả cơ chế xác nhận (ACK) và không xác nhận (un-ACK) Đối với cơ chế ACK, nó cung cấp một

cơ chế tự động yêu cầu lặp lại ARQ (Automatic Repeat Request) để đảm bảo việc cung cấp các thông điệp từ đầu đến cuối

Với dịch vụ xác nhận, tự động yêu cầu lặp lại có thể được sử dụng để đảm bảo sự phân phối cuối cùng của các tin nhắn Số lần mặc định của truyền lại là 5 lần

Một tính năng độc đáo của lớp vận chuyển WirelessHART là cơ chế truyền dữ liệu

khối Nó thiết lập kết nối định hướng truyền thông liên kết giữa các Ứng dụng Máy

chủ và Thiết bị Trường Ứng dụng chủ có thể cấu hình thiết bị tớ bằng cách mở một cổng trên máy thiết bị sử dụng một lệnh HART Thông số Gateway cũng là một phần của tiêu chuẩn WirelessHART Một khi mở cổng, tốc độ truyền giữa thiết bị

và Ứng dụng Máy chủ được đàm phán với quản trị mạng để tối đa hóa lưu lượng Việc truyền khối dữ liệu là bắt buộc để được tin cậy và xác nhận end-to-end là cần thiết để theo dõi luồng dữ liệu Điều này có thể gọi cho Quản lý Mạng để cập nhật định tuyến và lập kế hoạch lên kế hoạch cung cấp những ưu tiên cần thiết

Trên cơ sở tổng quát hơn, lớp vận chuyển của WirelessHART tương tự như mạng Internet Nó hỗ trợ cả TCP/IP như chuyển với xác nhận đó là hữu ích cho thông báo

sự kiện và UDP (User Datagram Protocol) như không có xác nhận khi gửi dữ liệu quá trình xử lý thời gian thực có tuổi thọ ngắn hơn [8]

Tự động yêu cầu lặp lại (Automatic Repeat Request)

Nó yêu cầu xác nhận của một truyền tải Việc bắt tay hai chiều đảm bảo việc tiếp nhận tin nhắn Nếu không nhận được xác nhận, bên gửi hoặc thử lại hoặc báo cáo thất bại sau khi một lần số thử lại Với ARQ, có một tình huống hiếm khi có thể xảy

ra, trong đó xác nhận đã được gửi đi nhưng không nhận được Trong trường hợp

này, bên gửi tin cho rằng việc truyền không thành công nhưng bên nhận lại nghĩ rằng nó thành công và hành động theo thông điệp

1.3.5 Lớp Ứng dụng

Lớp ứng dụng xử lý giao tiếp giữa Gateway và thiết bị trường thông qua một loạt các lệnh và phản hồi Lớp này trích ra lệnh từ một tin nhắn, thực hiện lệnh, và tạo ra một phản hồi Ở cấp độ lớp này, thực sự không có sự khác biệt giữa các phiên bản

có dây và không dây của giao thức HART

Hình 1.3.3: Kiến trúc lớp ứng dụng [1]

Lớp ứng dụng hoạt động dựa trên tập lệnh Nói cách khác, các lệnh từ các thiết bị chủ/tớ là cơ sở để truyền thông HART và số hiệu lệnh, được nhúng vào trong giao

tiếp, xác định nội dung của các tin nhắn Số hiệu lệnh thể hiện các đặc điểm một gói

duy nhất, rõ ràng của Dữ liệu với Byte Count cố định

Phân vùng số hiệu lệnh [1]

• Lệnh tổng quát (Universal Commands) - tập lệnh phải được hỗ trợ bởi tất cả

các thiết bị có khả năng HART

• Lệnh thông thường (Common Practice Commands) - tập lệnh áp dụng cho

một dải rộng thiết bị Các lệnh Common Practice Commands sẽ được các thiết bị hỗ trợ bất cứ khi nào có thể

• Lệnh không công khai (Non-public Commands) - một tập lệnh đặc biệt dành

cho nhà máy chỉ sử dụng trong suốt chế tạo một thiết bị trường Những lệnh này không nên sử dụng khi thiết bị đã ra trường thực địa

• Lệnh không dây (Wireless Commands) - tập lệnh để hỗ trợ WirelessHART

các sản phẩm Tất cả các sản phẩm hỗ trợ chuẩn WirelessHART phải thực hiện tất cả các lệnh không dây

• Lệnh dòng thiết bị (Device Family Commands) - tập các lệnh cho phép thiết

lập và tham số hóa các thiết bị trường mà không yêu cầu sử dụng các lệnh chuyên biệt của thiết bị hoặc driver chuyên biệt cho thiết bị

• Lệnh chuyên biệt (Device-Specific Commands) - Các lệnh được định nghĩa

bởi nhà sản xuất theo nhu cầu cần thiết của thiết bị hiện trường

Yêu cầu đối với lệnh

• Các lệnh HART phải được thiết kế để hoạt động tự động Chúng cho phép các hoạt động phi trạng thái của lớp ứng dụng của thiết bị

• Một lệnh HART phải thực hiện một và chỉ một trong các chức năng: Đọc, Ghi, hoặc Ra lệnh

• Lệnh có thể chứa các chỉ số cho phép truy cập vào mảng hoặc bảng dữ liệu được lưu trữ trong một thiết bị trường