ARQUITETURA WIRELESS HART

A arquitetura do WirelessHart  é baseada no modelo de camada OSI e é composto por cinco camadas: aplicação, transporte, rede, enlace e física.  A Figura 9 apresenta uma comparação entre as arquiteturas Hart e WirelessHart.  As camadas de enlace e física do WirelessHart sofreram modificações, a camada física é compatível com rádios baseados no padrão IEEE 802.15.4 e é especificada uma nova camada de link de dados (incluindo a MAC). Além disso, uma camada de rede foi introduzida na arquitetura WirelessHart, pois não existia na arquitetura Hart, para suportar a topologia mesh. É observado também, que o WirelessHART e o HART são compatíveis com as camadas de transportes e de aplicação.

Figura 1: Wireless Mesh Networking

Uma rede  WirelessHART basicamente consiste de um Network Manager (Gerente de Rede), pelo menos um Gateway e instrumentos WirelessHart. Juntos formam uma rede mesh onde hospedeiros e instrumentos de campo comunicam-se bidirecionalmente. As funções de cada componente da rede mesh são:

1. Instrumentos WirelessHart  podem ser instrumentos de campo ligados ao processo, equipamentos da planta como programadores portáteis (hand helds), roteadores ou adaptadores. Os roteadores são instrumentos que estendem a rede e que são capazes de encaminhar pacotes de dados de outros instrumentos de campo. Os adaptadores são instrumentos especialmente projetados para permitir que um instrumento Hart sem wireless de estar conectado a uma rede WirelessHart. Os programadores portáteis são utilizados na instalação, configuração, monitoramento e manutenção de qualquer dispositivo WirelessHart.

2. Gateways conectam a rede WirelessHart com o sistema da planta de automação (host). Isto fornece ao sistema host acesso aos dispositivos da rede WirelessHart, e se necessário a tradução entre diferentes protocolos. Desta forma é um instrumento que interfaceia os instrumentos de campo WirlessHart  com o host via canal de comunicação serial Ethernet  ou WiFi por exemplo. Em uma rede mesh pode esxistir apenas um Gateway ou Gateways redundantes.

3. Network Manager é o “cérebro” de um rede WirelessHart. É uma aplicação que gerencia a rede mesh e os instrumentos da rede. É responsável por distribuir as chaves de segurança, configurar e coordenar os instrumentos e a rede, como programação das comunicações entre os dispositivos, gestão da mensagem e rotas, além do monitoramento do bom desempenho da rede. O Network Manager é único por rede mesh e pode ser integrado no gateway, no host ou no controlador do processo da automação.

Figura 2: Wireless Mesh Networking

Cada dispositivo na rede mesh pode servir como um roteador de mensagens para outros dispositivos. Em outras palavras, um dispositivo não tem de se comunicar diretamente com um gateway, mas apenas transmitir a sua mensagem para o dispositivo mais próximo.  Isso fornece uma comunicação com rotas redundantes aumentando a confiabilidade. O design das redes mesh permite adicionar ou mover um dispositivo facilmente. Enquanto um dispositivo está dentro do alcance de outros dispositivos na rede, ele pode se comunicar.

O Network Manager determina a redundância das rotas com base na latência, eficiência e fiabilidade. Para garantir a redundância das rotas que permanecem abertas e desobstruídas, mensagens alternam continuamente entre os caminhos redundantes. Por conseguinte, como a Internet, se uma mensagem é incapaz de chegar a seu destino por um caminho, ela é automaticamente reencaminhada para seguir um caminho redundante conhecido, sem perda de dados.

Quanto à topologia uma rede WirelessHart pode ser do tipo estrela (star), malha (mesh)  e estrela-malha. Na topologia estrela há somente um roteador conectado a vários instrumentos finais e é indicada para pequenas aplicações. A topologia mesh por possuir todos os nós roteadores representa um tipo de rede muito confiável, com redundância de caminhos e alta disponibilidade.  A topologia estrela-malha é uma combinação das topologias estrela e mesh.

Figura 3: Topologias possíveis de uma rede WirelessHart

A rede WirelessHart utiliza o padrão IEEE 802.15.4 compatíveis com rádios que operam na freqüência 2.4GHz á taxa de 250Kbps. Os rádios empregam a tecnologia Espectro Espalhado de Seqüência Direta (DSSS) e a tecnologia de canal de saltos em freqüência (FHSS) para estabelecer uma comunicação segura e confiável. Combinando as tecnologias FHSS e DSSS, o WirelessHART provê rejeição de interferência (FHSS) e um ganho de codificação (DSSS). Para a camada física existe ainda a função lógica CCA (Clear Channel Assessment) que determina o estado de uso corrente de um meio wireless, ou seja, auxilia no processo de decisão de quando transmitir um pacote e baseia-se na existência ou não de atividade do meio sem fio.

Além disso, a comunicação na rede WirelessHart usufrui da  tecnologia TDMA  (Time Division Multiple Access - Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo) na camada de enlace e do controle de latência da comunicação entre os dispositivos e a rede. A tecnologia TDMA é fortemente sincronizada onde cada instrumento guarda um senso de tempo de rede preciso e mantém sincronizado com todos os instrumentos vizinhos. Existe ainda o modo de transmissão com beacon habilitado, onde um dispositivo central da rede transmite um beacon periodicamente no qual os outros dispositivos o usam para sincronização e para determinação de quando estão liberados para transmissão e recepção de mensagens. A mensagem beacon é usada para definir uma estrutura chamada de superframe em que todos os nós na rede serão sincronizados. O conceito de superframe é um tempo periódico no qual são alocadas todas as comunicações cíclicas e acíclicas entre os instrumentos. Isso garante a inexistência de colisões na rede e uma forma eficiente de dos instrumentos consumirem menos energia, uma vez que podem permanecer em modo de espera até o momento em que se tenha que transmitir ou operar.

O WirelessHart inclui várias características para fornecer comunicações confiáveis em ambientes onde há densas infra-estruturas, circulação de veículos de grandes dimensões ou equipamentos, inúmeras fontes de radiofreqüência (RF) ou interferência eletromagnética, e demais empecilhos que  poderiam causar problemas de comunicação. Algumas características são apontadas em que definem a confiabilidade do protocolo WirelessHart como:

Redundantes malhas de roteamento (diversidade de caminhos). A topologia mesh do WirelessHart  com as características de auto-organização e auto-cura, permite que a rede se organize e se recupere de uma falha automaticamente garantindo confiabilidade e robustez. Quando interferências ou outros obstáculos interromper uma via de comunicação, a rede imediatamente (e automaticamente) recalcula o roteamento das transmissões para evitar o problema. Ou seja, o instrumento de campo tem inteligência de descobrir nós vizinhos e medir intensidades de sinal de rádio freqüência (RF) para estabelecer caminhos e links com os instrumentos vizinhos. Na ocorrência de falha, o caminho alternativo é ativado. Isso viabiliza a redundância de caminho e aumenta a disponibilidade de um instrumento.

Canal de saltos (diversidade de freqüências). Tal como as outras tecnologias que usam a banda 2.4GHz, o WirelessHart pode estar sujeito a interferências de diversas outras fontes, tais como outras redes. Para resolver este problema a tecnologia WirelessHart como já dito, realiza "saltos" em todos os 16 canais definidos pela norma IEEE 802.15.4, superando interferências com agilidade e não a força bruta. Uma avaliação automática de canal é feita antes de cada transmissão e o canal "blacklisting" também pode ser utilizado para evitar áreas específicas de interferência e minimizar a interferência de outros, assim ao detectar interferência num canal, inclui-se este canal a uma lista de canais inutilizáveis. A comunicação continuará através de outros canais que no estão na lista, evitando-se assim os canais com interferência.

Tempo sincronizado de comunicação (diversidade de tempo). Todas as comunicações de dispositivos para dispositivo é feita em um tempo de janela pré-programado, que permite uma comunicação muito confiável (livre de colisão), com eficiente energética e uma comunicação escalável e facilidade de utilização. Todas as mensagens têm uma prioridade definida para assegurar uma adequada qualidade de serviço de entrega (QoS). Isso permite que se reserve largura de banda para as comunicações de alta prioridade e cíclicas.  Além disso, faixas de tempo fixas permitem que o Network Manager crie a melhor rede para qualquer aplicação sem intervenção do usuário. A abordagem de utilizar flexíveis faixas de tempo ou comunicação dessincronizadas pode conduzir a significativas configurações como qualidades de serviço pobre, alta potência e comunicações não confiáveis.

Outras técnicas como a diversidade de codificação permitida pela já mencionada tecnologia DSSS e a diversidade de potência que permite potência de transmissão ajustáveis, também ajudam WirelessHart fornecer uma comunicação confiável, mesmo em meio a outras redes sem fio. O WirelessHart foi especificamente concebido para coexistir com outras redes sem fios, incluindo aquelas que não cumpram com as normas IEEE 802. É tanto tolerante e confiável que exercem as suas funções mesmo na presença de interferência, e usufruem da utilização de banda de forma eficiente para evitar problemas para as demais redes.