Analisador de redes WirelessHART com capacidade de detecção de coexistência

Abstract

O uso de redes sem fio no ambiente industrial está crescendo cada vez mais devido às vantagens que estas redes apresentam comparadas aos sistemas cabeados. No entanto, é necessário que as redes sem fio apresentem a mesma robustez que as redes cabeadas. Para isso, é necessário garantir o enlace de rádio frequência entre os dispositivos e também é preciso que a rede atenda aos requisitos de comunicação em tempo real. O protocolo WirelessHART foi criado em 2007, sendo o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio especialmente desenvolvido para ambientes industriais. Esse protocolo vem ganhando cada vez mais aplicabilidade na indústria devido à sua alta confiabilidade e robustez. Por se tratar de um protocolo recente, ainda existem muitas pesquisas em andamento, sendo uma das áreas relacionada a ferramentas para análise e monitoramento da rede. Tais ferramentas têm como objetivo principal capturar as mensagens que trafegam na rede, ou seja, atuam como um sniffer. No entanto, o protocolo WirelessHART apresenta algumas peculiaridades quando comparado a outras redes sem fio, como por exemplo, o uso de 15 canais diferentes. Devido a isso, muitos sniffers já propostos para redes sem fio não podem ser utilizados, pois capturam dados em apenas uma frequência. Outra questão está relacionada ao monitoramento de redes já instaladas, onde os dispositivos podem se encontrar em locais de difícil acesso. Dessa forma, é necessário que a ferramenta tenha mobilidade, ou seja, não necessite estar conectada a um computador, por exemplo. Então, uma vez que ainda não existe uma ferramenta de monitoramento ideal para redes WirelessHART, este trabalho propõe um nova ferramenta, que apresenta vantagens, tais como: captura de dados nos 15 canais utilizando apenas um receptor de rádio, armazenamento local dos dados capturados utilizando um cartão de memória e medição da energia nos canais, para obter informações a respeito de interferências na rede. Além disso, uma aplicação offline de análise dos dados apresenta estatísticas e análises a respeito dos dados capturados. Este trabalho apresenta alguns conceitos teóricos importantes a respeito do protocolo e os detalhes da implementação da ferramenta. Os resultados obtidos mostram que a ferramenta está atuando corretamente como um sniffer e está realizando a detecção de interferências na rede. Um estudo de caso mostra o comportamento da rede WirelessHART coexistindo com o padrão IEEE 802.11.

The use of wireless networks in industrial environment is growing due to the advantages of these networks compared to wired systems. However, the wireless networks must have the same robustness that wired networks. It is necessary to ensure the link between devices and it is also necessary that the network meets the requirements of real-time communication. The WirelessHART protocol was created in 2007, and it is the first open wireless communication standard specifically designed for industrial environments. This protocol has been gaining increasing applicability in industry due to its high reliability and robustness. Because it is a recent protocol, there are still many ongoing researches. One of them is related to tools for analyzing and monitoring the network. Such tools have the main objective to capture the messages that travel on the network, acting as a sniffer. However, the WirelessHART protocol has some peculiarities as compared to other wireless networks, such as the use of 15 different channels. Because of this, many sniffers already proposed for wireless networks can not be applied, because they capture data on only one frequency. Another issue is related to the monitoring networks already installed, where devices can be found in places of difficult access. Thus, it is necessary that the tool has mobility, i.e., does not need to be connected to a computer, for example. So, since there is still no ideal monitoring tool for WirelessHART networks, this paper proposes a new tool, which has advantages such as: data capture in 15 channels using only one radio receiver, local storage of captured data using a memory card and measuring the energy in the channels for getting information about interference in the network. In addition, an offline application presents statistics and analysis about the captured data. This paper presents some important theoretical concepts about the protocol and implementation details of the tool. The results show that the tool is working properly as a sniffer and it’s performing the interference detection in the network . A case study shows the behavior of the WirelessHART network coexisting with IEEE 802.11 standard.