用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

作者：Joy Weiss and Ross Yu

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以及工業(yè)傳感器對無線連接的相關(guān)需求正在得到廣泛關(guān)注。但是，工業(yè)設(shè)備和應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求與消費世界不同，可靠性和安全性在列表中名列前茅。本白皮書重點介紹了工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的一些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)要求。

低功耗處理器、智能無線網(wǎng)絡(luò)和低功耗傳感器的出現(xiàn)，再加上“大數(shù)據(jù)分析”，引起了人們對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的興趣。簡而言之，這種技術(shù)組合使大量傳感器可以放置在任何地方：不僅僅是通信和電力基礎(chǔ)設(shè)施存在的地方，而是任何可以收集有關(guān)“事物”如何，在哪里或是什么的寶貴信息的地方。用傳感器對機器、泵、管道和軌道車等“事物”進行儀器化的概念對工業(yè)界來說并不陌生。專用傳感器和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在從煉油廠到生產(chǎn)線的工業(yè)環(huán)境中激增。從歷史上看，這些運營技術(shù)（OT）系統(tǒng)一直作為獨立的網(wǎng)絡(luò)運行，保持著消費者技術(shù)根本無法滿足的網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性的高標準。這些高標準要求將可用技術(shù)過濾到最適合業(yè)務(wù)關(guān)鍵型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)。特別是，這些傳感器的聯(lián)網(wǎng)方式?jīng)Q定了傳感器是否可以安全、可靠且經(jīng)濟高效地部署在典型的工業(yè)應(yīng)用中。本白皮書探討了區(qū)分工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的一些關(guān)鍵要求。

可靠性和安全性是第一位的

與成本通常是最重要的系統(tǒng)屬性的消費類應(yīng)用不同，工業(yè)應(yīng)用通常將可靠性和安全性放在首位。在ON World對工業(yè)WSN用戶的全球調(diào)查中，可靠性和安全性是提到的兩個最重要的問題。1如果您考慮到公司的盈利能力、生產(chǎn)商品的質(zhì)量和效率以及工人安全通常依賴于這些網(wǎng)絡(luò)，這并不奇怪。這就是為什么可靠性和安全性對于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要的原因。

設(shè)計網(wǎng)絡(luò)可靠性的一個一般原則是冗余，其中針對可能問題的故障轉(zhuǎn)移機制使系統(tǒng)能夠在不丟失數(shù)據(jù)的情況下進行恢復。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有兩個基本機會可以利用這種冗余。首先是空間冗余的概念，其中每個無線節(jié)點至少有兩個其他節(jié)點可以與之通信，以及允許將數(shù)據(jù)中繼到任一節(jié)點但仍到達預定最終目的地的路由方案。正確形成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（其中每個節(jié)點都可以與兩個或多個相鄰節(jié)點通信）比點對點網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性，如果第一個路徑不可用，則會自動在備用路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)。第二級冗余可以通過使用RF頻譜中可用的多個通道來實現(xiàn)。信道跳頻的概念是，節(jié)點對可以在每次傳輸時更改信道，從而避免在工業(yè)應(yīng)用典型的不斷變化和惡劣的RF環(huán)境中任何給定信道出現(xiàn)臨時問題。在IEEE 802.15.4 2.4GHz標準中，有62591個擴頻信道可用于跳頻，為信道跳頻系統(tǒng)提供比非跳頻（單通道）系統(tǒng)更高的彈性。有幾種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準包括這種稱為時隙信道跳頻（TSCH）的雙重空間和信道冗余，包括IEC6（WirelessHART）和即將推出的IETF <>TiSCH標準。2這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準利用全球可用的免許可2.4GHz頻譜中的無線電，由ADI公司的SmartMesh團隊發(fā)展而來，該團隊從2002年開始率先在低功耗、資源受限的設(shè)備上使用TSCH協(xié)議，推出SmartMesh產(chǎn)品。

雖然TSCH是在惡劣的RF環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性的重要組成部分，但網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和維護是連續(xù)、無故障多年運行的關(guān)鍵。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通常必須運行多年，并且在其生命周期內(nèi)將面臨截然不同的射頻挑戰(zhàn)和數(shù)據(jù)傳輸要求。因此，實現(xiàn)類似有線的可靠性所需的最后一個要素是智能網(wǎng)絡(luò)管理軟件，該軟件可動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲，持續(xù)監(jiān)控鏈路質(zhì)量，以最大限度地提高吞吐量，盡管射頻環(huán)境受到干擾或變化。

安全性是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個關(guān)鍵屬性。WSN 中安全性的主要目標是：

保密性：除了預期的接收者之外，任何人都無法讀取在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

正直： 收到的任何消息都被確認為發(fā)送的消息，不添加、刪除或修改內(nèi)容。

真實性：聲稱來自給定源的消息實際上來自該源。如果將時間用作身份驗證方案的一部分，則真實性還可以防止消息被記錄和重播。

為了實現(xiàn)這些目標，必須納入 WSN 的關(guān)鍵安全技術(shù)包括具有強大密鑰和密鑰管理的強加密（例如 AES128）、用于阻止重放攻擊的加密質(zhì)量隨機數(shù)生成器、每條消息中的消息完整性檢查 （MIC） 以及明確允許或拒絕訪問特定設(shè)備的訪問控制列表 （ACL）。這些最先進的無線安全技術(shù)可以很容易地集成到當今WSN中使用的許多設(shè)備中，但并非所有WSN產(chǎn)品和協(xié)議都包含所有措施。3請注意，將安全 WSN 連接到不安全的網(wǎng)關(guān)是另一個漏洞點，在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮端到端安全性。

無線專家未安裝工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

在大多數(shù)情況下，成熟行業(yè)正在將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)添加到其傳統(tǒng)產(chǎn)品中，其客戶正在部署新舊設(shè)備混合的環(huán)境中。工業(yè)WSN中體現(xiàn)的智能必須賦予工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的易用性，使現(xiàn)有現(xiàn)場人員無縫過渡。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)迅速自我形成，以便安裝人員可以離開站點，擁有穩(wěn)定運行的網(wǎng)絡(luò)，在連接薄弱或丟失時通過自我修復來避免服務(wù)中斷，在發(fā)生服務(wù)中斷時自我報告和診斷，并通過部署后幾乎不需要維護來避免昂貴的現(xiàn)場訪問。對于許多應(yīng)用程序來說，它們的成功部分取決于可部署在難以到達或危險的區(qū)域，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須使用電池運行，通常超過五年。

此外，系統(tǒng)應(yīng)該可用于全球部署，因為最終用戶廣泛采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通常是公司范圍內(nèi)的，并且需要多站點標準化。幸運的是，理解并滿足這一要求的國際工業(yè)無線電標準已經(jīng)到位，包括IEEE 802.15.4e TSCH。

傳感器無處不在

對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，傳感器或控制點的精確放置至關(guān)重要。無線技術(shù)提供了無線通信的承諾，但是如果您需要通過插入無線節(jié)點來為其供電，或者每隔幾小時甚至幾個月充電一次，則部署的成本和不切實際性將變得令人望而卻步。例如，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中添加傳感器以在設(shè)備使用時監(jiān)控條件是不可能的，但從在役監(jiān)控中獲得的知識可以讓客戶預測性地維護這些關(guān)鍵設(shè)備，從而避免不必要的和昂貴的停機時間。

為了確保靈活且經(jīng)濟高效的部署，工業(yè)WSN中的每個節(jié)點都應(yīng)該能夠使用電池運行至少五年，因為這為用戶提供了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用覆蓋范圍的極大靈活性。作為基于TSCH的工業(yè)WSN的一個例子，ADI公司的SmartMesh產(chǎn)品通常工作在遠低于50μA的電流下，因此使用2節(jié)AA電池工作多年非常可行。在有良好能量收集來源的環(huán)境中，可以在能量收集上永久運行節(jié)點（見圖1）。

時間很重要

工業(yè)監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)至關(guān)重要。它們支撐著影響商品生產(chǎn)基本成本的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的及時性至關(guān)重要。在過去的十年中，基于確定性的TSCH的WSN系統(tǒng)已在廣泛的監(jiān)測和控制應(yīng)用中得到了現(xiàn)場驗證。這些時隙系統(tǒng)，如WirelessHART，提供帶時間戳、有時限的數(shù)據(jù)傳輸。在這些網(wǎng)絡(luò)中，需要更多發(fā)送數(shù)據(jù)機會的節(jié)點會自動配置更多時隙，通過在網(wǎng)絡(luò)中的連續(xù)路徑上提供多個時隙，可以實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)的低延遲傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)也大大提高了部署頻繁傳輸?shù)拿芗W(wǎng)絡(luò)的能力。如果沒有時間表，非TSCH無線網(wǎng)絡(luò)將因無線電流量的不協(xié)調(diào)泛濫而崩潰。

此外，TSCH 網(wǎng)絡(luò)中的每個數(shù)據(jù)包都包含一個準確的時間戳，指示其發(fā)送時間，并且如果需要，每個節(jié)點還提供網(wǎng)絡(luò)范圍的時間，以協(xié)調(diào) WSN 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的控制信號。時間戳數(shù)據(jù)的可用性使應(yīng)用程序能夠正確排序數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)是無序接收的，這有助于診斷必須協(xié)調(diào)來自多個傳感器的信息的工業(yè)應(yīng)用中的精確因果關(guān)系。

網(wǎng)絡(luò)運營的可見性是關(guān)鍵

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要連續(xù)運行多年，但無論網(wǎng)絡(luò)多么強大，問題仍然可能發(fā)生。在安裝時運行良好的網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量在其運行壽命期間可能會受到各種環(huán)境因素的影響。針對此類問題的早期和適當警報是任何工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個重要方面，快速診斷和解決問題的能力是服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。在提供網(wǎng)絡(luò)管理指標的可見性方面，并非所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是平等的。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)至少應(yīng)提供以下可見性：

無線鏈路質(zhì)量，以信號強度 （RSSI） 為單位。

端到端數(shù)據(jù)包成功率。

網(wǎng)格質(zhì)量，突出顯示沒有足夠的備用路由來維護可靠網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。

節(jié)點狀態(tài)和電池壽命（如果適用）。

在最好的工業(yè)實現(xiàn)中，智能網(wǎng)絡(luò)將通過在備用路徑上自動重新路由數(shù)據(jù)來修復此類問題，同時不斷升級網(wǎng)絡(luò)拓撲以最大限度地提高連接性（見圖 2）。

智能物聯(lián)網(wǎng)值得智能網(wǎng)絡(luò)

人們相當關(guān)注將越來越多的智能投入到事物中，但這并不是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中“智能”的唯一地方。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用智能終端節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)和安全管理功能，以反映企業(yè)IT和OT必須提供的最佳功能。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有高度可配置性，以適應(yīng)特定的應(yīng)用需求。鑒于實現(xiàn)長電池壽命的低功耗要求，應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)電源可用性的自我了解和智能路由，以最大限度地提高全網(wǎng)功耗。此外，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)自動適應(yīng)RF環(huán)境中的變化，這些變化可能有利于拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。ADI公司的SmartMesh網(wǎng)絡(luò)管理器不僅提供網(wǎng)絡(luò)安全、管理和路由優(yōu)化，還允許用戶在需要時通過無線方式重新編程節(jié)點，從而隨著客戶需求的發(fā)展為未來功能提供升級路徑。

物聯(lián)網(wǎng)在很大程度上是一種工業(yè)現(xiàn)象，具有明確的業(yè)務(wù)驅(qū)動因素和引人注目的投資回報率。在這些關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用中，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須滿足智能、安全和可靠的無線運行的高標準?，F(xiàn)有和新興的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準可以滿足這些嚴格的要求，這些標準將成為關(guān)鍵的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建模塊，幫助工業(yè)客戶在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代實現(xiàn)業(yè)務(wù)和服務(wù)轉(zhuǎn)型（見圖3）。

審核編輯：郭婷