【導讀】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和相關(guān)的工業(yè)傳感器無線連接需求都在不斷變化和發(fā)展。但工業(yè)設(shè)備和應(yīng)用的聯(lián)網(wǎng)需求與消費領(lǐng)域大不相同，在工業(yè)IOT上是將可靠性和安全性放在首位。本白皮書主要探討工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)要求。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和相關(guān)的工業(yè)傳感器無線連接需求都在不斷變化和發(fā)展。但工業(yè)設(shè)備和應(yīng)用的聯(lián)網(wǎng)需求與消費領(lǐng)域大不相同，在工業(yè)IOT上是將可靠性和安全性放在首位。本白皮書主要探討工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)要求。
低功耗處理器、智能無線網(wǎng)絡(luò)和低功耗傳感器以及“大數(shù)據(jù)分析”的出現(xiàn)引發(fā)了人們對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的濃厚興趣。簡言之，將這些技術(shù)相結(jié)合使大量傳感器可以放置到任何地方：不僅是通信和電力基礎(chǔ)設(shè)施所在的地方，也可以是任何可以收集有關(guān)對象的行為方式、位置或內(nèi)容等重要信息的地方。為機器、泵、管道、火車車廂等對象配備傳感器的做法在工業(yè)界并不是什么新鮮事。從煉油廠到生產(chǎn)線等各種工業(yè)環(huán)境中，都部署了大量專用傳感器及網(wǎng)絡(luò)。過去，這類運行技術(shù)(OT)系統(tǒng)作為單獨的網(wǎng)絡(luò)運行，保持很高的網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性標準，而消費類技術(shù)根本無法滿足這樣高的要求。按照這些高標準篩選適用的技術(shù)，最終選擇的是最適合關(guān)鍵業(yè)務(wù)型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)。尤其是，這些傳感器的聯(lián)網(wǎng)方式?jīng)Q定了傳感器是否能夠安全、可靠且經(jīng)濟高效地部署在工業(yè)應(yīng)用的嚴苛環(huán)境中。本白皮書探討一些使工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)與眾不同的關(guān)鍵要求。
可靠性與安全性最重要
對消費類應(yīng)用而言，成本常常是最重要的考慮因素，而工業(yè)應(yīng)用一般將可靠性和安全性放在首要位置。根據(jù)ON World對全球工業(yè)WSN用戶進行的調(diào)查，可靠性和安全性是他們提到的兩個最重要的問題。1一個公司的盈利能力、工人生產(chǎn)商品的質(zhì)量和效率以及工人的人身安全常常取決于這些網(wǎng)絡(luò)。這就是可靠性和安全性對工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言必不可少的原因。
1 工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：趨勢和發(fā)展（https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magaz...）
圖1.傳感器無處不在。通過能量采集系統(tǒng)供電的低功耗無線傳感器節(jié)點（例如這個來自ABB、由采集的熱能驅(qū)動的無線溫度傳感器）可以放置在適當位置，以獲得更多工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)
一種提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的通用原則是提供冗余，針對可能出現(xiàn)的問題設(shè)置故障恢復機制，使系統(tǒng)能夠在不丟失數(shù)據(jù)的情況下恢復運行。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，利用冗余有兩種方式。第一種是空間冗余概念，即每個無線節(jié)點都可以與至少兩個其他節(jié)點通信，而且路由機制允許數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給兩個節(jié)點中的任意一個，但仍然能夠到達預(yù)期的最終目的地。在設(shè)計合理的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都可以與兩個或更多個相鄰節(jié)點通信，如果第一條通路不可用，就自動切換到另一條通路發(fā)送數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與點對點網(wǎng)絡(luò)相比，具有更高的可靠性。第二種冗余可以利用RF頻譜中的多個可用通道實現(xiàn)。通道跳頻概念指的是，成對節(jié)點每次傳送數(shù)據(jù)時可以使用不同的通道，因此在工業(yè)應(yīng)用面對的不斷變化的惡劣RF環(huán)境中，任何給定通道暫時出現(xiàn)問題都不會影響數(shù)據(jù)傳送。在IEEE 802.15.4 2.4GHz標準中，有15個擴頻通道可用于跳頻，使通道跳頻系統(tǒng)具有比非跳頻（單通道）系統(tǒng)更大的彈性。有幾種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準采用了這種空間和通道雙重冗余的時隙信道跳頻(TSCH)技術(shù)，其中包括IEC62591 (WirelessHART)和即將推出的IETF 6TiSCH標準。2這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準運用了全球可用的免許可2.4GHz頻譜中的無線頻率，這些源于ADI公司SmartMesh團隊所做的工作，2002年從SmartMesh產(chǎn)品開始，該團隊率先將TSCH協(xié)議應(yīng)用到低功耗、資源受限的設(shè)備上。
盡管在惡劣的RF環(huán)境中，TSCH是確保數(shù)據(jù)可靠性的基本要素，但是要實現(xiàn)多年連續(xù)、無故障運行，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的建立和維護方式也很關(guān)鍵。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)常常必須運行很多年，而且將終生面對多種不同的RF挑戰(zhàn)和數(shù)據(jù)傳送要求。因此，要具有與有線網(wǎng)絡(luò)一樣的可靠性，還必須配備智能網(wǎng)絡(luò)管理軟件，這類軟件可動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲，連續(xù)監(jiān)視鏈路質(zhì)量，能夠應(yīng)對干擾和RF環(huán)境變化，最大限度地提高吞吐量。
安全性是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個關(guān)鍵特性。在WSN中實現(xiàn)安全性的主要目標是：
保密性：在網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)除了預(yù)期接收者，不能被其他任何人讀取。
完整性：確認任何收到的信息與發(fā)送的信息完全一致，沒有任何添加、刪減或修改。
真實性：斷言來自給定來源的信息實際上確實來自該來源。如果將時間作為驗證方案的一部分，那么真實性還可保護信息免于被錄制和回放。
必須納入WSN以達到上述目標要求的關(guān)鍵安全技術(shù)包括：強大的加密算法（例如AES128）以及可靠的密鑰和密鑰管理、阻止重發(fā)攻擊的密碼級隨機數(shù)字發(fā)生器、針對每條信息的信息完整性校驗(MIC)，以及明確地允許或禁止訪問特定設(shè)備的訪問控制表(ACL)。這些先進的無線安全技術(shù)可以輕松集成到當今WSN中使用的很多設(shè)備中，但是并非所有WSN產(chǎn)品和協(xié)議都采用了所有安全技術(shù)。3請注意，安全WSN與非安全網(wǎng)關(guān)的連接是另一個薄弱點，在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮端到端的安全性。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)并非由無線專家安裝
成熟行業(yè)大多是在傳統(tǒng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)，這些客戶的部署環(huán)境中既有老設(shè)備也有新設(shè)備。工業(yè)WSN體現(xiàn)的智能性必須使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品易于使用，實現(xiàn)無縫過渡，讓現(xiàn)有現(xiàn)場工作人員輕松使用新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠快速自建，這樣安裝人員就可以交付一個穩(wěn)定運行的網(wǎng)絡(luò)；當連接較弱或失去連接時，通過自我修復避免服務(wù)中斷；當服務(wù)發(fā)生中斷時，進行自助報告和診斷；一般部署完成后，僅需要很少的或者不需要維護，從而避免現(xiàn)場維護導致的高成本。很多應(yīng)用的成敗部分取決于能否在難以到達或存在危險的地區(qū)部署，因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須依靠電池運行，一般需要持續(xù)運行5年以上。
另外，既然最終用戶廣泛采用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)常常涵蓋整個公司范圍，那么系統(tǒng)就應(yīng)該可用于全球部署，而且需要實現(xiàn)多站點標準化。幸運的是，理解并滿足這種要求的國際性行業(yè)無線標準已經(jīng)就位，其中包括IEEE 802.15.4e TSCH。
傳感器無處不在
就工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，準確放置傳感器或控制點至關(guān)重要。借助無線技術(shù)有望實現(xiàn)無線通信，但是如果需要每隔幾小時或數(shù)月通過插入電源插座或再充電來給無線節(jié)點供電，那么部署成本會令人望而卻步，而且這么做也不切實際。例如，為旋轉(zhuǎn)設(shè)備配備傳感器以監(jiān)視設(shè)備的工作狀況，不可能使用有線連接，但是客戶通過監(jiān)視運行中的設(shè)備獲得相關(guān)信息能夠?qū)﹃P(guān)鍵設(shè)備實施預(yù)測維護，從而避免不必要的代價不菲的停機。
為確保實現(xiàn)靈活、經(jīng)濟高效的部署，工業(yè)WSN中的每個節(jié)點都應(yīng)能夠依靠電池運行至少5年，這樣就為用戶帶來了極大的靈活性，并且擴大了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的覆蓋范圍。作為工業(yè)TSCH WSN的一個例子，ADI公司的SmartMesh產(chǎn)品一般以遠低于50μA的電流工作，因此可以靠兩節(jié)AA電池運行很多年。如果周圍環(huán)境有豐富的儲集能源，那么無線節(jié)點還可以通過儲能實現(xiàn)連續(xù)運行（參見圖1）。
圖2.網(wǎng)絡(luò)可視性——通過網(wǎng)絡(luò)管理軟件可查看與無線網(wǎng)絡(luò)健康狀況相關(guān)的重要信息，例如Emerson Process Management的這款SNAP-ON軟件實用工具
2 6TiSCH無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：確定性滿足IPv6標準：Maria Rita Palattella1、Pascal Thubert2、Xavier Vilajosana3,4、Thomas Watteyne4,5、Qin Wang4,6、Thomas Engel1 發(fā)布于：IEEE通信雜志（第52卷，第12期）。
3 保護無線傳感器網(wǎng)絡(luò)免受攻擊，Kristofer Pister和Jonathan Simon，網(wǎng)址：http://electronicdesign.com/communications/ secure-wireless-sensor-networks-against-attacks
時間問題
工業(yè)監(jiān)控和控制網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵型業(yè)務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)支撐著影響商品生產(chǎn)基本成本的系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)及時性至關(guān)重要。過去10年來，確定性TSCH WSN系統(tǒng)已經(jīng)過多種監(jiān)視和控制應(yīng)用的現(xiàn)場考驗。這類時隙系統(tǒng)（例如WirelessHART）提供帶時間戳、有時間限制的數(shù)據(jù)傳輸。在這類網(wǎng)絡(luò)中，需要更多數(shù)據(jù)發(fā)送機會的節(jié)點將會自動配置更多時隙，而且通過在網(wǎng)絡(luò)中的連續(xù)通路上配置多個時隙，可以在這種網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)低延遲傳送。這種數(shù)據(jù)傳送協(xié)調(diào)能力還極大地提高了部署頻繁傳送數(shù)據(jù)的密集網(wǎng)絡(luò)的能力。如果沒有一個時間表，洪水般無序涌入的無線流量會使非TSCH無線網(wǎng)絡(luò)崩潰。
此外，TSCH網(wǎng)絡(luò)中的每個數(shù)據(jù)包都包含準確的時間戳信息，指示該數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間，而且每個節(jié)點都可以獲得全網(wǎng)統(tǒng)一時間，以便需要時在WSN節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)控制信號。由于提供了時間戳數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)未按順序接收也能正確地對數(shù)據(jù)排序，在必須協(xié)調(diào)來自多個傳感器信息的工業(yè)應(yīng)用中，時間戳數(shù)據(jù)在診斷確切原因和影響時很有幫助。
網(wǎng)絡(luò)運行的可視性是關(guān)鍵
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要連續(xù)運行很多年，然而無論一個網(wǎng)絡(luò)多么穩(wěn)固，仍然有可能發(fā)生問題。即使網(wǎng)絡(luò)在安裝時運行良好，但網(wǎng)絡(luò)在其運行壽命期內(nèi)的質(zhì)量仍可能受各種環(huán)境因素的影響。針對這類問題提前發(fā)出適當?shù)木瘓髮θ魏喂I(yè)網(wǎng)絡(luò)而言都很重要，而能夠快速診斷并解決問題也是高質(zhì)量服務(wù)的關(guān)鍵。談到提供網(wǎng)絡(luò)管理指標的可視性，并非所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是同樣的要求。不過，至少工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)應(yīng)該針對以下方面提供可視性：
用信號強度(RSSI)來衡量的無線鏈路質(zhì)量
端到端數(shù)據(jù)包傳送成功率。
網(wǎng)格質(zhì)量，突出顯示沒有足夠備用路徑的節(jié)點以保持網(wǎng)絡(luò)可靠性。
節(jié)點狀態(tài)和電池壽命（在適用的情況下）。
在采用智能網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化工業(yè)應(yīng)用中，通過自動在替換路徑上重新發(fā)送數(shù)據(jù)可解決上述問題，同時不斷更新網(wǎng)絡(luò)拓撲，以最大限度地提高連接性（參見圖2）。
智能“萬物”應(yīng)該擁有智能網(wǎng)絡(luò)
人們對提高“萬物”的智能化水平相當關(guān)注，但是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的“智能”并非只體現(xiàn)在這一點。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用智能終端節(jié)點并提供網(wǎng)絡(luò)和安全管理功能，以展現(xiàn)企業(yè)IT和運行技術(shù)部門配置的技術(shù)優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是高度可配置的，以滿足特定應(yīng)用需求。例如要滿足延長電池壽命的低功耗要求，就應(yīng)該具備自助獲知網(wǎng)絡(luò)可用功率的能力并采用智能化路由，以最大限度優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)的功耗。此外，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)自動適應(yīng)RF環(huán)境變化，出現(xiàn)這種變化時，能夠動態(tài)改變拓撲可能更有利。ADI公司的SmartMesh網(wǎng)絡(luò)管理器不僅可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全、管理和路由優(yōu)化，而且允許用戶在需要時通過無線網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)定節(jié)點，以提供一條功能升級途徑，適應(yīng)客戶未來的需求變化。
物聯(lián)網(wǎng)在很大程度上是一種工業(yè)現(xiàn)象，可以推動業(yè)務(wù)發(fā)展，帶來出色的投資回報率。在這些業(yè)務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須滿足智能、安全和可靠無線運行的高標準，支持多年持續(xù)運行。這些嚴格要求可以通過現(xiàn)有和新興的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準來實現(xiàn)，這些標準將成為關(guān)鍵的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建要素，可以幫助工業(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（參見圖3）。
圖3.推動實現(xiàn)變革——軟件分析，例如來自IntelliSense.io的Brains.App軟件，利用工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)來簡化工廠運營，并優(yōu)化產(chǎn)出和提高安全性
（來源：ADI公司，作者：Joy Weiss，ADI公司IoT安全與解決方案副總裁；Ross Yu，ADI公司SmartMesh?產(chǎn)品部產(chǎn)品營銷經(jīng)理）
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