工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和相關的工業(yè)傳感器無線連接需求都在不斷變化和發(fā)展。但工業(yè)設備和應用的聯(lián)網(wǎng)需求與消費領域大不相同,，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)絡的一些關鍵的網(wǎng)絡要求,。

低功耗處理器,、智能無線網(wǎng)絡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,，將這些技術相結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設施所在的地方，也可以是任何可以收集有關對象的行為方式,、位置或內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,。過去，這類運行技術(OT)系統(tǒng)作為單獨的網(wǎng)絡運行,，保持很高的網(wǎng)絡可靠性和安全性標準,，而消費類技術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,，最終選擇的是最適合關鍵業(yè)務型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的技術。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(WSN)與眾不同的關鍵要求,。

可靠性與安全性最重要

對消費類應用而言,，成本常常是最重要的考慮因素，而工業(yè)應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)商品的質量和效率以及工人的人身安全常常取決于這些網(wǎng)絡,。這就是可靠性和安全性對工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡而言必不可少的原因。

1 工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡：趨勢和發(fā)展（https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2012/october/web-exclusive-industrial-wireless-sensor-networks/#sthash.cl3G9ze5.dpuf）

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)絡可靠性的通用原則是用冗余方法,，在有冗余的情況下,，針對可能出現(xiàn)問題的失效機制使系統(tǒng)能夠在沒有數(shù)據(jù)損失的前提下得到恢復。在無線傳感器網(wǎng)絡中,，有兩種基本的機會利用冗余,。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)轉發(fā)給兩個節(jié)點中的任意一個,，但仍然能夠到達預期的最終目的地,。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，每個節(jié)點都可以與兩個或更多個相鄰節(jié)點通信,，恰當構成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡與點對點網(wǎng)絡相比,，可靠性更高，因為在這樣的網(wǎng)狀網(wǎng)絡中,，如果第一條通路不可用,，就自動在另一條通路上發(fā)送數(shù)據(jù)。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，因此任何給定通道在不斷變化的嚴酷 RF 環(huán)境中暫時出現(xiàn)問題都不會影響數(shù)據(jù)傳送,，嚴酷的 RF 環(huán)境是工業(yè)應用所處的典型環(huán)境,。在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 標準中，有 15 個擴展頻譜通道可用于跳頻,，從而使通道跳頻系統(tǒng)有了比非跳頻 (單通道) 系統(tǒng)大得多的彈性,。有幾種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡標準同時采用了空間冗余和通道冗余這兩種技術，這些標準稱為時隙通道跳頻 (TSCH),，其中包括 IEC62591 (WirelessHART) 和即將出臺的 IETF 6TiSCH 標準 (見參考 2),。這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡標準運用了全球可用的無牌照 2.4GHz 頻譜中的無線頻率，是以凌力爾特 Dust Networks? 部所做工作為基礎演變而來,， 2002 年從 SmartMesh? 產(chǎn)品開始,，Dust Networks 率先將 TSCH 協(xié)議應用到低功率、資源受限的設備上,。

　　盡管在嚴酷的 RF 環(huán)境中,，TSCH 是實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性必不可少的基本構件，但是要實現(xiàn)多年連續(xù),、無故障運行,，網(wǎng)狀網(wǎng)絡的建立和維護方式也很關鍵。工業(yè)無線網(wǎng)絡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，實現(xiàn)與有線網(wǎng)絡一樣可靠性所需的最后一個要素是智能網(wǎng)絡管理軟件,，這類軟件動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲,，連續(xù)監(jiān)視鏈路質量，以在存在干擾和 RF 環(huán)境變化的情況下,，最大限度提高吞吐量,。

　　安全性是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的另一個關鍵屬性。在 WSN 中實現(xiàn)安全性的主要目標是：

　　·保密性 – 在網(wǎng)絡中傳送的數(shù)據(jù)除了預期接收者,，不能被其他任何人讀取,。

　　·完整性 – 任何接收到的信息都得到確認,，完全是所發(fā)送的信息，對內容沒有任何添加,、刪減或修改,。

　　·真實性 – 聲稱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法的一部分,，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鍵安全技術包括：強大的加密算法 (例如 AES128) 和堅固的密鑰及密鑰管理、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備的訪問控制列表 (ACL)。這些最新無線安全技術可以輕而易舉地納入很多現(xiàn)有 WSN 中使用的設備,，但是并非所有 WSN 產(chǎn)品和協(xié)議都納入了所有安全技術 (見參考 3),。請注意，安全 WSN 與不安全網(wǎng)關的連接是另一個脆弱點,，在系統(tǒng)設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)品的基礎上增加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務，這些客戶的部署環(huán)境中既有老設備也有新設備,。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)絡應能夠快速自建，這樣安裝人員就可以交付一個穩(wěn)定運行的網(wǎng)絡,；當連接較弱或失去連接時,，通過自我修復避免服務中斷；當服務發(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)應用而言,，準確放置傳感器或控制點至關重要,。借助無線技術有望實現(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,，為旋轉設備配備傳感器以監(jiān)視設備的工作狀況,，不可能使用有線連接，但是客戶通過監(jiān)視運行中的設備獲得相關信息能夠對關鍵設備實施預測維護,，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)絡可視性——通過網(wǎng)絡管理軟件可查看與無線網(wǎng)絡健康狀況相關的重要信息,，

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：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)絡免受攻擊，Kristofer Pister和Jonathan Simon,，網(wǎng)址：https://electronicdesign.com/communications/ secure-wireless-sensor-networks-against-attacks

時間問題

工業(yè)監(jiān)視和控制網(wǎng)絡是關鍵業(yè)務型的,。這種網(wǎng)絡鞏固了影響商品生產(chǎn)基本成本的系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)及時性是至關重要的,。過去 10 年來,，確定性 TSCH WSN 系統(tǒng)已經(jīng)過多種監(jiān)視和控制應用的現(xiàn)場考驗。這類時隙系統(tǒng) (例如 WirelessHART) 其數(shù)據(jù)傳送是蓋上時間戳和有時間限制的。在這類網(wǎng)絡中,，自動為需要更多數(shù)據(jù)發(fā)送機會的節(jié)點配置更多時隙,，而且通過在網(wǎng)絡中的相繼通路上配置多個時隙，可以在這種網(wǎng)絡中實現(xiàn)低延遲傳送,。這種數(shù)據(jù)傳送協(xié)調能力還極大地提高了頻繁,、密集的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡的部署能力。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)絡崩潰,。

　　此外，TSCH 網(wǎng)絡中的每個數(shù)據(jù)包都含有準確的時間戳信息,，指示該數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間,，而且每個節(jié)點都可獲得全網(wǎng)統(tǒng)一時間，以在需要時跨 WSN 節(jié)點協(xié)調控制信號,。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，在面對必須協(xié)調來自多個傳感器信息的工業(yè)應用中,，時間戳數(shù)據(jù)在診斷確切原因和影響時是很有幫助,。

網(wǎng)絡運行的可視性是關鍵

工業(yè)網(wǎng)絡要求連續(xù)運行很多年，然而無論一個網(wǎng)絡多么堅固,，仍然有可能發(fā)生問題,。即使網(wǎng)絡在安裝時運行良好，但是在其運行壽命期內,，網(wǎng)絡質量還是可能受到各種環(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)絡而言都是很重要，而能夠快速診斷并解決問題也是高質量服務的關鍵,。談到提供網(wǎng)絡管理指標的可視性,，并非對所有無線傳感器網(wǎng)絡都要一視同仁。不過,，至少工業(yè)無線網(wǎng)絡的管理系統(tǒng)應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量

　　·端到端數(shù)據(jù)包傳送成功率

　　·網(wǎng)格質量，突出顯示沒有足夠備用路徑的節(jié)點以保持網(wǎng)絡可靠性

　　·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)絡的最佳工業(yè)應用部署中,，修復這類問題的方法是,，自動在替換路徑上重新發(fā)送數(shù)據(jù)，同時連續(xù)更新網(wǎng)絡拓撲,，以最大限度地提高連接性 (參見圖 2),。

智能“物體”應該擁有智能網(wǎng)絡

人們對提高“物體”智能化程度相當關注，但是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中,，這并非“智能化”的惟一歸屬地,。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡應該既利用智能化終端節(jié)點，又利用企業(yè)IT和運行技術部門必須提供的最佳網(wǎng)絡和安全管理功能,。網(wǎng)絡應該是高度可配置以滿足特定應用需求,。例如要滿足延長電池壽命的低功率要求,，就應該具備自助獲知網(wǎng)絡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)絡的功耗,。此外,，網(wǎng)絡應該自動地適應 RF 環(huán)境變化，出現(xiàn)這種變化時,，能夠動態(tài)改變拓撲可以更有利,。凌力爾特的 SmartMesh 網(wǎng)絡管理器 (SmartMesh Network Manger) 不僅實現(xiàn)網(wǎng)絡安全、管理和路由優(yōu)化,，而且允許用戶在需要時通過空中重新設定節(jié)點,，以提供一條功能升級途徑，適應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,，有明確的業(yè)務驅動力和引人注目的投資回報。在關鍵業(yè)務型應用中,，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡必須滿足很高的智能化和安全性標準,，并能夠無需導線可靠運行很多年。現(xiàn)有及新出現(xiàn)的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡標準可以滿足這些嚴格要求,，這些標準將成為關鍵的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基本構件,，有助于工業(yè)客戶在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代實現(xiàn)業(yè)務及服務變革 (參見圖 3)。

圖 3：促進變革 – 軟件分析 (例如 IntelliSense.io 公司的 Brains.App 軟件) 利用來自工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)簡化工廠運作,、優(yōu)化產(chǎn)量并提高安全性,。

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