摘要
在發(fā)展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 以及滿足相關(guān)的工業(yè)傳感器無(wú)線連網(wǎng)需求方面，已經(jīng)做了很多。不過(guò)，工業(yè)設(shè)備及應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求與家用環(huán)境完全不同，可靠性和安全性是高居工業(yè)應(yīng)用要求的榜首。本文重點(diǎn)討論特定于工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)要求。
引言
低功率處理器、智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和低功率傳感器以及“大數(shù)據(jù)”分析的出現(xiàn)導(dǎo)致人們對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)興趣大增。簡(jiǎn)言之，這些技術(shù)相結(jié)合使得能夠?qū)⒋罅總鞲衅鞣胖玫饺魏蔚胤剑翰粌H是通信和電力基礎(chǔ)設(shè)施存在的地方，也可以是任何有寶貴信息需要收集的地方，這些信息關(guān)乎“物體”的行為方式、在哪里或者是什么。給諸如機(jī)器、泵、管道、火車車廂等“物體”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，在各種工業(yè)環(huán)境中，定制傳感器及網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)大量存在。過(guò)去，這類運(yùn)行技術(shù) （Operations Technology，簡(jiǎn)稱 OT） 系統(tǒng)作為單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，保持很高的網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性標(biāo)準(zhǔn)，用消費(fèi)類技術(shù)根本無(wú)法滿足這樣高的要求。按照這些高標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾可用的技術(shù)，最終剩下的是最適合關(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，這些傳感器的連網(wǎng)方式?jīng)Q定了傳感器是否可以安全、能否具成本效益以部署在工業(yè)應(yīng)用所處的典型嚴(yán)酷環(huán)境中。本文探討一些使工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) （WSN） 與眾不同的關(guān)鍵要求。
可靠性與安全性位居于首。對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用而言，成本常常是最重要的系統(tǒng)屬性，與此不同，工業(yè)應(yīng)用一般將可靠性和安全性放在最重要的位置。根據(jù) OnWorld 對(duì)全球工業(yè) WSN 用戶進(jìn)行的調(diào)查，可靠性和安全性是他們提到的兩個(gè)最重要的問(wèn)題 （見(jiàn)參考 1）。一個(gè)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)，如果想到這一點(diǎn)，就不會(huì)對(duì)上述調(diào)查結(jié)果感到意外了。這就是可靠性和安全性對(duì)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言必不可少的原因。
一種提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的通用原則是用冗余方法，在有冗余的情況下，針對(duì)可能出現(xiàn)問(wèn)題的失效機(jī)制使系統(tǒng)能夠在沒(méi)有數(shù)據(jù)損失的前提下得到恢復(fù)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有兩種基本的機(jī)會(huì)利用冗余。第一種是空間冗余概念，即每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)都可以與至少兩個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信，而且路由機(jī)制允許數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)，但仍然能夠到達(dá)預(yù)期的最終目的地。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與兩個(gè)或更多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)通信，恰當(dāng)構(gòu)成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)相比，可靠性更高，因?yàn)樵谶@樣的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，如果第一條通路不可用，就自動(dòng)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(gè)可用通道實(shí)現(xiàn)。通道跳頻概念指的是，成對(duì)節(jié)點(diǎn)每次傳送數(shù)據(jù)時(shí)可以使用不同的通道，因此任何給定通道在不斷變化的嚴(yán)酷 RF 環(huán)境中暫時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題都不會(huì)影響數(shù)據(jù)傳送，嚴(yán)酷的 RF 環(huán)境是工業(yè)應(yīng)用所處的典型環(huán)境。在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 標(biāo)準(zhǔn)中，有 15 個(gè)擴(kuò)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(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)采用了空間冗余和通道冗余這兩種技術(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)稱為時(shí)隙通道跳頻 （TSCH），其中包括 IEC62591 （WirelessHART） 和即將出臺(tái)的 IETF 6TiSCH 標(biāo)準(zhǔn) （見(jiàn)參考 2）。這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用了全球可用的無(wú)牌照 2.4GHz 頻譜中的無(wú)線頻率，是以凌力爾特 Dust Networks 部所做工作為基礎(chǔ)演變而來(lái)， 2002 年從 SmartMesh 產(chǎn)品開(kāi)始，Dust Networks 率先將 TSCH 協(xié)議應(yīng)用到低功率、資源受限的設(shè)備上。
盡管在嚴(yán)酷的 RF 環(huán)境中，TSCH 是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性必不可少的基本構(gòu)件，但是要實(shí)現(xiàn)多年連續(xù)、無(wú)故障運(yùn)行，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)方式也很關(guān)鍵。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)常常必須運(yùn)行很多年，而且將終生面對(duì)多種不同的 RF 挑戰(zhàn)和數(shù)據(jù)傳送要求。因此，實(shí)現(xiàn)與有線網(wǎng)絡(luò)一樣可靠性所需的最后一個(gè)要素是智能網(wǎng)絡(luò)管理軟件，這類軟件動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌B續(xù)監(jiān)視鏈路質(zhì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)關(guān)鍵屬性。在 WSN 中實(shí)現(xiàn)安全性的主要目標(biāo)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 – 任何接收到的信息都得到確認(rèn)，完全是所發(fā)送的信息，對(duì)內(nèi)容沒(méi)有任何添加、刪減或修改。
真實(shí)性 – 聲稱來(lái)自給定來(lái)源的信息實(shí)際上確實(shí)來(lái)自該來(lái)源。如果將時(shí)間作為驗(yàn)證方法的一部分，那么真實(shí)性還可保護(hù)信息免于被錄制和回放。
必須納入 WSN 以達(dá)到上述目標(biāo)要求的關(guān)鍵安全技術(shù)包括：強(qiáng)大的加密算法 （例如 AES128） 和堅(jiān)固的密鑰及密鑰管理、阻止重發(fā)攻擊的密碼級(jí)隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器、針對(duì)每條信息的信息完整性校驗(yàn) （MIC）、以及明確地允許或禁止訪問(wèn)特定設(shè)備的訪問(wèn)控制列表 （ACL）。這些最新無(wú)線安全技術(shù)可以輕而易舉地納入很多現(xiàn)有 WSN 中使用的設(shè)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(shù) （見(jiàn)參考 3）。請(qǐng)注意，安全 WSN 與不安全網(wǎng)關(guān)的連接是另一個(gè)脆弱點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮端到端的安全性。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不是由無(wú)線專家安裝的。成熟行業(yè)大多在傳統(tǒng)產(chǎn)品基礎(chǔ)上增加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)，這些行業(yè)的客戶之部署環(huán)境既有老設(shè)備又有新設(shè)備。工業(yè) WSN 中的智能性必須體現(xiàn)在使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品具備易用性，使現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠無(wú)縫過(guò)渡到新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該快速地自助形成，這樣安裝人員就可以留給站點(diǎn)一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)連接較弱或無(wú)連接時(shí)，通過(guò)自我修復(fù)避免服務(wù)中斷；當(dāng)服務(wù)確實(shí)中斷時(shí)，進(jìn)行自助報(bào)告和診斷；一般部署完成后，僅需要很少的或者不需要維護(hù)，從而避免現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)導(dǎo)致的高成本。對(duì)很多應(yīng)用而言，其成功部分取決于能否在難以到達(dá)或非常危險(xiǎn)的地區(qū)部署，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須靠電池運(yùn)行，一般要運(yùn)行超過(guò) 5 年時(shí)間。
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(gè)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(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。幸運(yùn)的是，理解并滿足這種要求的國(guó)際性行業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)就位，其中包括 IEEE 802.15.4e TSCH。
傳感器無(wú)處不在。就工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，準(zhǔn)確放置傳感器或控制點(diǎn)是至關(guān)重要的。無(wú)線技術(shù)的承諾是無(wú)需連線即可通信，但是如果需要每隔幾小時(shí)或數(shù)月通過(guò)插入電源插座或再充電來(lái)給無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電，那么部署成本會(huì)令人望而卻步，而且這么做也不切實(shí)際。例如，給旋轉(zhuǎn)設(shè)備加上傳感器以監(jiān)視設(shè)備的工作狀況，不可能使用有線連接，但是通過(guò)監(jiān)視運(yùn)行中的設(shè)備而獲得的信息使客戶能夠預(yù)期地維護(hù)關(guān)鍵設(shè)備，從而避免不希望出現(xiàn)和花費(fèi)不菲的的宕機(jī)。
為了確保靈活和具經(jīng)濟(jì)效益的部署，工業(yè) WSN 中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該能夠靠電池運(yùn)行至少 5 年時(shí)間，這樣就為用戶提供了達(dá)到極致的靈活性，擴(kuò)大工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的覆蓋范圍。作為工業(yè) TSCH WSN 的一個(gè)例子，凌力爾特的 SmartMesh 產(chǎn)品一般以遠(yuǎn)低于 50？A 的電流工作，因此可以靠?jī)晒?jié) AA 電池運(yùn)行很多年。如果周圍環(huán)境有豐富的可收集能源，那么無(wú)線節(jié)點(diǎn)還可以靠能量收集連續(xù)運(yùn)行 （參見(jiàn)圖 1）。
圖 1：傳感器無(wú)處不在 – 由收集的能量連續(xù)供電的低功率無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，例如這個(gè)來(lái)自 ABB 可收集熱量之無(wú)線溫度傳感器，可以放置在最佳位置，以獲得更多工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)。
時(shí)間問(wèn)題。工業(yè)監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵業(yè)務(wù)型的。這種網(wǎng)絡(luò)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(shí)性是至關(guān)重要的。過(guò)去 10 年來(lái)，確定性 TSCH WSN 系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)多種監(jiān)視和控制應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)。這類時(shí)隙系統(tǒng) （例如 WirelessHART） 其數(shù)據(jù)傳送是蓋上時(shí)間戳和有時(shí)間限制的。在這類網(wǎng)絡(luò)中，自動(dòng)為需要更多數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)會(huì)的節(jié)點(diǎn)配置更多時(shí)隙，而且通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中的相繼通路上配置多個(gè)時(shí)隙，可以在這種網(wǎng)絡(luò)中實(shí)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頻繁、密集的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)的部署能力。如果沒(méi)有一個(gè)時(shí)間表，洪水般無(wú)序涌入的無(wú)線流量會(huì)使非 TSCH 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)崩潰。
此外，TSCH 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)數(shù)據(jù)包都含有準(zhǔn)確的時(shí)間戳信息，指示該數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可獲得全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)間，以在需要時(shí)跨 WSN 節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)控制信號(hào)。由于提供了時(shí)間戳數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)未按順序接收也能正確地對(duì)數(shù)據(jù)排序，在面對(duì)必須協(xié)調(diào)來(lái)自多個(gè)傳感器信息的工業(yè)應(yīng)用中，時(shí)間戳數(shù)據(jù)在診斷確切原因和影響時(shí)是很有幫助。
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可視性是關(guān)鍵。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求連續(xù)運(yùn)行很多年，然而無(wú)論一個(gè)網(wǎng)絡(luò)多么堅(jiān)固，仍然有可能發(fā)生問(wèn)題。即使網(wǎng)絡(luò)在安裝時(shí)運(yùn)行良好，但是在其運(yùn)行壽命期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量還是可能受到各種環(huán)境因素的影響。針對(duì)這類問(wèn)題提前發(fā)出適當(dāng)?shù)木瘓?bào)對(duì)任何工業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言都是很重要，而能夠快速診斷并解決問(wèn)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(biāo)的可視性，并非對(duì)所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都要一視同仁。不過(guò)，至少工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)應(yīng)該針對(duì)以下方面提供可視性：
·用信號(hào)強(qiáng)度 （RSSI） 來(lái)衡量的無(wú)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(méi)有足夠備用路徑的節(jié)點(diǎn)以保持網(wǎng)絡(luò)可靠性
·節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和電池壽命 （在適用的情況下）
在采用智能網(wǎng)絡(luò)的最佳工業(yè)應(yīng)用部署中，修復(fù)這類問(wèn)題的方法是，自動(dòng)在替換路徑上重新發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)連續(xù)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌宰畲笙薅鹊靥岣哌B接性 （參見(jiàn)圖 2）。
圖 2：網(wǎng)絡(luò)可視性 – 網(wǎng)絡(luò)管理軟件針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)健康狀況提供至關(guān)重要的可視性，例如這款來(lái)自 Emerson Process Management 公司的SNAP-ON 實(shí)用軟件工具
智能“物體”應(yīng)該擁有智能網(wǎng)絡(luò)。人們對(duì)提高“物體”智能化程度相當(dāng)關(guān)注，但是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，這并非“智能化”的惟一歸屬地。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該既利用智能化終端節(jié)點(diǎn)，又利用企業(yè)IT和運(yùn)行技術(shù)部門必須提供的最佳網(wǎng)絡(luò)和安全管理功能。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是高度可配置以滿足特定應(yīng)用需求。例如要滿足延長(zhǎng)電池壽命的低功率要求，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(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗。此外，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該自動(dòng)地適應(yīng) RF 環(huán)境變化，出現(xiàn)這種變化時(shí)，能夠動(dòng)態(tài)改變拓?fù)淇梢愿欣Ａ枇柼氐?SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)管理器 （SmartMesh Network Manger） 不僅實(shí)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(shí)通過(guò)空中重新設(shè)定節(jié)點(diǎn)，以提供一條功能升級(jí)途徑，適應(yīng)客戶未來(lái)的需求變化。
結(jié)論
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(wù)驅(qū)動(dòng)力和引人注目的投資回報(bào)。在關(guān)鍵業(yè)務(wù)型應(yīng)用中，工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須滿足很高的智能化和安全性標(biāo)準(zhǔn)，并能夠無(wú)需導(dǎo)線可靠運(yùn)行很多年。現(xiàn)有及新出現(xiàn)的無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)可以滿足這些嚴(yán)格要求，這些標(biāo)準(zhǔn)將成為關(guān)鍵的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基本構(gòu)件，有助于工業(yè)客戶在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)及服務(wù)變革 （參見(jiàn)圖 3）。
圖 3：促進(jìn)變革 – 軟件分析 （例如 IntelliSense.io 公司的 Brains.App 軟件） 利用來(lái)自工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化工廠運(yùn)作、優(yōu)化產(chǎn)量并提高安全性。
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