面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

摘要

在發(fā)展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 以及滿(mǎn)足相關(guān)的工業(yè)傳感器無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)需求方面，已經(jīng)做了很多。不過(guò)，工業(yè)設備及應用的網(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)應用要求的榜首。本文重點(diǎn)討論特定于工業(yè)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和低功率傳感器以及“大數據”分析的出現導致人們對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)興趣大增。簡(jiǎn)言之，這些技術(shù)相結合使得能夠將大量傳感器放置到任何地方：不僅是通信和電力基礎設施存在的地方，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。給諸如機器、泵、管道、火車(chē)車(chē)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(chǎng)到生產(chǎn)線(xiàn)，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(lèi)運行技術(shù) (Operations Technology，簡(jiǎn)稱(chēng) OT) 系統作為單獨的網(wǎng)絡(luò )運行，保持很高的網(wǎng)絡(luò )可靠性和安全性標準，用消費類(lèi)技術(shù)根本無(wú)法滿(mǎn)足這樣高的要求。按照這些高標準過(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)應用所處的典型嚴酷環(huán)境中。本文探討一些使工業(yè)無(wú)線(xiàn)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。對消費類(lèi)應用而言，成本常常是最重要的系統屬性，與此不同，工業(yè)應用一般將可靠性和安全性放在最重要的位置。根據 OnWorld 對全球工業(yè) WSN 用戶(hù)進(jìn)行的調查，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 )對上述調查結果感到意外了。這就是可靠性和安全性對工業(yè)無(wú)線(xiàn)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，針對可能出現問(wèn)題的失效機制使系統能夠在沒(méi)有數據損失的前提下得到恢復。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，有兩種基本的機會(huì )利用冗余。第一種是空間冗余概念，即每個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)都可以與至少兩個(gè)其他節點(diǎn)通信，而且路由機制允許數據轉發(fā)給兩個(gè)節點(diǎn)中的任意一個(gè)，但仍然能夠到達預期的最終目的地。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)都可以與兩個(gè)或更多個(gè)相鄰節點(diǎn)通信，恰當構成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )與點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )相比，可靠性更高，因為在這樣的網(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)送數據。第二種冗余可以利用 RF 頻譜中的多個(gè)可用通道實(shí)現。通道跳頻概念指的是，成對節點(diǎn)每次傳送數據時(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酷 RF 環(huán)境中暫時(shí)出現問(wèn)題都不會(huì )影響數據傳送，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(gè)擴展頻譜通道可用于跳頻，從而使通道跳頻系統有了比非跳頻 (單通道) 系統大得多的彈性。有幾種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )標準同時(shí)采用了空間冗余和通道冗余這兩種技術(shù)，這些標準稱(chēng)為時(shí)隙通道跳頻 (TSCH)，其中包括 IEC62591 (WirelessHART) 和即將出臺的 IETF 6TiSCH 標準 (見(jiàn)參考 2)。這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )標準運用了全球可用的無(wú)牌照 2.4GHz 頻譜中的無(wú)線(xiàn)頻率，是以凌力爾特 Dust Networks^® 部所做工作為基礎演變而來(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(shí)現數據可靠性必不可少的基本構件，但是要實(shí)現多年連續、無(wú)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(wú)線(xiàn)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 挑戰和數據傳送要求。因此，實(shí)現與有線(xiàn)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(lèi)軟件動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )拓撲，連續監視鏈路質(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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)關(guān)鍵屬性。在 WSN 中實(shí)現安全性的主要目標是：

保密性 – 在網(wǎng)絡(luò )中傳送的數據除了預期接收者，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(méi)有任何添加、刪減或修改。

真實(shí)性 – 聲稱(chēng)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)間作為驗證方法的一部分，那么真實(shí)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) 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(fǎng)問(wèn)特定設備的訪(fǎng)問(wèn)控制列表 (ACL)。這些最新無(wú)線(xiàn)安全技術(shù)可以輕而易舉地納入很多現有 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(shù) (見(jiàn)參考 3)。請注意，安全 WSN 與不安全網(wǎng)關(guān)的連接是另一個(gè)脆弱點(diǎn)，在系統設計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(xiàn)專(zhuān)家安裝的。成熟行業(yè)大多在傳統產(chǎn)品基礎上增加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)，這些行業(yè)的客戶(hù)之部署環(huán)境既有老設備又有新設備。工業(yè) WSN 中的智能性必須體現在使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品具備易用性，使現有現場(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)穩定運行的網(wǎng)絡(luò );當連接較弱或無(wú)連接時(shí)，通過(guò)自我修復避免服務(wù)中斷;當服務(wù)確實(shí)中斷時(shí)，進(jìn)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，從而避免現場(chǎng)維護導致的高成本。對很多應用而言，其成功部分取決于能否在難以到達或非常危險的地區部署，因此物聯(lián)網(wǎng)設備必須靠電池運行，一般要運行超過(guò) 5 年時(shí)間。

另外，既然最終用戶(hù)廣泛采用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)常常涵蓋整個(gè)公司范圍，那么系統就應該可用于全球部署，而且需要實(shí)現多站點(diǎn)標準化。幸運的是，理解并滿(mǎn)足這種要求的國際性行業(yè)無(wú)線(xiàn)標準已經(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)應用而言，準確放置傳感器或控制點(diǎn)是至關(guān)重要的。無(wú)線(xiàn)技術(shù)的承諾是無(wú)需連線(xiàn)即可通信，但是如果需要每隔幾小時(shí)或數月通過(guò)插入電源插座或再充電來(lái)給無(wú)線(xiàn)節點(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，給旋轉設備加上傳感器以監視設備的工作狀況，不可能使用有線(xiàn)連接，但是通過(guò)監視運行中的設備而獲得的信息使客戶(hù)能夠預期地維護關(guān)鍵設備，從而避免不希望出現和花費不菲的的宕機。

為了確保靈活和具經(jīng)濟效益的部署，工業(yè) WSN 中的每個(gè)節點(diǎn)都應該能夠靠電池運行至少 5 年時(shí)間，這樣就為用戶(hù)提供了達到極致的靈活性，擴大工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的覆蓋范圍。作為工業(yè) TSCH WSN 的一個(gè)例子，凌力爾特的 SmartMesh 產(chǎn)品一般以遠低于 50µA 的電流工作，因此可以靠?jì)晒?AA 電池運行很多年。如果周?chē)h(huán)境有豐富的可收集能源，那么無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)還可以靠能量收集連續運行 (參見(jiàn)圖 1)。

圖 1：傳感器無(wú)處不在 – 由收集的能量連續供電的低功率無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，例如這個(gè)來(lái)自 ABB 可收集熱量之無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，可以放置在最佳位置，以獲得更多工業(yè)環(huán)境數據。

時(shí)間問(wèn)題。工業(yè)監視和控制網(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，其數據及時(shí)性是至關(guān)重要的。過(guò)去 10 年來(lái)，確定性 TSCH WSN 系統已經(jīng)過(guò)多種監視和控制應用的現場(chǎng)考驗。這類(lèi)時(shí)隙系統 (例如 WirelessHART) 其數據傳送是蓋上時(shí)間戳和有時(shí)間限制的。在這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中，自動(dòng)為需要更多數據發(fā)送機會(huì )的節點(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)現低延遲傳送。這種數據傳送協(xié)調能力還極大地提高了頻繁、密集的數據傳送網(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(xiàn)流量會(huì )使非 TSCH 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )崩潰。

此外，TSCH 網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)數據包都含有準確的時(shí)間戳信息，指示該數據包的發(fā)送時(shí)間，而且每個(gè)節點(diǎn)都可獲得全網(wǎng)統一時(shí)間，以在需要時(shí)跨 WSN 節點(diǎn)協(xié)調控制信號。由于提供了時(shí)間戳數據，即使數據未按順序接收也能正確地對數據排序，在面對必須協(xié)調來(lái)自多個(gè)傳感器信息的工業(yè)應用中，時(shí)間戳數據在診斷確切原因和影響r是很有幫助。

網(wǎng)絡(luò )運行的可視性是關(guān)鍵。工業(yè)網(wǎng)絡(luò )要求連續運行很多年，然而無(wú)論一個(gè)網(wǎng)絡(luò )多么堅固，仍然有可能發(fā)生問(wèn)題。即使網(wǎng)絡(luò )在安裝時(shí)運行良好，但是在其運行壽命期內，網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量還是可能受到各種環(huán)境因素的影響。針對這類(lèi)問(wèn)題提前發(fā)出適當的警報對任何工業(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 )管理指標的可視性，并非對所有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )都要一視同仁。不過(guò)，至少工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的管理系統應該針對以下方面提供可視性：

· 用信號強度 (RSSI) 來(lái)衡量的無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量

· 端到端數據包傳送成功率

· 網(wǎng)格質(zhì)量，突出顯示沒(méi)有足夠備用路徑的節點(diǎn)以保持網(wǎng)絡(luò )可靠性

· 節點(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)應用部署中，修復這類(lèi)問(wèn)題的方法是，自動(dòng)在替換路徑上重新發(fā)送數據，同時(shí)連續更新網(wǎng)絡(luò )拓撲，以最大限度地提高連接性 (參見(jiàn)圖 2)。

圖 2：網(wǎng)絡(luò )可視性 – 網(wǎng)絡(luò )管理軟件針對無(wú)線(xiàn)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”應該擁有智能網(wǎng)絡(luò )。人們對提高“物體”智能化程度相當關(guān)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(luò )應該既利用智能化終端節點(diǎn)，又利用企業(yè)IT和運行技術(shù)部門(mén)必須提供的最佳網(wǎng)絡(luò )和安全管理功能。網(wǎng)絡(luò )應該是高度可配置以滿(mǎn)足特定應用需求。例如要滿(mǎn)足延長(cháng)電池壽命的低功率要求，就應該具備自助獲知網(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 )應該自動(dòng)地適應 RF 環(huán)境變化，出現這種變化時(shí)，能夠動(dòng)態(tài)改變拓撲可以更有利。凌力爾特的 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )管理器 (SmartMesh Network Manger) 不僅實(shí)現網(wǎng)絡(luò )安全、管理和路由優(yōu)化，而且允許用戶(hù)在需要時(shí)通過(guò)空中重新設定節點(diǎn)，以提供一條功能升級途徑，適應客戶(hù)未來(lái)的需求變化。

結論

物聯(lián)網(wǎng)在很大程度上是一種工業(yè)現象，有明確的業(yè)務(wù)驅動(dòng)力和引人注目的投資回報。在關(guān)鍵業(yè)務(wù)型應用中，工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須滿(mǎn)足很高的智能化和安全性標準，并能夠無(wú)需導線(xiàn)可靠運行很多年?，F有及新出現的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )標準可以滿(mǎn)足這些嚴格要求，這些標準將成為關(guān)鍵的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基本構件，有助于工業(yè)客戶(hù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代實(shí)現業(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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據簡(jiǎn)化工廠(chǎng)運作、優(yōu)化產(chǎn)量并提高安全性。

參考：

1. Industrial Wireless Sensor Networks: Trends and Developments

https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2012/october/web-exclusive-industrial-wireless-sensor-networks/#sthash.cl3G9ze5.dpuf

2. 6TiSCH Wireless Industrial Networks: Determinism Meets IPv6: Maria Rita Palattella, Pascal Thubert, Xavier Vilajosana, Thomas Watteyne, Qin Wang, and Thomas Engel.

發(fā)表于IEEE 《Communications Magazine》 (第 52 卷，第 12 期)

3. Secure Wireless Sensor Networks Against Attacks, Kristofer Pister and Jonathan Simon,

http://electronicdesign.com/communications/secure-wireless-sensor-networks-against-attacks