摘要

在發(fā)展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 以及滿足相關的工業(yè)傳感器無線連網(wǎng)需求方面，已經做了很多。不過，工業(yè)設備及應用的網(wǎng)絡需求與家用環(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。本文重點討論特定于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的一些關鍵網(wǎng)絡要求。

引言

低功率處理器、智能無線網(wǎng)絡和低功率傳感器以及“大數(shù)據(jù)”分析的出現(xiàn)導致人們對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)興趣大增。簡言之，這些技術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。從煉油廠到生產線，在各種工業(yè)環(huán)境中，定制傳感器及網(wǎng)絡已經大量存在。過去，這類運行技術 (Operations Technology，簡稱 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，用消費類技術根本無法滿足這樣高的要求。按照這些高標準過濾可用的技術，最終剩下的是最適合關鍵業(yè)務型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的技術。尤其是，這些傳感器的連網(wǎng)方式決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)無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN) 與眾不同的關鍵要求。

可靠性與安全性位居于首。對消費類應用而言，成本常常是最重要的系統(tǒng)屬性，與此不同，工業(yè)應用一般將可靠性和安全性放在最重要的位置。根據(jù) OnWorld 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 (見參考 1)。一個公司的盈利能力、工人生產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，如果想到這一點，就不會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)無線傳感器網(wǎng)絡而言必不可少的原因。

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)不是由無線專家安裝的。成熟行業(yè)大多在傳統(tǒng)產品基礎上增加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產品和服務，這些行業(yè)的客戶之部署環(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(xiàn)在使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產品具備易用性，使現(xiàn)有現(xiàn)場工作人員能夠無縫過渡到新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產品。網(wǎng)絡應該快速地自助形成，這樣安裝人員就可以留給站點一個穩(wěn)定運行的網(wǎng)絡;當連接較弱或無連接時，通過自我修復避免服務中斷;當服務確實中斷時，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。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(qū)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 5 年時間。

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是至關重要的。無線技術的承諾是無需連線即可通信，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，給旋轉設備加上傳感器以監(jiān)視設備的工作狀況，不可能使用有線連接，但是通過監(jiān)視運行中的設備而獲得的信息使客戶能夠預期地維護關鍵設備，從而避免不希望出現(xiàn)和花費不菲的的宕機。

為了確保靈活和具經濟效益的部署，工業(yè) WSN 中的每個節(jié)點都應該能夠靠電池運行至少 5 年時間，這樣就為用戶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 的一個例子，凌力爾特的 SmartMesh 產品一般以遠低于 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)境有豐富的可收集能源，那么無線節(jié)點還可以靠能量收集連續(xù)運行 (參見圖 1)。

圖 1：傳感器無處不在 – 由收集的能量連續(xù)供電的低功率無線傳感器節(jié)點，例如這個來自 ABB 可收集熱量之無線溫度傳感器，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r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)。

圖 2：網(wǎng)絡可視性 – 網(wǎng)絡管理軟件針對無線網(wǎng)絡健康狀況提供至關重要的可視性，例如這款來自 Emerson Process Management 公司的SNAP-ON 實用軟件工具

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。

結論

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