【導(dǎo)讀】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和相關(guān)的工業(yè)傳感器無(wú)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(fèi)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(shū)主要探討工業(yè)無(wú)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(wú)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(fèi)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(shū)主要探討工業(yè)無(wú)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(wú)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(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的濃厚興趣。簡(jiǎn)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(duì)象的行為方式、位置或內(nèi)容等重要信息的地方。為機(jī)器、泵、管道、火車(chē)車(chē)廂等對(duì)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(zhuān)用傳感器及網(wǎng)絡(luò)。過(guò)去，這類(lèi)運(yùn)行技術(shù)(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)，而消費(fèi)類(lèi)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)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(jì)高效地部署在工業(yè)應(yīng)用的嚴(yán)苛環(huán)境中。本白皮書(shū)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。
可靠性與安全性最重要
對(duì)消費(fèi)類(lèi)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(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。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)。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。
1 工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：趨勢(shì)和發(fā)展（https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magaz...）
圖1.傳感器無(wú)處不在。通過(guò)能量采集系統(tǒng)供電的低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（例如這個(gè)來(lái)自ABB、由采集的熱能驅(qū)動(dòng)的無(wú)線溫度傳感器）可以放置在適當(dāng)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(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題設(shè)置故障恢復(fù)機(jī)制，使系統(tǒng)能夠在不丟失數(shù)據(jù)的情況下恢復(fù)運(yùn)行。在無(wú)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(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。在設(shè)計(jì)合理的網(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，如果第一條通路不可用，就自動(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(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，因此在工業(yè)應(yīng)用面對(duì)的不斷變化的惡劣RF環(huán)境中，任何給定通道暫時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題都不會(huì)影響數(shù)據(jù)傳送。在IEEE 802.15.4 2.4GHz標(biāo)準(zhǔn)中，有15個(gè)擴(kuò)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(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)采用了這種空間和通道雙重冗余的時(shí)隙信道跳頻(TSCH)技術(shù)，其中包括IEC62591 (WirelessHART)和即將推出的IETF 6TiSCH標(biāo)準(zhǔn)。2這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用了全球可用的免許可2.4GHz頻譜中的無(wú)線頻率，這些源于ADI公司SmartMesh團(tuán)隊(duì)所做的工作，2002年從SmartMesh產(chǎn)品開(kāi)始，該團(tuán)隊(duì)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(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，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(lèi)軟件可動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，連續(xù)監(jiān)視鏈路質(zhì)量，能夠應(yīng)對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)關(guān)鍵特性。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：確認(rèn)任何收到的信息與發(fā)送的信息完全一致，沒(méi)有任何添加、刪減或修改。
真實(shí)性：斷言來(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)證方案的一部分，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）以及可靠的密鑰和密鑰管理、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)控制表(ACL)。這些先進(jìn)的無(wú)線安全技術(shù)可以輕松集成到當(dāng)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(qǐng)注意，安全WSN與非安全網(wǎng)關(guān)的連接是另一個(gè)薄弱點(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)并非由無(wú)線專(zhuān)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫過(guò)渡，讓現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)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(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)連接較弱或失去連接時(shí)，通過(guò)自我修復(fù)避免服務(wù)中斷；當(dāng)服務(wù)發(fā)生中斷時(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。很多應(yīng)用的成敗部分取決于能否在難以到達(dá)或存在危險(xiǎn)的地區(qū)部署，因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須依靠電池運(yùn)行，一般需要持續(xù)運(yùn)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(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)至關(guān)重要。借助無(wú)線技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，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，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(guò)監(jiān)視運(yùn)行中的設(shè)備獲得相關(guān)信息能夠?qū)﹃P(guān)鍵設(shè)備實(shí)施預(yù)測(cè)維護(hù)，從而避免不必要的代價(jià)不菲的停機(jī)。
為確保實(shí)現(xiàn)靈活、經(jīng)濟(jì)高效的部署，工業(yè)WSN中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)能夠依靠電池運(yùn)行至少5年，這樣就為用戶帶來(lái)了極大的靈活性，并且擴(kuò)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(gè)例子，ADI公司的SmartMesh產(chǎn)品一般以遠(yuǎn)低于50μA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?chē)h(huán)境有豐富的儲(chǔ)集能源，那么無(wú)線節(jié)點(diǎn)還可以通過(guò)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行（參見(jiàn)圖1）。
圖2.網(wǎng)絡(luò)可視性——通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理軟件可查看與無(wú)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(shí)用工具
2 6TiSCH無(wú)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：確定性滿足IPv6標(biāo)準(zhǔn)：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(hù)無(wú)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(shí)間問(wèn)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(shí)性至關(guān)重要。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(lèi)時(shí)隙系統(tǒng)（例如WirelessHART）提供帶時(shí)間戳、有時(shí)間限制的數(shù)據(jù)傳輸。在這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中，需要更多數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)會(huì)的節(jié)點(diǎn)將會(huì)自動(dòng)配置更多時(shí)隙，而且通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中的連續(xù)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部署頻繁傳送數(shù)據(jù)的密集網(wǎng)絡(luò)的能力。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)包都包含準(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)都可以獲得全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)間，以便需要時(shí)在WSN節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中協(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)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)需要連續(xù)運(yùn)行很多年，然而無(wú)論一個(gè)網(wǎng)絡(luò)多么穩(wěn)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，但網(wǎng)絡(luò)在其運(yùn)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(duì)這類(lèi)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，并非所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是同樣的要求。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)的優(yōu)化工業(yè)應(yīng)用中，通過(guò)自動(dòng)在替換路徑上重新發(fā)送數(shù)據(jù)可解決上述問(wèn)題，同時(shí)不斷更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌宰畲笙薅鹊靥岣哌B接性（參見(jiàn)圖2）。
智能“萬(wàn)物”應(yīng)該擁有智能網(wǎng)絡(luò)
人們對(duì)提高“萬(wàn)物”的智能化水平相當(dāng)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(diǎn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用智能終端節(jié)點(diǎn)并提供網(wǎng)絡(luò)和安全管理功能，以展現(xiàn)企業(yè)IT和運(yùn)行技術(shù)部門(mén)配置的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗。此外，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)自動(dòng)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)淇赡芨欣DI公司的SmartMesh網(wǎng)絡(luò)管理器不僅可實(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)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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。
物聯(lián)網(wǎng)在很大程度上是一種工業(yè)現(xiàn)象，可以推動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展，帶來(lái)出色的投資回報(bào)率。在這些業(yè)務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中，工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須滿足智能、安全和可靠無(wú)線運(yùn)行的高標(biāo)準(zhǔn)，支持多年持續(xù)運(yùn)行。這些嚴(yán)格要求可以通過(guò)現(xiàn)有和新興的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)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(shí)代實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和服務(wù)轉(zhuǎn)型（參見(jiàn)圖3）。
圖3.推動(dòng)實(shí)現(xiàn)變革——軟件分析，例如來(lái)自IntelliSense.io的Brains.App軟件，利用工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)來(lái)簡(jiǎn)化工廠運(yùn)營(yíng)，并優(yōu)化產(chǎn)出和提高安全性
（來(lái)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(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）
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