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

2022-02-11 11:39 媒體合作

導(dǎo)讀: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、火車車廂等對(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,都部署了大量專用傳感器及網(wǎng)絡(luò)。過(guò)去,這類運(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-magazine/2012/october/web-exclusive-industrial-wireless-sensor-networks/#sthash.cl3G9ze5.dpuf)

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  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,這類軟件可動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌B續(xù)監(jiān)視鏈路質(zhì)量,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。如果周圍環(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)。

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  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)?,以最大限度地提高連接性(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)。

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  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

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