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

摘要

在發(fā)展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 以及滿足相關(guān)的工業(yè)傳感器無線連網(wǎng)需求方面，已經(jīng)做了很多。不過，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)致人們對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)興趣大增。簡言之，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。過去，這類運(yùn)行技術(shù) (Operations Technology，簡稱 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)根本無法滿足這樣高的要求。按照這些高標(biāo)準(zhǔn)過濾可用的技術(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)最重要的問題 (見參考 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)，就不會對上述調(diào)查結(jié)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(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(xiàn)問題的失效機(jī)制使系統(tǒng)能夠在沒有數(shù)據(jù)損失的前提下得到恢復(fù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有兩種基本的機(jī)會利用冗余。第一種是空間冗余概念，即每個(gè)無線節(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)問題都不會影響數(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) 和即將出臺的 IETF 6TiSCH 標(biāo)準(zhǔn) (見參考 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(chǔ)演變而來， 2002 年從 SmartMesh^® 產(chǎn)品開始，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)無線網(wǎng)絡(luò)常常必須運(yùn)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(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，對內(nèi)容沒有任何添加、刪減或修改。

真實(shí)性 – 聲稱來自給定來源的信息實(shí)際上確實(shí)來自該來源。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)攻擊的密碼級隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器、針對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特定設(shè)備的訪問控制列表 (ACL)。這些最新無線安全技術(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(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)場工作人員能夠無縫過渡到新的工業(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)連接較弱或無連接時(shí)，通過自我修復(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)場維護(hù)導(dǎo)致的高成本。對很多應(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 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際性行業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)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(yīng)用而言，準(zhǔn)確放置傳感器或控制點(diǎn)是至關(guān)重要的。無線技術(shù)的承諾是無需連線即可通信，但是如果需要每隔幾小時(shí)或數(shù)月通過插入電源插座或再充電來給無線節(jié)點(diǎn)供電，那么部署成本會令人望而卻步，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 50µA 的電流工作，因此可以靠兩節(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，那么無線節(jié)點(diǎn)還可以靠能量收集連續(xù)運(yùn)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(diǎn)，例如這個(gè)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(shí)間問題。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。過去 10 年來，確定性 TSCH WSN 系統(tǒng)已經(jīng)過多種監(jiān)視和控制應(yīng)用的現(xiàn)場考驗(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，自動為需要更多數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)會的節(jié)點(diǎn)配置更多時(shí)隙，而且通過在網(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。如果沒有一個(gè)時(shí)間表，洪水般無序涌入的無線流量會使非 TSCH 無線網(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。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數(shù)據(jù)排序，在面對必須協(xié)調(diào)來自多個(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r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，然而無論一個(gè)網(wǎng)絡(luò)多么堅(jiān)固，仍然有可能發(fā)生問題。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。針對這類問題提前發(fā)出適當(dāng)?shù)木瘓?bào)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，并非對所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都要一視同仁。不過，至少工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)應(yīng)該針對以下方面提供可視性：

· 用信號強(qiáng)度 (RSSI) 來衡量的無線鏈路質(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)這類問題的方法是，自動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 (參見圖 2)。

圖 2：網(wǎng)絡(luò)可視性 – 網(wǎng)絡(luò)管理軟件針對無線網(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)該自動地適應(yīng) RF 環(huán)境變化，出現(xiàn)這種變化時(shí)，能夠動態(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)通過空中重新設(shè)定節(jié)點(diǎn)，以提供一條功能升級途徑，適應(yīng)客戶未來的需求變化。

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)，并能夠無需導(dǎo)線可靠運(yùn)行很多年?，F(xiàn)有及新出現(xiàn)的無線網(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) 利用來自工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)簡化工廠運(yùn)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