智能和分布式控制系統(tǒng)的安全通信注意事項

構建和運行分布式智能系統(tǒng)，例如灌溉項目和智能物聯(lián)網(wǎng)建筑，必須在提供優(yōu)質服務之間取得平衡能力和運營成本 - 特別是在維護系統(tǒng)所需的工作量方面。分布式網(wǎng)絡越大，操作員為保持系統(tǒng)正常運行所需的復雜性，成本和潛在干預就越高。

隨著智能應用程序的增加，它們使用的傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量也會增加，以及這些設備之間的連接和通信的復雜性。當傳感器和執(zhí)行器在地理上相對于彼此分布時，這種通信復雜性進一步放大。

在典型的小型灌溉系統(tǒng)中，所有必要的處理集中在一個依賴的單個控制單元中在本地定時器功能，灌溉調度器和開關上切換以向閥電磁閥供電，所述閥電磁閥控制通過系統(tǒng)子部分的水流。用戶有責任確保系統(tǒng)正常運行并根據(jù)需要進行調整，以確保其持續(xù)高效運行。

智能灌溉系統(tǒng)增加傳感器，以減輕用戶的部分或大部分責任，動態(tài)調整，以維持系統(tǒng)的效率，以及在發(fā)生故障時檢測和自主響應。當灌溉項目提供服務的物理區(qū)域分布更廣泛時，考慮更復雜的通信選項變得恰當，這也使得處理能夠在整個系統(tǒng)中分布，從而提高效率，可靠性和成本。

通信利益和權衡取舍適用于所有分布式控制項目，即使每個項目的具體細節(jié)和技術限制也不同。例如，智能建筑火災探測和噴水滅火系統(tǒng)與我們的智能灌溉示例具有非常相似的考慮因素。雖然物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備的智能建筑安裝可能無法處理水，但它處理與建筑物中各種傳感器和執(zhí)行器的信息通信，處理和協(xié)調相同的問題。

許多智能和分布式控制系統(tǒng)安裝在一個環(huán)境中，而不是包含在一個包或設備中。灌溉系統(tǒng)安裝在地塊，溫室和田地中，將被反復操縱以支持不同的種植。智能建筑物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同樣安裝在建筑物中，可以看到它們的使用隨時間變化。

圖1顯示了監(jiān)測環(huán)境的傳感器組之間的信號和處理流程以及配對組的相關輸出。執(zhí)行器。傳感器和執(zhí)行器組可以包括重復類型的傳感器和執(zhí)行器，但它們在操作環(huán)境中通過接近度組合在一起。每個配對集也可以共享相同的通信和電源管理實現(xiàn)。

這種與環(huán)境的密切關系會在構建環(huán)境的同時安裝智能系統(tǒng)或將其改裝到現(xiàn)有環(huán)境之間產(chǎn)生不同的考慮因素。

圖1：分布式智能控制系統(tǒng)使用多組傳感器監(jiān)控環(huán)境和成對執(zhí)行器組的結果，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。 （使用Scheme-it?創(chuàng)建的圖像）

如果控制系統(tǒng)與其他環(huán)境基礎設施一起安裝，則可能有機會有效地使用硬連線具有適當環(huán)境保護的通信以及其他基礎設施組件。對于我們的灌溉示例，這可能意味著在水線附近安裝電源線和通信線路。

但是，如果要將控制系統(tǒng)添加或升級到現(xiàn)有設施，請修復損壞的節(jié)點，或者甚至僅僅將分布式傳感器和執(zhí)行器節(jié)點的數(shù)量擴展到現(xiàn)有系統(tǒng)，使用無線通信和電池作為新節(jié)點的本地電源可能更有意義。無線通信為在環(huán)境惡劣的地區(qū)管理和操作改裝的分布式控制系統(tǒng)提供了最大的靈活性。

所選的RF模塊應該能夠支持雙向通信，以支持從傳感器收集數(shù)據(jù)并命令每個節(jié)點的執(zhí)行器。通信協(xié)議應包括跨平臺支持，以便在您更換或添加新節(jié)點時，您可以靈活地使用同類最佳或價格設備，而無需重新安裝整個系統(tǒng)。通信協(xié)議應允許用戶以即插即用的方式批量部署新的或替換設備，以便能夠自動檢測，跟蹤和報告每個設備的狀態(tài)。

RF模塊應包括對雙向消息緩沖的支持，以實現(xiàn)積極的電源管理策略。這對于難以訪問或遠程定位并使用電池供電的節(jié)點尤為重要。選擇避免過于繁瑣的軟件API將有助于減少電池消耗。

安全性

在分布式控制項目中使用無線通信時，安全性是一個重要問題，因為您無法依靠物理訪問控制來保護系統(tǒng)。采用多級安全性至關重要，包括在設備上沒有開放端口并提供設備級訪問控制。

惡意攻擊者不僅可以使用捕獲的傳感器信息來推斷您的操作方式和方式，但是，一個積極而持久的攻擊者可以找到意想不到的創(chuàng)造性方法來命令你的執(zhí)行器失效，損壞甚至加速執(zhí)行器的磨損。

Digi International的XB24CAUIT-001XBee?S2C802.15 .4射頻模塊面向低成本，低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡（圖2）。這些模塊基于Silicon Labs EM357 SoC，支持250 Kbps的數(shù)據(jù)速率，室內距離為200英尺，室外視距范圍可達4000英尺。該模塊采用DSSS（直接序列擴頻）抗干擾，工作溫度范圍為-40°C至+ 85°C。

圖2：Digi XBee S2C 802.15.4射頻模塊適用于低成本，低功耗的無線網(wǎng)絡，范圍為4000英尺，工作溫度范圍為-40?C至+85?C。 （圖片由Digi International提供）

這足以為家庭花園，溫室和田地提供通信基礎設施。當使用集成鞭狀（1.5 dBi）和偶極（2.1 dBi）天線時，指定的范圍是典型的。發(fā)射功率輸出可通過軟件選擇：6.3 mW（8 dBm）和3.1 mW（5 dBm）的升壓模式。 Xbee-PRO?變型將室外范圍擴展到2英里，以支持更大的商業(yè)現(xiàn)場灌溉。

RF模塊采用128位AES加密，支持UART，SPI和無線固件更新。 ZigBee?PRO2007協(xié)議支持HA，支持在ISM 2.4 GHz頻段運行的綁定/組播。 Xbee模塊支持點對點，點對點以及多點和星形拓撲，并且可以與ZigBee PRO和DigiMESH?協(xié)議進行更新。

模塊提供簡單，開箱即用的RF通信，無需配置。 Digi XCTU是一款免費的多平臺配置和測試實用程序，可提供用于設置，配置和測試Xbee RF模塊的圖形界面。它包括工具，如圖形網(wǎng)絡查看器，包括每個連接的信號強度，以及XBee API框架構建器，用于在模塊以API模式運行時構建和解釋API框架。

圖3：使用XBee RF模塊通過網(wǎng)關，蜂窩/VPN，設備云服務和以太網(wǎng)進入遠程監(jiān)控控制辦公室的應用示例。 （圖片由Digi International提供）

圖3中的應用示例表明，無線基礎設施可以通過直接控制系統(tǒng)之外的各種網(wǎng)絡技術和服務進行組合。這不僅與物聯(lián)網(wǎng)和智能建筑應用相關，而且與我們的示例灌溉項目相關，因為我們的灌溉控制系統(tǒng)可以獲得天氣服務，以進一步提高操作準確性和效率。

結論

智能和分布式控制系統(tǒng)在較小范圍的項目中找到它們的起源。這些項目通過添加傳感器和執(zhí)行器成為分布式控制系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)的運行進行自動和動態(tài)調整，以提高可靠性和效率，以及卸載最終用戶的故障檢測和響應。在許多情況下，這些系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有環(huán)境中，包括最終用戶的距離，訪問和安全問題。將新的成對傳感器，執(zhí)行器，處理器和本地電源無線連接到整個分布式系統(tǒng)的能力使用戶能夠擴展他們的系統(tǒng)以最好地滿足他們的需求，同時控制項目的可靠性和可擴展性。

然而，正如我們所描述的那樣，故意將設計工作放在安全問題上是至關重要的，因為惡意攻擊者可能具有足夠的創(chuàng)造力以造成意想不到的破壞和破壞。獲得對建筑物環(huán)境控制的控制為惡作劇提供了無數(shù)的選擇。最好通過對系統(tǒng)的網(wǎng)絡，處理和設備控制訪問進行智能分區(qū)來防止這種惡作劇。