分布式智能控制系統(tǒng)的通信架構注意事項

　　構建和運營分布式智能系統(tǒng)，例如灌溉項目和智能物聯(lián)網(wǎng)建筑，必須在提供卓越功能和運營成本之間取得平衡——尤其是在維護系統(tǒng)所需的工作量方面。分布式網(wǎng)絡越大，運營商保持系統(tǒng)正常運行所需的復雜性、成本和潛在干預就越高。

　　我們將了解通信架構的謹慎選擇如何避免維護開銷成本，同時提供卓越的功能。

　　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)量也增加了，這些設備之間連接和通信的復雜性也隨之增加。當傳感器和執(zhí)行器相對于彼此在地理上分布時，這種通信復雜性會進一步放大。

　　在典型的小型灌溉系統(tǒng)中，所有必要的處理都集中在一個控制單元中，該控制單元依賴于本地定時器功能、灌溉調度器和開關，以將電力輸送到閥門螺線管，這些螺線管控制通過灌溉系統(tǒng)的水流。系統(tǒng)的子部分。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)添加傳感器以減輕用戶的部分或大部分責任，以進行必要的動態(tài)調整以保持系統(tǒng)效率，并在發(fā)生故障時檢測并自主響應。當灌溉項目服務的物理區(qū)域分布更廣泛時，考慮更復雜的通信選項變得合適，這些選項也使處理能夠分布在整個系統(tǒng)中，以提高效率、可靠性和節(jié)省成本。

　　盡管每個項目之間的具體細節(jié)和技術限制會有所不同，但溝通的好處和權衡適用于所有分布式控制項目。例如，智能建筑火災探測和自動噴水滅火系統(tǒng)的考慮與我們的智能灌溉示例非常相似。雖然物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設備的智能建筑安裝可能無法處理水，但它處理來自建筑物中各種傳感器和執(zhí)行器的通信、處理和協(xié)調信息的相同問題。

　　許多智能和分布式控制系統(tǒng)安裝在環(huán)境中，而不是包含在單個包或設備中。灌溉系統(tǒng)安裝在地塊、溫室和田地中，這些系統(tǒng)將被反復操作以支持不同的種植。智能建筑物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同樣安裝在建筑物中，其使用可能會隨著時間而改變。

　　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成對的執(zhí)行器組的相關輸出。傳感器和致動器組可能由重復類型的傳感器和致動器組成，但它們在操作環(huán)境中按接近程度分組在一起。每個成對的集合也可以共享相同的通信和電源管理實現(xiàn)。

　　這種與環(huán)境的密切關系在構建環(huán)境的同時安裝智能系統(tǒng)或將其改造到現(xiàn)有環(huán)境中產(chǎn)生了不同的考慮。

　　圖 1：分布式智能控制系統(tǒng)使用一組傳感器來監(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，則可能有機會在適當?shù)沫h(huán)境保護下有效地使用硬接線通信以及其他基礎設施組件。對于我們的灌溉示例，這可能意味著在埋入地下的水線附近安裝電力和通信線。

　　但是，如果您要在現(xiàn)有設施中添加或升級控制系統(tǒng)、修復損壞的節(jié)點，甚至只是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)，則使用無線通信和電池可能更有意義新節(jié)點的本地電源。無線通信為在環(huán)境具有挑戰(zhàn)性的地點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。

　　選擇的 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)并控制每個節(jié)點中的執(zhí)行器。通信協(xié)議應包括跨平臺支持，以便在更換或添加新節(jié)點時，您可以靈活地使用同類最佳或價格合理的設備，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輕松地批量部署新設備或替換設備，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依靠電池供電的節(jié)點尤其重要。選擇避免過于健談的軟件 API 將有助于減少電池消耗。

　　安全

　　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，因為您不能依靠物理訪問控制來保護您的系統(tǒng)。采用多級安全性至關重要，包括設備上沒有開放端口和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，而且積極主動的攻擊者可以找到意想不到的創(chuàng)造性方法來命令您的執(zhí)行器喪失能力、損壞甚至加速磨損在執(zhí)行器上。

　　Digi International 的 XB24CAUIT-001 XBee? S2C 802.15.4 RF 模塊針對低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡。這些模塊基于Silicon Labs EM357 SoC，支持 250 Kbps 的數(shù)據(jù)速率，室內范圍為 200 英尺，室外視距范圍高達 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。

　　這足以為家庭花園、溫室和田地提供通信基礎設施。指定的范圍是使用集成鞭狀 （1.5 dBi） 和偶極 （2.1 dBi） 天線時的典型范圍。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? 變體將戶外范圍擴展到 2 英里，以支持更大的商業(yè)田間灌溉。

　　RF 模塊采用 128 位 AES 加密并支持 UART、SPI 和無線固件更新。ZigBee? PRO 2007 協(xié)議是 HA 就緒的，支持在 ISM 2.4 GHz 頻段運行的綁定/多播。Xbee 模塊支持點對點、點對點以及多點和星型拓撲，并且它們可以根據(jù) ZigBee PRO 和 DigiMESH? 協(xié)議進行更新。

　　這些模塊無需配置即可提供簡單、開箱即用的射頻通信。Digi XCTU 是一個免費的多平臺配置和測試實用程序，它提供了一個圖形界面來設置、配置和測試 Xbee 射頻模塊。它包括諸如圖形網(wǎng)絡查看器之類的工具，其中包括每個連接處的信號強度，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 ：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)控辦公室的應用示例。（圖片由 Digi International 提供）

　　圖 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)和智能建筑應用有關，還與我們的示例灌溉項目有關，因為我們的灌溉控制系統(tǒng)可以訪問天氣服務，以進一步提高運行準確性和效率。

　　結論

　　智能和分布式控制系統(tǒng)起源于較小范圍的項目。這些項目通過添加傳感器和執(zhí)行器發(fā)展成為分布式控制系統(tǒng)，這些傳感器和執(zhí)行器能夠自動和動態(tài)地調整系統(tǒng)的運行，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、處理器和本地電源組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，對安全問題進行深思熟慮的設計工作至關重要，因為惡意攻擊者可能有足夠的創(chuàng)造力來造成意想不到的破壞和破壞。獲得對建筑物環(huán)境控制的控制權為惡作劇提供了無數(shù)選擇。最好通過對系統(tǒng)的網(wǎng)絡、處理和設備控制訪問執(zhí)行智能分區(qū)來防止這種惡作劇。