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

　　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，這類運行技術(shù) (Operations Technology，簡稱 OT) 系統(tǒng)作為單獨的網(wǎng)絡(luò)運行，保持很高的網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性標(biāo)準(zhǔn)，用消費類技術(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 用戶進行的調(diào)查，可靠性和安全性是他們提到的兩個最重要的問題 (見參考 1)。一個公司的盈利能力、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，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，有兩種基本的機會利用冗余。第一種是空間冗余概念，即每個無線節(jié)點都可以與至少兩個其他節(jié)點通信，而且路由機制允許數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給兩個節(jié)點中的任意一個，但仍然能夠到達預(yù)期的最終目的地。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都可以與兩個或更多個相鄰節(jié)點通信，恰當(dāng)構(gòu)成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與點對點網(wǎng)絡(luò)相比，可靠性更高，因為在這樣的網(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 頻譜中的多個可用通道實現(xiàn)。通道跳頻概念指的是，成對節(jié)點每次傳送數(shù)據(jù)時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 個擴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 是實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性必不可少的基本構(gòu)件，但是要實現(xiàn)多年連續(xù)、無故障運行，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的建立和維護方式也很關(guān)鍵。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)常常必須運行很多年，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，實現(xiàn)與有線網(wǎng)絡(luò)一樣可靠性所需的最后一個要素是智能網(wǎng)絡(luò)管理軟件，這類軟件動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲，連續(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)的另一個關(guān)鍵屬性。在 WSN 中實現(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，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。

　　真實性 – 聲稱來自給定來源的信息實際上確實來自該來源。如果將時間作為驗證方法的一部分，那么真實性還可保護信息免于被錄制和回放。

　　必須納入 WSN 以達到上述目標(biāo)要求的關(guān)鍵安全技術(shù)包括：強大的加密算法 (例如 AES128) 和堅固的密鑰及密鑰管理、阻止重發(fā)攻擊的密碼級隨機數(shù)字發(fā)生器、針對每條信息的信息完整性校驗 (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)的連接是另一個脆弱點，在系統(tǒng)設(shè)計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一個穩(wěn)定運行的網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)連接較弱或無連接時，通過自我修復(fù)避免服務(wù)中斷；當(dāng)服務(wù)確實中斷時，進行自助報告和診斷；一般部署完成后，僅需要很少的或者不需要維護，從而避免現(xiàn)場維護導(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或非常危險的地區(qū)部署，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須靠電池運行，一般要運行超過 5 年時間。

　　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，而且需要實現(xiàn)多站點標(biāo)準(zhǔn)化。幸運的是，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或數(shù)月通過插入電源插座或再充電來給無線節(jié)點供電，那么部署成本會令人望而卻步，而且這么做也不切實際。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)視運行中的設(shè)備而獲得的信息使客戶能夠預(yù)期地維護關(guān)鍵設(shè)備，從而避免不希望出現(xiàn)和花費不菲的的宕機。

　　為了確保靈活和具經(jīng)濟效益的部署，工業(yè) WSN 中的每個節(jié)點都應(yīng)該能夠靠電池運行至少 5 年時間，這樣就為用戶提供了達到極致的靈活性，擴大工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的覆蓋范圍。作為工業(yè) TSCH WSN 的一個例子，凌力爾特的 SmartMesh 產(chǎn)品一般以遠低于 50μA 的電流工作，因此可以靠兩節(jié) AA 電池運行很多年。如果周圍環(huán)境有豐富的可收集能源，那么無線節(jié)點還可以靠能量收集連續(xù)運行 (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，例如這個來自 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。這類時隙系統(tǒng) (例如 WirelessHART) 其數(shù)據(jù)傳送是蓋上時間戳和有時間限制的。在這類網(wǎng)絡(luò)中，自動為需要更多數(shù)據(jù)發(fā)送機會的節(jié)點配置更多時隙，而且通過在網(wǎng)絡(luò)中的相繼通路上配置多個時隙，可以在這種網(wǎng)絡(luò)中實現(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。如果沒有一個時間表，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)中的每個數(shù)據(jù)包都含有準(zhǔn)確的時間戳信息，指示該數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間，而且每個節(jié)點都可獲得全網(wǎng)統(tǒng)一時間，以在需要時跨 WSN 節(jié)點協(xié)調(diào)控制信號。由于提供了時間戳數(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)來自多個傳感器信息的工業(yè)應(yīng)用中，時間戳數(shù)據(jù)在診斷確切原因和影響時是很有幫助。