用于工业物联网的无线传感器网络

作者：Joy Weiss and Ross Yu

工业物联网（IoT）以及工业传感器对无线连接的相关需求正在得到广泛关注。但是，工业设备和应用的网络需求与消费世界不同，可靠性和安全性在列表中名列前茅。本白皮书重点介绍了工业无线传感器网络特有的一些关键网络要求。

低功耗处理器、智能无线网络和低功耗传感器的出现，再加上“大数据分析”，引起了人们对工业物联网（IoT）的兴趣。简而言之，这种技术组合使大量传感器可以放置在任何地方：不仅仅是通信和电力基础设施存在的地方，而是任何可以收集有关“事物”如何，在哪里或是什么的宝贵信息的地方。用传感器对机器、泵、管道和轨道车等“事物”进行仪器化的概念对工业界来说并不陌生。专用传感器和网络已经在从炼油厂到生产线的工业环境中激增。从历史上看，这些运营技术（OT）系统一直作为独立的网络运行，保持着消费者技术根本无法满足的网络可靠性和安全性的高标准。这些高标准要求将可用技术过滤到最适合业务关键型工业物联网应用的技术。特别是，这些传感器的联网方式决定了传感器是否可以安全、可靠且经济高效地部署在典型的工业应用中。本白皮书探讨了区分工业无线传感器网络（WSN）的一些关键要求。

可靠性和安全性是第一位的

与成本通常是最重要的系统属性的消费类应用不同，工业应用通常将可靠性和安全性放在首位。在ON World对工业WSN用户的全球调查中，可靠性和安全性是提到的两个最重要的问题。1如果您考虑到公司的盈利能力、生产商品的质量和效率以及工人安全通常依赖于这些网络，这并不奇怪。这就是为什么可靠性和安全性对于工业无线传感器网络至关重要的原因。

设计网络可靠性的一个一般原则是冗余，其中针对可能问题的故障转移机制使系统能够在不丢失数据的情况下进行恢复。在无线传感器网络中，有两个基本机会可以利用这种冗余。首先是空间冗余的概念，其中每个无线节点至少有两个其他节点可以与之通信，以及允许将数据中继到任一节点但仍到达预定最终目的地的路由方案。正确形成的网状网络（其中每个节点都可以与两个或多个相邻节点通信）比点对点网络具有更高的可靠性，如果第一个路径不可用，则会自动在备用路径上发送数据。第二级冗余可以通过使用RF频谱中可用的多个通道来实现。信道跳频的概念是，节点对可以在每次传输时更改信道，从而避免在工业应用典型的不断变化和恶劣的RF环境中任何给定信道出现临时问题。在IEEE 802.15.4 2.4GHz标准中，有62591个扩频信道可用于跳频，为信道跳频系统提供比非跳频（单通道）系统更高的弹性。有几种无线网状网络标准包括这种称为时隙信道跳频（TSCH）的双重空间和信道冗余，包括IEC6（WirelessHART）和即将推出的IETF <>TiSCH标准。2这些网状网络标准利用全球可用的免许可2.4GHz频谱中的无线电，由ADI公司的SmartMesh团队发展而来，该团队从2002年开始率先在低功耗、资源受限的设备上使用TSCH协议，推出SmartMesh产品。

虽然TSCH是在恶劣的RF环境中实现数据可靠性的重要组成部分，但网状网络的创建和维护是连续、无故障多年运行的关键。工业无线网络通常必须运行多年，并且在其生命周期内将面临截然不同的射频挑战和数据传输要求。因此，实现类似有线的可靠性所需的最后一个要素是智能网络管理软件，该软件可动态优化网络拓扑，持续监控链路质量，以最大限度地提高吞吐量，尽管射频环境受到干扰或变化。

安全性是工业无线传感器网络的另一个关键属性。WSN 中安全性的主要目标是：

保密性：除了预期的接收者之外，任何人都无法读取在网络中传输的数据。

正直： 收到的任何消息都被确认为发送的消息，不添加、删除或修改内容。

真实性：声称来自给定源的消息实际上来自该源。如果将时间用作身份验证方案的一部分，则真实性还可以防止消息被记录和重播。

为了实现这些目标，必须纳入 WSN 的关键安全技术包括具有强大密钥和密钥管理的强加密（例如 AES128）、用于阻止重放攻击的加密质量随机数生成器、每条消息中的消息完整性检查 （MIC） 以及明确允许或拒绝访问特定设备的访问控制列表 （ACL）。这些最先进的无线安全技术可以很容易地集成到当今WSN中使用的许多设备中，但并非所有WSN产品和协议都包含所有措施。3请注意，将安全 WSN 连接到不安全的网关是另一个漏洞点，在系统设计中必须考虑端到端安全性。

无线专家未安装工业物联网

在大多数情况下，成熟行业正在将工业物联网产品和服务添加到其传统产品中，其客户正在部署新旧设备混合的环境中。工业WSN中体现的智能必须赋予工业物联网产品的易用性，使现有现场人员无缝过渡。网络应迅速自我形成，以便安装人员可以离开站点，拥有稳定运行的网络，在连接薄弱或丢失时通过自我修复来避免服务中断，在发生服务中断时自我报告和诊断，并通过部署后几乎不需要维护来避免昂贵的现场访问。对于许多应用程序来说，它们的成功部分取决于可部署在难以到达或危险的区域，因此物联网设备必须使用电池运行，通常超过五年。

此外，系统应该可用于全球部署，因为最终用户广泛采用工业物联网通常是公司范围内的，并且需要多站点标准化。幸运的是，理解并满足这一要求的国际工业无线电标准已经到位，包括IEEE 802.15.4e TSCH。

传感器无处不在

对于工业物联网应用，传感器或控制点的精确放置至关重要。无线技术提供了无线通信的承诺，但是如果您需要通过插入无线节点来为其供电，或者每隔几小时甚至几个月充电一次，则部署的成本和不切实际性将变得令人望而却步。例如，在旋转设备中添加传感器以在设备使用时监控条件是不可能的，但从在役监控中获得的知识可以让客户预测性地维护这些关键设备，从而避免不必要的和昂贵的停机时间。

为了确保灵活且经济高效的部署，工业WSN中的每个节点都应该能够使用电池运行至少五年，因为这为用户提供了工业物联网应用覆盖范围的极大灵活性。作为基于TSCH的工业WSN的一个例子，ADI公司的SmartMesh产品通常工作在远低于50μA的电流下，因此使用2节AA电池工作多年非常可行。在有良好能量收集来源的环境中，可以在能量收集上永久运行节点（见图1）。

时间很重要

工业监测和控制网络对业务至关重要。它们支撑着影响商品生产基本成本的系统，数据的及时性至关重要。在过去的十年中，基于确定性的TSCH的WSN系统已在广泛的监测和控制应用中得到了现场验证。这些时隙系统，如WirelessHART，提供带时间戳、有时限的数据传输。在这些网络中，需要更多发送数据机会的节点会自动配置更多时隙，通过在网络中的连续路径上提供多个时隙，可以实现通过网络的低延迟传输。这种数据传输的协调也大大提高了部署频繁传输的密集网络的能力。如果没有时间表，非TSCH无线网络将因无线电流量的不协调泛滥而崩溃。

此外，TSCH 网络中的每个数据包都包含一个准确的时间戳，指示其发送时间，并且如果需要，每个节点还提供网络范围的时间，以协调 WSN 节点网络中的控制信号。时间戳数据的可用性使应用程序能够正确排序数据，即使数据是无序接收的，这有助于诊断必须协调来自多个传感器的信息的工业应用中的精确因果关系。

网络运营的可见性是关键

工业网络需要连续运行多年，但无论网络多么强大，问题仍然可能发生。在安装时运行良好的网络的质量在其运行寿命期间可能会受到各种环境因素的影响。针对此类问题的早期和适当警报是任何工业网络的一个重要方面，快速诊断和解决问题的能力是服务质量的关键。在提供网络管理指标的可见性方面，并非所有无线传感器网络都是平等的。工业无线网络管理系统至少应提供以下可见性：

无线链路质量，以信号强度 （RSSI） 为单位。

端到端数据包成功率。

网格质量，突出显示没有足够的备用路由来维护可靠网络的节点。

节点状态和电池寿命（如果适用）。

在最好的工业实现中，智能网络将通过在备用路径上自动重新路由数据来修复此类问题，同时不断升级网络拓扑以最大限度地提高连接性（见图 2）。

智能物联网值得智能网络

人们相当关注将越来越多的智能投入到事物中，但这并不是工业物联网应用中“智能”的唯一地方。工业物联网网络应采用智能终端节点以及网络和安全管理功能，以反映企业IT和OT必须提供的最佳功能。网络应具有高度可配置性，以适应特定的应用需求。鉴于实现长电池寿命的低功耗要求，应采用网络电源可用性的自我了解和智能路由，以最大限度地提高全网功耗。此外，网络应自动适应RF环境中的变化，这些变化可能有利于拓扑结构的动态变化。ADI公司的SmartMesh网络管理器不仅提供网络安全、管理和路由优化，还允许用户在需要时通过无线方式重新编程节点，从而随着客户需求的发展为未来功能提供升级路径。

物联网在很大程度上是一种工业现象，具有明确的业务驱动因素和引人注目的投资回报率。在这些关键业务应用中，工业无线传感器网络必须满足智能、安全和可靠的无线运行的高标准。现有和新兴的无线网状网络标准可以满足这些严格的要求，这些标准将成为关键的工业物联网构建模块，帮助工业客户在工业物联网时代实现业务和服务转型（见图3）。

审核编辑：郭婷