作者：Joy Weiss and Ross Yu

工業物聯網（IoT）以及工業傳感器對無線連接的相關需求正在得到廣泛關注。但是，工業設備和應用的網絡需求與消費世界不同，可靠性和安全性在列表中名列前茅。本白皮書重點介紹了工業無線傳感器網絡特有的一些關鍵網絡要求。

低功耗處理器、智能無線網絡和低功耗傳感器的出現，再加上“大數據分析”，引起了人們對工業物聯網（IoT）的興趣。簡而言之，這種技術組合使大量傳感器可以放置在任何地方：不僅僅是通信和電力基礎設施存在的地方，而是任何可以收集有關“事物”如何，在哪里或是什么的寶貴信息的地方。用傳感器對機器、泵、管道和軌道車等“事物”進行儀器化的概念對工業界來說并不陌生。專用傳感器和網絡已經在從煉油廠到生產線的工業環境中激增。從歷史上看，這些運營技術（OT）系統一直作為獨立的網絡運行，保持著消費者技術根本無法滿足的網絡可靠性和安全性的高標準。這些高標準要求將可用技術過濾到最適合業務關鍵型工業物聯網應用的技術。特別是，這些傳感器的聯網方式決定了傳感器是否可以安全、可靠且經濟高效地部署在典型的工業應用中。本白皮書探討了區分工業無線傳感器網絡（WSN）的一些關鍵要求。

可靠性和安全性是第一位的

與成本通常是最重要的系統屬性的消費類應用不同，工業應用通常將可靠性和安全性放在首位。在ON World對工業WSN用戶的全球調查中，可靠性和安全性是提到的兩個最重要的問題。1如果您考慮到公司的盈利能力、生產商品的質量和效率以及工人安全通常依賴于這些網絡，這并不奇怪。這就是為什么可靠性和安全性對于工業無線傳感器網絡至關重要的原因。

設計網絡可靠性的一個一般原則是冗余，其中針對可能問題的故障轉移機制使系統能夠在不丟失數據的情況下進行恢復。在無線傳感器網絡中，有兩個基本機會可以利用這種冗余。首先是空間冗余的概念，其中每個無線節點至少有兩個其他節點可以與之通信，以及允許將數據中繼到任一節點但仍到達預定最終目的地的路由方案。正確形成的網狀網絡（其中每個節點都可以與兩個或多個相鄰節點通信）比點對點網絡具有更高的可靠性，如果第一個路徑不可用，則會自動在備用路徑上發送數據。第二級冗余可以通過使用RF頻譜中可用的多個通道來實現。信道跳頻的概念是，節點對可以在每次傳輸時更改信道，從而避免在工業應用典型的不斷變化和惡劣的RF環境中任何給定信道出現臨時問題。在IEEE 802.15.4 2.4GHz標準中，有62591個擴頻信道可用于跳頻，為信道跳頻系統提供比非跳頻（單通道）系統更高的彈性。有幾種無線網狀網絡標準包括這種稱為時隙信道跳頻（TSCH）的雙重空間和信道冗余，包括IEC6（WirelessHART）和即將推出的IETF <>TiSCH標準。2這些網狀網絡標準利用全球可用的免許可2.4GHz頻譜中的無線電，由ADI公司的SmartMesh團隊發展而來，該團隊從2002年開始率先在低功耗、資源受限的設備上使用TSCH協議，推出SmartMesh產品。

雖然TSCH是在惡劣的RF環境中實現數據可靠性的重要組成部分，但網狀網絡的創建和維護是連續、無故障多年運行的關鍵。工業無線網絡通常必須運行多年，并且在其生命周期內將面臨截然不同的射頻挑戰和數據傳輸要求。因此，實現類似有線的可靠性所需的最后一個要素是智能網絡管理軟件，該軟件可動態優化網絡拓撲，持續監控鏈路質量，以最大限度地提高吞吐量，盡管射頻環境受到干擾或變化。

安全性是工業無線傳感器網絡的另一個關鍵屬性。WSN 中安全性的主要目標是：

保密性：除了預期的接收者之外，任何人都無法讀取在網絡中傳輸的數據。

正直： 收到的任何消息都被確認為發送的消息，不添加、刪除或修改內容。

真實性：聲稱來自給定源的消息實際上來自該源。如果將時間用作身份驗證方案的一部分，則真實性還可以防止消息被記錄和重播。

為了實現這些目標，必須納入 WSN 的關鍵安全技術包括具有強大密鑰和密鑰管理的強加密（例如 AES128）、用于阻止重放攻擊的加密質量隨機數生成器、每條消息中的消息完整性檢查 （MIC） 以及明確允許或拒絕訪問特定設備的訪問控制列表 （ACL）。這些最先進的無線安全技術可以很容易地集成到當今WSN中使用的許多設備中，但并非所有WSN產品和協議都包含所有措施。3請注意，將安全 WSN 連接到不安全的網關是另一個漏洞點，在系統設計中必須考慮端到端安全性。

無線專家未安裝工業物聯網

在大多數情況下，成熟行業正在將工業物聯網產品和服務添加到其傳統產品中，其客戶正在部署新舊設備混合的環境中。工業WSN中體現的智能必須賦予工業物聯網產品的易用性，使現有現場人員無縫過渡。網絡應迅速自我形成，以便安裝人員可以離開站點，擁有穩定運行的網絡，在連接薄弱或丟失時通過自我修復來避免服務中斷，在發生服務中斷時自我報告和診斷，并通過部署后幾乎不需要維護來避免昂貴的現場訪問。對于許多應用程序來說，它們的成功部分取決于可部署在難以到達或危險的區域，因此物聯網設備必須使用電池運行，通常超過五年。

此外，系統應該可用于全球部署，因為最終用戶廣泛采用工業物聯網通常是公司范圍內的，并且需要多站點標準化。幸運的是，理解并滿足這一要求的國際工業無線電標準已經到位，包括IEEE 802.15.4e TSCH。

傳感器無處不在

對于工業物聯網應用，傳感器或控制點的精確放置至關重要。無線技術提供了無線通信的承諾，但是如果您需要通過插入無線節點來為其供電，或者每隔幾小時甚至幾個月充電一次，則部署的成本和不切實際性將變得令人望而卻步。例如，在旋轉設備中添加傳感器以在設備使用時監控條件是不可能的，但從在役監控中獲得的知識可以讓客戶預測性地維護這些關鍵設備，從而避免不必要的和昂貴的停機時間。

為了確保靈活且經濟高效的部署，工業WSN中的每個節點都應該能夠使用電池運行至少五年，因為這為用戶提供了工業物聯網應用覆蓋范圍的極大靈活性。作為基于TSCH的工業WSN的一個例子，ADI公司的SmartMesh產品通常工作在遠低于50μA的電流下，因此使用2節AA電池工作多年非常可行。在有良好能量收集來源的環境中，可以在能量收集上永久運行節點（見圖1）。

時間很重要

工業監測和控制網絡對業務至關重要。它們支撐著影響商品生產基本成本的系統，數據的及時性至關重要。在過去的十年中，基于確定性的TSCH的WSN系統已在廣泛的監測和控制應用中得到了現場驗證。這些時隙系統，如WirelessHART，提供帶時間戳、有時限的數據傳輸。在這些網絡中，需要更多發送數據機會的節點會自動配置更多時隙，通過在網絡中的連續路徑上提供多個時隙，可以實現通過網絡的低延遲傳輸。這種數據傳輸的協調也大大提高了部署頻繁傳輸的密集網絡的能力。如果沒有時間表，非TSCH無線網絡將因無線電流量的不協調泛濫而崩潰。

此外，TSCH 網絡中的每個數據包都包含一個準確的時間戳，指示其發送時間，并且如果需要，每個節點還提供網絡范圍的時間，以協調 WSN 節點網絡中的控制信號。時間戳數據的可用性使應用程序能夠正確排序數據，即使數據是無序接收的，這有助于診斷必須協調來自多個傳感器的信息的工業應用中的精確因果關系。

網絡運營的可見性是關鍵

工業網絡需要連續運行多年，但無論網絡多么強大，問題仍然可能發生。在安裝時運行良好的網絡的質量在其運行壽命期間可能會受到各種環境因素的影響。針對此類問題的早期和適當警報是任何工業網絡的一個重要方面，快速診斷和解決問題的能力是服務質量的關鍵。在提供網絡管理指標的可見性方面，并非所有無線傳感器網絡都是平等的。工業無線網絡管理系統至少應提供以下可見性：

無線鏈路質量，以信號強度 （RSSI） 為單位。

端到端數據包成功率。

網格質量，突出顯示沒有足夠的備用路由來維護可靠網絡的節點。

節點狀態和電池壽命（如果適用）。

在最好的工業實現中，智能網絡將通過在備用路徑上自動重新路由數據來修復此類問題，同時不斷升級網絡拓撲以最大限度地提高連接性（見圖 2）。

智能物聯網值得智能網絡

人們相當關注將越來越多的智能投入到事物中，但這并不是工業物聯網應用中“智能”的唯一地方。工業物聯網網絡應采用智能終端節點以及網絡和安全管理功能，以反映企業IT和OT必須提供的最佳功能。網絡應具有高度可配置性，以適應特定的應用需求。鑒于實現長電池壽命的低功耗要求，應采用網絡電源可用性的自我了解和智能路由，以最大限度地提高全網功耗。此外，網絡應自動適應RF環境中的變化，這些變化可能有利于拓撲結構的動態變化。ADI公司的SmartMesh網絡管理器不僅提供網絡安全、管理和路由優化，還允許用戶在需要時通過無線方式重新編程節點，從而隨著客戶需求的發展為未來功能提供升級路徑。

物聯網在很大程度上是一種工業現象，具有明確的業務驅動因素和引人注目的投資回報率。在這些關鍵業務應用中，工業無線傳感器網絡必須滿足智能、安全和可靠的無線運行的高標準。現有和新興的無線網狀網絡標準可以滿足這些嚴格的要求，這些標準將成為關鍵的工業物聯網構建模塊，幫助工業客戶在工業物聯網時代實現業務和服務轉型（見圖3）。

審核編輯：郭婷