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2022 華南展招展書
傳感器

面向工業物聯網的無線傳感器網絡

  2022年02月11日  

  工業物聯網(IoT)和相關的工業傳感器無線連接需求都在不斷變化和發展。但工業設備和應用的聯網需求與消費領域大不相同,在工業IOT上是將可靠性和安全性放在首位。本白皮書主要探討工業無線傳感器網絡的一些關鍵的網絡要求。

  低功耗處理器、智能無線網絡和低功耗傳感器以及“大數據分析”的出現引發了人們對工業物聯網(IoT)的濃厚興趣。簡言之,將這些技術相結合使大量傳感器可以放置到任何地方:不僅是通信和電力基礎設施所在的地方,也可以是任何可以收集有關對象的行為方式、位置或內容等重要信息的地方。為機器、泵、管道、火車車廂等對象配備傳感器的做法在工業界并不是什么新鮮事。從煉油廠到生產線等各種工業環境中,都部署了大量專用傳感器及網絡。過去,這類運行技術(OT)系統作為單獨的網絡運行,保持很高的網絡可靠性和安全性標準,而消費類技術根本無法滿足這樣高的要求。按照這些高標準篩選適用的技術,最終選擇的是最適合關鍵業務型工業物聯網應用的技術。尤其是,這些傳感器的聯網方式決定了傳感器是否能夠安全、可靠且經濟高效地部署在工業應用的嚴苛環境中。本白皮書探討一些使工業無線傳感器網絡(WSN)與眾不同的關鍵要求。

  可靠性與安全性最重要

  對消費類應用而言,成本常常是最重要的考慮因素,而工業應用一般將可靠性和安全性放在首要位置。根據ON World對全球工業WSN用戶進行的調查,可靠性和安全性是他們提到的兩個最重要的問題。1一個公司的盈利能力、工人生產商品的質量和效率以及工人的人身安全常常取決于這些網絡。這就是可靠性和安全性對工業無線傳感器網絡而言必不可少的原因。

  1 工業無線傳感器網絡:趨勢和發展(https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2012/october/web-exclusive-industrial-wireless-sensor-networks/#sthash.cl3G9ze5.dpuf)

圖1.傳感器無處不在。通過能量采集系統供電的低功耗無線傳感器節點(例如這個來自ABB、由采集的熱能驅動的無線溫度傳感器)可以放置在適當位置,以獲得更多工業環境數據

  一種提高網絡可靠性的通用原則是提供冗余,針對可能出現的問題設置故障恢復機制,使系統能夠在不丟失數據的情況下恢復運行。在無線傳感器網絡中,利用冗余有兩種方式。第一種是空間冗余概念,即每個無線節點都可以與至少兩個其他節點通信,而且路由機制允許數據轉發給兩個節點中的任意一個,但仍然能夠到達預期的最終目的地。在設計合理的網狀網絡中,每個節點都可以與兩個或更多個相鄰節點通信,如果第一條通路不可用,就自動切換到另一條通路發送數據,因此網狀網絡與點對點網絡相比,具有更高的可靠性。第二種冗余可以利用RF頻譜中的多個可用通道實現。通道跳頻概念指的是,成對節點每次傳送數據時可以使用不同的通道,因此在工業應用面對的不斷變化的惡劣RF環境中,任何給定通道暫時出現問題都不會影響數據傳送。在IEEE 802.15.4 2.4GHz標準中,有15個擴頻通道可用于跳頻,使通道跳頻系統具有比非跳頻(單通道)系統更大的彈性。有幾種無線網狀網絡標準采用了這種空間和通道雙重冗余的時隙信道跳頻(TSCH)技術,其中包括IEC62591 (WirelessHART)和即將推出的IETF 6TiSCH標準。2這些網狀網絡標準運用了全球可用的免許可2.4GHz頻譜中的無線頻率,這些源于ADI公司SmartMesh團隊所做的工作,2002年從SmartMesh產品開始,該團隊率先將TSCH協議應用到低功耗、資源受限的設備上。

  盡管在惡劣的RF環境中,TSCH是確保數據可靠性的基本要素,但是要實現多年連續、無故障運行,網狀網絡的建立和維護方式也很關鍵。工業無線網絡常常必須運行很多年,而且將終生面對多種不同的RF挑戰和數據傳送要求。因此,要具有與有線網絡一樣的可靠性,還必須配備智能網絡管理軟件,這類軟件可動態優化網絡拓撲,連續監視鏈路質量,能夠應對干擾和RF環境變化,最大限度地提高吞吐量。

  安全性是工業無線傳感器網絡的另一個關鍵特性。在WSN中實現安全性的主要目標是:

  保密性:在網絡中傳送的數據除了預期接收者,不能被其他任何人讀取。

  完整性:確認任何收到的信息與發送的信息完全一致,沒有任何添加、刪減或修改。

  真實性:斷言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案的一部分,那么真實性還可保護信息免于被錄制和回放。

  必須納入WSN以達到上述目標要求的關鍵安全技術包括:強大的加密算法(例如AES128)以及可靠的密鑰和密鑰管理、阻止重發攻擊的密碼級隨機數字發生器、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備的訪問控制表(ACL)。這些先進的無線安全技術可以輕松集成到當今WSN中使用的很多設備中,但是并非所有WSN產品和協議都采用了所有安全技術。3請注意,安全WSN與非安全網關的連接是另一個薄弱點,在系統設計中必須考慮端到端的安全性。

  工業物聯網并非由無線專家安裝

  成熟行業大多是在傳統產品的基礎上增加工業物聯網產品和服務,這些客戶的部署環境中既有老設備也有新設備。工業WSN體現的智能性必須使工業物聯網產品易于使用,實現無縫過渡,讓現有現場工作人員輕松使用新的工業物聯網產品。網絡應能夠快速自建,這樣安裝人員就可以交付一個穩定運行的網絡;當連接較弱或失去連接時,通過自我修復避免服務中斷;當服務發生中斷時,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,從而避免現場維護導致的高成本。很多應用的成敗部分取決于能否在難以到達或存在危險的地區部署,因此,物聯網設備必須依靠電池運行,一般需要持續運行5年以上。

  另外,既然最終用戶廣泛采用的工業物聯網常常涵蓋整個公司范圍,那么系統就應該可用于全球部署,而且需要實現多站點標準化。幸運的是,理解并滿足這種要求的國際性行業無線標準已經就位,其中包括IEEE 802.15.4e TSCH。

  傳感器無處不在

  就工業物聯網應用而言,準確放置傳感器或控制點至關重要。借助無線技術有望實現無線通信,但是如果需要每隔幾小時或數月通過插入電源插座或再充電來給無線節點供電,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,為旋轉設備配備傳感器以監視設備的工作狀況,不可能使用有線連接,但是客戶通過監視運行中的設備獲得相關信息能夠對關鍵設備實施預測維護,從而避免不必要的代價不菲的停機。

  為確保實現靈活、經濟高效的部署,工業WSN中的每個節點都應能夠依靠電池運行至少5年,這樣就為用戶帶來了極大的靈活性,并且擴大了工業物聯網應用的覆蓋范圍。作為工業TSCH WSN的一個例子,ADI公司的SmartMesh產品一般以遠低于50μA的電流工作,因此可以靠兩節AA電池運行很多年。如果周圍環境有豐富的儲集能源,那么無線節點還可以通過儲能實現連續運行(參見圖1)。

圖2.網絡可視性——通過網絡管理軟件可查看與無線網絡健康狀況相關的重要信息,例如Emerson Process Management的這款SNAP-ON軟件實用工具

  2 6TiSCH無線工業網絡:確定性滿足IPv6標準:Maria Rita Palattella1、Pascal Thubert2、Xavier Vilajosana3,4、Thomas Watteyne4,5、Qin Wang4,6、Thomas Engel1 發布于:IEEE通信雜志(第52卷,第12期)。

  3 保護無線傳感器網絡免受攻擊,Kristofer Pister和Jonathan Simon,網址:http://electronicdesign.com/communications/ secure-wireless-sensor-networks-against-attacks

  時間問題

  工業監控和控制網絡是關鍵型業務。這種網絡支撐著影響商品生產基本成本的系統,其數據及時性至關重要。過去10年來,確定性TSCH WSN系統已經過多種監視和控制應用的現場考驗。這類時隙系統(例如WirelessHART)提供帶時間戳、有時間限制的數據傳輸。在這類網絡中,需要更多數據發送機會的節點將會自動配置更多時隙,而且通過在網絡中的連續通路上配置多個時隙,可以在這種網絡中實現低延遲傳送。這種數據傳送協調能力還極大地提高了部署頻繁傳送數據的密集網絡的能力。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無線網絡崩潰。

  此外,TSCH網絡中的每個數據包都包含準確的時間戳信息,指示該數據包的發送時間,而且每個節點都可以獲得全網統一時間,以便需要時在WSN節點網絡中協調控制信號。由于提供了時間戳數據,即使數據未按順序接收也能正確地對數據排序,在必須協調來自多個傳感器信息的工業應用中,時間戳數據在診斷確切原因和影響時很有幫助。

  網絡運行的可視性是關鍵

  工業網絡需要連續運行很多年,然而無論一個網絡多么穩固,仍然有可能發生問題。即使網絡在安裝時運行良好,但網絡在其運行壽命期內的質量仍可能受各種環境因素的影響。針對這類問題提前發出適當的警報對任何工業網絡而言都很重要,而能夠快速診斷并解決問題也是高質量服務的關鍵。談到提供網絡管理指標的可視性,并非所有無線傳感器網絡都是同樣的要求。不過,至少工業無線網絡的管理系統應該針對以下方面提供可視性:

  ● 用信號強度(RSSI)來衡量的無線鏈路質量

  ● 端到端數據包傳送成功率。

  ● 網格質量,突出顯示沒有足夠備用路徑的節點以保持網絡可靠性。

  ● 節點狀態和電池壽命(在適用的情況下)。

  在采用智能網絡的優化工業應用中,通過自動在替換路徑上重新發送數據可解決上述問題,同時不斷更新網絡拓撲,以最大限度地提高連接性(參見圖2)。

  智能“萬物”應該擁有智能網絡

  人們對提高“萬物”的智能化水平相當關注,但是工業物聯網應用中的“智能”并非只體現在這一點。工業物聯網絡應采用智能終端節點并提供網絡和安全管理功能,以展現企業IT和運行技術部門配置的技術優勢。網絡應該是高度可配置的,以滿足特定應用需求。例如要滿足延長電池壽命的低功耗要求,就應該具備自助獲知網絡可用功率的能力并采用智能化路由,以最大限度優化整個網絡的功耗。此外,網絡應自動適應RF環境變化,出現這種變化時,能夠動態改變拓撲可能更有利。ADI公司的SmartMesh網絡管理器不僅可實現網絡安全、管理和路由優化,而且允許用戶在需要時通過無線網絡重新設定節點,以提供一條功能升級途徑,適應客戶未來的需求變化。

  物聯網在很大程度上是一種工業現象,可以推動業務發展,帶來出色的投資回報率。在這些業務關鍵型應用中,工業無線傳感器網絡必須滿足智能、安全和可靠無線運行的高標準,支持多年持續運行。這些嚴格要求可以通過現有和新興的無線網狀網絡標準來實現,這些標準將成為關鍵的工業物聯網構建要素,可以幫助工業客戶在工業物聯網時代實現業務和服務轉型(參見圖3)。

圖3.推動實現變革——軟件分析,例如來自IntelliSense.io的Brains.App軟件,利用工業無線傳感器網絡中的數據來簡化工廠運營,并優化產出和提高安全性

  ADI公司確信其所提供的信息是準確可靠的。但ADI公司不對數據的使用承擔責任,也不對因使用這些數據所引起的任何違反第三方專利或者其他權利的行為承擔責任。規格如有變更,恕不另行通知。不含有對ADI公司專利或者專利權的暗示性或其他形式的許可。

  作者:ADI公司

  Joy Weiss,ADI公司IoT安全與解決方案副總裁

  Ross Yu,ADI公司SmartMesh?產品部產品營銷經理

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