【導讀】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。

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(huo)車(che)車(che)廂(xiang)等(deng)對(dui)象(xiang)配(pei)備(bei)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)做(zuo)法(fa)在(zai)工(gong)業(ye)界(jie)並(bing)不(bu)是(shi)什(shen)麼(me)新(xin)鮮(xian)事(shi)。從(cong)煉(lian)油(you)廠(chang)到(dao)生(sheng)產(chan)線(xian)等(deng)各(ge)種(zhong)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)，都(dou)部(bu)署(shu)了(le)大(da)量(liang)專(zhuan)用(yong)傳(chuan)感(gan)器(qi)及(ji)網(wang)絡(luo)。過(guo)去(qu)
，這(zhe)類(lei)運(yun)行(xing)技(ji)術(shu)(OT)係(xi)統(tong)作(zuo)為(wei)單(dan)獨(du)的(de)網(wang)絡(luo)運(yun)行(xing)，保(bao)持(chi)很(hen)高(gao)的(de)網(wang)絡(luo)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)安(an)全(quan)性(xing)標(biao)準(zhun)
，而(er)消(xiao)費(fei)類(lei)技(ji)術(shu)根(gen)本(ben)無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)這(zhe)樣(yang)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。按(an)照(zhao)這(zhe)些(xie)高(gao)標(biao)準(zhun)篩(shai)選(xuan)適(shi)用(yong)的(de)技(ji)術(shu)，最(zui)終(zhong)選(xuan)擇(ze)的(de)是(shi)最(zui)適(shi)合(he)關(guan)鍵(jian)業(ye)務(wu)型(xing)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)的(de)技(ji)術(shu)。尤(you)其(qi)是(shi)，這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)聯(lian)網(wang)方(fang)式(shi)決(jue)定(ding)了(le)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)否(fou)能(neng)夠(gou)安(an)全(quan)
、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gong人ren生sheng產chan商shang品pin的de質zhi量liang和he效xiao率lv以yi及ji工gong人ren的de人ren身shen安an全quan常chang常chang取qu決jue於yu這zhe些xie網wang絡luo。這zhe就jiu是shi可ke靠kao性xing和he安an全quan性xing對dui工gong業ye無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo而er言yan必bi不bu可ke少shao的de原yuan因yin。

1     工業無線傳感器網絡：趨勢和發展（https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magaz...）

圖1.傳感器無處不在。通過能量采集係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(yi)種(zhong)提(ti)高(gao)網(wang)絡(luo)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)通(tong)用(yong)原(yuan)則(ze)是(shi)提(ti)供(gong)冗(rong)餘(yu)，針(zhen)對(dui)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)的(de)問(wen)題(ti)設(she)置(zhi)故(gu)障(zhang)恢(hui)複(fu)機(ji)製(zhi)，使(shi)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)在(zai)不(bu)丟(diu)失(shi)數(shu)據(ju)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)恢(hui)複(fu)運(yun)行(xing)。在(zai)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)中(zhong)，利(li)用(yong)冗(rong)餘(yu)有(you)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)。第(di)一(yi)種(zhong)是(shi)空(kong)間(jian)冗(rong)餘(yu)概(gai)念(nian)，即(ji)每(mei)個(ge)無(wu)線(xian)節(jie)點(dian)都(dou)可(ke)以(yi)與(yu)至(zhi)少(shao)兩(liang)個(ge)其(qi)他(ta)節(jie)點(dian)通(tong)信(xin)


，而(er)且(qie)路(lu)由(you)機(ji)製(zhi)允(yun)許(xu)數(shu)據(ju)轉(zhuan)發(fa)給(gei)兩(liang)個(ge)節(jie)點(dian)中(zhong)的(de)任(ren)意(yi)一(yi)個(ge)
，但(dan)仍(reng)然(ran)能(neng)夠(gou)到(dao)達(da)預(yu)期(qi)的(de)最(zui)終(zhong)目(mu)的(de)地(di)。在(zai)設(she)計(ji)合(he)理(li)的(de)網(wang)狀(zhuang)網(wang)絡(luo)中(zhong)，每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)都(dou)可(ke)以(yi)與(yu)兩(liang)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)個(ge)相(xiang)鄰(lin)節(jie)點(dian)通(tong)信(xin)
，如(ru)果(guo)第(di)一(yi)條(tiao)通(tong)路(lu)不(bu)可(ke)用(yong)，就(jiu)自(zi)動(dong)切(qie)換(huan)到(dao)另(ling)一(yi)條(tiao)通(tong)路(lu)發(fa)送(song)數(shu)據(ju)
，因(yin)此(ci)網(wang)狀(zhuang)網(wang)絡(luo)與(yu)點(dian)對(dui)點(dian)網(wang)絡(luo)相(xiang)比(bi)
，具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。第(di)二(er)種(zhong)冗(rong)餘(yu)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)RFpinpuzhongdeduogekeyongtongdaoshixian。tongdaotiaopingainianzhideshi，chengduijiedianmeicichuansongshujushikeyishiyongbutongdetongdao
，yincizaigongyeyingyongmianduidebuduanbianhuadeelieRF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個擴頻通道可用於跳頻
，使通道跳頻係統具有比非跳頻（單通道）係統更大的彈性。有幾種無線網狀網絡標準采用了這種空間和通道雙重冗餘的時隙信道跳頻(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
，這些源於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
，而且將終生麵對多種不同的RFtiaozhanheshujuchuansongyaoqiu。yinci，yaojuyouyuyouxianwangluoyiyangdekekaoxing

，haibixupeibeizhinengwangluoguanliruanjian
，zheleiruanjiankedongtaiyouhuawangluotuopu，lianxujianshilianluzhiliang，nenggouyingduiganraoheRF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，那麼真實性還可保護信息免於被錄製和回放。

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製表(ACL)。這些先進的無線安全技術可以輕鬆集成到當今WSN中使用的很多設備中，但是並非所有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，在係統設計中必須考慮端到端的安全性。

工業物聯網並非由無線專家安裝

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WSNtixiandezhinengxingbixushigongyewulianwangchanpinyiyushiyong，shixianwufengguodu
，rangxianyouxianchanggongzuorenyuanqingsongshiyongxindegongyewulianwangchanpin。wangluoyingnenggoukuaisuzijian
，zheyanganzhuangrenyuanjiukeyijiaofuyigewendingyunxingdewangluo

；當連接較弱或失去連接時，通過自我修複避免服務中斷；當服務發生中斷時，進行自助報告和診斷
；一yi般ban部bu署shu完wan成cheng後hou
，僅jin需xu要yao很hen少shao的de或huo者zhe不bu需xu要yao維wei護hu，從cong而er避bi免mian現xian場chang維wei護hu導dao致zhi的de高gao成cheng本ben。很hen多duo應ying用yong的de成cheng敗bai部bu分fen取qu決jue於yu能neng否fou在zai難nan以yi到dao達da或huo存cun在zai危wei險xian的de地di區qu部bu署shu，因yin此ci，物wu聯lian網wang設she備bei必bi須xu依yi靠kao電dian池chi運yun行xing
，一yi般ban需xu要yao持chi續xu運yun行xing5年以上。

另ling外wai，既ji然ran最zui終zhong用yong戶hu廣guang泛fan采cai用yong的de工gong業ye物wu聯lian網wang常chang常chang涵han蓋gai整zheng個ge公gong司si範fan圍wei
，那na麼me係xi統tong就jiu應ying該gai可ke用yong於yu全quan球qiu部bu署shu，而er且qie需xu要yao實shi現xian多duo站zhan點dian標biao準zhun化hua。幸xing運yun的de是shi，理li解jie並bing滿man足zu這zhe種zhong要yao求qiu的de國guo際ji性xing行xing業ye無wu線xian標biao準zhun已yi經jing就jiu位wei，其qi中zhong包bao括kuoIEEE 802.15.4e TSCH。

傳感器無處不在

就(jiu)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，準(zhun)確(que)放(fang)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)控(kong)製(zhi)點(dian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。借(jie)助(zhu)無(wu)線(xian)技(ji)術(shu)有(you)望(wang)實(shi)現(xian)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)
，但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)每(mei)隔(ge)幾(ji)小(xiao)時(shi)或(huo)數(shu)月(yue)通(tong)過(guo)插(cha)入(ru)電(dian)源(yuan)插(cha)座(zuo)或(huo)再(zai)充(chong)電(dian)來(lai)給(gei)無(wu)線(xian)節(jie)點(dian)供(gong)電(dian)，那(na)麼(me)部(bu)署(shu)成(cheng)本(ben)會(hui)令(ling)人(ren)望(wang)而(er)卻(que)步(bu)，而(er)且(qie)這(zhe)麼(me)做(zuo)也(ye)不(bu)切(qie)實(shi)際(ji)。例(li)如(ru)，為(wei)旋(xuan)轉(zhuan)設(she)備(bei)配(pei)備(bei)傳(chuan)感(gan)器(qi)以(yi)監(jian)視(shi)設(she)備(bei)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)況(kuang)
，不(bu)可(ke)能(neng)使(shi)用(yong)有(you)線(xian)連(lian)接(jie)
，但(dan)是(shi)客(ke)戶(hu)通(tong)過(guo)監(jian)視(shi)運(yun)行(xing)中(zhong)的(de)設(she)備(bei)獲(huo)得(de)相(xiang)關(guan)信(xin)息(xi)能(neng)夠(gou)對(dui)關(guan)鍵(jian)設(she)備(bei)實(shi)施(shi)預(yu)測(ce)維(wei)護(hu)，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)代(dai)價(jia)不(bu)菲(fei)的(de)停(ting)機(ji)。

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，並且擴大了工業物聯網應用的覆蓋範圍。作為工業TSCH WSN的一個例子，ADI公司的SmartMesh產品一般以遠低於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，那麼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 發布於：IEEE通信雜誌（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

工業監控和控製網絡是關鍵型業務。這種網絡支撐著影響商品生產基本成本的係統
，其數據及時性至關重要。過去10年來，確定性TSCH WSN係統已經過多種監視和控製應用的現場考驗。這類時隙係統（例如WirelessHART）提供帶時間戳、有you時shi間jian限xian製zhi的de數shu據ju傳chuan輸shu。在zai這zhe類lei網wang絡luo中zhong，需xu要yao更geng多duo數shu據ju發fa送song機ji會hui的de節jie點dian將jiang會hui自zi動dong配pei置zhi更geng多duo時shi隙xi
，而er且qie通tong過guo在zai網wang絡luo中zhong的de連lian續xu通tong路lu上shang配pei置zhi多duo個ge時shi隙xi，可ke以yi在zai這zhe種zhong網wang絡luo中zhong實shi現xian低di延yan遲chi傳chuan送song。這zhe種zhong數shu據ju傳chuan送song協xie調tiao能neng力li還hai極ji大da地di提ti高gao了le部bu署shu頻pin繁fan傳chuan送song數shu據ju的de密mi集ji網wang絡luo的de能neng力li。如ru果guo沒mei有you一yi個ge時shi間jian表biao，洪hong水shui般ban無wu序xu湧yong入ru的de無wu線xian流liu量liang會hui使shi非feiTSCH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WSNjiedianwangluozhongxietiaokongzhixinhao。youyutigongleshijianchuoshuju，jishishujuweianshunxujieshouyenengzhengquediduishujupaixu，zaibixuxietiaolaiziduogechuanganqixinxidegongyeyingyongzhong，shijianchuoshujuzaizhenduanqueqieyuanyinheyingxiangshihenyoubangzhu。

網絡運行的可視性是關鍵

gongyewangluoxuyaolianxuyunxinghenduonian，ranerwulunyigewangluoduomewengu，rengranyoukenengfashengwenti。jishiwangluozaianzhuangshiyunxinglianghao，danwangluozaiqiyunxingshoumingqineidezhiliangrengkenengshougezhonghuanjingyinsudeyingxiang。zhenduizheleiwentitiqianfachushidangdejingbaoduirenhegongyewangluoeryandouhenzhongyao，ernenggoukuaisuzhenduanbingjiejuewentiyeshigaozhiliangfuwudeguanjian。tandaotigongwangluoguanlizhibiaodekeshixing，bingfeisuoyouwuxianchuanganqiwangluodoushitongyangdeyaoqiu。buguo，zhishaogongyewuxianwangluodeguanlixitongyinggaizhenduiyixiafangmiantigongkeshixing：

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(zai)采(cai)用(yong)智(zhi)能(neng)網(wang)絡(luo)的(de)優(you)化(hua)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)中(zhong)，通(tong)過(guo)自(zi)動(dong)在(zai)替(ti)換(huan)路(lu)徑(jing)上(shang)重(zhong)新(xin)發(fa)送(song)數(shu)據(ju)可(ke)解(jie)決(jue)上(shang)述(shu)問(wen)題(ti)，同(tong)時(shi)不(bu)斷(duan)更(geng)新(xin)網(wang)絡(luo)拓(tuo)撲(pu)
，以(yi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)提(ti)高(gao)連(lian)接(jie)性(xing)（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”並非隻體現在這一點。工業物聯網絡應采用智能終端節點並提供網絡和安全管理功能
，以展現企業IT和he運yun行xing技ji術shu部bu門men配pei置zhi的de技ji術shu優you勢shi。網wang絡luo應ying該gai是shi高gao度du可ke配pei置zhi的de，以yi滿man足zu特te定ding應ying用yong需xu求qiu。例li如ru要yao滿man足zu延yan長chang電dian池chi壽shou命ming的de低di功gong耗hao要yao求qiu，就jiu應ying該gai具ju備bei自zi助zhu獲huo知zhi網wang絡luo可ke用yong功gong率lv的de能neng力li並bing采cai用yong智zhi能neng化hua路lu由you，以yi最zui大da限xian度du優you化hua整zheng個ge網wang絡luo的de功gong耗hao。此ci外wai，網wang絡luo應ying自zi動dong適shi應yingRF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wu聯lian網wang在zai很hen大da程cheng度du上shang是shi一yi種zhong工gong業ye現xian象xiang，可ke以yi推tui動dong業ye務wu發fa展zhan，帶dai來lai出chu色se的de投tou資zi回hui報bao率lv。在zai這zhe些xie業ye務wu關guan鍵jian型xing應ying用yong中zhong，工gong業ye無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo必bi須xu滿man足zu智zhi能neng

、安an全quan和he可ke靠kao無wu線xian運yun行xing的de高gao標biao準zhun

，支zhi持chi多duo年nian持chi續xu運yun行xing。這zhe些xie嚴yan格ge要yao求qiu可ke以yi通tong過guo現xian有you和he新xin興xing的de無wu線xian網wang狀zhuang網wang絡luo標biao準zhun來lai實shi現xian，這zhe些xie標biao準zhun將jiang成cheng為wei關guan鍵jian的de工gong業ye物wu聯lian網wang構gou建jian要yao素su

，可ke以yi幫bang助zhu工gong業ye客ke戶hu在zai工gong業ye物wu聯lian網wang時shi代dai實shi現xian業ye務wu和he服fu務wu轉zhuan型xing（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，並優化產出和提高安全性

（來源：ADI公司
，作者：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）

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請電話或者郵箱聯係小編進行侵刪。

推薦閱讀：

【收藏】運算放大器的低功耗設計攻略

詳解部分元等效電路法在電磁仿真中的應用

LLC轉換器設計穩健型同步整流解決方案

如何精確監測和控製工業應用中的氣體流量

如何快速有效地實施靈活的EV充電係統
？