摘要
在發(fā)展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 以及滿足相關(guān)的工業(yè)傳感器無線連網(wǎng)需求方面，已經(jīng)做了很多。不過，工業(yè)設(shè)備及應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求與家用環(huán)境完全不同，可靠性和安全性是高居工業(yè)應(yīng)用要求的榜首。本文重點(diǎn)討論特定于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)要求。
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(duì)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(jī)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(yùn)行技術(shù) (Operations Technology，簡稱 OT) 系統(tǒng)作為單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，保持很高的網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性標(biāo)準(zhǔn)，用消費(fèi)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(duì)消費(fèi)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(duì)全球工業(yè) WSN 用戶進(jìn)行的調(diào)查，可靠性和安全性是他們提到的兩個(gè)最重要的問題 (見參考 1)。一個(gè)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(diǎn)，就不會(huì)對(duì)上述調(diào)查結(jié)果感到意外了。這就是可靠性和安全性對(duì)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(duì)可能出現(xiàn)問題的失效機(jī)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(jī)會(huì)利用冗余。第一種是空間冗余概念，即每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)都可以與至少兩個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信，而且路由機(jī)制允許數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)，但仍然能夠到達(dá)預(yù)期的最終目的地。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與兩個(gè)或更多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)通信，恰當(dāng)構(gòu)成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)相比，可靠性更高，因?yàn)樵谶@樣的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，如果第一條通路不可用，就自動(dòng)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(gè)可用通道實(shí)現(xiàn)。通道跳頻概念指的是，成對(duì)節(jié)點(diǎn)每次傳送數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)出現(xiàn)問題都不會(huì)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(gè)擴(kuò)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(shí)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(shí)隙通道跳頻 (TSCH)，其中包括 IEC62591 (WirelessHART) 和即將出臺(tái)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(yùn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性必不可少的基本構(gòu)件，但是要實(shí)現(xiàn)多年連續(xù)、無故障運(yùn)行，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)方式也很關(guān)鍵。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)常常必須運(yùn)行很多年，而且將終生面對(duì)多種不同的 RF 挑戰(zhàn)和數(shù)據(jù)傳送要求。因此，實(shí)現(xiàn)與有線網(wǎng)絡(luò)一樣可靠性所需的最后一個(gè)要素是智能網(wǎng)絡(luò)管理軟件，這類軟件動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，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(gè)關(guān)鍵屬性。在 WSN 中實(shí)現(xiàn)安全性的主要目標(biāo)是：