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详细解析面向工业物联网的无线传感器网络

导读: 在发展工业物联网 (IoT) 以及满足相关的工业传感器无线连网需求方面,已经做了很多。不过,工业设备及应用的网络需求与家用环境完全不同,可靠性和安全性是高居工业应用要求的榜首。本文重点讨论特定于工业无线传感器网络的一些关键网络要求。

  摘要

  在发展工业物联网 (IoT) 以及满足相关的工业传感器无线连网需求方面,已经做了很多。不过,工业设备及应用的网络需求与家用环境完全不同,可靠性和安全性是高居工业应用要求的榜首。本文重点讨论特定于工业无线传感器网络的一些关键网络要求。

  引言

  低功率处理器、智能无线网络和低功率传感器以及“大数据”分析的出现导致人们对工业物联网兴趣大增。简言之,这些技术相结合使得能够将大量传感器放置到任何地方:不仅是通信和电力基础设施存在的地方,也可以是任何有宝贵信息需要收集的地方,这些信息关乎“物体”的行为方式、在哪里或者是什么。给诸如机器、泵、管道、火车车厢等“物体”配备传感器的做法在工业界并不是什么新鲜事。从炼油厂到生产线,在各种工业环境中,定制传感器及网络已经大量存在。过去,这类运行技术 (Operations Technology,简称 OT) 系统作为单独的网络运行,保持很高的网络可靠性和安全性标准,用消费类技术根本无法满足这样高的要求。按照这些高标准过滤可用的技术,最终剩下的是最适合关键业务型工业物联网应用的技术。尤其是,这些传感器的连网方式决定了传感器是否可以安全、能否具成本效益以部署在工业应用所处的典型严酷环境中。本文探讨一些使工业无线传感器网络 (WSN) 与众不同的关键要求。

  可靠性与安全性位居于首。对消费类应用而言,成本常常是最重要的系统属性,与此不同,工业应用一般将可靠性和安全性放在最重要的位置。根据 OnWorld 对全球工业 WSN 用户进行的调查,可靠性和安全性是他们提到的两个最重要的问题 (见参考 1)。一个公司的盈利能力、工人生产商品的质量和效率以及工人的人身安全常常取决于这些网络,如果想到这一点,就不会对上述调查结果感到意外了。这就是可靠性和安全性对工业无线传感器网络而言必不可少的原因。

  一种提高网络可靠性的通用原则是用冗余方法,在有冗余的情况下,针对可能出现问题的失效机制使系统能够在没有数据损失的前提下得到恢复。在无线传感器网络中,有两种基本的机会利用冗余。第一种是空间冗余概念,即每个无线节点都可以与至少两个其他节点通信,而且路由机制允许数据转发给两个节点中的任意一个,但仍然能够到达预期的最终目的地。在网状网络中,每个节点都可以与两个或更多个相邻节点通信,恰当构成的网状网络与点对点网络相比,可靠性更高,因为在这样的网状网络中,如果第一条通路不可用,就自动在另一条通路上发送数据。第二种冗余可以利用 RF 频谱中的多个可用通道实现。通道跳频概念指的是,成对节点每次传送数据时可以使用不同的通道,因此任何给定通道在不断变化的严酷 RF 环境中暂时出现问题都不会影响数据传送,严酷的 RF 环境是工业应用所处的典型环境。在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 标准中,有 15 个扩展频谱通道可用于跳频,从而使通道跳频系统有了比非跳频 (单通道) 系统大得多的弹性。有几种无线网状网络标准同时采用了空间冗余和通道冗余这两种技术,这些标准称为时隙通道跳频 (TSCH),其中包括 IEC62591 (WirelessHART) 和即将出台的 IETF 6TiSCH 标准 (见参考 2)。这些网状网络标准运用了全球可用的无牌照 2.4GHz 频谱中的无线频率,是以凌力尔特 Dust Networks® 部所做工作为基础演变而来, 2002 年从 SmartMesh® 产品开始,Dust Networks 率先将 TSCH 协议应用到低功率、资源受限的设备上。

  尽管在严酷的 RF 环境中,TSCH 是实现数据可靠性必不可少的基本构件,但是要实现多年连续、无故障运行,网状网络的建立和维护方式也很关键。工业无线网络常常必须运行很多年,而且将终生面对多种不同的 RF 挑战和数据传送要求。因此,实现与有线网络一样可靠性所需的最后一个要素是智能网络管理软件,这类软件动态优化网络拓扑,连续监视链路质量,以在存在干扰和 RF 环境变化的情况下,最大限度提高吞吐量。

  安全性是工业无线传感器网络的另一个关键属性。在 WSN 中实现安全性的主要目标是:

  保密性 – 在网络中传送的数据除了预期接收者,不能被其他任何人读取。

  完整性 – 任何接收到的信息都得到确认,完全是所发送的信息,对内容没有任何添加、删减或修改。

  真实性 – 声称来自给定来源的信息实际上确实来自该来源。如果将时间作为验证方法的一部分,那么真实性还可保护信息免于被录制和回放。

  必须纳入 WSN 以达到上述目标要求的关键安全技术包括:强大的加密算法 (例如 AES128) 和坚固的密钥及密钥管理、阻止重发攻击的密码级随机数字发生器、针对每条信息的信息完整性校验 (MIC)、以及明确地允许或禁止访问特定设备的访问控制列表 (ACL)。这些最新无线安全技术可以轻而易举地纳入很多现有 WSN 中使用的设备,但是并非所有 WSN 产品和协议都纳入了所有安全技术 (见参考 3)。请注意,安全 WSN 与不安全网关的连接是另一个脆弱点,在系统设计中必须考虑端到端的安全性。

 

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