摘要
在开展工业物联网 (IoT) 以及满意相关的工业传感器无线连网需求方面，现已做了许多。不过，工业设备及运用的网络需求与家用环境彻底不同，牢靠性和安全性是高居工业运用要求的第一。本文要点评论特定于工业无线传感器网络的一些要害网络要求。
导言
低功率处理器、智能无线网络和低功率传感器以及“大数据”剖析的呈现导致人们对工业物联网爱好大增。简言之，这些技能相结合使得能够将许多传感器放置到任何当地：不只是通讯和电力基础设施存在的当地，也可所以任何有名贵信息需求搜集的当地，这些信息关乎“物体”的行为办法、在哪里或许是什么。给比如机器、泵、管道、火车车厢等“物体”装备传感器的做法在工业界并不是什么新鲜事。从炼油厂到出产线，在各种工业环境中，定制传感器及网络现已许多存在。曩昔，这类运转技能 (Operations Technology，简称 OT) 体系作为独自的网络运转，坚持很高的网络牢靠性和安全性规范，用消费类技能底子无法满意这样高的要求。依照这些高规范过滤可用的技能，终究剩余的是最适合要害事务型工业物联网运用的技能。尤其是，这些传感器的连网办法决议了传感器是否能够安全、能否具本钱效益以布置在工业运用所在的典型严格环境中。本文讨论一些使工业无线传感器网络 (WSN) 异乎寻常的要害要求。
牢靠性与安全性位居于首。对消费类运用而言，本钱常常是最重要的体系特点，与此不同，工业运用一般将牢靠性和安全性放在最重要的方位。依据 OnWorld 对全球工业 WSN 用户进行的查询，牢靠性和安全性是他们说到的两个最重要的问题 (见参阅 1)。一个公司的盈余才能、工人出产产品的质量和功率以及工人的人身安全常常取决于这些网络，假如想到这一点，就不会对上述查询结果感到意外了。这便是牢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。
一种进步网络牢靠性的通用原则是用冗余办法，在有冗余的情况下，针对或许呈现问题的失效机制使体系能够在没有数据丢失的前提下得到康复。在无线传感器网络中，有两种根本的时机运用冗余。第一种是空间冗余概念，即每个无线节点都能够与至少两个其他节点通讯，并且路由机制答应数据转发给两个节点中的恣意一个，但依然能够抵达预期的终究目的地。在网状网络中，每个节点都能够与两个或更多个相邻节点通讯，恰当构成的网状网络与点对点网络比较，牢靠性更高，因为在这样的网状网络中，假如第一条通路不可用，就主动在另一条通路上发送数据。第二种冗余能够运用 RF 频谱中的多个可用通道完成。通道跳频概念指的是，成对节点每次传送数据时能够运用不同的通道，因而任何给定通道在不断改动的严格 RF 环境中暂时呈现问题都不会影响数据传送，严格的 RF 环境是工业运用所在的典型环境。在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 规范中，有 15 个扩展频谱通道可用于跳频，然后使通道跳频体系有了比非跳频 (单通道) 体系大得多的弹性。有几种无线网状网络规范一起选用了空间冗余和通道冗余这两种技能，这些规范称为时隙通道跳频 (TSCH)，其间包含 IEC62591 (WirelessHART) 和行将出台的 IETF 6TiSCH 规范 (见参阅 2)。这些网状网络规范运用了全球可用的无车牌 2.4GHz 频谱中的无线频率，是以凌力尔特 Dust Networks® 部所做作业为基础演化而来， 2002 年从 SmartMesh® 产品开端，Dust Networks 率先将 TSCH 协议运用到低功率、资源受限的设备上。
虽然在严格的 RF 环境中，TSCH 是完成数据牢靠性必不可少的根本构件，可是要完成多年接连、无故障运转，网状网络的树立和保护办法也很要害。工业无线网络常常有必要运转许多年，并且将毕生面临多种不同的 RF 应战和数据传送要求。因而，完成与有线网络相同牢靠性所需的最终一个要素是智能网络办理软件，这类软件动态优化网络拓扑，接连监督链路质量，以在存在搅扰和 RF 环境改动的情况下，最大极限进步吞吐量。
安全性是工业无线传感器网络的另一个要害特点。在 WSN 中完成安全性的首要方针是：
保密性 – 在网络中传送的数据除了预期接纳者，不能被其他任何人读取。
完整性 – 任何接纳到的信息都得到承认，彻底是所发送的信息，对内容没有任何添加、删减或修正。
真实性 – 宣称来自给定来历的信息实际上的确来自该来历。假如将时刻作为验证办法的一部分，那么真实性还可保护信息免于被录制和回放。
有必要归入 WSN 以抵达上述方针要求的要害安全技能包含：强壮的加密算法 (例如 AES128) 和稳固的密钥及密钥办理、阻挠重发进犯的暗码级随机数字发生器、针对每条信息的信息完整性校验 (MIC)、以及清晰地答应或制止拜访特定设备的拜访操控列表 (ACL)。这些最新无线安全技能能够垂手可得地归入许多现有 WSN 中运用的设备，可是并非一切 WSN 产品和协议都归入了一切安全技能 (见参阅 3)。请注意，安全 WSN 与不安全网关的衔接是另一个脆缺点，在体系规划中有必要考虑端到端的安全性。
工业物联网不是由无线专家装置的。老练职业大多在传统产品基础上添加工业物联网产品和服务，这些职业的客户之布置环境既有老设备又有新设备。工业 WSN 中的智能性有必要体现在使工业物联网产品具有易用性，使现有现场作业人员能够无缝过渡到新的工业物联网产品。网络应该快速地自助构成，这样装置人员就能够留给站点一个安稳运转的网络;当衔接较弱或无衔接时，经过自我修正防止服务中止;当服务的确中止时，进行自助陈述和确诊;一般布置完成后，仅需求很少的或许不需求保护，然后防止现场保护导致的高本钱。对许多运用而言，其成功部分取决于能否在难以抵达或十分风险的区域布置，因而物联网设备有必要靠电池运转，一般要运转超越 5 年时刻。
别的，已然终究用户广泛选用的工业物联网常常包含整个公司规模，那么体系就应该可用于全球布置，并且需求完成多站点规范化。走运的是，了解并满意这种要求的国际性职业无线规范现已就位，其间包含 IEEE 802.15.4e TSCH。
传感器无处不在。就工业物联网运用而言，精确放置传感器或操控点是至关重要的。无线技能的许诺是无需连线即可通讯，可是假如需求每隔几小时或数月经过刺进电源插座或再充电来给无线节点供电，那么布置本钱会令人望而生畏，并且这么做也不切实际。例如，给旋转设备加上传感器以监督设备的作业状况，不或许运用有线衔接，可是经过监督运转中的设备而取得的信息使客户能够预期地保护要害设备，然后防止不期望呈现和花费不菲的的宕机。
为了保证灵敏和具经济效益的布置，工业 WSN 中的每个节点都应该能够靠电池运转至少 5 年时刻，这样就为用户供给了抵达极致的灵敏性，扩展工业物联网运用的掩盖规模。作为工业 TSCH WSN 的一个比如，凌力尔特的 SmartMesh 产品一般以远低于 50µA 的电流作业，因而能够靠两节 AA 电池运转许多年。假如周围环境有丰厚的可搜集动力，那么无线节点还能够靠能量搜集接连运转 (参见图 1)。
图 1：传感器无处不在 – 由搜集的能量接连供电的低功率无线传感器节点，例如这个来自 ABB 可搜集热量之无线温度传感器，能够放置在最佳方位，以取得更多工业环境数据。
时刻问题。工业监督和操控网络是要害事务型的。这种网络稳固了影响产品出产根本本钱的体系，其数据及时性是至关重要的。曩昔 10 年来，确定性 TSCH WSN 体系现已过多种监督和操控运用的现场检测。这类时隙体系 (例如 WirelessHART) 其数据传送是盖上时刻戳和有时刻约束的。在这类网络中，主动为需求更多数据发送时机的节点装备更多时隙，并且经过在网络中的相继通路上装备多个时隙，能够在这种网络中完成低推迟传送。这种数据传送和谐才能还极大地进步了频频、密布的数据传送网络的布置才能。假如没有一个时刻表，洪水般无序涌入的无线流量会使非 TSCH 无线网络溃散。
此外，TSCH 网络中的每个数据包都含有精确的时刻戳信息，指示该数据包的发送时刻，并且每个节点都可取得全网一致时刻，以在需求时跨 WSN 节点和谐操控信号。因为供给了时刻戳数据，即便数据未按次序接纳也能正确地对数据排序，在面临有必要和谐来自多个传感器信息的工业运用中，时刻戳数据在确诊切当原因和影响r是很有协助。
网络运转的可视性是要害。工业网络要求接连运转许多年，可是不管一个网络多么稳固，依然有或许发生问题。即便网络在装置时运转杰出，可是在其运转寿数期内，网络质量仍是或许遭到各种环境要素的影响。针对这类问题提早宣布恰当的警报对任何工业网络而言都是很重要，而能够快速确诊并解决问题也是高质量服务的要害。谈到供给网络办理目标的可视性，并非对一切无线传感器网络都要天公地道。不过，至少工业无线网络的办理体系应该针对以下方面供给可视性：
· 用信号强度 (RSSI) 来衡量的无线链路质量
· 端到端数据包传送成功率
· 网格质量，杰出显现没有满意备用途径的节点以坚持网络牢靠性
· 节点状况和电池寿数 (在适用的情况下)
在选用智能网络的最佳工业运用布置中，修正这类问题的办法是，主动在替换途径上从头发送数据，一起接连更新网络拓扑，以最大极限地进步衔接性 (参见图 2)。
图 2：网络可视性 – 网络办理软件针对无线网络健康状况供给至关重要的可视性，例如这款来自 Emerson Process Management 公司的SNAP-ON 实用软件东西
智能“物体”应该具有智能网络。人们对进步“物体”智能化程度适当重视，可是在工业物联网运用中，这并非“智能化”的专一归属地。工业物联网络应该既运用智能化终端节点，又运用企业IT和运转技能部门有必要供给的最佳网络和安全办理功用。网络应该是高度可装备以满意特定运用需求。例如要满意延伸电池寿数的低功率要求，就应该具有自助获悉网络可用功率的才能并选用智能化路由，以最大极限优化整个网络的功耗。此外，网络应该主动地习惯 RF 环境改动，呈现这种改动时，能够动态改动拓扑能够更有利。凌力尔特的 SmartMesh 网络办理器 (SmartMesh Network Manger) 不只完成网络安全、办理和路由优化，并且答运用户在需求时经过空中从头设定节点，以供给一条功用晋级途径，习惯客户未来的需求改动。
定论
物联网在很大程度上是一种工业现象，有清晰的事务驱动力和有目共睹的出资报答。在要害事务型运用中，工业无线传感器网络有必要满意很高的智能化和安全性规范，并能够无需导线牢靠运转许多年。现有及新呈现的无线网格网络规范能够满意这些严格要求，这些规范将成为要害的工业物联网根本构件，有助于工业客户在工业物联网年代完成事务及服务革新 (参见图 3)。
图 3：促进革新 – 软件剖析 (例如 IntelliSense.io 公司的 Brains.App 软件) 运用来自工业无线传感器网络的数据简化工厂运作、优化产值并进步安全性。
参阅：
1. Industrial Wireless Sensor Networks: Trends and Developments
https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2012/october/web-exclusive-industrial-wireless-sensor-networks/#sthash.cl3G9ze5.dpuf
2. 6TiSCH Wireless Industrial Networks: Determinism Meets IPv6: Maria Rita Palattella, Pascal Thubert, Xavier Vilajosana, Thomas Watteyne, Qin Wang, and Thomas Engel.
发表于IEEE 《Communications Magazine》 (第 52 卷，第 12 期)
3. Secure Wireless Sensor Networks Against Attacks, Kristofer Pister and Jonathan Simon,
http://electronicdesign.com/communications/secure-wireless-sensor-networks-against-attacks
