【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、huochechexiangdengduixiangpeibeichuanganqidezuofazaigongyejiebingbushishenmexinxianshi。conglianyouchangdaoshengchanxiandenggezhonggongyehuanjingzhong，doubushuledaliangzhuanyongchuanganqijiwangluo。guoqu
，zheleiyunxingjishu(OT)xitongzuoweidandudewangluoyunxing，baochihengaodewangluokekaoxingheanquanxingbiaozhun，erxiaofeileijishugenbenwufamanzuzheyanggaodeyaoqiu。anzhaozhexiegaobiaozhunshaixuanshiyongdejishu

，zuizhongxuanzedeshizuishiheguanjianyewuxinggongyewulianwangyingyongdejishu。youqishi，zhexiechuanganqidelianwangfangshijuedinglechuanganqishifounenggouanquan
、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

yizhongtigaowangluokekaoxingdetongyongyuanzeshitigongrongyu，zhenduikenengchuxiandewentishezhiguzhanghuifujizhi，shixitongnenggouzaibudiushishujudeqingkuangxiahuifuyunxing。zaiwuxianchuanganqiwangluozhong，liyongrongyuyouliangzhongfangshi。diyizhongshikongjianrongyugainian
，jimeigewuxianjiediandoukeyiyuzhishaolianggeqitajiediantongxin，erqieluyoujizhiyunxushujuzhuanfageilianggejiedianzhongderenyiyige，danrengrannenggoudaodayuqidezuizhongmudedi。zaishejihelidewangzhuangwangluozhong，meigejiediandoukeyiyulianggehuogengduogexianglinjiediantongxin，ruguodiyitiaotonglubukeyong，jiuzidongqiehuandaolingyitiaotonglufasongshuju，yinciwangzhuangwangluoyudianduidianwangluoxiangbi，juyougenggaodekekaoxing。dierzhongrongyukeyiliyongRF頻pin譜pu中zhong的de多duo個ge可ke用yong通tong道dao實shi現xian。通tong道dao跳tiao頻pin概gai念nian指zhi的de是shi，成cheng對dui節jie點dian每mei次ci傳chuan送song數shu據ju時shi可ke以yi使shi用yong不bu同tong的de通tong道dao

，因yin此ci在zai工gong業ye應ying用yong麵mian對dui的de不bu斷duan變bian化hua的de惡e劣lieRF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RF挑tiao戰zhan和he數shu據ju傳chuan送song要yao求qiu。因yin此ci，要yao具ju有you與yu有you線xian網wang絡luo一yi樣yang的de可ke靠kao性xing，還hai必bi須xu配pei備bei智zhi能neng網wang絡luo管guan理li軟ruan件jian，這zhe類lei軟ruan件jian可ke動dong態tai優you化hua網wang絡luo拓tuo撲pu，連lian續xu監jian視shi鏈lian路lu質zhi量liang，能neng夠gou應ying對dui幹gan擾rao和heRF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；yibanbushuwanchenghou，jinxuyaohenshaodehuozhebuxuyaoweihu
，congerbimianxianchangweihudaozhidegaochengben。henduoyingyongdechengbaibufenqujueyunengfouzainanyidaodahuocunzaiweixiandediqubushu，yinci，wulianwangshebeibixuyikaodianchiyunxing，yibanxuyaochixuyunxing5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(kuo)IEEE 802.15.4e TSCH。

傳感器無處不在

jiugongyewulianwangyingyongeryan，zhunquefangzhichuanganqihuokongzhidianzhiguanzhongyao。jiezhuwuxianjishuyouwangshixianwuxiantongxin，danshiruguoxuyaomeigejixiaoshihuoshuyuetongguocharudianyuanchazuohuozaichongdianlaigeiwuxianjiediangongdian，namebushuchengbenhuilingrenwangerquebu
，erqiezhemezuoyebuqieshiji。liru
，weixuanzhuanshebeipeibeichuanganqiyijianshishebeidegongzuozhuangkuang，bukenengshiyongyouxianlianjie，danshikehutongguojianshiyunxingzhongdeshebeihuodexiangguanxinxinenggouduiguanjianshebeishishiyuceweihu，congerbimianbubiyaodedaijiabufeidetingji。

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、youshijianxianzhideshujuchuanshu。zaizheleiwangluozhong
，xuyaogengduoshujufasongjihuidejiedianjianghuizidongpeizhigengduoshixi
，erqietongguozaiwangluozhongdelianxutonglushangpeizhiduogeshixi，keyizaizhezhongwangluozhongshixiandiyanchichuansong。zhezhongshujuchuansongxietiaonenglihaijidaditigaolebushupinfanchuansongshujudemijiwangluodenengli。ruguomeiyouyigeshijianbiao，hongshuibanwuxuyongrudewuxianliulianghuishifeiTSCH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

工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)需(xu)要(yao)連(lian)續(xu)運(yun)行(xing)很(hen)多(duo)年(nian)，然(ran)而(er)無(wu)論(lun)一(yi)個(ge)網(wang)絡(luo)多(duo)麼(me)穩(wen)固(gu)，仍(reng)然(ran)有(you)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)問(wen)題(ti)。即(ji)使(shi)網(wang)絡(luo)在(zai)安(an)裝(zhuang)時(shi)運(yun)行(xing)良(liang)好(hao)，但(dan)網(wang)絡(luo)在(zai)其(qi)運(yun)行(xing)壽(shou)命(ming)期(qi)內(nei)的(de)質(zhi)量(liang)仍(reng)可(ke)能(neng)受(shou)各(ge)種(zhong)環(huan)境(jing)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)。針(zhen)對(dui)這(zhe)類(lei)問(wen)題(ti)提(ti)前(qian)發(fa)出(chu)適(shi)當(dang)的(de)警(jing)報(bao)對(dui)任(ren)何(he)工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)而(er)言(yan)都(dou)很(hen)重(zhong)要(yao)
，而(er)能(neng)夠(gou)快(kuai)速(su)診(zhen)斷(duan)並(bing)解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)也(ye)是(shi)高(gao)質(zhi)量(liang)服(fu)務(wu)的(de)關(guan)鍵(jian)。談(tan)到(dao)提(ti)供(gong)網(wang)絡(luo)管(guan)理(li)指(zhi)標(biao)的(de)可(ke)視(shi)性(xing)
，並(bing)非(fei)所(suo)有(you)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)都(dou)是(shi)同(tong)樣(yang)的(de)要(yao)求(qiu)。不(bu)過(guo)
，至(zhi)少(shao)工(gong)業(ye)無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)的(de)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)應(ying)該(gai)針(zhen)對(dui)以(yi)下(xia)方(fang)麵(mian)提(ti)供(gong)可(ke)視(shi)性(xing)：

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ITheyunxingjishubumenpeizhidejishuyoushi。wangluoyinggaishigaodukepeizhide
，yimanzutedingyingyongxuqiu。liruyaomanzuyanchangdianchishoumingdedigonghaoyaoqiu
，jiuyinggaijubeizizhuhuozhiwangluokeyonggonglvdenenglibingcaiyongzhinenghualuyou，yizuidaxianduyouhuazhenggewangluodegonghao。ciwai，wangluoyingzidongshiyingRF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。

wulianwangzaihendachengdushangshiyizhonggongyexianxiang，keyituidongyewufazhan，dailaichusedetouzihuibaolv。zaizhexieyewuguanjianxingyingyongzhong，gongyewuxianchuanganqiwangluobixumanzuzhineng
、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）

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