工业用无线传感器网络解析

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。

工业物联网不是由无线专家安装的。成熟行业大多在传统产品基础上增加工业物联网产品和服务，这些行业的客户之部署环境既有老设备又有新设备。工业 WSN 中的智能性必须体现在使工业物联网产品具备易用性，使现有现场工作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形成，这样安装人员就可以留给站点一个稳定运行的网络；当连接较弱或无连接时，通过自我修复避免服务中断；当服务确实中断时，进行自助报告和诊断；一般部署完成后，仅需要很少的或者不需要维护，从而避免现场维护导致的高成本。对很多应用而言，其成功部分取决于能否在难以到达或非常危险的地区部署，因此物联网设备必须靠电池运行，一般要运行超过 5 年时间。

另外，既然最终用户广泛采用的工业物联网常常涵盖整个公司范围，那么系统就应该可用于全球部署，而且需要实现多站点标准化。幸运的是，理解并满足这种要求的国际性行业无线标准已经就位，其中包括 IEEE 802.15.4e TSCH。

传感器无处不在。就工业物联网应用而言，准确放置传感器或控制点是至关重要的。无线技术的承诺是无需连线即可通信，但是如果需要每隔几小时或数月通过插入电源插座或再充电来给无线节点供电，那么部署成本会令人望而却步，而且这么做也不切实际。例如，给旋转设备加上传感器以监视设备的工作状况，不可能使用有线连接，但是通过监视运行中的设备而获得的信息使客户能够预期地维护关键设备，从而避免不希望出现和花费不菲的的宕机。

为了确保灵活和具经济效益的部署，工业 WSN 中的每个节点都应该能够靠电池运行至少 5 年时间，这样就为用户提供了达到极致的灵活性，扩大工业物联网应用的覆盖范围。作为工业 TSCH WSN 的一个例子，凌力尔特的 SmartMesh 产品一般以远低于 50?A 的电流工作，因此可以靠两节 AA 电池运行很多年。如果周围环境有丰富的可收集能源，那么无线节点还可以靠能量收集连续运行 (参见图 1)。

图 1：传感器无处不在 – 由收集的能量连续供电的低功率无线传感器节点，例如这个来自 ABB 可收集热量之无线温度传感器，可以放置在最佳位置，以获得更多工业环境数据。

时间问题。工业监视和控制网络是关键业务型的。这种网络巩固了影响商品生产基本成本的系统，其数据及时性是至关重要的。过去 10 年来，确定性 TSCH WSN 系统已经过多种监视和控制应用的现场考验。这类时隙系统 (例如 WirelessHART) 其数据传送是盖上时间戳和有时间限制的。在这类网络中，自动为需要更多数据发送机会的节点配置更多时隙，而且通过在网络中的相继通路上配置多个时隙，可以在这种网络中实现低延迟传送。这种数据传送协调能力还极大地提高了频繁、密集的数据传送网络的部署能力。如果没有一个时间表，洪水般无序涌入的无线流量会使非 TSCH 无线网络崩溃。

此外，TSCH 网络中的每个数据包都含有准确的时间戳信息，指示该数据包的发送时间，而且每个节点都可获得全网统一时间，以在需要时跨 WSN 节点协调控制信号。由于提供了时间戳数据，即使数据未按顺序接收也能正确地对数据排序，在面对必须协调来自多个传感器信息的工业应用中，时间戳数据在诊断确切原因和影响時是很有帮助。

网络运行的可视性是关键。工业网络要求连续运行很多年，然而无论一个网络多么坚固，仍然有可能发生问题。即使网络在安装时运行良好，但是在其运行寿命期内，网络质量还是可能受到各种环境因素的影响。针对这类问题提前发出适当的警报对任何工业网络而言都是很重要，而能够快速诊断并解决问题也是高质量服务的关键。谈到提供网络管理指标的可视性，并非对所有无线传感器网络都要一视同仁。不过，至少工业无线网络的管理系统应该针对以下方面提供可视性：

·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，突出显示没有足够备用路径的节点以保持网络可靠性

·节点状态和电池寿命 (在适用的情况下)

在采用智能网络的最佳工业应用部署中，修复这类问题的方法是，自动在