【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、火huo車che車che廂xiang等deng對dui象xiang配pei備bei傳chuan感gan器qi的de做zuo法fa在zai工gong業ye界jie並bing不bu是shi什shen麼me新xin鮮xian事shi。從cong煉lian油you廠chang到dao生sheng產chan線xian等deng各ge種zhong工gong業ye環huan境jing中zhong，都dou部bu署shu了le大da量liang專zhuan用yong傳chuan感gan器qi及ji網wang絡luo。過guo去qu

，這zhe類lei運yun行xing技ji術shu(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

一yi種zhong提ti高gao網wang絡luo可ke靠kao性xing的de通tong用yong原yuan則ze是shi提ti供gong冗rong餘yu，針zhen對dui可ke能neng出chu現xian的de問wen題ti設she置zhi故gu障zhang恢hui複fu機ji製zhi，使shi係xi統tong能neng夠gou在zai不bu丟diu失shi數shu據ju的de情qing況kuang下xia恢hui複fu運yun行xing。在zai無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo中zhong，利li用yong冗rong餘yu有you兩liang種zhong方fang式shi。第di一yi種zhong是shi空kong間jian冗rong餘yu概gai念nian
，即ji每mei個ge無wu線xian節jie點dian都dou可ke以yi與yu至zhi少shao兩liang個ge其qi他ta節jie點dian通tong信xin，而er且qie路lu由you機ji製zhi允yun許xu數shu據ju轉zhuan發fa給gei兩liang個ge節jie點dian中zhong的de任ren意yi一yi個ge
，但dan仍reng然ran能neng夠gou到dao達da預yu期qi的de最zui終zhong目mu的de地di。在zai設she計ji合he理li的de網wang狀zhuang網wang絡luo中zhong，每mei個ge節jie點dian都dou可ke以yi與yu兩liang個ge或huo更geng多duo個ge相xiang鄰lin節jie點dian通tong信xin
，如ru果guo第di一yi條tiao通tong路lu不bu可ke用yong
，就jiu自zi動dong切qie換huan到dao另ling一yi條tiao通tong路lu發fa送song數shu據ju，因yin此ci網wang狀zhuang網wang絡luo與yu點dian對dui點dian網wang絡luo相xiang比bi，具ju有you更geng高gao的de可ke靠kao性xing。第di二er種zhong冗rong餘yu可ke以yi利li用yongRF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(lie)RF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RFtiaozhanheshujuchuansongyaoqiu。yinci，yaojuyouyuyouxianwangluoyiyangdekekaoxing，haibixupeibeizhinengwangluoguanliruanjian，zheleiruanjiankedongtaiyouhuawangluotuopu
，lianxujianshilianluzhiliang，nenggouyingduiganraoheRF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；一(yi)般(ban)部(bu)署(shu)完(wan)成(cheng)後(hou)，僅(jin)需(xu)要(yao)很(hen)少(shao)的(de)或(huo)者(zhe)不(bu)需(xu)要(yao)維(wei)護(hu)，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)現(xian)場(chang)維(wei)護(hu)導(dao)致(zhi)的(de)高(gao)成(cheng)本(ben)。很(hen)多(duo)應(ying)用(yong)的(de)成(cheng)敗(bai)部(bu)分(fen)取(qu)決(jue)於(yu)能(neng)否(fou)在(zai)難(nan)以(yi)到(dao)達(da)或(huo)存(cun)在(zai)危(wei)險(xian)的(de)地(di)區(qu)部(bu)署(shu)，因(yin)此(ci)
，物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)必(bi)須(xu)依(yi)靠(kao)電(dian)池(chi)運(yun)行(xing)

，一(yi)般(ban)需(xu)要(yao)持(chi)續(xu)運(yun)行(xing)5年以上。

lingwai，jiranzuizhongyonghuguangfancaiyongdegongyewulianwangchangchanghangaizhenggegongsifanwei
，namexitongjiuyinggaikeyongyuquanqiubushu，erqiexuyaoshixianduozhandianbiaozhunhua。xingyundeshi，lijiebingmanzuzhezhongyaoqiudeguojixingxingyewuxianbiaozhunyijingjiuwei，qizhongbaokuoIEEE 802.15.4e TSCH。

傳感器無處不在

就jiu工gong業ye物wu聯lian網wang應ying用yong而er言yan，準zhun確que放fang置zhi傳chuan感gan器qi或huo控kong製zhi點dian至zhi關guan重zhong要yao。借jie助zhu無wu線xian技ji術shu有you望wang實shi現xian無wu線xian通tong信xin，但dan是shi如ru果guo需xu要yao每mei隔ge幾ji小xiao時shi或huo數shu月yue通tong過guo插cha入ru電dian源yuan插cha座zuo或huo再zai充chong電dian來lai給gei無wu線xian節jie點dian供gong電dian，那na麼me部bu署shu成cheng本ben會hui令ling人ren望wang而er卻que步bu

，而er且qie這zhe麼me做zuo也ye不bu切qie實shi際ji。例li如ru
，為wei旋xuan轉zhuan設she備bei配pei備bei傳chuan感gan器qi以yi監jian視shi設she備bei的de工gong作zuo狀zhuang況kuang，不bu可ke能neng使shi用yong有you線xian連lian接jie，但dan是shi客ke戶hu通tong過guo監jian視shi運yun行xing中zhong的de設she備bei獲huo得de相xiang關guan信xin息xi能neng夠gou對dui關guan鍵jian設she備bei實shi施shi預yu測ce維wei護hu，從cong而er避bi免mian不bu必bi要yao的de代dai價jia不bu菲fei的de停ting機ji。

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、有(you)時(shi)間(jian)限(xian)製(zhi)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。在(zai)這(zhe)類(lei)網(wang)絡(luo)中(zhong)，需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)數(shu)據(ju)發(fa)送(song)機(ji)會(hui)的(de)節(jie)點(dian)將(jiang)會(hui)自(zi)動(dong)配(pei)置(zhi)更(geng)多(duo)時(shi)隙(xi)
，而(er)且(qie)通(tong)過(guo)在(zai)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)連(lian)續(xu)通(tong)路(lu)上(shang)配(pei)置(zhi)多(duo)個(ge)時(shi)隙(xi)，可(ke)以(yi)在(zai)這(zhe)種(zhong)網(wang)絡(luo)中(zhong)實(shi)現(xian)低(di)延(yan)遲(chi)傳(chuan)送(song)。這(zhe)種(zhong)數(shu)據(ju)傳(chuan)送(song)協(xie)調(tiao)能(neng)力(li)還(hai)極(ji)大(da)地(di)提(ti)高(gao)了(le)部(bu)署(shu)頻(pin)繁(fan)傳(chuan)送(song)數(shu)據(ju)的(de)密(mi)集(ji)網(wang)絡(luo)的(de)能(neng)力(li)。如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)一(yi)個(ge)時(shi)間(jian)表(biao)
，洪(hong)水(shui)般(ban)無(wu)序(xu)湧(yong)入(ru)的(de)無(wu)線(xian)流(liu)量(liang)會(hui)使(shi)非(fei)TSCH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。

物wu聯lian網wang在zai很hen大da程cheng度du上shang是shi一yi種zhong工gong業ye現xian象xiang
，可ke以yi推tui動dong業ye務wu發fa展zhan，帶dai來lai出chu色se的de投tou資zi回hui報bao率lv。在zai這zhe些xie業ye務wu關guan鍵jian型xing應ying用yong中zhong
，工gong業ye無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo必bi須xu滿man足zu智zhi能neng、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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