面向工业物联网IIoT的无线传感器网络

　　工业物联网(IIoT)和相关的工业传感器无线连接需求都在不断变化和发展。但工业设备和应用的联网需求与消费领域大不相同，在工业IOT上是将可靠性和安全性放在首位。本白皮书主要探讨工业无线传感器网络的一些关键的网络要求。

　　低功耗处理器、智能无线网络和低功耗传感器以及“大数据分析”的出现引发了人们对工业物联网(IoT)的浓厚兴趣。简言之，将这些技术相结合使大量传感器可以放置到任何地方：不仅是通信和电力基础设施所在的地方，也可以是任何可以收集有关对象的行为方式、位置或内容等重要信息的地方。为机器、泵、管道、火车车厢等对象配备传感器的做法在工业界并不是什么新鲜事。从炼油厂到生产线等各种工业环境中，都部署了大量专用传感器及网络。过去，这类运行技术(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，而消费类技术根本无法满足这样高的要求。按照这些高标准筛选适用的技术，最终选择的是最适合关键业务型工业物联网应用的技术。尤其是，这些传感器的联网方式决定了传感器是否能够安全、可靠且经济高效地部署在工业应用的严苛环境中。本白皮书探讨一些使工业无线传感器网络(WSN)与众不同的关键要求。

　　可靠性与安全性最重要

　　对消费类应用而言，成本常常是最重要的考虑因素，而工业应用一般将可靠性和安全性放在首要位置。根据ON World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。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。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。

　　工业无线传感器网络：

　　传感器无处不在。通过能量采集系统供电的低功耗无线传感器节点(例如这个来自ABB、由采集的热能驱动的无线温度传感器)可以放置在适当位置，以获得更多工业环境数据

　　一种提高网络可靠性的通用原则是提供冗余，针对可能出现的问题设置故障恢复机制，使系统能够在不丢失数据的情况下恢复运行。在无线传感器网络中，利用冗余有两种方式。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。在设计合理的网状网络中，每个节点都可以与两个或更多个相邻节点通信，如果第一条通路不可用，就自动切换到另一条通路发送数据，因此网状网络与点对点网络相比，具有更高的可靠性。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，因此在工业应用面对的不断变化的恶劣RF环境中，任何给定通道暂时出现问题都不会影响数据传送。在IEEE 802.15.4 2.4GHz标准中，有15个扩频通道可用于跳频，使通道跳频系统具有比非跳频(单通道)系统更大的弹性。有几种无线网状网络标准采用了这种空间和通道双重冗余的时隙信道跳频(TSCH)技术，其中包括IEC62591 (WirelessHART)和即将推出的IETF 6TiSCH标准。这些网状网络标准运用了全球可用的免许可2.4GHz频谱中的无线频率，这些源于ADI公司SmartMesh团队所做的工作，2002年从SmartMesh产品开始，该团队率先将TSCH协议应用到低功耗、资源受限的设备上。

　　尽管在恶劣的RF环境中，TSCH是确保数据可靠性的基本要素，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，要具有与有线网络一样的可靠性，还必须配备智能网络管理软件，这类软件可动态优化网络拓扑，连续监视链路质量，能够应对干扰和RF环境变化，最大限度地提高吞吐量。

　　安全性是工业无线传感器网络的另一个关键特性。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：确认任何收到的信息与发送的信息完全一致，没有任何添加、删减或修改。

　　真实性：断言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案的一部分，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)以及可靠的密钥和密钥管理、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表(ACL)。这些先进的无线安全技术可以轻松集成到当今WSN中使用的很多设备中，但是并非所有WSN产品和协议都采用了所有安全技术。