工业物联网(IoT)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。

1 工业无线传感器网络：趋势和发展（https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2012/october/web-exclusive-industrial-wireless-sensor-networks/#sthash.cl3G9ze5.dpuf）

图1.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用冗余方法，在有冗余的情况下，针对可能出现问题的失效机制使系统能够在没有数据损失的前提下得到恢复。在无线传感器网络中，有两种基本的机会利用冗余。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，恰当构成的网状网络与点对点网络相比，可靠性更高，因为在这样的网状网络中，如果第一条通路不可用，就自动在另一条通路上发送数据。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，因此任何给定通道在不断变化的严酷 RF 环境中暂时出现问题都不会影响数据传送，严酷的 RF 环境是工业应用所处的典型环境。在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 标准中，有 15 个扩展频谱通道可用于跳频，从而使通道跳频系统有了比非跳频 (单通道) 系统大得多的弹性。有几种无线网状网络标准同时采用了空间冗余和通道冗余这两种技术，这些标准称为时隙通道跳频 (TSCH)，其中包括 IEC62591 (WirelessHART) 和即将出台的 IETF 6TiSCH 标准 (见参考 2)。这些网状网络标准运用了全球可用的无牌照 2.4GHz 频谱中的无线频率，是以凌力尔特 Dust Networks® 部所做工作为基础演变而来， 2002 年从 SmartMesh® 产品开始，Dust Networks 率先将 TSCH 协议应用到低功率、资源受限的设备上。

　　尽管在严酷的 RF 环境中，TSCH 是实现数据可靠性必不可少的基本构件，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，实现与有线网络一样可靠性所需的最后一个要素是智能网络管理软件，这类软件动态优化网络拓扑，连续监视链路质量，以在存在干扰和 RF 环境变化的情况下，最大限度提高吞吐量。

　　安全性是工业无线传感器网络的另一个关键属性。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 – 任何接收到的信息都得到确认，完全是所发送的信息，对内容没有任何添加、删减或修改。

　　·真实性 – 声称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法的一部分，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) 和坚固的密钥及密钥管理、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。

工业物联网并非由无线专家安装

成熟行业大多是在传统产品的基础上增加工业物联网产品和服务，这些客户的部署环境中既有老设备也有新设备。工业WSN体现的智能性必须使工业物联网产品易于使用，实现无缝过渡，让现有现场工作人员轻松使用新的工业物联网产品。网络应能够快速自建，这样安装人员就可以交付一个稳定运行的网络；当连接较弱或失去连接时，通过自我修复避免服务中断；当服务发生中断时，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。很多应用的成败部分取决于能否在难以到达或存在危险的地区部署，因此，物联网设备必须依靠电池运行，一般需要持续运行5年以上。

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至关重要。借助无线技术有望实现无线通信，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，为旋转设备配备传感器以监视设备的工作状况，不可能使用有线连接，但是客户通过监视运行中的设备获得相关信息能够对关键设备实施预测维护，从而避免不必要的代价不菲的停机。

为确保实现灵活、经济高效的部署，工业WSN中的每个节点都应能够依靠电池运行至少5年，这样就为用户带来了极大的灵活性，并且扩大了工业物联网应用的覆盖范围。作为工业TSCH WSN的一个例子，ADI公司的SmartMesh产品一般以远低于50µA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储集能源，那么无线节点还可以通过储能实现连续运行（参见图1）。

图2.网络可视性——通过网络管理软件可查看与无线网络健康状况相关的重要信息，

例如Emerson Process Management的这款SNAP-ON软件实用工具

2  6TiSCH无线工业网络：确定性满足IPv6标准：Maria Rita Palattella1、Pascal Thubert2、Xavier Vilajosana3,4、Thomas Watteyne4,5、Qin Wang4,6、Thomas Engel1 发布于：IEEE通信杂志（第52卷，第12期）。

3  保护无线传感器网络免受攻击，Kristofer Pister和Jonathan Simon，网址：https://electronicdesign.com/communications/ secure-wireless-sensor-networks-against-attacks

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，自动在替换路径上重新发送数据，同时连续更新网络拓扑，以最大限度地提高连接性 (参见图 2)。

智能“物体”应该拥有智能网络

人们对提高“物体”智能化程度相当关注，但是在工业物联网应用中，这并非“智能化”的惟一归属地。工业物联网络应该既利用智能化终端节点，又利用企业IT和运行技术部门必须提供的最佳网络和安全管理功能。网络应该是高度可配置以满足特定应用需求。例如要满足延长电池寿命的低功率要求，就应该具备自助获知网络可用功率的能力并采用智能化路由，以最大限度优化整个网络的功耗。此外，网络应该自动地适应 RF 环境变化，出现这种变化时，能够动态改变拓扑可以更有利。凌力尔特的 SmartMesh 网络管理器 (SmartMesh Network Manger) 不仅实现网络安全、管理和路由优化，而且允许用户在需要时通过空中重新设定节点，以提供一条功能升级途径，适应客户未来的需求变化。

　　物联网在很大程度上是一种工业现象，有明确的业务驱动力和引人注目的投资回报。在关键业务型应用中，工业无线传感器网络必须满足很高的智能化和安全性标准，并能够无需导线可靠运行很多年。现有及新出现的无线网格网络标准可以满足这些严格要求，这些标准将成为关键的工业物联网基本构件，有助于工业客户在工业物联网时代实现业务及服务变革 (参见图 3)。

图 3：促进变革 – 软件分析 (例如 IntelliSense.io 公司的 Brains.App 软件) 利用来自工业无线传感器网络的数据简化工厂运作、优化产量并提高安全性。

ADI公司确信其所提供的信息是准确可靠的。但ADI公司不对数据的使用承担责任，也不对因使用这些数据所引起的任何违反第三方专利或者其他权利的行为承担责任。规格如有变更，恕不另行通知。不含有对ADI公司专利或者专利权的暗示性或其他形式的许可。