工業(yè)控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：兩大難題及解決

使用ZigBee等協(xié)議的低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)過程控制領(lǐng)域涌現(xiàn)的吸引力的技術(shù)之一，原因是這些網(wǎng)絡(luò)使在相關(guān)場(chǎng)所添加計(jì)算能力得以實(shí)現(xiàn)，而之前這樣做會(huì)因成本原因而根本無法實(shí)現(xiàn)。 
由于這些新的傳感器節(jié)點(diǎn)價(jià)格低、外形小（只有以前的1/4）而且耗電少（一節(jié)電池可用兩年甚至更長(zhǎng)時(shí)間），對(duì)于那些由于建筑物和機(jī)器隱蔽處和裂縫太多而無法部署常規(guī)有線傳感器的工業(yè)環(huán)境來說，它們無疑是理想選擇。 
鑒于這些新型低功率傳感器幾乎能*，工業(yè)工程師已經(jīng)在各種應(yīng)用中預(yù)定了它們的位置，而一些*已經(jīng)開始試行采用了ZigBee等無線協(xié)議的項(xiàng)目。然而，隨著這些無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)的普及，兩大重要障礙也隨之而來： 
1）由于網(wǎng)絡(luò)和組件管理軟件開發(fā)之復(fù)雜性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)需要執(zhí)行功能的工業(yè)環(huán)境中； 
2）主流無線協(xié)議（如ZigBee/802.14.5、802.11g和802.11等）還不能*工業(yè)應(yīng)用特定的技術(shù)要求。 
這些困難就像兩座大山，嚴(yán)重延緩了部署計(jì)劃，并無疑給那些因無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而興奮的人們潑了一盆冷水。幸好，業(yè)界中能推翻這兩座大山的方案也不斷涌現(xiàn)。本文接下來將對(duì)這兩大難題進(jìn)行詳細(xì)分析，并介紹如何利用方案來跨越障礙。 
無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)部署難度大且耗費(fèi)時(shí)間的原因主要有以下兩點(diǎn)：“怎樣讓不同的設(shè)備協(xié)同工作？”的問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署使原先從未共存過的一些設(shè)備被放在了一起： 
a）傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備（如專有的ZigBee設(shè)備） 
b）現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò) 
c）企業(yè)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)有的SCADA、OPC、MODBUS和其它系統(tǒng) 
這些不同的設(shè)備之間差別太大，從而形成了一個(gè)巨大障礙，在構(gòu)建應(yīng)用程序時(shí)通過軟件根本無法解決。 
“編程慢”問題——從技術(shù)層面上看，要對(duì)管理無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用的軟件進(jìn)行編程是極其復(fù)雜的，而且非常費(fèi)力，因此即便是部署zui簡(jiǎn)單的應(yīng)用，也需要專業(yè)級(jí)程序員付出數(shù)月的辛勤勞動(dòng)。而如果是在那些要求眾多很難編程的功能的工業(yè)環(huán)境中部署更復(fù)雜的應(yīng)用，無疑需要更長(zhǎng)的時(shí)間。 
“編程慢”和“協(xié)同工作”問題會(huì)給整個(gè)部署流程增加6-12個(gè)月（甚至更長(zhǎng)）的時(shí)間。即使是基本部署，它的編程階段目前也需要這么長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)椋?nbsp;
工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正努力試圖通過鮮為人知的包級(jí)編程（arcane packet-level programming）技術(shù)，在所有網(wǎng)絡(luò)組件之間建立一個(gè)通用接口，使所有節(jié)點(diǎn)端（傳感器端） 和企業(yè)端的網(wǎng)絡(luò)組件都能成功地實(shí)現(xiàn)彼此通信； 該技術(shù)團(tuán)隊(duì)解決了應(yīng)用所需功能編程過程延長(zhǎng)的問題－這對(duì)于關(guān)鍵的工業(yè)特性如可靠運(yùn)輸、健康和狀況監(jiān)控、安全特性、*功率管理和自動(dòng)任務(wù)執(zhí)行等領(lǐng)域來說都是相當(dāng)復(fù)雜。 
不論是以硬性美元成本還是與壟斷資源有關(guān)的軟費(fèi)用來計(jì)算，這個(gè)編程過程所需時(shí)長(zhǎng)都無疑給部署過程增加了巨大的成本。 
克服*關(guān)：將編程時(shí)間從月縮減到天。 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的日益引人關(guān)注以及部署網(wǎng)絡(luò)困難的日益明顯，軟件公司設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件來解決上述問題。 
面向無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的系統(tǒng)軟件有各種不同的說法，但我在此所指的是“服務(wù)代理（service broker）”。服務(wù)代理是軟件的一個(gè)分布層，將無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)的各種正常操作協(xié)調(diào)在一起，使用戶組織可以將編程專門集中于應(yīng)用的商業(yè)邏輯。服務(wù)代理軟件有固有的分布式特點(diǎn)，其身影遍布在現(xiàn)場(chǎng)zui小的“節(jié)點(diǎn)”、移動(dòng)型工作人員的PDA、辦公室個(gè)人電腦和企業(yè)應(yīng)用端的服務(wù)器上。 
服務(wù)代理提供了一層覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并使網(wǎng)絡(luò)組件之間實(shí)現(xiàn)通信的軟件，解決了“協(xié)同工作”的問題。用戶企業(yè)不再需要經(jīng)歷在節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)設(shè)備、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)組件之間構(gòu)建眾多接口的痛苦過程。 
另外，服務(wù)代理還能提供用于網(wǎng)絡(luò)基本編排的預(yù)置軟件，以及面向?qū)I(yè)應(yīng)用至關(guān)重要的特定特征和功能的預(yù)置網(wǎng)絡(luò)組件，從而解決“編程慢”的問題。而zui重要的是，服務(wù)代理提供了一個(gè)使用熟悉的JAVA/.NET編程環(huán)境的開發(fā)平臺(tái)，而這個(gè)編程環(huán)境是大多數(shù)組織都曾經(jīng)應(yīng)用過的。 


通過使用這種用于無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)預(yù)的預(yù)置系統(tǒng)軟件，工業(yè)環(huán)境中那些網(wǎng)絡(luò)所需的編程時(shí)間能從6-12月（或者更長(zhǎng)）銳減到短短的幾個(gè)星期甚至幾天。編程時(shí)間和高昂費(fèi)用的減少掃清了無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)一步推廣的主要障礙。 
部署工業(yè)環(huán)境下無線傳感器及控制網(wǎng)絡(luò)的第二大難題在于，目前還處于評(píng)估狀態(tài)的*低功率無線協(xié)議（如ZigBee/802.14.5、802.11g和802.11s等）還不能*工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)要求。 
隨著更多公司開始關(guān)注無線傳感器技術(shù)，業(yè)內(nèi)越來越多地認(rèn)識(shí)到無線協(xié)議在對(duì)等控制、局部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入等關(guān)鍵領(lǐng)域的缺陷，但真正*個(gè)對(duì)之進(jìn)行了正式研究的組織，是ISA的SP100委員會(huì)。 
ISA-SP100委員會(huì)的宗旨在于創(chuàng)建一個(gè)工業(yè)無線聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，來簡(jiǎn)化規(guī)范的制定，并使無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)能應(yīng)用在過程自動(dòng)化中。該組織的早期項(xiàng)目之一是概括出無線協(xié)議必須滿足的關(guān)鍵要求，以有效地支持監(jiān)控和控制等工業(yè)應(yīng)用。該委員會(huì)的會(huì)員已經(jīng)開始發(fā)布初步研究成果，這也是我所見過的*份研究。該研究確定了無線協(xié)議需要滿足的每一個(gè)關(guān)鍵要求，以使之*支持工業(yè)自動(dòng)化和控制，并就一些主要協(xié)議在對(duì)這些要求的滿足程度上做了量化分析。 
為了發(fā)動(dòng)對(duì)這份報(bào)告的研究， SP100的一個(gè)會(huì)員進(jìn)行了廣泛的終端用戶調(diào)查，匯編出一個(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域里無線協(xié)議須滿足的關(guān)鍵要求的清單。該調(diào)查確定了對(duì)工業(yè)設(shè)置內(nèi)無線技術(shù)的15大關(guān)鍵要求，并通過報(bào)告評(píng)估了15大關(guān)鍵領(lǐng)域每個(gè)領(lǐng)域（表A）內(nèi)各種主要無線協(xié)議的符合程度（802.11g、802.11s、ZigBee/802.15.4和WiMax）。該報(bào)告根據(jù)每種協(xié)議的符合程度給每種協(xié)議給出了0-4分的分?jǐn)?shù)及總體分?jǐn)?shù)。如果某個(gè)協(xié)議在所有種類中都能符合，就能獲得滿分60分的總體分。 

表A
從表A中可以看到，單個(gè)的分?jǐn)?shù)相差很小，但沒有一個(gè)能達(dá)到*支持工業(yè)應(yīng)用所需的水平。 
這些發(fā)現(xiàn)清楚地表明，這些主要的無線協(xié)議還根本不具備*支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工業(yè)應(yīng)用的能力。但是，如果借助某種補(bǔ)充技術(shù)來對(duì)某個(gè)流行協(xié)議（比如Zigbee）進(jìn)行加強(qiáng)，情況就會(huì)大大改觀。 
在SP100研究中，ZigBee及其它專有的基于802.15.4的協(xié)議的總體分僅35分，根本不能適用于工業(yè)應(yīng)用。但是，通過和該領(lǐng)域一些公司的交談，我發(fā)現(xiàn)無線傳感器和控制技術(shù)在功率管理、低成本設(shè)備和對(duì)等控制等領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)對(duì)工業(yè)過程控制領(lǐng)域中的人們具有很大的吸引力。 
孤軍奮戰(zhàn)的ZigBee可能無法成為工業(yè)應(yīng)用的理想技術(shù)，但如果結(jié)合服務(wù)代理，一個(gè)理想的無線協(xié)議就將很快成為現(xiàn)實(shí)，而不再只是遙不可及的空想。如果ZigBee與服務(wù)代理相結(jié)合，將使其保持住如SP100報(bào)告中所述的下列各種關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：電源管理、支持現(xiàn)場(chǎng)對(duì)等控制、低資本費(fèi)用、低運(yùn)作費(fèi)用、容易安裝和維護(hù)，以及可用性。 
服務(wù)代理還能彌補(bǔ)或減輕ZigBee在工業(yè)應(yīng)用中的缺陷，使之能在SP100打分卡上取得的或者顯著的高分： 
互用性——結(jié)合服務(wù)代理，ZigBee*突破了互用性限制。 
容量和可伸縮性——通過物理分隔網(wǎng)絡(luò)并邏輯連接成更大的服務(wù)代理關(guān)系，*了容量和可伸縮性要求。 
網(wǎng)絡(luò)安全——隨著ZigBee服務(wù)代理的加入，安全性能也更接近SP100要求。 
信息安全——信息安全顯著增強(qiáng)。 
可靠通信——采用服務(wù)代理的*端到端可靠性協(xié)議，確保了不同網(wǎng)絡(luò)之間的信息確認(rèn)和重試。
適當(dāng)?shù)膱?bào)告速率——通過服務(wù)代理，用戶能具有一個(gè)更為動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的機(jī)制來更改報(bào)告速率。
適于閉環(huán)控制——有了端到端可靠性協(xié)議和可靠的行動(dòng)/響應(yīng)能力，服務(wù)代理能在眾多時(shí)序和延遲要求以秒計(jì)的情況下實(shí)現(xiàn)低頻控制環(huán)。在特定的無線網(wǎng)絡(luò)配置下，能將延遲控制在500ms以內(nèi)。 
通過手持和便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)本地現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入——有了服務(wù)代理，ZigBee將能通過手持和便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)*接入。 
如果結(jié)合ZigBee（及其它基于802.15.4的技術(shù)）的固有優(yōu)勢(shì)和服務(wù)代理的功能，這樣一個(gè)無線方案就能更接近SP100所要的理想技術(shù)。 
表格B提供了假定的打分卡，就SP100的期望值和ZigBee及服務(wù)代理進(jìn)行了對(duì)比。在之前ZigBee得低分的區(qū)域，ZigBee及服務(wù)代理*或者幾乎*符合SP100要求。在將服務(wù)代理的影響考慮進(jìn)去后，ZigBee的總得分跳升到53.5分，幾乎達(dá)到了SP100的理想方案的效果。 

表B
實(shí)際上，是否有任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自身能真正解決系統(tǒng)固有的安全性、可靠性、報(bào)告速率、互用性和可伸縮性等問題，這一點(diǎn)還值得懷疑。但服務(wù)代理等新型補(bǔ)充技術(shù)能*無線協(xié)議實(shí)際功能和理想功能之間的差距。對(duì)于那些期望啟動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，但由于受到ZigBee等無線技術(shù)的局限而躊躇不前的公司來說，這無疑是一個(gè)好消息。 
結(jié)論 
人們對(duì)于在工業(yè)自動(dòng)化和控制領(lǐng)域利用無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興趣與日俱增。應(yīng)用這些新型無線傳感器有望將工業(yè)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)?聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境，將物理資產(chǎn)與企業(yè)技術(shù)系統(tǒng)集成在一起。 
盡管在網(wǎng)絡(luò)部署上的巨大難題延緩了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及，但新的軟件方案也在不斷消除這些障礙。這一新技術(shù)減少了無線傳感器及控制網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的復(fù)雜性，從而極大地加快了部署速度，并增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)性能，使之能更好地滿足工業(yè)領(lǐng)域*的技術(shù)要求。