工业无线网络论文（共11篇）
工业无线网络论文 篇1
0 引言
工业控制系统是对各种控制系统的统称,主要包括监控系统、数据采集系统、分布式控系统以及可编辑的逻辑控制系统等。随着工业的发展,工业控制系统成为我国关键基础设施的重要内容之一,现阶段的工业控制系统被应用在工业建设的多个领域。在工业规模不断扩大以及信息技术不断发展的情况下,无线网络技术逐渐被引入工业控制系统中,形成了工业无线控制网络系统。无线网络控制系统能够有效改善和解决在恶劣工厂环境下出现的布线困难、布线应用成本和维护成本高的问题。同时,无线网络控制系统还能满足工业应用可靠性实现、低能耗使用、硬件设施完善的需求,是一种基于无线传感器发展的技术。和传统网络相比,工业无线控制网络技术的节点能量、计算机存储能力、宽带服务和通信能力等有限,同时由于它是通过无线介质传播信息的,比有线网络更容易受到外界攻击。因此,工业无线控制网络的安全问题需要引起重视,本文对工业无线控制网络安全方法的研究与实现进行探讨。
1 工业无线控制网络技术概述
无线控制网络系统技术一般以PLC为核心,通过无线通信设备、传感器设备以及现场的自动设备等,对现场分散的状态进行实时的监控。工业无线控制网络技术是从最新的传感器网络技术中发展起来的,具有以下几方面的优势:第一,成本低。无线网络技术不受时间、地点以及空间的限制,且不需要布线的成本。将其应用到工业无线控制技术中能够在很大程度上节省安装和维护的成本。第二,灵活性高。在组网的过程中,无线网络技术得以应用能够提升设备的可移动性。第三,可靠性强。无线网络技术在工业控制的使用能够解决电缆连接器受磨损导致的故障问题,进而提升网络的可靠性。
2 工业无线控制网络技术的安全隐患
工业无线控制网络系统是一个开放性强的网络系统,会受到各种方面的网络安全威胁,现阶段工业无线控制网络技术的安全威胁主要体现在以下几个方面:
2.1 恶意攻击
恶意攻击是一种人为的破坏,包括主动和被动两个方面。主动攻击是采用各种方式对对方的网络进行攻击的行为,比如使用制造病毒的方式攻击对方电脑网络系统。被动攻击是在对方不知情的情况下盗取或者肆意利用对方网络系统中的敏感数据和信息。
2.2 窃听和监听
窃听是指攻击者在技术的支持的下获取对方的传输信息,是网络常见的一种攻击方法。是无线网络自身弊端带来的一种安全隐患,基于无线链路的开放性,攻击者无需接到无线网络就能对对方的信息进行监听。
2.3 非授权访问和恶意欺骗
欺骗主要是指攻击者利用不正当的手段将想要攻击的对方引向一种错误的网络资源。非授权访问是指通过假冒、身份攻击方式,成功躲避网络安全系统的防控措施,进而对对方的网络设备进行非法使用。
2.4 对未授权信息的肆意毁坏
攻击者在对方信息传输的过程中将其信息数据截取,对数据进行肆意的毁坏。一些攻击者能够对数据的完整性进行修改,这就导致接受用户获得的信息不完整。
3 工业无线控制网络技术安全的实现方法
工业无线控制网络技术的安全实现主要体现在基于密钥管理中心KDC安全策略上,通过设计分层分级的工业无线安全架构,能够实现工业无线控制网络安全系统的建立。该系统以一种集中化额管理,能够为工业无线控制网络提供一套安全入网、安全管理和密钥管理相结合的机制,进而有效解决无线工业控制网络系统中可能出现的安全问题,提升工业无线控制通信的安全性能。具体实现方法如下:
3.1 基于KDC的工业无线控制网络设备安全入网
3.1.1 网关设备启动并将其加入网络设备
将现场仪器设备在无线网关的作用下接入无线工业以太网,并建立相应的安全连接。网关设备功能启动后,会将设备的信息和鉴别报告发送到对应的服务器中进行验证的请求。之后利用相同的算法对接收的设备信息进行加密处理,并和获得的鉴别码比较。当相同时设备通过鉴别,继而进行接下来安全组态和安全消息管理工作。
3.1.2 现场设备的安全入网
当网关设备组态之后,要启用MAC层服务以主动扫描或者被动扫描的方式来对现场无线设备进行搜索,经搜索之后发现适合MAC的网关接入点,实现其和对应网关接入点的同步,建立关联。关联建立后,新的节点会形成一个加入请求报文,在加密保护之后将其传送给路由器。网关路由器设备接收PDU,并对其打包发送给系统管理器。系统管理在受到打包的信息后,对其进行系统组件,根据系统管理设置对该设备加入网络后的反应进行回应,并将回应的信息和安全组件一起发送给相关的安全管理器,实现新设备的安全入网。
3.2 基于KDC的工业无线控制网络密钥管理和安全管理
新入网的工业无线设备在得到准许上网的信息后,应该向密钥管理中心的KDC申请新的密钥。密钥中心对其申请进行鉴别,在通过鉴别后向设备发送具有唯一性的加密密钥码。当工业安全设备需要形成和使用新的密钥时,要经由无线组态服务器来通知加密密钥码和现场设备。之后,现场设备向密钥管理的中心提出申请,密钥管理中心在对其申请批准后随即生成一定的密钥偏移量,并根据实际的工业应用环境以及用户对安全的要求,对密钥的长度进行设定。之后,利用加密密钥码对新设定的密钥进行加密,并将其分发到各个工业无线网络系统设备上。这些设备在获得加密密钥码后会对其进行解密,从而获得传输的密钥信息。与此同时,还需要根据不同阶段的需求,对密钥进行不同程度的维护和更新。
3.3 基于KDC的工业无线控制网络管理的系统测试
基于KDC的工业无线控制网络管理的系统测试是工业无线安全系统和工业无线通信系统有效维护的重要举措。通过系统测试能够对通信协议的功能、实现程序、系统实现和协议的一致性等问题进行判定。工业现场设备层是由工业无线安全通信协议栈的安全设备和节点组成,主要包括温度节点、湿度节点、温度变送器、阀门定位器等。安全网关是工业施工现场设备层与过程监控层网络之间的关联接口,工业无线控制网络系统中的安全设备主要通过两个具有路由的节点和安全网络连接来实现对自身安全的保障。其中,过程监控层的网络主要包括工业无线组态、监控计算机和KDC服务器。
基于KDC的工业无线控制网络管理的系统测试中最重要的两种测试是KDC认证系统测试和安全管理测试。其中,KDC认证系统测试主要是针对基于KDC的安全加入过程进行。通过设备的安全认证鉴别,能够确定措施在新加入无线设备和KDC组态服务器之间是否一致,进而有效防止非法设备在工业无线控制网络的介入。
4 总结
综上所述,随着无线通信在工业控制网络系统中的应用,其安全技术成为控制的关键部分。只有有效对工业无线控制网络内部资源和数据通信等方面的安全问题进行解决,才能在真正意义上促进我国工业无线控制网络系统的数字化、科学化、信息化、稳定化的发展。文章在分析工业无线控制网络系统的基础上,根据其存在的安全隐患,构建了一种基于KDC的工业无线控制网络技术安全系统,弥补了现阶段无线网络控制系统使用的弊端,实现了对工业无线控制网络的安全认证。
参考文献
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工业无线网络论文 篇2
但由于传统实体手段的费用不断攀高与效用的日益降低，工业企业也开始移情于网络等新兴媒体。大多数工业企业的客户群体有限，而且需要高频次、互动化、深度化沟通方式，网络媒体的出现可谓是恰逢其时，它为惯于拒绝大众媒体的工业企业提供了一条费用可承受、效果可评估的分众媒体通道。
善用网络传播，秀出品牌魅力
当年明月成就了情景剧版的明代史，而新浪博客则成就了当年明月。博客，原本只是为晒一晒自己的私人日记，却一下子变成了众多粉丝追捧的终端媒体。徐静蕾和韩寒的博客营销，塑造了年轻一代的网络明星，而芙蓉姐姐和凤姐的“臭名远扬”，也离不开网络传播的惊人效应。
网络被称为“第五媒体”，有区别于电视、广播、报刊和户外等传统媒体，因为它具备了可以考量的到达率，在一定程度上解决了传统媒体长期困扰的有效收视率问题。网民数量突破4亿，且人均浏览时间和专注度已超出传统媒体，网络媒体成了很多公司传播组合的重要部分。
工业品企业也开始注意到了网络营销，纷纷成立的行业网站一时间成为了很多冷门企业的首选媒体。他们的思维逻辑是：客户首先会选择相关行业，然后进入行业网站，并找寻自己中意的企业。其实，很多行业网站制作粗陋，信息量小，内容更新慢，点击率低，简直成了一个做做样子的摆设，这是过于注重媒体、轻视内容本身结出的恶果。
很多以生产标准产品为主业的中小工业品企业选择慧聪网和阿里巴巴作为信息发布平台，提高了销售效率。但这类网站目前还不适合具有非标准、单价高、技术复杂等特点的工业品产品。
可见，网络虽好，但若借力不当，不仅不会有助于企业的品牌宣传，甚至会伤害到企业自身。想在网络大潮前一展身手，工业企业还需更多努力，病毒式营销不失为良策之一。
病毒式营销，在网络盛行之前，主要是靠意见领袖的口碑效应，在很大的人际圈中迅速扩散传播，短时间达到高曝光度。在网络盛行之后，意见领袖就不仅限于大众熟知的名人范围了，一个个“人造英雄”也横空出世，虽然有的昙花一现，但的确能在短时间内产生品牌认知的爆发力。
在工业品行业，一些之前低调的企业领军人物，也开始走进大众视线，引发行业和社会的焦点关注。2006年，三一重工的向文波借助自己的个人博客，对徐工拟被凯雷收购一事接连发表了几十篇博文，态度鲜明地反对徐工被外资收购，并惊人地宣称三一重工愿意以小搏大、举债收购徐工。这一博文的点击数量不下300万人次，掀起了政府主管部门和社会大众对徐工收购案的争论大潮。三一重工也因此从二线品牌很快变成为社会大众所认知的名牌，并被冠上了“有社会责任心的民族企业”的美誉。三一重工借力发展，公司业绩如日中天，几年间就跻身百亿大企业阵营，在这个过程中，病毒式网络传播功不可没。
再看陈光标，连续两年获得“中国首善”称号，俨然是工业品企业家的骄子，他的所作所为让社会大众开始关注那些默默支撑着国家经济发展的幕后英雄。陈光标背后的江苏黄埔再生资源公司，也逐渐被大众熟悉，并得到了政府的赞许，其核心业务的发展不可限量。由此可见，工业品企业也开始脱掉厚厚的面纱，乐于向公众展示，不再拘泥于行业的圈圈了。
工业品企业主要是企业对企业的B2B传播，买卖双方需要互动的媒体渠道，网络恰逢其时，极大地弥补了大众媒体广而不专的缺陷，为中小工业品企业找到了一条适合的品牌传播路径。除了百度竞价排名、B2B交易平台网站、名人博客、公益人物号召力等手段，制造热门性社会话题、推行趣味性传播也可以极大地促使工业企业跳出行业小圈子，融入社会主流关注领地，增进自身品牌热度。
像统一润滑油、徐工、西门子、GE、ABB、飞利浦，都是在国内市场社会关注度极高的工业品品牌。它们借助于网络，持续探讨环保节能等社会热点话题，温柔地推销他们的领先技术和企业理念，少了一些强势公司的凶猛做派，多了一些本地发展、共存共荣的好邻居式的亲和力，极大增进了大众的认知度和认可度。
企业网站建设，切忌华而不实
具有一定规模的企业都拥有自己的网站，它是企业在互联网上进行企业介绍、产品展示和形象宣传的重要平台。网站建设，在工业品行业也已经蔚然成风，24小时永远在线、客户主动式浏览、内容更新快捷等特点，弥补了传统的企业画册和展览展会或被动、或短时传播的缺点。
工业品企业网站，根据网站建设目标和传播主人群选择的不同，一般可以分为四个类型：基本信息型、电子商务型、多媒体广告型和产品展示型。目前来说，能够具备电子商务功能的企业网站还比较少，大多数企业网站的核心价值在于吸引关注、深度传播和留下品牌基本印象。一个好的工业品企业网站，通常是基本信息、产品展示和多媒体广告的混合体，只要内容丰富，观赏性强，点击率和粘着度自然就会大幅提升。
对于网站建设的认识，不少工业品企业还停留在“人有我也要有”的阶段——弄一个漂亮的模板，企划部门把画册内容搬到网站上，再编写一些企业新闻、摘抄一些行业动态，网站建设便大功告成。而这样的企业网站，基本上就是企业画册的电子版，对于品牌传播起不到多少实质性的作用。
工业品企业网站，必须讲求内容的丰富性和可读性，否则，即使有一定的点击率，但停留时间短、印象肤浅、传播效果差。网站内容的丰富性，要求企业站在行业发展的角度，展示行业全景，特别是对于一些产品先进、技术差别大的企业来说，有必要进行相当程度的知识普及，身为行业先行者，当然要做一些开创性的服务。技术介绍，要深入浅出，图文并茂，能让非技术人员的客户掌握要领。企业实力展示，要从客户角度进行构思，除了企业专利、设备、科研等硬实力的展示，还可以从企业内部管理、人员风采、企业故事、社会活动等多方面展示企业的人文，人性化地体现企业的软实力。
除了文字和图片内容，企业网站最好能上传一些视频内容，主要是企业形象、生产过程、施工过程、技术原理讲解等方面，让浏览者在获取常规的信息之外，多一些机会深入接触企业，而视频则可以在短时间内释放出较大的企业能力，为品牌形象争取到一次专注的、无干扰的传播机会。
在这里，我想稍微提一下网站的推广工作。工业品企业在有了自己的网站之后，会尝试使用百度竞价排名的方式推广自己。像建筑材料等热门行业，点击率高，单次点击费用高，还不容易排到首页的有利位置。而像除尘器、空压机等冷门行业，点击率不高，倒是可以容易排到有利的位置。所以，不管什么行业，设置恰当的搜索关键词是很重要的，这可以从百度指数中得到一些启发，最好是向一定数量的目标客户请教，搞清楚他们的搜索习惯。
无论怎样，网站的设计水准和内容丰富程度是最为重要的，否则即使客户点击进入了，但粘着度低，客户停留时间很短，难以留下什么印象，推广的费用也就打水漂了。企业网站本质上是一个内容载体，能让目标客户在实际接触到企业和体验到产品之前，全面深入地对企业进行一次网上的虚拟考察，而考察的印象就是对品牌的初步判断。企业网站是企业品牌网络传播的信息终端，信息数量和质量决定了传播效果。所以，工业品企业一定要认真对待自己的网站建设，而不能抱着跟风的消极心态。
像华为、三一等企业，他们的网站都是秀外慧中，与国际大牌相差无几。在这些优秀的工业网站中有一个另类，那就是陈光标的江苏黄埔再生资源公司网站。一进入首页，网站标题赫然为“陈光标：中国首善”，在网站栏目中，大多数都是陈光标的慈善事业，而公司业务中最核心的再生资源利用、工程机械和项目案例，都只是轻描淡写。这个网站很容易让人误以为是陈光标个人网站，其实，这是典型的以企业领袖个人影响力为突破口、进而带动企业走向前台的“企业家品牌”模式。这种网站建设方式并非一时头脑发热，我们稍微分析一下就能看出，这与其公司本身的品牌营销模式可以说是一脉相承——极力打造企业家品牌形象。
网络媒体与传统媒体的交相辉映
说到这里，有人会问：网络是不是成为了工业品企业品牌传播的唯一选择呢？非也。
媒体是企业发展的巨大触媒，并造就了众多消费品品牌的辉煌和神话。而工业企业才刚刚尝到媒体的甜头，对媒体的特性和互补关系知之甚少。媒体从一开始的政治化到如今的商业化，其发展历程与行业、企业的关联度也越来越高。同时，媒体之间是互补而不是相互取代的关系，就像现代小孩的营养套餐那样多元化、注重搭配，企业的品牌传播套餐也必须追求传统与现代媒体的融合效应。
很多年前，电视机刚开始流行的时候，就有不少专家断言：广播和报纸即将告别历史舞台。这已经成为媒体史上的经典笑话。网络时代也有类似这样的偏激观点，但历史经验告诉我们，网络不会取代其他的传统媒体。所以，从客户的媒介接触点角度分析，一个品牌要想充分打动潜在客户，不能孤注一掷，必须选择有效的媒体传播组合拳，主动地把握客户在采购决策过程中的关键时刻。
徐工集团就是一个网络媒体和传统媒体组合运用的杰出代表。每天，我们都能在中国之声里反复听到“徐工徐工，祝你成功”的广告语。在凯雷收购案中，除了王民在博客等网络媒体上与三一重工的向文波大打口水仗之外，徐工还花大力气巧借报纸、电视等传统媒体的社会影响力，进行一轮又一轮的焦点报道，让很多普通百姓都知道了徐工的民族产业雄心：徐工，托起中国制造的新高度。而一度沸沸扬扬的腾中收购悍马案，则更是病毒式网络传播和冷门企业娱乐化大众传播案例中的双料冠军。
在网络大潮席卷世界的今天，消费品品牌网络营销已经走在了潮头，但我们相信，工业企业品牌网络传播的春天也已经来临。当然，工业品企业如果能够打好传统媒体与网络媒体的组合拳，有意识地利用分众和大众传播的交叉影响力，从更为开阔的层面塑造品牌形象，必将取得1+1﹥2的效果。而且我们认为，在这种媒体互动中，网络传播的影响力将大为提升，更有助于工业企业开创网络品牌营销的崭新局面。
工业无线网络论文 篇3
工业控制系统(Industrial Control Systems, ICS)是对多种控制系统的总称,典型形态包括监控和数据采集系统(SCADA)、分布式控制系统(DCS),以及可编程逻辑控制器(PLC)等控制系统。工业控制系统是国家关键基础设施的重要组成部分,目前已广泛应用于工业、能源、交通、水利、市政等领域。
随着工业控制系统规模的不断扩大、网络化方向的不断发展,工业控制系统在恶劣的工业现场出现布线困难、布线成本和维护成本高等问题。为此,从上个世纪九十年代起,无线网络技术进入工业控制领域。成本低、灵活性高、便于维护,即便在恶劣的工业控制现场也能保证通信是无线网络技术的优势所在,因此,无线网络技术在工业控制现场被广泛的应用。
无线网络的开放性使得采用无线网络技术的工业控制系统更容易遭遇包括窃听、拒绝Dos服务、信息篡改、欺骗等各种安全威胁,因此,工业控制系统无线网络的信息安全问题受到越来越多的关注,逐渐成为无线技术的关键问题。特别在近年来,随着我国工业化和信息化的深度融合以及物联网的快速发展,工业控制系统的信息安全已经上升到国家的战略安全。2010年爆发的“震网”病毒让全球都明白,工业控制系统已经成为黑客的目标,它感染了全球超过45000个网络,并造成伊朗核电站推迟发电;温州“7.23”动车事故也是工业控制系统发生安全事故的典型案例。我国政府高度重视工业控制系统的信息安全。国家工信部《关于加强工业控制系统信息安全管理的通知》(工信部协[2011]451号)中指出:“工业控制系统信息安全事关工业生产运行、国家经济安全和人民财产安全,要充分认识加强工业控制系统信息安全的重要性和紧迫性”;国务院《关于大力推进信息化发展和保障信息安全的若干意见》(国发[2012]23号)指出“要确保重要信息系统和基础信息网络安全”。
1 工业控制系统无线网络技术
1.1 工业控制系统无线网络技术优势
无线网络技术应用于工业控制系统领域的主要优势体现在:
成本低。与传统的有线网络相比,无线网络可以不受限制被放在任意位置,不用拉线,无需布线成本。使用无线网络技术将使安装与维护成本降低90%,是降低工业控制系统成本的关键。
组网灵活性高。在组网过程中,现场设备由于采用了无线技术使得设备的可移动性增强,因此,用户可根据工业应用需求的变换,迅速、方便、灵活的重构系统。
可靠性高。在有线网络中,电缆的连接器件损害容易造成故障,维护费用增高。在工业控制现场采用无线网络技术便可解决此类问题的发生,使网络的可靠性大幅提高。
1.2 工业控制系统无线网络通信关键技术
工业控制系统无线通信技术应用在恶劣的工业现场环境中,面临着实时通信、高安全、抗干扰等一系列技术难题需要解决。目前工业控制系统无线网络通信关键技术主要体现在:
(1)安全技术。为了有效地提高网络抵御外部攻击的能力,避免攻击者破坏网络正常工作秩序,安全技术被广泛地应用于工业控制系统无线网络技术中。密码技术可以增强对数据的保护,但其所采用的密钥管理算法需考虑节点的存储空间和能量的限制。
(2)时间同步技术。为了使工业控制现场的所有设备步伐统一的完成各种采集和控制任务,时间同步技术在工业控制系统无线网络技术中就变得不可或缺。由于终端设备的计算能力、存储容量有限,这使得时间同步算法具有复杂度低、通信开销小、能耗少等特点。
(3)跳频技术。目前大多数工业控制系统的无线网络一般工作在全球通用的16条信道的2.4GHz ISM频段。采用跳频技术能合理的安排时间间隔,定时切换信道,从而避免冲突,提高网络的吞吐量,减少网络由于碰撞而产生的能量开销。
(4)路由技术。路由选择为工业控制系统无线网络的底层通信提供了基础。合适的路由算法可大大提高网络的抗干扰和自愈能力,确保无线网络通信的可靠性。
1.3 工业控制系统无线网络标准
(1)ISASP100标准。
工业无线标准SP100委员会在2004年由美国仪表和自动化学会筹备成立,SP100委员会的建立标志着工业控制系统无线网络技术标准化进程的启动。同时,该委员会在两年后新建了SP100.11a工作组,主要负责定义OSI七层规范、安全和管理规范,并在2007年推出了该标准的草案。
(2)无线HART标准。
2004年,HART通信基金会在汲取近二十年HART在工业自动化领域宝贵经验的基础上,开发了工业无线网络标准——无线HART协议。无线HART的兼容性很好,兼容现有的HART设备和应用,这点与曾经的HART标准非常类似。现有HART应用比如控制系统和PLC等在使用无线HART时是不用做任何修改的。2007年,无线HART标准经HART通信基金会投票正式通过。
(3)WIA-PA标准。
WIA-PA标准是具有我国自主知识产权、符合我国工业应用国情的一种无线标准体系。2008年,该标准以96%的投票成为国际标准化文件。WIA-PA的NP文件在2009年全票通过了IEC委员会的投票,这充分表明我国具有自主知识产权的工业无线技术在国际上已经处于领先地位。
2 工业控制系统无线网络安全体系
2.1 工业控制系统无线网络的安全威胁
工业控制系统无线网络作为一个开放性网络,可能受到各种各样的安全威胁。目前工业控制系统无线网络面临的安全威胁有主要体现在:
(1)恶意攻击。恶意攻击是一种人为的破坏,分为主动攻击和被动攻击。主动攻击采用各种方式攻击对方网络,例如使用伪造或者病毒等方法都可使对方网络遭到破坏;被动攻击是敏感数据和信息在对方毫不知情的情况下秘密盗取和使用。
(2)利用工业控制系统无线网络本身缺陷。
①能量限制。
工业控制现场的终端设备往往分布在无人职守的环境中,因此更换电池或充电都较为困难,因此在设计安全算法时,首要考虑的就是低功耗问题。
②计算能力、存储能力有限。
嵌入式CPU被大多数现场设备所采用,但这种嵌入式芯片的存储空间比较小、计算能力比较低,因此在设计算法时也要考虑这方面的因素。
③分布的不确定性。
节点一般都是任意地分布到监测区域中,因此节点和节点之间的距离和位置在布置之前都无法确定的。
2.2 工业控制系统无线网络的安全体系
建立完善实用的安全体系对于整个工控制系统业无线网络来说至关重要。目前国内外主要的工业控制系统无线网络安全体系有ISA100.11a安全体系、无线HART安全体系和WIA-PA安全体系:
(1)ISA100.11a安全体系。ISA100.11a网络安全管理器负责整个网络的安全管理和通信,设备安全是由其管理应用进程中代理安全管理对象或设备安全管理对象进行管理的。该体系的安全服务主要在物理层和传输层中应用,为了保证物理层安全采用特殊的密钥来防御攻击。该体系所提供的安全服务采用安全管理器来进行交互式通信管理。ISA100.11a标准规定使用的密钥算法以及安全协议为用户提供了很大的选择空间,囊括了包括对称密钥和非对称密钥算法在内的几乎目前所有主流的安全技术。
(2)无线HART安全体系。该体系采用完整性鉴别、密钥管理、认证机制、消息机密性、鲁棒性操作等五个方面来保证数据和网络的信息安全。主要采用AES-128位分组对称密钥加密算法,其特点是每个设备具有单独的加入密钥,只有合法设备通过加入密钥和标准HART标识符来请求入网认证;为了防止敏感数据在传输中被篡改,则由网络密钥鉴别验证数据协议单元的完整性;会话密钥加密有效载荷,确保终端设备间不受干扰地通信,并支持点对点和广播会话。为了进一步减少拒绝服务攻击,该体系还在Mesh网络上采用了跳频技术和冗余路由技术来确保网络和信息的安全。
(3)WIA-PA安全体系。该体系采用集中式和分布式结合的管理方式。集中式模式用于安全管理者统筹管理整个网络的安全策略、密钥信息和设备认证,优点是使安全管理的架构简洁、功能齐全,还可以对网络安全数据进行备份。而分布式模式下安全代理可独立维护子网的安全,能够在子网受到威胁时迅速提高子网安全级别,针对网络威胁程度和设备安全策略等级,对各层使用的安全机制和安全措施进行合理配置,加强数据传输的安全,提高设备的自身防御能力。该体系可使用户根据需求自由选择安全机制和安全措施。
2.3 工业控制系统无线网络的安全体系分析
针对ISA100.11a安全体系、无线HART安全体系和WIA-PA安全体系,分别从安全策略、安全服务、密钥管理、设备认证等几方面进行分析结果如表1所示。
3 结束语
工业控制系统网络安全剖析论文 篇4
2智慧水务
智慧水务是智慧城市的重要组成之一，智慧水务的建设过程中，业务流程和工业控制息息相关，例如利用传感器获取水源水质信息或管网网水压流量信息，通过自动控制管网水量调节均衡不同区域用水，利用自动控制排水开关提高排水效率，通过自动控制污水处理流程来降低污水处理能耗和废水再利用等。智慧水务建设中的工业控制网络安全主要包括物理感知和数据采集安全、设备自动控制安全和安全管理安全等。
2.1物理感知和数据采集安全
物理感知和数据采集安全主要面向智慧水务基础设施，包括水源水质监测、管网水压监测、排水流量监测等，利用各类传感设备将所需各类监测信息采集并做基础分析后传回水务中心的过程。智慧水务中的感知监测设备大多由成本低、体积小、能耗低和计算机资源有限的传感器节点组成，监测环境大多也比较恶劣，主要安全问题包括感知节点易被破坏、通信易受干扰、传输通道不稳定不可靠、数据信息容易污染等[5]。物理感知和数据采集带来的安全问题大多是基础数据源问题，会直接影响智慧水务的大数据分析结果及管理层的水务管理决策，严重的还可对民生产生重大影响，可实现例如水源监测点传来水源污染错误信息，很可能导致水务中心水源报警，甚至关闭供水，由此造成的损失将不可估量。物理感知和数据采集的安全问题可从以下两方面入手：(1)传感感知节点采用信号防干扰技术，根据不同需要和环境可采用防水防雷防腐蚀等措施，条件允许的情况下采用冗余部署。(2)信号传输采用多种可靠传输方式，同时要采用信息加密防纂改和双因子认证，保证传输信息的来源合法和信息本身的完整性和安全性。
2.2设备自动控制安全
智慧水务中的工业控制系统通过信号指令以弱电控制强电的方式来管控机械设备的运作，从网络空间安全的角度来看，设备自动控制的安全主要有以下几方面：(1)控制信号安全，控制信号的来源分为两种：一种直接从设备本身产生或设备上配套的感知原件产生，无需经智慧水务管控中心处理;另一种是从智慧水务管控中心传递过来的控制信号。第一种控制信号的安全性和设备直接相关，需要保障信号可靠性，防止人为物理破坏。第二类控制信号需要从传统网络安全方面保障传输过程的可靠性和安全性，同时需要在控制终端验证信号是否被纂改等。(2)弱电控制强电过程的安全性。和水务业务相关的大型机械设备的启停运作，一般都是通过弱电信号来控制设备运作动力，改变设备运行方式等。弱电控制强电过程中，存在的安全问题主要有两方面：一是控制装置本身的安全性，是否具有电磁隔离能力，是否具备防雷措施，控制装置本身的可靠性主要采用冗余来保障;二是强电能源动力的安全性，是否具有良好的接地、触电防护措施等，强电本身的安全性需符合国家相关安全标准。(3)机械设备运作的安全性。设备自动控制的最终表现在于设备是否可以正常运行，设备的正常运行主要通过设备定期或不定期维检来保障，智慧水务建设也体现在设备运行状态的自动采集和预警上，主要可通过设备的状态传感器实时传递设备状态信息及时发现设备故障。
2.3安全管理
智慧水务建设过程中的工业控制系统网络建设相较传统网络体系而言，更多倾向于设备部署，易使人们忽视安全管理。实际上工业控制系统的网络安全问题更大程度是人为因素：一是基层工作人员相对素质较低，在水务设备的安装和巡检过程中，麻痹大意，忽视安全问题;二是工业控制系统网络缺少日志自动化管理，需要人工建立台账。智慧水务建设过程需要提高安全管理意识，建立独立的安全管理制度：一是加强日志管理和审计管理，尽可能利用信息化手段管理日志，可设立专岗专管。二是加大安全培训力度，提高基层工作人员的安全意识，发现问题及时报告。
3结语
“智慧水务”是现代化城市建设的必然趋势，智慧水务和国家网络空间安全息息相关。在建设初期，提高安全意识，建立安全管理制度，加强每个环节的安全建设，尤其是工业自动控制系统网络安全建设，至关重要。本文主要分析了智慧水务建设过程的工业自动控制系统网络安全问题，并给出了相应的解决办法，对生产实践具有一定的参考借鉴意义。
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工业品网络营销之“独孤九式” 篇5
第一式：总决式，官网建设与维护
工业品企业笑傲互联网江湖的第一步是建立自己的官方网站。可别小看了这平淡无奇的“起手式”哦，以为随便花千儿八百块钱请人弄一个就完事了？NO！作为你的企业在互联网上的门面，这是你行走江湖的关键一步——你公司在某个城市CBD地段抑或是犄角旮旯里或许没几个人真的能有机会去拜访，但官网不同：它是你的企业给来访者的第一张笑脸！
工业品企业官网的建设与维护主要有如下几项工作：
工业品企业市场部必须清楚：网络营销是企业市场营销体系的一部分，企业官网是为了实现企业营销目标而搭建的平台。因此，其建设和推广的规划都必须植根于市场营销体系，不能为了建网站而建网站、为了推广而推广。
需要特别强调的是：官网本身的系统优化很重要，很多企业忽略了这一点。比较常规的3种做法是：
1.设计官网页面的标题：例如：“公司名称+主要业务范围”等，可以每页根据主题不同有不同显示，但注意字数不要太多。
2.设计企业关键词：为了便于搜索引擎抓取和访问，要精准定位企业关键词。一般以选择企业名称、品牌和主要产品名称等为多，不要超过20个字。
3.设计网页描述：用非常精炼的一句话描述和介绍企业的品牌定位、主要产品、差异化优势等信息。
第二式：破剑式，将网址应用到企业VI系统中
小说中的破剑式，用以破解普天下各门各派的剑法。虽只一式，但其中于天下各门各派剑法要义兼收并蓄。虽说“无招”，却是以普天下剑法之招数为根基。
在工业品网络推广中，将企业官网网址应用到企业VI系统简直不能算是什么特别的方法，可惜在实际应用中却总被忽略。办公用品、名片、企业样本册、企业礼品、小赠品、杂志投放广告、企业往来电子邮件——都是企业形象的一个缩影，无法满足目标人群了解企业全貌的需求，一个网址却如同一枚“金钥匙”——打开了企业信息之门，24小时开门纳客。
无招胜有招，才是工业品网络营销独孤九式中“破剑式”的真谛！
第三式：破刀式，提交各大搜索引擎和目录
“破刀式”讲究以轻御重，以快制慢。在工业品网络营销过程中，登陆各大搜索引擎是项基础工作，看似简单轻巧，实则有“四两拨千斤”之妙。下面是最常用的7大搜索引擎：百度、雅虎、GOOGLE、搜狗、必应、搜搜、有道
第四式：破枪式，利用百度文库、百科等相关栏目
工业品网络营销之“破枪式”主要用来吸纳“长尾型”客户。不得不说，百度文库、百科、知道、贴吧及天涯、搜狗、有道、爱问等相关栏目在这方面有独特优势，作为需要寻找和说服来访受众的工业品企业来讲，这种直指来访者问题和需求的“精准”答复具有深入人心、潜移默化的作用。
第五式：破鞭式，行业网站、专业论坛、QQ群等
工业品网络营销要针对特定行业深入阐明产品和技术差异化优势，并能与目标受众群体互动交流，最能达到这样目的的平台非行业网站、专业论坛、专业QQ群、旺旺群莫属。精准定位受众群体是“破鞭式”的精要所在，將特定的信息通过特定的渠道以合适的“分贝”准确传达给定位好的受众群体，从而达到企业扩大品牌影响力和增强对目标受众说服力的营销目的。
第六式：破索式，企业博客群
用来破解各种软兵刃的“破索式”，其突出特点就是“以软治软”、“以软服人”。如果企业官网是“开门见山”的话，企业博客群就可以作为重要辅助和补充，利用广阔的发挥空间，借助软文从不同角度来阐明企业文化、经营理念；深入阐述产品特点、差异化优势；系列展示典型案例、客户反馈；随时向目标受众通报当前动态等。
第七式：破掌式，创办电子杂志或服务论坛
工业品网络营销的“破掌式”非常考验企业市场部人员的专业技能，除了要对市场有较深的理解和把握，还要对公司产品线有全局性认识。这还不够，还要对媒体的运营有一定的经验和能力。不得不说，如果是行业领军企业，这招“破掌式”用的好的话，基本上就实现了由“齐家”到“治国”的企业发展阶段跨越，并终将成为行业“盟主”。
第八式：破箭式，适当应用网络推广软件
工业品网络营销的“破箭式”可以有效减轻工业品市场部网络推广人手不够的压力。常见的有行业站和分类信息站信息发布软件、博客群发、论坛群发、邮件群发、QQ群发等。必须提醒工业品企业注意的是：“物极必反”——这种发布信息的方式仅适合作为大量发布产品信息的辅助方式用，而且必须严加控制，因为一旦失控，在互联网上充斥着大量“信息碎片”，对公司品牌和产品形象绝对会有损伤，切记，切记！
第九式：破气式，行业网站和搜索引擎付费推广
《笑傲江湖》独孤九式的“破气式”用来对付“身具上乘内功的敌人而用，神而明之，存乎一心。”工业品网络营销中我们通过与行业网站媒体深度合作和在百度和谷歌等重要搜索引擎上做付费推广来实现这“石破天惊”的一击。
也许有人会说：不就是花钱做推广么？给钱不就轻松搞定了！
事实并非如此，如何花费有限的成本，获得可衡量的大收益，绝不是件轻而易举的事情！
工业无线网络论文 篇6
过程工业对数据传输的实时性和可靠性有很高的要求, 而现阶段过程工业生产现场设备间的数据传输主要还是采用有线方式, 例如通过现场总线将控制器、变送器、执行器等现场设备连接起来构成控制回路。近年来, 随着无线网络技术在实时性和可靠性方面的进步, 为其在过程工业的应用提供了可能。将无线网络技术用于工厂或工业自动化的好处如无需电缆, 节省成本;设备的安装、调整和维护更加简便、灵活;有线通信方式无法实施的场合 (如处于移动或旋转状态的设备) 也能得到无线应用的支持。
2 无线传感器网络技术在过程工业应用中的问题
在过程工业中, 设备级的通信覆盖范围通常在几百米左右的区域。虽然, 无线个域网 (WPANs, Wireless Personal Area Networks) 和无线局域网 (WLANs, Wireless Local Area Networks) 都可用于工业现场通信, 但是这些无线网络技术在过程工业应用中还存在着以下有待解决的问题。
2.1 实时性
过程工业中设备间的通信主要包括控制器、传感器、执行器等之间的数据传送, 设备间通信的数据量是有限的, 但是实时性要求却很高, 数据必须在给定的时间内传送到目标节点。数据的传送分为周期性和非周期性两种, 周期性数据传送的时间间隔通常可以在几百微秒到几百毫秒之间, 非周期性数据主要包括某些报警事件信息, 这些报警事件必须在系统指定的时间内传送至控制器[1]。
普通的无线网络技术难以保障通信的实时性。例如许多无线网络协议在信道访问机制上采用竞争方式占用信道, 无法避免数据包的冲突, 重要的数据 (如报警信息) 无法及时传送至目标节点。另外, 路由方式对数据包的传输时间有很大影响, 采用静态路由的方式可以减少数据传输时间。
2.2 可靠性
无线通信过程中信道容易受到同一区域其它无线系统的干扰, 例如I EEE 802.11无线局域网、蓝牙和ZigBee网络等都可以工作在2.4 GHz的ISM频段, 当这些网络出现在同一个区域时, 就会出现相互干扰的问题, 造成丢包、位错误等数据传送错误。
2.3 低能耗
在无线传感器网络中节点通常采用电池供电, 电池的能量有限。因此, 为保持无线网络持续稳定工作, 网络采用的通信协议还必须具有低能耗特性, 协议必须采取措施尽量减少节点处于活动状态的时间。
3 常用无线网络通信协议
3.1 无线局域网I EEE 802.11
I EEE 802.11定义了物理层和MAC层。I EEE 802.11a/b/g主要区别在于物理层, I EEE 802.11a采用5 GHz ISM, 802.11b/g采用2.4 GHz ISM, I EEE 802.11a和I EEE 802.11g支持54 Mbps通信速度, I EEE 802.11b支持11 Mbps通信速度。I EEE 802.11a/b/g采用相同的MAC层, 支持PCF (Point Coordination Function) 和DCF (Distributed Coordination Function) 两种通信模式, 前者采用基于基站的查询方式访问信道, 后者采用CSMA/CA方式访问信道, 当前I EEE 802.11设备中采用的主要是DCF方式[1,2,3]。I EEE 802.11中, CSMA/CA算法不能彻底解决数据包的冲突问题, 并且节点需要耗费能量不断侦听无线信道, 其能效比较低。
3.2 I EEE 802.15.4/ ZigBee
I EEE 802.15.4主要用于在各种低能耗节点之间提供低速、短程、便捷的无线连接。支持27个信道, 其中2.4 GHz频段16个信道, 915 MHz频段10个信道, 868 MHz频段一个信道, 物理层支持的最高通信速度可达250 Kbps[4]。I EEE 802.15.4采用CSMA/CA信道访问机制, 支持基于信标 (beacon) 的超帧功能, 超帧中具有竞争与非竞争访问时间段, 优先级高的数据可以在非竞争阶段传输。I EEE 802.15.4支持星形和对等两种网络拓扑结构。
ZigBee协议由ZigBee Alliance制定, 是一个具有低成本、低速、低功耗特性的无线网络标准, 主要面向电子消费、家庭与楼宇自动化、医疗等实时性与可靠性要求不高的领域。ZigBee协议在I EEE 802.15.4的物理层和MAC层的基础上提出了自己的网络层和应用层[5]。ZigBee不支持动态跳频技术, 全网使用一个静态信道, 因此ZigBee网络不能有效应对其他的电磁波干扰信号[6]。ZigBee网络中节点采用CSMA/CA算法访问信道, 不能彻底解决数据包冲突问题, 无法保障重要数据包传输的及时性, 并且节点由于不断监听信道会消耗大量的能量。ZigBee网络采用AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector) 路由算法, 每个节点根据需要进行路由发现, 当没有到达目标节点的可用路径时, 重新寻找和建立通向目标节点的路径需要耗费时间, 因此难以保证数据传输的实时性。
4 面向过程工业的无线通信技术
4 .1 WirelessHART
WirelessHART于2007年9月由HART通讯基金会在第7版HART协议中发布, 针对过程自动化应用的需求而设计, 兼容现有的HART设备和应用。WirelessHART定义了数据链路层、网络层、传输层和应用层, 其物理层采用I EEE 802.15.4物理层的子集, 在传输层和应用层与HART兼容。WirelessHART采用2.4 GHz的ISM频段, 将其划分为16个信道, 采用O-QPSK调制方式, 传输率250 Kbps。
4.1.1 网络结构
WirelessHART的网络结构如图1所示[7]。全网采用网状拓扑结构, 每个节点具备路由功能。网络管理器是整个WirelessHART网络的管理中心, 用于配置网络、管理路由和进行网络通信调度。网关设备将WirelessHART网络连接到工厂自动化系统, 主机可以通过网关来访问WirelessHART无线网络, 网关还可以在不同协议之间进行转换。现场设备包括传感器或执行器等, 具有路由功能。适配器设备用来将有线HART设备连接到WirelessHART网络。手持设备用于安装、配置、监测和维护各种WirelessHART设备。
4.1.2 主要性能特点
WirelessHART采用TDMA技术进行通信调度, 在TDMA机制中, 超帧具有周期性, 每个超帧由一组时间槽构成, 每个时间槽中可以有多个链路, 因此可以完成多个源节点和目的节点之间的通信调度。WirelessHART每个10 ms的时间槽又被划分为几个时间间隔, 每个为100 μs～4.5 ms, 有的时间间隔非常短, 例如CCA信道评估时间TsCCA定义为128 μs, 因此WirelessHART的MAC层必须精确到微秒级。采用TDMA并对时间槽的使用进行预调度, 能为数据包的传送提供确定链路, 避免数据包碰撞, 同时由于不需要一直监听网络信道, 因此节点能耗得以降低。
对于电磁干扰信号, WirelessHART支持跳频技术, 网络能在不同信道间切换, 选择通信质量好的信道, 并通过采用Blacklisting方法屏蔽通信质量差的信道。
路由管理方面, WirelessHART采用图路由和源路由两种方式来提高数据通信的实时性。图由节点间多个不同链路构成, 由网络管理器创建并下载到每个节点, 通向目标节点的中间节点都会被预先配置好图信息。源路由的网络拓扑信息是预先知道的, 发送节点发送的数据包中包含到达目的节点的中间节点的列表。图路由和源路由两种路由方式具有静态特性, 减少了路由发现时间, 是提高网络实时性的有效措施。
4.2 过程自动化无线网络规范WIA-PA
WIA-PA (Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation) 是由中科院沈阳自动化研究所联合十余家单位提出的用于工业过程自动化的无线网络标准, 该标准于2008年10月经过国际电工委员会 (I EC) 全体成员国的投票并获得高票通过, 作为公共可用规范I EC/PAS 62601标准化文件正式发布, 成为国际上主流的工业无线标准之一。
4.2.1 WIA-PA协议栈结构
WIA-PA的协议栈结构如图2所示, WIA-PA定义了数据链路子层、网络层和应用层 (由应用子层、用户应用进程和设备管理应用进程构成) 等, 其物理层和MAC层采用I EEE 802.15.4标准[8]。数据链路子层、网络层和应用子层均包含数据实体和管理实体, 协议栈不同层实体间提供数据接口和管理接口。用户应用进程 (UAP, User Application Process) 可由多个用户应用对象构成, 主要负责采集和处理数据、输出数据、发布报警信息并实现与其他现场总线技术的互操作。设备管理应用进程 (DMAP, Device Management Application Process) 包括网络管理模块、安全管理模块和管理信息库模块, 主要负责网络管理和安全管理等系统管理功能。
4.2.2 网络结构
WIA-PA网络结构如图3所示, 采用两层网络拓扑结构, 其中网状结构由网关和各个簇首构成, 星型结构由簇首和现场设备或手持设备构成, 只有簇首具有路由功能。网络管理者负责构建网状网络并监测全网性能。簇首是网络管理者和安全管理者的代理, 主要负责构建和监测星型结构、转发簇成员和其他簇首的数据等。网关负责WIA-PA网络与工厂内的其它网络的协议转换[8]。星型结构中簇成员仅一跳即可将数据发送给簇首, 而网状结构具备多路径抗干扰的能力, 因此WIA-PA网络的这种混合结构结合了两种拓扑类型的优点, 可以在无线传输的确定性和可靠性两方面进行平衡。
4.2.3 主要性能特点
WIA-PA对I EEE 802.15.4的超帧结构进行了扩展, 如图4所示。超帧具有周期性, 每个超帧中的活动期包括CAP (Contention Access Period) 阶段和CFP (Contention-Free Period) 阶段, CAP阶段主要用于设备加入、簇内管理和重传;CFP阶段用于移动设备与簇首间的通信, 非活动期的时间槽用于簇内通信、簇间通信以及休眠。WIA-PA采用TDMA、FDMA和CSMA 三种多路存取机制, 在超帧内CAP阶段采用CSMA机制, 其余阶段采用TDMA机制 (休眠阶段除外) , 不同的簇在超帧的活动期采用FDMA机制。
WIA-PA支持三种跳频机制。自适应频率切换 (AFS, Adaptive Frequency Switch) 机制规定节点在不同的超帧周期根据信道状况改变信道, 在同一个超帧周期内的活动阶段信道不变。自适应跳频 (AFH, Adaptive Frequency Hopping) 机制规定节点在非活动期的簇内通信段在每个时间槽根据信道状况更换信道。时间槽跳频 (TH, Timeslot Hopping) 机制是指节点在非活动期的簇间通信阶段在每个时间槽按照一定规律改变信道。自适应跳频机制中, 评价信道状态好坏的依据是丢包率和重传次数。这三种跳频机制通过在不同的阶段使用不同的跳频机制来提高无线传输的抗干扰能力和可靠性。
WIA-PA网络中, 现场设备不具备路由功能, 路由功能仅存在于路由设备中, WIA-PA采用静态路由方式, 网络管理者根据网络的邻居信息生成路由信息, 并配置到每个路由节点。
4.3 SP100
2004年12月, 美国仪器仪表协会 (ISA) 成立了工业无线标准SP100委员会, 开始制定工业领域的无线网络技术标准。2006年7月, SP100委员会面向全球征集技术提案, 并在此基础上成立了SP100.11a工作组, 该工作组主要负责制定面向过程控制应用的工业无线技术标准。
SP100.11a的技术特点与WirelessHART类似, 采用与I EEE 802.15.4兼容的直序扩频DSSS技术, 工作在2.4 GHz频段, 支持跳频功能。SP100.11a网络由骨干设备和现场设备构成, 其中骨干设备主要包括网络管理器、安全管理器、网关和路由器, 而现场设备则分为具有路由功能的现场设备和不具有路由功能的现场设备两类。网络的拓扑结构可以是星型、网状或两者的混合结构[10]。 SP100.11a与WirelessHART的主要区别在于应用层, SP100.11a可以支持包括HART在内的Foundation Fieldbus、Profibus、Modbus等多种现场总线, 而WirelessHART的开发主要是为了支持HART。
5 结 论
I EEE 802.11无线局域网与ZigBee网络在实时性和可靠性方面不能满足过程工业应用需求。这两种网络采用CSMA方式访问信道, 不能彻底解决数据包的冲突问题, 数据包的传输时间缺乏确定性, 对于优先级高的数据如报警信息, 不能保证其传输的及时性。CSMA算法的另一个缺点在于节点需要耗费能量侦听信道, 节点的能效比较低。无线局域网与ZigBee网络缺乏灵活的跳频机制以应对电磁干扰, 数据传输的可靠性难以保障。另外ZigBee网络采用AODV按需路由方式, 当缺乏到达目标节点的可用路径时, 重新进行路由发现会增加数据包的传输时延, 影响实时性。
SP100.11a尚未正式发布, WirelessHART与WIA-PA是目前仅有的两个针对过程工业应用的国际标准化文件。WirelessHART与WIA-PA标准通过支持集中式管理、TDMA通信调度、动态跳频、静态路由等技术, 避免了数据包碰撞, 减少了数据包传输时间, 增强了数据传输的确定性, 提高了信道抗干扰能力, 满足了过程工业应用所需的可靠性和实时性, 必将在过程自动化领域得到广泛应用。现阶段, 在文献[6]中, 作者给出了一些如何使用现有方法和算法实现WirelessHART的建议, 在文献[9]中, 作者建立了一个WirelessHART的原型, 他们采用Freescale提供的MC1321x套件在I EEE 802.15.4物理层的基础上开发了WirelessHART的协议栈, 这是目前关于WirelessHART开发的最新报道。据有关文献报道, WIA-PA技术已被成功应用于钢铁厂冷轧车间连续退火生产线炉棍轴承温度检测系统、油田抽油井示功图无线监测系统和纸业公司循环流化床锅炉压力温度传输系统等。
参考文献
[1]DE PELLEGRI NI F, MIORANDI D, VITTURI S, et al.On theUse of Wireless Networks at Low Level of Factory AutomationSystems[J].I EEE Transactions on Industrial Informatics, 2006, 2 (2) :129-143.
[2]IEEE Std.IEEE Standard for Wireless LAN Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications[S].1999.
[3]IEEE Std.IEEE Standard for Wireless LAN Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 8:Medium Access Control (MAC) Quality ofService Enhancements[S].2005.
[4]I EEE Std.IEEE Standard for Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) [S].2006.
[5]ZigBee Alliance.ZigBee Specification[S].2006.
[6]KIM A N, HEKLAND F, PETERSEN S.When HART GoesWireless:Understanding and Implementing the Wire-lessHARTStandard[C]//13th I EEE International Confer-ence on Emerging Technologies and Factory Automation.Hamburg, 2008.
[7]HARTCommunication Foundation.HART7 Specification[S].2007.
[8]I EC/PAS62601, Industrial Wireless Networks WIASpecifica-tion Part 1:WIA System Architecture and CommunicationSpecification for Process Automation (WIA-PA) [S].2008.
[9]曾鹏.工业无线技术的标准化与应用[J].中国仪器仪表, 2008, (3) :40-44.
工业无线网络论文 篇7
无线工业控制网络 (Wireless Industrial Control Networks, WICN) 属于一种特殊的计算机网络, 是用于完成自动化任务的网络系统, 对通信传输的可靠性和实时性有严格要求。无线网络空间位置的确定性是无线网络技术应用于工业现场环境必须解决的重要问题, 节点定位是WICN众多支撑技术中的共性技术。无线工业控制网络的许多应用都离不开定位, 如数据融合、声波测距定位、数据处理、协同休眠以及监测节点的活动信息等, 都需要定位技术。
本文首先简要介绍我们前期工作中提出的适用于无线工业控制网络的基于令牌控制的介质访问控制MAC协议, 提出由锚节点基于信号场强测距的WICN定位模型, 并通过扩充了定位监控模块GAINS后台分析和管理软件SNAMP (Sensor Network Analysis and Management Platform) 对WICN定位的运行情况进行实时监控。
2 WICN的MAC协议简介
面对控制网络的特殊要求, 传统的无线局域网MAC协议很难满足需要。在前期的工作中我们提出了一种基于令牌的适用于工业无线网络的MAC协议。
其工作机制简述:工业无线网络需要与企业上层网络 (Intranet) 相连以便与外界实现信息交互, 工业无线网络中与企业上层网络相连的站点被定义为主站 (Sink) 。在全互连无线分布式系统中由主站建立一个逻辑环, 系统中其它所有以接收/发送模式工作的从站都加入该逻辑环, 并分配一个唯一的站点地址, 逻辑环上所有站点都知道其前驱站和后继站。
采用基于令牌的MAC协议的无线工业控制网络后, 逻辑环上的每一个站点都知道信息的来去动向, 并且令牌在站点中的传递顺序是依次进行的, 所以它保证了通信传输的确定性和信道接入的公平性。
3 WICN定位模型
在WICN定位网络模型中, 除主站Sink节点外, 从站有以下三种:
Reader (简写R) :定位所需的已知位置的参考节点, 也称锚节点, 一般锚节点为3个以上, 且分布在网络的边缘不在同一直线上;
Tag:需要定位的未知节点, 也称待测节点;
Node (简写N) :无需定位也不担任锚节点的一般节点。
无线工业控制网络的定位模型如图1所示, 假设WICN定位系统中有主站Sink节点和7个从站。7个从站包括1个需定位的待测节点Tag、3个锚节点 (R1、R2、R3) 和3个一般节点 (N1、N2、N3) 。
首先主从站点按照WICN基于虚拟令牌控制的MAC协议建立逻辑环, 其中逻辑环如图1中连接各站点的带一端箭头的黑色实线所构成的封闭曲线。
当待测节点Tag有定位请求时, Tag广播定位测距帧Solicit_Pos;各锚节点侦听到定位测距帧Solicit_Pos立即分别获取并记录相关的定位信息, 然后分别在获得令牌时通过发送单播定位信息数据包Pos_Pkt将各自记录的定位信息传送给Sink节点, 从而完成测距过程。
主站Sink通过串口UART将收集到的定位相关信息交付给PC定位中心。PC定位中心依据锚节点的已知坐标位置, 并根据相关定位算法进行计算处理, 从而得到估计位置, 完成对待测节点的定位。
4 WICN定位测距
由于WICN节点本身具有无线通信能力, 无需增加硬件装置, 同时要求定位过程低能耗, 所以采用基于RSSI的测距技术。
传统的RSSI算法中普遍使用的三边测量法, 可以得到方程组式 (1) , 在方程组中三个锚节点R1、R2、R3坐标分别为 (x1, y1) 、 (x2, y2) 、 (x3, y3) 。通过计算得到未知定位节点的坐标 (x, y) 。
考虑到在相同的无线工业控制网络中, 由多径衰落引起的误差具有相同的反射体而具有相关性, 从而两个接收信号强度RSSI值中, 误差是非常相似的。这里令d2, 1表示未知节点与锚节点2和锚节点1的距离差, d3, 1表示未知节点与锚节点3和锚节点1的距离差, 采用双曲线定位模型, 得到式 (2) 。
在几何上, 每个方程表现为一条双曲线, 如果参数测量值是完全准确的, 即到达锚节点的信号为视距传输且没有测量误差, 那么所有的双曲线将交同一点, 即目标Tag节点的坐标 (x, y) 。求解该方程组即能获得未知节点的估计位置。
5 WICN定位实现
WICN定位的实现是建立在GAINS平台之上, 使用CC1000通讯模块和Atmega128处理芯片, RF模块的通信频段为433MHz。WICN定位包括两部分:底层节点定位和SNAMP定位监控。底层节点定位主要由锚节点和待定位节点两大模块组成。节点完成定位后, 主站Sink将节点测距信息和定位过程信息通过串口COM1传给带有定位监控模块的后台软件SNAMP1.2。SNAMP1.2将解析串口接收到的定位信息数据包, 根据定位测距信息进行定位算法处理, 最后将获得的节点估算位置和定位过程信息显示在定位监控模块, 从而达到对整个定位过程进行监测的目的。
定位监控视图如图2所示, 从图2上方的Location Info信息栏, 可看到待测节点Tag在定位过程中, 三个已知位置的锚节点实时采集接收信号强度RSSI值以及定位处理得到的Tag估算坐标等相关信息。右上方视图可以看到定位的效果, 三个红底蓝色的圆球代表的是已知位置的锚节点, 那些浅蓝色圆球代表的是经过定位运算处理得到的待定位节点的估计坐标位置, 由此实现了对的定位情况的实时监控。
6结束语
论文在前期已有成果的基础上, 提出一个适用于无线工业控制网络的基于虚拟令牌机制MAC协议的定位算法。该定位算法无需向系统中添加任何定位测量的专用设备, 只需利用预先配置好的锚节点, 利用基于WICN虚拟令牌控制的MAC协议, 采用RSSI测距技术和双曲线数学模型, 在GAINS上平台实现了该定位算法并能对定位运行情况进行实时监控。
参考文献
[1]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京:清华大学出版社, 2003.
[2]Hou W Y, Liu W C, Fei M R.A Token-based MAC oriented Wireless Industrial Control Networks.IEEEICI A2006.24 (12) :10-13.
工业无线网络论文 篇8
工业控制网络是计算机网络、通讯及其自动控制技术之间相互结合, 不断形成的产物, 是自动控制领域的一种网络技术。工程控制网络技术在不断发展, 它能传输设备之间的实时数据, 满足一个区域内所有用户共享资源和协调操作的需求[1]。
由于无线网络的传输速度加快以及工业领域无线网络产品的出现, 在工业控制系统中运用无线网络的机会在不断增加, 应用无线网络有很多优点, 可以使网络控制系统扩展到光缆或者电缆不便于铺设的特别环境中, 而且还可以运用到控制网络的节点有移动的环境中, 在实际的操作中无线网络还可以补充和备份有线网络。
2 工业控制网络的特点
2.1 实时性
实时性是整个工程控制系统中的重要指标, 实时所表现出的就是当某件事情发生后, 系统一定时间内可以明确的作出反应。
获取网络资源的困难有:很难预测到需要网络资源的节点;很难控制节点需要网络资源的时间;很难预测到节点是否需要节点等。这些因素无疑给传输的实时性带来了一定的难度。
工业控制主要运用在工业现场, 主要传输现场数据, 是一种通讯网络。在工业现场, 环境复杂多变, 工业设备仪器种类丰富, 工业运转过程中所产生的数据类型及涉及的运算程度复杂, 实现工业控制有一定的难度。以下我们对工业现场需要传输的数据进行分类:
1) 实时数据和非实时数据
实时数据对时间的要求高, 必须把时间精确到毫秒, 不容许有按秒计算的延误。而且要保证数据及时更新, 在一定的时间内某一数据没有发挥出其价值, 该数据就没有使用的意义了, 就需要重新产生需要的数据, 没有重发的要求的。实时数据占用很少部分的带宽, 数据量也不是很多。具体的实时数据有各种检测器的信号、一部分系统监视数据的状态。
非实时数据没有实时数据对时间的要求严格, 可以接受一定程度的数据延误, 但是非实时数据的数据量比较大, 也在带宽上占用较多, 对非实时数据要求保存, 不允许丢失。具体的非实时数据有用户的编程数据、组态数据等。
2) 周期性数据、突发性数据和随机性数据
工业环境中周期性数据存在很多, 一般情况下都是相对固定的信息传递, 在时间上也是可以预测的, 传送的数据是实时数据, 有一定的优先级, 占用一定的带宽, 但数据的通信量不多。具体的周期性数据有通过传感器采集的现场数据、通过控制器传送的控制信号等[2]。
突发性数据发生的时间是难以预测的, 它所传送的数据为实时数据, 有一定的优先级, 但是数据的通信量不大。具体的突发性数据有报警信息、事件的通知等。
随机性数据发生的时间也是不可预测的, 但是它传送的是非实时数据且优先级低, 数据的通讯量是相当大的。具体的随机性数据有数据库的管理、程序的下载上传等。
2.2 优先级
无线网络上的节点并不是公平的争取网络资源, 网络资源总是先应用在更需要的的节点上, 无形中就会产生优先级。因为网络资源并不是无线的, 通过优先级可以保证信息的有序传送, 从而实现信息的实时性。
2.3 可靠性
传送的信息必须保证其可靠性, 而在工业现场由于环境复杂, 机器设备噪声会产生一定的干扰, 对网络信息的可靠很难保证, 这就需要相应的措施来避免信息传送的错误, 保障整体系统的运作。
3 常见工业控制网络的实时性分析
3.1 现场总线
现场总线是应用在工业生产现场的, 它可以实现在微机化测量控制设备间的双向串行多节点的数字通讯系统, 能保证不同节点之间的通讯和协调, 并且能完成实时控制信息和非实时控制信息的通信。现场总线系统就是把网络中的节点连接起来, 使其之间可以进行沟通、通信, 从而完成整个网络控制系统的任务。
3.2 工业以太网
以太网相比于现场总线, 所提供的基本框架式是开放式的, 能实现更全面的信息集成, 全面到管理层和各个现场控制层。之后随着互联网技术的不断发展, 在以太网领域也引入了很多新的技术, 对以太网的实时性有很大的提高。
3.3 工业控制网络的实时性
实时性实质就是约束传输的信息对系统的反应时间, 要保证系统的正确性必须从两方面入手, 一方面要保证系统处理信息的结果正确, 另一方面要控制系统产生结果的时间, 只有这两方面都有保障才能使得系统是实时系统。系统必须对输入的信息在规定时间内做出反应, 即使反应的结果显示正确, 如果时间上没有控制好, 还是认定为系统操作失败。总之, 实时应用对时间的要求高, 在规定的时间内处理收集到的信息, 并及时作出反应, 这种数据只在限定的时间内有意义, 所以要控制好时间范围。
在工业控制网络中, 实时性具体上要保证信号的输入、运算及输出都控制严格的时间, 并结合工业生产的实际情况及时做出相应的处理。避免时间处理不当导致的严重后果。网络延迟时间可以用来描述系统的实时性, 也是测试整个控制网络的实时性指标。
3.4 现场总线的介质访问控制分析
在工业企业实际的生产中, 必须保证整个控制网络的实时性和可靠性, 为了提高控制网路的实时性和可靠性, 可以采用介质访问控制的方式, 其中现场总线的MAC层存在很大的决定因素, 也设置了信道使用权的分配方式[3]。
我们都知道现场总线网络只有一条通信通道, 网络上的节点共享这条通道, 如何使用这仅有的通道成为重要的问题。以下主要分析一种现场总线的介质访问控制方法。
Lon Works适应总线型、星型、环形及混合型等拓扑结构, 也适应双绞线、电力线、无线电波、红外线等传输介质, 而收发器和介质的选择依据现场的实际情况。Lon Works利用的是“先听后发, 边听边发, 冲突停止, 延时重发”的方式, 它的MAC层是以CSMA/CD为基础的, 这种方式的算法简单, 可靠性也能有所提高, 且能保证低中负荷的实时性。
在使用Lon Works总线时, 首先要检查在一定周期内内检测通道是不是处于空闲的网络状态, 要知道节点的发送是必须占用一定的通道的。其次增加一定的优先级时间片, 保证一定优先等级, 因为优先级高的情况下所加的时间片就会少。接着根据网络积压参数产生的随机等待时间片, 在实践延长结束的情况下, 网络还保持空闲, 节点就要以同样的概率发送报文。如果节点在检测的时候有信息发送, 在接受到信息之后再进行MAC的算法操作。这种方式能使介质访问在负载轻的情况下得到最小化的延迟, 可以减少一定的冲突, 但是不能消除冲突。
4结束语
网络资源要实现网络资源各个节点的共享, 就要解决信号发送过程中的渠道竞争、信号冲突等问题, 尽可能的避免信号传输形成的等待延时。为了工业控制网络的有效运转, 必须保证网络实时性, 网络时延过长在控制系统的性能上会产生不利的影响, 或者会导致整个系统的不稳定。所以, 工业无线控制网络中要特别解决实时性的问题。
摘要：目前无线网络已经在各个行业中广泛应用, 在工业自动化领域也迅猛发展, 相对于有限网络, 无线网络在实际的使用中产生的成本较低、不受操作空间及操作环境限制, 工业无线控制网络是整个工业现场通讯网络的无线测量控制设备, 为了加大无线网络在工程领域的应用, 需要解决很多问题, 其中实时性就是一个关键问题, 它关系着工业自动化控制中生产信息及操作指令的传输是否及时, 也决定着整个工业无线控制网络的有效运转。主要分析工业无线控制网络中的实时性问题。
关键词：工业无线,控制网络,实时性
参考文献
[1]龚本治.工业无线网络实时路由协议研究与实现[D].武汉理工大学, 2009.
[2]魏旻, 王平, 王泉.工业无线控制网络安全方法的研究与实现[J].仪器仪表学报, 2009, 04:679-684.
工业无线网络论文 篇9
无线传感器网络 (WSN) 由部署在监测区域内的大量小型传感器节点组成, 通过无线通讯方式形成一个多跳的自组织的网络系统, 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息, 并发送给观察者[1]。同普通的无线传感器网络相比较, 在工业环境下, 无线传感器网络节点的电源管理面临着更多的挑战。工业环境通常是很严酷的, 面临的危险包括强烈的机械振动、高温、有噪电环境甚至是爆炸气体, 在这些环境 (从石油钻塔到炼油厂等等) 中更换网络节点既困难又昂贵, 而在这些环境中, 无线传感器网络节点可能只有依靠能量有限的电池来供电。因此, 这些应用便成了低功率无线传感器网络的主要目标。同时, 能量管理也就成了工业无线传感器网络的关键问题之一。合理分配设备消耗的能量, 尽可能地延长网络的使用寿命, 成为无线传感器网络能否在工业环境中成功应用的一个关键技术问题。能量管理包含了传感器网络的各个层面, 从供电电源的选择, 传感器信号的采集、处理到最后的无线传输等各个方面。
2 无线传感器网络能量管理技术
无线传感器网络能量消耗主要在信号的采集、处理部分和数据的传输部分。因此, 能量管理技术也可以分别从这两部分来进行。在数据的采集、处理部分, 可以从硬件设计和软件设计两个方面来划分。在硬件设计上, 采用低电压的、支持不同工作模式的MCU和低功耗的外围电路器件。这部分电路的功耗可以用下式表示:
P=CL·f·V2 (1)
式中:CL——负载电容;f——系统工作频率;V——工作电压。
降低系统工作电压是最能有效降低系统功耗的方式。在软件设计上, 主要是按照系统运行的任务, 选择合适的预测算法进行任务的调度, 在任务进程截止时使系统进入休眠状态, 避免系统运行无谓的空闲任务。在数据的无线传输方面, 影响功耗的主要因素有:调制方式、通讯距离、发射功率和数据流量等。选择较短的通讯距离, 降低发射功率以及选择合适的网络拓扑控制, 简单的路由协议可以有效地降低系统在无线数据传输方面的功耗[2]。
3 低功耗工业无线传感器网络硬件设计
我们选择的无线传感器节点的CPU为MSP430F1612, 它是一款具有精简指令集的16位超低功耗混合型单片机。它包含冯诺依曼结构寻址方式 (MAB) 和数据存储方式 (MDB) 的灵活时钟系统, 内置55 K+256 B的FLASH Memory和5 KB RAM。超低能耗的体系结构大大延长了电池寿命, 在全速工作状态下, 其消耗电流仅仅0.6 mA, 而在休眠状态, 其电流仅仅0.5 μA, 工业级的工作温度范围, 可以方便地设置工作频率, 非常适合于在低功耗的无线传感器网络中用作数据的采集和处理。
无线通讯芯片选用Chipcon CC2420, 它是一款工作在ISM波段 (2.4 GHz) 的支持IEEE802.15.4协议的单芯片、低电压、低功耗无线通讯芯片, 接收灵敏度为-94 dbm, 发射功率8级 (0～-24 dbm) 编程可调, 适合于在低功耗的无线传感器网络中使用。
4 低功耗工业无线传感器网络软件节能算法
无线信号的发射和接收消耗了传感器节点能量的主要部分, 因此, 一个好的路由协议可以减少数据包转发的次数, 降低节点的能耗。在节能型无线路由协议的设计上, 有很多新颖的方法[3]。下面先对现有的一些算法进行分析。
4.1 MTTPR算法
MTTPR (Minimum Total Transmission Power Routing) 算法的基本思想是选择消耗能量值最小的路径传送数据。令R=n0, n1, …, nd表示从源节点n0到目的节点nd的路径 (无线传感器网络中nd为Sink节点) , E (ni, nj) 为节点ni将数据传给nj所要消耗的能量, 则路径Rd能量总消耗值计算公式为:
MTTPR算法选择的路径RMTPR满足:
4.2 MMBCR算法
MMBCR (Minimum Max Battery Cost Routing) 算法能够避开剩余能量值小的节点, 用Pi (t) 表示在t时刻节点i的剩余能量, 则对于路径Rd定义权值:
MMBCR算法选择路径RMMBCR满足:
MMBCR算法能够避开能量值很小的节点, 增加了网络的公平性, 但是该算法却不能保证每次传输数据消耗的能量最少, 而有可能会增加网络的能量消耗, 从而导致网络的生存周期缩短。
4.3 CMMBCR算法
CMMBCR (Conditional MMBCR) 综合了以上两种算法, 其思想如下:节点x向Sink节点发送数据时, 搜索所有能够达到Sink节点的路径, 若路径上节点的剩余能量都很充足, 则按照MTTPR算法选择消耗能量值之和最小的路径。而如果路径上节点的剩余能量值都较小, 就按照MMBCR算法选择路径。这一过程可以通过为网络节点增设阈值来实现, 如果某一节点的剩余能量小于该阈值, 则在选择路由时尽量避开该节点, 来延长整个网络的生存周期。该算法既考虑了总的传输能量又考虑到了网络中节点的剩余能量。
但是, 上述算法都很难在大规模无线传感器网络中实现, 主要问题在于节点发送数据之前先确定数据要沿哪条路径进行转发, 而节点在搜索转发路径时, 需要知道整个网络的拓扑结构, 以及每个节点的剩余能量值, 而网络中每个节点的能量都在不断变化, 要得到每个节点确切的剩余能量值是很困难的。当然节点可以向其它节点广播自己的剩余能量值, 但这种方式会增加大量的控制消息, 而且网络规模越大, 控制消息越多, 同样会缩短网络的生存周期。因此, 针对大规模无线传感器网络, 提出了一种基于分簇的能量控制路由算法CECRA (Cluster-based Energy Control Routing Algorithm) 。同CMMBCR算法比较, CECRA算法在存储和控制消息上的开销少得多。
4.4 CECRA算法
CECRA算法分两部分, 第一部分是网络拓扑即网络内部簇和簇头的形成部分, 第二部分是簇内的功率控制方法。
(1) 簇的分类方法以及簇头的产生方法。
簇的形成以及簇头的产生采用TopDisc (topology discovery) 算法中的三色算法[4], 它利用颜色区分节点状态, 较好地解决了网络拓扑形成问题。在三色算法中, 节点处于三种状态, 分别用白、黑和灰三种颜色表示。白色代表未被发现的节点;黑色代表成为簇头的节点;灰色代表TopDisc算法所确定的普通节点, 即簇内节点。在网络拓扑形成之前, 所有的节点都被标记为白色, 由一个初始节点发起TopDisc三色算法, 算法执行完毕, 所有节点被标记为黑色或者白色。具体过程如下:
a.初始节点将自己标记为黑色, 并广播查询消息;
b.白色节点收到黑色节点的查询消息时变为灰色, 灰色节点等待一段时间, 再广播查询消息, 等待时间的长度与它和黑色节点之间的距离成反比;
c.当白色节点收到一个灰色节点的查询消息时, 先等待一段时间, 时间的长度与该白色节点到向它发出查询消息的灰色节点的距离成反比;如果在等待时间内, 又收到来自黑色节点的查询消息, 节点立即变成灰色节点, 否则节点变为黑色节点;
d.当节点变为黑色或者灰色后, 它将忽略其它节点的查询消息。
e.通过反向查找查询信息的传播路径形成网络, 黑色节点成为簇头, 灰色节点成为簇内节点。每个节点都在本地储存簇内成员列表。其过程如图1和图2所示。
由于灰色节点等待的时间与它和黑色节点的距离成反比, 即可以保证网络形成簇之后簇内成员的稳定通讯。超过一定距离的节点将形成新的簇。由于无线通讯的距离与系统发射的功率有如下关系:
p=dn (1<n<4) (5)
式中:d——通讯节点的距离。
因此, 这样的分簇方法可以保证节点的发射功率得到有效的控制, 提高了能量的使用效率。
(2) 簇内功率控制算法。
CECRA算法使用了一个有效的簇内路由协议来避免由简单的泛洪算法导致的广播风暴问题。我们在数据包头使用标志位Rs来区分一个数据包是来自簇内部 (Rs=0) 还是簇外部 (Rs=1) , 使用标志位Rd来标记数据包的目的地是在簇内部 (Rd=0) 还是簇外部 (Rd=1) 。另外, 在包头部加入一个16位的传输控制计数器 (TCC) 来限制数据包在网络内部传输次数, 这是个可以跳变的计数器。
簇内协议的行为比较简单。假设一个A簇内节点需要向B簇内节点发送数据, 它首先发送一个数据包到它的簇头, 数据包内包含Rs=0, Rd=1。由于节能路由算法大部分时间强制其它节点进入睡眠状态, 用户数据通常由簇头发送。另外, 由于每个节点都通过簇内成员列表知道簇内的其它成员, Rs和Rd可以容易得到。特别地做如下说明, 为了控制节点的能量消耗, 如果其它节点接收到目的地在本簇外的数据包, 它们会将数据包马上丢弃。簇头更新Rs至1并广播出去。当其它簇头收到Rs和Rd均为1的包时, 该簇头检查包内的TCC, 当该值超过最大允许发送次数时, 将该包丢弃。否则, 该簇头检查目的地是否在本簇内部, 如果是, 则将Rs和Rd修改为0, 将该包放置在自己的数据缓冲区或者使用节能算法直接发送到目的节点。如果目的地不是本簇, 该包将在TCC加1后重新发送出去。
簇内功率控制算法描述如下:
发送:需要发送数据的节点根据节点列表获取Rs、Rd, 将带Rs、Rd以及TCC标志的数据包发送;
簇头更新Rs=1, 将其广播出去;
簇内其它节点, 根据Rd的值启动数据处理程序或者将收到的数据包丢弃。
接收:其它簇头收到数据包之后, 处理过程如图3所示。
5 低功耗工业无线传感器网络能量消耗验证
传输一个数据包p所消耗的能量表达式如下:
E (p) =i·v·tp (6)
式中:i——电流消耗;v——工作电压;tp——传输这个包所需要的时间。
我们这里使用支持IEEE802.15.4协议的CC2420射频芯片构成的无线传输模块, 其工作电压为v=3.3 V,
式中:ph, pd——包头和有效数据位。
我们分别使用如下公式计算发送和接收一个数据包p所消耗的能量:
Etx (p) =txcurrent·v·tp (8)
Erx (p) =rxcurrent·v·tp (9)
在发送和接收数据包的间隙, 电路处于空闲状态, 用如下公式计算该状态下消耗的能量:
Eidle (t) =idlecurrent·v·t (10)
式中:t——空闲的时间长度[5]。
在本文中, 使用如下参数值:
txcurrent=17.4 mA, rxcurrent=19.7 mA, idlecurrent=426 μA
对于睡眠状态, 考虑2个参数, 唤醒时间trecovery=0.3 ms和睡眠状态电流消耗sleepcurrent=20 μA, 睡眠期间的能量消耗为:
Esleep (t) =sleepcurrent·v·tsleep+rxcurrent·v·trecovery (11)
本设计中, 我们使用MSP430F1612混合信号处理器, 设其一直处于active状态, 则可以认为处理器模块所消耗的功率Pmcu为一个固定的值, 根据其数据手册可以计算在电压v=3.3 V的工况下, 系统的平均功率为0.130 88 mW。使用2 300 MAH的电池可以连续工作700天。根据设备使用的场合不同, 如果占空比为50%, 系统空闲时进入休眠状态, 则系统的寿命还可以得到极大的延长。
6 结束语
本设计中没有计算到信号的前端采集所消耗的能量, 实际上, 这也是应用中必须考虑的一个问题。对于本设计采用的硬件, 可以根据使用场合的不同分别设置工作的模式以达到最佳的节能效果。本设计可以在工业仪表如温度、压力、流量等测量仪表使用, 构成无线的工业测量系统。
摘要：根据低功耗系统的设计原则, 用硬件和软件相结合的方法设计出一种适用于工业现场的无线传感器网络的节能路由方法。首先, 该方法使用超低能耗的硬件产品:CPU MSP430F1612和无线通讯芯片ChipconCC2420;其次, 通过对几种节能路由算法的耗能分析, 选用合适的节能算法。理论分析和实验数据采集后的计算验证了该方法的有效性。
关键词：无线传感器网络,节能路由,能量管理,现场仪表,CC2420,MSP430
参考文献
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工业无线网络论文 篇10
关键词：工业CT；载物平台；无线遥控；步进电机；单片机；运动控制
引言
工业 CT是计算机断层成像技术在工业上的应用，涉及核物理学、光电子学、仪器仪表、精密机械与控制、计算机图像处理与模式识别等多个学科，是一项技术密集型的高新技术[1]。工业 CT 依据其工作原理大致包括射线源-探测器系统、扫描运动控制系统、数据采集与传输系统、图像重建与处理系统等四部分，其中，扫描运动控制系统是其重要组成部分，它的性能直接影响 CT 图像的质量[2～3]。
研究分析多功能工业 CT测量机扫描运动控制系统存在的运动控制弊端，其载物台仅作X轴的平移和Z轴的转动，在很多场合不能满足所需要的实时成像的需求，因此，对载物台运动控制进行研究，扩展其运动的自由度，进而提出一个在硬件和软件上都具有通用性的无线遥控装置的设计方法进行CT机的径向和层厚方向的扫描运动控制，即Z、Y轴方向移动的载物平台控制装置（Z轴方向既是扫描运动控制的层厚方向，Y轴方向即是CT机扫描运动控制的径向方向），此装置以步进电机为控制对象，继承传统步进电机控制的优点，研制基于单片机的步进电机无线控制Z、Y轴方向的载物台系统，实现整个系统扫描过程的自动化。
1.系统运动方案设计和控制方案设计
1.1系统运动方案设计
由流程图可以看出，在软件设计时，无线遥控载物台移动状态改变前都有让载物台停下的一段语句，这是为了给载物台移动状态改变前加一段缓冲时间，以免转向时产生太大的冲击。另外，在载物台要往相反方向移动时，因为载物平台在两轴端的位置时，霍尔传感器会接收单片机一个低电平，发出指令控制步进电机停止工作，为了避免停止时可能产生瞬时闭合的失误，而使正在得电的电机损坏。
8.结束语
本研究是以解决多功能工业CT测量机在扫描运动控制的径向和层厚方向上的手动操作缺陷，采用无线遥控控制载物平台对其进行位置调整，从而达到最佳的CT成像图像质量为主要研究内容的，通过将无线通信技术、自动控制技术以及单片机与接口相关知识结合完成并实现无线控制功能，
完成了从无线遥控到接收，从单片机处理到执行，从控制步进电机转动到载物平台的软硬件设计的整体设计过程。因此，研究无线遥控载物平台对CT成像质量的影响，对改善工业CT扫描运动控制系统的成像性能具有重要的意义。
参考文献：
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工业无线网络论文 篇11
网络路由有多种分类, 按网络性质可分为多计算机系统路由、有线网络路由和无线网络路由, 大约十年前, 计算机学者们热衷于计算机系统路由, 针对一种特定的拓扑结构, 例如超立方体、网格 (mesh) , 在某些节点或链路故障的情况下寻找最优通路.网络路由按通信方式分, 可以分为单播路由 (即端到端的路由) 、多播路由 (即端到目的节点集中的每一个节点的路由) 及Any cast路由 (即端到目的节点集中的任一个节点的路由) , 网络路由按路由算法来分, 可以分为源路由算法、分布式路由算法和分级路由算法.源路由算法假定每个节点了解整个网络的全局状态, 全局状态用链路状态协议通过广播获得, 或用距离向量协议, 用邻节点周期性交换距离向量获得, 当要发送消息时, 源节点就决定了整条路径, 而分布式路由算法假定每个节点只了解它的邻节点的情况, 即网络局部状态, 包括排队延迟、传播延迟、剩余带宽等, 根据路径的要求, 只决定下一跳应走向哪里.而分级路由算法假定网络节点分级, 每个节点了解聚合的全局状态, 即自己所在范围内的情况, 而对远处的上级节点只了解大致情况, 即每一物理节点保持聚合的网络影像。
2 WIA-P A网络概念及现状
中国自主研发的用于工业过程自动化的工业无线网络WIA-PA (wireless net works for industrial automation-process automation) 规范, 通过国际电工委员会IEC全体成员国投票, 成为第二个被承认的相关国际标准。工业无线网络工作环境恶劣, 需要网络具备较高的可靠性和实时性, WIA-PA采取了星型结构和MESH结构。相结合的两层网络拓扑结构, 第一层是MESH结构, 由网关设备和路由设备、冗余路由设备构成;第二层是星型结构, 由路由设备与现场设备或手持设备构成, 其中现场设备和手持设备不具备路由功能, 应用WIA-PA规范的网络则具有干扰因素较多, 拓扑稳定等特点。
针对MESH结构的无线网络, 现有主要路由协议是基于位置和以数据为中心的, 基于路由协议GEAR, GPSR, GAF等算法没有对多路径进行充分考虑, 而以数据为中心的路由协议SPIN, LEACH, TEEN等算法是通过分簇选择簇首传递数据而达到延长网络生存时间的目的。上述路由协议都是为快速地在各个节点之间建立最短路径, 转发数据较多节点的电量会消耗过快, 存在着单点故障的可能, 因此降低网络的可用性以及存活时间, 对于可用性、实时性需求较高的工业无线网络环境, 这些路由协议不能较好地自适应。
3 多路径路由算法
在工业无线网络中, 网关节点和路由节点的位置已经相对固定, 故多使用静态路由, 具体的路由策略是由网络管理者配置的, 在WIA-PA规范定义中, 每个设备都具有唯一的64位物理地址和一个16位的网络层短地址。终端设备传递数据时, 直接将数据传送给所连接的路由设备, 路由设备则通过目的地址来决定如何进行传输:如果目的地址为网关地址, 则直接传输给网关;如果是簇地址, 则把数据传送给目的簇所对应的路由设备。
3.1 网络模型
WIA-PA规范里所定义的网络模型中, 整个网络建立过程如下, 待加入网络的路由设备侦听由网关的信标, 如果待加入网络的路由设备收到网关的信标, 则向网关发送加入请求, 通过相应的验证之后, 加入网络;如果待加入网络的路由设备收到的是已经加入网络其他路由设备发出的信标, 发送加入请求, 通过验证后加入网络, 然后由路由设备向网络管理者提交更新之后的网络邻居信息。网络管理者由邻居信息表可以得到整个网络的拓扑图。路由设备通过接收到信标的网关或者路由设备加入网络, 但它的位置并不能直接由上游的接入设备来确定考虑节点。
3.2 算法描述
在网络建立好之后, 通过各个节点发送路由泛洪包, 来寻找多路径, 泛洪包的格式协议仿真与性能分析本文使用OMNET++仿真平台对设计的多路径算法进行仿真实验, 对于仿真实验的物理层协议和MAC协议均采用IEEE 802.15.4标准, 仿真时间设置600s, 布置区域800m×600m, 信道2.4 GHz, 带宽250kb/s, 信道错误率0.01%, 射频辐射范围200m。仿真结果显示, 通过使用该算法, 节点在进行数据转发时, 会优先选择有源节点或电量相对充足的节点, 各节点的电量消耗较为平均, 提高了整个网络的生存时间。在端到端延时方面, 运行该算法的节点在传送数据时, 依靠节点自身的电量信息及链路状态来选择下一跳节点, 而现行的一些单路径算法在节点失效时需重新选择路径, 算法运行时间上的差异不大, 不会引起网络端到端延时增大。能量消耗随着干扰强度的增加, 扩展LEACH机制的网络能量开销降低, 逐跳多径机制的网络能量消耗加快, 而节能多径机制的能量消耗增幅较小, 这是因为随着干扰强度增加, 泛洪机制和扩展LEACH机制网络中的转发报文数量减少, 所以能量开销会降低;而对于逐跳单径和节能多径机制, 不仅不会因为干扰导致丢包使得网络中的报文数量减少, 反而会因为备用多径的重新转发报文带来更多的能量开销。
结束语
由于工业无线监测网络的工作环境具有多样性, 因此, 未来的一个重要任务就是提高可用性和抗干扰能力, 克服外界环境变化造成的影响。单路径路由转发数据不但会引起节点电量消耗过快, 并且在环境干扰较大的工业环境中数据传输的可靠性也大大降低。通过采用多路径路由算法, 传输数据时依据节点电量消耗比率来选择优先传输路径, 解决了单一节点转发数据较多引起的能量消耗过快, 网络存活时间低的问题。此外, 改善了单路径中单一节点电量消耗过快问题, 使得各个节点的电量消耗较为均衡, 提高了网络的可靠性和可用性, 从而延长网络存活时间。由于算法使用泛洪的方式来寻找多条路径, 因此, 网络中大量节点受到干扰时, 路由的收敛时间将受到泛洪时间间隔的影响, 快速收敛会变慢, 而对实时性要求较高、大规模的工业无线网络, 多路径路由的快速收敛问题也是今后研究工作的重点。
摘要：网络路由一直是网络的关键问题, 今天的计算机网络非常庞大、高速, 传载着各种多媒体信息, 因此, 网络路由面临新的挑战。本文通过分析工业无线网络环境中网络拓扑结构的特点, 设计了一种适用于工业过程自动化无线网络规范的多路径路由。根据WIAPA网络拓扑稳定、工作环境干扰较大的特点, 通过采用多路径数据传输, 解决了单一节点转发数据较多引起的能量消耗过快、网络存活时间低的问题。
关键词：工业无线网络,多路径路由,路径选择,节能
参考文献
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