部署工业控制无线传感器网络：两大难题及解决

使用ZigBee等协议的低功率无线传感器网络是工业过程控制领域涌现的最具吸引力的技术之一，原因是这些网络使在相关场所添加计算能力得以实现，而之前这样做会因成本原因而根本无法实现。

由于这些新的传感器节点价格低、外形小(只有以前的1/4)而且耗电少(一节电池可用两年甚至更长时间)，对于那些由于建筑物和机器隐蔽处和裂缝太多而无法部署常规有线传感器的工业环境来说，它们无疑是理想选择。

鉴于这些新型低功率传感器几乎能无孔不入，工业工程师已经在各种应用中预定了它们的位置，而一些先行者已经开始试行采用了ZigBee等无线协议的项目。然而，随着这些无线传感器和控制网络的普及，两大重要障碍也随之而来：

1)由于网络和组件管理软件开发之复杂性，无线传感器网络的部署需要耗费大量的时间，尤其是在网络需要执行高级功能的工业环境中；

2)主流无线协议(如ZigBee/802.14.5、802.11g和802.11等)还不能完全满足工业应用特定的技术要求。

这些困难就像两座大山，严重延缓了部署计划，并无疑给那些因无线传感器网络技术而兴奋的人们泼了一盆冷水。幸好，业界中能推翻这两座大山的方案也不断涌现。本文接下来将对这两大难题进行详细分析，并介绍如何利用最新方案来跨越障碍。

无线传感器和控制网络部署难度大且耗费时间的原因主要有以下两点：“怎样让不同的设备协同工作？”的问题无线传感器网络的部署使原先从未共存过的一些设备被放在了一起：

a)传感器网络内的设备(如专有的ZigBee设备)

b)现有的IP网络

c)企业计算系统内现有的SCADA、OPC、MODBUS和其它系统

这些不同的设备之间差别太大，从而形成了一个巨大障碍，在构建应用程序时通过软件根本无法解决。

“编程慢”问题——从技术层面上看，要对管理无线传感器和控制网络上的应用的软件进行编程是极其复杂的，而且非常费力，因此即便是部署最简单的应用，也需要专业级程序员付出数月的辛勤劳动。而如果是在那些要求众多很难编程的功能的工业环境中部署更复杂的应用，无疑需要更长的时间。

“编程慢”和“协同工作”问题会给整个部署流程增加6-12个月(甚至更长)的时间。即使是基本部署，它的编程阶段目前也需要这么长的时间，因为：

工程设计团队正努力试图通过鲜为人知的包级编程(arcane packet-level programming)技术，在所有网络组件之间建立一个通用接口，使所有节点端(传感器端) 和企业端的网络组件都能成功地实现彼此通信； 该技术团队解决了指定应用所需功能编程过程延长的问题－这对于关键的工业特性如可靠运输、健康和状况监控、安全特性、中央功率管理和自动任务执行等领域来说都是相当复杂。

不论是以硬性美元成本还是与垄断资源有关的软费用来计算，这个编程过程所需时长都无疑给部署过程增加了巨大的成本。

克服第一关：将编程时间从月缩减到天。 随着无线传感器网络的日益引人关注以及部署网络困难的日益明显，软件公司设计了系统软件来解决上述问题。

面向无线传感器和控制网络应用的系统软件有各种不同的说法，但我在此所指的是“服务代理(service broker)”。服务代理是软件的一个分布层，将无线传感器和控制网络的各种正常操作协调在一起，使用户组织可以将编程专门集中于应用的商业逻辑。服务代理软件有固有的分布式特点，其身影遍布在现场最小的“节点”、移动型工作人员的PDA、办公室个人电脑和企业应用端的服务器上。

服务代理提供了一层覆盖整个网络并使网络组件之间实现通信的软件，解决了“协同工作”的问题。用户企业不再需要经历在节点、移动设备、服务器等网络组件之间构建众多接口的痛苦过程。

另外，服务代理还能提供用于网络基本编排的预置软件，以及面向对工业应用至关重要的特定特征和功能的预置网络组件，从而解决“编程慢”的问题。而最重要的是，服务代理提供了一个使用熟悉的JAVA/.NET编程环境的开发平台，而这个编程环境是大多数组织都曾经应用过的。



通过使用这种用于无线传感器和控制网络预的预置系统软件，工业环境中那些专用网络所需的编程时间能从6-12月(或者更长)锐减到短短的几个星期甚至几天。编程时间和高昂费用的减少扫清了无线传感器和控制网络在工业自动化领域进一步推广的主要障碍。

部署工业环境下无线传感器及控制网络的第二大难题在于，目前还处于评估状态的先进低功率无线协议(如ZigBee/802.14.5、802.11g和802.11s等)还不能完全满足工业应用的技术要求。

随着更多公司开始关注无线传感器技术，业内越来越多地认识到无线协议在对等控制、局部现场设备接入等关键领域的缺陷，但真正第一个对之进行了正式研究的组织，是ISA的SP100委员会。

ISA-SP100委员会的宗旨在于创建一个工业无线联网的标准，来简化规范的制定，并使无线传感器和控制网络能应用在过程自动化中。该组织的早期项目之一是概括出无线协议必须满足的关键要求，以有效地支持监控和控制等工业应用。该委员会的会员已经开始发布初步研究成果，这也是我所见过的第一份研究。该研究确定了无线协议需要满足的每一个关键要求，以使之完全支持工业自动化和控制，并就一些主要协议在对这些要求的满足程度上做了量化分析。

为了发动对这份报告的研究， SP100的一个会员进行了广泛的终端用户调查，汇编出一个工业应用领域里无线协议须满足的关键要求的清单。该调查确定了对工业设置内无线技术的15大关键要求，并通过报告评估了15大关键领域每个领域(表A)内各种主要无线协议的符合程度(802.11g、802.11s、ZigBee/802.15.4和WiMax)。该报告根据每种协议的符合程度给每种协议给出了0-4分的分数及总体分数。如果某个协议在所有种类中都能100%符合，就能获得满分60分的总体分。



表A

从表A中可以看到，单个的分数相差很小，但没有一个能达到完全支持工业应用所需的水平。

这些发现清楚地表明，这些主要的无线协议还根本不具备完全支持无线传感器网络工业应用的能力。但是，如果借助某种补充技术来对某个流行协议(比如Zigbee)进行加强，情况就会大大改观。

在SP100研究中，ZigBee及其它专有的基于802.15.4的协议的总体分仅35分，根本不能适用于工业应用。但是，通过和该领域一些公司的交谈，我发现无线传感器和控制技术在功率管理、低成本设备和对等控制等领域的优点对工业过程控制领域中的人们具有很大的吸引力。

孤军奋战的ZigBee可能无法成为工业应用的理想技术，但如果结合服务代理，一个理想的无线协议就将很快成为现实，而不再只是遥不可及的空想。如果ZigBee与服务代理相结合，将使其保持住如SP100报告中所述的下列各种关键优势：电源管理、支持现场对等控制、低资本费用、低运作费用、容易安装和维护，以及全球可用性。

服务代理还能弥补或减轻ZigBee在工业应用中的缺陷，使之能在SP100打分卡上取得完美的或者显著的高分：

互用性——结合服务代理，ZigBee完全突破了互用性限制。
容量和可伸缩性——通过物理分隔网络并逻辑连接成更大的服务代理关系，完全满足了容量和可伸缩性要求。
网络安全——随着ZigBee服务代理的加入，安全性能也更接近SP100要求。
信息安全——信息安全显著增强。
可靠通信——采用服务代理的完全端到端可靠性协议，确保了不同网络之间的信息确认和重试。
适当的报告速率——通过服务代理，用户能具有一个更为动态可扩展的机制来更改报告速率。
适于闭环控制——有了端到端可靠性协议和可靠的行动/响应能力，服务代理能在众多时序和延迟要求以秒计的情况下实现低频控制环。在特定的无线网络配置下，能将延迟控制在500ms以内。
通过手持和便携式设备实现本地现场设备接入——有了服务代理，ZigBee将能通过手持和便携式设备实现完全接入。

如果结合ZigBee(及其它基于802.15.4的技术)的固有优势和服务代理的功能，这样一个无线方案就能更接近SP100所要的理想技术。

表格B提供了假定的打分卡，就SP100的期望值和ZigBee及服务代理进行了对比。在之前ZigBee得低分的区域，ZigBee及服务代理完全或者几乎完全符合SP100要求。在将服务代理的影响考虑进去后，ZigBee的总得分跳升到53.5分，几乎达到了SP100的理想方案的效果。



表B

实际上，是否有任何一个网络协议自身能真正解决系统固有的安全性、可靠性、报告速率、互用性和可伸缩性等问题，这一点还值得怀疑。但服务代理等新型补充技术能填补无线协议实际功能和理想功能之间的差距。对于那些期望启动无线传感器网络项目，但由于受到ZigBee等无线技术的局限而踌躇不前的公司来说，这无疑是一个好消息。

结论

人们对于在工业自动化和控制领域利用无线传感器和控制网络技术的兴趣与日俱增。应用这些新型无线传感器有望将工业环境转变为完全联网的环境，将物理资产与企业技术系统集成在一起。

尽管在网络部署上的巨大难题延缓了无线传感器网络的普及，但新的软件方案也在不断消除这些障碍。这一新技术减少了无线传感器及控制网络项目的复杂性，从而极大地加快了部署速度，并增强了网络性能，使之能更好地满足工业领域独特的技术要求。

作者：Tim Enwall

Tendril 公司CEO

作者简介：

Tim Enwall，Tendril公司创始人兼CEO，拥有加州大学伯克利分校电气工程/计算机科学理学学士学位。在Solista的Gartner公司和Intellocity公司(一家交互式电视系统软件公司，现为OpenTV旗下公司)工作了18年，并在苹果、Lockheed Martin、InfoNow和Requisite Technology等公司担任管理职位。