分布式控制應(yīng)用程序的通信技術(shù)分析

　　構(gòu)建和運(yùn)營(yíng)分布式智能系統(tǒng)，例如灌溉項(xiàng)目和智能物聯(lián)網(wǎng)建筑，必須在提供卓越功能和運(yùn)營(yíng)成本之間取得平衡——尤其是在維護(hù)系統(tǒng)所需的工作量方面。分布式網(wǎng)絡(luò)越大，運(yùn)營(yíng)商保持系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的復(fù)雜性、成本和潛在干預(yù)就越高。

　　在本系列的第 3 部分中，我們將了解通信架構(gòu)的謹(jǐn)慎選擇如何避免維護(hù)開銷成本，同時(shí)提供卓越的功能。

　　隨著智能應(yīng)用程序的增加，它們使用的傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量也增加了，這些設(shè)備之間連接和通信的復(fù)雜性也隨之增加。當(dāng)傳感器和執(zhí)行器相對(duì)于彼此在地理上分布時(shí)，這種通信復(fù)雜性會(huì)進(jìn)一步放大。

　　在典型的小型灌溉系統(tǒng)中，所有必要的處理都集中在一個(gè)控制單元中，該控制單元依賴于本地定時(shí)器功能、灌溉調(diào)度器和開關(guān)，以將電力輸送到閥門螺線管，這些螺線管控制通過(guò)灌溉系統(tǒng)的水流。系統(tǒng)的子部分。用戶有責(zé)任確保系統(tǒng)正常運(yùn)行并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整以確保其持續(xù)高效運(yùn)行。

　　智能灌溉系統(tǒng)添加傳感器以減輕用戶的部分或大部分責(zé)任，以進(jìn)行必要的動(dòng)態(tài)調(diào)整以保持系統(tǒng)效率，并在發(fā)生故障時(shí)檢測(cè)并自主響應(yīng)。當(dāng)灌溉項(xiàng)目服務(wù)的物理區(qū)域分布更廣泛時(shí)，考慮更復(fù)雜的通信選項(xiàng)變得合適，這些選項(xiàng)也使處理能夠分布在整個(gè)系統(tǒng)中，以提高效率、可靠性和節(jié)省成本。

　　盡管每個(gè)項(xiàng)目之間的具體細(xì)節(jié)和技術(shù)限制會(huì)有所不同，但溝通的好處和權(quán)衡適用于所有分布式控制項(xiàng)目。例如，智能建筑火災(zāi)探測(cè)和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的考慮與我們的智能灌溉示例非常相似。雖然物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備的智能建筑安裝可能無(wú)法處理水，但它處理來(lái)自建筑物中各種傳感器和執(zhí)行器的通信、處理和協(xié)調(diào)信息的相同問(wèn)題。

　　許多智能和分布式控制系統(tǒng)安裝在環(huán)境中，而不是包含在單個(gè)包或設(shè)備中。灌溉系統(tǒng)安裝在地塊、溫室和田地中，這些系統(tǒng)將被反復(fù)操作以支持不同的種植。智能建筑物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同樣安裝在建筑物中，其使用可能會(huì)隨著時(shí)間而改變。

　　圖 ?顯示了監(jiān)測(cè)環(huán)境的傳感器組之間的信號(hào)和處理流程以及成對(duì)的執(zhí)行器組的相關(guān)輸出。傳感器和致動(dòng)器組可能由重復(fù)類型的傳感器和致動(dòng)器組成，但它們?cè)诓僮鳝h(huán)境中按接近程度分組在一起。每個(gè)成對(duì)的集合也可以共享相同的通信和電源管理實(shí)現(xiàn)。

　　這種與環(huán)境的密切關(guān)系在構(gòu)建環(huán)境的同時(shí)安裝智能系統(tǒng)或?qū)⑵涓脑斓浆F(xiàn)有環(huán)境中產(chǎn)生了不同的考慮。

　　圖 ：分布式智能控制系統(tǒng)使用一組傳感器來(lái)監(jiān)控環(huán)境和成對(duì)執(zhí)行器組的結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。（使用Scheme-it?創(chuàng)建的圖像）

　　如果控制系統(tǒng)與其他環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施一起安裝，則可能有機(jī)會(huì)在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境保護(hù)下有效地使用硬接線通信以及其他基礎(chǔ)設(shè)施組件。對(duì)于我們的灌溉示例，這可能意味著在埋入地下的水線附近安裝電力和通信線。

　　但是，如果您要在現(xiàn)有設(shè)施中添加或升級(jí)控制系統(tǒng)、修復(fù)損壞的節(jié)點(diǎn)，甚至只是將分布式傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量擴(kuò)展到現(xiàn)有系統(tǒng)，則使用無(wú)線通信和電池可能更有意義新節(jié)點(diǎn)的本地電源。無(wú)線通信為在環(huán)境具有挑戰(zhàn)性的地點(diǎn)管理和操作改裝的分布式控制系統(tǒng)提供了最大的靈活性。

　　選擇的 RF 模塊應(yīng)該能夠支持雙向通信，以支持從傳感器收集數(shù)據(jù)并控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的執(zhí)行器。通信協(xié)議應(yīng)包括跨平臺(tái)支持，以便在更換或添加新節(jié)點(diǎn)時(shí)，您可以靈活地使用同類最佳或價(jià)格合理的設(shè)備，而無(wú)需重新安裝整個(gè)系統(tǒng)。通信協(xié)議應(yīng)允許用戶以即插即用的方式輕松地批量部署新的或替換的設(shè)備，以便能夠自動(dòng)檢測(cè)、跟蹤和報(bào)告每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)。

　　RF 模塊應(yīng)包括對(duì)雙向消息緩沖的支持，以實(shí)現(xiàn)積極的電源管理策略。這對(duì)于難以訪問(wèn)或遠(yuǎn)程定位并依靠電池供電的節(jié)點(diǎn)尤其重要。選擇避免過(guò)于健談的軟件 API 將有助于減少電池消耗。

　　安全

　　在分布式控制項(xiàng)目中使用無(wú)線通信時(shí)，安全性是一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)槟荒芤揽课锢碓L問(wèn)控制來(lái)保護(hù)您的系統(tǒng)。采用多級(jí)安全性至關(guān)重要，包括設(shè)備上沒(méi)有開放端口和提供設(shè)備級(jí)訪問(wèn)控制。

　　惡意攻擊者不僅可以使用捕獲的傳感器信息來(lái)推斷您的操作方式和方式，而且積極主動(dòng)的攻擊者可以找到意想不到的創(chuàng)造性方法來(lái)命令您的執(zhí)行器喪失能力、損壞甚至加速磨損在執(zhí)行器上。

　　Digi International 的 XB24CAUIT-001 XBee? S2C 802.15.4 RF 模塊針對(duì)低成本、低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些模塊基于Silicon Labs EM357 SoC，支持 250 Kbps 的數(shù)據(jù)速率，室內(nèi)范圍為 200 英尺，室外視距范圍高達(dá) 4000 英尺。該模塊采用 DSSS（直接序列擴(kuò)頻）抗干擾，工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。

　　這足以為家庭花園、溫室和田地提供通信基礎(chǔ)設(shè)施。指定的范圍是使用集成鞭狀 （1.5 dBi） 和偶極 （2.1 dBi） 天線時(shí)的典型范圍。發(fā)射功率輸出可通過(guò)軟件選擇：6.3 mW （8 dBm） 和 3.1 mW （5 dBm） 的升壓模式。Xbee-PRO? 變體將戶外范圍擴(kuò)展到 2 英里，以支持更大的商業(yè)田間灌溉。

　　RF 模塊采用 128 位 AES 加密并支持 UART、SPI 和無(wú)線固件更新。ZigBee? PRO 2007 協(xié)議是 HA 就緒的，支持在 ISM 2.4 GHz 頻段運(yùn)行的綁定/多播。Xbee 模塊支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及多點(diǎn)和星型拓?fù)?，并且它們可以根?jù) ZigBee PRO 和 DigiMESH? 協(xié)議進(jìn)行更新。

　　這些模塊無(wú)需配置即可提供簡(jiǎn)單、開箱即用的射頻通信。Digi XCTU 是一個(gè)免費(fèi)的多平臺(tái)配置和測(cè)試實(shí)用程序，它提供了一個(gè)圖形界面來(lái)設(shè)置、配置和測(cè)試 Xbee 射頻模塊。它包括諸如圖形網(wǎng)絡(luò)查看器之類的工具，其中包括每個(gè)連接處的信號(hào)強(qiáng)度，以及 XBee API 框架構(gòu)建器，用于在模塊以 API 模式運(yùn)行時(shí)構(gòu)建和解釋 API 框架。

　　圖 ：使用 XBee RF 模塊通過(guò)網(wǎng)關(guān)、蜂窩/VPN、設(shè)備云服務(wù)和以太網(wǎng)進(jìn)入遠(yuǎn)程監(jiān)控辦公室的應(yīng)用示例。（圖片由 Digi International 提供）

　　圖 中的應(yīng)用示例表明，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施可以通過(guò)直接控制系統(tǒng)之外的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和服務(wù)進(jìn)行組合。這不僅與物聯(lián)網(wǎng)和智能建筑應(yīng)用有關(guān)，還與我們的示例灌溉項(xiàng)目有關(guān)，因?yàn)槲覀兊墓喔瓤刂葡到y(tǒng)可以訪問(wèn)天氣服務(wù)，以進(jìn)一步提高運(yùn)行準(zhǔn)確性和效率。

　　結(jié)論

　　智能和分布式控制系統(tǒng)起源于較小范圍的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目通過(guò)添加傳感器和執(zhí)行器發(fā)展成為分布式控制系統(tǒng)，這些傳感器和執(zhí)行器能夠自動(dòng)和動(dòng)態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行，以提高可靠性和效率，以及卸載最終用戶的故障檢測(cè)和響應(yīng)。在許多情況下，這些系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有環(huán)境中，包括最終用戶的距離、訪問(wèn)和安全問(wèn)題。將新的成對(duì)傳感器、執(zhí)行器、處理器和本地電源無(wú)線連接到整個(gè)分布式系統(tǒng)的能力使用戶能夠擴(kuò)展他們的系統(tǒng)以最好地滿足他們的需求，同時(shí)控制項(xiàng)目的可靠性和可擴(kuò)展性。

　　然而，正如我們所描述的，對(duì)安全問(wèn)題進(jìn)行深思熟慮的設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要，因?yàn)閻阂夤粽呖赡苡凶銐虻膭?chuàng)造力來(lái)造成意想不到的破壞和破壞。獲得對(duì)建筑物環(huán)境控制的控制權(quán)為惡作劇提供了無(wú)數(shù)選擇。最好通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、處理和設(shè)備控制訪問(wèn)執(zhí)行智能分區(qū)來(lái)防止這種惡作劇。