智能和分布式控制系统的安全通信注意事项

构建和运行分布式智能系统，例如灌溉项目和智能物联网建筑，必须在提供优质服务之间取得平衡能力和运营成本 - 特别是在维护系统所需的工作量方面。分布式网络越大，操作员为保持系统正常运行所需的复杂性，成本和潜在干预就越高。

随着智能应用程序的增加，它们使用的传感器和执行器的数量也会增加，以及这些设备之间的连接和通信的复杂性。当传感器和执行器在地理上相对于彼此分布时，这种通信复杂性进一步放大。

在典型的小型灌溉系统中，所有必要的处理集中在一个依赖的单个控制单元中在本地定时器功能，灌溉调度器和开关上切换以向阀电磁阀供电，所述阀电磁阀控制通过系统子部分的水流。用户有责任确保系统正常运行并根据需要进行调整，以确保其持续高效运行。

智能灌溉系统增加传感器，以减轻用户的部分或大部分责任，动态调整，以维持系统的效率，以及在发生故障时检测和自主响应。当灌溉项目提供服务的物理区域分布更广泛时，考虑更复杂的通信选项变得恰当，这也使得处理能够在整个系统中分布，从而提高效率，可靠性和成本。

通信利益和权衡取舍适用于所有分布式控制项目，即使每个项目的具体细节和技术限制也不同。例如，智能建筑火灾探测和喷水灭火系统与我们的智能灌溉示例具有非常相似的考虑因素。虽然物联网（IoT）设备的智能建筑安装可能无法处理水，但它处理与建筑物中各种传感器和执行器的信息通信，处理和协调相同的问题。

许多智能和分布式控制系统安装在一个环境中，而不是包含在一个包或设备中。灌溉系统安装在地块，温室和田地中，将被反复操纵以支持不同的种植。智能建筑物联网系统同样安装在建筑物中，可以看到它们的使用随时间变化。

图1显示了监测环境的传感器组之间的信号和处理流程以及配对组的相关输出。执行器。传感器和执行器组可以包括重复类型的传感器和执行器，但它们在操作环境中通过接近度组合在一起。每个配对集也可以共享相同的通信和电源管理实现。

这种与环境的密切关系会在构建环境的同时安装智能系统或将其改装到现有环境之间产生不同的考虑因素。

图1：分布式智能控制系统使用多组传感器监控环境和成对执行器组的结果，以实现闭环控制。 （使用Scheme-it®创建的图像）

如果控制系统与其他环境基础设施一起安装，则可能有机会有效地使用硬连线具有适当环境保护的通信以及其他基础设施组件。对于我们的灌溉示例，这可能意味着在水线附近安装电源线和通信线路。

但是，如果要将控制系统添加或升级到现有设施，请修复损坏的节点，或者甚至仅仅将分布式传感器和执行器节点的数量扩展到现有系统，使用无线通信和电池作为新节点的本地电源可能更有意义。无线通信为在环境恶劣的地区管理和操作改装的分布式控制系统提供了最大的灵活性。

所选的RF模块应该能够支持双向通信，以支持从传感器收集数据并命令每个节点的执行器。通信协议应包括跨平台支持，以便在您更换或添加新节点时，您可以灵活地使用同类最佳或价格设备，而无需重新安装整个系统。通信协议应允许用户以即插即用的方式批量部署新的或替换设备，以便能够自动检测，跟踪和报告每个设备的状态。

RF模块应包括对双向消息缓冲的支持，以实现积极的电源管理策略。这对于难以访问或远程定位并使用电池供电的节点尤为重要。选择避免过于繁琐的软件API将有助于减少电池消耗。

安全性

在分布式控制项目中使用无线通信时，安全性是一个重要问题，因为您无法依靠物理访问控制来保护系统。采用多级安全性至关重要，包括在设备上没有开放端口并提供设备级访问控制。

恶意攻击者不仅可以使用捕获的传感器信息来推断您的操作方式和方式，但是，一个积极而持久的攻击者可以找到意想不到的创造性方法来命令你的执行器失效，损坏甚至加速执行器的磨损。

Digi International的XB24CAUIT-001XBee®S2C802.15 .4射频模块面向低成本，低功耗的无线传感器网络（图2）。这些模块基于Silicon Labs EM357 SoC，支持250 Kbps的数据速率，室内距离为200英尺，室外视距范围可达4000英尺。该模块采用DSSS（直接序列扩频）抗干扰，工作温度范围为-40°C至+ 85°C。

图2：Digi XBee S2C 802.15.4射频模块适用于低成本，低功耗的无线网络，范围为4000英尺，工作温度范围为-40˚C至+85˚C。 （图片由Digi International提供）

这足以为家庭花园，温室和田地提供通信基础设施。当使用集成鞭状（1.5 dBi）和偶极（2.1 dBi）天线时，指定的范围是典型的。发射功率输出可通过软件选择：6.3 mW（8 dBm）和3.1 mW（5 dBm）的升压模式。 Xbee-PRO®变型将室外范围扩展到2英里，以支持更大的商业现场灌溉。

RF模块采用128位AES加密，支持UART，SPI和无线固件更新。 ZigBee®PRO2007协议支持HA，支持在ISM 2.4 GHz频段运行的绑定/组播。 Xbee模块支持点对点，点对点以及多点和星形拓扑，并且可以与ZigBee PRO和DigiMESH®协议进行更新。

模块提供简单，开箱即用的RF通信，无需配置。 Digi XCTU是一款免费的多平台配置和测试实用程序，可提供用于设置，配置和测试Xbee RF模块的图形界面。它包括工具，如图形网络查看器，包括每个连接的信号强度，以及XBee API框架构建器，用于在模块以API模式运行时构建和解释API框架。

图3：使用XBee RF模块通过网关，蜂窝/VPN，设备云服务和以太网进入远程监控控制办公室的应用示例。 （图片由Digi International提供）

图3中的应用示例表明，无线基础设施可以通过直接控制系统之外的各种网络技术和服务进行组合。这不仅与物联网和智能建筑应用相关，而且与我们的示例灌溉项目相关，因为我们的灌溉控制系统可以获得天气服务，以进一步提高操作准确性和效率。

结论

智能和分布式控制系统在较小范围的项目中找到它们的起源。这些项目通过添加传感器和执行器成为分布式控制系统，可以对系统的运行进行自动和动态调整，以提高可靠性和效率，以及卸载最终用户的故障检测和响应。在许多情况下，这些系统安装在现有环境中，包括最终用户的距离，访问和安全问题。将新的成对传感器，执行器，处理器和本地电源无线连接到整个分布式系统的能力使用户能够扩展他们的系统以最好地满足他们的需求，同时控制项目的可靠性和可扩展性。

然而，正如我们所描述的那样，故意将设计工作放在安全问题上是至关重要的，因为恶意攻击者可能具有足够的创造力以造成意想不到的破坏和破坏。获得对建筑物环境控制的控制为恶作剧提供了无数的选择。最好通过对系统的网络，处理和设备控制访问进行智能分区来防止这种恶作剧。