分布式控制应用程序的通信技术分析

　　构建和运营分布式智能系统，例如灌溉项目和智能物联网建筑，必须在提供卓越功能和运营成本之间取得平衡——尤其是在维护系统所需的工作量方面。分布式网络越大，运营商保持系统正常运行所需的复杂性、成本和潜在干预就越高。

　　在本系列的第 3 部分中，我们将了解通信架构的谨慎选择如何避免维护开销成本，同时提供卓越的功能。

　　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增加了，这些设备之间连接和通信的复杂性也随之增加。当传感器和执行器相对于彼此在地理上分布时，这种通信复杂性会进一步放大。

　　在典型的小型灌溉系统中，所有必要的处理都集中在一个控制单元中，该控制单元依赖于本地定时器功能、灌溉调度器和开关，以将电力输送到阀门螺线管，这些螺线管控制通过灌溉系统的水流。系统的子部分。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。

　　智能灌溉系统添加传感器以减轻用户的部分或大部分责任，以进行必要的动态调整以保持系统效率，并在发生故障时检测并自主响应。当灌溉项目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合适，这些选项也使处理能够分布在整个系统中，以提高效率、可靠性和节省成本。

　　尽管每个项目之间的具体细节和技术限制会有所不同，但沟通的好处和权衡适用于所有分布式控制项目。例如，智能建筑火灾探测和自动喷水灭火系统的考虑与我们的智能灌溉示例非常相似。虽然物联网 （IoT） 设备的智能建筑安装可能无法处理水，但它处理来自建筑物中各种传感器和执行器的通信、处理和协调信息的相同问题。

　　许多智能和分布式控制系统安装在环境中，而不是包含在单个包或设备中。灌溉系统安装在地块、温室和田地中，这些系统将被反复操作以支持不同的种植。智能建筑物联网系统同样安装在建筑物中，其使用可能会随着时间而改变。

　　图  显示了监测环境的传感器组之间的信号和处理流程以及成对的执行器组的相关输出。传感器和致动器组可能由重复类型的传感器和致动器组成，但它们在操作环境中按接近程度分组在一起。每个成对的集合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在构建环境的同时安装智能系统或将其改造到现有环境中产生了不同的考虑。

　　图 ：分布式智能控制系统使用一组传感器来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，则可能有机会在适当的环境保护下有效地使用硬接线通信以及其他基础设施组件。对于我们的灌溉示例，这可能意味着在埋入地下的水线附近安装电力和通信线。

　　但是，如果您要在现有设施中添加或升级控制系统、修复损坏的节点，甚至只是将分布式传感器和执行器节点的数量扩展到现有系统，则使用无线通信和电池可能更有意义新节点的本地电源。无线通信为在环境具有挑战性的地点管理和操作改装的分布式控制系统提供了最大的灵活性。

　　选择的 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控制每个节点中的执行器。通信协议应包括跨平台支持，以便在更换或添加新节点时，您可以灵活地使用同类最佳或价格合理的设备，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轻松地批量部署新的或替换的设备，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依靠电池供电的节点尤其重要。选择避免过于健谈的软件 API 将有助于减少电池消耗。

　　安全

　　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，因为您不能依靠物理访问控制来保护您的系统。采用多级安全性至关重要，包括设备上没有开放端口和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，而且积极主动的攻击者可以找到意想不到的创造性方法来命令您的执行器丧失能力、损坏甚至加速磨损在执行器上。

　　Digi International 的 XB24CAUIT-001 XBee® S2C 802.15.4 RF 模块针对低成本、低功耗无线传感器网络。这些模块基于Silicon Labs EM357 SoC，支持 250 Kbps 的数据速率，室内范围为 200 英尺，室外视距范围高达 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。

　　这足以为家庭花园、温室和田地提供通信基础设施。指定的范围是使用集成鞭状 （1.5 dBi） 和偶极 （2.1 dBi） 天线时的典型范围。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® 变体将户外范围扩展到 2 英里，以支持更大的商业田间灌溉。

　　RF 模块采用 128 位 AES 加密并支持 UART、SPI 和无线固件更新。ZigBee® PRO 2007 协议是 HA 就绪的，支持在 ISM 2.4 GHz 频段运行的绑定/多播。Xbee 模块支持点对点、点对点以及多点和星型拓扑，并且它们可以根据 ZigBee PRO 和 DigiMESH® 协议进行更新。

　　这些模块无需配置即可提供简单、开箱即用的射频通信。Digi XCTU 是一个免费的多平台配置和测试实用程序，它提供了一个图形界面来设置、配置和测试 Xbee 射频模块。它包括诸如图形网络查看器之类的工具，其中包括每个连接处的信号强度，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 ：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办公室的应用示例。（图片由 Digi International 提供）

　　图 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有关，还与我们的示例灌溉项目有关，因为我们的灌溉控制系统可以访问天气服务，以进一步提高运行准确性和效率。

　　结论

　　智能和分布式控制系统起源于较小范围的项目。这些项目通过添加传感器和执行器发展成为分布式控制系统，这些传感器和执行器能够自动和动态地调整系统的运行，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，对安全问题进行深思熟虑的设计工作至关重要，因为恶意攻击者可能有足够的创造力来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权为恶作剧提供了无数选择。最好通过对系统的网络、处理和设备控制访问执行智能分区来防止这种恶作剧。