Industrie 4.0

Drahtlose Sensornetzwerke für das industrielle Internet der Dinge

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Bild 2: Netzwerk Übersicht – Eine Network Management Software bietet eine Übersicht über den Zustand des drahtlosen Netzwerks wie diese SNAP-ON Software Utility von Emerson Process Management.
Bild 2: Netzwerk Übersicht – Eine Network Management Software bietet eine Übersicht über den Zustand des drahtlosen Netzwerks wie diese SNAP-ON Software Utility von Emerson Process Management.
(Bild: Linear Technology)

Da TSCH ein essenzieller Baustein für die Datenzuverlässigkeit in rauer HF-Umgebung ist, ist dessen Einsatz und Wartung ein Schlüsselelement in Maschennetzwerken für einen kontinuierlichen und problemlosen Einsatz über viele Jahre. Ein industrielles drahtloses Netzwerk muss oft über viele Jahre funktionieren, und in dieser Zeitspanne wird es Veränderungen in der HF-Umgebung und bei der Datenübertragung geben. Deshalb ist eine Schlussanforderung für einen sicheren Betrieb, vergleichbar einem Kabelnetzwerk, eine intelligente Netzwerkmanagementsoftware, die die Netzwerktopologie dynamisch optimiert und ständig die Linkqualität für einen maximalen Durchsatz, unabhängig von Interferenzen oder Änderungen in der HF-Umgebung, überwacht.

Sicherheit ist ein weiteres kritisches Attribut eines drahtlosen Sensornetzwerks. Primäre Ziele bei der Sicherheit in WSNs sind:

Vertraulichkeit: Der Datentransport im Netzwerk soll nicht von jedem mitgelesen werden, nur vom eigentlichen Empfänger.

Integrität: Jede empfangene Nachricht muss mit der gesendeten übereinstimmen, ohne Zusätze, Kürzung oder Manipulation des Inhalts.

Authentizität: Die Quelle der Nachricht muss bekannt sein. Wird die Zeit als Teil des Authentizitätsschemas verwendet, wird die Nachricht davor geschützt, aufgenommen und wiedergegeben zu werden.

Die kritische Sicherheitstechnologie, die ein WSN aufweisen sollte, muss diese Ziele adressieren – einschließlich einer starken Verschlüsselung (wie AES128) mit einem robusten Schlüssel und gutem Schlüsselmanagement, mit einem Zufallsnummerngenerator hoher Kryptoqualität, um Replay-Angriffe abzuwehren, mit Message-Integrität-Checks (MIC) in jeder Nachricht und Zugriffskontrolllisten (ACL), um Zugriffe auf spezifische Knoten zu verweigern oder zuzulassen. Diese drahtlosen Sicherheitstechniken sind wohl in vielen Geräten heutiger WSNs integriert, aber nicht alle WSN-Geräte und Protokolle enthalten alle diese Maßnahmen [3]. Verbindet man ein sicheres WSN mit einem unsicheren Gateway, ist das eine Schwachstelle und die End-zu-End-Sicherheit muss beim Systemdesign besonders beachtet werden.

Industrielles IOT wird nicht von Funkexperten installiert

Großteils fügen etablierte Hersteller industrielle IoT-Produkte und -Dienste zu ihren bestehenden Produkten hinzu und ihre Kunden installieren sie in Umgebungen mit einer Mischung aus alten und neuen Geräten. Die Intelligenz der industriellen WSN muss auf einfache Weise auf industrielle IoT-Produkte übertragen werden und den vorhandenen Mitarbeitern einen nahtlosen Übergang im Gebrauch ermöglichen.

Netzwerke sollten sich schnell selbst konfigurieren, damit der Installateur ein stabil laufendes Netzwerk hinterlässt, was durch Selbstheilung Unterbrechungen wegen verlorener Verbindungen vermeidet. Fehler- und Diagnoseberichte werden erstellt, was teure Anfahrten wegen kleiner Wartungsarbeiten vermeidet. In vielen Applikationen liegt der erfolgreiche Einsatz zum Teil in Gebieten, die schwierig oder auf gefährlichem Weg zu erreichen sind. Da muss das IoT-Gerät mit Batterien arbeiten, die typischerweise länger als fünf Jahre halten.

Die Systeme sollten weltweit einsetzbar sein. Glücklicherweise gibt es internationale Standards, die das alles erfüllen, einschließlich dem Standard IEEE 802.15.4e TSCH.

Sensoren sind überall – die korrekte Platzierung ist kritisch

In industriellen IoT-Applikationen ist die korrekte Platzierung des Sensors oder Kontrollpunktes kritisch. Da bietet eine drahtlose Lösung Vorteile gegenüber Kabellösungen. Muss aber die Versorgung durch Stromanschluss oder Wiederaufladung von Batterien nach Stunden oder Monaten erfolgen, sind Kosten und Installation nahezu unerschwinglich. Muss man etwa Sensoren an rotierende Geräte anbringen, ist bei Kabelanschluss während des Betriebs kein Monitoring möglich. Dagegen erhält man beim Monitoring während des laufenden Betriebs wertvolle Informationen, die eine vorbeugende Wartung dieses kritischen Gerätes zulassen, was unerwünschte und teure Abschaltzeiten vermeidet.

Um eine flexible und kosteneffektive Installation zu erreichen, muss jeder Knoten eines industriellen WSN mindestens fünf Jahre mit Batterien laufen können. Das bietet dem Nutzer eine ultimative Flexibilität bei der Abdeckung von Applikationen im industriellen IoT. Zum Beispiel läuft ein industrielles TSCH-basiertes WSN mit Linear Technologys SmartMesh-Produkten typischerweise mit weniger als 50 µA, somit über viele Jahre mit zwei AA Batterien. In Umgebungen, in denen viel Ernteenergie zur Verfügung steht, ist es möglich, Knoten ständig mit dieser Energie zu versorgen (Bild 1).

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