構(gòu)建和運(yùn)行分布式智能系統(tǒng)，例如灌溉項(xiàng)目和智能物聯(lián)網(wǎng)建筑，必須在提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)之間取得平衡能力和運(yùn)營(yíng)成本 - 特別是在維護(hù)系統(tǒng)所需的工作量方面。分布式網(wǎng)絡(luò)越大，操作員為保持系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的復(fù)雜性，成本和潛在干預(yù)就越高。

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)量也會(huì)增加，以及這些設(shè)備之間的連接和通信的復(fù)雜性。當(dāng)傳感器和執(zhí)行器在地理上相對(duì)于彼此分布時(shí)，這種通信復(fù)雜性進(jìn)一步放大。

在典型的小型灌溉系統(tǒng)中，所有必要的處理集中在一個(gè)依賴的單個(gè)控制單元中在本地定時(shí)器功能，灌溉調(diào)度器和開(kāi)關(guān)上切換以向閥電磁閥供電，所述閥電磁閥控制通過(guò)系統(tǒng)子部分的水流。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)增加傳感器，以減輕用戶的部分或大部分責(zé)任，動(dòng)態(tài)調(diào)整，以維持系統(tǒng)的效率，以及在發(fā)生故障時(shí)檢測(cè)和自主響應(yīng)。當(dāng)灌溉項(xiàng)目提供服務(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)變得恰當(dāng)，這也使得處理能夠在整個(gè)系統(tǒng)中分布，從而提高效率，可靠性和成本。

通信利益和權(quán)衡取舍適用于所有分布式控制項(xiàng)目，即使每個(gè)項(xiàng)目的具體細(xì)節(jié)和技術(shù)限制也不同。例如，智能建筑火災(zāi)探測(cè)和噴水滅火系統(tǒng)與我們的智能灌溉示例具有非常相似的考慮因素。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，但它處理與建筑物中各種傳感器和執(zhí)行器的信息通信，處理和協(xié)調(diào)相同的問(wèn)題。

許多智能和分布式控制系統(tǒng)安裝在一個(gè)環(huán)境中，而不是包含在一個(gè)包或設(shè)備中。灌溉系統(tǒng)安裝在地塊，溫室和田地中，將被反復(fù)操縱以支持不同的種植。智能建筑物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同樣安裝在建筑物中，可以看到它們的使用隨時(shí)間變化。

圖1顯示了監(jiān)測(cè)環(huán)境的傳感器組之間的信號(hào)和處理流程以及配對(duì)組的相關(guān)輸出。執(zhí)行器。傳感器和執(zhí)行器組可以包括重復(fù)類型的傳感器和執(zhí)行器，但它們?cè)诓僮鳝h(huán)境中通過(guò)接近度組合在一起。每個(gè)配對(duì)集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)系會(huì)在構(gòu)建環(huán)境的同時(shí)安裝智能系統(tǒng)或?qū)⑵涓难b到現(xiàn)有環(huán)境之間產(chǎn)生不同的考慮因素。

圖1：分布式智能控制系統(tǒng)使用多組傳感器監(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)有效地使用硬連線具有適當(dāng)環(huán)境保護(hù)的通信以及其他基礎(chǔ)設(shè)施組件。對(duì)于我們的灌溉示例，這可能意味著在水線附近安裝電源線和通信線路。

但是，如果要將控制系統(tǒng)添加或升級(jí)到現(xiàn)有設(shè)施，請(qǐng)修復(fù)損壞的節(jié)點(diǎn)，或者甚至僅僅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)，使用無(wú)線通信和電池作為新節(jié)點(diǎn)的本地電源可能更有意義。無(wú)線通信為在環(huán)境惡劣的地區(qū)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。

所選的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)并命令每個(gè)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行器。通信協(xié)議應(yīng)包括跨平臺(tái)支持，以便在您更換或添加新節(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批量部署新的或替換設(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)程定位并使用電池供電的節(jié)點(diǎn)尤為重要。選擇避免過(guò)于繁瑣的軟件API將有助于減少電池消耗。

安全性

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)槟鸁o(wú)法依靠物理訪問(wèn)控制來(lái)保護(hù)系統(tǒng)。采用多級(jí)安全性至關(guān)重要，包括在設(shè)備上沒(méi)有開(kāi)放端口并提供設(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，但是，一個(gè)積極而持久的攻擊者可以找到意想不到的創(chuàng)造性方法來(lái)命令你的執(zhí)行器失效，損壞甚至加速執(zhí)行器的磨損。

Digi International的XB24CAUIT-001XBee?S2C802.15 .4射頻模塊面向低成本，低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（圖2）。這些模塊基于Silicon Labs EM357 SoC，支持250 Kbps的數(shù)據(jù)速率，室內(nèi)距離為200英尺，室外視距范圍可達(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。

圖2：Digi XBee S2C 802.15.4射頻模塊適用于低成本，低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，范圍為4000英尺，工作溫度范圍為-40?C至+85?C。 （圖片由Digi International提供）

這足以為家庭花園，溫室和田地提供通信基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)使用集成鞭狀（1.5 dBi）和偶極（2.1 dBi）天線時(shí)，指定的范圍是典型的。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?變型將室外范圍擴(kuò)展到2英里，以支持更大的商業(yè)現(xiàn)場(chǎng)灌溉。

RF模塊采用128位AES加密，支持UART，SPI和無(wú)線固件更新。 ZigBee?PRO2007協(xié)議支持HA，支持在ISM 2.4 GHz頻段運(yùn)行的綁定/組播。 Xbee模塊支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及多點(diǎn)和星形拓?fù)?，并且可以與ZigBee PRO和DigiMESH?協(xié)議進(jìn)行更新。

模塊提供簡(jiǎn)單，開(kāi)箱即用的RF通信，無(wú)需配置。 Digi XCTU是一款免費(fèi)的多平臺(tái)配置和測(cè)試實(shí)用程序，可提供用于設(shè)置，配置和測(cè)試Xbee RF模塊的圖形界面。它包括工具，如圖形網(wǎng)絡(luò)查看器，包括每個(gè)連接的信號(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3：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)控控制辦公室的應(yīng)用示例。 （圖片由Digi International提供）

圖3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)用相關(guān)，而且與我們的示例灌溉項(xiàng)目相關(guān)，因?yàn)槲覀兊墓喔瓤刂葡到y(tǒng)可以獲得天氣服務(wù)，以進(jìn)一步提高操作準(zhǔn)確性和效率。

結(jié)論

智能和分布式控制系統(tǒng)在較小范圍的項(xiàng)目中找到它們的起源。這些項(xiàng)目通過(guò)添加傳感器和執(zhí)行器成為分布式控制系統(tǒng)，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，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，正如我們所描述的那樣，故意將設(shè)計(jì)工作放在安全問(wèn)題上是至關(guān)重要的，因?yàn)閻阂夤粽呖赡芫哂凶銐虻膭?chuàng)造力以造成意想不到的破壞和破壞。獲得對(duì)建筑物環(huán)境控制的控制為惡作劇提供了無(wú)數(shù)的選擇。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)進(jìn)行智能分區(qū)來(lái)防止這種惡作劇。