構建和運行分布式智能系統，例如灌溉項目和智能物聯網建筑，必須在提供優質服務之間取得平衡能力和運營成本 - 特別是在維護系統所需的工作量方面。分布式網絡越大，操作員為保持系統正常運行所需的復雜性，成本和潛在干預就越高。

隨著智能應用程序的增加，它們使用的傳感器和執行器的數量也會增加，以及這些設備之間的連接和通信的復雜性。當傳感器和執行器在地理上相對于彼此分布時，這種通信復雜性進一步放大。

在典型的小型灌溉系統中，所有必要的處理集中在一個依賴的單個控制單元中在本地定時器功能，灌溉調度器和開關上切換以向閥電磁閥供電，所述閥電磁閥控制通過系統子部分的水流。用戶有責任確保系統正常運行并根據需要進行調整，以確保其持續高效運行。

智能灌溉系統增加傳感器，以減輕用戶的部分或大部分責任，動態調整，以維持系統的效率，以及在發生故障時檢測和自主響應。當灌溉項目提供服務的物理區域分布更廣泛時，考慮更復雜的通信選項變得恰當，這也使得處理能夠在整個系統中分布，從而提高效率，可靠性和成本。

通信利益和權衡取舍適用于所有分布式控制項目，即使每個項目的具體細節和技術限制也不同。例如，智能建筑火災探測和噴水滅火系統與我們的智能灌溉示例具有非常相似的考慮因素。雖然物聯網（IoT）設備的智能建筑安裝可能無法處理水，但它處理與建筑物中各種傳感器和執行器的信息通信，處理和協調相同的問題。

許多智能和分布式控制系統安裝在一個環境中，而不是包含在一個包或設備中。灌溉系統安裝在地塊，溫室和田地中，將被反復操縱以支持不同的種植。智能建筑物聯網系統同樣安裝在建筑物中，可以看到它們的使用隨時間變化。

圖1顯示了監測環境的傳感器組之間的信號和處理流程以及配對組的相關輸出。執行器。傳感器和執行器組可以包括重復類型的傳感器和執行器，但它們在操作環境中通過接近度組合在一起。每個配對集也可以共享相同的通信和電源管理實現。

這種與環境的密切關系會在構建環境的同時安裝智能系統或將其改裝到現有環境之間產生不同的考慮因素。

圖1：分布式智能控制系統使用多組傳感器監控環境和成對執行器組的結果，以實現閉環控制。 （使用Scheme-it?創建的圖像）

如果控制系統與其他環境基礎設施一起安裝，則可能有機會有效地使用硬連線具有適當環境保護的通信以及其他基礎設施組件。對于我們的灌溉示例，這可能意味著在水線附近安裝電源線和通信線路。

但是，如果要將控制系統添加或升級到現有設施，請修復損壞的節點，或者甚至僅僅將分布式傳感器和執行器節點的數量擴展到現有系統，使用無線通信和電池作為新節點的本地電源可能更有意義。無線通信為在環境惡劣的地區管理和操作改裝的分布式控制系統提供了最大的靈活性。

所選的RF模塊應該能夠支持雙向通信，以支持從傳感器收集數據并命令每個節點的執行器。通信協議應包括跨平臺支持，以便在您更換或添加新節點時，您可以靈活地使用同類最佳或價格設備，而無需重新安裝整個系統。通信協議應允許用戶以即插即用的方式批量部署新的或替換設備，以便能夠自動檢測，跟蹤和報告每個設備的狀態。

RF模塊應包括對雙向消息緩沖的支持，以實現積極的電源管理策略。這對于難以訪問或遠程定位并使用電池供電的節點尤為重要。選擇避免過于繁瑣的軟件API將有助于減少電池消耗。

安全性

在分布式控制項目中使用無線通信時，安全性是一個重要問題，因為您無法依靠物理訪問控制來保護系統。采用多級安全性至關重要，包括在設備上沒有開放端口并提供設備級訪問控制。

惡意攻擊者不僅可以使用捕獲的傳感器信息來推斷您的操作方式和方式，但是，一個積極而持久的攻擊者可以找到意想不到的創造性方法來命令你的執行器失效，損壞甚至加速執行器的磨損。

Digi International的XB24CAUIT-001XBee?S2C802.15 .4射頻模塊面向低成本，低功耗的無線傳感器網絡（圖2）。這些模塊基于Silicon Labs EM357 SoC，支持250 Kbps的數據速率，室內距離為200英尺，室外視距范圍可達4000英尺。該模塊采用DSSS（直接序列擴頻）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，低功耗的無線網絡，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設施。當使用集成鞭狀（1.5 dBi）和偶極（2.1 dBi）天線時，指定的范圍是典型的。發射功率輸出可通過軟件選擇：6.3 mW（8 dBm）和3.1 mW（5 dBm）的升壓模式。 Xbee-PRO?變型將室外范圍擴展到2英里，以支持更大的商業現場灌溉。

RF模塊采用128位AES加密，支持UART，SPI和無線固件更新。 ZigBee?PRO2007協議支持HA，支持在ISM 2.4 GHz頻段運行的綁定/組播。 Xbee模塊支持點對點，點對點以及多點和星形拓撲，并且可以與ZigBee PRO和DigiMESH?協議進行更新。

模塊提供簡單，開箱即用的RF通信，無需配置。 Digi XCTU是一款免費的多平臺配置和測試實用程序，可提供用于設置，配置和測試Xbee RF模塊的圖形界面。它包括工具，如圖形網絡查看器，包括每個連接的信號強度，以及XBee API框架構建器，用于在模塊以API模式運行時構建和解釋API框架。

圖3：使用XBee RF模塊通過網關，蜂窩/VPN，設備云服務和以太網進入遠程監控控制辦公室的應用示例。 （圖片由Digi International提供）

圖3中的應用示例表明，無線基礎設施可以通過直接控制系統之外的各種網絡技術和服務進行組合。這不僅與物聯網和智能建筑應用相關，而且與我們的示例灌溉項目相關，因為我們的灌溉控制系統可以獲得天氣服務，以進一步提高操作準確性和效率。

結論

智能和分布式控制系統在較小范圍的項目中找到它們的起源。這些項目通過添加傳感器和執行器成為分布式控制系統，可以對系統的運行進行自動和動態調整，以提高可靠性和效率，以及卸載最終用戶的故障檢測和響應。在許多情況下，這些系統安裝在現有環境中，包括最終用戶的距離，訪問和安全問題。將新的成對傳感器，執行器，處理器和本地電源無線連接到整個分布式系統的能力使用戶能夠擴展他們的系統以最好地滿足他們的需求，同時控制項目的可靠性和可擴展性。

然而，正如我們所描述的那樣，故意將設計工作放在安全問題上是至關重要的，因為惡意攻擊者可能具有足夠的創造力以造成意想不到的破壞和破壞。獲得對建筑物環境控制的控制為惡作劇提供了無數的選擇。最好通過對系統的網絡，處理和設備控制訪問進行智能分區來防止這種惡作劇。