|
作者：LynnetteReese, Mouser Electronics 工業無線傳感器網絡（WSN）的規模預計在未來五年將增加553%!傳感器安裝節點將近2400萬。最近，無線通信、功耗、極端微型化（驅動力之一是MEMS傳感器）以及嵌入式計算方面的發展，促成了面向苛刻工業環境的無線傳感器網絡的興起。這一增長的其它原因還包括，WSN目前在多數工業應用中的穩定性已經可以接受，出現了專用于工業系統的WSN標準，對WSN優點的認知以及學習也在持續提升。目前看來，工業領域中的無線網絡已經達到一個引爆點。WSN正在催生新的用途、解決方案以及應用案例，為多數行業帶來巨大效益，并從根本上改變行業的運作模式。這一切的關鍵是目前集成芯片解決方案的市場價格已經達到一個可接受水平。 無線傳感器網絡是由物理分布于同一個空間內的數千個微型自治傳感器（或節點）組成的一個網絡。這些傳感器有效地連接在一起，通過無線射頻來進行點對點通信，以監視和傳輸本地節點的狀況，比如溫度、振動、壓力、污染物、運動等（見圖1。）除非過程中發生的故障不能被智能節點預定動作或者人為遠程啟動命令所校正，這些智能傳感器能自動監控并且無需人工干預。 智能傳感器/節點通過合作方式將數據通過網絡傳送給其它智能傳感器時，可能存在多條路徑，從而可能出現這樣一個位置，它信息可以查看、進一步處理或存儲或采取其它一些行動。當節點間的所有路徑都被畫出時，這些冗余通信路徑的外觀看似一個網格。每個傳感器或節點可能小如辣椒片，但卻包含一個處理器、很小的內存（例如，片上RAM大約12Kb），較低數據傳輸速率（40 Kb/s），有效傳輸范圍較小（大多數小于100米），不過能耗也很低。通過更低成本、更高集成度、更精確的電源管理以及智能算法可以進一步降低能耗。此外，采用能量收集技術可以削減功耗預算，這種新興技術也催生了無電池智能運行方案。 無線功能的好處多多。增加遠程傳感器（通常本地具備一定的決策能力）可以避免鋪設電纜或電線，從而節省人力、能源和材料成本，同時也改進流程，可以在任意地點進行監控和校正，可以使用智能手機進行理想的人工操作。如果原始安裝地點難以到達或者較為危險時，操作人員就無需前往目的地更換電池，而且遠程就能獲得數據，這無疑大大地提升了生產效率。相對有線方案，WSN安裝更為快捷，也更容易重新布置。WSN擴展性非常好，連接也非常可靠，當與能量收集設備一起使用時，可提供實時性操作而且無需額外能源。WSN已經進入了工業應用，如機器健康（例如振動分析）、制造、基于狀況的維護、自動抄表、遠程監控、庫存、車輛和人員的管理，還有許多其它方面的運行管理。設備僅需在必要時才按每個處理器輸入節點為單位進行維護。相比傳統固定周期的按例維護（可能導致過度維護），節點可以在需要時早一點維護，這種做法可以增加設備生命周期并減少浪費。這也被稱為“基于狀態的維護”。 高效的無線通信 新技術的采用存在兩大挑戰：成本以及是否存在標準。在消費市場上，藍光在與HD-DVD的競爭中勝出，而這兩種格式早在10年前就已發布。標準之間的競爭則呈相反態勢，工業WSN也是如此。專門針對工業用途的兩個標準，WirelessHART和ISA100-11都相對較新，它們中兩個最為關鍵的因素是可靠性和實時響應。這兩個標準與消費者相關的無線協議差異巨大。這里的協議是指在通信信道傳輸信息時用于數據尋址、傳輸、錯誤檢測以及鑒權的一套約定或規則。 工業無線網絡可能需要近實時處理，無法容忍VoIP中能接受的較高水平延遲。對于有線現場設備，僅接受10ms及以下的以太網延遲。無線傳感器網絡要求也類似。無線網格網絡的一個主要特征是冗余節點的存儲轉發分組交換功能帶來的優勢；這也是網絡原型ARPANET魯棒性頗佳的原因。即便出現大塊網絡故障，網絡中的大部分剩余節點依然不受影響。另一個WSN優勢是：它們具備自愈性。如果刪除一個節點，周圍節點僅需轉向其它相鄰節點來傳遞信息。如果加入一個新節點，它可以完美融入系統，開始發送和轉發數據包。 工業WSN如果嚴格遵守協議，其功能將表現出確定性。這樣的確定性系統，生成的未來系統狀態并不隨機。這也意味著，響應時間完全可預測；網絡延遲、容錯性和基于連接的拓撲結構也都可預測。確定性主要取決于有線或無線網絡路由算法中所使用協議的效率。這也是工業標準助力網絡實現和冗余的最大所在，工業網絡同時看重高可靠性和低復雜度。 
圖1 網絡安全性也是工業控制系統的關注重點。無線網絡的匿名性無法完全保證它避開黑客的侵襲，而且這個問題日益嚴重。加密技術也可用于工業無線傳感器網絡，以緩解該問題。 貿澤電子也供應多種無線傳感器網絡產品。能量自立式WSN的最好示例是Powercast公司的無線傳感器系統，具有RF能量收集模塊，協助傳感器來傳輸實時準確的溫度和濕度值，在802.15.4硬件上實現一系列相關工業標準協議。 一般來說，自動化供應商提供WSN專有方案來解決未曾解決的難題或者替代現有高價方案。專有方案并不公開，對用戶來說，就像一個“黑盒子”。這種行為阻礙了創新的有機發展，因為專有協議研究與開發工具很封閉，只有供應商才具備訪問權。 無線傳感器網絡的主要特征包括：
工業無線網絡使用協議一覽表
無線傳感器網絡的未來會如何？可能會像“環境智能”概念中所述，無線計算將普遍存在，物理空間中會嵌入各種傳感器節點，按照周圍環境要求通過WSN即時實現控制目的。無線技術在最近一段時間仍將持續發展。相對于目前的802.11n Wi-Fi，IEEE 802.11ac新標準將數據傳輸率提升三到四倍，高達1.3 Gbps。工業網絡也將繼續提升。隨著無線傳輸允許我們做到更多之前無法完成的事情，或者創建出我們之前未知的新功能需求，工業網絡的模式也在不斷轉變。 Lynnette Reese 是貿澤的技術顧問，她擁有路易斯安那州立大學電氣工程學士。在進入貿澤之前，她曾先后在德克薩斯儀器、飛思卡爾和賽普拉斯半導體公司從事了15年的嵌入式軟硬件技術營銷。她喜歡各式產品，是一個有抱負的女極客。 |
