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摘要：隨著工業應用中無線傳感器能量采集通信技術的不斷發展，工廠和車間過程自動化得以徹底革新。這些技術創新可以幫助自動化工程師將傳統制造技術與新的現代無線通信功能有機融合在一起。 隨著工業應用中無線傳感器通信技術的不斷發展，工廠和車間過程自動化得以徹底革新。這些技術創新可以幫助自動化工程師將傳統制造技術與新的現代無線通信功能有機融合在一起。 對于許多工業應用來說，不管從長期還是短期看，無線傳感器網絡的成本通常都要比有線解決方案低很多，因為無線網絡更容易查錯、維護和修復。與遍布長達數英里且通常是埋設走線的有線工作場地相比，捕捉無線傳感器網絡中的缺陷或故障要容易得多。無線也更加靈活，能夠更容易和更快捷地重配置網絡，從而滿足為適應更新產品類型和型號而不斷變化的工廠需求。 無線傳感器網絡還能通過3G和4G網絡通信技術傳輸視頻流，而且這些網絡更快的數據傳輸對于要求晝夜監視和監控的重要工業場合來說也非常有價值。煤氣管道、視頻安全系統、發電站、供水系統以及許多其它重要裝置都要求對故障、篡改事件和意外事故立即作出響應，無線傳感器網絡可以為公司節省因環境破壞受到的數百萬美元罰金，更不用說對環境破壞的即時控制了。 不過，在工業裝置中使用無線通信網絡也有需要注意的地方。現在智能手機和平板電腦等人機界面設備已經非常普及，如果不采取正確的安全措施，這些設備很可能對無線工業自動化帶來潛在的安全風險。幸運的是，許多現代無線傳感器網絡拓撲和協議內置了許多工具，可最大程度地減小安全漏洞。 功耗優勢 無線傳感器網絡的好處遠不止上述這些優勢。例如，無線感測和聯網可以讓制造商使用低功耗電子設備，從而節省能源。隨著通信協議以及為它們提供支持的傳感器與收發器的不斷進步，制造商可以專注于實現可能最低的功耗。 能量采集技術利用現代IC功能可以節省更多的能源。一些傳感器、微控制器、電源管理器件和收發器可以利用從很少的熱量、少量機械運動或者室內照明等產生的能量工作，而這些能源在工廠中幾乎無處不在(圖1)。這些技術可以最大程度地減少(如果不能消除的話)電池的使用，進而實現更低的能耗水平。熱電發電機(TEG)、太陽能設備、機械運動傳感器和能量存儲超級電容如今都已經非常成熟。 圖1：在典型的能量采集系統中，能量產生于運動、熱源、光電資源或磁場活動。這種能量可以被捕獲、存儲、管理并饋送給傳感器進行傳輸。 “人們對無線傳感器網絡使用電池供電總是津津樂道甚至有些得意。”凌力爾特公司(Linear)產品營銷總監Tony Armstrong表示，“但與此同時他們越來越多地關注電池的壽命，也更關心能量采集技術以最大限度地降低電池能耗。在無線傳感器網絡中，更重要的是要有足夠的能量來完成所需的任務。下面讓我們順著這條思路看看2009年時的情況。” 在工業中的應用 美國節能經濟委員會(ACEEE)一直在呼吁更好地使用先進的通信技術。正如在該委員會提交的題為“用于實現智能效率的確定性框架”的E125報告中指出的那樣，如果工業領域和住戶能更好地利用目前可用的現代通信技術(如無線網絡)的優勢，他們可以將系統效率再提高約12%至22%，從而在節能和提高生產率方面實現數百甚至數千億美元的效益。 HART通信基金會透露，目前在全球主要制造場所安裝有8000多個WirelessHART網絡。據該組織報道，有成千上萬的設備工作于許多加工應用中，包括旋轉式設備、管道監視、存儲系統、自動化廠房和材料處理設施。拜耳(Bayer)、BASF、BP、Celanese、ConocoPhilips、Evonik、Pemex、Shell和Statoil等大型公司已在全球許多加工制造場所開發了網絡和各自的儀器。 WirelessHART借鑒了許多經過驗證的國際標準，包括HART通信協議標準(IEC6158)、EDDL(IEC61804-3)和IEEE802.15.4。這個IEEE標準是2007年被采用的，大部分工作由加州大學伯克利分校的Kris Pister完成，并于1997年與HART協議一起由他的公司Dust Networks實現了商用化。Dust Networks隨后被凌力爾特公司收購。作為Pister的工作成果，術語“塵埃(mote)”得到了Dust Networks公司的廣泛宣傳。 WirelessHART是一種無線網狀網通信協議，廣泛用于過程自動化應用。它在HART協議中增加了無線功能，同時保持了與現有HART設備、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三個主要部分，即無線現場設備、網關和網絡管理器(圖2)。 圖2：用于過程自動化應用的WirelessHART網狀網絡在HART協議中增加了無線功能，同時保持了與現有HART設備、通信和工具的兼容。它包含三個主要部分，即無線現場設備、網關和網絡管理器。
“在石油天然氣、化學、葡萄酒廠、啤酒廠等行業中，我們已經從理論上設立了工業過程自動化的標準，可用于跟蹤液平面、流動速度、機器振動、壓力、溫度等。”Pister指出，“我們業已證實，無線傳感器網絡要比有線網絡更加可靠，而且成本更低。我們的強項在于確保通信協議的可靠性，并只需消耗很低的功耗。” HART協議成功的關鍵是時間同步網格協議(TSMP)。HART的5個關鍵部分是時間同步的通信、跳頻、自動節點聯接與網絡組建、完全冗余的網格路由以及安全的消息傳送。TSMP網絡也可以實現自組。每個TSMP節點可以智能的發現鄰居、測量射頻信號強度、捕捉同步與跳頻信息，然后與相鄰節點建立路徑和鏈路。 在TSMP中，每個通信窗口被稱為時隙。一系列時隙組成一幀，在網絡的生命周期中這個幀會不斷地重復。幀長度以時隙數計算，是一個可配置的參數——這樣就可以為網絡確立一個特定的刷新率。 較短的幀長度可提高刷新率、增加有效帶寬和功耗。相反，較長的幀將降低刷新率，也會減小帶寬和功耗。一個TSMP節點可以同時加入多個幀，從而針對不同任務有效地實現多種刷新率(圖3)。具有時間、頻率和空間多樣性的TSMP包結構提供了一種魯棒性的協議，可以應對現實世界中的各種工業挑戰。（無線傳感器網絡群：8044196） 圖3：Dust Networks公司的時間同步網格協議(TSMP)節點可以同時加入多個幀，從而能有效地為不同任務實現不同的刷新率(a)。 |
