|
作者：平玨 貿澤電子 摘要: 隨著互聯網、數據分析和云計算等系統的出現，使得工業4.0的推進和實施成為可能。工業物聯網有可能通過采用工業無線傳感器網絡（WSN）來推動自動化技術的進一步發展。將控制系統中的數據與物聯網節點所獲取的數據進行交互，可以提供更全面的數據集，使公司能夠優化其整個價值鏈。本文主要介紹了，工業物聯網的重要節點，無線傳感網絡的發展趨勢以及無線通信的解決方案。 一、引言 第四次工業革命（或工業4.0）正向我們走來——通過互聯網、云計算、數據分析和工業物聯網（IIOT）基礎設施的出現而成為可能。盡管之前的工業技術使工廠、發電廠、煉油廠、天然氣管道、鐵路運輸等各個系統的監測和控制成為可能，工業物聯網通過采用工業無線傳感器網絡（WSN）來推動自動化技術的進一步發展。 
將控制系統中的數據與物聯網節點所獲取的數據進行融合，可以提供更全面的數據集，使用戶能夠優化其整個價值鏈。例如，了解工廠關鍵設備的運行狀態有助于預測問題可能發生的時間/地點，這樣可以避免和減少停機的風險，每年為公司節省大量資金。這樣還可以減少所需進行維護工作的頻率，從而降低運營成本。 據估計，到2023年全球每年將有34億臺無線傳感器網絡芯片組出貨（高于2018年的10億臺）。短距離無線通訊方式（如802.15.4、藍牙、Wi-Fi和專有協議）目前占所有發貨量的90%以上，但低功耗長距離通訊方式（SigFox、Lora和NB-IoT）正在以更快的速度增長。預計未來五年，無線傳感器網絡設備的相關領域（工業、農業和建筑）的年收入將超過130億美元。 二、IIOT的神經網絡 通常來說，控制系統通常更重視其安全和可靠性，而不是系統成本，這些系統有助于確保制造或加工場所的順利和高效運行，因為任何錯誤、延遲或事故都將導致收入損失甚至人身傷亡。隨著無線通信、能效、小型化和智能嵌入式計算技術的進步，以及更強健、低功耗的設計、長壽命的紐扣電池，這些均導致了可靠和安全的無線傳感器節點的發展。這些節點能夠滿足嚴格的行業要求，并且能夠在最極端的應用程序設置下工作。 由于無線傳感器網絡技術的成本較低，使得在整個系統中部署數百個甚至數千個傳感器節點相對容易，也相當經濟，從而形成了類人的物聯網系統。這種可擴展性，再加上支持多種無線網絡協議的能力，進一步提高了生態系統的可靠性，包括傳感器節點、中繼器和網關的廣泛網絡，所有這些都實現了工業4.0所必需的空間和通道冗余。 三、工業物聯網的無線協議 除了惡劣或偏遠的操作環境和工業設施的龐大規模外，工程師還應考慮到所有金屬、混凝土和設備帶來的干擾，以及來自內部和周圍其他電子設備的電磁干擾。所有這些都決定了要實現的工業物聯網節點類型，或者應該支持哪種組合無線協議，取決于具體應用。藍牙低能耗（BLE）、ISA-100.11A、無線HART和ZigBee都是有效的選項。 Microchip的2.4GHz收發器模塊具有極低的接收電流，這樣可以延長電池壽命。IEEE802.1.1模塊具有一個易于使用的API驅動程序接口，可以連接到公司免費的TCP/IP協議棧及其主流的PIC微控制器單元（MCU）。這些低功耗嵌入式Wi-Fi模塊消除了從零開始開發RF電路并獲得代理證書的復雜性和成本。RN1810型號包括一個板載TCP/IP網絡棧、密碼加速器、電源管理子系統、實時時鐘、2.4GHz收發器和射頻功率放大器。
圖2 Microchip MRF24WB0MA/MRF24WB0MB無線模塊（來源: 貿澤電子） Panasonic的PAN9026模塊將IEEE 802.11a/b/g/n支持與藍牙BDR/EDR/LE功能結合在一起，為智能能源、家庭網關和物聯網的應用提供靈活的連接選項。它具有動態快速通道切換（DRCS）功能，可在2.4GHz和5GHz下同時工作。 這兩個獨立運行的標準使數據速率達到150Mbps，再加上400mA（傳輸）和70mA（接收）的超低電流。通過集成電源管理、高速雙核處理器（CPU）、802.11i安全標準支持和高速數據接口，它提供了物聯網部署所需的速度和可靠性。
圖3 Panasonic PAN9026 Wi-Fi和BLUETOOTH®無線電模塊（來源: 貿澤電子） 四、智能無線傳感器網絡解決方案 Silicon Labs EM35X系列由完全集成的片上系統（SOC）組成，該系統具有2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003標準的收發器、32位ARM Cortex-M3微處理器、閃存和RAM，以及許多對ZigBee系統設計者有價值的外圍設備。收發器元件采用了一種有效的架構，超過了IEEE 802.15.4-2003標準規定的動態范圍要求15分貝以上。集成接收通道過濾允許與2.4GHz頻譜中的其他通信標準（如IEEE 802.11-2007和藍牙）牢固共存。 ADI的 Smart Mesh IP無線解決方案，由嵌入式芯片和預認證的PCB模塊組成。這些模塊配有完全開發的、經過現場驗證的智能無線網狀網絡軟件。Smart Mesh無線傳感器能夠通過超低功耗、安全的無線通信提供強大的數據可靠性（>99.999%）。使得傳感器可以放置在任意的IIOT環境中。Smart Mesh及其相關網絡管理板的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC，它采用了高度集成的低功耗2.4GHz無線電設計同時還具有 一個運行Smart Mesh網絡軟件的ARM Cortex-M3 32位微處理器。
圖4 ADI. Smart Mesh® IP™無線解決方案（來源: 貿澤電子） 支持工業4.0技術發展所需的無線傳感器網絡硬件正在實現這一目標�，F在，可以在市場上找到達到所需性能的組件和模塊，同時還可以應對電源預算限制、具有挑戰性的操作條件和一系列不同的安全威脅。因此，在未來幾年中，自動化程度提高帶來的諸多好處將開始在全球范圍內實現。 作者介紹： 平玨先生現任貿澤電子亞太區技術行銷經理，曾任菲尼克斯電氣（中國）有限公司產品市場經理等職務。具有10多年的產品應用、解決方案、市場開發、市場應用、產品評估的專業經驗；覆蓋工業自動化、人工智能、工業機器人等領域。 畢業于上海交通大學，獲得通信工程學士學位及控制工程碩士學位。 |
