什么是狀態(tài)監(jiān)測(cè)？為何要部署狀態(tài)監(jiān)測(cè)?

本文將比較各種用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，并介紹具體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景－狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)每一類(lèi)應(yīng)用最關(guān)鍵的特性來(lái)比較各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

什么是狀態(tài)監(jiān)測(cè)？為何要部署狀態(tài)監(jiān)測(cè)？

狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基本原理是連續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)器或設(shè)備的運(yùn)行狀況，從而預(yù)測(cè)可能何時(shí)因設(shè)備的一項(xiàng)或多項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)發(fā)生重大變化而出現(xiàn)故障。這常常稱(chēng)為預(yù)測(cè)性維護(hù)。 只有仔細(xì)執(zhí)行以下操作，狀態(tài)監(jiān)測(cè)才能檢測(cè)到逐漸產(chǎn)生的異常變化和趨勢(shì)：

選擇需要監(jiān)測(cè)的機(jī)器參數(shù)

定期測(cè)量參數(shù)

選擇測(cè)量間隔時(shí)間

狀態(tài)監(jiān)測(cè)最常用于工業(yè)、制造業(yè)、智能樓宇和交通運(yùn)輸中，例如機(jī)械旋轉(zhuǎn)設(shè)備，例如壓縮機(jī)、泵、電機(jī)等。最常監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括溫度、濕度、振動(dòng)、壓力（液體或其他泄漏）、電流以及電壓（隨著設(shè)備的老化而變化）。 并非所有機(jī)器都需要連續(xù)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)，一般情況下只需要偶爾測(cè)量參數(shù)。監(jiān)測(cè)操作通常取決于相關(guān)設(shè)備的類(lèi)型和重要性。由于故障通常發(fā)生于單個(gè)部件，因此監(jiān)測(cè)時(shí)還需要關(guān)注關(guān)鍵部件的相關(guān)特定故障模式。

預(yù)測(cè)性維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)包括：

避免機(jī)器停機(jī)，從而提高生產(chǎn)效率并節(jié)省更多成本

提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，并在其發(fā)展成嚴(yán)重故障之前解決

僅在必要時(shí)進(jìn)行維護(hù)，而非無(wú)論是否需要都每隔一段時(shí)間進(jìn)行維護(hù)

準(zhǔn)確檢測(cè)引起故障的原因，提高維護(hù)效率

無(wú)線(xiàn)技術(shù)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中需要具備的最重要特性用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)必須具備一些關(guān)鍵特性。當(dāng)用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，最重要的特性是可靠性、延遲性、距離和功耗。

下面將詳細(xì)介紹這些特性，并說(shuō)明為什么它們對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

1. 可靠性

狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可靠性非常重要。在不可靠的網(wǎng)絡(luò)上傳輸傳感器數(shù)據(jù)點(diǎn)可能造成弊大于利，而且對(duì)于有嚴(yán)格時(shí)間要求的應(yīng)用尤其如此。 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采用協(xié)議層面、設(shè)計(jì)層面以及實(shí)現(xiàn)層面的多種技術(shù)來(lái)提高可靠性。最常見(jiàn)的技術(shù)包括：

發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)的數(shù)據(jù)重傳，該技術(shù)依賴(lài)于對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收順序的追蹤

錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正（例如數(shù)據(jù)冗余、正向糾錯(cuò)技術(shù)等）

增加發(fā)射器的發(fā)射功率

提高接收器的靈敏度

為接收器安裝多根天線(xiàn)

為避免嘈雜通道而進(jìn)行跳頻

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在創(chuàng)建時(shí)的側(cè)重點(diǎn)各有不同，一些技術(shù)更加注重可靠性和穩(wěn)健性。因此，在選擇無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必仔細(xì)考慮可靠性這項(xiàng)參數(shù)，并切實(shí)了解采用哪些機(jī)制能夠達(dá)到系統(tǒng)所需的可靠性水平。

2. 延遲性

在監(jiān)測(cè)部件的運(yùn)行狀況時(shí)，不僅要準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)參數(shù)，還要及時(shí)提供這些測(cè)量值，否則就會(huì)產(chǎn)生延遲。 在這種情況下，延遲是指數(shù)據(jù)包從無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間。此外，如果某個(gè)應(yīng)用需要同步不同設(shè)備上的不同傳感器測(cè)量值，那么延遲對(duì)于該應(yīng)用同樣至關(guān)重要。

延遲一般以毫秒為單位，而且在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，延遲常常不是固定值，而是取決于網(wǎng)絡(luò)配置和參數(shù)的選擇。 為了實(shí)現(xiàn)低延遲，往往只能犧牲功耗。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇影響延遲的參數(shù)，權(quán)衡延遲與低功耗之間的平衡，尤其是通過(guò)電池供電的設(shè)備。 此外，正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小也會(huì)對(duì)延遲產(chǎn)生很大的影響，因此減小數(shù)據(jù)包大小能夠降低延遲值。

3. 距離

距離的定義是發(fā)射器和接收器之間能夠保持穩(wěn)定通信并且丟包最少的最大距離。距離對(duì)于覆蓋工廠等大空間的狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用至關(guān)重要。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最大距離主要取決于以下因素：

發(fā)射功率

接收器的敏感度

網(wǎng)絡(luò)周?chē)沫h(huán)境情況（例如濕度、人體、固定障礙物以及以相同頻譜運(yùn)行的其他射頻信號(hào)所產(chǎn)生的噪聲）

mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和間隔

需要注意的是，一般會(huì)有法規(guī)限制設(shè)備的發(fā)射功率輸出，具體限制取決于所在的國(guó)家及地區(qū)。為了限制功耗，低功率無(wú)線(xiàn)技術(shù)規(guī)范通常還會(huì)規(guī)定最大發(fā)射功率。

4. 功耗

在大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，出于成本考慮，實(shí)施者不愿用內(nèi)置無(wú)線(xiàn)傳感器的新設(shè)備來(lái)代替現(xiàn)有設(shè)備，而是對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，通過(guò)售后安裝無(wú)線(xiàn)傳感器裝置，進(jìn)而測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)。 由于很難將傳感器安裝或固定到部件上，這些設(shè)備一般使用電池供電。因此，必須仔細(xì)考慮功耗這項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。 影響功耗的因素包括：

數(shù)據(jù)傳輸頻率（無(wú)線(xiàn)電開(kāi)啟時(shí)間）

數(shù)據(jù)傳輸量（無(wú)線(xiàn)電啟用時(shí)長(zhǎng)）

發(fā)射功率

周邊環(huán)境及其對(duì)數(shù)據(jù)重傳的影響

部分網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

由于無(wú)線(xiàn)電一般是芯片組中功耗最高的部分（無(wú)線(xiàn)電開(kāi)啟的時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)備的功耗就越高），因此低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)一般適用于低占空比數(shù)據(jù)應(yīng)用。

適用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)比較

基于前面提到的可靠性、延遲、距離和功耗這四種特性，哪種無(wú)線(xiàn)技術(shù)最適合狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用呢？ 以下是最適合狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)：

低功耗藍(lán)牙

基于IEEE 802.15.4的技術(shù)（Thread、Zigbee）

Wi-Fi

LPWAN技術(shù)（蜂窩和非蜂窩）：LoRaWAN、LTE-M、NB-IoT

此外還有WirelessHART和ISA100.11a，這兩項(xiàng)技術(shù)中的某些部分基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。 WirelessHART無(wú)線(xiàn)協(xié)議的開(kāi)發(fā)初衷是成為一項(xiàng)多廠商互操作性標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議專(zhuān)為工業(yè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，并支持時(shí)間同步、自我修復(fù)網(wǎng)狀架構(gòu)。ISA100.11a還注重自動(dòng)化和控制環(huán)境并支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 下表根據(jù)所列出的關(guān)鍵特性比較了最常用的幾種技術(shù)：

拓展討論

請(qǐng)務(wù)必注意，狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用分為多種用例，而且適合每種用例的技術(shù)可能不同。 例如對(duì)于需要高帶寬和大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，Wi-Fi比其他所列出的技術(shù)更加適合。LTE-M也適合此類(lèi)應(yīng)用，其余技術(shù)可能無(wú)法滿(mǎn)足此類(lèi)應(yīng)用的需求。 對(duì)于帶寬較低并且需要在室外和農(nóng)村地區(qū)等進(jìn)行遠(yuǎn)程部署的應(yīng)用，則LPWAN技術(shù)最為適合。 最后，除了這些不太常見(jiàn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)用例外，低功耗藍(lán)牙具有最高的靈活性，并且在功耗、延遲、可靠性和距離方面可實(shí)現(xiàn)很好的平衡，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

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