傳感器網(wǎng)路在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用

“‘中國制造2025’和‘互聯(lián)網(wǎng)+’是不可分割的，要使中國制造向智能化的方向發(fā)展，必須依靠互聯(lián)網(wǎng)，依靠云計算，依靠大數(shù)據(jù)，這樣才能使中國200多項產(chǎn)量占世界第一的工業(yè)產(chǎn)品能夠躍上新的水平?！崩羁偫碓跁?016夏季達沃斯論壇企業(yè)家時說。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應，達到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務驅(qū)動型的新工業(yè)生態(tài)體系。

以機器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為基礎(chǔ)，通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實現(xiàn)智能控制、運營優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最早概念來自于美國，是GE公司率先提出來的。我們知道，傳統(tǒng)的制造業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢修、追溯，大部分都是通過人工來操作，嚴重依賴老工人的經(jīng)驗判斷，而且傳承周期很長。

那么工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，就是通過萬物互聯(lián)的方法，將生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品、服務，通過云計算、大數(shù)據(jù)來分析，最終實現(xiàn)最優(yōu)化解決方案，這大大增加了制造業(yè)的效率，堪稱第四次工業(yè)革命。因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0有很多的共同之處。只不過，德國的工業(yè)4.0的提法少了云計算和大數(shù)據(jù)融合，更多的是制造業(yè)的智能化。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)化國家在過去幾十年強大的技術(shù)積累，以及和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合以后產(chǎn)生的新戰(zhàn)略，新的技術(shù)布局以及對未來的一種新的愿景。如果我們單從互聯(lián)網(wǎng)角度去解讀這些愿景和戰(zhàn)略，是遠遠不夠的。事實上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有強大的技術(shù)支撐。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺參考架構(gòu)

那么目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)走到哪一步了呢？很可惜，目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)的最高階段，但目前也僅走到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)階段。也就是未來還有很長的路要走。感知是物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù)，要確保物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運行，離不開眾多感知技術(shù)的加持，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一便是傳感器。

傳感器是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心，是自動化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，將給傳感器企業(yè)帶來巨大的機會。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為傳感器企業(yè)帶來巨大市場

參照工業(yè)2.0、3.0、4.0，人工智能1.0、2.0等階段劃分，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可分成三個階段：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.0，通過建設(shè)以IP技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接體系，實現(xiàn)工廠IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)的連接，工廠外部企業(yè)與上下游、智能產(chǎn)品、用戶的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0，通過工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、原材料、產(chǎn)業(yè)鏈等詳細數(shù)據(jù)的上傳和匯聚，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和工業(yè)APP打下基礎(chǔ);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0，通過人工智能、邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的智能無縫連接。

我國大部分的工業(yè)企業(yè)尚處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.0或向其邁進的過程中，少部分領(lǐng)先性企業(yè)在探索實踐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0，個別企業(yè)開始布局工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0的研究。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的不同階段對傳感器要求差別亦不同，傳感器及傳感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)企業(yè)同樣需要準確定位，不僅要看到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展給傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的藍海，更要挖掘有效市場，實現(xiàn)最終的產(chǎn)值和利潤。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一方面給傳感器企業(yè)帶來了機會，另一方面也對傳感器提出了新的要求，主要體現(xiàn)在對靈敏度、穩(wěn)定性、魯棒性等方面的要求會更高。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及使得傳感器無處不在，大量使用對傳感器提出輕量化、低功耗、低成本的要求，同時也更多要求網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化。

此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳感器應用涉及的面更廣，對傳感器的數(shù)量及產(chǎn)業(yè)化的需求更大，國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)目前還存在企業(yè)規(guī)模小、創(chuàng)新能力不足的問題，完全滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求還有不少差距。近期爆發(fā)的中美貿(mào)易摩擦中對核心芯片的禁運，也給我們傳感器及應用行業(yè)敲響了警鐘。傳感器和集成電路芯片一樣，都屬于高技術(shù)含量的關(guān)鍵零部件，如果國內(nèi)企業(yè)不加大自主創(chuàng)新力度，未來也會面臨類似的局面。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

隨著傳感器、計算機、無線通信及微機電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN, wireless sensor networks)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與當今主流無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用同一個標準——802.15.14，它是一種新型的信息獲取和處理技術(shù)，是繼互聯(lián)網(wǎng)之后，將對人類社會的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生重大影響的一項重要技術(shù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及通信技術(shù),能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的不同監(jiān)測對象的信息。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(WSNS，wireless sensor networks system)通常由傳感器節(jié)點、聚節(jié)點和管理節(jié)點組成。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱為二十一世紀最具影響的技術(shù)之一；改變世界的10大新技術(shù)之一；全球未來的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快也將進入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)測控領(lǐng)域。伴隨未來大多數(shù)工業(yè)儀表和自動化產(chǎn)品對無線傳輸功能的集成，從而完成從有線到無線的過渡。

典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點（可以使用電池長期供電、太陽能電池供電，或風能、機械振動發(fā)電等），網(wǎng)絡(luò)路由器（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由功能）和無線網(wǎng)關(guān)（將信息傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)和控制中心，或者傳輸通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)）。

在工業(yè)自動化領(lǐng)域的老牌勁旅，如GE、Honeywell等，都推出了各種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和系統(tǒng)，國內(nèi)也有不少研究機構(gòu)和大型公司在進行相關(guān)研究。

傳感器網(wǎng)路在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在人們普遍理解為使用傳感器網(wǎng)絡(luò)和機到機(M2M)通信的工業(yè)環(huán)境自動化。

市場分析公司Nano Markets在2014年11月發(fā)表的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)用傳感器市場”報告就將工廠自動化、樓宇自動化、智能電網(wǎng)和公共交通等作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用，并預測到2019年之前這一領(lǐng)域每年消費的傳感器將超過200億美元。今后的技術(shù)人員和維護人員將越來越多地使用強大的平板電腦收集和處理來自工業(yè)機械中集成的傳感器發(fā)出的信息。

1、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測范圍已經(jīng)涉及到整個生態(tài)環(huán)境的各個方面，包括日常環(huán)境監(jiān)測，如大氣，水，電磁輻射和放射性監(jiān)測等；同時還存在一些特殊的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測，如沙漠、高山和存在放射源等區(qū)域的監(jiān)測。這些環(huán)境對傳感器產(chǎn)品的靈活性、可靠性和安全性提出了高要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以突破傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，在滿足了靈活性、可靠性和安全性的同時，為工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測降低了成本，同時也大幅度縮減了傳統(tǒng)監(jiān)測的繁瑣流程，為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利。隨著人們對于工業(yè)環(huán)境的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的需求將逐步擴大。

2、智能電網(wǎng)當前，全球能源、環(huán)境、氣候變化等問題日益突出，世界各國紛紛把開發(fā)利用清潔能源作為能源發(fā)展與變革的重點。智能電網(wǎng)如今已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應用之一，也是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。智能電網(wǎng)通過先進的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、先進的控制方法和決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應用，確保電力供應的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

為了使智能電網(wǎng)的持續(xù)運營，設(shè)備安全保障已經(jīng)成為了關(guān)鍵問題。由于電網(wǎng)設(shè)備長期處于高電壓、大電流等工作狀態(tài)，同時面臨雷雨等極端自然環(huán)境的威脅，對設(shè)備實施智能監(jiān)控顯得尤為重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可對電網(wǎng)設(shè)備進行遠程的監(jiān)控，了解設(shè)備的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，對設(shè)備進行統(tǒng)一管理，同時實時監(jiān)控也提高了維護效率。隨著智能電網(wǎng)計劃的推進，對電網(wǎng)設(shè)備的智能化監(jiān)控需求形成了巨大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市場。

3、數(shù)字化油田經(jīng)濟發(fā)展與社會需求的不斷擴大加速著油井數(shù)量的迅速上升，油田開發(fā)整體范圍也呈擴大趨勢。因此，油田生產(chǎn)、管理與經(jīng)營的智能化成為發(fā)展趨勢，數(shù)字化油田應運而生。

在油田的數(shù)字化過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以對油井環(huán)境和井口設(shè)備實現(xiàn)實時監(jiān)控，將工作現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)，環(huán)境參數(shù)等重要信息傳到控制中心，在必要時刻即刻發(fā)出警報并安排調(diào)度。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在油田的深入推廣和廣泛示范，數(shù)字化油田的數(shù)量也將逐漸增加，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的市場需求將呈現(xiàn)高速增長的態(tài)勢。

4、智能工業(yè)我國工業(yè)制造業(yè)正面臨新一輪產(chǎn)業(yè)革命的契機，制造企業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行改造升級的需求十分迫切，信息技術(shù)企業(yè)也在積極借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以其為突破口迅速向工業(yè)領(lǐng)域滲透。以智能化為核心的工業(yè)4.0的提出，契合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域融合的趨勢，未來市場發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｖ悄苤圃熘械暮诵闹皇枪I(yè)過程的智能監(jiān)測。

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用到智能監(jiān)測中，將有助于工業(yè)生產(chǎn)過程工藝的優(yōu)化，同時可以提高生產(chǎn)線過程檢測、實時參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平，使得生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和工業(yè)4.0的進一步推進，以智能化為核心的工業(yè)過程控制將得到快速發(fā)展，進而拉動對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)過程監(jiān)測系統(tǒng)解決方案的市場需求。

工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品飛速增長的主要原因是隨著整個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境的成熟，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也由政府主導開始慢慢發(fā)展。中國工業(yè)感測終端的數(shù)量保持著飛速增長的態(tài)勢，2014年中國工業(yè)感測終端數(shù)量為7億左右，預計伴隨著中國制造2025的推行，到2020年，中國工業(yè)感測終端將突破20億個。

同時，無線通信、功耗、極端微型化（驅(qū)動力之一是MEMS傳感器）以及嵌入式計算方面的發(fā)展，也促成了面向苛刻工業(yè)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品會隨著“中國制造2025”的提出所帶動的企業(yè)生產(chǎn)線改造和IT設(shè)備升級改造一直高速增長到2019年，并一直保持著上升趨勢。

未來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域傳感器不僅是硬件，更是數(shù)據(jù)的創(chuàng)造者，同時也是服務的創(chuàng)造者。