關(guān)于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的介紹和應(yīng)用

工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的規(guī)模預(yù)計在未來五年將增加553%!傳感器安裝節(jié)點將近2400萬。最近，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，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。這一增長的其它原因還包括，WSN目前在多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)定性已經(jīng)可以接受，出現(xiàn)了專用于工業(yè)系統(tǒng)的WSN標準，對WSN優(yōu)點的認知以及學(xué)習(xí)也在持續(xù)提升。目前看來，工業(yè)領(lǐng)域中的無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)達到一個引爆點。WSN正在催生新的用途、解決方案以及應(yīng)用案例，為多數(shù)行業(yè)帶來巨大效益，并從根本上改變行業(yè)的運作模式。這一切的關(guān)鍵是目前集成芯片解決方案的市場價格已經(jīng)達到一個可接受水平。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由物理分布于同一個空間內(nèi)的數(shù)千個微型自治傳感器（或節(jié)點）組成的一個網(wǎng)絡(luò)。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(jiān)視和傳輸本地節(jié)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(fā)生的故障不能被智能節(jié)點預(yù)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(jiān)控并且無需人工干預(yù)。

智能傳感器/節(jié)點通過合作方式將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(dāng)節(jié)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(wǎng)格。每個傳感器或節(jié)點可能小如辣椒片，但卻包含一個處理器、很小的內(nèi)存（例如，片上RAM大約12Kb），較低數(shù)據(jù)傳輸速率（40 Kb/s），有效傳輸范圍較?。ù蠖鄶?shù)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(shù)可以削減功耗預(yù)算，這種新興技術(shù)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(shè)電纜或電線，從而節(jié)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(jiān)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(shù)據(jù)，這無疑大大地提升了生產(chǎn)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?？煽浚?dāng)與能量收集設(shè)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(jīng)進入了工業(yè)應(yīng)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(jiān)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(shè)備僅需在必要時才按每個處理器輸入節(jié)點為單位進行維護。相比傳統(tǒng)固定周期的按例維護（可能導(dǎo)致過度維護），節(jié)點可以在需要時早一點維護，這種做法可以增加設(shè)備生命周期并減少浪費。這也被稱為“基于狀態(tài)的維護”。

高效的無線通信

新技術(shù)的采用存在兩大挑戰(zhàn)：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(fā)布。標準之間的競爭則呈相反態(tài)勢，工業(yè)WSN也是如此。專門針對工業(yè)用途的兩個標準，WirelessHART和ISA100-11都相對較新，它們中兩個最為關(guān)鍵的因素是可靠性和實時響應(yīng)。這兩個標準與消費者相關(guān)的無線協(xié)議差異巨大。這里的協(xié)議是指在通信信道傳輸信息時用于數(shù)據(jù)尋址、傳輸、錯誤檢測以及鑒權(quán)的一套約定或規(guī)則。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場設(shè)備，僅接受10ms及以下的以太網(wǎng)延遲。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求也類似。無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的一個主要特征是冗余節(jié)點的存儲轉(zhuǎn)發(fā)分組交換功能帶來的優(yōu)勢；這也是網(wǎng)絡(luò)原型ARPANET魯棒性頗佳的原因。即便出現(xiàn)大塊網(wǎng)絡(luò)故障，網(wǎng)絡(luò)中的大部分剩余節(jié)點依然不受影響。另一個WSN優(yōu)勢是：它們具備自愈性。如果刪除一個節(jié)點，周圍節(jié)點僅需轉(zhuǎn)向其它相鄰節(jié)點來傳遞信息。如果加入一個新節(jié)點，它可以完美融入系統(tǒng)，開始發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

工業(yè)WSN如果嚴格遵守協(xié)議，其功能將表現(xiàn)出確定性。這樣的確定性系統(tǒng)，生成的未來系統(tǒng)狀態(tài)并不隨機。這也意味著，響應(yīng)時間完全可預(yù)測；網(wǎng)絡(luò)延遲、容錯性和基于連接的拓撲結(jié)構(gòu)也都可預(yù)測。確定性主要取決于有線或無線網(wǎng)絡(luò)路由算法中所使用協(xié)議的效率。這也是工業(yè)標準助力網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和冗余的最大所在，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)同時看重高可靠性和低復(fù)雜度。

圖1

網(wǎng)絡(luò)安全性也是工業(yè)控制系統(tǒng)的關(guān)注重點。無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)也可用于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以緩解該問題。

貿(mào)澤電子也供應(yīng)多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。能量自立式WSN的最好示例是Powercast公司的無線傳感器系統(tǒng)，具有RF能量收集模塊，協(xié)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(xiàn)一系列相關(guān)工業(yè)標準協(xié)議。

一般來說，自動化供應(yīng)商提供WSN專有方案來解決未曾解決的難題或者替代現(xiàn)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(chuàng)新的有機發(fā)展，因為專有協(xié)議研究與開發(fā)工具很封閉，只有供應(yīng)商才具備訪問權(quán)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征包括：

節(jié)點易于重新分配

能夠自動處理節(jié)點故障

各節(jié)點功能和行為相似

易于擴展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？稍鲋翑?shù)千節(jié)點

適用于沒有電纜、電力能源較少甚至稀缺的極端惡劣環(huán)境條件

易于使用；增加節(jié)點時，安放后即可激活使用（沒有或者只有少量配置要求）

低功耗

使用電池或能量采集時節(jié)點功耗很低

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)使用協(xié)議一覽表

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來會如何？可能會像“環(huán)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(jié)點，按照周圍環(huán)境要求通過WSN即時實現(xiàn)控制目的。無線技術(shù)在最近一段時間仍將持續(xù)發(fā)展。相對于目前的802.11n Wi-Fi，IEEE 802.11ac新標準將數(shù)據(jù)傳輸率提升三到四倍，高達1.3 Gbps。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也將繼續(xù)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(chuàng)建出我們之前未知的新功能需求，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的模式也在不斷轉(zhuǎn)變。