工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）的傳感器和無線技術的應用和作用

從連接的家庭和智能可穿戴設備到工業(yè)4.0和智能城市應用，無線傳感器網絡（WSN）幾乎遍布所有可能的應用。它們借助不斷發(fā)展的微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，通過遙控執(zhí)行器和監(jiān)視/跟蹤環(huán)境將自動化帶到簡單的手動任務中。這些相對簡單，受能源限制的設備在數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析中顯示出巨大的潛力，可以更好地評估人，機器甚至工廠系統(tǒng)，更多信息盡在振工鏈。

在工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）中，可以利用短距離無線解決方案，蜂窩和低功耗廣域網（LPWAN）來支持各種傳感器節(jié)點。工業(yè)通信的選擇取決于該過程對實時數(shù)據(jù)的需求是時間緊迫的，還是對于頻繁或不頻繁的傳輸來說是非時間緊迫的。取決于手頭的工業(yè)應用，存在許多IIoT用例，其中可以使用許多傳感器技術和/或通信協(xié)議

過程監(jiān)控

過程監(jiān)視可能是工業(yè)WSN（IWSN）的最大應用，因為它需要在遠距離上放置和跟蹤成千上萬的傳感器節(jié)點。這種跟蹤行業(yè)運營的集中式方法可以實現(xiàn)預測性維護策略，從而有計劃地將工廠的停機時間降至最低，并節(jié)省運營開銷。

機器健康用例和常見傳感器類型

超專業(yè)設備在整個IIoT上得到了利用，因為監(jiān)視常見故障對于維持機器設備的最佳性能至關重要。例如，雖然高端計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)可以大規(guī)模進行精密加工，但它可能會遇到主軸不平衡的常見故障。

如果發(fā)生此類故障，主軸系統(tǒng)中的質量不平衡會導致機床振動，從而最終導致機床精度下降，如果不予修理，則有可能導致進一步的機床損壞。1通常，對主軸內的軸承進行振動分析，因為它們允許軸在旋轉發(fā)生時保持在原位，因此，這些組件的振動很明顯。

加速度計能夠通過收集振動數(shù)據(jù)來監(jiān)視和檢測此類機床故障。超聲波和聲發(fā)射傳感器可以通過識別由金屬降解引起的超聲聲發(fā)射，在任何明顯的振動發(fā)生之前檢測主軸軸承內的損壞。有了標稱熱運行知識，溫度傳感器還可以記錄機器內各種關鍵組件的溫度異常。感應電流傳感器也將檢測電動機消耗的電流變化，并且類似地檢測異常。

這些相同的原理可以應用于包括大型電動機的任何大型機器。例如，起重機通常用于制造設施中，以將大型重型設備從客車運送到飛機上。皮帶和皮帶輪上有皮帶輪和電動機，這些皮帶在煤礦，食品加工和化學隔離等廣泛的應用中得到利用。加速度計，溫度傳感器和感應電流傳感器對于此類機器的充分監(jiān)控很有用。

資產監(jiān)控用例和常見傳感器類型

石油和天然氣制造商監(jiān)控遠距離管道等資產。在此應用中，不惜一切代價避免泄漏和破裂，以防止?jié)撛诘纳鼡p失和對環(huán)境的破壞。管道具有幾種嚴重的故障模式，包括構造/制造缺陷；安裝過程中的損壞；腐蝕; 以及諸如地震，滑坡和極端天氣相關事件之類的地球力量。

外部加速度計可以通過跟蹤流動引起的振動來監(jiān)視管道的流量。裂紋監(jiān)測可以通過超聲波檢測或橫向磁通泄漏來完成?？梢酝ㄟ^采用RFID和光纖等技術的多個傳感器來防止由于腐蝕引起的故障。地震傳感器可以為海上鉆井平臺提供地下地圖，從而提高鉆井效率。

在化學，食品和制藥加工設施中，混合罐可旋轉以精確值添加的化學藥品和成分。放置在這些水箱關鍵位置的傳感器可測量溫度，濕度，壓力，pH值和料位等參數(shù)，從而確保最佳的工廠操作程序，而幾乎不需要人工干預。

用于過程監(jiān)控的IoT協(xié)議因應用程序而異。下表1列出了一些常用的IoT協(xié)議及其一些關鍵參數(shù)。通常，WSN監(jiān)視設施內的機器運行狀況，與某些資產監(jiān)視應用程序（例如跟蹤管道運行狀況）相比，WSN包含在相對較小的區(qū)域內。

在很少傳輸少量有效載荷的情況下，諸如LoRa，Sigfox和NB-IoT的LPWAN提供了低于千兆赫茲頻率的窄帶調制方案，這是兩種質量，可增加信號范圍。LPWAN不僅以遠距離傳輸而著稱，而且以超過10年的長電池壽命和一對多架構而著稱，在該架構中，數(shù)千個設備可以無線連接到網關（當傳感器節(jié)點可以以數(shù)以萬計，能量收集技術和電池壽命是至關重要的考慮因素。

但是，LPWAN協(xié)議通常與計劃外的傳輸異步。因此，它們很容易在高網絡容量下發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。對于要求確定性和可靠傳輸且誤碼率（BER）低的時間緊迫的IIoT應用而言，這不是理想的選擇。諸如WirelessHART和ISA100.11a之類的行業(yè)特定無線網絡基于IEEE 802.15.4低速率無線個人區(qū)域網絡（LR-WPAN）。它們的最大范圍為200米，可提供高達250 Kb / s的吞吐率和10至100 ms的延遲，以在關鍵過程中提供更多實時通信。

健康和安全

使用相應的智能警報裝置監(jiān)視環(huán)境狀況對于保護工業(yè)工人和保持平穩(wěn)運行至關重要。這通常涉及在特定風險區(qū)域附近使用基于氣體/化學物質的傳感器節(jié)點。

在石油和天然氣工業(yè)中，追蹤高度可燃的甲烷泄漏對于防止井口周圍的任何潛在爆炸至關重要。疏水閥利用各種制造設備來過濾空氣中的冷凝物，而不會讓蒸汽逸出。有故障的疏水閥將無法從蒸汽中除去水滴，導致水積聚并破壞蒸汽管路，從而導致昂貴的停機時間和安全隱患。

聲學傳感器和溫度傳感器已用于監(jiān)視這些關鍵組件的行為，以防止任何代價高昂的故障。地下礦山因危險的安全條件而臭名昭著。積極監(jiān)控一氧化碳，甲烷和氣流等環(huán)境參數(shù)，以確保安全的工作環(huán)境。

對于這些應用程序而言，可靠的確定性協(xié)議是必需的，通常需要在設施內進行WirelessHART或ISA100.11a通信。盡管這些協(xié)議可能比諸如藍牙低功耗（BLE）或LPWAN之類的其他WSN技術在傳感器節(jié)點上消耗更多功率，但對數(shù)據(jù)執(zhí)行實時分析和控制的能力對于確保采取適當?shù)陌踩胧┲陵P重要。

WirelessHART和ISA100.11a都是專門為工業(yè)應用而設計的。WirelessHART是現(xiàn)有HART技術的無線替代產品，ISA100.11a由國際自動化協(xié)會（ISA）開發(fā)，以支持工業(yè)應用中已經使用的多種協(xié)議，包括HART，Modbus，F(xiàn)oundation Fieldbus和ProfiBus。這兩個網絡都支持星形和網狀網絡，并具有從主機到傳感器節(jié)點的雙向通信。

使用RTLS進行資產跟蹤

與依靠GPS且通常產生約10 m的精度的室外跟蹤系統(tǒng)相比，諸如實時定位系統(tǒng)（RTLS）之類的室內定位系統(tǒng)（IPS）可以在不考慮衛(wèi)星信號穿透工廠的情況下實現(xiàn)同等或更低的精度墻壁。下面的表2列出了一些更常用的RTLS。

此類IPS可以應用于工廠車間，以主動跟蹤諸如叉車之類的移動室內設備，并主動跟蹤設施內運輸中的庫存。室外環(huán)境（例如卡車場）可以通過分配碼頭和跟蹤貨物的裝卸來利用RTLS監(jiān)視和管理卡車的移動。

根據(jù)所使用的無線協(xié)議，室內定位系統(tǒng)將采用三邊測量或指紋定位方法。三邊測量使用估計的距離來計算對象的最可能坐標。指紋識別方法將當前信號特征與從指紋位置獲得的先前分類的信號特征集進行比較，通常在技術上會涉及到實現(xiàn)。然后，可以通過將在線測量結果與“指紋”進行比較來獲得傳感器的運動。為簡便起見，本節(jié)將介紹兩種流行的RTLS協(xié)議：藍牙和超寬帶（UWB）。

利用UWB系統(tǒng)進行RTLS

超寬帶（UWB）技術本質上會發(fā)送持續(xù)時間極短的能量脈沖

對于RTLS應用，UWB調制中的短脈沖允許精確的延遲估計，最終產生位置/位置數(shù)據(jù)。通常，UWB技術利用由標簽生成的到達時間（ToA）和到達時間差（TDoA）信息，這些標簽發(fā)出低功率UWB脈沖，并由傳感器或UWB讀取器接收。這些脈沖用于確定具有厘米精度的標簽的精確3D位置。但是，網絡中的UWB閱讀器之間需要精確的時間同步，才能成功獲取位置數(shù)據(jù)。

UWB頻率的頻率分配介于3.1和10.6 GHz之間。通常，由于這些天線的全向輻射方向圖以及在較大頻率帶寬上產生穩(wěn)定的輸入阻抗的能力，因此在這些應用中使用了平面單極天線。由于它們在X波段上的性能以及走線尺寸在較高頻率下會變小的事實，這些天線提供了一種小尺寸的解決方案，可以將其打印在固定發(fā)送器/接收器的同一PCB上。

藍牙信標

BLE模塊雖然已經是一個多產的短程協(xié)議，但它通過傳遞藍牙信標來傳播本地化內容，從而在RTLS應用中得到了利用。這些信標可以通過以預定的時間間隔（》 100 ms）廣播帶有數(shù)據(jù)包的低能耗信號來充當接近傳感器。

通過接收信號強度指示器（RSSI）讀數(shù)計算距離，最終根據(jù)接收信號的強度與RF信號在空間中傳播之間的數(shù)學關系來推斷節(jié)點之間的距離。6這將創(chuàng)建一個實時庫存清單，該清單配備了具有唯一ID和BLE標簽以及主動更新位置數(shù)據(jù)的清單。由于大多數(shù)智能設備都支持藍牙（例如，智能手機，平板電腦，筆記本電腦），因此可以潛在地消除對自定義硬件的需求，從而節(jié)省大量成本。

雖然BLE確實支持雙向通信的網狀拓撲，但BLE信標通常支持單向通信，因此僅限于星形拓撲。在這樣的配置中，信標通常會通過蜂窩或Wi-Fi連接到啟用藍牙的設備/路由器，并將信息中繼到云。

如前所述，這些信標中的許多都可以包含具有千兆赫茲以下遠程無線網絡的多協(xié)議SoC，以通過智能照明或HVAC控制來控制/監(jiān)視工廠環(huán)境。廣告包的大窗口可以使千兆赫茲無線電處于接收狀態(tài)，從而從設施內的遠處獲取非頻繁且不可預測的信息包。

通常，BLE信標設計將包括2.4 GHz PCB天線和特定于供應商的藍牙芯片。在某些情況下，藍牙芯片將具有集成的芯片天線。如果該板采用了千兆赫茲以下的頻率協(xié)議，那么PCB天線將因為太大而無法生存。

如前所述，BLE通常使用三邊測量（RSSI）來確定位置區(qū)域。在這種情況下，由于天線在工廠車間的360度覆蓋范圍，因此全向輻射方向圖通常是合適的，只要天線與發(fā)射器的阻抗相匹配即可獲得最大的信號傳輸和范圍。但是，可以實現(xiàn)TDoA算法，從單個信標信號計算兩個角度，或者從兩個信標信號計算三個角度。在這種情況下，可以使用配備有更復雜的天線陣列的BLE信標的復雜映射和放置來潛在地創(chuàng)建3D地圖。

車隊管理

工業(yè)車隊的管理可能會因乘用車，拖拉機拖車，鐵路，飛機，輪船和重型設備而異。僅卡車就占美國運輸貨物的70％，因此對跟蹤物流（例如維修，更換和定期維護）尤為重要，以防止車隊運營不善。通常，蜂窩基礎結構用于超越工廠范圍邊界的應用。但是，對于局部設備（例如礦井中的重型設備操作），可以考慮使用LPWAN。

車隊遠程信息處理可以與2G，3G和4G基礎設施或特定于IoT的蜂窩替代品（例如NB-IoT或LTE-M1）進行通信。傳感器節(jié)點可以包括GPS模塊，陀螺儀，液位傳感器和加速度計。在GPS提供位置數(shù)據(jù)的地方，加速度計提供車輛的方向，而液位傳感器則實時測量燃料。更復雜的系統(tǒng)也用于車隊管理。自2008年以來，無人駕駛采礦卡車一直在運行，該卡車配備了200多個傳感器，GPS接收器和雷達制導系統(tǒng)。

摘要

一系列傳感器和通信協(xié)議可以根據(jù)所需的可靠性，延遲和靈活性級別為工業(yè)網絡提供服務。過程監(jiān)視以及健康和安全應用程序通常需要與基于IEEE 802.15.4的協(xié)議（例如ISA100.11a，WirelessHART）進行實時通信，而某些資產監(jiān)視應用程序可以從LPWAN應用程序提供的遠程服務中受益。

室內資產跟蹤應用程序具有特定的本地化系統(tǒng)，并具有基于ToA或RSSI的算法，以提高準確性。另一方面，車隊管理系統(tǒng)可以依靠GPS來獲取位置數(shù)據(jù)，但必須通過任一蜂窩回程將所有傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊悬c。如果車隊位于有限的地理位置，他們甚至可以從LPWAN中受益，更多信息盡在振工鏈。