应用于工业4.0中的WSN技术及无线通信解决方案

一、引言

第四次工业革命（或工业4.0）正向我们走来——通过互联网、云计算、数据分析和工业物联网（IIOT）基础设施的出现而成为可能。尽管之前的工业技术使工厂、发电厂、炼油厂、天然气管道、铁路运输等各个系统的监测和控制成为可能，工业物联网通过采用工业无线传感器网络（WSN）来推动自动化技术的进一步发展。

将控制系统中的数据与物联网节点所获取的数据进行融合，可以提供更全面的数据集，使用户能够优化其整个价值链。例如，了解工厂关键设备的运行状态有助于预测问题可能发生的时间/地点，这样可以避免和减少停机的风险，每年为公司节省大量资金。这样还可以减少所需进行维护工作的频率，从而降低运营成本。

据估计，到2023年全球每年将有34亿台无线传感器网络芯片组出货（高于2018年的10亿台）。短距离无线通讯方式（如802.15.4、蓝牙、Wi-Fi和专有协议）目前占所有发货量的90%以上，但低功耗长距离通讯方式（SigFox、Lora和NB-IoT）正在以更快的速度增长。预计未来五年，无线传感器网络设备的相关领域（工业、农业和建筑）的年收入将超过130亿美元。

二、IIOT的神经网络

通常来说，控制系统通常更重视其安全和可靠性，而不是系统成本，这些系统有助于确保制造或加工场所的顺利和高效运行，因为任何错误、延迟或事故都将导致收入损失甚至人身伤亡。随着无线通信、能效、小型化和智能嵌入式计算技术的进步，以及更强健、低功耗的设计、长寿命的纽扣电池，这些均导致了可靠和安全的无线传感器节点的发展。这些节点能够满足严格的行业要求，并且能够在最极端的应用程序设置下工作。

由于无线传感器网络技术的成本较低，使得在整个系统中部署数百个甚至数千个传感器节点相对容易，也相当经济，从而形成了类人的物联网系统。这种可扩展性，再加上支持多种无线网络协议的能力，进一步提高了生态系统的可靠性，包括传感器节点、中继器和网关的广泛网络，所有这些都实现了工业4.0所必需的空间和通道冗余。

三、工业物联网的无线协议

除了恶劣或偏远的操作环境和工业设施的庞大规模外，工程师还应考虑到所有金属、混凝土和设备带来的干扰，以及来自内部和周围其他电子设备的电磁干扰。所有这些都决定了要实现的工业物联网节点类型，或者应该支持哪种组合无线协议，取决于具体应用。蓝牙低能耗（BLE）、ISA-100.11A、无线HART和ZigBee都是有效的选项。

Microchip的2.4GHz收发器模块具有极低的接收电流，这样可以延长电池寿命。IEEE802.1.1模块具有一个易于使用的API驱动程序接口，可以连接到公司免费的TCP/IP协议栈及其主流的PIC微控制器单元（MCU）。这些低功耗嵌入式Wi-Fi模块消除了从零开始开发RF电路并获得代理证书的复杂性和成本。RN1810型号包括一个板载TCP/IP网络栈、密码加速器、电源管理子系统、实时时钟、2.4GHz收发器和射频功率放大器。

图2 Microchip MRF24WB0MA/MRF24WB0MB无线模块

Panasonic的PAN9026模块将IEEE 802.11a/b/g/n支持与蓝牙BDR/EDR/LE功能结合在一起，为智能能源、家庭网关和物联网的应用提供灵活的连接选项。它具有动态快速通道切换（DRCS）功能，可在2.4GHz和5GHz下同时工作。 这两个独立运行的标准使数据速率达到150Mbps，再加上400mA（传输）和70mA（接收）的超低电流。通过集成电源管理、高速双核处理器（CPU）、802.11i安全标准支持和高速数据接口，它提供了物联网部署所需的速度和可靠性。

图3 Panasonic PAN9026 Wi-Fi和BLUETOOTH®无线电模块

四、智能无线传感器网络解决方案

Silicon Labs EM35X系列由完全集成的片上系统（SOC）组成，该系统具有2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003标准的收发器、32位ARM Cortex-M3微处理器、闪存和RAM，以及许多对ZigBee系统设计者有价值的外围设备。收发器元件采用了一种有效的架构，超过了IEEE 802.15.4-2003标准规定的动态范围要求15分贝以上。集成接收通道过滤允许与2.4GHz频谱中的其他通信标准（如IEEE 802.11-2007和蓝牙）牢固共存。

ADI的 Smart Mesh IP无线解决方案，由嵌入式芯片和预认证的PCB模块组成。这些模块配有完全开发的、经过现场验证的智能无线网状网络软件。Smart Mesh无线传感器能够通过超低功耗、安全的无线通信提供强大的数据可靠性（》99.999%）。使得传感器可以放置在任意的IIOT环境中。Smart Mesh及其相关网络管理板的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC，它采用了高度集成的低功耗2.4GHz无线电设计同时还具有 一个运行Smart Mesh网络软件的ARM Cortex-M3 32位微处理器。

图4 ADI. Smart Mesh® IP™无线解决方案

支持工业4.0技术发展所需的无线传感器网络硬件正在实现这一目标。现在，可以在市场上找到达到所需性能的组件和模块，同时还可以应对电源预算限制、具有挑战性的操作条件和一系列不同的安全威胁。因此，在未来几年中，自动化程度提高带来的诸多好处将开始在全球范围内实现。

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