关于工业无线传感器网络的介绍和应用

工业无线传感器网络（WSN）的规模预计在未来五年将增加553%!传感器安装节点将近2400万。最近，无线通信、功耗、极端微型化（驱动力之一是MEMS传感器）以及嵌入式计算方面的发展，促成了面向苛刻工业环境的无线传感器网络的兴起。这一增长的其它原因还包括，WSN目前在多数工业应用中的稳定性已经可以接受，出现了专用于工业系统的WSN标准，对WSN优点的认知以及学习也在持续提升。目前看来，工业领域中的无线网络已经达到一个引爆点。WSN正在催生新的用途、解决方案以及应用案例，为多数行业带来巨大效益，并从根本上改变行业的运作模式。这一切的关键是目前集成芯片解决方案的市场价格已经达到一个可接受水平。

无线传感器网络是由物理分布于同一个空间内的数千个微型自治传感器（或节点）组成的一个网络。这些传感器有效地连接在一起，通过无线射频来进行点对点通信，以监视和传输本地节点的状况，比如温度、振动、压力、污染物、运动等（见图1。）除非过程中发生的故障不能被智能节点预定动作或者人为远程启动命令所校正，这些智能传感器能自动监控并且无需人工干预。

智能传感器/节点通过合作方式将数据通过网络传送给其它智能传感器时，可能存在多条路径，从而可能出现这样一个位置，它信息可以查看、进一步处理或存储或采取其它一些行动。当节点间的所有路径都被画出时，这些冗余通信路径的外观看似一个网格。每个传感器或节点可能小如辣椒片，但却包含一个处理器、很小的内存（例如，片上RAM大约12Kb），较低数据传输速率（40 Kb/s），有效传输范围较小（大多数小于100米），不过能耗也很低。通过更低成本、更高集成度、更精确的电源管理以及智能算法可以进一步降低能耗。此外，采用能量收集技术可以削减功耗预算，这种新兴技术也催生了无电池智能运行方案。

无线功能的好处多多。增加远程传感器（通常本地具备一定的决策能力）可以避免铺设电缆或电线，从而节省人力、能源和材料成本，同时也改进流程，可以在任意地点进行监控和校正，可以使用智能手机进行理想的人工操作。如果原始安装地点难以到达或者较为危险时，操作人员就无需前往目的地更换电池，而且远程就能获得数据，这无疑大大地提升了生产效率。相对有线方案，WSN安装更为快捷，也更容易重新布置。WSN扩展性非常好，连接也非常可靠，当与能量收集设备一起使用时，可提供实时性操作而且无需额外能源。WSN已经进入了工业应用，如机器健康（例如振动分析）、制造、基于状况的维护、自动抄表、远程监控、库存、车辆和人员的管理，还有许多其它方面的运行管理。设备仅需在必要时才按每个处理器输入节点为单位进行维护。相比传统固定周期的按例维护（可能导致过度维护），节点可以在需要时早一点维护，这种做法可以增加设备生命周期并减少浪费。这也被称为“基于状态的维护”。

高效的无线通信

新技术的采用存在两大挑战：成本以及是否存在标准。在消费市场上，蓝光在与HD-DVD的竞争中胜出，而这两种格式早在10年前就已发布。标准之间的竞争则呈相反态势，工业WSN也是如此。专门针对工业用途的两个标准，WirelessHART和ISA100-11都相对较新，它们中两个最为关键的因素是可靠性和实时响应。这两个标准与消费者相关的无线协议差异巨大。这里的协议是指在通信信道传输信息时用于数据寻址、传输、错误检测以及鉴权的一套约定或规则。

工业无线网络可能需要近实时处理，无法容忍VoIP中能接受的较高水平延迟。对于有线现场设备，仅接受10ms及以下的以太网延迟。无线传感器网络要求也类似。无线网格网络的一个主要特征是冗余节点的存储转发分组交换功能带来的优势；这也是网络原型ARPANET鲁棒性颇佳的原因。即便出现大块网络故障，网络中的大部分剩余节点依然不受影响。另一个WSN优势是：它们具备自愈性。如果删除一个节点，周围节点仅需转向其它相邻节点来传递信息。如果加入一个新节点，它可以完美融入系统，开始发送和转发数据包。

工业WSN如果严格遵守协议，其功能将表现出确定性。这样的确定性系统，生成的未来系统状态并不随机。这也意味着，响应时间完全可预测；网络延迟、容错性和基于连接的拓扑结构也都可预测。确定性主要取决于有线或无线网络路由算法中所使用协议的效率。这也是工业标准助力网络实现和冗余的最大所在，工业网络同时看重高可靠性和低复杂度。

图1

网络安全性也是工业控制系统的关注重点。无线网络的匿名性无法完全保证它避开黑客的侵袭，而且这个问题日益严重。加密技术也可用于工业无线传感器网络，以缓解该问题。

贸泽电子也供应多种无线传感器网络产品。能量自立式WSN的最好示例是Powercast公司的无线传感器系统，具有RF能量收集模块，协助传感器来传输实时准确的温度和湿度值，在802.15.4硬件上实现一系列相关工业标准协议。

一般来说，自动化供应商提供WSN专有方案来解决未曾解决的难题或者替代现有高价方案。专有方案并不公开，对用户来说，就像一个“黑盒子”。这种行为阻碍了创新的有机发展，因为专有协议研究与开发工具很封闭，只有供应商才具备访问权。

无线传感器网络的主要特征包括：

节点易于重新分配

能够自动处理节点故障

各节点功能和行为相似

易于扩展，网络规模可增至数千节点

适用于没有电缆、电力能源较少甚至稀缺的极端恶劣环境条件

易于使用；增加节点时，安放后即可激活使用（没有或者只有少量配置要求）

低功耗

使用电池或能量采集时节点功耗很低

工业无线网络使用协议一览表

协议类型	标准以及运行频率	描述	示例模组	优点	缺点
Zigbee	IEEE 802.15.4ISM 波段2.4GHz 和 900MHz	用于控制和监视的网格网络标准；建筑或家居自动化，嵌入式传感。最远有效距离高达50米。	Silicon Labs NXP Panasonic	低成本，低功耗，是小型网络的简便解决方案。应用较广。	在给定时间段内难以满足大量节点传输需求。
WirelessHART——高速可寻址远程传感器协议	IEEE 802.15.4ISM 波段2.4GHz.	它是一个多厂商标准，专门面向过程监测和控制;网格网络的传感器/节点规模可以非常大。有效传输范围小于100英尺。	RFM Panasonic	被指定为国际标准。基于30年历史的HART技术。公认标准。专门面向工业控制。	不兼容某些现有有线协议（FieldBus，PROFIBUS等）网络的最大节点数为250。
ISA-100.11a	IEEE 802.15.4ISM 波段 2.4GHz.	一个多厂商标准，针对非关键控制和监测的可靠安全无线连接。低数据传输率，超低功耗。 ISM波段2.4GHz。有效传输范围为600米。	RFM Microchip Panasonic	网络节点数扩展至250以上。公认标准。专门针对工业控制。 600米范围。	尚未广泛使用。可与HART，Fieldbus，Modbus，PROFIBUS通信。
Wi-Fi ——低功耗	IEEE 802.11a/b/g/n/ac 2.4 GHz 和5GHz. (全球情况有差异)	成熟的无线标准，用于商业/消费。最大有效距离从100到200米。	Murata Microchip	更高的数据速率。技术成熟;无需到网页的桥接口。	功耗较高
蓝牙 低能耗	IEEE 802.15.1ISM 波段2.4GHz.	取代RS-232和RS-485这样的串行连接，面向短距离（<100米）以太网	Murata Panasonic	兼容大量消费电子设备。低成本，高数据传速率（1Mb/s）。	功耗较802.15.4协议多点，但少于802.11协议

无线传感器网络的未来会如何？可能会像“环境智能”概念中所述，无线计算将普遍存在，物理空间中会嵌入各种传感器节点，按照周围环境要求通过WSN即时实现控制目的。无线技术在最近一段时间仍将持续发展。相对于目前的802.11n Wi-Fi，IEEE 802.11ac新标准将数据传输率提升三到四倍，高达1.3 Gbps。工业网络也将继续提升。随着无线传输允许我们做到更多之前无法完成的事情，或者创建出我们之前未知的新功能需求，工业网络的模式也在不断转变。