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- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的正確打開方式
- 來源：電子產(chǎn)品世界 發(fā)表于 2020/3/20
我們知道，傳統(tǒng)工業(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(yán)重依賴?yán)瞎と说慕?jīng)驗判斷，而且傳承周期很長。因此可以預(yù)測，傳統(tǒng)工業(yè)逐漸會被新工業(yè)生態(tài)體系所替代。
以機(jī)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)組織方式變革的就是服務(wù)驅(qū)動型的新工業(yè)生態(tài)體系 —— 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。
新工業(yè)生態(tài)體系
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。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以分為三個階段：
· 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(xì)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。
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(jī)會。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一方面給傳感器企業(yè)帶來了機(jī)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。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢
每一個傳感器或節(jié)點就像一粒胡椒，內(nèi)部裝有處理器、微型內(nèi)存（如：12 Kb內(nèi)建RAM）、低數(shù)據(jù)傳輸速率（40 Kb/s）以及短收發(fā)范圍（大多數(shù)為100英呎以下）。
人們設(shè)想未來的傳感器網(wǎng)絡(luò)會通過大型網(wǎng)狀架構(gòu)來進(jìn)行通訊，其中每個節(jié)點都有將來自于其他節(jié)點的數(shù)據(jù)傳播出去的功能，最終到達(dá)的目的地是聚合器，不相關(guān)的數(shù)據(jù)會在此聚合器內(nèi)部進(jìn)行處理。傳感器會以龐大的數(shù)量部署在高密度的網(wǎng)絡(luò)上。它們會利用短距離的、耗電低的節(jié)點之間的無線鏈接進(jìn)行互相聯(lián)網(wǎng)，而現(xiàn)有的通訊基礎(chǔ)設(shè)施，特別是WLAN以及互聯(lián)網(wǎng)連接會被用于長距離的通訊。
更節(jié)省耗電
無線傳感器在很大程度上依賴節(jié)電算法，借此可以長時間保持工作狀態(tài)。電池技術(shù)的進(jìn)步、電池容量的不斷增大、以及延長休眠時間的能力，這使得電池的工作壽命預(yù)期可以達(dá)到數(shù)年之久。
諸如藍(lán)牙和Zigbee這些技術(shù)，大多數(shù)移動設(shè)備都已經(jīng)具備了這些功能，因為節(jié)電算法是所有經(jīng)過Wi-Fi認(rèn)證的設(shè)備所需要的特性，也包括滿足IEEE 802.15.4-2015標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 用于低速率無線個人局域網(wǎng)的無線標(biāo)準(zhǔn)）的設(shè)備。
其概念很簡單，即如果沒有動作或者需要報告的事件，傳感器就會進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果有事件發(fā)生或到了預(yù)先設(shè)定的時間，傳感器會醒來、評估當(dāng)時的狀況、匯報其狀態(tài)、然后再進(jìn)入睡眠。這個周期也可以通過輪詢算法來啟動，輪詢算法依次處理每個傳感器。也可以調(diào)節(jié)工作周期來對傳感器進(jìn)行開關(guān)操作，有效地將電耗降低一半。關(guān)鍵的一點是這些傳感器從設(shè)計之初就是要作為低耗電節(jié)點來工作的。
尺寸更小
新一代無線傳感器最顯著的特征之一是它們的尺寸小。人們采用可以召喚出獨特形象的名字來稱呼這些傳感器：“智能塵�！�、“現(xiàn)貨商業(yè)微塵”、或者簡單的稱之為“微塵”。它們的尺寸小到納米級，大到肉眼可見。
小到納米級的是生物學(xué)傳感器或小的無源傳感器，可以做到嵌入式和非嵌入式；肉眼可見指的是更大一些的傳感器，例如征收過路費的標(biāo)簽、門禁卡、以及類似的傳感器。其想法是部署一套由具備多種不同計算能力的小型的、耗電低的、低速率的分布式傳感器組成的基礎(chǔ)設(shè)施，最后形成更大的、分辨率更高的、近乎有機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。
更加智能
智能型傳感器/節(jié)點以協(xié)同作業(yè)方式，透過網(wǎng)絡(luò)上多種可用的路徑，將數(shù)據(jù)傳遞至其他智能型傳感器，再視情況導(dǎo)向由人工檢視信息的主要位置、采取進(jìn)一步處理與儲存行動或采取相應(yīng)行動。若將節(jié)點間所有可用路徑以圖像顯示，多重通訊路徑的冗余路徑看起來會像一片網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
傳感器之所以能夠達(dá)到省電效益是因為成本降低、整合度提升、具備更精良的電源管理能力以及采用了更先進(jìn)的算法。除此之外，能量整合功能也使用電達(dá)到近零耗能（Net-Zero）境界，而降低電池用量的智能型運轉(zhuǎn)方式則帶來此一新興技術(shù)獨具的解決方案。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）
傳感器網(wǎng)絡(luò)是由本地傳感器、通信媒介以及中央通用數(shù)據(jù)處理設(shè)施一起組成的。隨著傳感器、計算機(jī)、無線通信及微機(jī)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)建立在這個概念之上，只是允許傳感器從所綁定的媒介上解放出來。這樣的做法給傳感器的安裝定位方面提供了很大的自由度和靈活度，并賦予網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控功能進(jìn)行精細(xì)調(diào)整的能力。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分散在實體空間內(nèi)的數(shù)千個微型自主傳感器（或節(jié)點）所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器采用高效方式鏈接，透過射頻（RF）波進(jìn)行點對點通訊，藉由射頻波監(jiān)控并通報本機(jī)狀態(tài)或狀況，如溫度、震動、壓力、污染物、動作等。這些智能型傳感器可自動管理制程，除非發(fā)生無法透過智能節(jié)點或從遠(yuǎn)程啟動人為命令修正的制程故障，否則一般不需要人為介入操作。
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(jì)最具影響的技術(shù)之一。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快也進(jìn)入工業(yè)自動化和工業(yè)測控領(lǐng)域，大多數(shù)工業(yè)儀表和自動化產(chǎn)品都將很快嵌入無線傳輸功能，完成從有線到無線過渡。
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)的主要特性包括：
· 可輕松重新放置節(jié)點
· 可自動處理節(jié)點故障
· 節(jié)點的功能與行為相似
· 可輕易完成擴(kuò)充，成為含有數(shù)千節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò)
· 由于不需要纜線而且電源維護(hù)需求低或者甚至不需維護(hù)，適用于嚴(yán)峻的環(huán)境條件
· 易于使用，只要放置并啟動即可新增節(jié)點（不需或減少組態(tài)設(shè)定需求）
· 低耗電量
· 對于使用電池或能源采集的節(jié)點而言也相當(dāng)省電
預(yù)估在未來五年，工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器安裝點將達(dá)到2400萬，爆發(fā)5.53倍的成長。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速成長受益于其可靠度符合大多數(shù)工業(yè)級應(yīng)用的需求，工業(yè)系統(tǒng)專用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)問世，以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的效益逐漸受到重視與了解。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)中的應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)用途正不斷延伸擴(kuò)大，包括機(jī)器健全度（如震動分析）、制造、條件式維護(hù)、自動化計量、遠(yuǎn)程監(jiān)控、庫存管理、載具與人員管理以及其他運作管理層面。設(shè)備需進(jìn)行維護(hù)時，可透過傳感器輸入執(zhí)行。相較于過去不管設(shè)備是否需要，一律定期維護(hù)的作法，及早于必要時執(zhí)行維護(hù)，可延長設(shè)備的使用壽命并減少浪費（更具環(huán)保效益），這又稱為“條件式維護(hù)”。
不需布線即可新增遠(yuǎn)程傳感器（通常配備若干本機(jī)決策制定功能），節(jié)省人力、材料，同時由于智能型手機(jī)是相當(dāng)理想的人工操作員/維護(hù)接口，可隨時隨地提供更精準(zhǔn)的監(jiān)控與修正，因此制程效率及質(zhì)量可獲得提升。作業(yè)員不需要四處奔忙取得遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)或在危險或不易操作的地點更換電池，因此可提高生產(chǎn)力。
比起有線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝更迅速，如需重新安置，過程也更簡單。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備極高的擴(kuò)充彈性與鏈接可靠性，若搭配能量整合裝置設(shè)置，還可提供實時功能與獨立能源運作。
即使有一大區(qū)段網(wǎng)絡(luò)故障，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點也不受影響，也因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備自行修復(fù)功能。若移除某一節(jié)點，其他節(jié)點會使用其他鄰近節(jié)點繼續(xù)傳輸信息。若新增節(jié)點，則該節(jié)點便會開始發(fā)送并傳遞封包，好像原本便存在一般。
有了無處不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)的每個方面都能被監(jiān)控到，例如，可以使得一座建筑對其結(jié)構(gòu)上的弱點進(jìn)行報告，或者在一套處理工藝中定位異常點，而這些異常點會被固定安裝的傳統(tǒng)傳感器忽視掉。
工業(yè)用無線網(wǎng)絡(luò)要求近乎實時的反應(yīng)，而且其延遲等級的接受度不若VoIP高。若為有線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場裝置，只能夠接受10毫秒的以太網(wǎng)絡(luò)等待時間。
若顧及通訊協(xié)議，工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可搭配決定型效能（determinisTIc performance）運作。決定型系統(tǒng)（determinisTIc system ）是產(chǎn)生在系統(tǒng)未來狀態(tài)不考慮隨機(jī)因素時的系統(tǒng)。這意味著反應(yīng)時間是可預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)等待時間、容錯以及聯(lián)機(jī)式拓?fù)浣钥深A(yù)測。決定很多時候取決于有線或無線通信協(xié)議中所使用的路由算法效率。這就是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實作及冗余最有利之處，因為高度可靠性與低復(fù)雜性是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的常見需求。
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