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- 無線傳感器網(wǎng)絡：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，嚴重依賴老工人的經(jīng)驗判斷，而且傳承周期很長。因此可以預測，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)絡互聯(lián)為基礎，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驅動型的新工業(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，通過建設以IP技術為基礎的網(wǎng)絡連接體系，實現(xiàn)工廠IT網(wǎng)絡與OT網(wǎng)絡的連接，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，實現(xiàn)產(chǎn)品、設備、原材料、產(chǎn)業(yè)鏈等詳細數(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。
· 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0，通過人工智能、邊緣計算技術，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，要確保物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運行，離不開眾多感知技術的加持，其中最為關鍵的技術之一便是傳感器。傳感器是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎和核心，是自動化智能設備的關鍵部件，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，將給傳感器企業(yè)帶來巨大的機會。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一方面給傳感器企業(yè)帶來了機會，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)絡化、集成化、智能化。
傳感器網(wǎng)絡的發(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）。
人們設想未來的傳感器網(wǎng)絡會通過大型網(wǎng)狀架構來進行通訊，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，最終到達的目的地是聚合器，不相關的數(shù)據(jù)會在此聚合器內(nèi)部進行處理。傳感器會以龐大的數(shù)量部署在高密度的網(wǎng)絡上。它們會利用短距離的、耗電低的節(jié)點之間的無線鏈接進行互相聯(lián)網(wǎng)，而現(xiàn)有的通訊基礎設施，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)。電池技術的進步、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期可以達到數(shù)年之久。
諸如藍牙和Zigbee這些技術，大多數(shù)移動設備都已經(jīng)具備了這些功能，因為節(jié)電算法是所有經(jīng)過Wi-Fi認證的設備所需要的特性，也包括滿足IEEE 802.15.4-2015標準（IEEE 用于低速率無線個人局域網(wǎng)的無線標準）的設備。
其概念很簡單，即如果沒有動作或者需要報告的事件，傳感器就會進入睡眠狀態(tài)。如果有事件發(fā)生或到了預先設定的時間，傳感器會醒來、評估當時的狀況、匯報其狀態(tài)、然后再進入睡眠。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。也可以調節(jié)工作周期來對傳感器進行開關操作，有效地將電耗降低一半。關鍵的一點是這些傳感器從設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�！薄ⅰ艾F(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設施，最后形成更大的、分辨率更高的、近乎有機的網(wǎng)絡。
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，再視情況導向由人工檢視信息的主要位置、采取進一步處理與儲存行動或采取相應行動。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)狀結構。
傳感器之所以能夠達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的算法。除此之外，能量整合功能也使用電達到近零耗能（Net-Zero）境界，而降低電池用量的智能型運轉方式則帶來此一新興技術獨具的解決方案。
無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）
傳感器網(wǎng)絡是由本地傳感器、通信媒介以及中央通用數(shù)據(jù)處理設施一起組成的。隨著傳感器、計算機、無線通信及微機電等技術的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(WSN, wireless sensor networks)。
無線傳感器網(wǎng)絡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)絡對監(jiān)控功能進行精細調整的能力。
無線傳感器網(wǎng)絡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。這些傳感器采用高效方式鏈接，透過射頻（RF）波進行點對點通訊，藉由射頻波監(jiān)控并通報本機狀態(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)絡的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關注，被稱為二十一世紀最具影響的技術之一。而無線傳感器網(wǎng)絡技術很快也進入工業(yè)自動化和工業(yè)測控領域，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
· 可輕易完成擴充，成為含有數(shù)千節(jié)點的大型網(wǎng)絡
· 由于不需要纜線而且電源維護需求低或者甚至不需維護，適用于嚴峻的環(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)點而言也相當省電
預估在未來五年，工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器安裝點將達到2400萬，爆發(fā)5.53倍的成長。無線傳感器網(wǎng)絡的快速成長受益于其可靠度符合大多數(shù)工業(yè)級應用的需求，工業(yè)系統(tǒng)專用的無線傳感器網(wǎng)絡標準問世，以及無線傳感器網(wǎng)絡的效益逐漸受到重視與了解。
無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)中的應用
無線傳感器網(wǎng)絡的工業(yè)用途正不斷延伸擴大，包括機器健全度（如震動分析）、制造、條件式維護、自動化計量、遠程監(jiān)控、庫存管理、載具與人員管理以及其他運作管理層面。設備需進行維護時，可透過傳感器輸入執(zhí)行。相較于過去不管設備是否需要，一律定期維護的作法，及早于必要時執(zhí)行維護，可延長設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”。
不需布線即可新增遠程傳感器（通常配備若干本機決策制定功能），節(jié)省人力、材料，同時由于智能型手機是相當理想的人工操作員/維護接口，可隨時隨地提供更精準的監(jiān)控與修正，因此制程效率及質量可獲得提升。作業(yè)員不需要四處奔忙取得遠程數(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，無線傳感器網(wǎng)絡的安裝更迅速，如需重新安置，過程也更簡單。無線傳感器網(wǎng)絡具備極高的擴充彈性與鏈接可靠性，若搭配能量整合裝置設置，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)絡故障，網(wǎng)絡上的其他節(jié)點也不受影響，也因此無線傳感器網(wǎng)絡具備自行修復功能。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，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構上的弱點進行報告，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)絡要求近乎實時的反應，而且其延遲等級的接受度不若VoIP高。若為有線網(wǎng)絡的現(xiàn)場裝置，只能夠接受10毫秒的以太網(wǎng)絡等待時間。
若顧及通訊協(xié)議，工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡可搭配決定型效能（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)不考慮隨機因素時的系統(tǒng)。這意味著反應時間是可預測的網(wǎng)絡等待時間、容錯以及聯(lián)機式拓撲皆可預測。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)標準對無線傳感器網(wǎng)絡實作及冗余最有利之處，因為高度可靠性與低復雜性是工業(yè)網(wǎng)絡的常見需求。
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