工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的規(guī)模預(yù)計(jì)在未來(lái)五年將增加553%!傳感器安裝節(jié)點(diǎn)將近2400萬(wàn)。最近，無(wú)線通信、功耗、極端微型化（驅(qū)動(dòng)力之一是MEMS傳感器）以及嵌入式計(jì)算方面的發(fā)展，促成了面向苛刻工業(yè)環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起。這一增長(zhǎng)的其它原因還包括，WSN目前在多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)定性已經(jīng)可以接受，出現(xiàn)了專用于工業(yè)系統(tǒng)的WSN標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)WSN優(yōu)點(diǎn)的認(rèn)知以及學(xué)習(xí)也在持續(xù)提升。目前看來(lái)，工業(yè)領(lǐng)域中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)達(dá)到一個(gè)引爆點(diǎn)。WSN正在催生新的用途、解決方案以及應(yīng)用案例，為多數(shù)行業(yè)帶來(lái)巨大效益，并從根本上改變行業(yè)的運(yùn)作模式。這一切的關(guān)鍵是目前集成芯片解決方案的市場(chǎng)價(jià)格已經(jīng)達(dá)到一個(gè)可接受水平。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由物理分布于同一個(gè)空間內(nèi)的數(shù)千個(gè)微型自治傳感器（或節(jié)點(diǎn)）組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器有效地連接在一起，通過(guò)無(wú)線射頻來(lái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，以監(jiān)視和傳輸本地節(jié)點(diǎn)的狀況，比如溫度、振動(dòng)、壓力、污染物、運(yùn)動(dòng)等（見圖1。）除非過(guò)程中發(fā)生的故障不能被智能節(jié)點(diǎn)預(yù)定動(dòng)作或者人為遠(yuǎn)程啟動(dòng)命令所校正，這些智能傳感器能自動(dòng)監(jiān)控并且無(wú)需人工干預(yù)。

智能傳感器/節(jié)點(diǎn)通過(guò)合作方式將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給其它智能傳感器時(shí)，可能存在多條路徑，從而可能出現(xiàn)這樣一個(gè)位置，它信息可以查看、進(jìn)一步處理或存儲(chǔ)或采取其它一些行動(dòng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的所有路徑都被畫出時(shí)，這些冗余通信路徑的外觀看似一個(gè)網(wǎng)格。每個(gè)傳感器或節(jié)點(diǎn)可能小如辣椒片，但卻包含一個(gè)處理器、很小的內(nèi)存（例如，片上RAM大約12Kb），較低數(shù)據(jù)傳輸速率（40 Kb/s），有效傳輸范圍較?。ù蠖鄶?shù)小于100米），不過(guò)能耗也很低。通過(guò)更低成本、更高集成度、更精確的電源管理以及智能算法可以進(jìn)一步降低能耗。此外，采用能量收集技術(shù)可以削減功耗預(yù)算，這種新興技術(shù)也催生了無(wú)電池智能運(yùn)行方案。

無(wú)線功能的好處多多。增加遠(yuǎn)程傳感器（通常本地具備一定的決策能力）可以避免鋪設(shè)電纜或電線，從而節(jié)省人力、能源和材料成本，同時(shí)也改進(jìn)流程，可以在任意地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控和校正，可以使用智能手機(jī)進(jìn)行理想的人工操作。如果原始安裝地點(diǎn)難以到達(dá)或者較為危險(xiǎn)時(shí)，操作人員就無(wú)需前往目的地更換電池，而且遠(yuǎn)程就能獲得數(shù)據(jù)，這無(wú)疑大大地提升了生產(chǎn)效率。相對(duì)有線方案，WSN安裝更為快捷，也更容易重新布置。WSN擴(kuò)展性非常好，連接也非?？煽?，當(dāng)與能量收集設(shè)備一起使用時(shí)，可提供實(shí)時(shí)性操作而且無(wú)需額外能源。WSN已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用，如機(jī)器健康（例如振動(dòng)分析）、制造、基于狀況的維護(hù)、自動(dòng)抄表、遠(yuǎn)程監(jiān)控、庫(kù)存、車輛和人員的管理，還有許多其它方面的運(yùn)行管理。設(shè)備僅需在必要時(shí)才按每個(gè)處理器輸入節(jié)點(diǎn)為單位進(jìn)行維護(hù)。相比傳統(tǒng)固定周期的按例維護(hù)（可能導(dǎo)致過(guò)度維護(hù)），節(jié)點(diǎn)可以在需要時(shí)早一點(diǎn)維護(hù)，這種做法可以增加設(shè)備生命周期并減少浪費(fèi)。這也被稱為“基于狀態(tài)的維護(hù)”。

高效的無(wú)線通信

新技術(shù)的采用存在兩大挑戰(zhàn)：成本以及是否存在標(biāo)準(zhǔn)。在消費(fèi)市場(chǎng)上，藍(lán)光在與HD-DVD的競(jìng)爭(zhēng)中勝出，而這兩種格式早在10年前就已發(fā)布。標(biāo)準(zhǔn)之間的競(jìng)爭(zhēng)則呈相反態(tài)勢(shì)，工業(yè)WSN也是如此。專門針對(duì)工業(yè)用途的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，WirelessHART和ISA100-11都相對(duì)較新，它們中兩個(gè)最為關(guān)鍵的因素是可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與消費(fèi)者相關(guān)的無(wú)線協(xié)議差異巨大。這里的協(xié)議是指在通信信道傳輸信息時(shí)用于數(shù)據(jù)尋址、傳輸、錯(cuò)誤檢測(cè)以及鑒權(quán)的一套約定或規(guī)則。

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可能需要近實(shí)時(shí)處理，無(wú)法容忍VoIP中能接受的較高水平延遲。對(duì)于有線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，僅接受10ms及以下的以太網(wǎng)延遲。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求也類似。無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要特征是冗余節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)分組交換功能帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)；這也是網(wǎng)絡(luò)原型ARPANET魯棒性頗佳的原因。即便出現(xiàn)大塊網(wǎng)絡(luò)故障，網(wǎng)絡(luò)中的大部分剩余節(jié)點(diǎn)依然不受影響。另一個(gè)WSN優(yōu)勢(shì)是：它們具備自愈性。如果刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，周圍節(jié)點(diǎn)僅需轉(zhuǎn)向其它相鄰節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞信息。如果加入一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，它可以完美融入系統(tǒng)，開始發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

工業(yè)WSN如果嚴(yán)格遵守協(xié)議，其功能將表現(xiàn)出確定性。這樣的確定性系統(tǒng)，生成的未來(lái)系統(tǒng)狀態(tài)并不隨機(jī)。這也意味著，響應(yīng)時(shí)間完全可預(yù)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)延遲、容錯(cuò)性和基于連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也都可預(yù)測(cè)。確定性主要取決于有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由算法中所使用協(xié)議的效率。這也是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)助力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)和冗余的最大所在，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)看重高可靠性和低復(fù)雜度。

圖1

網(wǎng)絡(luò)安全性也是工業(yè)控制系統(tǒng)的關(guān)注重點(diǎn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的匿名性無(wú)法完全保證它避開黑客的侵襲，而且這個(gè)問(wèn)題日益嚴(yán)重。加密技術(shù)也可用于工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以緩解該問(wèn)題。

貿(mào)澤電子也供應(yīng)多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。能量自立式WSN的最好示例是Powercast公司的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，具有RF能量收集模塊，協(xié)助傳感器來(lái)傳輸實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的溫度和濕度值，在802.15.4硬件上實(shí)現(xiàn)一系列相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化供應(yīng)商提供WSN專有方案來(lái)解決未曾解決的難題或者替代現(xiàn)有高價(jià)方案。專有方案并不公開，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，就像一個(gè)“黑盒子”。這種行為阻礙了創(chuàng)新的有機(jī)發(fā)展，因?yàn)閷Ｓ袇f(xié)議研究與開發(fā)工具很封閉，只有供應(yīng)商才具備訪問(wèn)權(quán)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征包括：

節(jié)點(diǎn)易于重新分配

能夠自動(dòng)處理節(jié)點(diǎn)故障

各節(jié)點(diǎn)功能和行為相似

易于擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可增至數(shù)千節(jié)點(diǎn)

適用于沒(méi)有電纜、電力能源較少甚至稀缺的極端惡劣環(huán)境條件

易于使用；增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，安放后即可激活使用（沒(méi)有或者只有少量配置要求）

低功耗

使用電池或能量采集時(shí)節(jié)點(diǎn)功耗很低

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用協(xié)議一覽表

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)會(huì)如何？可能會(huì)像“環(huán)境智能”概念中所述，無(wú)線計(jì)算將普遍存在，物理空間中會(huì)嵌入各種傳感器節(jié)點(diǎn)，按照周圍環(huán)境要求通過(guò)WSN即時(shí)實(shí)現(xiàn)控制目的。無(wú)線技術(shù)在最近一段時(shí)間仍將持續(xù)發(fā)展。相對(duì)于目前的802.11n Wi-Fi，IEEE 802.11ac新標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)傳輸率提升三到四倍，高達(dá)1.3 Gbps。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也將繼續(xù)提升。隨著無(wú)線傳輸允許我們做到更多之前無(wú)法完成的事情，或者創(chuàng)建出我們之前未知的新功能需求，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的模式也在不斷轉(zhuǎn)變。