從連接的家庭和智能可穿戴設(shè)備到工業(yè)4.0和智能城市應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）幾乎遍布所有可能的應(yīng)用。它們借助不斷發(fā)展的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，通過遙控執(zhí)行器和監(jiān)視/跟蹤環(huán)境將自動化帶到簡單的手動任務(wù)中。這些相對簡單，受能源限制的設(shè)備在數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析中顯示出巨大的潛力，可以更好地評估人，機(jī)器甚至工廠系統(tǒng)，更多信息盡在振工鏈。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中，可以利用短距離無線解決方案，蜂窩和低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）來支持各種傳感器節(jié)點(diǎn)。工業(yè)通信的選擇取決于該過程對實(shí)時數(shù)據(jù)的需求是時間緊迫的，還是對于頻繁或不頻繁的傳輸來說是非時間緊迫的。取決于手頭的工業(yè)應(yīng)用，存在許多IIoT用例，其中可以使用許多傳感器技術(shù)和/或通信協(xié)議

過程監(jiān)控

過程監(jiān)視可能是工業(yè)WSN（IWSN）的最大應(yīng)用，因為它需要在遠(yuǎn)距離上放置和跟蹤成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)。這種跟蹤行業(yè)運(yùn)營的集中式方法可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)策略，從而有計劃地將工廠的停機(jī)時間降至最低，并節(jié)省運(yùn)營開銷。

機(jī)器健康用例和常見傳感器類型

超專業(yè)設(shè)備在整個IIoT上得到了利用，因為監(jiān)視常見故障對于維持機(jī)器設(shè)備的最佳性能至關(guān)重要。例如，雖然高端計算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)可以大規(guī)模進(jìn)行精密加工，但它可能會遇到主軸不平衡的常見故障。

如果發(fā)生此類故障，主軸系統(tǒng)中的質(zhì)量不平衡會導(dǎo)致機(jī)床振動，從而最終導(dǎo)致機(jī)床精度下降，如果不予修理，則有可能導(dǎo)致進(jìn)一步的機(jī)床損壞。1通常，對主軸內(nèi)的軸承進(jìn)行振動分析，因為它們允許軸在旋轉(zhuǎn)發(fā)生時保持在原位，因此，這些組件的振動很明顯。

加速度計能夠通過收集振動數(shù)據(jù)來監(jiān)視和檢測此類機(jī)床故障。超聲波和聲發(fā)射傳感器可以通過識別由金屬降解引起的超聲聲發(fā)射，在任何明顯的振動發(fā)生之前檢測主軸軸承內(nèi)的損壞。有了標(biāo)稱熱運(yùn)行知識，溫度傳感器還可以記錄機(jī)器內(nèi)各種關(guān)鍵組件的溫度異常。感應(yīng)電流傳感器也將檢測電動機(jī)消耗的電流變化，并且類似地檢測異常。

這些相同的原理可以應(yīng)用于包括大型電動機(jī)的任何大型機(jī)器。例如，起重機(jī)通常用于制造設(shè)施中，以將大型重型設(shè)備從客車運(yùn)送到飛機(jī)上。皮帶和皮帶輪上有皮帶輪和電動機(jī)，這些皮帶在煤礦，食品加工和化學(xué)隔離等廣泛的應(yīng)用中得到利用。加速度計，溫度傳感器和感應(yīng)電流傳感器對于此類機(jī)器的充分監(jiān)控很有用。

資產(chǎn)監(jiān)控用例和常見傳感器類型

石油和天然氣制造商監(jiān)控遠(yuǎn)距離管道等資產(chǎn)。在此應(yīng)用中，不惜一切代價避免泄漏和破裂，以防止?jié)撛诘纳鼡p失和對環(huán)境的破壞。管道具有幾種嚴(yán)重的故障模式，包括構(gòu)造/制造缺陷；安裝過程中的損壞；腐蝕; 以及諸如地震，滑坡和極端天氣相關(guān)事件之類的地球力量。

外部加速度計可以通過跟蹤流動引起的振動來監(jiān)視管道的流量。裂紋監(jiān)測可以通過超聲波檢測或橫向磁通泄漏來完成?？梢酝ㄟ^采用RFID和光纖等技術(shù)的多個傳感器來防止由于腐蝕引起的故障。地震傳感器可以為海上鉆井平臺提供地下地圖，從而提高鉆井效率。

在化學(xué)，食品和制藥加工設(shè)施中，混合罐可旋轉(zhuǎn)以精確值添加的化學(xué)藥品和成分。放置在這些水箱關(guān)鍵位置的傳感器可測量溫度，濕度，壓力，pH值和料位等參數(shù)，從而確保最佳的工廠操作程序，而幾乎不需要人工干預(yù)。

用于過程監(jiān)控的IoT協(xié)議因應(yīng)用程序而異。下表1列出了一些常用的IoT協(xié)議及其一些關(guān)鍵參數(shù)。通常，WSN監(jiān)視設(shè)施內(nèi)的機(jī)器運(yùn)行狀況，與某些資產(chǎn)監(jiān)視應(yīng)用程序（例如跟蹤管道運(yùn)行狀況）相比，WSN包含在相對較小的區(qū)域內(nèi)。

在很少傳輸少量有效載荷的情況下，諸如LoRa，Sigfox和NB-IoT的LPWAN提供了低于千兆赫茲頻率的窄帶調(diào)制方案，這是兩種質(zhì)量，可增加信號范圍。LPWAN不僅以遠(yuǎn)距離傳輸而著稱，而且以超過10年的長電池壽命和一對多架構(gòu)而著稱，在該架構(gòu)中，數(shù)千個設(shè)備可以無線連接到網(wǎng)關(guān)（當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)可以以數(shù)以萬計，能量收集技術(shù)和電池壽命是至關(guān)重要的考慮因素。

但是，LPWAN協(xié)議通常與計劃外的傳輸異步。因此，它們很容易在高網(wǎng)絡(luò)容量下發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。對于要求確定性和可靠傳輸且誤碼率（BER）低的時間緊迫的IIoT應(yīng)用而言，這不是理想的選擇。諸如WirelessHART和ISA100.11a之類的行業(yè)特定無線網(wǎng)絡(luò)基于IEEE 802.15.4低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（LR-WPAN）。它們的最大范圍為200米，可提供高達(dá)250 Kb / s的吞吐率和10至100 ms的延遲，以在關(guān)鍵過程中提供更多實(shí)時通信。

健康和安全

使用相應(yīng)的智能警報裝置監(jiān)視環(huán)境狀況對于保護(hù)工業(yè)工人和保持平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。這通常涉及在特定風(fēng)險區(qū)域附近使用基于氣體/化學(xué)物質(zhì)的傳感器節(jié)點(diǎn)。

在石油和天然氣工業(yè)中，追蹤高度可燃的甲烷泄漏對于防止井口周圍的任何潛在爆炸至關(guān)重要。疏水閥利用各種制造設(shè)備來過濾空氣中的冷凝物，而不會讓蒸汽逸出。有故障的疏水閥將無法從蒸汽中除去水滴，導(dǎo)致水積聚并破壞蒸汽管路，從而導(dǎo)致昂貴的停機(jī)時間和安全隱患。

聲學(xué)傳感器和溫度傳感器已用于監(jiān)視這些關(guān)鍵組件的行為，以防止任何代價高昂的故障。地下礦山因危險的安全條件而臭名昭著。積極監(jiān)控一氧化碳，甲烷和氣流等環(huán)境參數(shù)，以確保安全的工作環(huán)境。

對于這些應(yīng)用程序而言，可靠的確定性協(xié)議是必需的，通常需要在設(shè)施內(nèi)進(jìn)行WirelessHART或ISA100.11a通信。盡管這些協(xié)議可能比諸如藍(lán)牙低功耗（BLE）或LPWAN之類的其他WSN技術(shù)在傳感器節(jié)點(diǎn)上消耗更多功率，但對數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時分析和控制的能力對于確保采取適當(dāng)?shù)陌踩胧┲陵P(guān)重要。

WirelessHART和ISA100.11a都是專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的。WirelessHART是現(xiàn)有HART技術(shù)的無線替代產(chǎn)品，ISA100.11a由國際自動化協(xié)會（ISA）開發(fā)，以支持工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)使用的多種協(xié)議，包括HART，Modbus，F(xiàn)oundation Fieldbus和ProfiBus。這兩個網(wǎng)絡(luò)都支持星形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并具有從主機(jī)到傳感器節(jié)點(diǎn)的雙向通信。

使用RTLS進(jìn)行資產(chǎn)跟蹤

與依靠GPS且通常產(chǎn)生約10 m的精度的室外跟蹤系統(tǒng)相比，諸如實(shí)時定位系統(tǒng)（RTLS）之類的室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）可以在不考慮衛(wèi)星信號穿透工廠的情況下實(shí)現(xiàn)同等或更低的精度墻壁。下面的表2列出了一些更常用的RTLS。

此類IPS可以應(yīng)用于工廠車間，以主動跟蹤諸如叉車之類的移動室內(nèi)設(shè)備，并主動跟蹤設(shè)施內(nèi)運(yùn)輸中的庫存。室外環(huán)境（例如卡車場）可以通過分配碼頭和跟蹤貨物的裝卸來利用RTLS監(jiān)視和管理卡車的移動。

根據(jù)所使用的無線協(xié)議，室內(nèi)定位系統(tǒng)將采用三邊測量或指紋定位方法。三邊測量使用估計的距離來計算對象的最可能坐標(biāo)。指紋識別方法將當(dāng)前信號特征與從指紋位置獲得的先前分類的信號特征集進(jìn)行比較，通常在技術(shù)上會涉及到實(shí)現(xiàn)。然后，可以通過將在線測量結(jié)果與“指紋”進(jìn)行比較來獲得傳感器的運(yùn)動。為簡便起見，本節(jié)將介紹兩種流行的RTLS協(xié)議：藍(lán)牙和超寬帶（UWB）。

利用UWB系統(tǒng)進(jìn)行RTLS

超寬帶（UWB）技術(shù)本質(zhì)上會發(fā)送持續(xù)時間極短的能量脈沖

對于RTLS應(yīng)用，UWB調(diào)制中的短脈沖允許精確的延遲估計，最終產(chǎn)生位置/位置數(shù)據(jù)。通常，UWB技術(shù)利用由標(biāo)簽生成的到達(dá)時間（ToA）和到達(dá)時間差（TDoA）信息，這些標(biāo)簽發(fā)出低功率UWB脈沖，并由傳感器或UWB讀取器接收。這些脈沖用于確定具有厘米精度的標(biāo)簽的精確3D位置。但是，網(wǎng)絡(luò)中的UWB閱讀器之間需要精確的時間同步，才能成功獲取位置數(shù)據(jù)。

UWB頻率的頻率分配介于3.1和10.6 GHz之間。通常，由于這些天線的全向輻射方向圖以及在較大頻率帶寬上產(chǎn)生穩(wěn)定的輸入阻抗的能力，因此在這些應(yīng)用中使用了平面單極天線。由于它們在X波段上的性能以及走線尺寸在較高頻率下會變小的事實(shí)，這些天線提供了一種小尺寸的解決方案，可以將其打印在固定發(fā)送器/接收器的同一PCB上。

藍(lán)牙信標(biāo)

BLE模塊雖然已經(jīng)是一個多產(chǎn)的短程協(xié)議，但它通過傳遞藍(lán)牙信標(biāo)來傳播本地化內(nèi)容，從而在RTLS應(yīng)用中得到了利用。這些信標(biāo)可以通過以預(yù)定的時間間隔（》 100 ms）廣播帶有數(shù)據(jù)包的低能耗信號來充當(dāng)接近傳感器。

通過接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI）讀數(shù)計算距離，最終根據(jù)接收信號的強(qiáng)度與RF信號在空間中傳播之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷節(jié)點(diǎn)之間的距離。6這將創(chuàng)建一個實(shí)時庫存清單，該清單配備了具有唯一ID和BLE標(biāo)簽以及主動更新位置數(shù)據(jù)的清單。由于大多數(shù)智能設(shè)備都支持藍(lán)牙（例如，智能手機(jī)，平板電腦，筆記本電腦），因此可以潛在地消除對自定義硬件的需求，從而節(jié)省大量成本。

雖然BLE確實(shí)支持雙向通信的網(wǎng)狀拓?fù)?，但BLE信標(biāo)通常支持單向通信，因此僅限于星形拓?fù)?。在這樣的配置中，信標(biāo)通常會通過蜂窩或Wi-Fi連接到啟用藍(lán)牙的設(shè)備/路由器，并將信息中繼到云。

如前所述，這些信標(biāo)中的許多都可以包含具有千兆赫茲以下遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)的多協(xié)議SoC，以通過智能照明或HVAC控制來控制/監(jiān)視工廠環(huán)境。廣告包的大窗口可以使千兆赫茲無線電處于接收狀態(tài)，從而從設(shè)施內(nèi)的遠(yuǎn)處獲取非頻繁且不可預(yù)測的信息包。

通常，BLE信標(biāo)設(shè)計將包括2.4 GHz PCB天線和特定于供應(yīng)商的藍(lán)牙芯片。在某些情況下，藍(lán)牙芯片將具有集成的芯片天線。如果該板采用了千兆赫茲以下的頻率協(xié)議，那么PCB天線將因為太大而無法生存。

如前所述，BLE通常使用三邊測量（RSSI）來確定位置區(qū)域。在這種情況下，由于天線在工廠車間的360度覆蓋范圍，因此全向輻射方向圖通常是合適的，只要天線與發(fā)射器的阻抗相匹配即可獲得最大的信號傳輸和范圍。但是，可以實(shí)現(xiàn)TDoA算法，從單個信標(biāo)信號計算兩個角度，或者從兩個信標(biāo)信號計算三個角度。在這種情況下，可以使用配備有更復(fù)雜的天線陣列的BLE信標(biāo)的復(fù)雜映射和放置來潛在地創(chuàng)建3D地圖。

車隊管理

工業(yè)車隊的管理可能會因乘用車，拖拉機(jī)拖車，鐵路，飛機(jī)，輪船和重型設(shè)備而異。僅卡車就占美國運(yùn)輸貨物的70％，因此對跟蹤物流（例如維修，更換和定期維護(hù)）尤為重要，以防止車隊運(yùn)營不善。通常，蜂窩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)用于超越工廠范圍邊界的應(yīng)用。但是，對于局部設(shè)備（例如礦井中的重型設(shè)備操作），可以考慮使用LPWAN。

車隊遠(yuǎn)程信息處理可以與2G，3G和4G基礎(chǔ)設(shè)施或特定于IoT的蜂窩替代品（例如NB-IoT或LTE-M1）進(jìn)行通信。傳感器節(jié)點(diǎn)可以包括GPS模塊，陀螺儀，液位傳感器和加速度計。在GPS提供位置數(shù)據(jù)的地方，加速度計提供車輛的方向，而液位傳感器則實(shí)時測量燃料。更復(fù)雜的系統(tǒng)也用于車隊管理。自2008年以來，無人駕駛采礦卡車一直在運(yùn)行，該卡車配備了200多個傳感器，GPS接收器和雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)。

摘要

一系列傳感器和通信協(xié)議可以根據(jù)所需的可靠性，延遲和靈活性級別為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。過程監(jiān)視以及健康和安全應(yīng)用程序通常需要與基于IEEE 802.15.4的協(xié)議（例如ISA100.11a，WirelessHART）進(jìn)行實(shí)時通信，而某些資產(chǎn)監(jiān)視應(yīng)用程序可以從LPWAN應(yīng)用程序提供的遠(yuǎn)程服務(wù)中受益。

室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用程序具有特定的本地化系統(tǒng)，并具有基于ToA或RSSI的算法，以提高準(zhǔn)確性。另一方面，車隊管理系統(tǒng)可以依靠GPS來獲取位置數(shù)據(jù)，但必須通過任一蜂窩回程將所有傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊悬c(diǎn)。如果車隊位于有限的地理位置，他們甚至可以從LPWAN中受益，更多信息盡在振工鏈。