隨著工業(yè)應(yīng)用中無線傳感器通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠和車間過程自動(dòng)化得以徹底革新。這些技術(shù)創(chuàng)新可以幫助自動(dòng)化工程師將傳統(tǒng)制造技術(shù)與新的現(xiàn)代無線通信功能有機(jī)融合在一起。

　　對于許多工業(yè)應(yīng)用來說，不管從長期還是短期看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本通常都要比有線解決方案低很多，因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)更容易查錯(cuò)、維護(hù)和修復(fù)。與遍布長達(dá)數(shù)英里且通常是埋設(shè)走線的有線工作場地相比，捕捉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的缺陷或故障要容易得多。無線也更加靈活，能夠更容易和更快捷地重配置網(wǎng)絡(luò)，從而滿足為適應(yīng)更新產(chǎn)品類型和型號而不斷變化的工廠需求。 　　

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還能通過3G和4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳輸視頻流，而且這些網(wǎng)絡(luò)更快的數(shù)據(jù)傳輸對于要求晝夜監(jiān)視和監(jiān)控的重要工業(yè)場合來說也非常有價(jià)值。煤氣管道、視頻安全系統(tǒng)、發(fā)電站、供水系統(tǒng)以及許多其它重要裝置都要求對故障、篡改事件和意外事故立即作出響應(yīng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為公司節(jié)省因環(huán)境破壞受到的數(shù)百萬美元罰金，更不用說對環(huán)境破壞的即時(shí)控制了。 　

　　不過，在工業(yè)裝置中使用無線通信網(wǎng)絡(luò)也有需要注意的地方�，F(xiàn)在智能手機(jī)和平板電腦等人機(jī)界面設(shè)備已經(jīng)非常普及，如果不采取正確的安全措施，這些設(shè)備很可能對無線工業(yè)自動(dòng)化帶來潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。幸運(yùn)的是，許多現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥f(xié)議內(nèi)置了許多工具，可最大程度地減小安全漏洞。

　　功耗優(yōu)勢

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的好處遠(yuǎn)不止上述這些優(yōu)勢。例如，無線感測和聯(lián)網(wǎng)可以讓制造商使用低功耗電子設(shè)備，從而節(jié)省能源。隨著通信協(xié)議以及為它們提供支持的傳感器與收發(fā)器的不斷進(jìn)步，制造商可以專注于實(shí)現(xiàn)可能最低的功耗。 　

　　能量采集技術(shù)利用現(xiàn)代IC功能可以節(jié)省更多的能源。一些傳感器、微控制器、電源管理器件和收發(fā)器可以利用從很少的熱量、少量機(jī)械運(yùn)動(dòng)或者室內(nèi)照明等產(chǎn)生的能量工作，而這些能源在工廠中幾乎無處不在(圖1)。這些技術(shù)可以最大程度地減少(如果不能消除的話)電池的使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更低的能耗水平。熱電發(fā)電機(jī)(TEG)、太陽能設(shè)備、機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器和能量存儲超級電容如今都已經(jīng)非常成熟。

　　圖1：在典型的能量采集系統(tǒng)中，能量產(chǎn)生于運(yùn)動(dòng)、熱源、光電資源或磁場活動(dòng)。這種能量可以被捕獲、存儲、管理并饋送給傳感器進(jìn)行傳輸。

　　“人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用電池供電總是津津樂道甚至有些得意�！绷枇�爾特公司(Linear)產(chǎn)品營銷總監(jiān)Tony Armstrong表示，“但與此同時(shí)他們越來越多地關(guān)注電池的壽命，也更關(guān)心能量采集技術(shù)以最大限度地降低電池能耗。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，更重要的是要有足夠的能量來完成所需的任務(wù)。下面讓我們順著這條思路看看2009年時(shí)的情況�！�

　　在工業(yè)中的應(yīng)用 　

　　美國節(jié)能經(jīng)濟(jì)委員會(ACEEE)一直在呼吁更好地使用先進(jìn)的通信技術(shù)。正如在該委員會提交的題為“用于實(shí)現(xiàn)智能效率的確定性框架”的E125報(bào)告中指出的那樣，如果工業(yè)領(lǐng)域和住戶能更好地利用目前可用的現(xiàn)代通信技術(shù)(如無線網(wǎng)絡(luò))的優(yōu)勢，他們可以將系統(tǒng)效率
再提高約12%至22%，從而在節(jié)能和提高生產(chǎn)率方面實(shí)現(xiàn)數(shù)百甚至數(shù)千億美元的效益。

　　HART通信基金會透露，目前在全球主要制造場所安裝有8000多個(gè)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)。據(jù)該組織報(bào)道，有成千上萬的設(shè)備工作于許多加工應(yīng)用中，包括旋轉(zhuǎn)式設(shè)備、管道監(jiān)視、存儲系統(tǒng)、自動(dòng)化廠房和材料處理設(shè)施。拜耳(Bayer)、BASF、BP、Celanese、ConocoPhilips、Evonik、Pemex、Shell和Statoil等大型公司已在全球許多加工制造場所開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)和各自的儀器。 　

　　WirelessHART借鑒了許多經(jīng)過驗(yàn)證的國際標(biāo)準(zhǔn)，包括HART通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(IEC6158)、EDDL(IEC61804-3)和IEEE802.15.4。這個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)是2007年被采用的，大部分工作由加州大學(xué)伯克利分校的Kris Pister完成，并于1997年與HART協(xié)議一起由他的公司Dust Networks實(shí)現(xiàn)了商用化。Dust Networks隨后被凌力爾特公司收購。作為Pister的工作成果，術(shù)語“塵埃(mote)”得到了Dust Networks公司的廣泛宣傳。 　

　　WirelessHART是一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)通信協(xié)議，廣泛用于過程自動(dòng)化應(yīng)用。它在HART協(xié)議中增加了無線功能，同時(shí)保持了與現(xiàn)有HART設(shè)備、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三個(gè)主要部分，即無線現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)管理器(圖2)。

　　圖2：用于過程自動(dòng)化應(yīng)用的WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在HART協(xié)議中增加了無線功能，同時(shí)保持了與現(xiàn)有HART設(shè)備、通信和工具的兼容。它包含三個(gè)主要部分，即無線現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)管理器�！�

　　“在石油天然氣、化學(xué)、葡萄酒廠、啤酒廠等行業(yè)中，我們已經(jīng)從理論上設(shè)立了工業(yè)過程自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)，可用于跟蹤液平面、流動(dòng)速度、機(jī)器振動(dòng)、壓力、溫度等�！盤ister指出，“我們業(yè)已證實(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要比有線網(wǎng)絡(luò)更加可靠，而且成本更低。我們的強(qiáng)項(xiàng)在于確保通信協(xié)議的可靠性，并只需消耗很低的功耗�！�

　　HART協(xié)議成功的關(guān)鍵是時(shí)間同步網(wǎng)格協(xié)議(TSMP)。HART的5個(gè)關(guān)鍵部分是時(shí)間同步的通信、跳頻、自動(dòng)節(jié)點(diǎn)聯(lián)接與網(wǎng)絡(luò)組建、完全冗余的網(wǎng)格路由以及安全的消息傳送。TSMP網(wǎng)絡(luò)也可以實(shí)現(xiàn)自組。每個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)可以智能的發(fā)現(xiàn)鄰居、測量射頻信號強(qiáng)度、捕捉同步與跳頻信息，然后與相鄰節(jié)點(diǎn)建立路徑和鏈路。

　　在TSMP中，每個(gè)通信窗口被稱為時(shí)隙。一系列時(shí)隙組成一幀，在網(wǎng)絡(luò)的生命周期中這個(gè)幀會不斷地重復(fù)。幀長度以時(shí)隙數(shù)計(jì)算，是一個(gè)可配置的參數(shù)——這樣就可以為網(wǎng)絡(luò)確立一個(gè)特定的刷新率。

　　較短的幀長度可提高刷新率、增加有效帶寬和功耗。相反，較長的幀將降低刷新率，也會減小帶寬和功耗。一個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)加入多個(gè)幀，從而針對不同任務(wù)有效地實(shí)現(xiàn)多種刷新率(圖3)。具有時(shí)間、頻率和空間多樣性的TSMP包結(jié)構(gòu)提供了一種魯棒性的協(xié)議，可以應(yīng)對現(xiàn)實(shí)世界中的各種工業(yè)挑戰(zhàn)。

　　圖3：Dust Networks公司的時(shí)間同步網(wǎng)格協(xié)議(TSMP)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)加入多個(gè)幀，從而能有效地為不同任務(wù)實(shí)現(xiàn)不同的刷新率(a)。

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