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

　　對于許多工業(yè)應用來說，不管從長期還是短期看，無線傳感器網(wǎng)絡的成本通常都要比有線解決方案低很多，因為無線網(wǎng)絡更容易查錯、維護和修復。與遍布長達數(shù)英里且通常是埋設走線的有線工作場地相比，捕捉無線傳感器網(wǎng)絡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，從而滿足為適應更新產(chǎn)品類型和型號而不斷變化的工廠需求。 　　

　　無線傳感器網(wǎng)絡還能通過3G和4G網(wǎng)絡通信技術傳輸視頻流，而且這些網(wǎng)絡更快的數(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，無線傳感器網(wǎng)絡可以為公司節(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)境破壞的即時控制了。 　

　　不過，在工業(yè)裝置中使用無線通信網(wǎng)絡也有需要注意的地方�，F(xiàn)在智能手機和平板電腦等人機界面設備已經(jīng)非常普及，如果不采取正確的安全措施，這些設備很可能對無線工業(yè)自動化帶來潛在的安全風險。幸運的是，許多現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡拓撲和協(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)絡的好處遠不止上述這些優(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)器的不斷進步，制造商可以專注于實現(xiàn)可能最低的功耗。 　

　　能量采集技術利用現(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、少量機械運動或者室內(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)。這些技術可以最大程度地減少(如果不能消除的話)電池的使用，進而實現(xiàn)更低的能耗水平。熱電發(fā)電機(TEG)、太陽能設備、機械運動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)生于運動、熱源、光電資源或磁場活動。這種能量可以被捕獲、存儲、管理并饋送給傳感器進行傳輸。

　　“人們對無線傳感器網(wǎng)絡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，“但與此同時他們越來越多地關注電池的壽命，也更關心能量采集技術以最大限度地降低電池能耗。在無線傳感器網(wǎng)絡中，更重要的是要有足夠的能量來完成所需的任務。下面讓我們順著這條思路看看2009年時的情況。”

　　在工業(yè)中的應用 　

　　美國節(jié)能經(jīng)濟委員會(ACEEE)一直在呼吁更好地使用先進的通信技術。正如在該委員會提交的題為“用于實現(xiàn)智能效率的確定性框架”的E125報告中指出的那樣，如果工業(yè)領域和住戶能更好地利用目前可用的現(xiàn)代通信技術(如無線網(wǎng)絡)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WirelessHART網(wǎng)絡。據(jù)該組織報道，有成千上萬的設備工作于許多加工應用中，包括旋轉式設備、管道監(jiān)視、存儲系統(tǒng)、自動化廠房和材料處理設施。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)絡和各自的儀器。 　

　　WirelessHART借鑒了許多經(jīng)過驗證的國際標準，包括HART通信協(xié)議標準(IEC6158)、EDDL(IEC61804-3)和IEEE802.15.4。這個IEEE標準是2007年被采用的，大部分工作由加州大學伯克利分校的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，廣泛用于過程自動化應用。它在HART協(xié)議中增加了無線功能，同時保持了與現(xiàn)有HART設備、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三個主要部分，即無線現(xiàn)場設備、網(wǎng)關和網(wǎng)絡管理器(圖2)。

　　圖2：用于過程自動化應用的WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡在HART協(xié)議中增加了無線功能，同時保持了與現(xiàn)有HART設備、通信和工具的兼容。它包含三個主要部分，即無線現(xiàn)場設備、網(wǎng)關和網(wǎng)絡管理器�！�

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

　　HART協(xié)議成功的關鍵是時間同步網(wǎng)格協(xié)議(TSMP)。HART的5個關鍵部分是時間同步的通信、跳頻、自動節(jié)點聯(lián)接與網(wǎng)絡組建、完全冗余的網(wǎng)格路由以及安全的消息傳送。TSMP網(wǎng)絡也可以實現(xiàn)自組。每個TSMP節(jié)點可以智能的發(fā)現(xiàn)鄰居、測量射頻信號強度、捕捉同步與跳頻信息，然后與相鄰節(jié)點建立路徑和鏈路。

　　在TSMP中，每個通信窗口被稱為時隙。一系列時隙組成一幀，在網(wǎng)絡的生命周期中這個幀會不斷地重復。幀長度以時隙數(shù)計算，是一個可配置的參數(shù)——這樣就可以為網(wǎng)絡確立一個特定的刷新率。

　　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TSMP節(jié)點可以同時加入多個幀，從而針對不同任務有效地實現(xiàn)多種刷新率(圖3)。具有時間、頻率和空間多樣性的TSMP包結構提供了一種魯棒性的協(xié)議，可以應對現(xiàn)實世界中的各種工業(yè)挑戰(zhàn)。

　　圖3：Dust Networks公司的時間同步網(wǎng)格協(xié)議(TSMP)節(jié)點可以同時加入多個幀，從而能有效地為不同任務實現(xiàn)不同的刷新率(a)。

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