無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的正確打開(kāi)方式

我們知道，傳統工業(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(guò)人工來(lái)操作，嚴重依賴(lài)老工人的經(jīng)驗判斷，而且傳承周期很長(cháng)。因此可以預測，傳統工業(yè)逐漸會(huì )被新工業(yè)生態(tài)體系所替代。

以機器、原材料、控制系統、信息系統、產(chǎn)品以及人之間的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)為基礎，通過(guò)對工業(yè)數據的全面深度感知、實(shí)時(shí)傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實(shí)現智能控制、運營(yíng)優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革的就是服務(wù)驅動(dòng)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(lái)自于美國，是GE公司率先提出來(lái)的。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以分為三個(gè)階段：

· 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.0，通過(guò)建設以IP技術(shù)為基礎的網(wǎng)絡(luò )連接體系，實(shí)現工廠(chǎng)IT網(wǎng)絡(luò )與OT網(wǎng)絡(luò )的連接，工廠(chǎng)外部企業(yè)與上下游、智能產(chǎn)品、用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )聯(lián)通。

· 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0，通過(guò)工業(yè)數據采集技術(shù)，實(shí)現產(chǎn)品、設備、原材料、產(chǎn)業(yè)鏈等詳細數據的上傳和匯聚，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(guò)人工智能、邊緣計算技術(shù)，實(shí)現物理世界與數字世界的智能無(wú)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(lái)還有很長(cháng)的路要走。

感知是物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù)，要確保物聯(lián)網(wǎng)的穩定運行，離不開(kāi)眾多感知技術(shù)的加持，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)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(dòng)化智能設備的關(guān)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(lái)巨大的機會(huì )。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一方面給傳感器企業(yè)帶來(lái)了機會(huì )，另一方面也對傳感器提出了新的要求，主要體現在對靈敏度、穩定性、魯棒性等方面的要求會(huì )更高。同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及使得傳感器無(wú)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(shí)也更多要求網(wǎng)絡(luò )化、集成化、智能化。

傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢

每一個(gè)傳感器或節點(diǎn)就像一粒胡椒，內部裝有處理器、微型內存（如：12 Kb內建RAM）、低數據傳輸速率（40 Kb/s）以及短收發(fā)范圍（大多數為100英呎以下）。

人們設想未來(lái)的傳感器網(wǎng)絡(luò )會(huì )通過(guò)大型網(wǎng)狀架構來(lái)進(jìn)行通訊，其中每個(gè)節點(diǎn)都有將來(lái)自于其他節點(diǎn)的數據傳播出去的功能，最終到達的目的地是聚合器，不相關(guān)的數據會(huì )在此聚合器內部進(jìn)行處理。傳感器會(huì )以龐大的數量部署在高密度的網(wǎng)絡(luò )上。它們會(huì )利用短距離的、耗電低的節點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)鏈接進(jìn)行互相聯(lián)網(wǎng)，而現有的通訊基礎設施，特別是WLAN以及互聯(lián)網(wǎng)連接會(huì )被用于長(cháng)距離的通訊。

更節省耗電

無(wú)線(xiàn)傳感器在很大程度上依賴(lài)節電算法，借此可以長(cháng)時(shí)間保持工作狀態(tài)。電池技術(shù)的進(jìn)步、電池容量的不斷增大、以及延長(cháng)休眠時(shí)間的能力，這使得電池的工作壽命預期可以達到數年之久。

諸如藍牙和Zigbee這些技術(shù)，大多數移動(dòng)設備都已經(jīng)具備了這些功能，因為節電算法是所有經(jīng)過(guò)Wi-Fi認證的設備所需要的特性，也包括滿(mǎn)足IEEE 802.15.4-2015標準（IEEE 用于低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)標準）的設備。

其概念很簡(jiǎn)單，即如果沒(méi)有動(dòng)作或者需要報告的事件，傳感器就會(huì )進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果有事件發(fā)生或到了預先設定的時(shí)間，傳感器會(huì )醒來(lái)、評估當時(shí)的狀況、匯報其狀態(tài)、然后再進(jìn)入睡眠。這個(gè)周期也可以通過(guò)輪詢(xún)算法來(lái)啟動(dòng)，輪詢(xún)算法依次處理每個(gè)傳感器。也可以調節工作周期來(lái)對傳感器進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，有效地將電耗降低一半。關(guān)鍵的一點(diǎn)是這些傳感器從設計之初就是要作為低耗電節點(diǎn)來(lái)工作的。

尺寸更小

新一代無(wú)線(xiàn)傳感器最顯著(zhù)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(lái)稱(chēng)呼這些傳感器：“智能塵?！?、“現貨商業(yè)微塵”、或者簡(jiǎn)單的稱(chēng)之為“微塵”。它們的尺寸小到納米級，大到肉眼可見(jiàn)。

小到納米級的是生物學(xué)傳感器或小的無(wú)源傳感器，可以做到嵌入式和非嵌入式；肉眼可見(jiàn)指的是更大一些的傳感器，例如征收過(guò)路費的標簽、門(mén)禁卡、以及類(lèi)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(luò )。

更加智能

智能型傳感器/節點(diǎn)以協(xié)同作業(yè)方式，透過(guò)網(wǎng)絡(luò )上多種可用的路徑，將數據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(jìn)一步處理與儲存行動(dòng)或采取相應行動(dòng)。若將節點(diǎn)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(lái)會(huì )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(jìn)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(lái)此一新興技術(shù)獨具的解決方案。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）

傳感器網(wǎng)絡(luò )是由本地傳感器、通信媒介以及中央通用數據處理設施一起組成的。隨著(zhù)傳感器、計算機、無(wú)線(xiàn)通信及微機電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN, wireless sensor networks)。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )建立在這個(gè)概念之上，只是允許傳感器從所綁定的媒介上解放出來(lái)。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(luò )對監控功能進(jìn)行精細調整的能力。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由分散在實(shí)體空間內的數千個(gè)微型自主傳感器（或節點(diǎn)）所組成的網(wǎng)絡(luò )。這些傳感器采用高效方式鏈接，透過(guò)射頻（RF）波進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通訊，藉由射頻波監控并通報本機狀態(tài)或狀況，如溫度、震動(dòng)、壓力、污染物、動(dòng)作等。這些智能型傳感器可自動(dòng)管理制程，除非發(fā)生無(wú)法透過(guò)智能節點(diǎn)或從遠程啟動(dòng)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的出現引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱(chēng)為二十一世紀最具影響的技術(shù)之一。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)很快也進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)測控領(lǐng)域，大多數工業(yè)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都將很快嵌入無(wú)線(xiàn)傳輸功能，完成從有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)過(guò)渡。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統(WSNS，wireless sensor networks system)通常由傳感器節點(diǎn)、聚節點(diǎn)和管理節點(diǎn)組成

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要特性包括：

· 可輕松重新放置節點(diǎn)

· 可自動(dòng)處理節點(diǎn)故障

· 節點(diǎn)的功能與行為相似

· 可輕易完成擴充，成為含有數千節點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò )

· 由于不需要纜線(xiàn)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(dòng)即可新增節點(diǎn)（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點(diǎn)而言也相當省電

預估在未來(lái)五年，工業(yè)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳感器安裝點(diǎn)將達到2400萬(wàn)，爆發(fā)5.53倍的成長(cháng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的快速成長(cháng)受益于其可靠度符合大多數工業(yè)級應用的需求，工業(yè)系統專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )標準問(wèn)世，以及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的效益逐漸受到重視與了解。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)中的應用

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)用途正不斷延伸擴大，包括機器健全度（如震動(dòng)分析）、制造、條件式維護、自動(dòng)化計量、遠程監控、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(jìn)行維護時(shí)，可透過(guò)傳感器輸入執行。相較于過(guò)去不管設備是否需要，一律定期維護的作法，及早于必要時(shí)執行維護，可延長(cháng)設備的使用壽命并減少浪費（更具環(huán)保效益），這又稱(chēng)為“條件式維護”。

不需布線(xiàn)即可新增遠程傳感器（通常配備若干本機決策制定功能），節省人力、材料，同時(shí)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(shí)隨地提供更精準的監控與修正，因此制程效率及質(zhì)量可獲得提升。作業(yè)員不需要四處奔忙取得遠程數據或在危險或不易操作的地點(diǎn)更換電池，因此可提高生產(chǎn)力。

比起有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安裝更迅速，如需重新安置，過(guò)程也更簡(jiǎn)單。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(shí)時(shí)功能與獨立能源運作。

即使有一大區段網(wǎng)絡(luò )故障，網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)也不受影響，也因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具備自行修復功能。若移除某一節點(diǎn)，其他節點(diǎn)會(huì )使用其他鄰近節點(diǎn)繼續傳輸信息。若新增節點(diǎn)，則該節點(diǎn)便會(huì )開(kāi)始發(fā)送并傳遞封包，好像原本便存在一般。

有了無(wú)處不在的傳感器網(wǎng)絡(luò )，生產(chǎn)的每個(gè)方面都能被監控到，例如，可以使得一座建筑對其結構上的弱點(diǎn)進(jìn)行報告，或者在一套處理工藝中定位異常點(diǎn)，而這些異常點(diǎn)會(huì )被固定安裝的傳統傳感器忽視掉。

工業(yè)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )要求近乎實(shí)時(shí)的反應，而且其延遲等級的接受度不若VoIP高。若為有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的現場(chǎng)裝置，只能夠接受10毫秒的以太網(wǎng)絡(luò )等待時(shí)間。

若顧及通訊協(xié)議，工業(yè)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可搭配決定型效能（determinisTIc performance）運作。決定型系統（determinisTIc system ）是產(chǎn)生在系統未來(lái)狀態(tài)不考慮隨機因素時(shí)的系統。這意味著(zhù)反應時(shí)間是可預測的網(wǎng)絡(luò )等待時(shí)間、容錯以及聯(lián)機式拓撲皆可預測。決定很多時(shí)候取決于有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)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(luò )的常見(jiàn)需求。