工業(yè)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )介紹

近年來(lái)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、電源效率、極度微型化（如透過(guò)MEMS傳感器達到的迷你規格設計）以及嵌入式運算技術(shù)的不斷演進(jìn)，發(fā)展出越來(lái)越多適用于嚴苛工業(yè)環(huán)境的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）。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。在整合芯片解決方案的價(jià)格日趨親民化后，各種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的全新用途、解決方案和應用紛紛推出，不僅為許多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)龐大的效益，同時(shí)也逐漸從本質(zhì)上改變不同產(chǎn)業(yè)一貫的運作方式。

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（請參見(jiàn)圖1）。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。

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。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），皆相當省電。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)傳輸能力提供廣大效益。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。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”。

有效率的無(wú)線(xiàn)通信

采用新技術(shù)的兩大挑戰在于成本以及是否有既定標準可遵循。在消費者市場(chǎng)中，藍光已經(jīng)取代HD-DVD成為光盤(pán)的新標準。這兩種格式都在十年前就已經(jīng)發(fā)表。標準之間的競爭不利于生產(chǎn)力。工業(yè)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也不例外。WirelessHART和ISA100-11.a是相對較新的技術(shù)，而且是專(zhuān)為首重可靠性與實(shí)時(shí)反應的工業(yè)用途開(kāi)發(fā)。這兩個(gè)標準與消費者相關(guān)的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議迥然不同。通訊協(xié)議是一組針對尋址、收發(fā)訊號、錯誤偵測以及在信道上傳送信息所需的授權所設計的數據傳輸慣例或規則。

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。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也一樣。因此，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的一大優(yōu)勢就是采用具備儲存并轉發(fā)分組交換功能的冗余節點(diǎn)；此一技術(shù)基礎和因特網(wǎng)的前身-ARPANET相同。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。

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。

工業(yè)控制系統也高度要求網(wǎng)絡(luò )安全性。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )匿名性仍不足以防范愈來(lái)愈受到重視的黑客問(wèn)題。加密適用于工業(yè)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，而且Mouser提供數種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。獨立能源運作無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的最佳范例為Powercast Wireless Sensor System，內建RF能量整合模塊，能夠透過(guò)802.15.4硬件上的各種工業(yè)標準通訊協(xié)議，傳送實(shí)時(shí)測量的準確溫度與濕度。

整體而言，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始成為自動(dòng)化供貨商專(zhuān)門(mén)供應的解決方案，用以解決先前無(wú)法解決的問(wèn)題或取代昂貴的解決方案。由于專(zhuān)用解決方案不具開(kāi)放性，因此對用戶(hù)而言便成為行家才懂的「黑盒子」。因為只有供貨商能夠存取專(zhuān)用通訊協(xié)議內的研發(fā)所需工具，使得基本的創(chuàng )新發(fā)展受到阻礙。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

工業(yè)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )所使用的通訊協(xié)議表