工业用无线传感器网络介绍

近年来,随着无线通信、电源效率、极度微型化(如透过MEMS传感器达到的迷你规格设计)以及嵌入式运算技术的不断演进,发展出越来越多适用于严苛工业环境的无线传感器网络(WSN)。预估在未来五年,工业用无线传感器网络的传感器安装点将达到2400万,爆发5.53倍的成长。无线传感器网络的快速成长受益于其可靠度符合大多数工业级应用的需求,工业系统专用的无线传感器网络标准问世,以及无线传感器网络的效益逐渐受到重视与了解。在整合芯片解决方案的价格日趋亲民化后,各种无线传感器网络的全新用途、解决方案和应用纷纷推出,不仅为许多产业带来庞大的效益,同时也逐渐从本质上改变不同产业一贯的运作方式。 

无线传感器网络是由分散在实体空间内的数千个微型自主传感器(或节点)所组成的网络。这些传感器采用高效方式链接,透过射频(RF)波进行点对点通讯,藉由射频波监控并通报本机状态或状况,如温度、震动、压力、污染物、动作等(请参见图1)。这些智能型传感器可自动管理制程,除非发生无法透过智能节点或从远程启动人为命令修正的制程故障,否则一般不需要人为介入操作。

智能型传感器/节点以协同作业方式,透过网络上多种可用的路径,将数据传递至其他智能型传感器,再视情况导向由人工检视信息的主要位置、采取进一步处理与储存行动或采取相应行动。若将节点间所有可用路径以图像显示,多重通讯路径的冗余路径看起来会像一片网状结构。每一个传感器或节点就像一粒胡椒,内部装有处理器、微型内存(如:12 Kb内建RAM)、低数据传输速率 (40 Kb/s) 以及短收发范围(大多数为100英呎以下),皆相当省电。传感器之所以能够达到省电效益是因为成本降低、整合度提升、具备更精良的电源管理能力以及采用了更先进的算法。除此之外,能量整合功能也使用电达到近零耗能 (Net-Zero) 境界,而降低电池用量的智能型运转方式则带来此一新兴技术独具的解决方案。 

无线传输能力提供广大效益。不需布线即可新增远程传感器(通常配备若干本机决策制定功能),节省人力、材料,同时由于智能型手机是相当理想的人工操作员/维护接口,可随时随地提供更精准的监控与修正,因此制程效率及质量可获得提升。作业员不需要四处奔忙取得远程数据或在危险或不易操作的地点更换电池,因此可提高生产力。比起有线网络,无线传感器网络的安装更迅速,如需重新安置,过程也更简单。无线传感器网络具备极高的扩充弹性与链接可靠性,若搭配能量整合装置设置,还可提供实时功能与独立能源运作。无线传感器网络的工业用途正不断延伸扩大,包括机器健全度(如震动分析)、制造、条件式维护、自动化计量、远程监控、库存管理、载具与人员管理以及其他运作管理层面。设备需进行维护时,可透过传感器输入执行。相较于过去不管设备是否需要,一律定期维护的作法,及早于必要时执行维护,可延长设备的使用寿命并减少浪费(更具环保效益)。这又称为“条件式维护”。 

有效率的无线通信 

采用新技术的两大挑战在于成本以及是否有既定标准可遵循。在消费者市场中,蓝光已经取代 HD-DVD成为光盘的新标准。这两种格式都在十年前就已经发表。标准之间的竞争不利于生产力。工业用无线传感器网络也不例外。WirelessHART和ISA100-11.a是相对较新的技术,而且是专为首重可靠性与实时反应的工业用途开发。这两个标准与消费者相关的无线通信协议迥然不同。通讯协议是一组针对寻址、收发讯号、错误侦测以及在信道上传送信息所需的授权所设计的数据传输惯例或规则。 

工业用无线网络要求近乎实时的反应,而且其延迟等级的接受度不若VoIP高。若为有线网络的现场装置,只能够接受10毫秒的以太网络等待时间。无线传感器网络也一样。因此,无线网状网络的一大优势就是采用具备储存并转发分组交换功能的冗余节点;此一技术基础和因特网的前身-ARPANET相同。即使有一大区段网络故障,网络上的其他节点也不受影响,也因此无线传感器网络具备自行修复功能。若移除某一节点,其他节点会使用其他邻近节点继续传输信息。若新增节点,则该节点便会开始发送并传递封包,好像原本便存在一般。 

若顾及通讯协议,工业用无线传感器网络可搭配决定型效能(deterministic performance)运作。决定型系统(deterministic system )是产生在系统未来状态不考虑随机因素时的系统。这意味着反应时间是可预测的网络等待时间、容错以及联机式拓扑皆可预测。决定很多时候取决于有线或无线通信协议中所使用的路由算法效率。这就是工业标准对无线传感器网络实作及冗余最有利之处,因为高度可靠性与低复杂性是工业网络的常见需求。 

工业控制系统也高度要求网络安全性。无线网络匿名性仍不足以防范愈来愈受到重视的黑客问题。加密适用于工业用无线传感器网络,而且Mouser提供数种无线传感器网络产品。独立能源运作无线传感器网络的最佳范例为Powercast Wireless Sensor System,内建RF能量整合模块,能够透过802.15.4硬件上的各种工业标准通讯协议,传送实时测量的准确温度与湿度。 

整体而言,无线传感器网络开始成为自动化供货商专门供应的解决方案,用以解决先前无法解决的问题或取代昂贵的解决方案。由于专用解决方案不具开放性,因此对用户而言便成为行家才懂的「黑盒子」。因为只有供货商能够存取专用通讯协议内的研发所需工具,使得基本的创新发展受到阻碍。无线传感器网络的主要特性包括： 

●可轻松重新放置节点 
●可自动处理节点故障 
●节点的功能与行为相似 
●可轻易完成扩充,成为含有数千节点的大型网络 
●由于不需要缆线而且电源维护需求低或者甚至不需维护,适用于严峻的环境条件 
●易于使用;只要放置并启动即可新增节点(不需或减少组态设定需求） 
●低耗电量 
●对于使用电池或能源采集的节点而言也相当省电 

工业用无线网络所使用的通讯协议表

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