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(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)設(shè)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(yán)重依賴(lài)?yán)瞎と说慕?jīng)驗(yàn)判斷，而且傳承周期很長(zhǎng)。因此可以預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)工業(yè)逐漸會(huì)被新工業(yè)生態(tài)體系所替代。

以機(jī)器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實(shí)時(shí)傳輸交換、快速計(jì)算處理和高級(jí)建模分析，實(shí)現(xiàn)智能控制、運(yùn)營(yíng)優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革的就是服務(wù)驅(qū)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(guó)，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(shè)以IP技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接體系，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、原材料、產(chǎn)業(yè)鏈等詳細(xì)數(shù)據(jù)的上傳和匯聚，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和工業(yè)APP打下基礎(chǔ)。

· 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0，通過(guò)人工智能、邊緣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)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(zhǎng)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(wěn)定運(yùn)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(chǔ)和核心，是自動(dòng)化智能設(shè)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(jī)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(jī)會(huì)，另一方面也對(duì)傳感器提出了新的要求，主要體現(xiàn)在對(duì)靈敏度、穩(wěn)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(duì)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(shì)

每一個(gè)傳感器或節(jié)點(diǎn)就像一粒胡椒，內(nèi)部裝有處理器、微型內(nèi)存（如：12 Kb內(nèi)建RAM）、低數(shù)據(jù)傳輸速率（40 Kb/s）以及短收發(fā)范圍（大多數(shù)為100英呎以下）。

人們?cè)O(shè)想未來(lái)的傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過(guò)大型網(wǎng)狀架構(gòu)來(lái)進(jìn)行通訊，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有將來(lái)自于其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳播出去的功能，最終到達(dá)的目的地是聚合器，不相關(guān)的數(shù)據(jù)會(huì)在此聚合器內(nèi)部進(jìn)行處理。傳感器會(huì)以龐大的數(shù)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(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)鏈接進(jìn)行互相聯(lián)網(wǎng)，而現(xiàn)有的通訊基礎(chǔ)設(shè)施，特別是WLAN以及互聯(lián)網(wǎng)連接會(huì)被用于長(zhǎng)距離的通訊。

更節(jié)省耗電

無(wú)線(xiàn)傳感器在很大程度上依賴(lài)節(jié)電算法，借此可以長(zhǎng)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(zhǎng)休眠時(shí)間的能力，這使得電池的工作壽命預(yù)期可以達(dá)到數(shù)年之久。

諸如藍(lán)牙和Zigbee這些技術(shù)，大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備都已經(jīng)具備了這些功能，因?yàn)楣?jié)電算法是所有經(jīng)過(guò)Wi-Fi認(rèn)證的設(shè)備所需要的特性，也包括滿(mǎn)足IEEE 802.15.4-2015標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 用于低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)）的設(shè)備。

其概念很簡(jiǎn)單，即如果沒(méi)有動(dòng)作或者需要報(bào)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(yù)先設(shè)定的時(shí)間，傳感器會(huì)醒來(lái)、評(píng)估當(dāng)時(shí)的狀況、匯報(bào)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(diào)節(jié)工作周期來(lái)對(duì)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(shè)計(jì)之初就是要作為低耗電節(jié)點(diǎn)來(lái)工作的。

尺寸更小

新一代無(wú)線(xiàn)傳感器最顯著的特征之一是它們的尺寸小。人們采用可以召喚出獨(dú)特形象的名字來(lái)稱(chēng)呼這些傳感器：“智能塵?！?、“現(xiàn)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(jí)，大到肉眼可見(jiàn)。

小到納米級(jí)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(fèi)的標(biāo)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(jì)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(chǔ)設(shè)施，最后形成更大的、分辨率更高的、近乎有機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。

更加智能

智能型傳感器/節(jié)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(shù)據(jù)傳遞至其他智能型傳感器，再視情況導(dǎo)向由人工檢視信息的主要位置、采取進(jìn)一步處理與儲(chǔ)存行動(dòng)或采取相應(yīng)行動(dòng)。若將節(jié)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(jié)構(gòu)。

傳感器之所以能夠達(dá)到省電效益是因?yàn)槌杀窘档?、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(dá)到近零耗能（Net-Zero）境界，而降低電池用量的智能型運(yùn)轉(zhuǎn)方式則帶來(lái)此一新興技術(shù)獨(dú)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(shù)據(jù)處理設(shè)施一起組成的。隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信及微機(jī)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(duì)監(jiān)控功能進(jìn)行精細(xì)調(diào)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(nèi)的數(shù)千個(gè)微型自主傳感器（或節(jié)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(duì)點(diǎn)通訊，藉由射頻波監(jiān)控并通報(bào)本機(jī)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(jié)點(diǎn)或從遠(yuǎn)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(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱(chēng)為二十一世紀(jì)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(cè)控領(lǐng)域，大多數(shù)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(tǒng)(WSNS，wireless sensor networks system)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)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(jié)點(diǎn)

· 可自動(dòng)處理節(jié)點(diǎn)故障

· 節(jié)點(diǎn)的功能與行為相似

· 可輕易完成擴(kuò)充，成為含有數(shù)千節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)

· 由于不需要纜線(xiàn)而且電源維護(hù)需求低或者甚至不需維護(hù)，適用于嚴(yán)峻的環(huán)境條件

· 易于使用，只要放置并啟動(dòng)即可新增節(jié)點(diǎn)（不需或減少組態(tài)設(shè)定需求）

· 低耗電量

· 對(duì)于使用電池或能源采集的節(jié)點(diǎn)而言也相當(dāng)省電

預(yù)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(dá)到2400萬(wàn)，爆發(fā)5.53倍的成長(zhǎng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速成長(zhǎng)受益于其可靠度符合大多數(shù)工業(yè)級(jí)應(yīng)用的需求，工業(yè)系統(tǒng)專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)用途正不斷延伸擴(kuò)大，包括機(jī)器健全度（如震動(dòng)分析）、制造、條件式維護(hù)、自動(dòng)化計(jì)量、遠(yuǎn)程監(jiān)控、庫(kù)存管理、載具與人員管理以及其他運(yùn)作管理層面。設(shè)備需進(jìn)行維護(hù)時(shí)，可透過(guò)傳感器輸入執(zhí)行。相較于過(guò)去不管設(shè)備是否需要，一律定期維護(hù)的作法，及早于必要時(shí)執(zhí)行維護(hù)，可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命并減少浪費(fèi)（更具環(huán)保效益），這又稱(chēng)為“條件式維護(hù)”。

不需布線(xiàn)即可新增遠(yuǎn)程傳感器（通常配備若干本機(jī)決策制定功能），節(jié)省人力、材料，同時(shí)由于智能型手機(jī)是相當(dāng)理想的人工操作員/維護(hù)接口，可隨時(shí)隨地提供更精準(zhǔn)的監(jiān)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)或在危險(xiǎn)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(kuò)充彈性與鏈接可靠性，若搭配能量整合裝置設(shè)置，還可提供實(shí)時(shí)功能與獨(dú)立能源運(yùn)作。

即使有一大區(qū)段網(wǎng)絡(luò)故障，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)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(fù)功能。若移除某一節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)使用其他鄰近節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸信息。若新增節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)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(jiān)控到，例如，可以使得一座建筑對(duì)其結(jié)構(gòu)上的弱點(diǎn)進(jìn)行報(bào)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(tǒng)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(yīng)，而且其延遲等級(jí)的接受度不若VoIP高。若為有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)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(yùn)作。決定型系統(tǒng)（determinisTIc system ）是產(chǎn)生在系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)不考慮隨機(jī)因素時(shí)的系統(tǒng)。這意味著反應(yīng)時(shí)間是可預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間、容錯(cuò)以及聯(lián)機(jī)式拓?fù)浣钥深A(yù)測(cè)。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(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)作及冗余最有利之處，因?yàn)楦叨瓤煽啃耘c低復(fù)雜性是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的常見(jiàn)需求。