RF無(wú)線技術(shù)：工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信、電源效率、極度微型化(如透過(guò) MEMS 傳感器達(dá)到的迷你規(guī)格設(shè)計(jì))以及嵌入式運(yùn)算技術(shù)的不斷演進(jìn)，發(fā)展出越來(lái)越多適用于嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。預(yù)估在未來(lái)五年，工業(yè)用無(wú)線傳感器網(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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世，以及無(wú)線傳感器網(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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全新用途、解決方案和應(yīng)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(yùn)作方式。

無(wú)線傳感器網(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(如圖1所示)。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。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

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)。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 英尺以下)，皆相當(dāng)省電。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)線傳輸能力提供廣大效益。不需布線即可新增遠(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。比起有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(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。無(wú)線傳感器網(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)”。

有效率的無(wú)線通信

采用新技術(shù)的兩大挑戰(zhàn)在于成本以及是否有既定標(biāo)準(zhǔn)可遵循。在消費(fèi)者市場(chǎng)中，藍(lán)光已經(jīng)取代 HD-DVD 成為光盤(pán)的新標(biāo)準(zhǔn)。這兩種格式都在十年前就已經(jīng)發(fā)表。標(biāo)準(zhǔn)之間的競(jìng)爭(zhēng)不利于生產(chǎn)力。工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。WirelessHART 和 ISA100-11.a 是相對(duì)較新的技術(shù)，而且是專(zhuān)為首重可靠性與實(shí)時(shí)反應(yīng)的工業(yè)用途開(kāi)發(fā)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與消費(fèi)者相關(guān)的無(wú)線通信協(xié)議迥然不同。通訊協(xié)議是一組針對(duì)尋址、收發(fā)訊號(hào)、錯(cuò)誤偵測(cè)以及在信道上傳送信息所需的授權(quán)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸慣例或規(guī)則。