作者：Mouser公司 Lynnette Reese

　　近年來，隨著無線通信、電源效率、極度微型化（如透過 MEMS 傳感器達到的迷你規格設計）以及嵌入式運算技術的不斷演進，發展出越來越多適用于嚴苛工業環境的無線傳感器網絡（WSN）。預估在未來五年，工業用無線傳感器網絡的傳感器安裝點將達到2400萬，爆發5.53倍的成長。無線傳感器網絡的快速成長受益于其可靠度符合大多數工業級應用的需求，工業系統專用的無線傳感器網絡標準問世，以及無線傳感器網絡的效益逐漸受到重視與了解。在整合芯片解決方案的價格日趨親民化后，各種無線傳感器網絡的全新用途、解決方案和應用紛紛推出，不僅為許多產業帶來龐大的效益，同時也逐漸從本質上改變不同產業一貫的運作方式。

　　無線傳感器網絡是由分散在實體空間內的數千個微型自主傳感器（或節點）所組成的網絡。這些傳感器采用高效方式鏈接，透過射頻 （RF） 波進行點對點通訊，藉由射頻波監控并通報本機狀態或狀況，如溫度、震動、壓力、污染物、動作等（如圖1所示）。這些智能型傳感器可自動管理制程，除非發生無法透過智能節點或從遠程啟動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 無線傳感器網絡

　　智能型傳感器/節點以協同作業方式，透過網絡上多種可用的路徑，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、采取進一步處理與儲存行動或采取相應行動。若將節點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會像一片網狀結構。每一個傳感器或節點就像一粒胡椒，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） 以及短收發范圍（大多數為 100 英尺以下），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此一新興技術獨具的解決方案。

　　無線傳輸能力提供廣大效益。不需布線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，可隨時隨地提供更精準的監控與修正，因此制程效率及質量可獲得提升。作業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更換電池，因此可提高生產力。比起有線網絡，無線傳感器網絡的安裝更迅速，如需重新安置，過程也更簡單。無線傳感器網絡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，還可提供實時功能與獨立能源運作。無線傳感器網絡的工業用途正不斷延伸擴大，包括機器健全度（如震動分析）、制造、條件式維護、自動化計量、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。設備需進行維護時，可透過傳感器輸入執行。相較于過去不管設備是否需要，一律定期維護的作法，及早于必要時執行維護，可延長設備的使用壽命并減少浪費（更具環保效益）。這又稱為“條件式維護”。

　　有效率的無線通信

　　采用新技術的兩大挑戰在于成本以及是否有既定標準可遵循。在消費者市場中，藍光已經取代 HD-DVD 成為光盤的新標準。這兩種格式都在十年前就已經發表。標準之間的競爭不利于生產力。工業用無線傳感器網絡也不例外。WirelessHART 和 ISA100-11.a 是相對較新的技術，而且是專為首重可靠性與實時反應的工業用途開發。這兩個標準與消費者相關的無線通信協議迥然不同。通訊協議是一組針對尋址、收發訊號、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。

　　工業用無線網絡要求近乎實時的反應，而且其延遲等級的接受度不若 VoIP 高。若為有線網絡的現場裝置，只能夠接受 10 毫秒的以太網絡等待時間。無線傳感器網絡也一樣。因此，無線網狀網絡的一大優勢就是采用具備儲存并轉發分組交換功能的冗余節點；此一技術基礎和因特網的前身-ARPANET 相同。即使有一大區段網絡故障，網絡上的其他節點也不受影響，也因此無線傳感器網絡具備自行修復功能。若移除某一節點，其他節點會使用其他鄰近節點繼續傳輸信息。若新增節點，則該節點便會開始發送并傳遞封包，好像原本便存在一般。

　　若顧及通訊協議，工業用無線傳感器網絡可搭配決定型效能（deterministic performance）運作。決定型系統（deterministic system ）是產生在系統未來狀態不考慮隨機因素時的系統。這意味著反應時間是可預測的；網絡等待時間、容錯以及聯機式拓撲皆可預測。決定很多時候取決于有線或無線通信協議中所使用的路由算法效率。這就是工業標準對無線傳感器網絡實作及冗余最有利之處，因為高度可靠性與低復雜性是工業網絡的常見需求。

　　工業控制系統也高度要求網絡安全性。無線網絡匿名性仍不足以防范愈來愈受到重視的黑客問題。加密適用于工業用無線傳感器網絡，而且 Mouser 提供數種無線傳感器網絡產品。獨立能源運作無線傳感器網絡的最佳范例為 Powercast Wireless Sensor System，內建 RF 能量整合模塊，能夠透過 802.15.4 硬件上的各種工業標準通訊協議，傳送實時測量的準確溫度與濕度。

　　整體而言，無線傳感器網絡開始成為自動化供貨商專門供應的解決方案，用以解決先前無法解決的問題或取代昂貴的解決方案。由于專用解決方案不具開放性，因此對用戶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用通訊協議內的研發所需工具，使得基本的創新發展受到阻礙。無線感測器網絡的主要特性包括：

　　§ 可輕松重新放置節點

　　§ 可自動處理節點故障

　　§ 節點的功能與行為相似

　　§ 可輕易完成擴充，成為含有數千節點的大型網絡

　　§ 由于不需要纜線而且電源維護需求低或者甚至不需維護，適用于嚴峻的環境條件

　　§ 易于使用；只要放置并啟動即可新增節點（不需或減少組態設定需求）

　　§ 低耗電量

　　§ 對于使用電池或能源采集的節點而言也相當省電

　　表 工業用無線網絡所使用的通訊協議表

　　無線傳感器網絡的未來發展系著眼于如“環境智能”的概念，即無線運算的普及度達到連實體空間也內建各種會根據當下環境需求進行感測并執行控制的節點。無線技術無時無刻都在進步。新的 IEEE 802.11ac 標準的傳輸速度將會提供比現行的 802.11n Wi-Fi 還要快三至四倍，達到 1.3 Gbps 的數據傳輸速率。如此一來，工業用網絡也會獲得改善。隨著無線網絡為人類開拓了全新的應用領域及原本需要但卻不知道的新功能，使得工業網絡的模式也逐漸在改變。

　　——本文選自電子發燒友網09月技術特刊《智能工業特刊》，轉載請注明出處，違者必究！

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