隨著工業(yè)應(yīng)用中無線傳感器通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠和車間過程自動化得以徹底革新。這些技術(shù)創(chuàng)新可以幫助自動化工程師將傳統(tǒng)制造技術(shù)與新的現(xiàn)代無線通信功能有機融合在一起。

　　對于許多工業(yè)應(yīng)用來說，不管從長期還是短期看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本通常都要比有線解決方案低很多，因為無線網(wǎng)絡(luò)更容易查錯、維護和修復(fù)。與遍布長達(dá)數(shù)英里且通常是埋設(shè)走線的有線工作場地相比，捕捉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的缺陷或故障要容易得多。無線也更加靈活，能夠更容易和更快捷地重配置網(wǎng)絡(luò)，從而滿足為適應(yīng)更新產(chǎn)品類型和型號而不斷變化的工廠需求。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還能通過3G和4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳輸視頻流，而且這些網(wǎng)絡(luò)更快的數(shù)據(jù)傳輸對于要求晝夜監(jiān)視和監(jiān)控的重要工業(yè)場合來說也非常有價值。煤氣管道、視頻安全系統(tǒng)、發(fā)電站、供水系統(tǒng)以及許多其它重要裝置都要求對故障、篡改事件和意外事故立即作出響應(yīng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為公司節(jié)省因環(huán)境破壞受到的數(shù)百萬美元罰金，更不用說對環(huán)境破壞的即時控制了。

　　不過，在工業(yè)裝置中使用無線通信網(wǎng)絡(luò)也有需要注意的地方。現(xiàn)在智能手機和平板電腦等人機界面設(shè)備已經(jīng)非常普及，如果不采取正確的安全措施，這些設(shè)備很可能對無線工業(yè)自動化帶來潛在的安全風(fēng)險。幸運的是，許多現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥f(xié)議內(nèi)置了許多工具，可最大程度地減小安全漏洞。

　　功耗優(yōu)勢

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的好處遠(yuǎn)不止上述這些優(yōu)勢。例如，無線感測和聯(lián)網(wǎng)可以讓制造商使用低功耗電子設(shè)備，從而節(jié)省能源。隨著通信協(xié)議以及為它們提供支持的傳感器與收發(fā)器的不斷進步，制造商可以專注于實現(xiàn)可能最低的功耗。

　　能量采集技術(shù)利用現(xiàn)代IC功能可以節(jié)省更多的能源。一些傳感器、微控制器、電源管理器件和收發(fā)器可以利用從很少的熱量、少量機械運動或者室內(nèi)照明等產(chǎn)生的能量工作，而這些能源在工廠中幾乎無處不在（圖1）。

　　圖1：在典型的能量采集系統(tǒng)中，能量產(chǎn)生于運動、熱源、光電資源或磁場活動。這種能量可以被捕獲、存儲、管理并饋送給傳感器進行傳輸。

　　這些技術(shù)可以最大程度地減少（如果不能消除的話）電池的使用，進而實現(xiàn)更低的能耗水平。熱電發(fā)電機（TEG）、太陽能設(shè)備、機械運動傳感器和能量存儲超級電容如今都已經(jīng)非常成熟。

　　“人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用電池供電總是津津樂道甚至有些得意。”凌力爾特公司（Linear）產(chǎn)品營銷總監(jiān)Tony Armstrong表示，“但與此同時他們越來越多地關(guān)注電池的壽命，也更關(guān)心能量采集技術(shù)以最大限度地降低電池能耗。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，更重要的是要有足夠的能量來完成所需的任務(wù)。下面讓我們順著這條思路看看2009年時的情況。”

　　在工業(yè)中的應(yīng)用

　　美國節(jié)能經(jīng)濟委員會（ACEEE）一直在呼吁更好地使用先進的通信技術(shù)。正如在該委員會提交的題為“用于實現(xiàn)智能效率的確定性框架”的E125報告中指出的那樣，如果工業(yè)領(lǐng)域和住戶能更好地利用目前可用的現(xiàn)代通信技術(shù)（如無線網(wǎng)絡(luò)）的優(yōu)勢，他們可以將系統(tǒng)效率再提高約12%至22%，從而在節(jié)能和提高生產(chǎn)率方面實現(xiàn)數(shù)百甚至數(shù)千億美元的效益。

　　HART通信基金會透露，目前在全球主要制造場所安裝有8000多個WirelessHART網(wǎng)絡(luò)。據(jù)該組織報道，有成千上萬的設(shè)備工作于許多加工應(yīng)用中，包括旋轉(zhuǎn)式設(shè)備、管道監(jiān)視、存儲系統(tǒng)、自動化廠房和材料處理設(shè)施。拜耳（Bayer）、BASF、BP、Celanese、ConocoPhilips、Evonik、Pemex、Shell和Statoil等大型公司已在全球許多加工制造場所開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)和各自的儀器。

　　WirelessHART借鑒了許多經(jīng)過驗證的國際標(biāo)準(zhǔn)，包括HART通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEC6158）、EDDL（IEC61804-3）和IEEE802.15.4.這個IEEE標(biāo)準(zhǔn)是2007年被采用的，大部分工作由加州大學(xué)伯克利分校的Kris Pister完成，并于1997年與HART協(xié)議一起由他的公司Dust Networks實現(xiàn)了商用化。Dust Networks隨后被凌力爾特公司收購。作為Pister的工作成果，術(shù)語“塵埃（mote）”得到了Dust Networks公司的廣泛宣傳。

　　WirelessHART是一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)通信協(xié)議，廣泛用于過程自動化應(yīng)用。它在HART協(xié)議中增加了無線功能，同時保持了與現(xiàn)有HART設(shè)備、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三個主要部分，即無線現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)管理器（圖2）。

　　圖2：用于過程自動化應(yīng)用的WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在HART協(xié)議中增加了無線功能，同時保持了與現(xiàn)有HART設(shè)備、通信和工具的兼容。

　　它包含三個主要部分，即無線現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)管理器。

　　“在石油天然氣、化學(xué)、葡萄酒廠、啤酒廠等行業(yè)中，我們已經(jīng)從理論上設(shè)立了工業(yè)過程自動化的標(biāo)準(zhǔn)，可用于跟蹤液平面、流動速度、機器振動、壓力、溫度等。”Pister指出，“我們業(yè)已證實，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要比有線網(wǎng)絡(luò)更加可靠，而且成本更低。我們的強項在于確保通信協(xié)議的可靠性，并只需消耗很低的功耗。”

　　HART協(xié)議成功的關(guān)鍵是時間同步網(wǎng)格協(xié)議（TSMP）。HART的5個關(guān)鍵部分是時間同步的通信、跳頻、自動節(jié)點聯(lián)接與網(wǎng)絡(luò)組建、完全冗余的網(wǎng)格路由以及安全的消息傳送。TSMP網(wǎng)絡(luò)也可以實現(xiàn)自組。每個TSMP節(jié)點可以智能的發(fā)現(xiàn)鄰居、測量射頻信號強度、捕捉同步與跳頻信息，然后與相鄰節(jié)點建立路徑和鏈路。

　　在TSMP中，每個通信窗口被稱為時隙。一系列時隙組成一幀，在網(wǎng)絡(luò)的生命周期中這個幀會不斷地重復(fù)。幀長度以時隙數(shù)計算，是一個可配置的參數(shù)--這樣就可以為網(wǎng)絡(luò)確立一個特定的刷新率。

　　較短的幀長度可提高刷新率、增加有效帶寬和功耗。相反，較長的幀將降低刷新率，也會減小帶寬和功耗。一個TSMP節(jié)點可以同時加入多個幀，從而針對不同任務(wù)有效地實現(xiàn)多種刷新率（圖3）。具有時間、頻率和空間多樣性的TSMP包結(jié)構(gòu)提供了一種魯棒性的協(xié)議，可以應(yīng)對現(xiàn)實世界中的各種工業(yè)挑戰(zhàn)。

　　圖3:Dust Networks公司的時間同步網(wǎng)格協(xié)議（TSMP）節(jié)點可以同時加入多個幀，從而能有效地為不同任務(wù)實現(xiàn)不同的刷新率（a）。

　　電機無處不在

　　電機在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用十分廣泛。許多專家估計，工業(yè)電機總體擁有成本非常龐大，消耗工廠總能耗90%以上的能耗。雖然現(xiàn)代電機效率已經(jīng)被提升到90%至95%，但優(yōu)化電機系統(tǒng)的工作還可以節(jié)省20%以上的能耗。用于電機檢測、維護和控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也已就位。

　　許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以充分利用電機產(chǎn)生的機械能（由于振動）和熱能（由于發(fā)熱），而且通常可以在無需電池的情況下轉(zhuǎn)換這種能量，進而驅(qū)動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。EnOcean公司設(shè)計的ESK 300第一版868MHz無線能量采集開發(fā)套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗無線技術(shù)（圖4）。這個開發(fā)套件有兩個用于開關(guān)的電動機械式按鍵發(fā)電機和一個太陽能供電的溫度傳感器。由自供電的傳感器發(fā)送的消息可以被USB適配器接收，并通過DolphinView Basic電腦軟件實現(xiàn)可視化。

　　圖4:EnOcean公司設(shè)計的ESK 300第一版868MHz無線能量采集開發(fā)套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗無線技術(shù)。

　　帶按鍵無線發(fā)射模塊可以無需電池就實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制。重要應(yīng)用包括安裝在墻上且有一兩個搖臂的扁平搖臂開關(guān)以及擁有多達(dá)4個獨立按鍵的手持式遙控器。套件中為線性運動設(shè)計的ECO 200能量轉(zhuǎn)換器可以用來給PTM 330無線模塊供電。每次運動輸出的能量足以發(fā)射3條消息，并且自由場范圍可達(dá)300米。在建筑技術(shù)和工業(yè)自動化中的微型開關(guān)和傳感器將成為可能的應(yīng)用。

　　EnOcean聯(lián)盟圍繞低功耗能量采集無線技術(shù)創(chuàng)建了一個生態(tài)系統(tǒng)，并將它確立為可持續(xù)的建筑與工業(yè)自動化全球標(biāo)準(zhǔn)。這種生態(tài)系統(tǒng)支持不同的終端產(chǎn)品基于ISO/IEC 14543-310標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)互操作。

　　低壓升壓器模塊可用于放大較低的能量采集電平，以支持可能的無電池操作，比如Advanced Linear Devices公司的EH4205.這種自啟動模塊通過70mV至4V的能源產(chǎn)生能量，而汲取的輸入功率低至230μW，因此可以支持從電磁感應(yīng)線圈和TEG收集能量。

　　EH4205的標(biāo)稱輸入阻抗是50Ω，功效為52%，工作溫度范圍是0℃至70℃。它可以將輸入能量轉(zhuǎn)換為直流或交流電壓。EH4205具有睡眠功能，平時處于零功耗狀態(tài)，直到所連能量源的輸入變成有效才將它喚醒，然后累積能量，只要能量源提供電力，它就一直工作下去。

　　典型的商用低壓升壓器模塊要求至少300mV左右的輸入驅(qū)動才能工作。雖然一些現(xiàn)有的低壓模塊也可以在約100mV時工作，但它們不能滿足來自TEG和光電元件等能源實現(xiàn)能量采集傳感應(yīng)用的要求，因為它們的典型輸出功率約在4μW至40μW的單位數(shù)和兩位數(shù)范圍內(nèi)。

　　凌力爾特公司提供的種類廣泛的超低功耗模塊可用于壓電和光伏能源以及TEG的能量采集應(yīng)用。它們包括LTC3588-1/2壓電能量采集電源方案、LTC3108/9 TEG和LTC3105太陽能400mA升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，后者具有最大功率點控制并能以250mV的輸入啟動（圖5）。

　　圖5：凌力爾特科技公司提供的種類廣泛的超低功耗模塊可以用于來自壓電和光伏能源以及TEG的能量采集應(yīng)用。

　　Dust Networks公司今年推出的Eterna收發(fā)器芯片實現(xiàn)了IEEE 802.15.4e.與系統(tǒng)級芯片（SoC）結(jié)合在一起，這種第二代產(chǎn)品的功耗要比其替代的第一代產(chǎn)品低50%，從而確立了該公司在工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位（圖6）。Dust Networks公司稱，基于其Eterna技術(shù)的這款產(chǎn)品的功耗是競爭產(chǎn)品的約八分之一，這意味著它們的使用時間長8倍，即使它們由電線供電，其“綠色”水平也能高出8倍。

　　圖6:Dust Networks第二代Eterna收發(fā)器芯片的功耗要比前一代產(chǎn)品低50%.Eterna技術(shù)芯片的功耗是競爭產(chǎn)品的八分之一，因此持續(xù)使用時間長8倍。

　　并不是所有無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器芯片都設(shè)計為工作在很長距離，并能在廠房外部工作。許多芯片是為短距離通信設(shè)計的，可以用于工廠內(nèi)的工業(yè)環(huán)境和制造設(shè)施，以實現(xiàn)工廠車間設(shè)備之間的通信。許多這樣的收發(fā)器是緊湊、超低功耗器件。它們也使用Wi-Fi （IEEE 802.11）和ZigBee （IEEE 802.15.4）通信協(xié)議，可以工作在免許可的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段。也有的芯片使用藍(lán)牙協(xié)議（IEEE802.15.1）。

　　這些芯片包括：升特公司（Semtech）的SX1231J、California Eastern Labs的ZiC2410、Silicon Labs公司的Si446x EasyRadioPro、亞德諾半導(dǎo)體公司（ADI）的ADF7023-J以及德州儀器（TI）的C2500.Si446x“將GHz以下無線技術(shù)帶入了窄帶性能和功效的新水平。”Silicon Labs公司副總裁兼總經(jīng)理Mark Thompson表示。Si466x在睡眠模式僅消耗50nA電流，因此非常適合帶能量采集功能的電池供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用。

　　Banner Engineering公司的SureCros Q45收發(fā)器是最近推出的一種無線標(biāo)準(zhǔn)光電傳感器解決方案，其被設(shè)計用于控制與監(jiān)視應(yīng)用（圖7）。利用其專有的電源管理電路，可讓兩節(jié)可替換AA鋰電池持續(xù)工作5年時間，具體取決于所用的傳感器和應(yīng)用種類。

　　圖7:Banner Engineering公司推出的這種獨立型SureCros Q45光電傳感器收發(fā)器，電源管理電路可以使兩節(jié)AA鋰電池持續(xù)工作長達(dá)5年時間。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性

　　智能手機和平板電腦等先進的人機界面（HMI）設(shè)備使得工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的控制變得更加容易和更加簡單。但存在著某些有意和許多無意的網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險，除非采取足夠的保護措施，否則這些攻擊有可能使工廠的運轉(zhuǎn)徹底失靈。

　　在今年2月到4月期間，網(wǎng)絡(luò)安全公司Cyberti的職員跨越近4000英里的路程去檢查IEEE802.11 a/b/g/n無線傳輸，主要是尋找電源控制系統(tǒng)提供商的組織唯一標(biāo)識符（OUI）。這些OUI由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商、控制系統(tǒng)硬件供應(yīng)商所應(yīng)用。

　　Cyeberti公司的研究表明，OUI和完整的介質(zhì)訪問控制（MAC）地址即使在最安全的安全裝置中也經(jīng)常得不到保護。Cyberti共同創(chuàng)始人、首席安全官Matthew E.Luallen警告說，像Modbus、EtherNet/IP、PCCC、DNP3和ICC P等控制系統(tǒng)協(xié)議本身是沒有認(rèn)證的，這使得黑客可以為所欲為，因此在未受保護或保護性能較差的無線網(wǎng)絡(luò)上，數(shù)據(jù)應(yīng)該與控制系統(tǒng)MAC地址關(guān)聯(lián)起來。

　　Luallen補充道，便攜式設(shè)備可以通過緩存的遠(yuǎn)程訪問證書和設(shè)備上存儲的應(yīng)用程序作為受保護控制基礎(chǔ)設(shè)施的切入點。無線設(shè)備也可以配置為IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的多種宿主，從而形成不必要的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

　　“便攜式電子設(shè)備一定不能被當(dāng)成錘子或扳手之類的工具。這些設(shè)備保留著有關(guān)控制系統(tǒng)環(huán)境的信息，如果放在不能信任的人手里，可能造成額外的傷害。不管設(shè)備是傳統(tǒng)的筆記本電腦、iPhone、iPad還是HART通信器，作為工具都可能包含通信點、標(biāo)簽、配置參數(shù)、邏輯、框圖、藍(lán)圖以及有關(guān)環(huán)境的細(xì)節(jié)等可以被技術(shù)高深的黑客利用的內(nèi)容。”Luallen表示。

　　“首先，人們必須調(diào)查使用能夠自由訪問控制系統(tǒng)的移動設(shè)備能夠真正帶來多少提升生產(chǎn)率和降低成本的好處。”他補充道。Luallen還表示，不應(yīng)允許傳統(tǒng)消費型手機或平板電腦進行控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。“如果你真切地?fù)?dān)心存在的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險，那么在做任何有可能增大攻擊面的事之前都應(yīng)該三思而行。也許風(fēng)險確實比實際的生產(chǎn)率提高要大。”