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浅析工业用无线传感器网络全新用途及解决方案

2018年02月13日 03:25 次阅读

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”。

工业用无线传感器网络介绍

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

工业用无线传感器网络介绍

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发表于 2017-12-09 16:41 66次阅读
面向无线传感器的坚固型能量收集系统解决方案

Aruba Networks推出AirMesh室...

近日,Aruba Networks推出了 AirMesh室外无线解决方案,提供具有高扩展性及高性能的...

发表于 2017-12-09 12:18 55次阅读
Aruba Networks推出AirMesh室...

局域网故障排除常用方法

当我们组建好了一个小型网吧后,为了使网吧运转正常,网络维护就显得很重要了。由于网络协议和网络设备的复...

发表于 2017-12-09 05:44 39次阅读
局域网故障排除常用方法

基于无源RFID标签芯片的低成本阻抗匹配网络设计...

RFID(Radiofrequencyidentification)是近年来兴起的一种发展迅速的自动...

发表于 2017-12-09 04:33 39次阅读
基于无源RFID标签芯片的低成本阻抗匹配网络设计...

基于用户体验的天线设计

好的无线网络离不开好的天线,华为长期投入天线与无线射频技术的基础研究,聚焦终端用户的综合业务体验提升...

发表于 2017-12-08 19:18 30次阅读
基于用户体验的天线设计

天线的扇区划分技术优化LTE网络

如今,对于更好的信号强度以及更快的下载速度的需求,已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。我们一直在...

发表于 2017-12-07 04:30 52次阅读
天线的扇区划分技术优化LTE网络

基于宽频率范围矢量网络分析仪分析评估及高速互联测...

云计算,智能手机和LTE服务使网络流量显著的增加。为了支持这些增加的流量,IT设备,如那些用于数据中...

发表于 2017-12-06 16:24 124次阅读
基于宽频率范围矢量网络分析仪分析评估及高速互联测...

LTE网络室外穿透覆盖室内方案分析

当地时间2013年11月21日上午, TD-LTE全球发展倡议(GTI)第八次研讨会在泰国曼谷拉开帷...

发表于 2017-12-06 09:16 89次阅读
LTE网络室外穿透覆盖室内方案分析

基于AnyFi的WLAN组网技术及其在4G网络...

AnyFi是一家瑞典公司提出的Wi-Fi解决方案。该方案让用户可以通过任何存在的Wi-Fi作为接入点...

发表于 2017-12-05 13:29 117次阅读
 基于AnyFi的WLAN组网技术及其在4G网络...

WSN市场推进无线传感器技术的发展

无线传感器技术是数十年来于过程测量领域中出现的最重要之新技术。因这原因,ARC Advisory G...

发表于 2017-11-30 09:09 236次阅读
WSN市场推进无线传感器技术的发展

手机和网络的那些事儿

我们越来越离不开智能手机,等车时看手机,吃饭时看手机,约会时看手机,入睡前看手机 可关于手机与网络的...

发表于 2017-11-29 19:02 358次阅读
手机和网络的那些事儿

简述网络检测的方法

(1)ipconfig命令。ipconfig实用程序可用于显示当前的TCP/IP配置的设置值,这些信...

发表于 2017-11-25 16:09 19次阅读
简述网络检测的方法

ZSTAR3无线传感器主要元件特性介绍及设计材料...

飞思卡尔(Freescale)公司的ZSTAR3无线传感器参考设计支持数字和模拟加速度计,并能通过R...

发表于 2017-11-25 13:41 89次阅读
ZSTAR3无线传感器主要元件特性介绍及设计材料...

无线传感器技术在物联网领域的应用案例分析

随着物联网无线传感器技术不断提高,越来越得到广泛应用,主要用于石油化工,电力,工业制造,医药,农业,...

发表于 2017-11-23 09:04 3196次阅读
无线传感器技术在物联网领域的应用案例分析

网络革新之SDN详解

利用赛灵思技术,设计团队现在能在芯片上构建线路卡,并根据其特定网络服务和应用定制硬件。 在通信架构受...

发表于 2017-11-18 08:23 121次阅读
网络革新之SDN详解

光纤网络和普通网络的区别

光纤网络是利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具接到公司或家或机房。利用交换机...

发表于 2017-10-31 15:43 215次阅读
光纤网络和普通网络的区别

华为300M智能全覆盖高端家庭网络解决方案

2017年10月24日,在第四届全球超宽带高峰论坛期间,华为正式发布家庭网络SmartWi-Fi 3...

发表于 2017-10-26 11:14 4418次阅读
华为300M智能全覆盖高端家庭网络解决方案

设计无电池设备需降低无线传感器节点功耗

无线传感器节点可通过缩减传感器尺寸、简化维护问题和延长电池续航时间而降低实施成本。如果把重点集中在无...

发表于 2017-10-20 13:53 1127次阅读
设计无电池设备需降低无线传感器节点功耗

在无线传感器网络领域Wi-Fi如何打败Zigbe...

将Wi-Fi用于WSN网络,确实是个不错的主意。因为它能够享受到正在被大规模部署的Wi-Fi网络所带...

发表于 2017-09-28 17:44 320次阅读
在无线传感器网络领域Wi-Fi如何打败Zigbe...

A站被罚12万元!A站三大频道关闭下架32万条视...

 对,没错,就是A站。近两天渐渐兴起,经常听别人说A站、B站、C站那这些站到底是什么意思呢?其实它们...

发表于 2017-09-07 09:26 1521次阅读
A站被罚12万元!A站三大频道关闭下架32万条视...