RF無線技術(shù)：工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

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(guī)格設(shè)計)以及嵌入式運算技術(shù)的不斷演進，發(fā)展出越來越多適用于嚴苛工業(yè)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。預(yù)估在未來五年，工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器安裝點將達到2400萬，爆發(fā)5.53倍的成長。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速成長受益于其可靠度符合大多數(shù)工業(yè)級應(yīng)用的需求，工業(yè)系統(tǒng)專用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準問世，以及無線傳感器網(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格日趨親民化后，各種無線傳感器網(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)帶來龐大的效益，同時也逐漸從本質(zhì)上改變不同產(chǎn)業(yè)一貫的運作方式。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分散在實體空間內(nèi)的數(shù)千個微型自主傳感器(或節(jié)點)所組成的網(wǎng)絡(luò)。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(jiān)控并通報本機狀態(tài)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(fā)生無法透過智能節(jié)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(wǎng)絡(luò)

智能型傳感器/節(jié)點以協(xié)同作業(yè)方式，透過網(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、采取進一步處理與儲存行動或采取相應(yīng)行動。若將節(jié)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每一個傳感器或節(jié)點就像一粒胡椒，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(zhuǎn)方式則帶來此一新興技術(shù)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(jié)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(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程數(shù)據(jù)或在危險或不易操作的地點更換電池，因此可提高生產(chǎn)力。比起有線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝更迅速，如需重新安置，過程也更簡單。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)置，還可提供實時功能與獨立能源運作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)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(jiān)控、庫存管理、載具與人員管理以及其他運作管理層面。設(shè)備需進行維護時，可透過傳感器輸入執(zhí)行。相較于過去不管設(shè)備是否需要，一律定期維護的作法，及早于必要時執(zhí)行維護，可延長設(shè)備的使用壽命并減少浪費(更具環(huán)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(shù)的兩大挑戰(zhàn)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(jīng)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(jīng)發(fā)表。標準之間的競爭不利于生產(chǎn)力。工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。WirelessHART 和 ISA100-11.a 是相對較新的技術(shù)，而且是專為首重可靠性與實時反應(yīng)的工業(yè)用途開發(fā)。這兩個標準與消費者相關(guān)的無線通信協(xié)議迥然不同。通訊協(xié)議是一組針對尋址、收發(fā)訊號、錯誤偵測以及在信道上傳送信息所需的授權(quán)所設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸慣例或規(guī)則。

工業(yè)用無線網(wǎng)絡(luò)要求近乎實時的反應(yīng)，而且其延遲等級的接受度不若 VoIP 高。若為有線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場裝置，只能夠接受 10 毫秒的以太網(wǎng)絡(luò)等待時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也一樣。因此，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一大優(yōu)勢就是采用具備儲存并轉(zhuǎn)發(fā)分組交換功能的冗余節(jié)點;此一技術(shù)基礎(chǔ)和因特網(wǎng)的前身-ARPANET 相同。即使有一大區(qū)段網(wǎng)絡(luò)故障，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點也不受影響，也因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備自行修復(fù)功能。若移除某一節(jié)點，其他節(jié)點會使用其他鄰近節(jié)點繼續(xù)傳輸信息。若新增節(jié)點，則該節(jié)點便會開始發(fā)送并傳遞封包，好像原本便存在一般。

若顧及通訊協(xié)議，工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可搭配決定型效能(deterministic performance)運作。決定型系統(tǒng)(deterministic system )是產(chǎn)生在系統(tǒng)未來狀態(tài)不考慮隨機因素時的系統(tǒng)。這意味著反應(yīng)時間是可預(yù)測的;網(wǎng)絡(luò)等待時間、容錯以及聯(lián)機式拓撲皆可預(yù)測。決定很多時候取決于有線或無線通信協(xié)議中所使用的路由算法效率。這就是工業(yè)標準對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實作及冗余最有利之處，因為高度可靠性與低復(fù)雜性是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的常見需求。

工業(yè)控制系統(tǒng)也高度要求網(wǎng)絡(luò)安全性。無線網(wǎng)絡(luò)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(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且 Mouser 提供數(shù)種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。獨立能源運作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳范例為 Powercast Wireless Sensor System，內(nèi)建 RF 能量整合模塊，能夠透過 802.15.4 硬件上的各種工業(yè)標準通訊協(xié)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(wǎng)絡(luò)開始成為自動化供貨商專門供應(yīng)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(xié)議內(nèi)的研發(fā)所需工具，使得基本的創(chuàng)新發(fā)展受到阻礙。無線感測器網(wǎng)絡(luò)的主要特性包括：

§ 可輕松重新放置節(jié)點

§ 可自動處理節(jié)點故障

§ 節(jié)點的功能與行為相似

§ 可輕易完成擴充，成為含有數(shù)千節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò)

§ 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(huán)境條件

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

§ 低耗電量

§ 對于使用電池或能源采集的節(jié)點而言也相當省電

表 工業(yè)用無線網(wǎng)絡(luò)所使用的通訊協(xié)議表

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展系著眼于如“環(huán)境智能”的概念，即無線運算的普及度達到連實體空間也內(nèi)建各種會根據(jù)當下環(huán)境需求進行感測并執(zhí)行控制的節(jié)點。無線技術(shù)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(xiàn)行的 802.11n Wi-Fi 還要快三至四倍，達到 1.3 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。如此一來，工業(yè)用網(wǎng)絡(luò)也會獲得改善。隨著無線網(wǎng)絡(luò)為人類開拓了全新的應(yīng)用領(lǐng)域及原本需要但卻不知道的新功能，使得工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的模式也逐漸在改變。