工業(yè)無線傳感器網絡（WSN）實現(xiàn)工業(yè)自動化進一步發(fā)展

 得益于互聯(lián)網、云計算和數據分析等技術以及工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)基礎設施的推出，第四次工業(yè)革命(或工業(yè)4.0)正在我們周圍發(fā)生。以前的工業(yè)技術促成了工廠、發(fā)電廠、煉油廠、天然氣管道、鐵路運輸和其他領域各種系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，但IIoT卻有潛力通過采用工業(yè)無線傳感器網絡(WSN)來實現(xiàn)自動化的進一步發(fā)展。

將控制系統(tǒng)中的數據與IIoT節(jié)點所獲取的數據進行相互補充，可以提供更全面的數據綜合，能夠使企業(yè)優(yōu)化其整個價值鏈。例如，通過了解重要工廠設備的運行狀況有助于預測問題可能發(fā)生的時間/地點，從而避免停機，每年可為公司節(jié)省大量資金。它還可以減少維護工作的頻率，從而降低運營成本，尤其是對處于難以到達地方的設備。

On World預測，到2023年，全球每年將有34億件無線傳感器網絡芯片組出貨(2018年只有10億件)。802.15.4、藍牙、Wi-Fi和專有協(xié)議等短距離無線技術目前占所有出貨量的90%以上，但低功耗廣域網(包括SigFox、Lora和NB-IoT)正在以更快的速度增長。報告還預計，未來五年，無線傳感器網絡設備和相關服務(工業(yè)自動化、農業(yè)和建筑等)的年收入將超過130億美元。

IIoT神經中樞系統(tǒng)

相對于系統(tǒng)成本，工業(yè)領域通常更重視安全和可靠性，這些系統(tǒng)需要確保制造或加工現(xiàn)場設施的順利和高效運行，因為任何故障、延誤或事故都將導致收入損失或更糟的人身傷亡。無線通信、高能效、小型化和更智能的嵌入式計算技術已經取得巨大進步，更牢固、超低功耗設計可以憑借紐扣電池即可使用數年時間，這些導致了更可靠和更安全的無線傳感器節(jié)點的開發(fā)，從而可以滿足嚴格的行業(yè)要求，并且能夠在最極端的應用環(huán)境中運行。

無線傳感器網絡技術的成本較低，使得公司在整個設施中部署數百個(甚至數千個)傳感器節(jié)點相對比較容易，也相當經濟，這樣構建的IIoT與人類神經系統(tǒng)很接近。這種可擴展性，再加上對于多種無線網絡協(xié)議的支持，進一步提高了生態(tài)系統(tǒng)的可靠性，其中包括擴展網絡中的傳感器節(jié)點、中繼器和網關等，所有這些都必需提供空間和通道冗余以支持工業(yè)4.0。

支持IIoT無線協(xié)議

除了惡劣或偏遠的工作環(huán)境和工業(yè)設施的龐大規(guī)模外，設計師還應考慮所有金屬、混凝土和工業(yè)設備帶來的干擾，以及設施現(xiàn)場內外其他電子設備的電磁干擾。所有這些都決定了要實現(xiàn)的IIoT節(jié)點類型，或者應該支持哪些無線協(xié)議組合，具體取決于特定應用。藍牙低功耗(BLE)、ISA-100.11A、WirelessHART和ZigBee都是有效的選項。

Microchip公司的 2.4GHz收發(fā)器模塊擁有極低的接收電流，因而具備更長的電池使用壽命。IEEE802.11模塊固件有一個易于使用的API驅動接口，可連接到公司免費的TCP/IP協(xié)議棧及其非常受歡迎的PIC微控制器(MCU)。這些低功耗嵌入式Wi-Fi模塊能夠避免從頭開始研發(fā)射頻電路和獲得機構認證帶來的復雜性和成本。RN1810型號包括一個板載TCP/IP網絡棧、加密加速器、電源管理子系統(tǒng)、實時時鐘、2.4GHz收發(fā)器和射頻功率放大器。

松下的PAN9026模塊結合了IEEE802.11a/b/g/n支持和藍牙BDR/EDR/LE功能，可在智能能源、家庭網關和IIoT應用中提供靈活的連接。它具有動態(tài)快速通道交換(DRCS)功能，可同時在2.4GHz和5GHz下運行。這兩個標準的獨立運行能夠使數據速率達到150Mbps，而功耗只有400mA(傳輸)和70mA(接收)。通過集成電源管理、快速雙核中央處理器(CPU)、802.11i安全標準支持和高速數據接口，該模塊能夠提供IIoT部署所需的速度和可靠性。

接下來一個例子是Microchip的MRF24J40MA，這是一款經FCC認證的射頻收發(fā)器產品，可針對2.4GHz免授權許可工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)短程無線頻段，以及ZigBee和專有無線協(xié)議系統(tǒng)提供完整的無線網絡解決方案。該表面貼裝型模塊設計采用了各種8位、16位和32位PIC MCU，在與MIWI點對點軟件協(xié)議?；蚱渌赓M開發(fā)工具結合使用時，能夠幫助設計工程師快速、廉價地實現(xiàn)低功耗無線網絡。

更智能的WSN解決方案

Silicon Labs 公司的EM35x系列由完全集成的片上系統(tǒng)(SOC)組成，該系統(tǒng)具有一個2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003標準的收發(fā)器以及32位ARM Cortex-M3微處理器、閃存和RAM、和許多對ZigBee系統(tǒng)設計者有價值的外圍設備。收發(fā)器采用了一種高效的架構，超過了IEEE 802.15.4-2003標準規(guī)定的15dB以上動態(tài)范圍要求。集成的接收通道過濾允許與2.4GHz頻譜中的其他通信標準(如IEEE 802.11-2007和藍牙)可靠共存。

恩智普半導體公司的JN5148-001超低功耗、高性能無線MCU主要面向ZigBee Pro網絡應用。每個MCU都具有一個增強的32位RISC處理器，通過可變寬度指令，以及一個多級指令管道和低功耗可編程時鐘速度運行提供高編碼效率。這些MCU還集成了一個2.4GHz并符合IEEE802.15.4標準的收發(fā)器、128kB ROM、128kB RAM以及豐富的模擬和數字外圍設備。較大內存允許它們以協(xié)處理器模式運行一個網絡堆棧和一個嵌入式應用。該MCU工作電流低于18mA，可以采用紐扣電池直接供電。其增強的外圍設備包括在睡眠模式下運行的低功耗脈沖計數器，專門設計用于自動抄表(AMR)設備中的脈沖計數，還包括獨特的時間飛行(TOF)測距引擎，以支持通過無線傳感器網絡實現(xiàn)的精確定位服務。

德州儀器公司的CC2530、CC2531和CC2533是面向802.15.4、ZigBee和RF4CE等應用的SoC解決方案。它們將領先的射頻收發(fā)器性能與行業(yè)標準增強型8051 MCU、系統(tǒng)內可編程閃存和8kB RAM結合在一起，其中CC2531使USB加密狗或USB可升級網絡節(jié)點能夠以較低的總材料成本構建。它具有多種工作模式，適用于需要超低功耗的系統(tǒng)。其運行模式之間的過渡時間很短，進一步保證了低能耗。CC2530具有高達256KB的大閃存，專為ZigBee Pro應用而設計。64kB及以上版本支持ZigBee RF4CE的RemoTI堆棧，這是業(yè)界首個符合ZigBee RF4CE的協(xié)議堆棧。較大的內存允許進行片上、無線下載，以支持系統(tǒng)重新編程。CC2533具有高達96kB的系統(tǒng)可編程閃存和高達6kB的RAM。

ADI公司的SmartMesh IP無線解決方案(來自Dust Networks產品部)由嵌入式芯片和預先認證的PCB模塊組成。這些完整的模塊產品配有完整開發(fā)，且經過現(xiàn)場驗證的智能無線mesh網絡軟件。SmartMesh無線傳感器能夠通過超低功耗、安全的無線通信提供強大的數據可靠性(>99.999%)，使得傳感器可以安置在性能不可受到影響的IIoT環(huán)境中。SmartMesh Motes及其相關網絡管理板(network manager board)的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC，它采用了該公司高集成度低功耗2.4GHz射頻設計。它還擁有一個運行SmartMesh網絡軟件的ARM Cortex-M3 32位微處理器。

圖1：松下公司PAN9026模塊。

能夠支持工業(yè)4.0廣泛應用的無線傳感器網絡硬件正在不斷出現(xiàn)。當下，在市場上可以找到達到所需性能水平的IC和模塊，同時還可以應對電源預算、具有挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境條件和大量各式各樣安全威脅等問題。因此，在未來幾年，自動化程度提高帶來的諸多好處將會開始在全球范圍內展現(xiàn)。