工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)一步發(fā)展

 得益于互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)基礎(chǔ)設(shè)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(shù)促成了工廠、發(fā)電廠、煉油廠、天然氣管道、鐵路運(yùn)輸和其他領(lǐng)域各種系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，但I(xiàn)IoT卻有潛力通過采用工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。

將控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)與IIoT節(jié)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互補(bǔ)充，可以提供更全面的數(shù)據(jù)綜合，能夠使企業(yè)優(yōu)化其整個(gè)價(jià)值鏈。例如，通過了解重要工廠設(shè)備的運(yùn)行狀況有助于預(yù)測問題可能發(fā)生的時(shí)間/地點(diǎn)，從而避免停機(jī)，每年可為公司節(jié)省大量資金。它還可以減少維護(hù)工作的頻率，從而降低運(yùn)營成本，尤其是對處于難以到達(dá)地方的設(shè)備。

On World預(yù)測，到2023年，全球每年將有34億件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片組出貨(2018年只有10億件)。802.15.4、藍(lán)牙、Wi-Fi和專有協(xié)議等短距離無線技術(shù)目前占所有出貨量的90%以上，但低功耗廣域網(wǎng)(包括SigFox、Lora和NB-IoT)正在以更快的速度增長。報(bào)告還預(yù)計(jì)，未來五年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相關(guān)服務(wù)(工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)和建筑等)的年收入將超過130億美元。

IIoT神經(jīng)中樞系統(tǒng)

相對于系統(tǒng)成本，工業(yè)領(lǐng)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(shè)施的順利和高效運(yùn)行，因?yàn)槿魏喂收?、延誤或事故都將導(dǎo)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(jì)算技術(shù)已經(jīng)取得巨大進(jìn)步，更牢固、超低功耗設(shè)計(jì)可以憑借紐扣電池即可使用數(shù)年時(shí)間，這些導(dǎo)致了更可靠和更安全的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)，從而可以滿足嚴(yán)格的行業(yè)要求，并且能夠在最極端的應(yīng)用環(huán)境中運(yùn)行。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成本較低，使得公司在整個(gè)設(shè)施中部署數(shù)百個(gè)(甚至數(shù)千個(gè))傳感器節(jié)點(diǎn)相對比較容易，也相當(dāng)經(jīng)濟(jì)，這樣構(gòu)建的IIoT與人類神經(jīng)系統(tǒng)很接近。這種可擴(kuò)展性，再加上對于多種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，進(jìn)一步提高了生態(tài)系統(tǒng)的可靠性，其中包括擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼器和網(wǎng)關(guān)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(yuǎn)的工作環(huán)境和工業(yè)設(shè)施的龐大規(guī)模外，設(shè)計(jì)師還應(yīng)考慮所有金屬、混凝土和工業(yè)設(shè)備帶來的干擾，以及設(shè)施現(xiàn)場內(nèi)外其他電子設(shè)備的電磁干擾。所有這些都決定了要實(shí)現(xiàn)的IIoT節(jié)點(diǎn)類型，或者應(yīng)該支持哪些無線協(xié)議組合，具體取決于特定應(yīng)用。藍(lán)牙低功耗(BLE)、ISA-100.11A、WirelessHART和ZigBee都是有效的選項(xiàng)。

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(gè)易于使用的API驅(qū)動(dòng)接口，可連接到公司免費(fèi)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(jī)構(gòu)認(rèn)證帶來的復(fù)雜性和成本。RN1810型號(hào)包括一個(gè)板載TCP/IP網(wǎng)絡(luò)棧、加密加速器、電源管理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、2.4GHz收發(fā)器和射頻功率放大器。

松下的PAN9026模塊結(jié)合了IEEE802.11a/b/g/n支持和藍(lán)牙BDR/EDR/LE功能，可在智能能源、家庭網(wǎng)關(guān)和IIoT應(yīng)用中提供靈活的連接。它具有動(dòng)態(tài)快速通道交換(DRCS)功能，可同時(shí)在2.4GHz和5GHz下運(yùn)行。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立運(yùn)行能夠使數(shù)據(jù)速率達(dá)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(biāo)準(zhǔn)支持和高速數(shù)據(jù)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(gè)例子是Microchip的MRF24J40MA，這是一款經(jīng)FCC認(rèn)證的射頻收發(fā)器產(chǎn)品，可針對2.4GHz免授權(quán)許可工業(yè)、科學(xué)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(wǎng)絡(luò)解決方案。該表面貼裝型模塊設(shè)計(jì)采用了各種8位、16位和32位PIC MCU，在與MIWI點(diǎn)對點(diǎn)軟件協(xié)議?；蚱渌赓M(fèi)開發(fā)工具結(jié)合使用時(shí)，能夠幫助設(shè)計(jì)工程師快速、廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)低功耗無線網(wǎng)絡(luò)。

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(gè)2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)者有價(jià)值的外圍設(shè)備。收發(fā)器采用了一種高效的架構(gòu)，超過了IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15dB以上動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)(如IEEE 802.11-2007和藍(lán)牙)可靠共存。

恩智普半導(dǎo)體公司的JN5148-001超低功耗、高性能無線MCU主要面向ZigBee Pro網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。每個(gè)MCU都具有一個(gè)增強(qiáng)的32位RISC處理器，通過可變寬度指令，以及一個(gè)多級(jí)指令管道和低功耗可編程時(shí)鐘速度運(yùn)行提供高編碼效率。這些MCU還集成了一個(gè)2.4GHz并符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器、128kB ROM、128kB RAM以及豐富的模擬和數(shù)字外圍設(shè)備。較大內(nèi)存允許它們以協(xié)處理器模式運(yùn)行一個(gè)網(wǎng)絡(luò)堆棧和一個(gè)嵌入式應(yīng)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(qiáng)的外圍設(shè)備包括在睡眠模式下運(yùn)行的低功耗脈沖計(jì)數(shù)器，專門設(shè)計(jì)用于自動(dòng)抄表(AMR)設(shè)備中的脈沖計(jì)數(shù)，還包括獨(dú)特的時(shí)間飛行(TOF)測距引擎，以支持通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的精確定位服務(wù)。

德州儀器公司的CC2530、CC2531和CC2533是面向802.15.4、ZigBee和RF4CE等應(yīng)用的SoC解決方案。它們將領(lǐng)先的射頻收發(fā)器性能與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存和8kB RAM結(jié)合在一起，其中CC2531使USB加密狗或USB可升級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠以較低的總材料成本構(gòu)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(yùn)行模式之間的過渡時(shí)間很短，進(jìn)一步保證了低能耗。CC2530具有高達(dá)256KB的大閃存，專為ZigBee Pro應(yīng)用而設(shè)計(jì)。64kB及以上版本支持ZigBee RF4CE的RemoTI堆棧，這是業(yè)界首個(gè)符合ZigBee RF4CE的協(xié)議堆棧。較大的內(nèi)存允許進(jìn)行片上、無線下載，以支持系統(tǒng)重新編程。CC2533具有高達(dá)96kB的系統(tǒng)可編程閃存和高達(dá)6kB的RAM。

ADI公司的SmartMesh IP無線解決方案(來自Dust Networks產(chǎn)品部)由嵌入式芯片和預(yù)先認(rèn)證的PCB模塊組成。這些完整的模塊產(chǎn)品配有完整開發(fā)，且經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的智能無線mesh網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)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(guān)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)。它還擁有一個(gè)運(yùn)行SmartMesh網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件正在不斷出現(xiàn)。當(dāng)下，在市場上可以找到達(dá)到所需性能水平的IC和模塊，同時(shí)還可以應(yīng)對電源預(yù)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(dòng)化程度提高帶來的諸多好處將會(huì)開始在全球范圍內(nèi)展現(xiàn)。