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摘要：隨著(zhù)工業(yè)應用中無(wú)線(xiàn)傳感器能量采集通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠(chǎng)和車(chē)間過(guò)程自動(dòng)化得以徹底革新。這些技術(shù)創(chuàng )新可以幫助自動(dòng)化工程師將傳統制造技術(shù)與新的現代無(wú)線(xiàn)通信功能有機融合在一起。 隨著(zhù)工業(yè)應用中無(wú)線(xiàn)傳感器通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠(chǎng)和車(chē)間過(guò)程自動(dòng)化得以徹底革新。這些技術(shù)創(chuàng )新可以幫助自動(dòng)化工程師將傳統制造技術(shù)與新的現代無(wú)線(xiàn)通信功能有機融合在一起。 對于許多工業(yè)應用來(lái)說(shuō)，不管從長(cháng)期還是短期看，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的成本通常都要比有線(xiàn)解決方案低很多，因為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )更容易查錯、維護和修復。與遍布長(cháng)達數英里且通常是埋設走線(xiàn)的有線(xiàn)工作場(chǎng)地相比，捕捉無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的缺陷或故障要容易得多。無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足為適應更新產(chǎn)品類(lèi)型和型號而不斷變化的工廠(chǎng)需求。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )還能通過(guò)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 )更快的數據傳輸對于要求晝夜監視和監控的重要工業(yè)場(chǎng)合來(lái)說(shuō)也非常有價(jià)值。煤氣管道、視頻安全系統、發(fā)電站、供水系統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，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以為公司節省因環(huán)境破壞受到的數百萬(wàn)美元罰金，更不用說(shuō)對環(huán)境破壞的即時(shí)控制了。 不過(guò)，在工業(yè)裝置中使用無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )也有需要注意的地方�，F在智能手機和平板電腦等人機界面設備已經(jīng)非常普及，如果不采取正確的安全措施，這些設備很可能對無(wú)線(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險。幸運的是，許多現代無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲和協(xié)議內置了許多工具，可最大程度地減小安全漏洞。 功耗優(yōu)勢 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的好處遠不止上述這些優(yōu)勢。例如，無(wú)線(xiàn)感測和聯(lián)網(wǎng)可以讓制造商使用低功耗電子設備，從而節省能源。隨著(zhù)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(jìn)步，制造商可以專(zhuān)注于實(shí)現可能最低的功耗。 能量采集技術(shù)利用現代IC功能可以節省更多的能源。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(dòng)或者室內照明等產(chǎn)生的能量工作，而這些能源在工廠(chǎng)中幾乎無(wú)處不在(圖1)。這些技術(shù)可以最大程度地減少(如果不能消除的話(huà))電池的使用，進(jìn)而實(shí)現更低的能耗水平。熱電發(fā)電機(TEG)、太陽(yáng)能設備、機械運動(dòng)傳感器和能量存儲超級電容如今都已經(jīng)非常成熟。 圖1：在典型的能量采集系統中，能量產(chǎn)生于運動(dòng)、熱源、光電資源或磁場(chǎng)活動(dòng)。這種能量可以被捕獲、存儲、管理并饋送給傳感器進(jìn)行傳輸。 “人們對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )使用電池供電總是津津樂(lè )道甚至有些得意�！�凌力爾特公司(Linear)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監Tony Armstrong表示，“但與此同時(shí)他們越來(lái)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，更重要的是要有足夠的能量來(lái)完成所需的任務(wù)。下面讓我們順著(zhù)這條思路看看2009年時(shí)的情況�！� 在工業(yè)中的應用 美國節能經(jīng)濟委員會(huì )(ACEEE)一直在呼吁更好地使用先進(jìn)的通信技術(shù)。正如在該委員會(huì )提交的題為“用于實(shí)現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(hù)能更好地利用目前可用的現代通信技術(shù)(如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ))的優(yōu)勢，他們可以將系統效率再提高約12%至22%，從而在節能和提高生產(chǎn)率方面實(shí)現數百甚至數千億美元的效益。 HART通信基金會(huì )透露，目前在全球主要制造場(chǎng)所安裝有8000多個(gè)WirelessHART網(wǎng)絡(luò )。據該組織報道，有成千上萬(wàn)的設備工作于許多加工應用中，包括旋轉式設備、管道監視、存儲系統、自動(dòng)化廠(chǎng)房和材料處理設施。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(chǎng)所開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò )和各自的儀器。 WirelessHART借鑒了許多經(jīng)過(guò)驗證的國際標準，包括HART通信協(xié)議標準(IEC6158)、EDDL(IEC61804-3)和IEEE802.15.4。這個(gè)IEEE標準是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(shí)現了商用化。Dust Networks隨后被凌力爾特公司收購。作為Pister的工作成果，術(shù)語(yǔ)“塵埃(mote)”得到了Dust Networks公司的廣泛宣傳。 WirelessHART是一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)通信協(xié)議，廣泛用于過(guò)程自動(dòng)化應用。它在HART協(xié)議中增加了無(wú)線(xiàn)功能，同時(shí)保持了與現有HART設備、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三個(gè)主要部分，即無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò )管理器(圖2)。 圖2：用于過(guò)程自動(dòng)化應用的WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )在HART協(xié)議中增加了無(wú)線(xiàn)功能，同時(shí)保持了與現有HART設備、通信和工具的兼容。它包含三個(gè)主要部分，即無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備、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(chǎng)、啤酒廠(chǎng)等行業(yè)中，我們已經(jīng)從理論上設立了工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的標準，可用于跟蹤液平面、流動(dòng)速度、機器振動(dòng)、壓力、溫度等�！盤(pán)ister指出，“我們業(yè)已證實(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )要比有線(xiàn)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(shí)間同步網(wǎng)格協(xié)議(TSMP)。HART的5個(gè)關(guān)鍵部分是時(shí)間同步的通信、跳頻、自動(dòng)節點(diǎn)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(shí)現自組。每個(gè)TSMP節點(diǎn)可以智能的發(fā)現鄰居、測量射頻信號強度、捕捉同步與跳頻信息，然后與相鄰節點(diǎn)建立路徑和鏈路。 在TSMP中，每個(gè)通信窗口被稱(chēng)為時(shí)隙。一系列時(shí)隙組成一幀，在網(wǎng)絡(luò )的生命周期中這個(gè)幀會(huì )不斷地重復。幀長(cháng)度以時(shí)隙數計算，是一個(gè)可配置的參數——這樣就可以為網(wǎng)絡(luò )確立一個(gè)特定的刷新率。 較短的幀長(cháng)度可提高刷新率、增加有效帶寬和功耗。相反，較長(cháng)的幀將降低刷新率，也會(huì )減小帶寬和功耗。一個(gè)TSMP節點(diǎn)可以同時(shí)加入多個(gè)幀，從而針對不同任務(wù)有效地實(shí)現多種刷新率(圖3)。具有時(shí)間、頻率和空間多樣性的TSMP包結構提供了一種魯棒性的協(xié)議，可以應對現實(shí)世界中的各種工業(yè)挑戰。（無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )群：8044196） 圖3：Dust Networks公司的時(shí)間同步網(wǎng)格協(xié)議(TSMP)節點(diǎn)可以同時(shí)加入多個(gè)幀，從而能有效地為不同任務(wù)實(shí)現不同的刷新率(a)。 |
