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作者：平玨 貿澤電子 摘要: 隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)、數據分析和云計算等系統的出現，使得工業(yè)4.0的推進(jìn)和實(shí)施成為可能。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有可能通過(guò)采用工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）來(lái)推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。將控制系統中的數據與物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)所獲取的數據進(jìn)行交互，可以提供更全面的數據集，使公司能夠優(yōu)化其整個(gè)價(jià)值鏈。本文主要介紹了，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要節點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢以及無(wú)線(xiàn)通信的解決方案。 一、引言 第四次工業(yè)革命（或工業(yè)4.0）正向我們走來(lái)——通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、數據分析和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）基礎設施的出現而成為可能。盡管之前的工業(yè)技術(shù)使工廠(chǎng)、發(fā)電廠(chǎng)、煉油廠(chǎng)、天然氣管道、鐵路運輸等各個(gè)系統的監測和控制成為可能，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)采用工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）來(lái)推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 
將控制系統中的數據與物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)所獲取的數據進(jìn)行融合，可以提供更全面的數據集，使用戶(hù)能夠優(yōu)化其整個(gè)價(jià)值鏈。例如，了解工廠(chǎng)關(guān)鍵設備的運行狀態(tài)有助于預測問(wèn)題可能發(fā)生的時(shí)間/地點(diǎn)，這樣可以避免和減少停機的風(fēng)險，每年為公司節省大量資金。這樣還可以減少所需進(jìn)行維護工作的頻率，從而降低運營(yíng)成本。 據估計，到2023年全球每年將有34億臺無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )芯片組出貨（高于2018年的10億臺）。短距離無(wú)線(xiàn)通訊方式（如802.15.4、藍牙、Wi-Fi和專(zhuān)有協(xié)議）目前占所有發(fā)貨量的90%以上，但低功耗長(cháng)距離通訊方式（SigFox、Lora和NB-IoT）正在以更快的速度增長(cháng)。預計未來(lái)五年，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設備的相關(guān)領(lǐng)域（工業(yè)、農業(yè)和建筑）的年收入將超過(guò)130億美元。 二、IIOT的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ) 通常來(lái)說(shuō)，控制系統通常更重視其安全和可靠性，而不是系統成本，這些系統有助于確保制造或加工場(chǎng)所的順利和高效運行，因為任何錯誤、延遲或事故都將導致收入損失甚至人身傷亡。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、能效、小型化和智能嵌入式計算技術(shù)的進(jìn)步，以及更強健、低功耗的設計、長(cháng)壽命的紐扣電池，這些均導致了可靠和安全的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的發(fā)展。這些節點(diǎn)能夠滿(mǎn)足嚴格的行業(yè)要求，并且能夠在最極端的應用程序設置下工作。 由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的成本較低，使得在整個(gè)系統中部署數百個(gè)甚至數千個(gè)傳感器節點(diǎn)相對容易，也相當經(jīng)濟，從而形成了類(lèi)人的物聯(lián)網(wǎng)系統。這種可擴展性，再加上支持多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的能力，進(jìn)一步提高了生態(tài)系統的可靠性，包括傳感器節點(diǎn)、中繼器和網(wǎng)關(guān)的廣泛網(wǎng)絡(luò )，所有這些都實(shí)現了工業(yè)4.0所必需的空間和通道冗余。 三、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)協(xié)議 除了惡劣或偏遠的操作環(huán)境和工業(yè)設施的龐大規模外，工程師還應考慮到所有金屬、混凝土和設備帶來(lái)的干擾，以及來(lái)自?xún)炔亢椭車(chē)渌娮釉O備的電磁干擾。所有這些都決定了要實(shí)現的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)類(lèi)型，或者應該支持哪種組合無(wú)線(xiàn)協(xié)議，取決于具體應用。藍牙低能耗（BLE）、ISA-100.11A、無(wú)線(xiàn)HART和ZigBee都是有效的選項。 Microchip的2.4GHz收發(fā)器模塊具有極低的接收電流，這樣可以延長(cháng)電池壽命。IEEE802.1.1模塊具有一個(gè)易于使用的API驅動(dòng)程序接口，可以連接到公司免費的TCP/IP協(xié)議棧及其主流的PIC微控制器單元（MCU）。這些低功耗嵌入式Wi-Fi模塊消除了從零開(kāi)始開(kāi)發(fā)RF電路并獲得代理證書(shū)的復雜性和成本。RN1810型號包括一個(gè)板載TCP/IP網(wǎng)絡(luò )棧、密碼加速器、電源管理子系統、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、2.4GHz收發(fā)器和射頻功率放大器。
圖2 Microchip MRF24WB0MA/MRF24WB0MB無(wú)線(xiàn)模塊（來(lái)源: 貿澤電子） Panasonic的PAN9026模塊將IEEE 802.11a/b/g/n支持與藍牙BDR/EDR/LE功能結合在一起，為智能能源、家庭網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)的應用提供靈活的連接選項。它具有動(dòng)態(tài)快速通道切換（DRCS）功能，可在2.4GHz和5GHz下同時(shí)工作。 這兩個(gè)獨立運行的標準使數據速率達到150Mbps，再加上400mA（傳輸）和70mA（接收）的超低電流。通過(guò)集成電源管理、高速雙核處理器（CPU）、802.11i安全標準支持和高速數據接口，它提供了物聯(lián)網(wǎng)部署所需的速度和可靠性。
圖3 Panasonic PAN9026 Wi-Fi和BLUETOOTH®無(wú)線(xiàn)電模塊（來(lái)源: 貿澤電子） 四、智能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )解決方案 Silicon Labs EM35X系列由完全集成的片上系統（SOC）組成，該系統具有2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003標準的收發(fā)器、32位ARM Cortex-M3微處理器、閃存和RAM，以及許多對ZigBee系統設計者有價(jià)值的外圍設備。收發(fā)器元件采用了一種有效的架構，超過(guò)了IEEE 802.15.4-2003標準規定的動(dòng)態(tài)范圍要求15分貝以上。集成接收通道過(guò)濾允許與2.4GHz頻譜中的其他通信標準（如IEEE 802.11-2007和藍牙）牢固共存。 ADI的 Smart Mesh IP無(wú)線(xiàn)解決方案，由嵌入式芯片和預認證的PCB模塊組成。這些模塊配有完全開(kāi)發(fā)的、經(jīng)過(guò)現場(chǎng)驗證的智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )軟件。Smart Mesh無(wú)線(xiàn)傳感器能夠通過(guò)超低功耗、安全的無(wú)線(xiàn)通信提供強大的數據可靠性（>99.999%）。使得傳感器可以放置在任意的IIOT環(huán)境中。Smart Mesh及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò )管理板的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC，它采用了高度集成的低功耗2.4GHz無(wú)線(xiàn)電設計同時(shí)還具有 一個(gè)運行Smart Mesh網(wǎng)絡(luò )軟件的ARM Cortex-M3 32位微處理器。
圖4 ADI. Smart Mesh® IP™無(wú)線(xiàn)解決方案（來(lái)源: 貿澤電子） 支持工業(yè)4.0技術(shù)發(fā)展所需的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件正在實(shí)現這一目標�，F在，可以在市場(chǎng)上找到達到所需性能的組件和模塊，同時(shí)還可以應對電源預算限制、具有挑戰性的操作條件和一系列不同的安全威脅。因此，在未來(lái)幾年中，自動(dòng)化程度提高帶來(lái)的諸多好處將開(kāi)始在全球范圍內實(shí)現。 作者介紹： 平玨先生現任貿澤電子亞太區技術(shù)行銷(xiāo)經(jīng)理，曾任菲尼克斯電氣（中國）有限公司產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理等職務(wù)。具有10多年的產(chǎn)品應用、解決方案、市場(chǎng)開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)應用、產(chǎn)品評估的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗；覆蓋工業(yè)自動(dòng)化、人工智能、工業(yè)機器人等領(lǐng)域。 畢業(yè)于上海交通大學(xué)，獲得通信工程學(xué)士學(xué)位及控制工程碩士學(xué)位。 |
