RF無(wú)線技術(shù)：工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　作者：Mouser公司 Lynnette Reese

　　近年來(lái)，隨著無(wú)線通信、電源效率、極度微型化（如透過(guò) MEMS 傳感器達(dá)到的迷你規(guī)格設(shè)計(jì)）以及嵌入式運(yùn)算技術(shù)的不斷演進(jìn)，發(fā)展出越來(lái)越多適用于嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。預(yù)估在未來(lái)五年，工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器安裝點(diǎn)將達(dá)到2400萬(wàn)，爆發(fā)5.53倍的成長(zhǎng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速成長(zhǎng)受益于其可靠度符合大多數(shù)工業(yè)級(jí)應(yīng)用的需求，工業(yè)系統(tǒng)專用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世，以及無(wú)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(jià)格日趨親民化后，各種無(wú)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(lái)龐大的效益，同時(shí)也逐漸從本質(zhì)上改變不同產(chǎn)業(yè)一貫的運(yùn)作方式。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分散在實(shí)體空間內(nèi)的數(shù)千個(gè)微型自主傳感器（或節(jié)點(diǎn)）所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器采用高效方式鏈接，透過(guò)射頻 （RF） 波進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，藉由射頻波監(jiān)控并通報(bào)本機(jī)狀態(tài)或狀況，如溫度、震動(dòng)、壓力、污染物、動(dòng)作等（如圖1所示）。這些智能型傳感器可自動(dòng)管理制程，除非發(fā)生無(wú)法透過(guò)智能節(jié)點(diǎn)或從遠(yuǎn)程啟動(dòng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　智能型傳感器/節(jié)點(diǎn)以協(xié)同作業(yè)方式，透過(guò)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(jìn)一步處理與儲(chǔ)存行動(dòng)或采取相應(yīng)行動(dòng)。若將節(jié)點(diǎn)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(lái)會(huì)像一片網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每一個(gè)傳感器或節(jié)點(diǎn)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(dāng)省電。傳感器之所以能夠達(dá)到省電效益是因?yàn)槌杀窘档汀⒄隙忍嵘?、具備更精良?a target="_blank">電源管理能力以及采用了更先進(jìn)的算法。除此之外，能量整合功能也使用電達(dá)到近零耗能 （Net-Zero） 境界，而降低電池用量的智能型運(yùn)轉(zhuǎn)方式則帶來(lái)此一新興技術(shù)獨(dú)具的解決方案。

　　無(wú)線傳輸能力提供廣大效益。不需布線即可新增遠(yuǎn)程傳感器（通常配備若干本機(jī)決策制定功能），節(jié)省人力、材料，同時(shí)由于智能型手機(jī)是相當(dāng)理想的人工操作員/維護(hù)接口，可隨時(shí)隨地提供更精準(zhǔn)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)或在危險(xiǎn)或不易操作的地點(diǎn)更換電池，因此可提高生產(chǎn)力。比起有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝更迅速，如需重新安置，過(guò)程也更簡(jiǎn)單。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備極高的擴(kuò)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(shí)時(shí)功能與獨(dú)立能源運(yùn)作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)用途正不斷延伸擴(kuò)大，包括機(jī)器健全度（如震動(dòng)分析）、制造、條件式維護(hù)、自動(dòng)化計(jì)量、遠(yuǎn)程監(jiān)控、庫(kù)存管理、載具與人員管理以及其他運(yùn)作管理層面。設(shè)備需進(jìn)行維護(hù)時(shí)，可透過(guò)傳感器輸入執(zhí)行。相較于過(guò)去不管設(shè)備是否需要，一律定期維護(hù)的作法，及早于必要時(shí)執(zhí)行維護(hù)，可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命并減少浪費(fèi)（更具環(huán)保效益）。這又稱為“條件式維護(hù)”。

　　有效率的無(wú)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(biāo)準(zhǔn)可遵循。在消費(fèi)者市場(chǎng)中，藍(lán)光已經(jīng)取代 HD-DVD 成為光盤的新標(biāo)準(zhǔn)。這兩種格式都在十年前就已經(jīng)發(fā)表。標(biāo)準(zhǔn)之間的競(jìng)爭(zhēng)不利于生產(chǎn)力。工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。WirelessHART 和 ISA100-11.a 是相對(duì)較新的技術(shù)，而且是專為首重可靠性與實(shí)時(shí)反應(yīng)的工業(yè)用途開發(fā)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與消費(fèi)者相關(guān)的無(wú)線通信協(xié)議迥然不同。通訊協(xié)議是一組針對(duì)尋址、收發(fā)訊號(hào)、錯(cuò)誤偵測(cè)以及在信道上傳送信息所需的授權(quán)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸慣例或規(guī)則。

　　工業(yè)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求近乎實(shí)時(shí)的反應(yīng)，而且其延遲等級(jí)的接受度不若 VoIP 高。若為有線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)裝置，只能夠接受 10 毫秒的以太網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也一樣。因此，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一大優(yōu)勢(shì)就是采用具備儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)發(fā)分組交換功能的冗余節(jié)點(diǎn)；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(diǎn)也不受影響，也因此無(wú)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(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)使用其他鄰近節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸信息。若新增節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)便會(huì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可搭配決定型效能（deterministic performance）運(yùn)作。決定型系統(tǒng)（deterministic system ）是產(chǎn)生在系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)不考慮隨機(jī)因素時(shí)的系統(tǒng)。這意味著反應(yīng)時(shí)間是可預(yù)測(cè)的；網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間、容錯(cuò)以及聯(lián)機(jī)式拓?fù)浣钥深A(yù)測(cè)。決定很多時(shí)候取決于有線或無(wú)線通信協(xié)議中所使用的路由算法效率。這就是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)作及冗余最有利之處，因?yàn)楦叨瓤煽啃耘c低復(fù)雜性是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的常見(jiàn)需求。

　　工業(yè)控制系統(tǒng)也高度要求網(wǎng)絡(luò)安全性。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匿名性仍不足以防范愈來(lái)愈受到重視的黑客問(wèn)題。加密適用于工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且 Mouser 提供數(shù)種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。獨(dú)立能源運(yùn)作無(wú)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(guò) 802.15.4 硬件上的各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，傳送實(shí)時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確溫度與濕度。

　　整體而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始成為自動(dòng)化供貨商專門供應(yīng)的解決方案，用以解決先前無(wú)法解決的問(wèn)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(duì)用戶而言便成為行家才懂的“黑盒子”。因?yàn)橹挥泄┴浬棠軌虼嫒Ｓ猛ㄓ崊f(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(wú)線感測(cè)器網(wǎng)絡(luò)的主要特性包括：

　　§ 可輕松重新放置節(jié)點(diǎn)

　　§ 可自動(dòng)處理節(jié)點(diǎn)故障

　　§ 節(jié)點(diǎn)的功能與行為相似

　　§ 可輕易完成擴(kuò)充，成為含有數(shù)千節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)

　　§ 由于不需要纜線而且電源維護(hù)需求低或者甚至不需維護(hù)，適用于嚴(yán)峻的環(huán)境條件

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

　　§ 低耗電量

　　§ 對(duì)于使用電池或能源采集的節(jié)點(diǎn)而言也相當(dāng)省電

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

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展系著眼于如“環(huán)境智能”的概念，即無(wú)線運(yùn)算的普及度達(dá)到連實(shí)體空間也內(nèi)建各種會(huì)根據(jù)當(dāng)下環(huán)境需求進(jìn)行感測(cè)并執(zhí)行控制的節(jié)點(diǎn)。無(wú)線技術(shù)無(wú)時(shí)無(wú)刻都在進(jìn)步。新的 IEEE 802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速度將會(huì)提供比現(xiàn)行的 802.11n Wi-Fi 還要快三至四倍，達(dá)到 1.3 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。如此一來(lái)，工業(yè)用網(wǎng)絡(luò)也會(huì)獲得改善。隨著無(wú)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。

　　——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)09月技術(shù)特刊《智能工業(yè)特刊》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！

?