什么是狀態(tài)監(jiān)測？為何要部署狀態(tài)監(jiān)測?

本文將比較各種用于物聯(lián)網(wǎng)應用的無線連接技術，并介紹具體的物聯(lián)網(wǎng)應用場景－狀態(tài)監(jiān)測，并且根據(jù)每一類應用最關鍵的特性來比較各種無線技術。

什么是狀態(tài)監(jiān)測？為何要部署狀態(tài)監(jiān)測？

狀態(tài)監(jiān)測的基本原理是連續(xù)監(jiān)測機器或設備的運行狀況，從而預測可能何時因設備的一項或多項狀態(tài)參數(shù)發(fā)生重大變化而出現(xiàn)故障。這常常稱為預測性維護。 只有仔細執(zhí)行以下操作，狀態(tài)監(jiān)測才能檢測到逐漸產(chǎn)生的異常變化和趨勢：

選擇需要監(jiān)測的機器參數(shù)

定期測量參數(shù)

選擇測量間隔時間

狀態(tài)監(jiān)測最常用于工業(yè)、制造業(yè)、智能樓宇和交通運輸中，例如機械旋轉設備，例如壓縮機、泵、電機等。最常監(jiān)測的參數(shù)包括溫度、濕度、振動、壓力（液體或其他泄漏）、電流以及電壓（隨著設備的老化而變化）。 并非所有機器都需要連續(xù)監(jiān)測關鍵參數(shù)，一般情況下只需要偶爾測量參數(shù)。監(jiān)測操作通常取決于相關設備的類型和重要性。由于故障通常發(fā)生于單個部件，因此監(jiān)測時還需要關注關鍵部件的相關特定故障模式。

預測性維護的優(yōu)點包括：

避免機器停機，從而提高生產(chǎn)效率并節(jié)省更多成本

提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，并在其發(fā)展成嚴重故障之前解決

僅在必要時進行維護，而非無論是否需要都每隔一段時間進行維護

準確檢測引起故障的原因，提高維護效率

無線技術在狀態(tài)監(jiān)測中需要具備的最重要特性用于狀態(tài)監(jiān)測的無線技術必須具備一些關鍵特性。當用于狀態(tài)監(jiān)測時，最重要的特性是可靠性、延遲性、距離和功耗。

下面將詳細介紹這些特性，并說明為什么它們對于狀態(tài)監(jiān)測至關重要。

1. 可靠性

狀態(tài)監(jiān)測應用中無線網(wǎng)絡的可靠性非常重要。在不可靠的網(wǎng)絡上傳輸傳感器數(shù)據(jù)點可能造成弊大于利，而且對于有嚴格時間要求的應用尤其如此。 無線網(wǎng)絡采用協(xié)議層面、設計層面以及實現(xiàn)層面的多種技術來提高可靠性。最常見的技術包括：

發(fā)生錯誤時的數(shù)據(jù)重傳，該技術依賴于對數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收順序的追蹤

錯誤檢測和糾正（例如數(shù)據(jù)冗余、正向糾錯技術等）

增加發(fā)射器的發(fā)射功率

提高接收器的靈敏度

為接收器安裝多根天線

為避免嘈雜通道而進行跳頻

無線網(wǎng)絡技術在創(chuàng)建時的側重點各有不同，一些技術更加注重可靠性和穩(wěn)健性。因此，在選擇無線網(wǎng)絡技術時，請務必仔細考慮可靠性這項參數(shù)，并切實了解采用哪些機制能夠達到系統(tǒng)所需的可靠性水平。

2. 延遲性

在監(jiān)測部件的運行狀況時，不僅要準確測量相關參數(shù)，還要及時提供這些測量值，否則就會產(chǎn)生延遲。 在這種情況下，延遲是指數(shù)據(jù)包從無線網(wǎng)絡中的一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點所花費的時間。此外，如果某個應用需要同步不同設備上的不同傳感器測量值，那么延遲對于該應用同樣至關重要。

延遲一般以毫秒為單位，而且在無線網(wǎng)絡中，延遲常常不是固定值，而是取決于網(wǎng)絡配置和參數(shù)的選擇。 為了實現(xiàn)低延遲，往往只能犧牲功耗。因此，應謹慎選擇影響延遲的參數(shù)，權衡延遲與低功耗之間的平衡，尤其是通過電池供電的設備。 此外，正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小也會對延遲產(chǎn)生很大的影響，因此減小數(shù)據(jù)包大小能夠降低延遲值。

3. 距離

距離的定義是發(fā)射器和接收器之間能夠保持穩(wěn)定通信并且丟包最少的最大距離。距離對于覆蓋工廠等大空間的狀態(tài)監(jiān)測應用至關重要。

無線網(wǎng)絡的最大距離主要取決于以下因素：

發(fā)射功率

接收器的敏感度

網(wǎng)絡周圍的環(huán)境情況（例如濕度、人體、固定障礙物以及以相同頻譜運行的其他射頻信號所產(chǎn)生的噪聲）

mesh網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量和間隔

需要注意的是，一般會有法規(guī)限制設備的發(fā)射功率輸出，具體限制取決于所在的國家及地區(qū)。為了限制功耗，低功率無線技術規(guī)范通常還會規(guī)定最大發(fā)射功率。

4. 功耗

在大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測應用中，出于成本考慮，實施者不愿用內置無線傳感器的新設備來代替現(xiàn)有設備，而是對設備進行改造，通過售后安裝無線傳感器裝置，進而測量關鍵參數(shù)。 由于很難將傳感器安裝或固定到部件上，這些設備一般使用電池供電。因此，必須仔細考慮功耗這項關鍵參數(shù)。 影響功耗的因素包括：

數(shù)據(jù)傳輸頻率（無線電開啟時間）

數(shù)據(jù)傳輸量（無線電啟用時長）

發(fā)射功率

周邊環(huán)境及其對數(shù)據(jù)重傳的影響

部分網(wǎng)絡參數(shù)配置

由于無線電一般是芯片組中功耗最高的部分（無線電開啟的時間越長，設備的功耗就越高），因此低功耗無線技術一般適用于低占空比數(shù)據(jù)應用。

適用于狀態(tài)監(jiān)測的無線技術比較

基于前面提到的可靠性、延遲、距離和功耗這四種特性，哪種無線技術最適合狀態(tài)監(jiān)測應用呢？ 以下是最適合狀態(tài)監(jiān)測應用的無線技術：

低功耗藍牙

基于IEEE 802.15.4的技術（Thread、Zigbee）

Wi-Fi

LPWAN技術（蜂窩和非蜂窩）：LoRaWAN、LTE-M、NB-IoT

此外還有WirelessHART和ISA100.11a，這兩項技術中的某些部分基于IEEE 802.15.4標準。 WirelessHART無線協(xié)議的開發(fā)初衷是成為一項多廠商互操作性標準。該協(xié)議專為工業(yè)場景設計，并支持時間同步、自我修復網(wǎng)狀架構。ISA100.11a還注重自動化和控制環(huán)境并支持網(wǎng)狀拓撲結構。 下表根據(jù)所列出的關鍵特性比較了最常用的幾種技術：

拓展討論

請務必注意，狀態(tài)監(jiān)測應用分為多種用例，而且適合每種用例的技術可能不同。 例如對于需要高帶寬和大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?，Wi-Fi比其他所列出的技術更加適合。LTE-M也適合此類應用，其余技術可能無法滿足此類應用的需求。 對于帶寬較低并且需要在室外和農村地區(qū)等進行遠程部署的應用，則LPWAN技術最為適合。 最后，除了這些不太常見的狀態(tài)監(jiān)測用例外，低功耗藍牙具有最高的靈活性，并且在功耗、延遲、可靠性和距離方面可實現(xiàn)很好的平衡，能夠滿足大多數(shù)應用的需求。

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