隨著工業(yè)應(yīng)用中無(wú)線傳感器通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠和車(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(tǒng)制造技術(shù)與新的現(xiàn)代無(wú)線通信功能有機(jī)融合在一起。

　　對(duì)于許多工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不管從長(zhǎng)期還是短期看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本通常都要比有線解決方案低很多，因?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)更容易查錯(cuò)、維護(hù)和修復(fù)。與遍布長(zhǎng)達(dá)數(shù)英里且通常是埋設(shè)走線的有線工作場(chǎng)地相比，捕捉無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的缺陷或故障要容易得多。無(wú)線也更加靈活，能夠更容易和更快捷地重配置網(wǎng)絡(luò)，從而滿足為適應(yīng)更新產(chǎn)品類(lèi)型和型號(hào)而不斷變化的工廠需求。

　　無(wú)線傳感器網(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(shù)據(jù)傳輸對(duì)于要求晝夜監(jiān)視和監(jiān)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(tǒng)、發(fā)電站、供水系統(tǒng)以及許多其它重要裝置都要求對(duì)故障、篡改事件和意外事故立即作出響應(yīng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為公司節(jié)省因環(huán)境破壞受到的數(shù)百萬(wàn)美元罰金，更不用說(shuō)對(duì)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)線通信網(wǎng)絡(luò)也有需要注意的地方。現(xiàn)在智能手機(jī)和平板電腦等人機(jī)界面設(shè)備已經(jīng)非常普及，如果不采取正確的安全措施，這些設(shè)備很可能對(duì)無(wú)線工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。幸運(yùn)的是，許多現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥f(xié)議內(nèi)置了許多工具，可最大程度地減小安全漏洞。

　　功耗優(yōu)勢(shì)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的好處遠(yuǎn)不止上述這些優(yōu)勢(shì)。例如，無(wú)線感測(cè)和聯(lián)網(wǎng)可以讓制造商使用低功耗電子設(shè)備，從而節(jié)省能源。隨著通信協(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(xiàn)可能最低的功耗。

　　能量采集技術(shù)利用現(xiàn)代IC功能可以節(jié)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(jī)械運(yùn)動(dòng)或者室內(nèi)照明等產(chǎn)生的能量工作，而這些能源在工廠中幾乎無(wú)處不在（圖1）。

　　圖1：在典型的能量采集系統(tǒng)中，能量產(chǎn)生于運(yùn)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(chǔ)、管理并饋送給傳感器進(jìn)行傳輸。

　　這些技術(shù)可以最大程度地減少（如果不能消除的話）電池的使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更低的能耗水平。熱電發(fā)電機(jī)（TEG）、太陽(yáng)能設(shè)備、機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器和能量存儲(chǔ)超級(jí)電容如今都已經(jīng)非常成熟。

　　“人們對(duì)無(wú)線傳感器網(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(jiān)Tony Armstrong表示，“但與此同時(shí)他們?cè)絹?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)。下面讓我們順著這條思路看看2009年時(shí)的情況。”

　　在工業(yè)中的應(yīng)用

　　美國(guó)節(jié)能經(jīng)濟(jì)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(xiàn)智能效率的確定性框架”的E125報(bào)告中指出的那樣，如果工業(yè)領(lǐng)域和住戶能更好地利用目前可用的現(xiàn)代通信技術(shù)（如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）的優(yōu)勢(shì)，他們可以將系統(tǒng)效率再提高約12%至22%，從而在節(jié)能和提高生產(chǎn)率方面實(shí)現(xiàn)數(shù)百甚至數(shù)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(jù)該組織報(bào)道，有成千上萬(wàn)的設(shè)備工作于許多加工應(yīng)用中，包括旋轉(zhuǎn)式設(shè)備、管道監(jiān)視、存儲(chǔ)系統(tǒng)、自動(dòng)化廠房和材料處理設(shè)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(yàn)證的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，包括HART通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEC6158）、EDDL（IEC61804-3）和IEEE802.15.4.這個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)了商用化。Dust Networks隨后被凌力爾特公司收購(gòu)。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)線網(wǎng)狀網(wǎng)通信協(xié)議，廣泛用于過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用。它在HART協(xié)議中增加了無(wú)線功能，同時(shí)保持了與現(xiàn)有HART設(shè)備、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三個(gè)主要部分，即無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(yīng)用的WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在HART協(xié)議中增加了無(wú)線功能，同時(shí)保持了與現(xiàn)有HART設(shè)備、通信和工具的兼容。

　　它包含三個(gè)主要部分，即無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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、啤酒廠等行業(yè)中，我們已經(jīng)從理論上設(shè)立了工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)，可用于跟蹤液平面、流動(dòng)速度、機(jī)器振動(dòng)、壓力、溫度等。”P(pán)ister指出，“我們業(yè)已證實(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要比有線網(wǎng)絡(luò)更加可靠，而且成本更低。我們的強(qiáng)項(xiàng)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(jié)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(xiàn)自組。每個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)可以智能的發(fā)現(xiàn)鄰居、測(cè)量射頻信號(hào)強(qiáng)度、捕捉同步與跳頻信息，然后與相鄰節(jié)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(fù)。幀長(zhǎng)度以時(shí)隙數(shù)計(jì)算，是一個(gè)可配置的參數(shù)--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(zhǎng)度可提高刷新率、增加有效帶寬和功耗。相反，較長(zhǎng)的幀將降低刷新率，也會(huì)減小帶寬和功耗。一個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)加入多個(gè)幀，從而針對(duì)不同任務(wù)有效地實(shí)現(xiàn)多種刷新率（圖3）。具有時(shí)間、頻率和空間多樣性的TSMP包結(jié)構(gòu)提供了一種魯棒性的協(xié)議，可以應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的各種工業(yè)挑戰(zhàn)。

　　圖3:Dust Networks公司的時(shí)間同步網(wǎng)格協(xié)議（TSMP）節(jié)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(xiàn)不同的刷新率（a）。

　　電機(jī)無(wú)處不在

　　電機(jī)在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用十分廣泛。許多專(zhuān)家估計(jì)，工業(yè)電機(jī)總體擁有成本非常龐大，消耗工廠總能耗90%以上的能耗。雖然現(xiàn)代電機(jī)效率已經(jīng)被提升到90%至95%，但優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)的工作還可以節(jié)省20%以上的能耗。用于電機(jī)檢測(cè)、維護(hù)和控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也已就位。

　　許多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以充分利用電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能（由于振動(dòng)）和熱能（由于發(fā)熱），而且通常可以在無(wú)需電池的情況下轉(zhuǎn)換這種能量，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。EnOcean公司設(shè)計(jì)的ESK 300第一版868MHz無(wú)線能量采集開(kāi)發(fā)套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗無(wú)線技術(shù)（圖4）。這個(gè)開(kāi)發(fā)套件有兩個(gè)用于開(kāi)關(guān)的電動(dòng)機(jī)械式按鍵發(fā)電機(jī)和一個(gè)太陽(yáng)能供電的溫度傳感器。由自供電的傳感器發(fā)送的消息可以被USB適配器接收，并通過(guò)DolphinView Basic電腦軟件實(shí)現(xiàn)可視化。

　　圖4:EnOcean公司設(shè)計(jì)的ESK 300第一版868MHz無(wú)線能量采集開(kāi)發(fā)套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗無(wú)線技術(shù)。

　　帶按鍵無(wú)線發(fā)射模塊可以無(wú)需電池就實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制。重要應(yīng)用包括安裝在墻上且有一兩個(gè)搖臂的扁平搖臂開(kāi)關(guān)以及擁有多達(dá)4個(gè)獨(dú)立按鍵的手持式遙控器。套件中為線性運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的ECO 200能量轉(zhuǎn)換器可以用來(lái)給PTM 330無(wú)線模塊供電。每次運(yùn)動(dòng)輸出的能量足以發(fā)射3條消息，并且自由場(chǎng)范圍可達(dá)300米。在建筑技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化中的微型開(kāi)關(guān)和傳感器將成為可能的應(yīng)用。

　　EnOcean聯(lián)盟圍繞低功耗能量采集無(wú)線技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，并將它確立為可持續(xù)的建筑與工業(yè)自動(dòng)化全球標(biāo)準(zhǔn)。這種生態(tài)系統(tǒng)支持不同的終端產(chǎn)品基于ISO/IEC 14543-310標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)互操作。

　　低壓升壓器模塊可用于放大較低的能量采集電平，以支持可能的無(wú)電池操作，比如Advanced Linear Devices公司的EH4205.這種自啟動(dòng)模塊通過(guò)70mV至4V的能源產(chǎn)生能量，而汲取的輸入功率低至230μW，因此可以支持從電磁感應(yīng)線圈和TEG收集能量。

　　EH4205的標(biāo)稱(chēng)輸入阻抗是50Ω，功效為52%，工作溫度范圍是0℃至70℃。它可以將輸入能量轉(zhuǎn)換為直流或交流電壓。EH4205具有睡眠功能，平時(shí)處于零功耗狀態(tài)，直到所連能量源的輸入變成有效才將它喚醒，然后累積能量，只要能量源提供電力，它就一直工作下去。

　　典型的商用低壓升壓器模塊要求至少300mV左右的輸入驅(qū)動(dòng)才能工作。雖然一些現(xiàn)有的低壓模塊也可以在約100mV時(shí)工作，但它們不能滿足來(lái)自TEG和光電元件等能源實(shí)現(xiàn)能量采集傳感應(yīng)用的要求，因?yàn)樗鼈兊牡湫洼敵龉β始s在4μW至40μW的單位數(shù)和兩位數(shù)范圍內(nèi)。

　　凌力爾特公司提供的種類(lèi)廣泛的超低功耗模塊可用于壓電和光伏能源以及TEG的能量采集應(yīng)用。它們包括LTC3588-1/2壓電能量采集電源方案、LTC3108/9 TEG和LTC3105太陽(yáng)能400mA升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，后者具有最大功率點(diǎn)控制并能以250mV的輸入啟動(dòng)（圖5）。

　　圖5：凌力爾特科技公司提供的種類(lèi)廣泛的超低功耗模塊可以用于來(lái)自壓電和光伏能源以及TEG的能量采集應(yīng)用。

　　Dust Networks公司今年推出的Eterna收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4e.與系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）結(jié)合在一起，這種第二代產(chǎn)品的功耗要比其替代的第一代產(chǎn)品低50%，從而確立了該公司在工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位（圖6）。Dust Networks公司稱(chēng)，基于其Eterna技術(shù)的這款產(chǎn)品的功耗是競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的約八分之一，這意味著它們的使用時(shí)間長(zhǎng)8倍，即使它們由電線供電，其“綠色”水平也能高出8倍。

　　圖6:Dust Networks第二代Eterna收發(fā)器芯片的功耗要比前一代產(chǎn)品低50%.Eterna技術(shù)芯片的功耗是競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的八分之一，因此持續(xù)使用時(shí)間長(zhǎng)8倍。

　　并不是所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器芯片都設(shè)計(jì)為工作在很長(zhǎng)距離，并能在廠房外部工作。許多芯片是為短距離通信設(shè)計(jì)的，可以用于工廠內(nèi)的工業(yè)環(huán)境和制造設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)工廠車(chē)間設(shè)備之間的通信。許多這樣的收發(fā)器是緊湊、超低功耗器件。它們也使用Wi-Fi （IEEE 802.11）和ZigBee （IEEE 802.15.4）通信協(xié)議，可以工作在免許可的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段。也有的芯片使用藍(lán)牙協(xié)議（IEEE802.15.1）。

　　這些芯片包括：升特公司（Semtech）的SX1231J、California Eastern Labs的ZiC2410、Silicon Labs公司的Si446x EasyRadioPro、亞德諾半導(dǎo)體公司（ADI）的ADF7023-J以及德州儀器（TI）的C2500.Si446x“將GHz以下無(wú)線技術(shù)帶入了窄帶性能和功效的新水平。”Silicon Labs公司副總裁兼總經(jīng)理Mark Thompson表示。Si466x在睡眠模式僅消耗50nA電流，因此非常適合帶能量采集功能的電池供電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用。

　　Banner Engineering公司的SureCros Q45收發(fā)器是最近推出的一種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)光電傳感器解決方案，其被設(shè)計(jì)用于控制與監(jiān)視應(yīng)用（圖7）。利用其專(zhuān)有的電源管理電路，可讓兩節(jié)可替換AA鋰電池持續(xù)工作5年時(shí)間，具體取決于所用的傳感器和應(yīng)用種類(lèi)。

　　圖7:Banner Engineering公司推出的這種獨(dú)立型SureCros Q45光電傳感器收發(fā)器，電源管理電路可以使兩節(jié)AA鋰電池持續(xù)工作長(zhǎng)達(dá)5年時(shí)間。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性

　　智能手機(jī)和平板電腦等先進(jìn)的人機(jī)界面（HMI）設(shè)備使得工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的控制變得更加容易和更加簡(jiǎn)單。但存在著某些有意和許多無(wú)意的網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)，除非采取足夠的保護(hù)措施，否則這些攻擊有可能使工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)徹底失靈。

　　在今年2月到4月期間，網(wǎng)絡(luò)安全公司Cyberti的職員跨越近4000英里的路程去檢查IEEE802.11 a/b/g/n無(wú)線傳輸，主要是尋找電源控制系統(tǒng)提供商的組織唯一標(biāo)識(shí)符（OUI）。這些OUI由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商、控制系統(tǒng)硬件供應(yīng)商所應(yīng)用。

　　Cyeberti公司的研究表明，OUI和完整的介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）地址即使在最安全的安全裝置中也經(jīng)常得不到保護(hù)。Cyberti共同創(chuàng)始人、首席安全官M(fèi)atthew E.Luallen警告說(shuō)，像Modbus、EtherNet/IP、PCCC、DNP3和ICC P等控制系統(tǒng)協(xié)議本身是沒(méi)有認(rèn)證的，這使得黑客可以為所欲為，因此在未受保護(hù)或保護(hù)性能較差的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，數(shù)據(jù)應(yīng)該與控制系統(tǒng)MAC地址關(guān)聯(lián)起來(lái)。

　　Luallen補(bǔ)充道，便攜式設(shè)備可以通過(guò)緩存的遠(yuǎn)程訪問(wèn)證書(shū)和設(shè)備上存儲(chǔ)的應(yīng)用程序作為受保護(hù)控制基礎(chǔ)設(shè)施的切入點(diǎn)。無(wú)線設(shè)備也可以配置為IEEE 802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的多種宿主，從而形成不必要的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

　　“便攜式電子設(shè)備一定不能被當(dāng)成錘子或扳手之類(lèi)的工具。這些設(shè)備保留著有關(guān)控制系統(tǒng)環(huán)境的信息，如果放在不能信任的人手里，可能造成額外的傷害。不管設(shè)備是傳統(tǒng)的筆記本電腦、iPhone、iPad還是HART通信器，作為工具都可能包含通信點(diǎn)、標(biāo)簽、配置參數(shù)、邏輯、框圖、藍(lán)圖以及有關(guān)環(huán)境的細(xì)節(jié)等可以被技術(shù)高深的黑客利用的內(nèi)容。”Luallen表示。

　　“首先，人們必須調(diào)查使用能夠自由訪問(wèn)控制系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備能夠真正帶來(lái)多少提升生產(chǎn)率和降低成本的好處。”他補(bǔ)充道。Luallen還表示，不應(yīng)允許傳統(tǒng)消費(fèi)型手機(jī)或平板電腦進(jìn)行控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。“如果你真切地?fù)?dān)心存在的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，那么在做任何有可能增大攻擊面的事之前都應(yīng)該三思而行。也許風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)比實(shí)際的生產(chǎn)率提高要大。”