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无线传感器网络:工业互联网的正确打开方式

作者:陈玲丽时间:2020-03-20来源:电子产品世界收藏

我们知道,传统工业的生产设备、产品的生产、检修、追溯,大部分都是通过人工来操作,严重依赖老工人的经验判断,而且传承周期很长。浙江11选5_[官网首页]因此可以预测,传统工业逐渐会被新工业生态体系所替代。

本文引用地址:http://wcug.cn/article/202003/411169.htm

以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础,通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析,实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革的就是服务驱动型的新工业生态体系 —— 工业互联网。

新工业生态体系

工业互联网的最早概念来自于美国,是GE公司率先提出来的。工业互联网可以分为三个阶段:

· 工业互联网1.0,通过建设以IP技术为基础的网络连接体系,实现工厂IT网络与OT网络的连接,工厂外部企业与上下游、智能产品、用户的网络联通。

· 工业互联网2.0,通过工业数据采集技术,实现产品、设备、原材料、产业链等详细数据的上传和汇聚,为工业互联网平台和工业APP打下基础。

浙江11选5_[官网首页]· 工业互联网3.0,通过人工智能、边缘计算技术,实现物理世界与数字世界的智能无缝连接。

那么目前工业互联网走到哪一步了呢?很可惜,目前工业互联网是工业的最高阶段,但目前也仅走到工业物联网阶段。也就是未来还有很长的路要走。

感知是物联网的先行技术,要确保物联网的稳定运行,离不开众多感知技术的加持,其中最为关键的技术之一便是传感器。传感器是工业互联网的基础和核心,是自动化智能设备的关键部件,工业互联网的蓬勃发展,将给传感器企业带来巨大的机会。

工业互联网一方面给传感器企业带来了机会,另一方面也对传感器提出了新的要求,主要体现在对灵敏度、稳定性、鲁棒性等方面的要求会更高。同时,工业互联网的普及使得传感器无处不在,大量使用对传感器提出轻量化、低功耗、低成本的要求,同时也更多要求网络化、集成化、智能化。

传感器网络的发展趋势

每一个传感器或节点就像一粒胡椒,内部装有处理器、微型内存(如:12 Kb内建RAM)、低数据传输速率(40 Kb/s)以及短收发范围(大多数为100英呎以下)。

人们设想未来的传感器网络会通过大型网状架构来进行通讯,其中每个节点都有将来自于其他节点的数据传播出去的功能,最终到达的目的地是聚合器,不相关的数据会在此聚合器内部进行处理。传感器会以庞大的数量部署在高密度的网络上。它们会利用短距离的、耗电低的节点之间的无线链接进行互相联网,而现有的通讯基础设施,特别是WLAN以及互联网连接会被用于长距离的通讯。

更节省耗电

浙江11选5_[官网首页]无线传感器在很大程度上依赖节电算法,借此可以长时间保持工作状态。电池技术的进步、电池容量的不断增大、以及延长休眠时间的能力,这使得电池的工作寿命预期可以达到数年之久。

诸如蓝牙和Zigbee这些技术,大多数移动设备都已经具备了这些功能,因为节电算法是所有经过Wi-Fi认证的设备所需要的特性,也包括满足IEEE 802.15.4-2015标准(IEEE 用于低速率无线个人局域网的无线标准)的设备。

其概念很简单,即如果没有动作或者需要报告的事件,传感器就会进入睡眠状态。如果有事件发生或到了预先设定的时间,传感器会醒来、评估当时的状况、汇报其状态、然后再进入睡眠。这个周期也可以通过轮询算法来启动,轮询算法依次处理每个传感器。也可以调节工作周期来对传感器进行开关操作,有效地将电耗降低一半。关键的一点是这些传感器从设计之初就是要作为低耗电节点来工作的。

尺寸更小

新一代无线传感器最显著的特征之一是它们的尺寸小。人们采用可以召唤出独特形象的名字来称呼这些传感器:“智能尘埃”、“现货商业微尘”、或者简单的称之为“微尘”。它们的尺寸小到纳米级,大到肉眼可见。

小到纳米级的是生物学传感器或小的无源传感器,可以做到嵌入式和非嵌入式;肉眼可见指的是更大一些的传感器,例如征收过路费的标签、门禁卡、以及类似的传感器。其想法是部署一套由具备多种不同计算能力的小型的、耗电低的、低速率的分布式传感器组成的基础设施,最后形成更大的、分辨率更高的、近乎有机的网络。

更加智能

浙江11选5_[官网首页]智能型传感器/节点以协同作业方式,透过网络上多种可用的路径,将数据传递至其他智能型传感器,再视情况导向由人工检视信息的主要位置、采取进一步处理与储存行动或采取相应行动。若将节点间所有可用路径以图像显示,多重通讯路径的冗余路径看起来会像一片网状结构。

传感器之所以能够达到省电效益是因为成本降低、整合度提升、具备更精良的电源管理能力以及采用了更先进的算法。除此之外,能量整合功能也使用电达到近零耗能(Net-Zero)境界,而降低电池用量的智能型运转方式则带来此一新兴技术独具的解决方案。

(WSN)

传感器网络是由本地传感器、通信媒介以及中央通用数据处理设施一起组成的。随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相互融合,产生了(WSN, wireless sensor networks)。

建立在这个概念之上,只是允许传感器从所绑定的媒介上解放出来。这样的做法给传感器的安装定位方面提供了很大的自由度和灵活度,并赋予网络对监控功能进行精细调整的能力。

无线传感器网络是由分散在实体空间内的数千个微型自主传感器(或节点)所组成的网络。这些传感器采用高效方式链接,透过射频(RF)波进行点对点通讯,藉由射频波监控并通报本机状态或状况,如温度、震动、压力、污染物、动作等。这些智能型传感器可自动管理制程,除非发生无法透过智能节点或从远程启动人为命令修正的制程故障,否则一般不需要人为介入操作。

无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注,被称为二十一世纪最具影响的技术之一。而无线传感器网络技术很快也进入工业自动化和工业测控领域,大多数工业仪表和自动化产品都将很快嵌入无线传输功能,完成从有线到无线过渡。

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无线传感器网络系统(WSNS,wireless sensor networks system)通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成

无线传感器网络的主要特性包括:

· 可轻松重新放置节点

· 可自动处理节点故障

· 节点的功能与行为相似

· 可轻易完成扩充,成为含有数千节点的大型网络

· 由于不需要缆线而且电源维护需求低或者甚至不需维护,适用于严峻的环境条件

· 易于使用,只要放置并启动即可新增节点(不需或减少组态设定需求)

· 低耗电量

· 对于使用电池或能源采集的节点而言也相当省电

预估在未来五年,工业用无线传感器网络的传感器安装点将达到2400万,爆发5.53倍的成长。无线传感器网络的快速成长受益于其可靠度符合大多数工业级应用的需求,工业系统专用的无线传感器网络标准问世,以及无线传感器网络的效益逐渐受到重视与了解。

无线传感器网络在工业中的应用

无线传感器网络的工业用途正不断延伸扩大,包括机器健全度(如震动分析)、制造、条件式维护、自动化计量、远程监控、库存管理、载具与人员管理以及其他运作管理层面。设备需进行维护时,可透过传感器输入执行。相较于过去不管设备是否需要,一律定期维护的作法,及早于必要时执行维护,可延长设备的使用寿命并减少浪费(更具环保效益),这又称为“条件式维护”。

不需布线即可新增远程传感器(通常配备若干本机决策制定功能),节省人力、材料,同时由于智能型手机是相当理想的人工操作员/维护接口,可随时随地提供更精准的监控与修正,因此制程效率及质量可获得提升。作业员不需要四处奔忙取得远程数据或在危险或不易操作的地点更换电池,因此可提高生产力。

比起有线网络,无线传感器网络的安装更迅速,如需重新安置,过程也更简单。无线传感器网络具备极高的扩充弹性与链接可靠性,若搭配能量整合装置设置,还可提供实时功能与独立能源运作。

即使有一大区段网络故障,网络上的其他节点也不受影响,也因此无线传感器网络具备自行修复功能。若移除某一节点,其他节点会使用其他邻近节点继续传输信息。若新增节点,则该节点便会开始发送并传递封包,好像原本便存在一般。

有了无处不在的传感器网络,生产的每个方面都能被监控到,例如,可以使得一座建筑对其结构上的弱点进行报告,或者在一套处理工艺中定位异常点,而这些异常点会被固定安装的传统传感器忽视掉。

工业用无线网络要求近乎实时的反应,而且其延迟等级的接受度不若VoIP高。若为有线网络的现场装置,只能够接受10毫秒的以太网络等待时间。

若顾及通讯协议,工业用无线传感器网络可搭配决定型效能(determinisTIc performance)运作。决定型系统(determinisTIc system )是产生在系统未来状态不考虑随机因素时的系统。这意味着反应时间是可预测的网络等待时间、容错以及联机式拓扑皆可预测。决定很多时候取决于有线或无线通信协议中所使用的路由算法效率。这就是工业标准对无线传感器网络实作及冗余最有利之处,因为高度可靠性与低复杂性是工业网络的常见需求。



关键词: 无线传感器网络

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