无线传感器网络真的为工业做好了准备吗?

Laura Carrabine，高级编辑和Leslie Langnau，执行编辑

对于工业应用，无线传感器网络不像在个人电脑上安装无线连接那么容易。业内专家畅谈了无线运营需要什么。

尽管在过程世界中无线传感器网络备受关注，但在离散制造世界的发展方面，我们在哪里?有远见的人专注于传感器数据的长期扫描，电池寿命可达10年或更长。另一些人则梦想用无线网络完全取代以太网电缆。实用主义者希望现在安装一些东西，以进行他们以前无法进行的测量。

在将传感器安装到网络上时，减少电线的一种方法是使用节点和网关。传感器制造商，如横幅，提供多种，如DX80系统，适合您的无线连接需求。

无线传感器网络(WSNs)正在扩大无线的覆盖范围，甚至进入一些离散制造领域。但在技术和能力方面仍然存在差距。几家无线兼容设备制造商表示，未来两到五年内，三种趋势将影响无线网络:

•低功耗无线网络的多种无线协议应该融合，更好地与互联网协议(IP)等现有标准集成。
•无线节点将获得额外的CPU处理能力和本地存储。
•上述能力的提高将推动电力管理和采集技术的更大发展。

买家注意
无线传感器网络的竞技场没有明确定义，Nob Gardner，Sr.S.Wirforms在横幅上的产品经理。目标不是简单地将以太网电缆替换在工厂中或使用802.11g协议连接传感器。

无线连接设备的想法很吸引人，这种方式类似于将iphone、相机和媒体播放器无线连接到PC上。但是，虽然您可以通过这种设置推送大量数据，但它通常是一个具有高带宽、高延迟、更短的传输距离和低响应时间的系统。对于工业应用来说，这不是一个实用的方法，因为它有很高的延迟。

将PC连接到WIFI网络并不一定意味着你可以使用同样的技术连接传感器。提供无线连接或能够轻松连接到无线网络的传感器并不多。例如，与其让温度传感器“无线”，更好的选择是使用与传感器接口的无线节点。Gardner指出:“我们需要一个无线基础设施，而不是改变每个传感器使之无线启动。就工厂自动化而言，这是我们正在研究的一个领域。”

存在可以以无线布置使用的物理层协议。但是，在这些网络之上的协议尚未定义很好。尚未为传感器开发必要的驱动程序，以便在可用协议上运行。

Banner通过其远程I/O系统处理此类传感器的请求，该系统与标准传感器(如接近传感器)接口。远程I/O系统定期轮询传感器并将数据传输到控制器。

远程I/O系统包括节点和网关。这些节点可以无线连接多个传感器。网关的功能就像网络段的主人。UCT (User Configuration Tool)用于映射节点和网关之间的输入和输出。与大多数安排一样，在构建网络系统时必须考虑视线和传输范围。这个系统可以覆盖一个大型汽车厂的面积。

在DX80系统中，节点自动从一个节点获取模拟或数字信号，并在另一个节点上表示它们，而不通过电线。网关每62.5毫秒轮询传感器一次。一个I/O模块对各种传感器进行轮询，减少了布线。

电池供电传感器可以保持在“睡眠”模式以节省电量。无线电以定义的间隔与其网关通信，并在不使用时向下电。横幅使用锂电电池。其一些热电偶传感器可以持续八年，具体取决于它们的频率被打开和关闭。

Gardner说:“我们研究了我们的节点的SP100协议，我们有一个在台架上工作的系统，但那些协议又大又复杂，所以我们最终的结果是性能低、成本高。”使用我们的DX系统，你只需要使用EthernetIP或Modbus版本。

“我们发现控制应用在无线世界中更困难。您可以在有线系统中创建保证时机。例如，您可能在有线系统中删除了10,000个数据包，其中包含无线，即使使用频谱跳跃和用于改善传输的所有其他技术，也可以在每50中为1。因此，您必须在将其注册为网络故障之前，确定可以删除多少个数据包。

“我们的指导方针是，如果您的申请需要1至10毫秒的响应，请转接。如果它需要10到100毫秒，则无线可能是一个选项。如果响应时间可以是100毫秒或更长时间，则无线是一个强大的候选者。“

“我将大多数工作的无线应用程序称为剪贴板更换。您正在收集到过昂贵的数据来聚集电缆。例如，叉车跟踪，例如，监控操作时间，确保产品运动期间的恒定温度，冰箱中的温度等等。“

工厂中的机器监控是另一个应用程序。非常小的机器不需要通过网络监控，大机器连接到以太网。它是段之间的段，其中在您希望数据中没有监视一个过程的部分。例如，在输送系统上遇到麻烦的电动机。控制可能没有关于电机温度的反馈。因此，节点和热电偶将测量电机温度。

无线不限于工艺业
美国国家仪器公司无线与能源高级产品经理Robert Jackson说:“我不认为无线行业应该关注过程，尽管大多数人认为这是一个过程。”我也很惊讶人们会把有线和无线相提并论。”

美国国家仪器公司的LabView是一种在传感器和流行协议之间导航各种网络协议需求的方法。它支持所有协议，并可以使它们之间的差异对终端设备(如传感器)不可见。

由于电线的成本，有许多应用可以从无线中受益，或者因为它太难以将电线安装到一个区域中。在离散市场中有几种非控制应用。例如，测量系统的部件，以提高正常运行时间或改变方法，以提高效率，如机器趋势，功耗，监控旋转设备等。“在处理控制之前，该行业应该探索这些应用程序，持续杰克逊。“我们看到的是能够无线地获得测量，这是大不了的。无线技术最终在公司将产品放入市场，以及该产品实际上可以做我们认为可以做的事情。

“但我们从客户那里看到的一个大问题是寿命问题——硬件能使用多久?这个市场上还没有足够多的大公司。”

另一个挑战是需要公司彻底告知客户的产品。设计系统或架构是重要的。为了创建强大的网络架构，了解所有无线标准之间的差异至关重要。“例如，802.11具有大带宽;我们可以在四个通道上进行51.5公斤/秒，以获得约7 MBS的传输速度。丢弃的数据包仍然是一个问题。所以一个问题可以在发射和重试功能中出现;您需要建立系统不具有阻止吞吐量的冗余循环。“

另一个;吞吐量消耗电力。知道你到底需要多少。

考虑的主要因素是带宽，力量和吞吐量权衡。它们在系统之间变化。“经常，Visionaries对他们的系统真的做的真正是错误的，”杰克逊说。“但实用主义者知道这一点，并将在推动Visionaries推动其产品的同时使用的内容。”

具有传感器的问题是需要一些智能来将原始数据转换为有用的测量。“LabVIEW可用于将数据转换为测量，”杰克逊说。

“我们认为在这里做得更好，因为您可以在任何您需要的算法中放置，而不是等待开发人员为每个传感器创建数百个算法。这个概念也是可扩展的。

电源管理是无线的一个大问题。“我们认为，未来的权衡将是传感器性能与功耗之间的权衡。客户将需要更多的传感器，并愿意用性能换取电池寿命。”

“我们认为，电力管理方面的改进包括更低功耗的处理器、以更低功耗传输更多数据的无线电以及能量收集。”

“有三个强势领域我们看到了能源收获：

•动力装置在振动状态下工作，例如压电电池从机械振动中获取能量。
•来自驱动器等动力设备的磁感应。有两到三家公司提供从移动的马达中获取能量的产品。
•热流，它产生的功率比振动技术少一点。这种技术利用了塞贝克效应(热电效应)等现象。

但使用无线技术，你仍然需要电池。能量收集可能不足以取代电池，但它们可以增强电池。”

网络架构同样是至关重要的。网和智能电网是两种流行的拓扑。但两者都有缺点。一种网状网络使整个网络在不需要的时候进入休眠状态。问题是唤醒网络运行所需的时间。最快的度量点将取决于最慢的节点唤醒的速度。在智能电网中，网格设计的某些部分保持清醒，以更快地收集数据。例如，路由器会一直开着，所以你仍然需要电池，但是终端节点会在事件驱动的基础上休眠和唤醒。

无线的另一个挑战是，协议可能是IP层上的一个问题。IPSO，即智能对象的IP，是一个正在解决这些问题的委员会。Jackson指出:“但是你可以一直使用LabView来实现互操作性。”“Labview支持所有协议，并可以使它们之间的差异对终端设备不可见。”

互操作性仍然是一项挑战
罗克韦尔自动化网络业务开发经理Paul Brooks表示，配置可互操作的无线传感器网络需要做一些调整，以实现适当的功能。一个问题是共享媒体。当组织使用电缆时，互操作性不是问题，因为电缆是并排安装的。

“在无线环境中没有这种奢侈品。因此，互操作性的第一个元素是无线空间中的共存。如果您有四个具有共存的设备确保，则两对设备可以在同一空气中的相同空间中彼此互通。但是，两对不一定是互通的。这是互操作性的第二部分。两对无线设备可以彼此进行互通话并交换数据吗？在理想的世界中，答案将是“是的”。但是，田园诗般的情况不存在。“

必须做出权衡。比较无线电平发射器的需求，例如，与通过无线链路远程控制的驱动器的需求。电平变送器是一个无动力设备，所以它需要一个电池，可以供电多年。

相反，驱动器必须实时控制流，并每10毫秒、50毫秒或500毫秒从主机系统获得更新。电池不是问题，因为驱动器是有动力的设备。布鲁克斯说:“但为了适应通信量，也需要权衡。”“从设备之间相互通信的角度来看，完全的互操作性几乎是一个无法实现的目标。然而，共存仍然是绝对强制的。”

还有一个添加节点的问题。第一个大问题是，大多数无线网络使用网状拓扑结构，这意味着当设备上线时，它必须找到到主机系统的通信路径。它可能会通过许多它“不知道”的设备。第二个问题是电池寿命。如果你想在网状网络中寻找更长的电池寿命，你可能需要做一些其他的权衡，因为设备会休眠一段时间，然后再开机。当他们通电时，他们接收和传输通信，然后回去睡觉。因此，一个设备要超越网络，它必须与周围所有设备的唤醒/休眠周期同步。

因此，向网络添加设备可以非常苛刻。它实际上可以需要几分钟才能将设备置于网络中并与其需要使用的所有设备同步。其他挑战是您将始终需要一个人来配置网关将这些设备添加到网络中。

最后，安全至关重要。相比之下，在有线系统中发现安全漏洞很容易。在无线安装中，你无法控制通信的物理传播到哪里，或者至少你的控制是有限的。因此，你需要在你的通讯中设置更多的电子安全措施。在你的系统中加入基于软件的逻辑访问控制，这样只有你认识的人才能连接到你的无线网络。

任何地方到处都是
Opto 22公司的应用工程师本·奥查德(Ben Orchard)同意无线的隐形性问题。“通过有线系统，很容易追踪和观察发生了什么，”他说。然而，有了无线网络，你就不知道你的办公室或工厂里有什么了。我们购买了一些专业设备来直观地展示无线环境。看到这一领域的成熟将是很有趣的。

该I / O和通信处理器在由Snap Pac S系列或R系列控制器控制的分布式系统中运行，或者也可以用作艾伦 - 布拉德利Logix系统的智能远程I / O.作为I / O处理器，它独立地处理锁存，计数，热电偶线性化，看门狗定时器和PID环路控制。

所需要的是“对冲您的赌注”的方式。“我们需要提供无线的系统以及标准以太网接口。这些类型的系统提供了两个世界的最佳。就像一台笔记本电脑一样，您可以在无线网络中切换无线电，或者在无线运行的情况下，只需将以太网电缆插入传统的有线连接即可。

这是一个有趣的提议，它大大降低了部署无线系统的风险。Orchard说:“在一个系统中同时拥有有线和无线选项是获得所需的所有硬件和兼容软件的好方法，而不必在整个工厂或设施中构建全面的无线基础设施。”“只需一笔投资，你就突然拥有了所需的所有灵活性，可以通过以太网接口、无线以太网或两者的结合进行通信。”

在工程交流中讨论这一点：

Balluff Inc.
www.balluff.com.

横幅工程公司
www.bannerengineering.com.

国家仪器
www.ni.com

光电子的22
www.opto22.com

罗克韦尔自动化
www.rockwellautomation.com

另一种方式提供无线提供数据的方法
密歇根州绍斯菲尔德的Comau公司开发了一种他们称之为SmartCell的柔性组装机器架构。它由位于单元内部的紧凑“鞋盒”形式的专用工具组成。SmartCell可容纳8个鞋盒工具。两个工装臂更换工装;一只手臂工作，另一只手臂重新配置，以进行下一步的装配顺序。这个组装单元使公司更容易调整生产能力，以适应市场需求。

MTU Friedrichshafen加工中心的工件位置感应使用远程电感耦合器。最多16个传感器检测位置，并根据某些特征识别要加工的部件。装载后，托盘进入加工区域。

一个关键的工程挑战是最小化工具更换时间。鞋盒工具有多达16个传感器和气动夹具，需要快速和连续的变化。工程师最初考虑使用Profibus在工具和传感器之间进行通信，但更换工具后的可用时间太长。< Balluff公司(弗洛伦斯，肯塔基州)推荐使用一种名为IO-Link的新连接技术。作为Profibus网络的透明扩展，IO-Link允许通过标准电缆与直接位于鞋盒工具上的小型机器安装I/O块进行可靠连接。

远程感应耦合器可用于传统上需要布线的应用，如手臂末端工具或旋转机械。