隨著工業應用中無線傳感器通信技術的不斷發展，工廠和車間過程自動化得以徹底革新。這些技術創新可以幫助自動化工程師將傳統制造技術與新的現代無線通信功能有機融合在一起。

　　對于許多工業應用來說，不管從長期還是短期看，無線傳感器網絡的成本通常都要比有線解決方案低很多，因為無線網絡更容易查錯、維護和修復。與遍布長達數英里且通常是埋設走線的有線工作場地相比，捕捉無線傳感器網絡中的缺陷或故障要容易得多。無線也更加靈活，能夠更容易和更快捷地重配置網絡，從而滿足為適應更新產品類型和型號而不斷變化的工廠需求。

　　無線傳感器網絡還能通過3G和4G網絡通信技術傳輸視頻流，而且這些網絡更快的數據傳輸對于要求晝夜監視和監控的重要工業場合來說也非常有價值。煤氣管道、視頻安全系統、發電站、供水系統以及許多其它重要裝置都要求對故障、篡改事件和意外事故立即作出響應，無線傳感器網絡可以為公司節省因環境破壞受到的數百萬美元罰金，更不用說對環境破壞的即時控制了。

　　不過，在工業裝置中使用無線通信網絡也有需要注意的地方。現在智能手機和平板電腦等人機界面設備已經非常普及，如果不采取正確的安全措施，這些設備很可能對無線工業自動化帶來潛在的安全風險。幸運的是，許多現代無線傳感器網絡拓撲和協議內置了許多工具，可最大程度地減小安全漏洞。

　　功耗優勢

　　無線傳感器網絡的好處遠不止上述這些優勢。例如，無線感測和聯網可以讓制造商使用低功耗電子設備，從而節省能源。隨著通信協議以及為它們提供支持的傳感器與收發器的不斷進步，制造商可以專注于實現可能最低的功耗。

　　能量采集技術利用現代IC功能可以節省更多的能源。一些傳感器、微控制器、電源管理器件和收發器可以利用從很少的熱量、少量機械運動或者室內照明等產生的能量工作，而這些能源在工廠中幾乎無處不在（圖1）。

　　圖1：在典型的能量采集系統中，能量產生于運動、熱源、光電資源或磁場活動。這種能量可以被捕獲、存儲、管理并饋送給傳感器進行傳輸。

　　這些技術可以最大程度地減少（如果不能消除的話）電池的使用，進而實現更低的能耗水平。熱電發電機（TEG）、太陽能設備、機械運動傳感器和能量存儲超級電容如今都已經非常成熟。

　　“人們對無線傳感器網絡使用電池供電總是津津樂道甚至有些得意。”凌力爾特公司（Linear）產品營銷總監Tony Armstrong表示，“但與此同時他們越來越多地關注電池的壽命，也更關心能量采集技術以最大限度地降低電池能耗。在無線傳感器網絡中，更重要的是要有足夠的能量來完成所需的任務。下面讓我們順著這條思路看看2009年時的情況。”

　　在工業中的應用

　　美國節能經濟委員會（ACEEE）一直在呼吁更好地使用先進的通信技術。正如在該委員會提交的題為“用于實現智能效率的確定性框架”的E125報告中指出的那樣，如果工業領域和住戶能更好地利用目前可用的現代通信技術（如無線網絡）的優勢，他們可以將系統效率再提高約12%至22%，從而在節能和提高生產率方面實現數百甚至數千億美元的效益。

　　HART通信基金會透露，目前在全球主要制造場所安裝有8000多個WirelessHART網絡。據該組織報道，有成千上萬的設備工作于許多加工應用中，包括旋轉式設備、管道監視、存儲系統、自動化廠房和材料處理設施。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所開發了網絡和各自的儀器。

　　WirelessHART借鑒了許多經過驗證的國際標準，包括HART通信協議標準（IEC6158）、EDDL（IEC61804-3）和IEEE802.15.4.這個IEEE標準是2007年被采用的，大部分工作由加州大學伯克利分校的Kris Pister完成，并于1997年與HART協議一起由他的公司Dust Networks實現了商用化。Dust Networks隨后被凌力爾特公司收購。作為Pister的工作成果，術語“塵埃（mote）”得到了Dust Networks公司的廣泛宣傳。

　　WirelessHART是一種無線網狀網通信協議，廣泛用于過程自動化應用。它在HART協議中增加了無線功能，同時保持了與現有HART設備、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三個主要部分，即無線現場設備、網關和網絡管理器（圖2）。

　　圖2：用于過程自動化應用的WirelessHART網狀網絡在HART協議中增加了無線功能，同時保持了與現有HART設備、通信和工具的兼容。

　　它包含三個主要部分，即無線現場設備、網關和網絡管理器。

　　“在石油天然氣、化學、葡萄酒廠、啤酒廠等行業中，我們已經從理論上設立了工業過程自動化的標準，可用于跟蹤液平面、流動速度、機器振動、壓力、溫度等。”Pister指出，“我們業已證實，無線傳感器網絡要比有線網絡更加可靠，而且成本更低。我們的強項在于確保通信協議的可靠性，并只需消耗很低的功耗。”

　　HART協議成功的關鍵是時間同步網格協議（TSMP）。HART的5個關鍵部分是時間同步的通信、跳頻、自動節點聯接與網絡組建、完全冗余的網格路由以及安全的消息傳送。TSMP網絡也可以實現自組。每個TSMP節點可以智能的發現鄰居、測量射頻信號強度、捕捉同步與跳頻信息，然后與相鄰節點建立路徑和鏈路。

　　在TSMP中，每個通信窗口被稱為時隙。一系列時隙組成一幀，在網絡的生命周期中這個幀會不斷地重復。幀長度以時隙數計算，是一個可配置的參數--這樣就可以為網絡確立一個特定的刷新率。

　　較短的幀長度可提高刷新率、增加有效帶寬和功耗。相反，較長的幀將降低刷新率，也會減小帶寬和功耗。一個TSMP節點可以同時加入多個幀，從而針對不同任務有效地實現多種刷新率（圖3）。具有時間、頻率和空間多樣性的TSMP包結構提供了一種魯棒性的協議，可以應對現實世界中的各種工業挑戰。

　　圖3:Dust Networks公司的時間同步網格協議（TSMP）節點可以同時加入多個幀，從而能有效地為不同任務實現不同的刷新率（a）。

　　電機無處不在

　　電機在工業環境中的應用十分廣泛。許多專家估計，工業電機總體擁有成本非常龐大，消耗工廠總能耗90%以上的能耗。雖然現代電機效率已經被提升到90%至95%，但優化電機系統的工作還可以節省20%以上的能耗。用于電機檢測、維護和控制的無線傳感器網絡也已就位。

　　許多無線傳感器網絡可以充分利用電機產生的機械能（由于振動）和熱能（由于發熱），而且通常可以在無需電池的情況下轉換這種能量，進而驅動無線傳感器網絡。EnOcean公司設計的ESK 300第一版868MHz無線能量采集開發套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗無線技術（圖4）。這個開發套件有兩個用于開關的電動機械式按鍵發電機和一個太陽能供電的溫度傳感器。由自供電的傳感器發送的消息可以被USB適配器接收，并通過DolphinView Basic電腦軟件實現可視化。

　　圖4:EnOcean公司設計的ESK 300第一版868MHz無線能量采集開發套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗無線技術。

　　帶按鍵無線發射模塊可以無需電池就實現無線遠程控制。重要應用包括安裝在墻上且有一兩個搖臂的扁平搖臂開關以及擁有多達4個獨立按鍵的手持式遙控器。套件中為線性運動設計的ECO 200能量轉換器可以用來給PTM 330無線模塊供電。每次運動輸出的能量足以發射3條消息，并且自由場范圍可達300米。在建筑技術和工業自動化中的微型開關和傳感器將成為可能的應用。

　　EnOcean聯盟圍繞低功耗能量采集無線技術創建了一個生態系統，并將它確立為可持續的建筑與工業自動化全球標準。這種生態系統支持不同的終端產品基于ISO/IEC 14543-310標準實現互操作。

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

　　EH4205的標稱輸入阻抗是50Ω，功效為52%，工作溫度范圍是0℃至70℃。它可以將輸入能量轉換為直流或交流電壓。EH4205具有睡眠功能，平時處于零功耗狀態，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左右的輸入驅動才能工作。雖然一些現有的低壓模塊也可以在約100mV時工作，但它們不能滿足來自TEG和光電元件等能源實現能量采集傳感應用的要求，因為它們的典型輸出功率約在4μW至40μW的單位數和兩位數范圍內。

　　凌力爾特公司提供的種類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太陽能400mA升壓型DC-DC轉換器，后者具有最大功率點控制并能以250mV的輸入啟動（圖5）。

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

　　Dust Networks公司今年推出的Eterna收發器芯片實現了IEEE 802.15.4e.與系統級芯片（SoC）結合在一起，這種第二代產品的功耗要比其替代的第一代產品低50%，從而確立了該公司在工業無線傳感器網絡領域中的領導地位（圖6）。Dust Networks公司稱，基于其Eterna技術的這款產品的功耗是競爭產品的約八分之一，這意味著它們的使用時間長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收發器芯片的功耗要比前一代產品低50%.Eterna技術芯片的功耗是競爭產品的八分之一，因此持續使用時間長8倍。

　　并不是所有無線網絡收發器芯片都設計為工作在很長距離，并能在廠房外部工作。許多芯片是為短距離通信設計的，可以用于工廠內的工業環境和制造設施，以實現工廠車間設備之間的通信。許多這樣的收發器是緊湊、超低功耗器件。它們也使用Wi-Fi （IEEE 802.11）和ZigBee （IEEE 802.15.4）通信協議，可以工作在免許可的2.4GHz工業、科學和醫療（ISM）頻段。也有的芯片使用藍牙協議（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、亞德諾半導體公司（ADI）的ADF7023-J以及德州儀器（TI）的C2500.Si446x“將GHz以下無線技術帶入了窄帶性能和功效的新水平。”Silicon Labs公司副總裁兼總經理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線傳感器網絡使用。

　　Banner Engineering公司的SureCros Q45收發器是最近推出的一種無線標準光電傳感器解決方案，其被設計用于控制與監視應用（圖7）。利用其專有的電源管理電路，可讓兩節可替換AA鋰電池持續工作5年時間，具體取決于所用的傳感器和應用種類。

　　圖7:Banner Engineering公司推出的這種獨立型SureCros Q45光電傳感器收發器，電源管理電路可以使兩節AA鋰電池持續工作長達5年時間。

　　無線傳感器網絡的安全性

　　智能手機和平板電腦等先進的人機界面（HMI）設備使得工業無線網絡的控制變得更加容易和更加簡單。但存在著某些有意和許多無意的網絡攻擊風險，除非采取足夠的保護措施，否則這些攻擊有可能使工廠的運轉徹底失靈。

　　在今年2月到4月期間，網絡安全公司Cyberti的職員跨越近4000英里的路程去檢查IEEE802.11 a/b/g/n無線傳輸，主要是尋找電源控制系統提供商的組織唯一標識符（OUI）。這些OUI由網絡設備提供商、控制系統硬件供應商所應用。

　　Cyeberti公司的研究表明，OUI和完整的介質訪問控制（MAC）地址即使在最安全的安全裝置中也經常得不到保護。Cyberti共同創始人、首席安全官Matthew E.Luallen警告說，像Modbus、EtherNet/IP、PCCC、DNP3和ICC P等控制系統協議本身是沒有認證的，這使得黑客可以為所欲為，因此在未受保護或保護性能較差的無線網絡上，數據應該與控制系統MAC地址關聯起來。

　　Luallen補充道，便攜式設備可以通過緩存的遠程訪問證書和設備上存儲的應用程序作為受保護控制基礎設施的切入點。無線設備也可以配置為IEEE 802.11無線網絡和蜂窩網絡之間的多種宿主，從而形成不必要的互聯網網關。

　　“便攜式電子設備一定不能被當成錘子或扳手之類的工具。這些設備保留著有關控制系統環境的信息，如果放在不能信任的人手里，可能造成額外的傷害。不管設備是傳統的筆記本電腦、iPhone、iPad還是HART通信器，作為工具都可能包含通信點、標簽、配置參數、邏輯、框圖、藍圖以及有關環境的細節等可以被技術高深的黑客利用的內容。”Luallen表示。

　　“首先，人們必須調查使用能夠自由訪問控制系統的移動設備能夠真正帶來多少提升生產率和降低成本的好處。”他補充道。Luallen還表示，不應允許傳統消費型手機或平板電腦進行控制系統的遠程訪問。“如果你真切地擔心存在的網絡風險，那么在做任何有可能增大攻擊面的事之前都應該三思而行。也許風險確實比實際的生產率提高要大。”