一、引言

第四次工業(yè)革命（或工業(yè)4.0）正向我們走來——通過互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）基礎(chǔ)設(shè)施的出現(xiàn)而成為可能。盡管之前的工業(yè)技術(shù)使工廠、發(fā)電廠、煉油廠、天然氣管道、鐵路運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制成為可能，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過采用工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）來推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

將控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以提供更全面的數(shù)據(jù)集，使用戶能夠優(yōu)化其整個(gè)價(jià)值鏈。例如，了解工廠關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)有助于預(yù)測(cè)問題可能發(fā)生的時(shí)間/地點(diǎn)，這樣可以避免和減少停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，每年為公司節(jié)省大量資金。這樣還可以減少所需進(jìn)行維護(hù)工作的頻率，從而降低運(yùn)營成本。

據(jù)估計(jì)，到2023年全球每年將有34億臺(tái)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片組出貨（高于2018年的10億臺(tái)）。短距離無線通訊方式（如802.15.4、藍(lán)牙、Wi-Fi和專有協(xié)議）目前占所有發(fā)貨量的90%以上，但低功耗長距離通訊方式（SigFox、Lora和NB-IoT）正在以更快的速度增長。預(yù)計(jì)未來五年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的相關(guān)領(lǐng)域（工業(yè)、農(nóng)業(yè)和建筑）的年收入將超過130億美元。

二、IIOT的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

通常來說，控制系統(tǒng)通常更重視其安全和可靠性，而不是系統(tǒng)成本，這些系統(tǒng)有助于確保制造或加工場(chǎng)所的順利和高效運(yùn)行，因?yàn)槿魏五e(cuò)誤、延遲或事故都將導(dǎo)致收入損失甚至人身傷亡。隨著無線通信、能效、小型化和智能嵌入式計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，以及更強(qiáng)健、低功耗的設(shè)計(jì)、長壽命的紐扣電池，這些均導(dǎo)致了可靠和安全的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)展。這些節(jié)點(diǎn)能夠滿足嚴(yán)格的行業(yè)要求，并且能夠在最極端的應(yīng)用程序設(shè)置下工作。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成本較低，使得在整個(gè)系統(tǒng)中部署數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)相對(duì)容易，也相當(dāng)經(jīng)濟(jì)，從而形成了類人的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這種可擴(kuò)展性，再加上支持多種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能力，進(jìn)一步提高了生態(tài)系統(tǒng)的可靠性，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼器和網(wǎng)關(guān)的廣泛網(wǎng)絡(luò)，所有這些都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)4.0所必需的空間和通道冗余。

三、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線協(xié)議

除了惡劣或偏遠(yuǎn)的操作環(huán)境和工業(yè)設(shè)施的龐大規(guī)模外，工程師還應(yīng)考慮到所有金屬、混凝土和設(shè)備帶來的干擾，以及來自內(nèi)部和周圍其他電子設(shè)備的電磁干擾。所有這些都決定了要實(shí)現(xiàn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)類型，或者應(yīng)該支持哪種組合無線協(xié)議，取決于具體應(yīng)用。藍(lán)牙低能耗（BLE）、ISA-100.11A、無線HART和ZigBee都是有效的選項(xiàng)。

Microchip的2.4GHz收發(fā)器模塊具有極低的接收電流，這樣可以延長電池壽命。IEEE802.1.1模塊具有一個(gè)易于使用的API驅(qū)動(dòng)程序接口，可以連接到公司免費(fèi)的TCP/IP協(xié)議棧及其主流的PIC微控制器單元（MCU）。這些低功耗嵌入式Wi-Fi模塊消除了從零開始開發(fā)RF電路并獲得代理證書的復(fù)雜性和成本。RN1810型號(hào)包括一個(gè)板載TCP/IP網(wǎng)絡(luò)棧、密碼加速器、電源管理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、2.4GHz收發(fā)器和射頻功率放大器。

圖2 Microchip MRF24WB0MA/MRF24WB0MB無線模塊

Panasonic的PAN9026模塊將IEEE 802.11a/b/g/n支持與藍(lán)牙BDR/EDR/LE功能結(jié)合在一起，為智能能源、家庭網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供靈活的連接選項(xiàng)。它具有動(dòng)態(tài)快速通道切換（DRCS）功能，可在2.4GHz和5GHz下同時(shí)工作。 這兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)使數(shù)據(jù)速率達(dá)到150Mbps，再加上400mA（傳輸）和70mA（接收）的超低電流。通過集成電源管理、高速雙核處理器（CPU）、802.11i安全標(biāo)準(zhǔn)支持和高速數(shù)據(jù)接口，它提供了物聯(lián)網(wǎng)部署所需的速度和可靠性。

圖3 Panasonic PAN9026 Wi-Fi和BLUETOOTH?無線電模塊

四、智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案

Silicon Labs EM35X系列由完全集成的片上系統(tǒng)（SOC）組成，該系統(tǒng)具有2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器、32位ARM Cortex-M3微處理器、閃存和RAM，以及許多對(duì)ZigBee系統(tǒng)設(shè)計(jì)者有價(jià)值的外圍設(shè)備。收發(fā)器元件采用了一種有效的架構(gòu)，超過了IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍要求15分貝以上。集成接收通道過濾允許與2.4GHz頻譜中的其他通信標(biāo)準(zhǔn)（如IEEE 802.11-2007和藍(lán)牙）牢固共存。

ADI的 Smart Mesh IP無線解決方案，由嵌入式芯片和預(yù)認(rèn)證的PCB模塊組成。這些模塊配有完全開發(fā)的、經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的智能無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)軟件。Smart Mesh無線傳感器能夠通過超低功耗、安全的無線通信提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可靠性（》99.999%）。使得傳感器可以放置在任意的IIOT環(huán)境中。Smart Mesh及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)管理板的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC，它采用了高度集成的低功耗2.4GHz無線電設(shè)計(jì)同時(shí)還具有 一個(gè)運(yùn)行Smart Mesh網(wǎng)絡(luò)軟件的ARM Cortex-M3 32位微處理器。

圖4 ADI. Smart Mesh? IP?無線解決方案

支持工業(yè)4.0技術(shù)發(fā)展所需的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件正在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。現(xiàn)在，可以在市場(chǎng)上找到達(dá)到所需性能的組件和模塊，同時(shí)還可以應(yīng)對(duì)電源預(yù)算限制、具有挑戰(zhàn)性的操作條件和一系列不同的安全威脅。因此，在未來幾年中，自動(dòng)化程度提高帶來的諸多好處將開始在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。