第四次工業革命 (或工業4.0) 正向我們走來——通過互聯網、云計算、數據分析和工業物聯網 (IIOT) 基礎設施的出現而成為可能。盡管之前的工業技術使工廠、發電廠、煉油廠、天然氣管道、鐵路運輸等各個系統的監測和控制成為可能,工業物聯網通過采用工業無線傳感器網絡 (WSN) 來推動自動化技術的進一步發展。
將控制系統中的數據與物聯網節點所獲取的數據進行融合,可以提供更全面的數據集,使用戶能夠優化其整個價值鏈。例如,了解工廠關鍵設備的運行狀態有助于預測問題可能發生的時間/地點,這樣可以避免和減少停機的風險,每年為公司節省大量資金。這樣還可以減少所需進行維護工作的頻率,從而降低運營成本。
據估計,到2023年全球每年將有34億臺無線傳感器網絡芯片組出貨 (高于2018年的10億臺)。短距離無線通訊方式 (如802.15.4、藍牙、Wi-Fi和專有協議) 目前占所有發貨量的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。預計未來五年,無線傳感器網絡設備的相關領域 (工業、農業和建筑) 的年收入將超過130億美元。
IIOT的神經網絡
通常來說,控制系統通常更重視其安全和可靠性,而不是系統成本,這些系統有助于確保制造或加工場所的順利和高效運行,因為任何錯誤、延遲或事故都將導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算技術的進步,以及更強健、低功耗的設計、長壽命的紐扣電池,這些均導致了可靠和安全的無線傳感器節點的發展。這些節點能夠滿足嚴格的行業要求,并且能夠在最極端的應用程序設置下工作。
由于無線傳感器網絡技術的成本較低,使得在整個系統中部署數百個甚至數千個傳感器節點相對容易,也相當經濟,從而形成了類人的物聯網系統。這種可擴展性,再加上支持多種無線網絡協議的能力,進一步提高了生態系統的可靠性,包括傳感器節點、中繼器和網關的廣泛網絡,所有這些都實現了工業4.0所必需的空間和通道冗余。
工業物聯網的無線協議
除了惡劣或偏遠的操作環境和工業設施的龐大規模外,工程師還應考慮到所有金屬、混凝土和設備帶來的干擾,以及來自內部和周圍其他電子設備的電磁干擾。所有這些都決定了要實現的工業物聯網節點類型,或者應該支持哪種組合無線協議,取決于具體應用。藍牙低能耗 (BLE)、ISA-100.11A、無線HART和ZigBee都是有效的選項。
Microchip的2.4GHz收發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模塊具有一個易于使用的API驅動程序接口,可以連接到公司免費的TCP/IP協議棧及其主流的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RF電路并獲得代理證書的復雜性和成本。RN1810型號包括一個板載TCP/IP網絡棧、密碼加速器、電源管理子系統、實時時鐘、2.4GHz收發器和射頻功率放大器。
圖1:Microchip MRF24WB0MA/MRF24WB0MB無線模塊 (來源:貿澤電子)
Panasonic的PAN9026模塊將IEEE 802.11a/b/g/n支持與藍牙BDR/EDR/LE功能結合在一起,為智能能源、家庭網關和物聯網的應用提供靈活的連接選項。它具有動態快速通道切換 (DRCS) 功能,可在2.4GHz和5GHz下同時工作。 這兩個獨立運行的標準使數據速率達到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安全標準支持和高速數據接口,它提供了物聯網部署所需的速度和可靠性。
圖2:Panasonic PAN9026 Wi-Fi和BLUETOOTH?無線電模塊 (來源:貿澤電子)
智能無線傳感器網絡解決方案
Silicon Labs EM35X系列由完全集成的片上系統 (SOC) 組成,該系統具有2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003標準的收發器、32位ARM Cortex-M3微處理器、閃存和RAM,以及許多對ZigBee系統設計者有價值的外圍設備。收發器元件采用了一種有效的架構,超過了IEEE 802.15.4-2003標準規定的動態范圍要求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準 (如IEEE 802.11-2007和藍牙) 牢固共存。
ADI的 Smart Mesh IP無線解決方案,由嵌入式芯片和預認證的PCB模塊組成。這些模塊配有完全開發的、經過現場驗證的智能無線網狀網絡軟件。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大的數據可靠性 (>99.999%)。使得傳感器可以放置在任意的IIOT環境中。Smart Mesh及其相關網絡管理板的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC,它采用了高度集成的低功耗2.4GHz無線電設計同時還具有 一個運行Smart Mesh網絡軟件的ARM Cortex-M3 32位微處理器。
圖3: ADI. Smart Mesh? IP?無線解決方案 (來源:貿澤電子)
支持工業4.0技術發展所需的無線傳感器網絡硬件正在實現這一目標。現在,可以在市場上找到達到所需性能的組件和模塊,同時還可以應對電源預算限制、具有挑戰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,自動化程度提高帶來的諸多好處將開始在全球范圍內實現。
審核編輯:郭婷
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