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)、云計算、數(shù)據(jù)分析和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIOT) 基礎設施的出現(xiàn)而成為可能。盡管之前的工業(yè)技術使工廠、發(fā)電廠、煉油廠、天然氣管道、鐵路運輸?shù)雀鱾€系統(tǒng)的監(jiān)測和控制成為可能，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過采用工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN) 來推動自動化技術的進一步發(fā)展。

將控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點所獲取的數(shù)據(jù)進行融合，可以提供更全面的數(shù)據(jù)集，使用戶能夠優(yōu)化其整個價值鏈。例如，了解工廠關鍵設備的運行狀態(tài)有助于預測問題可能發(fā)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(jié)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(jù)估計，到2023年全球每年將有34億臺無線傳感器網(wǎng)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(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。預計未來五年，無線傳感器網(wǎng)絡設備的相關領域 (工業(yè)、農業(yè)和建筑) 的年收入將超過130億美元。

IIOT的神經(jīng)網(wǎng)絡

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(jié)點的發(fā)展。這些節(jié)點能夠滿足嚴格的行業(yè)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(wǎng)絡技術的成本較低，使得在整個系統(tǒng)中部署數(shù)百個甚至數(shù)千個傳感器節(jié)點相對容易，也相當經(jīng)濟，從而形成了類人的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這種可擴展性，再加上支持多種無線網(wǎng)絡協(xié)議的能力，進一步提高了生態(tài)系統(tǒng)的可靠性，包括傳感器節(jié)點、中繼器和網(wǎng)關的廣泛網(wǎng)絡，所有這些都實現(xiàn)了工業(yè)4.0所必需的空間和通道冗余。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線協(xié)議

除了惡劣或偏遠的操作環(huán)境和工業(yè)設施的龐大規(guī)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(xiàn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點類型，或者應該支持哪種組合無線協(xié)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(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(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雜性和成本。RN1810型號包括一個板載TCP/IP網(wǎng)絡棧、密碼加速器、電源管理子系統(tǒng)、實時時鐘、2.4GHz收發(fā)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(wǎng)關和物聯(lián)網(wǎng)的應用提供靈活的連接選項。它具有動態(tài)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(shù)據(jù)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(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(wǎng)絡解決方案

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標準的收發(fā)器、32位ARM Cortex-M3微處理器、閃存和RAM，以及許多對ZigBee系統(tǒng)設計者有價值的外圍設備。收發(fā)器元件采用了一種有效的架構，超過了IEEE 802.15.4-2003標準規(guī)定的動態(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(fā)的、經(jīng)過現(xiàn)場驗證的智能無線網(wǎng)狀網(wǎng)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(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及其相關網(wǎng)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(wǎng)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(yè)4.0技術發(fā)展所需的無線傳感器網(wǎng)絡硬件正在實現(xiàn)這一目標?，F(xiàn)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(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，自動化程度提高帶來的諸多好處將開始在全球范圍內實現(xiàn)。

審核編輯：郭婷