無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN
隨著市場需求的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,簡稱WSN)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,這成為當(dāng)前所有應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的新熱點(diǎn)。而在工業(yè)方面的應(yīng)用,工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也正成為當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
凡是新生事物的產(chǎn)生,首先是市場需求,其次是技術(shù)上的可行,當(dāng)二者具備時(shí),新生事物就會(huì)油然而生。隨著國防工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、食品、醫(yī)療、衛(wèi)生等行業(yè)的發(fā)展,以及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)安全的日益重視,加之人們的生活質(zhì)量不斷提高,這就需要一種技術(shù)的產(chǎn)品在一定范圍內(nèi)方便地進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測和采集多種信息并加以處理,從而采取適當(dāng)措施加以控制。因此,WSN就提上了日程。WSN是一種跨學(xué)科的技術(shù),現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展到一定程度為實(shí)現(xiàn)WSN奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
我國政府在國家“十一五”規(guī)劃和《國家中長期科技發(fā)展綱要》中將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及信息處理”列入其中,國家863、973計(jì)劃中也將WSN列為支持項(xiàng)目。此外國家自然科學(xué)基金與各省市的大型企業(yè)等也都有資助,這為WSN的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件。
產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)至關(guān)重要。在IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)中,家用和辦公領(lǐng)域內(nèi)已有藍(lán)牙(blue tooth)、Zigbee,而在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)則有HART 7.1,ISA(美國儀表學(xué)會(huì))100和中國的WIA-PA。其中HART基金會(huì)的HART 7.1(無線HART)還于2008年9月19日正式獲得IEC的認(rèn)可,成為公共可用的規(guī)范(Public Available Specification,簡稱PAS)。WIA-PA(Wireless Industrial Automation—Process Automation)是由我國中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所牽頭制定的中國WSN標(biāo)準(zhǔn),已于2008年10月31日獲得了IEC的認(rèn)可,成為PAS 62601文件。而ISA(美國儀表學(xué)會(huì))的ISA 100標(biāo)準(zhǔn)要向IEC申請成為PAS文件時(shí),由于內(nèi)部矛盾,投票表決時(shí),僅以一票之差未能通過。相信其文本經(jīng)過修改后,成為PAS文件是沒有什么問題的。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的應(yīng)用概況
目前已有Emerson與Honeywell兩家國外大公司推出的WSN產(chǎn)品,前者符合無線HART 7.1版本的標(biāo)準(zhǔn),而后者采用了ISA 100標(biāo)準(zhǔn),但大多數(shù)只限于溫度、壓力、流量及物位耗電量小的變送器。在國內(nèi),川儀和重慶郵電大學(xué)合作也已生產(chǎn)出無線系列變送器及執(zhí)行器的樣機(jī),而WIA-PA在鞍鋼冷軋機(jī)測量軸承溫度也已使用成功(測點(diǎn)已達(dá)400點(diǎn))。國外兩家公司的產(chǎn)品在國外也已有了多個(gè)應(yīng)用案例。
由于WSN目前尚處于研發(fā)與不斷完善的階段,功能有限,例如無線HART目前的水平是:無線通信距離在200米以內(nèi),電池壽命為5-10年,可靠性為99%。而Honeywell的產(chǎn)品則在一個(gè)mesh主干網(wǎng)可以有22個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)(相當(dāng)于網(wǎng)點(diǎn)),每個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)可以連接100臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備,無線儀表的刷新速度為1秒、5秒、10秒、30秒四種(未來可達(dá)到0.25秒),電池壽命在1秒刷新時(shí)為4-5年,5秒刷新時(shí)為10年。
綜上所述,WSN目前的應(yīng)用范圍只能局限在數(shù)據(jù)的監(jiān)控和采集方面(SCADA),尚不能用在控制和安全的場合,目前只能是有線應(yīng)用的補(bǔ)充。另外目前WSN的產(chǎn)品價(jià)格較貴,如無線HART的適配器(無線收發(fā)器)價(jià)格約人民幣萬元,一個(gè)無線HART的變送器約6000美元左右,比HART儀表要貴很多。
WSN攻關(guān)的難點(diǎn)
目前WSN的難點(diǎn)在于一方面用了無線,就不能要求用電纜供電,而必須用電池。而電池又不能經(jīng)常去更換,這就要求低耗;而另一方面,通信的要求則是需要具有三性,即實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性。要做到這一點(diǎn)又必須增加開銷,這就又要多耗電,這兩者是矛盾的。因此只能在目前的條件下,找出其平衡點(diǎn),達(dá)到整體的優(yōu)化。
當(dāng)前國內(nèi)外的一些研發(fā)部門莫不殫精竭慮,他們在軟、硬件方面“大做文章”,現(xiàn)在已有了階段性成果。如在低耗方面,已作出了一些低耗芯片。高性能電池或在節(jié)點(diǎn)不工作的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行休眠或半休眠等等節(jié)能措施;或者利用光能、機(jī)械能(振動(dòng))等能量將之轉(zhuǎn)化為電能。在保證信息的“三性”方面,也在制訂各種協(xié)議以達(dá)到“三性”的目的。
由于用戶的需要、技術(shù)的發(fā)展,WSN的前景是光明的。據(jù)有關(guān)專家統(tǒng)計(jì),要攻克上述難點(diǎn)大概還需要5-10年的時(shí)間。
根據(jù)現(xiàn)場總線的經(jīng)驗(yàn),只要沒有多標(biāo)準(zhǔn),制造廠商和研發(fā)部門也不要刻意去炒作,用戶也不要為新技術(shù)而新技術(shù),為無線而無線。要堅(jiān)持從實(shí)際出發(fā),講究以最少的投資實(shí)現(xiàn)最大的生產(chǎn)效益,這樣WSN才能獲得健康而較快的發(fā)展。
希望與建議
首先,研發(fā)部門必須要重視用戶的作用。如果說國內(nèi)外存在著技術(shù)差距,大家或許會(huì)承認(rèn)(事實(shí)上在某些方面,我國的科技水平已達(dá)到國際的先進(jìn)水平,但總體來講,還存在著5-10年的差距);但在對(duì)用戶重視程度上的差距比起技術(shù)上的差距確實(shí)要大得多。以WSN標(biāo)準(zhǔn)為例,ISA花了兩年時(shí)間與一些大用戶聯(lián)合調(diào)研,這確實(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的完整性和實(shí)用性起到了完善的作用。而中國的WIA-PA由于對(duì)應(yīng)用了解不夠,其定位顯然有欠準(zhǔn)確。WIA-PA的定位應(yīng)該是在WSN,而不是WIA-PA,WIA中文名稱是“無線工業(yè)自動(dòng)化”,而無線自動(dòng)化在流程工業(yè)中的應(yīng)用包含三類:即開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際目的及內(nèi)容僅是WSN,而WSN屬于無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN),屬于IEEE 15.4;還有一類應(yīng)用是點(diǎn)對(duì)點(diǎn),或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的強(qiáng)功率的無線局域網(wǎng)(WLAN),屬于IEEE 15.1,這已成功應(yīng)用于流程工業(yè),如鋼鐵工業(yè);第三類是無線廣域網(wǎng)(WWAN),屬于IEEE 802.16,這也開始在跨省、跨國的大企業(yè)中開始應(yīng)用。顯然WIA-PA名不符實(shí),有定位不準(zhǔn)之嫌,比較準(zhǔn)確的命名應(yīng)為無線工業(yè)傳感器網(wǎng)路WISEN(Wireless Industrial Sensor Network),這樣的名稱念起來也方便。如果有用戶參與,就不會(huì)有這些問題產(chǎn)生了。
另外,歡迎金融企業(yè)的介入和支持。目前金融風(fēng)暴波及我國,國外的一些大公司加強(qiáng)了在中國的本土化,這對(duì)中國本土的儀表工業(yè)的壓力越來越大,中小型企業(yè)首當(dāng)其沖,所以這些企業(yè)都在采取措施、轉(zhuǎn)變觀念、調(diào)整其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。在中國儀器儀表學(xué)會(huì)2008年舉辦的WSN論壇和WSN培訓(xùn)班上已充分地體現(xiàn)了這一點(diǎn),中小型企業(yè)需要技術(shù),更需要資金的支持,因此在“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的結(jié)合上,再需要加上“金”字,即金融業(yè)的介入,以輔助國家對(duì)科技的投入。
同時(shí)由于WSN的應(yīng)用廣泛,幾乎無所不包,因此具有無限的商機(jī),希望不忘錯(cuò)過這個(gè)“四萬億投資拉動(dòng)內(nèi)需”的機(jī)遇。
(轉(zhuǎn)載)