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浅谈工业无线传感器网络的演进

他芷-本文作者
59 0 2019-12-2 16:51
摘要

无线传感器网络(WSN)驱动的工业自动化预示着工业物联网(物联网)4.0的到来。关键的云和无线Mesh网络技术有望为机器和传感器带来多年的电池寿命、ip可寻址性、基于云的供应和管理系统以及现场总线隧道。虽然目前流行的 ...




无线传感器网络(WSN)驱动的工业自动化预示着工业物联网(物联网)4.0的到来。关键的云和无线Mesh网络技术有望为机器和传感器带来多年的电池寿命、ip可寻址性、基于云的供应和管理系统以及现场总线隧道。虽然目前流行的无线标准,如WirelessHart和WIFI很可能将占工业无线网络技术的大多数,但即将到来的低功耗广域网(LPWAN)技术对于当前和未来的应用来说很有价值。

从硬连接到智能LINKS

与数据中心通信和与修补线和全会以太网电缆的部门间互联不同,工业通信的主干要求电缆能够抵抗包括化学品、油污、水分、振动和磨损在内的许多环境威胁。这对于基于现场总线和以太网的硬连线工业链路来说是必要的,但工业无线传感器网络(IWSN)正准备用数百到数千个模块化传感器节点来取代大部分昂贵的基础设施。

要使这项技术无处不在,有各种各样的挑战,例如,工业传感器节点的误码率(误码率)可达10。-2至10-6[1]ieee 802.3以太网标准要求性能介于10之间-10和10-'2..对于超低延迟时间敏感网络(TSN)应用,如工厂自动化与高速机器人臂,时间同步协议必须可靠地实现亚毫秒周期和亚微秒设备的工厂操作(例如,PROFINET 10)。WSN技术受到小型电池驱动传感器可用能量的限制,带宽有限,计算能力有限;传统上使用的复杂方案,如网络时间协议(Ntp),由于这些限制而不可行。

此外,许多工厂自动化、过程自动化和楼宇自动化设施传统上利用Purdue Enterprise Reference Architecture(Pera)集成制造操作和控制以及业务系统中的应用程序。层次结构的每一层都是高度定制和独立优化的,以满足特定任务的需求,这使得与工业物联网(Ilot)网络的互操作性面临挑战,从而减缓了这项技术的扩散。

尽管如此,在硬件和软件之间添加一定程度的抽象以及与Internet协议(IP)集成的能力允许可伸缩的体系结构支持各种各样的工业应用程序,这可以使规模经济的产生比自定义的专有系统快得多。此外,消除了与互连电缆配套的维护。在腐蚀性强的环境中,必须定期检查和维护特别设计的连接器头和电缆外壳,以防止网络延迟和故障。

图1:无线传感器网络的示意图,该传感器具有多种功能,是通过电缆收集数据并发送到互联网的接收器节点。近8个用户利用无线网格拓扑。

机遇与挑战的演变

如图1所示,无线传感器网络涉及安装在工业设备上的微型无线传感器节点,以根据振动、温度、接近度、电能质量和压力等参数监测其性能。这些节点通常由微控制器、多个传感器、通信模块、用于数据存储的存储器(例如EEPROM、sdCard)和电源组成。根据接入技术的不同,节点可以使用以太网、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙或GPRS/3G与外部系统通信。该接收器也称为数据采集(DAQ)传感器节点和网关,通过内部有线连接(如以太网)无线接收数据并将其传输到Internet。这就避免了每个传感器节点存储大量数据的必要性,并为网络回传提供了一种处理和分析数据的手段。

能量约束

工业WSNs在能量、内存和处理方面面临着主要的资源限制;大多数传感器节点都是电池供电的,既限制了传感器的处理能力,也限制了节点的工作寿命。

目前正在探索许多收集能源的方法,包括通过振动、热能、射频能量和光产生能量。在室外环境中,可在板上安装光伏(PV)电池,作为主要能源,通过可充电电池组和/或超级电容器、实现二次储能。

在厂房地板上,电机可以占到能量输出的90%以上,同时也是工厂地板上最重要的能源之一,在温度和振动方面也是有待开发的能源之一。热电能可以通过使用两种不同的金属获得,其中温度梯度产生电流(Seebeck效应)。由n型和p型半导体颗粒组成的热电发电机(TEG)使用从几度到数百度不等的温度梯度来产生能量。这些温差可以从人体或机器到周围环境。压电材料可以将振动和气流应变转化为电压。环境振动也可以通过磁感应转换成功率,磁铁相对于线圈移动。

通过微机电系统(MEMS)或光伏电池(PV)获得的能量经过功率调节,以便存储在二次能量存储中,通过电源管理电路,最后通过负载(传感器和无线电)。虽然有许多创新的方法可以自主地产生能量,以防止昂贵的更换电池的维护,但电源的不可预测性增加了对传感器节点可靠性的挑战。没有传感器节点的能量补充,时间敏感信息可能被错误地传输或丢失。此外,如果传输过程中消耗的能量不成比例,传感器可能没有足够的功率来探测环境,从而降低系统的潜在确定性。

图2:基于ISA/2012年和2014年完成的“世界调查”对WSN采用者最重要的特性。

确定性与可靠性

2014年底由国际自动化学会(ISA)和OnWorld组成的一项调查显示,数据的可靠性、安全性和容易访问传感器数据。WSN最重要的特性(图2)。有趣的是,对电池寿命的关注减少了,而对IP可寻址性的需求增加了。影响无线传感器网络可靠性的主要因素有两个:网格网络和信道跳变。通过自愈算法,每个节点可以与多个相邻节点进行通信的网络簇比线性点对点拓扑具有更高的可靠性,在这种拓扑结构中,如果一个节点变得非功能性,传输链就会中断。

信道跳变是低功耗和有损耗网络(LLAN)的又一故障安全,其中节点可以在给定带宽内使用多个信道,以防在选定信道中存在传输/接收挑战。这是在IEEE 802.15.4e标准中的媒体访问控制(MAC)层中定义的-这是许多无线传感器网络标准(包括WirelessHart、ZigBee和ISA100.11 a)的物理和数据链路定义的基础。

汽车控制器区域网络(CAN)等有线网络必须经历不超过10-6的误码率(BER),才能使未被检测到的损坏信息每年在车队中发生不到一次[8],而流行的用于航空电子设备的MIL-STD-1553B(MIL-STD-1553B)则将Bers提高到10-12以下。大多数IWSN标准结合了时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和载波感知多址(CSMA/CA)的介质访问控制(MAC)协议。有线和无线MAC协议之间的主要区别通常源于在发送时(例如CSMA/CD)能够检测介质上的碰撞[9]。由于这在无线介质上是不可能的,因此在IWSNs中可以利用服务质量(QoS)分析来测量分组丢失、带宽和延迟。此外,还可以使用附加的MAC协议来提高无线传感器网络的确定性。

保安

安全是IWSN最终用户最关心的问题之一(图2)。如表1所示,安全性有几个主要方面,包括数据机密性、完整性、可用性、新鲜度和真实性。加强安全性的所有这些方面都可以保护IWSN免受这两方面的攻击。

被动(例如,传输窃听和监听)和主动攻击(例如物理修改、拒绝服务、数据篡改和服务中断)。

WSN标准

如图3所示,截至2014年,有四分之一的WSN采用者使用具有99%高网络可靠性的WireIessHART拓扑,而十分之一的人正在利用ISA100.11a规范。然而,在过去两年中,ISA100.11因其灵活的时间安排和软件隧道而增加了67%。对于低功耗、长距离的低功耗广域网(LPWAN)技术有着越来越多的兴趣。这种拓扑拥有长达10年电池供电的无线传感器,通讯连接长达20英里.虽然这种技术可能不适合于安全、时间敏感和高可靠性的应用程序,但它在易用性和可扩展性方面排名很高。

结语

从环境传感,到状态监测和过程自动化,IWSN服务于广泛的应用。虽然ZigBee和MiWi通常为家庭自动化应用程序服务,WirelessHart和ISA100.11 a是专门为工业环境设计的。传统的有线工业体系结构在工业以太网中确实经历了更高层次的确定性和一定程度的可伸缩性。尽管如此,IWSNs在模块化、易用性和成本效益方面都超过了任何有线网络。



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