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工业无线传感器网络技术成测控领域新热点

行业聚焦点中国仪表网2013年01月31日 11:11人气:21928

  导读:我国政府也在国家“十一五”规划和《国家中长期科技发展规划纲要》中将“传感网络及信息处理”列入其中,国家863、973计划中也将WSN列为支持项目。
伴随着这样的市场需求和技术的进步,工业无线传感器网络技术应运而生,并已成为当前测控领域的新热点。

    随着工业、农业、医疗、卫生等行业的发展,以及人们对环境保护和社会安全的日益重视,就需要一种技术和产品能在一定范围内方便地进行实时感知、监测和采集多种信息并进行处理。伴随着这样的市场需求和技术的进步,工业无线传感器网络(Wireless Sensors Network简称WSN)技术应运而生,并已成为当前测控领域的新热点。
  
  美国军方早在1978年就开始部署,美国能源部也在2002年将工业无线技术作为到2020年降低工业整体能耗5%的手段。而美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出,工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高10%,并使排放和污染降低25%。
  
  我国政府也在国家“十一五”规划和《国家中长期科技发展规划纲要》中将“传感网络及信息处理”列入其中,国家863、973计划中也将WSN列为支持项目。此外国家自然科学基金、各省市和大型企业等也都有资助,为WSN的快速发展创造了条件。
  
  任重道远
  
  WSN出现以后,1999年美国商业周刊将WSN列为21世纪最具影响的21项技术之一;2003年MIT(美国麻省理工学院)技术评论在预测未来技术发展的报告中,就将其列为改变世界的十大新技术之一;2003年美国商业周刊又在其未来技术“专测”中发表文章指出WSN是全球未来的四大技术产业之一,将掀起新的产业浪潮。
  
  有关WSN标准及协议的制定
  
  在IEEE(美国电子电气工程师协会)802.15标准中,家用和办公领域已有蓝牙、Zigbee,而在工业领域中则有HART7.1,ISA100和中国的WIA-PA。
  
  其中HART7.1(无线HART)已于2008年9月19日正式获得IEC的认可,成为一种公共可用规范(IEC/PAS62591Ed.1)。这是第一个获得这一级别国际认证的工业无线通信技术。而ISA100想提交IEC成为IEC的标准却未能实现。
  
  WIA-PA(WirelessforIndustryAutomation-ProcessAutomation)是由我国中科院沈阳自动化研究所牵头制定的中国WSN标准,目前正在审查中。其目标是先成为我国的国家标准,再申请成为IEC的国际标准。
  
  WSN的特点
  
  WSN的特点可用12字概括,即“低耗自组、异构互连、泛在协同”。
  
  低耗自组
  
  “低耗自组”是WSN最重要的特点。因为耗电多则不能用电池供电,就无法实现无线化,因此低耗是关键。“自组”则是在WSN的网状(mesh)网络中具有自组织性(adhoc),及网络中的各个节点通过分布式算法来协调彼此的行为,无需人工干预和任何其他预置的网络设施,可在任何时间、地点快速展开并自动组网。当一个节点退出或加入,或一个节点与某一接点通信路径被阻断时,WSN都能重新自动进行组织恢复工作。因此,WSN有自组(织)、自优(化)、自痊(愈)的特点。
  
  异构互连
  
  “异构互连”包括两个部分:节点级和网络级的异构互连。前者指在同一网络内允许不同结构的节点(如传感器、变送器、路由器等)的互连;而后者指异构网络的互连,如不同协议的无线网络或现有有线网络的互连。节点级异构互连的关键是设计适用于WSN的开放体系结构,核心是通信协议的设计和研究包括了无线信号的调制解调、MAC协议及路由算法等。实现网络间异构互连的关键是网关的设计和配置。总之,异构互连大大解决了网络的可扩性问题。
  
  泛在协同
  
  在自然界中,需感知的事物无处不在,即便在工业领域内,一个大型机组或项目需要测量或控制的参数也动辄成千上万,“泛在”就是指这种应用状况。但每个节点的能量、传感、存储和计算能力相当有限,而对大量节点之间所测得的数据和信息进行协同处理和控制的有效利用,对增加企业产品的竞争力,提高产生效益是十分重要的。因此,这也是WSN的关键技术和特点之一。
  
  目前WSN在中国的推广
  
  目前已有两家国外公司推出了WSN的产品,一种符合无线HART7.1标准;另一种采用ISA100标准。但大多只限于温度、压力流量及物位变送器。国内川仪和重庆邮电大学合作也已生产出无线系列变送器及执行器的样机,而中国的WIA-PA在鞍钢冷轧机上也已试用成功(测点已达400点)。
  
  WSN的应用
  
  由于市场的国际化,企业之间的竞争越来越激烈,各大厂商无不朝着高产稳产、优质低耗、环保与安全的方向发展。生产规模的不断扩大(如火电和核电机组已达百万千瓦,炼油也达千万吨以上,乙烯也已上升到百万吨级),其测控点数也不断增加;另外由于环保与安全方面的要求,更使测控点数达到近万点。如果采用有线方案,则电缆根数也是成千上万,不但使工程设计更加复杂,工程投资增加,也使安装及维护成本上升。无线技术的应用可以减少费用达90%以上,因此WSN技术的应用势不可挡。
  
  目前无线局域网(WLAN)即Wi-Fi(IEEE802.11)已在工业上得到应用,广域网(WWLAN)即WiMax(IEEE802.16)也在开始应用,WSN属于个域网(WPAN),IEEE802.15则正在发展之中。其难点在于一方面要求低耗,另一方面要保证通信的实时性、安全性与可靠性,这二者是互相矛盾的。因此要设法找出其平衡点,实现总体优化。如在节能方面,除了采用低耗芯片和发展高性能电池外,还采取各节点在不通信时进行睡眠、半睡眠,或者利用光能和机械振动转化成电能等措施。
  
  目前国内外各研发机构在上述各领域的研究,已经获得了一些可喜的成果。目前国内HART无线通信的距离是200m之内,电池寿命为5~10年,可靠性达99%。可以看出目前只能成为有线的补充,应用于数据采集方面,还不能应用在控制或安全场合。
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