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得益于互联网、云计算和数据分析等技术以及工业物联网(IIoT)基础设施的推出，第四次工业革命(或工业4.0)正在我们周围发生。以前的工业技术促成了工厂、发电厂、炼油厂、天然气管道、铁路运输和其他领域各种系统的监测和控制，但IIoT却有潜力通过采用工业无线传感器网络(WSN)来实现自动化的进一步发展。 将控制系统中的数据与IIoT节点所获取的数据进行相互补充，可以提供更全面的数据综合，能够使企业优化其整个价值链。例如，通过了解重要工厂设备的运行状况有助于预测问题可能发生的时间/地点，从而避免停机，每年可为公司节省大量资金。它还可以减少维护工作的频率，从而降低运营成本，尤其是对处于难以到达地方的设备。 On World预测，到2023年，全球每年将有34亿件无线传感器网络芯片组出货(2018年只有10亿件)。802.15.4、蓝牙、Wi-Fi和专有协议等短距离无线技术目前占所有出货量的90%以上，但低功耗广域网(包括SigFox、Lora和NB-IoT)正在以更快的速度增长。报告还预计，未来五年，无线传感器网络设备和相关服务(工业自动化、农业和建筑等)的年收入将超过130亿美元。 IIoT神经中枢系统 相对于系统成本，工业领域通常更重视安全和可靠性，这些系统需要确保制造或加工现场设施的顺利和高效运行，因为任何故障、延误或事故都将导致收入损失或更糟的人身伤亡。无线通信、高能效、小型化和更智能的嵌入式计算技术已经取得巨大进步，更牢固、超低功耗设计可以凭借纽扣电池即可使用数年时间，这些导致了更可靠和更安全的无线传感器节点的开发，从而可以满足严格的行业要求，并且能够在最极端的应用环境中运行。 无线传感器网络技术的成本较低，使得公司在整个设施中部署数百个(甚至数千个)传感器节点相对比较容易，也相当经济，这样构建的IIoT与人类神经系统很接近。这种可扩展性，再加上对于多种无线网络协议的支持，进一步提高了生态系统的可靠性，其中包括扩展网络中的传感器节点、中继器和网关等，所有这些都必需提供空间和通道冗余以支持工业4.0。 支持IIoT无线协议 除了恶劣或偏远的工作环境和工业设施的庞大规模外，设计师还应考虑所有金属、混凝土和工业设备带来的干扰，以及设施现场内外其他电子设备的电磁干扰。所有这些都决定了要实现的IIoT节点类型，或者应该支持哪些无线协议组合，具体取决于特定应用。蓝牙低功耗(BLE)、ISA-100.11A、WirelessHART和ZigBee都是有效的选项。 Microchip公司的 2.4GHz收发器模块拥有极低的接收电流，因而具备更长的电池使用寿命。IEEE802.11模块固件有一个易于使用的API驱动接口，可连接到公司免费的TCP/IP协议栈及其非常受欢迎的PIC微控制器(MCU)。这些低功耗嵌入式Wi-Fi模块能够避免从头开始研发射频电路和获得机构认证带来的复杂性和成本。RN1810型号包括一个板载TCP/IP网络栈、加密加速器、电源管理子系统、实时时钟、2.4GHz收发器和射频功率放大器。 松下的PAN9026模块结合了IEEE802.11a/b/g/n支持和蓝牙BDR/EDR/LE功能，可在智能能源、家庭网关和IIoT应用中提供灵活的连接。它具有动态快速通道交换(DRCS)功能，可同时在2.4GHz和5GHz下运行。这两个标准的独立运行能够使数据速率达到150Mbps，而功耗只有400mA(传输)和70mA(接收)。通过集成电源管理、快速双核中央处理器(CPU)、802.11i安全标准支持和高速数据接口，该模块能够提供IIoT部署所需的速度和可靠性。 接下来一个例子是Microchip的MRF24J40MA，这是一款经FCC认证的射频收发器产品，可针对2.4GHz免授权许可工业、科学和医疗(ISM)短程无线频段，以及ZigBee和专有无线协议系统提供完整的无线网络解决方案。该表面贴装型模块设计采用了各种8位、16位和32位PIC MCU，在与MIWI点对点软件协议栈或其他免费开发工具结合使用时，能够帮助设计工程师快速、廉价地实现低功耗无线网络。 更智能的WSN解决方案 Silicon Labs 公司的EM35x系列由完全集成的片上系统(SOC)组成，该系统具有一个2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003标准的收发器以及32位ARM Cortex-M3微处理器、闪存和RAM、和许多对ZigBee系统设计者有价值的外围设备。收发器采用了一种高效的架构，超过了IEEE 802.15.4-2003标准规定的15dB以上动态范围要求。集成的接收通道过滤允许与2.4GHz频谱中的其他通信标准(如IEEE 802.11-2007和蓝牙)可靠共存。 恩智普半导体公司的JN5148-001超低功耗、高性能无线MCU主要面向ZigBee Pro网络应用。每个MCU都具有一个增强的32位RISC处理器，通过可变宽度指令，以及一个多级指令管道和低功耗可编程时钟速度运行提供高编码效率。这些MCU还集成了一个2.4GHz并符合IEEE802.15.4标准的收发器、128kB ROM、128kB RAM以及丰富的模拟和数字外围设备。较大内存允许它们以协处理器模式运行一个网络堆栈和一个嵌入式应用。该MCU工作电流低于18mA，可以采用纽扣电池直接供电。其增强的外围设备包括在睡眠模式下运行的低功耗脉冲计数器，专门设计用于自动抄表(AMR)设备中的脉冲计数，还包括独特的时间飞行(TOF)测距引擎，以支持通过无线传感器网络实现的精确定位服务。 德州仪器公司的CC2530、CC2531和CC2533是面向802.15.4、ZigBee和RF4CE等应用的SoC解决方案。它们将领先的射频收发器性能与行业标准增强型8051 MCU、系统内可编程闪存和8kB RAM结合在一起，其中CC2531使USB加密狗或USB可升级网络节点能够以较低的总材料成本构建。它具有多种工作模式，适用于需要超低功耗的系统。其运行模式之间的过渡时间很短，进一步保证了低能耗。CC2530具有高达256KB的大闪存，专为ZigBee Pro应用而设计。64kB及以上版本支持ZigBee RF4CE的RemoTI堆栈，这是业界首个符合ZigBee RF4CE的协议堆栈。较大的内存允许进行片上、无线下载，以支持系统重新编程。CC2533具有高达96kB的系统可编程闪存和高达6kB的RAM。 ADI公司的SmartMesh IP无线解决方案(来自Dust Networks产品部)由嵌入式芯片和预先认证的PCB模块组成。这些完整的模块产品配有完整开发，且经过现场验证的智能无线mesh网络软件。SmartMesh无线传感器能够通过超低功耗、安全的无线通信提供强大的数据可靠性(>99.999%)，使得传感器可以安置在性能不可受到影响的IIoT环境中。SmartMesh Motes及其相关网络管理板(network manager board)的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC，它采用了该公司高集成度低功耗2.4GHz射频设计。它还拥有一个运行SmartMesh网络软件的ARM Cortex-M3 32位微处理器。 图1：松下公司PAN9026模块。
能够支持工业4.0广泛应用的无线传感器网络硬件正在不断出现。当下，在市场上可以找到达到所需性能水平的IC和模块，同时还可以应对电源预算、具有挑战性的工作环境条件和大量各式各样安全威胁等问题。因此，在未来几年，自动化程度提高带来的诸多好处将会开始在全球范围内展现。 |
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