RF無線技術：工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡

近年來，隨著無線通信、電源效率、極度微型化(如透過 MEMS 傳感器達到的迷你規(guī)格設計)以及嵌入式運算技術的不斷演進，發(fā)展出越來越多適用于嚴苛工業(yè)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)。預估在未來五年，工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器安裝點將達到2400萬，爆發(fā)5.53倍的成長。無線傳感器網(wǎng)絡的快速成長受益于其可靠度符合大多數(shù)工業(yè)級應用的需求，工業(yè)系統(tǒng)專用的無線傳感器網(wǎng)絡標準問世，以及無線傳感器網(wǎng)絡的效益逐漸受到重視與了解。在整合芯片解決方案的價格日趨親民化后，各種無線傳感器網(wǎng)絡的全新用途、解決方案和應用紛紛推出，不僅為許多產(chǎn)業(yè)帶來龐大的效益，同時也逐漸從本質(zhì)上改變不同產(chǎn)業(yè)一貫的運作方式。

無線傳感器網(wǎng)絡是由分散在實體空間內(nèi)的數(shù)千個微型自主傳感器(或節(jié)點)所組成的網(wǎng)絡。這些傳感器采用高效方式鏈接，透過射頻 (RF) 波進行點對點通訊，藉由射頻波監(jiān)控并通報本機狀態(tài)或狀況，如溫度、震動、壓力、污染物、動作等(如圖1所示)。這些智能型傳感器可自動管理制程，除非發(fā)生無法透過智能節(jié)點或從遠程啟動人為命令修正的制程故障，否則一般不需要人為介入操作。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡

智能型傳感器/節(jié)點以協(xié)同作業(yè)方式，透過網(wǎng)絡上多種可用的路徑，將數(shù)據(jù)傳遞至其他智能型傳感器，再視情況導向由人工檢視信息的主要位置、采取進一步處理與儲存行動或采取相應行動。若將節(jié)點間所有可用路徑以圖像顯示，多重通訊路徑的冗余路徑看起來會像一片網(wǎng)狀結構。每一個傳感器或節(jié)點就像一粒胡椒，內(nèi)部裝有處理器、微型內(nèi)存(如：12 Kb 內(nèi)建 RAM)、低數(shù)據(jù)傳輸速率 (40 Kb/s) 以及短收發(fā)范圍(大多數(shù)為 100 英尺以下)，皆相當省電。傳感器之所以能夠達到省電效益是因為成本降低、整合度提升、具備更精良的電源管理能力以及采用了更先進的算法。除此之外，能量整合功能也使用電達到近零耗能 (Net-Zero) 境界，而降低電池用量的智能型運轉方式則帶來此一新興技術獨具的解決方案。

無線傳輸能力提供廣大效益。不需布線即可新增遠程傳感器(通常配備若干本機決策制定功能)，節(jié)省人力、材料，同時由于智能型手機是相當理想的人工操作員/維護接口，可隨時隨地提供更精準的監(jiān)控與修正，因此制程效率及質(zhì)量可獲得提升。作業(yè)員不需要四處奔忙取得遠程數(shù)據(jù)或在危險或不易操作的地點更換電池，因此可提高生產(chǎn)力。比起有線網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡的安裝更迅速，如需重新安置，過程也更簡單。無線傳感器網(wǎng)絡具備極高的擴充彈性與鏈接可靠性，若搭配能量整合裝置設置，還可提供實時功能與獨立能源運作。無線傳感器網(wǎng)絡的工業(yè)用途正不斷延伸擴大，包括機器健全度(如震動分析)、制造、條件式維護、自動化計量、遠程監(jiān)控、庫存管理、載具與人員管理以及其他運作管理層面。設備需進行維護時，可透過傳感器輸入執(zhí)行。相較于過去不管設備是否需要，一律定期維護的作法，及早于必要時執(zhí)行維護，可延長設備的使用壽命并減少浪費(更具環(huán)保效益)。這又稱為“條件式維護”。

有效率的無線通信

采用新技術的兩大挑戰(zhàn)在于成本以及是否有既定標準可遵循。在消費者市場中，藍光已經(jīng)取代 HD-DVD 成為光盤的新標準。這兩種格式都在十年前就已經(jīng)發(fā)表。標準之間的競爭不利于生產(chǎn)力。工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡也不例外。WirelessHART 和 ISA100-11.a 是相對較新的技術，而且是專為首重可靠性與實時反應的工業(yè)用途開發(fā)。這兩個標準與消費者相關的無線通信協(xié)議迥然不同。通訊協(xié)議是一組針對尋址、收發(fā)訊號、錯誤偵測以及在信道上傳送信息所需的授權所設計的數(shù)據(jù)傳輸慣例或規(guī)則。