能量采集技术助力工业无线传感器网络

　　随着工业应用中无线传感器通信技术的不断发展，工厂和车间过程自动化得以彻底革新。这些技术创新可以帮助自动化工程师将传统制造技术与新的现代无线通信功能有机融合在一起。

　　对于许多工业应用来说，不管从长期还是短期看，无线传感器网络的成本通常都要比有线解决方案低很多，因为无线网络更容易查错、维护和修复。与遍布长达数英里且通常是埋设走线的有线工作场地相比，捕捉无线传感器网络中的缺陷或故障要容易得多。无线也更加灵活，能够更容易和更快捷地重配置网络，从而满足为适应更新产品类型和型号而不断变化的工厂需求。

　　无线传感器网络还能通过3G和4G网络通信技术传输视频流，而且这些网络更快的数据传输对于要求昼夜监视和监控的重要工业场合来说也非常有价值。煤气管道、视频安全系统、发电站、供水系统以及许多其它重要装置都要求对故障、篡改事件和意外事故立即作出响应，无线传感器网络可以为公司节省因环境破坏受到的数百万美元罚金，更不用说对环境破坏的即时控制了。

　　不过，在工业装置中使用无线通信网络也有需要注意的地方。现在智能手机和平板电脑等人机界面设备已经非常普及，如果不采取正确的安全措施，这些设备很可能对无线工业自动化带来潜在的安全风险。幸运的是，许多现代无线传感器网络拓扑和协议内置了许多工具，可地减小安全漏洞。

　　功耗优势

　　无线传感器网络的好处远不止上述这些优势。例如，无线感测和联网可以让制造商使用低功耗电子设备，从而节省能源。随着通信协议以及为它们提供支持的传感器与收发器的不断进步，制造商可以专注于实现可能的功耗。

　　能量采集技术利用现代IC功能可以节省更多的能源。一些传感器、微控制器、电源管理器件和收发器可以利用从很少的热量、少量机械运动或者室内照明等产生的能量工作，而这些能源在工厂中几乎无处不在（图1）。

图1:在典型的能量采集系统中，能量产生于运动、热源、光电资源或磁场活动。这种能量可以被捕获、存储、管理并馈送给传感器进行传输。

　　这些技术可以地减少（如果不能消除的话）电池的使用，进而实现更低的能耗水平。热电发电机（TEG）、太阳能设备、机械运动传感器和能量存储超级电容如今都已经非常成熟。

　　"人们对无线传感器网络使用电池供电总是津津乐道甚至有些得意。"凌力尔特公司（Linear）产品营销总监Tony Armstrong表示，"但与此同时他们越来越多地关注电池的寿命，也更关心能量采集技术以限度地降低电池能耗。在无线传感器网络中，更重要的是要有足够的能量来完成所需的任务。下面让我们顺着这条思路看看2009年时的情况。"

　　在工业中的应用

　　美国节能经济委员会（ACEEE）一直在呼吁更好地使用先进的通信技术。正如在该委员会提交的题为"用于实现智能效率的确定性框架"的E125中指出的那样，如果工业领域和住户能更好地利用目前可用的现代通信技术（如无线网络）的优势，他们可以将系统效率再提高约12%至22%,从而在节能和提高生产率方面实现数百甚至数千亿美元的效益。

　　HART通信基金会透露，目前在主要制造场所安装有8000多个WirelessHART网络。据该组织报道，有成千上万的设备工作于许多加工应用中，包括旋转式设备、管道监视、存储系统、自动化厂房和材料处理设施。拜耳（Bayer）、BASF、BP、Celanese、ConocoPhilips、Evonik、Pemex、Shell和Statoil等大型公司已在许多加工制造场所开发了网络和各自的仪器。

　　WirelessHART借鉴了许多经过验证的国际标准，包括HART通信协议标准（IEC6158）、EDDL（IEC61804-3）和IEEE802.15.4.这个IEEE标准是2007年被采用的，大部分工作由加州大学伯克利分校的Kris Pister完成，并于1997年与HART协议一起由他的公司Dust Networks实现了商用化。Dust Networks随后被凌力尔特公司收购。作为Pister的工作成果，术语"尘埃（mote）"得到了Dust Networks公司的广泛宣传。

　　WirelessHART是一种无线网状网通信协议，广泛用于过程自动化应用。它在HART协议中增加了无线功能，同时保持了与现有HART设备、指令和工具的兼容。WirelessHART包含三个主要部分，即无线现场设备、网关和网络管理器（图2）。

图2:用于过程自动化应用的WirelessHART网状网络在HART协议中增加了无线功能，同时保持了与现有HART设备、通信和工具的兼容。

它包含三个主要部分，即无线现场设备、网关和网络管理器。

　　"在石油天然气、化学、葡萄酒厂、啤酒厂等行业中，我们已经从理论上设立了工业过程自动化的标准，可用于跟踪液平面、流动速度、机器振动、压力、温度等。"Pister指出，"我们业已证实，无线传感器网络要比有线网络更加可靠，而且成本更低。我们的强项在于确保通信协议的可靠性，并只需消耗很低的功耗。"

　　HART协议成功的关键是时间同步网格协议（TSMP）。HART的5个关键部分是时间同步的通信、跳频、自动节点联接与网络组建、完全冗余的网格路由以及安全的消息传送。TSMP网络也可以实现自组。每个TSMP节点可以智能的发现邻居、测量射频信号强度、捕捉同步与跳频信息，然后与相邻节点建立路径和链路。

　　在TSMP中，每个通信窗口被称为时隙。一系列时隙组成一帧，在网络的生命周期中这个帧会不断地重复。帧长度以时隙数计算，是一个可配置的参数--这样就可以为网络确立一个特定的刷新率。

　　较短的帧长度可提高刷新率、增加有效带宽和功耗。相反，较长的帧将降低刷新率，也会减小带宽和功耗。一个TSMP节点可以同时加入多个帧，从而针对不同任务有效地实现多种刷新率（图3）。具有时间、频率和空间多样性的TSMP包结构提供了一种鲁棒性的协议，可以应对现实世界中的各种工业挑战。

图3:Dust Networks公司的时间同步网格协议（TSMP）节点可以同时加入多个帧，从而能有效地为不同任务实现不同的刷新率（a）。

　　电机无处不在

　　电机在工业环境中的应用十分广泛。许多估计，工业电机总体拥有成本非常庞大，消耗工厂总能耗90%以上的能耗。虽然现代电机效率已经被提升到90%至95%,但优化电机系统的工作还可以节省20%以上的能耗。用于电机检测、维护和控制的无线传感器网络也已就位。

　　许多无线传感器网络可以充分利用电机产生的机械能（由于振动）和热能（由于发热），而且通常可以在无需电池的情况下转换这种能量，进而驱动无线传感器网络。EnOcean公司设计的ESK 300版868MHz无线能量采集开发套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗无线技术（图4）。这个开发套件有两个用于开关的电动机械式按键发电机和一个太阳能供电的温度传感器。由自供电的传感器发送的消息可以被USB适配器接收，并通过DolphinView Basic电脑软件实现可视化。

图4:EnOcean公司设计的ESK 300版868MHz无线能量采集开发套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗无线技术。

　　带按键无线发射模块可以无需电池就实现无线远程控制。重要应用包括安装在墙上且有一两个摇臂的扁平摇臂开关以及拥有多达4个独立按键的手持式遥控器。套件中为线性运动设计的ECO 200能量转换器可以用来给PTM 330无线模块供电。每次运动输出的能量足以发射3条消息，并且自由场范围可达300米。在建筑技术和工业自动化中的微型开关和传感器将成为可能的应用。

　　EnOcean联盟围绕低功耗能量采集无线技术创建了一个生态系统，并将它确立为可持续的建筑与工业自动化标准。这种生态系统支持不同的终端产品基于ISO/IEC 14543-310标准实现互操作。

　　低压升压器模块可用于放大较低的能量采集电平，以支持可能的无电池操作，比如Advanced Linear Devices公司的EH4205.这种自启动模块通过70mV至4V的能源产生能量，而汲取的输入功率低至230μW,因此可以支持从电磁感应线圈和TEG收集能量。

　　EH4205的标称输入阻抗是50Ω，功效为52%,工作温度范围是0℃至70℃。它可以将输入能量转换为直流或交流电压。EH4205具有睡眠功能，平时处于零功耗状态，直到所连能量源的输入变成有效才将它唤醒，然后累积能量，只要能量源提供电力，它就一直工作下去。

　　典型的商用低压升压器模块要求至少300mV左右的输入驱动才能工作。虽然一些现有的低压模块也可以在约100mV时工作，但它们不能满足来自TEG和光电元件等能源实现能量采集传感应用的要求，因为它们的典型输出功率约在4μW至40μW的单位数和两位数范围内。

　　凌力尔特公司提供的种类广泛的超低功耗模块可用于压电和光伏能源以及TEG的能量采集应用。它们包括LTC3588-1/2压电能量采集电源方案、LTC3108/9 TEG和LTC3105太阳能400mA升压型DC-DC转换器，后者具有功率点控制并能以250mV的输入启动（图5）。

图5:凌力尔特科技公司提供的种类广泛的超低功耗模块可以用于来自压电和光伏能源以及TEG的能量采集应用。

　　Dust Networks公司今年推出的Eterna收发器芯片实现了IEEE 802.15.4e.与系统级芯片（SoC）结合在一起，这种第二代产品的功耗要比其替代的代产品低50%,从而确立了该公司在工业无线传感器网络领域中的领导地位（图6）。Dust Networks公司称，基于其Eterna技术的这款产品的功耗是竞争产品的约八分之一，这意味着它们的使用时间长8倍，即使它们由电线供电，其"绿色"水平也能高出8倍。

图6:Dust Networks第二代Eterna收发器芯片的功耗要比前一代产品低50%.Eterna技术芯片的功耗是竞争产品的八分之一，因此持续使用时间长8倍。

　　并不是所有无线网络收发器芯片都设计为工作在很长距离，并能在厂房外部工作。许多芯片是为短距离通信设计的，可以用于工厂内的工业环境和制造设施，以实现工厂车间设备之间的通信。许多这样的收发器是紧凑、超低功耗器件。它们也使用Wi-Fi （IEEE 802.11）和ZigBee （IEEE 802.15.4）通信协议，可以工作在免许可的2.4GHz工业、科学和医疗（ISM）频段。也有的芯片使用蓝牙协议（IEEE802.15.1）。

　　这些芯片包括：升特公司（Semtech）的SX1231J、California Eastern Labs的ZiC2410、Silicon Labs公司的Si446x EasyRadioPro、亚德诺半导体公司（ADI）的ADF7023-J以及德州仪器（TI）的C2500.Si446x"将GHz以下无线技术带入了窄带性能和功效的新水平。"Silicon Labs公司副总裁兼总经理Mark Thompson表示。Si466x在睡眠模式仅消耗50nA电流，因此非常适合带能量采集功能的电池供电无线传感器网络使用。

　　Banner Engineering公司的SureCros Q45收发器是近推出的一种无线标准光电传感器解决方案，其被设计用于控制与监视应用（图7）。利用其专有的电源管理电路，可让两节可替换AA锂电池持续工作5年时间，具体取决于所用的传感器和应用种类。

图7:Banner Engineering公司推出的这种独立型SureCros Q45光电传感器收发器，电源管理电路可以使两节AA锂电池持续工作长达5年时间。

　　无线传感器网络的安全性

　　智能手机和平板电脑等先进的人机界面（HMI）设备使得工业无线网络的控制变得更加容易和更加简单。但存在着某些有意和许多无意的网络攻击风险，除非采取足够的保护措施，否则这些攻击有可能使工厂的运转彻底失灵。

　　在今年2月到4月期间，网络安全公司Cyberti的职员跨越近4000英里的路程去检查IEEE802.11 a/b/g/n无线传输，主要是寻找电源控制系统提供商的组织标识符（OUI）。这些OUI由网络设备提供商、控制系统硬件供应商所应用。

　　Cyeberti公司的研究表明，OUI和完整的介质访问控制（MAC）地址即使在安全的安全装置中也经常得不到保护。Cyberti共同创始人、安全官Matthew E.Luallen警告说，像Modbus、EtherNet/IP、PCCC、DNP3和ICC P等控制系统协议本身是没有的，这使得黑客可以为所欲为，因此在未受保护或保护性能较差的无线网络上，数据应该与控制系统MAC地址关联起来。

　　Luallen补充道，便携式设备可以通过缓存的远程访问证书和设备上存储的应用程序作为受保护控制基础设施的切入点。无线设备也可以配置为IEEE 802.11无线网络和蜂窝网络之间的多种宿主，从而形成不必要的互联网网关。

　　"便携式电子设备一定不能被当成锤子或扳手之类的工具。这些设备保留着有关控制系统环境的信息，如果放在不能信任的人手里，可能造成额外的伤害。不管设备是传统的笔记本电脑、iPhone、iPad还是HART通信器，作为工具都可能包含通信点、标签、配置参数、逻辑、框图、蓝图以及有关环境的细节等可以被技术高深的黑客利用的内容。"Luallen表示。

　　"首先，人们必须调查使用能够自由访问控制系统的移动设备能够真正带来多少提升生产率和降低成本的好处。"他补充道。Luallen还表示，不应允许传统消费型手机或平板电脑进行控制系统的远程访问。"如果你真切地担心存在的网络风险，那么在做任何有可能增大攻击面的事之前都应该三思而行。也许风险确实比实际的生产率提高要大。"