能量采集技术助力工业无线传感器网络

发布时间:2015-5-19 21:45    发布者:eaoogle_WSN
关键词: 能量采集技术 , 无线传感器网络 , 传感器网络 , 传感器
摘要:随着工业应用中无线传感器能量采集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。


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,可最大程度地减小安全漏洞。
  
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最低的功耗。
  
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)。这些技术可以最大程度地减少(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。




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。

  “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最大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报告中指出的那样,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,目前在全球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等大型公司已在全球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。(无线传感器网络群:8044196)

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)。


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