无需导线，测量更多

发布时间：2006-07-19 作者：Richard Phelps，CONTROL ENGINEERING 高级编辑

　　较之以往任何时候，无线传感器在更多关键应用中得到使用，进行更多温度、压力、液位、流量及其它参数的测量。你已经为无线时代作好准备了吗？
　　充满盐分的空气缓慢地侵蚀着美国核电厂一个2500马力循环水泵的内部冷却通道。腐蚀导致了堵塞和传热效率降低，如果未被检测到，它还会进一步造成设备故障。随着循环水泵电机定子线圈温度的升高，效率和运行效果都会降低。这里温度的变化可以提醒大家故障正在逼近，而发生故障将会对年收入造成超过400000美元的损失。

　　Sensicast公司的无线传感器可以测量每个水泵的定子线圈实时温度值，然后采用跳频方式通过网状网络将信息传送到数百英尺以外，即使在满是射频干扰、全金属的环境当中也可以正常工作。这说明了为什么无线传感器可以被安装于工厂的其它遥远区域，用于监视气体排放和来自设备的连续信息。
　　类似的情景都是真实的，而且还在不断发展之中。看看美国电气电子工程师学会（IEEE）的802.11标准（aka WiFi）是怎样得到消费者广泛的接受吧，而这一切就好像是在一夜之间发生似的。与普通消费者相比，工业过程总的来说更加不能容许故障的发生。无线传感器在工业领域的应用似乎正处于一个拐点上，这种情况很像不久前WiFi所处的状态。“十年以后，70%到90%的新工厂都将是无线化的，”ACS（美国化学学会）研究实验室集成安全技术的高级会员、Honeywell公司的Tom Phinney预言。
　　“在过去的十年，无线设备就已经成为非关键应用领域的一个好卖点，”以澳大利亚为基地的Elpro Technologies公司的总经理Graham Moss评论道。该公司扎根于澳大利亚的采矿业，开发了自己公司从第一代到第三代的无线设备。他指出，无线设备在关键应用方面的销售，已经变得更具挑战性。
　　早先，随着越来越多的天线雨后春笋般的在控制室顶出现，通过调节射频（RF）以适应不同的监测和控制设备，那时候Moss就已经看到了对无线网络通讯的需求。Elpro公司已经为DCS和PLC提供了收发数据的数据传输接口，而且还在不断增加Profibus、Modbus、DeviceNet以及其它网络上的实用化产品。
　　预计将于2006年初发布的HART无线规范，将会成为无线设备更为广泛应用的催化剂，Moss建议说。“诸如Emerson和Honeywell等大的供应商只需在其所有产品中嵌入一块20美元的无线HART芯片，就会使HART成为事实上的标准。”他还将无线网状网络视为提供半自动组态能力的系统推动力，就好像当初PC上的“即插即用”部件。
　　然而，由于企业级和生产级每时每刻都需要获取信息，因此对于设备鲁棒性及可靠性的要求不断增加，这样才能挡住怀疑者的批评。
　　MicroStrain公司的销售和营销副总裁Mike Robinson说，他已经看到“工业领域里的很多行业都对无线传感器非常感兴趣，其中包括航天、汽车、土木工程、生物医药等等。我已经看到了高达200%的年增长率预测，但是我不认为其合理（可持续的）。”不过，Robinson认为这个市场的指数增长还是很有可能的。Moxa Technologies公司引用了West Tech Research的预测，到2009年低功率无线传感器市场将会超过 5.5亿个元件。
　　Robinson说有可能推动这种增长的原因是：许多工业领域的人直观地认为“采用电缆、导管及其它类似的东西安装一个有线系统的费用是非常昂贵的，有可能三倍于传感器和电缆本身的费用。因此更为简便的安装方式（采用无线设备）将会异常引人注目。我们曾经有一个在美国国会大厦进行的的项目，总共18个传感器，采用无线方式，我们仅仅花了半天的时间；如果采用有线方式，这个项目将会花费一周。”就像Phinney所认为的那样，某种程度上来说需求就是推动力：“Shell公司曾经做过一个无线安全回路，是因为政府不允许电线穿过高速公路。”
　　Adalet公司的营销和销售经理Matthew Piecuch说：“无线化的动机包括与硬接线系统相比更低的费用、快捷简单的安装及维护。无线系统可以采用不同的体系架构，比较典型的是应用于未认证的工业、科学和医用频段（ISM）的900MHz系统。”       
　　无线产品的综合水平也在不断提高。Robinson说：不到一年以前，市场上还只有一种单通道的应变仪，现在连三通道的应变仪都可以买到了。而且看起来不能应用无线设备场合的困难也已经被克服：通过在装置里安装一种用于收集信号的“探测天线”，无线通讯已经被成功应用于一个制冷设备工厂，他说道。     
　　至于对频率饱和或是拥塞的担心，Adalet公司的Walker用Internet作比喻：“如果人们都在同一时间相互联系，那么可用的IP地址将会被耗尽。不过这种情况并没有发生，而且今天不会再有更多的“小鸡”到处玩耍游逛了。”他对此非常有信心，“新技术将会解决这类问题，就像以前一样。”   
　　无线设备提供独特的能力
　　此外，无线传感器还能为你提供独特的能力，例如监测制造过程内部的压力/应变或是温度。这提供了实时的过程内部数据，而不是沿着生产过程的外围所测得的数据。 
　　MicroStrain公司能够提供一种带有信号调制的RFID类型传感器用以监视过程的生产状况。Robinson指出RFID传感器是一种本质上就很便宜的传感器。他提醒到：任何一个RFID类型的传感器都只需要一美元多一点。 

图1：与地沟或是电缆导管的布线方式相比，采用无线连接传送
信息更为经济合算，特别是在不影响现有环境的情况下，例如
核能发电厂。（照片经授权后使用，版权属于Southern California
Edison 公司；www.sce.com。）

　　现在不断增长的一类应用是将无线传感器硬件与现有的热电偶和过程压力传感器建立接口，Adalet Wireless公司也确实看到了这种发展趋势。另外，射频设备正在更加紧密地与传感器结合到一起。    
　　目前，在物理尺寸不断减小的过程中确实存在一些限制，例如终端模块。同时，传感器也正在变得越来越便宜。Adalet Wireless公司的Steve Walker评论说：某种程度上，无线传感器正在变成一种日用品，邮票大小的传感器可以被大量粘贴在储罐之上，以传送小范围内的温度水平。 
　　根据Adalet Wireless公司的经验，目前，采用无线传感器技术的适配器倾向于应用在比较有钱的行业—制药和能源，尤其是石油化工，但这并不令人感到吃惊。如今各行各业都在使用无线传感器，其中也包括市政公司、化学公司以及系统集成商。比较著名的有Pfizer、Merck、BP和New York City。
　　一种典型的办法就是首先在一个装置里尝试将无线传感器用于某种应用，在感受到其好处之后再将其扩展到工厂的其它应用。一个例子是储罐的监测，储罐液位的变化通常非常缓慢而且更新频率狠低。另一个例子是离散信号，在许多没有或很少接线的地方，开关量输入都可以很方便地被重复。
　　Adalet公司还与用户协作，致力于解决特定的需求。Piecuch说：若是使用900 MHz频率，工厂里很少有其它设备与其争抢频率，例如员工们使用的对讲机。
　　Walker描述了一些新型的应用，其中包括德克萨斯的一所医院。根据美国国家电气规范（NEC）700.7，701.8，702.7，医院要求在主电源中断、发电机切入时通过指示灯或频闪灯发出通知信号，这样可以让医院为重症监护患者启动预备的安置措施。另一个例子是滑雪场，那里的造雪设备（例如水泵）是通过无线管理的。
　　与滑雪场形成鲜明对比的是，Adalet公司在地下煤矿行业有很长的应用历史。他们在过去几十年里制造了被称为防爆盒的产品（包含电气继电器或是其它类似的东西）。最近的煤矿事故大大突出了使用无线通讯的潜在必要性，来为矿工们提供报警指示灯。一种“继电器网络”的概念可能会采用900 MHz的信号。
　　事实上Adalet公司把危险场所的应用视作是无线传感器的长处。在Class I Division I的情况下，与输出功率仅有1W的低功率本质安全射频输出相比，防爆盒允许使用更高的射频输出功率。Walker说道，“防爆盒的输出功率比本质安全单元强大约50倍，而传送范围与功率密度的平方根成比例关系，因此防爆盒的监测范围是本质安全单元的7倍。”
　　能量的问题
　　MicroStrain 公司的Robinson指出：最大的能量消耗来源于发射器。当无线电波几乎连续打开时，而多次反射对电波的能量消耗是非常大的。所以不必奇怪，无线应用的最主要担心之一就是能量问题。因此，倾向于使用附近可被访问的设备（主电源或者设备本身）来驱动无线传感器。Robinson认为一年的电池寿命并非是不切实际的要求。最明显的节能办法就是降低采样频率，或者是将数据存储在本地然后周期性地传送出去。他建议道，如果采用比较低的采样频率，电池寿命有可能会达到好几年。取决于数据更新的频率，有些情况下电池寿命甚至能够达到5年。

图2：Adelet Wireless公司坚固的无线发射
器适用于重工业区域或者需要特别防护的
使用环境。它也可以用于Class I，Division
1 的危险区域。

图3：Honeywell 公司的XYR 5000 系列无
线发射器产品可以让用户实现对表压、绝对
压力、温度和超声波噪声（用于探测蒸汽和
气体的泄漏）的自动监测。其精度可以达到
满量程读数的± 0.1%，并且具有长达3 年
到5 年的电池寿命。

图4：电压、加速度、温度和应变等参数都是
MicroStrain 公司的无线传感器的监测对象。

图5：总部设在澳大利亚的Elpro Technologies
公司扎根于澳大利亚的采矿行业，
开发了自己公司从第一代到第三代的无线设
备，例如无线调制解调器等。

图6：采用EnOcean公司极为省电的STM-
100 射频发射器模块和小型太阳能电池供
电，这种集成能量采集存储方案允许设备在
完全黑暗的环境下不受限制地运行数天。

　　Siemens公司的产品经理Jeff Raimo说：在今天使用能量采集的方法，其费用只比电池供电高一点点，在2年或3年之内就能持平两者所花的费用。今日为此而额外开销的费用显著低于更换一次电池所花的费用（电池费用、人工费用等等）。因此如果考虑15年的预期寿命，自供电的传感器将会节省可观的费用。
　　即使所有的技术，包括电池技术都在进步，有一个问题仍然存在：在大规模的无线应用当中，采用电池供电是有问题的。电池必须被一直监测以便进行充电，其使用寿命也会因为操作环境的变化而改变。另外还需要考虑人工费用、储存和更换的费用。此外，设备必须位于可达到的位置以便更换电池，况且电池已经被列为对环境有害的废品之一。
　　能量采集的方式可以提供连续地、可更新的以及更为充足的能量，这意味着与电池供电的设备相比，你可以更加频繁地监测传感器和传送数据。目前环境中潜在的能源来源包括：光、振动、热量梯度、压力差、运动以及压电（来自于手动按压按钮开关）。直到最近，通过能量采集方式而获得的能量的大小，对于把无线信号发送到任何实用距离都还是不够的。不过随着能量采集技术的提高，以及与低能耗电子器件的结合，独立、无需电池的技术将成为商业上完全可行的现实。
　　使用能量采集方式的射频输出功率可以高达10 mW，相比之下，典型电池供电的射频输出功率只有1 mW，因此前者的使用距离更长。在目前技术水平下，工程师们能够使室内传送距离达到30m，其信号强度足够强大，从而可靠地穿过墙壁和其它结构。这些设备的关键特性就是它们拥有高效率的能量管理技术和极短的信号持续时间。当设备没有在传送信号时，它们会回复到能量超低的睡眠状态。不过当它们发送信号的时候，设备会迅速醒来，爆发式地完成数据发送，然后又回复到睡眠状态，整个过程的时间不超过0.001秒。
　　目前，太阳能供电的温度传感器已经是最为普遍的应用之一。采用能量采集方式工作的墙挂式压电开关会在人们按压按钮的时候获取能量，这是另一个被普遍认可的设备。其它应用还包括安全警卫系统的太阳能磁性接触器。
　　由于必须将无线设备的能量消耗保持在极低水平，因而要在极短时间内爆发式地将数据传送出去。对于类似于温度传感器那样间歇性地传送小包数据的应用，这不成问题。但是对于高带宽的应用，例如蒸汽控制或是长时间的系统监测数据而言，能量采集方式还不能产生足够的能量，以执行这种操作。
　　另一个令人担心的问题是可靠性。因为无线信号只能单向传送，所以没有办法确定信号已经被特定接收设备收到。当然，对于用户通过眼睛就可以确认传送的应用场合，这并不是问题，但是对于更为复杂的控制系统，设备状态常常是整个系统或网络完整性的一个重要方面。
　　软件的挑战
　　除了上面提到的供电问题以外，Tendril Networks公司的首席执行官Tim Enwall发现采用无线传感器技术的公司还需要预见到2个软件方面的挑战：
　　■  如果使用目前终端用户通常应用的软件对无线传感器网络进行编程，那么即使是最基本的无线传感器网络，也可能需要数月的时间；并且
　　■  当你需要为该传感器网络增加公司所要求的控制能力时，也会遇到同样的困难。
　　Enwall说，事实上大部分与Tendril公司之合作过的其它公司都提到过上述实施过程中的问题，而且也都在寻求解决方案，以克服软件编程速度的障碍。他补充说传感器硬件现在已经具备相当的鲁棒性，但是管理这些网络的系统软件（甚至是无线网络操作系统，如果你愿意）仍然十分缺乏。
　　由于这些软件限制，各家公司不得不配备专门的、具备稀缺技能的编程队伍来编写应用配置程序。不过即使经过他们的专业编程工作，主要能够实现的也仅仅是如何在设备之间接收和发送有用的数据包，而不是开发高级的企业级功能。
　　Enwall说：到目前为止，软件相关的挑战已经使部署无线传感器网络耗费了大量的时间和费用，但是致力于解决该问题的新软件已经逐渐出现。例如Tendril公司的Service Broker软件已经承诺，可以将部署时间从数月减少到几天，而且甚至还允许公司在过程里经过简单的步骤就增加复杂的控制功能。
　　面积会成为障碍吗？
　　工厂的巨大面积也许是让人比较头疼的事情，这会影响无线传感器的效果。以ExxonMobil公司在德克萨斯州Baytown的炼油厂为例，其占地面积达到40平方英里，还不包括毗邻的化工厂。“一个简单的解决办法，就是沿着各级工厂的边界进行划分，并采用蜂窝状结构的网络来覆盖全厂，” Phinney说道。
　　无线电波的传播会由于周围的物理环境而有极大的变化，Phinney说。一个吊车或是其它大型设备的移动可能会对无线电波造成反射、衰减等影响。并且，大家比较倾向的、在大多数国家都可以使用的频率是2.4 GHz，而它同微波炉的频率是一样的。这就是说工厂中使用的微波炉如果有任何的微波泄漏，那当传感器发送或接收毫微瓦和微微瓦级别的信号时，都相当于遭遇了一个千瓦级的干扰发射台。此外，一个普通的工厂当中大约会有三分之一的插座存在接线颠倒的情况，该微波源将对电力系统的两个相都造成干扰。工厂围墙之外的情况甚至会更糟，一个事例就是，由于靠近当地的一家咖啡馆，无线传感器受到了来自无线局域网接入点的强烈干扰。
　　Phinney说，“很清楚，从长时间来看，政府必须为关键的基础设施指定频段，以保证没有合法的干扰源存在。” ISA的SP100标准正在采取一种战略上的途径来实现共存—识别，使得不同时代仪器的无线电波和仪表的网状网络可以同时共存于同一工厂的不同区域。如果这个工厂只有一小部分进行了升级，那就采用现有的技术。但是，如果这个工厂的20%都要进行升级，那么就应该采用最新的技术。 
　　Phinney相信，随着低功率、软件定义的射频等技术的发展， 10年以后故意干扰的现象可能可以被完全避免。由于犯罪者不可能知道什么时间才会有电波发射，因此如果不是连续进行干扰就不可能达到大功率干扰的效果，这也可以间接用作确定干扰源。从这一点来讲，无线技术在工业市场的份额突破90%是有可能的，Phinney认为。
　　尽管存在挑战，工业应用上使用无线传感器可以获得硬接线系统无法比拟的高性能。这种技术的确存在，而且正在获得成功的应用。你是否已经为无线时代作好了准备？
文章编号：060706
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可被采集的能量非常丰富
　　在供应商不断增加的研发费用和不断增长的需求推动下，随着技术的进步，更多能够传送大量数据的复杂无线设备可望实现无电池运行。无线设备的应用能够节省费用或有助于在企业范围内加强设备管理，随着公司不断发现新的应用途径，采用这种技术的应用数量将会迅速增长。
　　西门子公司的产品经理Jeff Raimo以西门子的一个衍生公司EnOcean为例，EnOcean公司是第一批将能量采集技术商业化的公司之一。他说：当你开发出一种基于芯片（射频及能量管理的电子器件）的无线传感器以后，对空间大小和功率的要求都会降低，而且还能监测多种参数（例如CO 和CO2），这将会大大增强无线传感器对用户的吸引力。
　　在这个领域，西门子公司在MEMS（微机电系统）程序上作了大量的工作，其目的是将15种化学和生物传感器以及使用了专利保护的场效应设备或FET技术的微型安全照相机集成到一起。该专业技术未来的发展方向将会是纳米技术。
　　小型太阳能电池板已经在一些超远程应用当中获得使用。MicroStrain公司的能量采集技术能够从机械振动或应变当中获取能量（采用例如电桥的结构）。
　　在另一个研究方向，Honeywell公司说燃料电池能够提供相当于传统电池3倍到5倍的能量密度，但是燃料电池存在一个电流限制，而且不能提供爆发式的输出。相比而言，燃料电池的保存期限较长，适合于扫描周期为5秒到10秒的应用。