一、引言
第四次工業(yè)革命（或工業(yè)4.0）正向我們走來——通過互聯網、云計算、數據分析和工業(yè)物聯網（IIOT）基礎設施的出現而成為可能。盡管之前的工業(yè)技術使工廠、發(fā)電廠、煉油廠、天然氣管道、鐵路運輸等各個系統(tǒng)的監(jiān)測和控制成為可能，工業(yè)物聯網通過采用工業(yè)無線傳感器網絡（WSN）來推動自動化技術的進一步發(fā)展。
應用于工業(yè)4.0中的WSN技術及無線通信解決方案
將控制系統(tǒng)中的數據與物聯網節(jié)點所獲取的數據進行融合，可以提供更全面的數據集，使用戶能夠優(yōu)化其整個價值鏈。例如，了解工廠關鍵設備的運行狀態(tài)有助于預測問題可能發(fā)生的時間/地點，這樣可以避免和減少停機的風險，每年為公司節(jié)省大量資金。這樣還可以減少所需進行維護工作的頻率，從而降低運營成本。
據估計，到2023年每年將有34億臺無線傳感器網絡芯片組出貨（高于2018年的10億臺）。短距離無線通訊方式（如802.15.4、藍牙、Wi-Fi和專有協議）目前占所有發(fā)貨量的90%以上，但低功耗長距離通訊方式（SigFox、Lora和NB-IoT）正在以更快的速度增長。預計未來五年，無線傳感器網絡設備的相關領域（工業(yè)、農業(yè)和建筑）的年收入將超過130億美元。
二、IIOT的神經網絡
通常來說，控制系統(tǒng)通常更重視其安全和可靠性，而不是系統(tǒng)成本，這些系統(tǒng)有助于確保制造或加工場所的順利和高效運行，因為任何錯誤、延遲或事故都將導致收入損失甚至人身傷亡。隨著無線通信、能效、小型化和智能嵌入式計算技術的進步，以及更強健、低功耗的設計、長壽命的紐扣電池，這些均導致了可靠和安全的無線傳感器節(jié)點的發(fā)展。這些節(jié)點能夠滿足嚴格的行業(yè)要求，并且能夠在極端的應用程序設置下工作。
由于無線傳感器網絡技術的成本較低，使得在整個系統(tǒng)中部署數百個甚至數千個傳感器節(jié)點相對容易，也相當經濟，從而形成了類人的物聯網系統(tǒng)。這種可擴展性，再加上支持多種無線網絡協議的能力，進一步提高了生態(tài)系統(tǒng)的可靠性，包括傳感器節(jié)點、中繼器和網關的廣泛網絡，所有這些都實現了工業(yè)4.0所必需的空間和通道冗余。
三、工業(yè)物聯網的無線協議
除了惡劣或偏遠的操作環(huán)境和工業(yè)設施的龐大規(guī)模外，工程師還應考慮到所有金屬、混凝土和設備帶來的干擾，以及來自內部和周圍其他電子設備的電磁干擾。所有這些都決定了要實現的工業(yè)物聯網節(jié)點類型，或者應該支持哪種組合無線協議，取決于具體應用。藍牙低能耗（BLE）、ISA-100.11A、無線HART和ZigBee都是有效的選項。
Microchip的2.4GHz收發(fā)器模塊具有極低的接收電流，這樣可以延長電池壽命。IEEE802.1.1模塊具有一個易于使用的API驅動程序接口，可以連接到公司的TCP/IP協議棧及其主流的PIC微控制器單元（MCU）。這些低功耗嵌入式Wi-Fi模塊消除了從零開始開發(fā)RF電路并獲得代理證書的復雜性和成本。RN1810型號包括一個板載TCP/IP網絡棧、密碼加速器、電源管理子系統(tǒng)、實時時鐘、2.4GHz收發(fā)器和射頻功率放大器。

圖2 Microchip MRF24WB0MA/MRF24WB0MB無線模塊
Panasonic的PAN9026模塊將IEEE 802.11a/b/g/n支持與藍牙BDR/EDR/LE功能結合在一起，為智能能源、家庭網關和物聯網的應用提供靈活的連接選項。它具有動態(tài)快速通道切換（DRCS）功能，可在2.4GHz和5GHz下同時工作。 這兩個獨立運行的標準使數據速率達到150Mbps，再加上400mA（傳輸）和70mA（接收）的超低電流。通過集成電源管理、高速雙核處理器（CPU）、802.11i安全標準支持和高速數據接口，它提供了物聯網部署所需的速度和可靠性。

圖3 Panasonic PAN9026 Wi-Fi和BLUETOOTH?無線電模塊
四、智能無線傳感器網絡解決方案
Silicon Labs EM35X系列由完全集成的片上系統(tǒng)（SOC）組成，該系統(tǒng)具有2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003標準的收發(fā)器、32位ARM Cortex-M3微處理器、閃存和RAM，以及許多對ZigBee系統(tǒng)設計者有價值的外圍設備。收發(fā)器元件采用了一種有效的架構，超過了IEEE 802.15.4-2003標準規(guī)定的動態(tài)范圍要求15分貝以上。集成接收通道過濾允許與2.4GHz頻譜中的其他通信標準（如IEEE 802.11-2007和藍牙）牢固共存。
ADI的 Smart Mesh IP無線解決方案，由嵌入式芯片和預的PCB模塊組成。這些模塊配有完全開發(fā)的、經過現場驗證的智能無線網狀網絡軟件。Smart Mesh無線傳感器能夠通過超低功耗、安全的無線通信提供強大的數據可靠性（》99.999%）。使得傳感器可以放置在任意的IIOT環(huán)境中。Smart Mesh及其相關網絡管理板的是Eterna IEEE 802.15.4e SoC，它采用了高度集成的低功耗2.4GHz無線電設計同時還具有 一個運行Smart Mesh網絡軟件的ARM Cortex-M3 32位微處理器。

圖4 ADI. Smart Mesh IP無線解決方案
支持工業(yè)4.0技術發(fā)展所需的無線傳感器網絡硬件正在實現這一目標。現在，可以在市場上找到達到所需性能的組件和模塊，同時還可以應對電源預算限制、具有挑戰(zhàn)性的操作條件和一系列不同的安全威脅。因此，在未來幾年中，自動化程度提高帶來的諸多好處將開始在范圍內實現。