工业互联网时代下的无线传感器

　　传统工业的生产设备、产品的生产、检修、追溯等都是通过人工来操作，严重依赖老工人的经验判断。随着对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析等技术的发展，新的工业生态体系⸺工业互联网诞生了。

　　感知是物联网的先行技术，因此传感器成为工业互联网的基础和核心，也是自动化智能设备的关键部件。工业互联网的蓬勃发展给传感器企业带来巨大的机会，同时也对其在灵敏度、稳定性、鲁棒性等方面提出了更高的要求，而对于传感器来说，无线配置是一项重要的优势。

　　为何使用无线传感器？

　　无线传感器具有微控制器和无线电发射器，可将数据发送到互联网连接的网关或直接发送到云。相对于有线传感器，无线传感器无需数据采集器和中间长长的电缆，可通过蓝牙直接与电脑、平板或者手机相连，然后通过专用的软件将实时数据显示出来。

　　就工业物联网应用而言，准确放置传感器或控制点至关重要，借助无线技术有望实现无线通信。例如，为旋转设备配备传感器以监视设备的工作状况，不可能使用有线连接，但是客户通过监视运行中的设备获得相关信息能够对关键设备实施预测维护，从而避免不必要的代价不菲的停机。

　　虽然无线传感系统成本相对偏高，但其安装速度更快，避免了导线受损故障，总体安装成本更低（特别是对于偏远地区来说）。无线系统的数据采集更方便，还拥有更省电、尺寸更小、更加智能等优势，便于用户进行现场诊断和实施售后方案，因此越来越受到青睐。

　　更省电：无线传感器在很大程度上依赖节电算法，借此可以长时间保持工作状态。电池技术的进步、电池容量的不断增大、以及延长休眠时间的能力，使得电池的工作寿命预期可以达到数年之久。值得一提的是，这些传感器从设计之初就是要作为低耗电节点来工作的。

　　尺寸更小：新一代无线传感器最显著的特征之一是它们的尺寸小，甚至可以小到纳米级。纳米级通常是生物学传感器或小的无源传感器，可以做到嵌入式和非嵌入式；更大一些的传感器可以用作征收过路费的标签、门禁卡等。

　　更加智能：智能型传感器/节点以协同作业方式，透过网络上多种可用的路径，将数据传递至其他智能型传感器，再视情况导向由人工检视信息的主要位置、采取进一步处理与储存行动或采取相应行动。一般来说，智能型传感器可自动管理制程，除非发生无法透过智能节点或从远程启动人为命令修正的制程故障，否则一般不需要人为介入操作。

　　无线传感器网络的可靠性和安全性

　　由无线传感器应用衍生的无线传感网络（Wireless sensor network,WSN）则是由许多在空间中分布的自动设备组成的一种无线通信计算机网络，这些设备使用传感器协作来监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。无线传感器网络被称为二十一世纪最具影响的技术之一，其很快地进入到工业自动化和工业测控领域，大多数工业仪表和自动化产品都将很快嵌入无线传输功能，完成从有线到无线过渡。

　　根据ON World对全球工业WSN用户进行的调查，可靠性和安全性是他们提到的两个最重要的问题。一种提高网络可靠性的通用原则是提供冗余，针对可能出现的问题设置故障恢复机制，使系统能够在不丢失数据的情况下恢复运行。

　　安全性是工业无线传感器网络的另一个关键特性。在WSN中实现安全性的主要目标是确保数据的保密性、完整性和真实性。在网络中传送的数据除了预期接收者，不能被其他任何人读取；确认任何收到的信息与发送的信息完全一致，没有任何添加、删减或修改；断言来自给定来源的信息实际上确实来自该来源。

　　实现以上目标的关键安全技术包括强大的加密算法、可靠的密钥和密钥管理、阻止重发攻击的密码级随机数字发生器、针对每条信息的信息完整性校验（MIC），以及明确地允许或禁止访问特定设备的访问控制表（ACL）。

　　人们设想未来的传感器网络会通过大型网状架构来进行通讯，其中每个节点都有把来自于其他节点的数据传播出去的功能，最终到达的目的地是聚合器，不相关的数据会在此聚合器内部进行处理，而传感器会以庞大的数量部署在高密度的网络上。传感器的联网方式决定了传感器是否能够安全、可靠且经济高效地部署在工业应用的严苛环境中。

　　状态监测，在问题发生之前解决

　　随着制造业成本不断上升、利润空间越来越小，制造业进行产业升级，机器约占生产经营成本的15%。为了防止设备出故障，工厂要购买很多维修备件，约33%以上的库存都是2年以上的待滞品。随着物联网、云计算、工业大数据的技术成熟，使得通过技术手段分析和预测设备故障成为可能。无线传感器可以为状态监测应用提供实时信息，帮助用户在出现维护问题之前就发现它们。

　　利用无线传感器监控机器，可以让用户了解哪些机器需要检查或维护。当利用无线传感器连续监视设备时，在参数偏离正常值时会提醒用户。一旦安装，它们会24X7连续监视资产，并在条件达到特定阈值时触发警报，提高了生产安全性和效率，降低设备维护成本。

　　无线传感器网络的工业用途正不断延伸扩大，可应用于包括机器健全度（如振动分析）、制造、条件式维护、自动化计量、远程监控、库存管理、载具与人员管理以及其他运作管理层面。设备需进行维护时，可透过传感器输入执行，不需布线即可新增远程传感器，节省人力、材料，可随时随地提供更精准的监控与修正，生产效率及质量可获得提升。

　　除了在工业领域的应用，无线传感器技术还能协助对交通状况进行分析和决策，助力智慧交通。通过无线传感器收集到的数据，可以用在对不同路段交通量的预估上，为智慧交通系统提供有用的分析决策信息，从而提高交通流通的效率。

　　“除了无线传感器技术外，边缘计算、5G、物联网、人工智能和机器学习等技术也与其他尖端技术相结合，正在为许多国家的基础设施建设提供突破性进展。”IEEE高级会员Aiyappan Pillai表示道。