2011-5-31

　　摘要：對比有線技術，介紹了工業(yè)無線技術的發(fā)展、特點和現(xiàn)狀優(yōu)勢；通過基于WZA-PA的建筑檢測儀和基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能電網(wǎng)的兩個應用實例介紹了工業(yè)無線技術在生產(chǎn)生活中的運用；從技術角度和市場潛力上對其未來的發(fā)展及應用范圍作了預測，并提出了在以后的發(fā)展中亟待解決的問題。

　　關鍵詞：工業(yè)無線技術，標準，發(fā)展趨勢，市場前景

　　0  引言

　　工業(yè)無線技術從誕生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了從飽受爭議到逐漸認可的過程，在許多國內(nèi)、外用戶的逐步試用之后，工業(yè)無線技術的優(yōu)點被人們看到了，工業(yè)無線技術也迎來了自己的春天。盡管工業(yè)無線技術興起的時間并不長，但這個發(fā)展迅速的技術在自動化市場上正受到人們越來越多的關注。

　　1  工業(yè)無線技術概述

　　1.1  工業(yè)無線技術概念

　　工業(yè)無線技術是一種新興的，面向現(xiàn)場應用的，短程、低速率信息交互的無線通信技術。工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡，是指一類為傳感器、執(zhí)行器和控制器之間提供冗余、容錯的無線通信連接的嵌入式通信網(wǎng)絡。按現(xiàn)今工業(yè)自動化業(yè)界的共同認識，在工業(yè)自動化和控制環(huán)境中的無線應用劃分為監(jiān)控、控制和安全應用三大類[1]。

　　1.2  工業(yè)無線技術較之傳統(tǒng)有線技術的優(yōu)勢

　　基于工業(yè)無線技術的測控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)相比，具有低成本、高可靠、易維護、高靈活、易使用的優(yōu)勢，具體如下[2]：

　　1）非接觸傳輸，特別適用于惡劣環(huán)境或?qū)φ駝?、高速旋轉(zhuǎn)對象的監(jiān)控；

　　2）能降低安裝成本和運行維護成本；

　　3）更換方便，便于升級；

　　4）減少接插件故障，移動自由且不受限制；

　　5）工廠測試模式的變革。

　　1.3  工業(yè)無線技術的發(fā)展現(xiàn)狀

　　工業(yè)無線技術是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領域的又一個熱點技術，是降低自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應用范圍的最有潛力的技術，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。在工業(yè)控制系統(tǒng)中引入無線通信技術，可設計全新的無線工業(yè)控制網(wǎng)絡通信體系或無線與有線混合的工業(yè)控制網(wǎng)絡通信體系，從而促進傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡升級換代。

　　工業(yè)無線正處于一個高速發(fā)展的階段，突出的優(yōu)勢創(chuàng)造了巨大的市場，不過它在應用上依舊受到限制。據(jù)美國網(wǎng)絡技術市場分析ONWorld公司對工業(yè)無線技術市場進行調(diào)研的結果顯示，阻礙用戶接受無線技術的關鍵問題在于工業(yè)無線技術缺乏統(tǒng)一的國際標準。針對這一問題，一些國際大公司和區(qū)域組織開始了相關的工作，并且取得了重要的突破。

　　目前在工業(yè)控制和消費電子領域使用的無線網(wǎng)絡技術有ZigBee、無線局域網(wǎng)（WiFi）、藍牙（Bluetooth）、ISA100、WIA-PA等，未來還會有3G、超寬頻（UWB）、無線USB、WiMax等。當然還有大量的私有和專用無線網(wǎng)絡在工業(yè)控制和消費電子裝置中使用，其中ZigBee，ISA100，WIA-PA是目前在國內(nèi)工業(yè)控制中討論和使用較多的3種，它們被廣泛應用于工業(yè)檢測等領域。3種標準[3]的特點對比見表1。

　　2  工業(yè)無線技術在生產(chǎn)生活中的實例分析

　　工業(yè)無線技術適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用，具有很強的抗干擾能力。超低能耗、實時通信、增加用戶或更改網(wǎng)絡結構方便、靈活、經(jīng)濟等技術特征，擴展了工業(yè)用戶的自由度。同時，無線網(wǎng)絡的成本在網(wǎng)絡的配置、安裝、修改和擴展等方面都低于有線網(wǎng)絡，并憑借其自身的技術特點廣泛地應用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、城市管理、醫(yī)療、工業(yè)控制、反恐、抗災等諸多領域。

　　2.1  基于WIA-PA的建筑檢測儀

　　以近來頻發(fā)的地震災害為例，基于WIA-PA的建筑監(jiān)測儀能對建筑物強度結構的健康情況進行監(jiān)測。高層建筑有個共同的特點，即建筑結構極其敏感，因此其前端的測量點部署很難采用有線方式，否則極易損害建筑結構受力狀況。而無線技術，特別是不需供電的低功耗無線技術，在解決建筑物健康監(jiān)測，尤其在前端100m數(shù)據(jù)獲取問題中，具有極其重大的意義。節(jié)點具有無線監(jiān)測能力，體積較為小巧，可以很容易地安裝在建筑物的關鍵受力點上，而不影響建筑物外觀，具體實物圖如圖1所示。同時其低功耗的優(yōu)點可以避免節(jié)點的頻繁更換，省去了復雜耗時的布線操作。使用時只要打開節(jié)點開關，位于建筑物監(jiān)控中心的接收終端就可以實時獲取數(shù)據(jù)，與建筑報警系統(tǒng)聯(lián)動后，一旦探測到可能威脅到建筑物的震動信息，立即發(fā)出報警信號，及時通知建筑物內(nèi)人員立即撤離，反饋回監(jiān)測波形，如圖2所示。平時該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來監(jiān)測建筑物老化狀況，為建筑物維護提供輔助決策信息。

　　2.2  基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能電網(wǎng)

　　在電力自動化領域已有研究把無線傳感器[4]網(wǎng)絡應用于負荷預測、變電站自動化、配電網(wǎng)繼電、配電線路故障定位、輸電線路實時監(jiān)測與預防方面?；?SPAN>WIA-PA的工業(yè)無線網(wǎng)絡通過布置得當?shù)墓?jié)點獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)、參數(shù)等物理信息，并通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)浇K端，為電網(wǎng)運行和管理人員提供更為全面、完整的電網(wǎng)運營數(shù)據(jù)，有利于決策系統(tǒng)控制實施方案和應對預案。通過ZigBee技術，實現(xiàn)智能電表和家庭設備之間的無線通信，構成家庭內(nèi)部的能源管理系統(tǒng)。智能電網(wǎng)的節(jié)點布置及系統(tǒng)結構如圖3和圖4所示。

　　智能電網(wǎng)涵蓋了高級量測體系，高級配電運行、高級輸電運行和高級資產(chǎn)管理。它們之間的密切配合使智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行得以實現(xiàn)，兼容分布式電源，提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率，提高用戶用電的效率，可靠性和電能質(zhì)量的目標。無線傳感器網(wǎng)絡在AMI，ADO，ATO和AAM領域有著廣泛的應用前景。

　　3  工業(yè)無線技術的發(fā)展前景及市場潛力

　　3.1  從技術角度分析其發(fā)展前景

　　隨著市場國際化的加快，世界儀器儀表巨頭已開始向中國產(chǎn)業(yè)界滲透。國內(nèi)外工業(yè)自動化領域的研究機構和企業(yè)都在進行工業(yè)無線通信技術的研發(fā)工作，關鍵技術難題正在逐步突破。

　　目前，工業(yè)無線技術的國際標準[5]已形成了由IEC TC65（工業(yè)測量和控制技術委員會）推出的Wireless HART（HART基金會）標準、美國儀表系統(tǒng)與自動化協(xié)會ISA推出的ISA 100.11a（ISA）標準和我國自主研發(fā)的WIA-PA（中國）標準三足鼎立的局面。作為我國十一五“863”計劃先進制造領域“工業(yè)無線技術及網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)研究與開發(fā)”重點項目，工業(yè)無線技術目前已突破諸多核心技術，建立了擁有自主知識產(chǎn)權的技術體系，開發(fā)出了眾多網(wǎng)絡支撐設備，構建了測試認證環(huán)境，并在冶金、石化、電力、污水處理等行業(yè)的示范應用中取得了良好的效果。相信隨著WIA技術在工業(yè)應用中的不斷突破，國內(nèi)自主研發(fā)的第一套工業(yè)無線標準WIA-PA標準，在國家政策、資金的大力支持下，將會擁有巨大的市場前景和廣泛的社會基礎。

　　無線技術是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展最快速的領域之一，單片機是嵌入式和工業(yè)控制系統(tǒng)最傳統(tǒng)的核心部件。無線技術的應用是單片機發(fā)展的一個熱點，是包括I，Freescale，ST，NXP，Atmel，Microchip這些工業(yè)芯片半導體巨頭和專業(yè)無線公司Ember，Jennic，Nordic角逐的重要舞臺。無論是把射頻器件和單片機核心集成在一起的SoC無線單片機，還是單片機加上射頻器件或者射頻單片機的無線單片系統(tǒng)，都將嵌入在未來形形色色的電子設備里。

　　3.2  從市場方面進行潛力分析

　　目前，全球工業(yè)無線通信市場規(guī)模已經(jīng)超過13億美元，保守估計在未來的幾年中將保持15%左右的年增長水平。美國能源部預計傳感器及自動化技術在2010年可節(jié)約能量12萬LBTU（英國熱量單位）以上。市場調(diào)研公司ONWorld近期發(fā)布的一份報告稱：預計到2011年，世界市場無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）系統(tǒng)與服務將飛升至約46億美元，比現(xiàn)在增長5億美元。調(diào)查顯示，現(xiàn)在有三分之一的公司正在使用無線傳感和控制技術，并且近一半的公司計劃在未來一年半內(nèi)，研究或計劃采用無線解決方案。為了監(jiān)控機器在工廠內(nèi)外的品質(zhì)及狀況，世界各工業(yè)界公司預計會在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)和服務方面投入一部分資金。事實上，有40%的公司計劃采用無線解決方案，是為了監(jiān)控機器品質(zhì)，保證機器正常運作。瑞士ABB、電路保護與電源管理器件制造商博仕（CooperBussmann）、法國科尼思系統(tǒng)公司（CoronisSystems）、DustNetworks、霍尼韋爾國際公司（Honeywell）和Sensicast等公司均在使用無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)監(jiān)控機器品質(zhì)。

　　中關村物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、長城戰(zhàn)略咨詢聯(lián)合發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究（2010）》報告指出，未來10年中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷應用創(chuàng)新、技術創(chuàng)新、服務創(chuàng)新3個階段，形成公共管理和服務、企業(yè)應用、個人和家庭應用三大細分市場?？傮w規(guī)模預計到2015年將超過1萬億，2020年將超過5萬億。隨著國家推行工業(yè)產(chǎn)業(yè)信息化進程和打造“物聯(lián)網(wǎng)”計劃的開展，工業(yè)領域內(nèi)各行業(yè)對無線傳感網(wǎng)絡設備的需求會越來越多，2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。

　　綜合以上分析，工業(yè)無線設備無論是在國際還是在國內(nèi)，都擁有非常廣闊的應用前景和經(jīng)濟效益。工業(yè)無線技術的快速發(fā)展成為未來工業(yè)控制領域內(nèi)的必然趨勢。

　　4  結束語

　　工業(yè)無線技術較有線技術的特點決定了其巨大的市場潛力，逐步突破的技術難題為其廣泛的應用提供了可能。目前廣泛使用的工業(yè)無線標準之一WIA-PA是我國自主研發(fā)的；表明了我國在工業(yè)無線通信領域已處于國際領先水平。全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術委員會（SAC/TC124）秘書長歐陽勁松教授指出，我國自主無線標準WIA-PA成為國際標準對于我國的工業(yè)無線技術乃至整個自動化行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。未來幾年內(nèi)，工業(yè)無線技術會有迅猛的發(fā)展，并且會憑借其低成本、高可靠性等巨大的優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域內(nèi)得到廣泛應用，開拓出廣闊的市場。

　　參考文獻：

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　　[2]  李善倉，張克旺.無線傳感器網(wǎng)絡原理與應用 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008：86-91.

　　[3]  彭瑜.工業(yè)無線標準WIAPA的特點分析和應用展望 [J]. 自動化儀表，2010，31（1）：7-8.

　　[4]  張強.無線傳感器網(wǎng)絡在智能電網(wǎng)中的應用 [R]. 北京：中國電力，2010.

　　[5]  王平.工業(yè)無線技術ISAl00.11a的現(xiàn)狀與發(fā)展 [J]. 中國儀器儀表，2009（10）：11-13.