2011-5-31

　　摘要：對比有線技術(shù)，介紹了工業(yè)無線技術(shù)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(luò)的智能電網(wǎng)的兩個應(yīng)用實例介紹了工業(yè)無線技術(shù)在生產(chǎn)生活中的運用；從技術(shù)角度和市場潛力上對其未來的發(fā)展及應(yīng)用范圍作了預(yù)測，并提出了在以后的發(fā)展中亟待解決的問題。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)無線技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展趨勢，市場前景

　　0  引言

　　工業(yè)無線技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了從飽受爭議到逐漸認(rèn)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(shù)的優(yōu)點被人們看到了，工業(yè)無線技術(shù)也迎來了自己的春天。盡管工業(yè)無線技術(shù)興起的時間并不長，但這個發(fā)展迅速的技術(shù)在自動化市場上正受到人們越來越多的關(guān)注。

　　1  工業(yè)無線技術(shù)概述

　　1.1  工業(yè)無線技術(shù)概念

　　工業(yè)無線技術(shù)是一種新興的，面向現(xiàn)場應(yīng)用的，短程、低速率信息交互的無線通信技術(shù)。工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(luò)。按現(xiàn)今工業(yè)自動化業(yè)界的共同認(rèn)識，在工業(yè)自動化和控制環(huán)境中的無線應(yīng)用劃分為監(jiān)控、控制和安全應(yīng)用三大類[1]。

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

　　基于工業(yè)無線技術(shù)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(hù)、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(hù)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　工業(yè)無線技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點技術(shù)，是降低自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應(yīng)用范圍的最有潛力的技術(shù)，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(shù)，可設(shè)計全新的無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信體系或無線與有線混合的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信體系，從而促進(jìn)傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用上依舊受到限制。據(jù)美國網(wǎng)絡(luò)技術(shù)市場分析ONWorld公司對工業(yè)無線技術(shù)市場進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果顯示，阻礙用戶接受無線技術(shù)的關(guān)鍵問題在于工業(yè)無線技術(shù)缺乏統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。針對這一問題，一些國際大公司和區(qū)域組織開始了相關(guān)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(lǐng)域使用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有ZigBee、無線局域網(wǎng)（WiFi）、藍(lán)牙（Bluetooth）、ISA100、WIA-PA等，未來還會有3G、超寬頻（UWB）、無線USB、WiMax等。當(dāng)然還有大量的私有和專用無線網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于工業(yè)檢測等領(lǐng)域。3種標(biāo)準(zhǔn)[3]的特點對比見表1。

　　2  工業(yè)無線技術(shù)在生產(chǎn)生活中的實例分析

　　工業(yè)無線技術(shù)適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。超低能耗、實時通信、增加用戶或更改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方便、靈活、經(jīng)濟(jì)等技術(shù)特征，擴(kuò)展了工業(yè)用戶的自由度。同時，無線網(wǎng)絡(luò)的成本在網(wǎng)絡(luò)的配置、安裝、修改和擴(kuò)展等方面都低于有線網(wǎng)絡(luò)，并憑借其自身的技術(shù)特點廣泛地應(yīng)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(zāi)等諸多領(lǐng)域。

　　2.1  基于WIA-PA的建筑檢測儀

　　以近來頻發(fā)的地震災(zāi)害為例，基于WIA-PA的建筑監(jiān)測儀能對建筑物強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的健康情況進(jìn)行監(jiān)測。高層建筑有個共同的特點，即建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力狀況。而無線技術(shù)，特別是不需供電的低功耗無線技術(shù)，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(guān)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(fù)雜耗時的布線操作。使用時只要打開節(jié)點開關(guān)，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(hù)提供輔助決策信息。

　　2.2  基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)

　　在電力自動化領(lǐng)域已有研究把無線傳感器[4]網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于負(fù)荷預(yù)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(yù)防方面?；?SPAN>WIA-PA的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通過布置得當(dāng)?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(luò)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(yīng)對預(yù)案。通過ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)智能電表和家庭設(shè)備之間的無線通信，構(gòu)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(jié)構(gòu)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(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在AMI，ADO，ATO和AAM領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　3  工業(yè)無線技術(shù)的發(fā)展前景及市場潛力

　　3.1  從技術(shù)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(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在進(jìn)行工業(yè)無線通信技術(shù)的研發(fā)工作，關(guān)鍵技術(shù)難題正在逐步突破。

　　目前，工業(yè)無線技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)[5]已形成了由IEC TC65（工業(yè)測量和控制技術(shù)委員會）推出的Wireless HART（HART基金會）標(biāo)準(zhǔn)、美國儀表系統(tǒng)與自動化協(xié)會ISA推出的ISA 100.11a（ISA）標(biāo)準(zhǔn)和我國自主研發(fā)的WIA-PA（中國）標(biāo)準(zhǔn)三足鼎立的局面。作為我國十一五“863”計劃先進(jìn)制造領(lǐng)域“工業(yè)無線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)研究與開發(fā)”重點項目，工業(yè)無線技術(shù)目前已突破諸多核心技術(shù)，建立了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，開發(fā)出了眾多網(wǎng)絡(luò)支撐設(shè)備，構(gòu)建了測試認(rèn)證環(huán)境，并在冶金、石化、電力、污水處理等行業(yè)的示范應(yīng)用中取得了良好的效果。相信隨著WIA技術(shù)在工業(yè)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)，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(chǔ)。

　　無線技術(shù)是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展最快速的領(lǐng)域之一，單片機(jī)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(shù)的應(yīng)用是單片機(jī)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(dǎo)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(jī)核心集成在一起的SoC無線單片機(jī)，還是單片機(jī)加上射頻器件或者射頻單片機(jī)的無線單片系統(tǒng)，都將嵌入在未來形形色色的電子設(shè)備里。

　　3.2  從市場方面進(jìn)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(yù)計傳感器及自動化技術(shù)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(yù)計到2011年，世界市場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)與服務(wù)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(shù)，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(jī)器在工廠內(nèi)外的品質(zhì)及狀況，世界各工業(yè)界公司預(yù)計會在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和服務(wù)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(jī)器品質(zhì)，保證機(jī)器正常運作。瑞士ABB、電路保護(hù)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(luò)系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)器品質(zhì)。

　　中關(guān)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(yīng)用創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新3個階段，形成公共管理和服務(wù)、企業(yè)應(yīng)用、個人和家庭應(yīng)用三大細(xì)分市場?？傮w規(guī)模預(yù)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(jìn)程和打造“物聯(lián)網(wǎng)”計劃的開展，工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各行業(yè)對無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需求會越來越多，2010年全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上。

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

　　4  結(jié)束語

　　工業(yè)無線技術(shù)較有線技術(shù)的特點決定了其巨大的市場潛力，逐步突破的技術(shù)難題為其廣泛的應(yīng)用提供了可能。目前廣泛使用的工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域已處于國際領(lǐng)先水平。全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC124）秘書長歐陽勁松教授指出，我國自主無線標(biāo)準(zhǔn)WIA-PA成為國際標(biāo)準(zhǔn)對于我國的工業(yè)無線技術(shù)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(shù)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(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，開拓出廣闊的市場。

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