RF無線技術:工業用無線傳感器網絡

近年來，隨著無線通信、電源效率、極度微型化(如透過 MEMS 傳感器達到的迷你規格設計)以及嵌入式運算技術的不斷演進，發展出越來越多適用於嚴苛工業環境的無線傳感器網絡(WSN)。預估在未來五年，工業用無線傳感器網絡的傳感器安裝點將達到2400萬，爆發5.53倍的成長。無線傳感器網絡的快速成長受益於其可靠度符合大多數工業級應用的需求，工業系統專用的無線傳感器網絡標準問世，以及無線傳感器網絡的效益逐漸受到重視與了解。在整合晶片解決方案的價格日趨親民化後，各種無線傳感器網絡的全新用途、解決方案和應用紛紛推出，不僅為許多產業帶來龐大的效益，同時也逐漸從本質上改變不同產業一貫的運作方式。

無線傳感器網絡是由分散在實體空間內的數千個微型自主傳感器(或節點)所組成的網絡。這些傳感器採用高效方式連結，透過射頻 (RF) 波進行點對點通訊，藉由射頻波監控並通報本機狀態或狀況，如溫度、震動、壓力、汙染物、動作等(如圖1所示)。這些智能型傳感器可自動管理製程，除非發生無法透過智能節點或從遠程啟動人為命令修正的製程故障，否則一般不需要人為介入操作。

圖1 無線傳感器網絡

智能型傳感器/節點以協同作業方式，透過網絡上多種可用的路徑，將數據傳遞至其他智能型傳感器，再視情況導向由人工檢視信息的主要位置、採取進一步處理與儲存行動或採取相應行動。若將節點間所有可用路徑以圖像顯示，多重通訊路徑的冗餘路徑看起來會像一片網狀結構。每一個傳感器或節點就像一粒胡椒，內部裝有處理器、微型內存(如：12 Kb 內建 RAM)、低數據傳輸速率 (40 Kb/s) 以及短收發範圍(大多數為 100 英尺以下)，皆相當省電。傳感器之所以能夠達到省電效益是因為成本降低、整合度提升、具備更精良的電源管理能力以及採用了更先進的算法。除此之外，能量整合功能也使用電達到近零耗能 (Net-Zero) 境界，而降低電池用量的智能型運轉方式則帶來此一新興技術獨具的解決方案。

無線傳輸能力提供廣大效益。不需布線即可新增遠程傳感器(通常配備若干本機決策制定功能)，節省人力、材料，同時由於智能型手機是相當理想的人工操作員/維護接口，可隨時隨地提供更精準的監控與修正，因此製程效率及質量可獲得提升。作業員不需要四處奔忙取得遠程數據或在危險或不易操作的地點更換電池，因此可提高生產力。比起有線網絡，無線傳感器網絡的安裝更迅速，如需重新安置，過程也更簡單。無線傳感器網絡具備極高的擴充彈性與連結可靠性，若搭配能量整合裝置設置，還可提供實時功能與獨立能源運作。無線傳感器網絡的工業用途正不斷延伸擴大，包括機器健全度(如震動分析)、製造、條件式維護、自動化計量、遠程監控、庫存管理、載具與人員管理以及其他運作管理層面。設備需進行維護時，可透過傳感器輸入執行。相較於過去不管設備是否需要，一律定期維護的作法，及早於必要時執行維護，可延長設備的使用壽命並減少浪費(更具環保效益)。這又稱為「條件式維護」。

有效率的無線通信

採用新技術的兩大挑戰在於成本以及是否有既定標準可遵循。在消費者市場中，藍光已經取代 HD-DVD 成為光碟的新標準。這兩種格式都在十年前就已經發表。標準之間的競爭不利於生產力。工業用無線傳感器網絡也不例外。WirelessHART 和 ISA100-11.a 是相對較新的技術，而且是專為首重可靠性與實時反應的工業用途開發。這兩個標準與消費者相關的無線通信協議迥然不同。通訊協議是一組針對尋址、收發訊號、錯誤偵測以及在信道上傳送信息所需的授權所設計的數據傳輸慣例或規則。