无线传感器网络的产生
人类进入二十一世纪以后，微机电系统（MEMS）技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线电射频（RF）技术和传感技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能。这种新型的微传感器一般装备有：一个传感模块（如：声、光、磁、视觉等）用于感知周围世界中的物理量，一个计算模块用于处理传感模块采集的信号，一个无线电收发模块用于通信和一个电源模块为微传感器的各种操作提供能量。这种微传感器的体积小、重量轻，甚至可以在空气中浮动。
与传统的大型传感器相比，微传感器的成本很低，但覆盖范围小、测量准确度差。因此，在实际的应用中，通常需要成千上万的微传感器协同工作。在这种需求的驱动下，无线传感器网络的概念出现了。
无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集部署在监控区域而构成的自治网络系统，由于规模很大，无线传感器网络很难像传统传感器系统那样，由人工进行精确的部署和管理，而更多的是表现出一种自主完成任务的“智能”性。无线传感器网络为人们提供了一种低成本、全方位感知物理世界的方法，引发了测控领域的深刻变革。
无线传感器网络的出现
无线传感器网络对工业自动化领域的影响
在计算机、通信和网络技术发展的推动下，工业通信技术的发展经历了20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统、20世纪八九十年代的集散控制系统（DCS）和20世纪末的现场总线控制系统（FCS）阶段，正朝着智能化和网络化的方向不断发展。随着测控系统规模的不断扩大，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。据美国市场研究机构Freedonia集团统计，2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿美元，而安装和使用成本（主要是布线成本）超过1000亿美元，成为阻碍工业通信技术发展的主要难题。在这一背景下，无线传感器网络的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人们广泛的关注。
美国能源部（DOE）在2002年发布的“面向21世纪的工业无线技术”白皮书中首次提出将无线传感器网络应用于工业自动化领域，并将适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等特点的一类特殊的无线传感器网络技术称为工业无线技术。
利用无线传感器网络的低成本、易用和泛在感知等特征，人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的全面监测，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量，降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源效率的目标。美国能源部（DOE）在2004年发布“未来工业计划”（IOF）中指出：基于工业无线技术的低成本测控系统是实现到2020年美国工业整体能耗降低5％目标的主要手段，代表着工业自动化系统技术的发展方向，将在在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染行业有广泛的应用前景。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出：工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高10％，并使排放和污染降低25％。
工业无线技术需求与挑战
与面向商用的无线技术不同，面向工业自动化应用的无线技术需要满足以下需求：
■ 高可靠性：大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。但是在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战，一方面，工厂环境中往往存在IEEE802.11、蓝牙、IEEE802.15.4等多种类型的无线网络，这些网络大都集中在2.4GHz的ISM共享频段上，彼此间存在严重干扰；另一方面，工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，都会干扰无线信号的正确接收。
■ 严格实时性：对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。无线传感器网络成本很低，通常没有网络基础设施的支撑，设备间的通信需要通过多跳接力的方式进行，保证端到端通信的确定性比较困难。
■ 低能耗：用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器节点由于成本的限制通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电。从运行和维护成本方面考虑，节点的电池寿命应达到3至5年。无线传感器节点的能耗由感知、计算和通信三部分组成，如何利用最少的能源实现信息采集任务是工业无线技术必须解决的 问题。
■ 安全性：随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。无线通信由于信道的开放特征更容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂，而无线传感器节点由于资源限制很难实现复杂的安全算法，如何在安全性和简洁性之间取得折中是工业无线技术面临的挑战。
■ 兼容性：为了保护用户的原有投资，基于工业无线技术的新型测控系统要具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力。为了达到闭环控制的要求，互连与互操作技术在实现通信介质和协议转换的同时，还要保证通信的可靠和实时，这是以前的互连与互操作技术无需考虑的工业无线技术的特有问题。
图1：工业无线测控系统的网络结构
图2：工业无线测控系统的协议栈结构
工业无线测控系统体系结构及协议栈
工业无线测控系统的网络结构如图1所示。以控制室为基本单元，控制室内的设备由无线现场子网互联。根据应用需求的不同，可以分为高速现场子网和低速、低能耗现场子网。二者在物理通信机制和组网方式上都不相同，前者用于具有较高通信频率要求的快速控制应用，后者用于具有低通信频率要求的低速控制和监测类应用
支撑上述工业无线测控系统网络结构的协议栈结构，如图2所示，主要包括如下协议：
■ 物理层协议：物理层负责数据的调制、发送与接收。目前工业无线网络的物理层协议主要采用IEEE802.15.4和IEEE802.11。通常认为，IEEE802.15.4适合短距离现场设备间的通信，而IEEE802.11更适合覆盖范围广泛的车间级和企业级通信。为了应对工业应用极端的通信环境，大都应用直序扩频和跳频技术。
■ 数据链路层协议：数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。工业无线网络的数据链路层协议需要充分考虑极端的工业无线通信环境、多样化信息的实时通信、休眠等节能机制，满足更为严格的可靠性、实时性和节能性要求。
■ 网络层和传输层协议：工业无线网络通常将这两层并在一层考虑，完成数据的端到端的可靠数据传输。工业无线网络通常采用Mesh结构。鲁棒、实时是工业应用对该层的主要要求，协议的设计需要解决资源严格受限、工业环境复杂多变、工业环境下链路质量的不稳定、多样化的信息和多样化的实时性要求、能量效率和负载均衡等问题。
■ 网络管理：网络管理完成网络的形成和配置、网络资源管理、网络诊断与维护以及安全管理等功能。工业应用的Mesh网络结构、资源受限、节点的移动性等特点都对网络管理提出了更高的要求。
■ 应用子层协议：应用子层完成网络中的时间同步、节点定位，并提供面向用户应用的协同应用服务接口。应用层实现网络上不同设备间的通信、应用信息获取和设置服务。工业应用要求协议提供对连续、离散等不同控制应用的支持。
工业无线测控系统的研究进展
为了推进无线技术在工业自动化领域的快速发展，2004年由美国能源部发起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司参与成立了无线工业控制网络联盟（WINA），该联盟专门讨论无线技术在工业控制领域应用的技术难题。同年，美国工业技术计划“传感器和自动化”方向上设立了4个重点项目。在这些项目的支持下，工业自动化领域一些大的公司开展了以测控系统应用为牵动的工业无线技术共性关键问题的研究。
Eaton公司在2004年启动了“基于无线传感器网络的工厂高级能源管理”项目，该项目致力于构建一个低成本的无线网络，来完成信息的快速采集、监视和诊断，计划五年完成。截止2005年，该项目完成了市场需求的调查，搭建了小规模网络原型，进行了网络性能测试实验以及与高级能源管理系统的互操作实验。
GE全球研究中心在2004年启动了“分布式无线多传感器技术”项目，与Eaton公司重点面向网络结构的研究不同，该项目主要研究工业现场环境对无线网络的影响，计划四年完成。目前该项目已完成了典型工业环境下无线信道特征数据的收集与分析，系统仿真工具设计，并在核电厂和化工厂完成了现场实验。
Honeywell实验室在2003年9月启动了“可提高工业效率的无线和感知”项目，重点研究面向工业现场的可靠无线技术，计划于2007年底完成。项目目前的进展是详细比较FHSS与DSSS在工业现场环境下的性能，提出了一种鲁棒的网络结构。
2004年12月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准SP100委员会，启动了工业无线技术的标准化进程，到2007年1月，SP100已发展为包括12个工作组，世界范围内200多家公司和科研机构参与其中。
在国内方面，中科院联合一些高校也正在积极开展相关技术的研究工作，并取得了丰富的技术积累。2006年7月份，美国 仪表系统和自动化学会SP100标准委员会面向全球征集技术提案，国内的沈阳自动化所、浙江大学、重庆邮电大学等三家单位与Honeywell、GE、Siemens等国际著名公司分别提交了自己的技术提案，并于10月份进一步提交了技术白皮书。目前，沈阳自动化所已作为工作组成员参与工业无线标准SP100、现场总线基金会Wireless FF标准的制定工作，中国拥有自主知识产权无线工业通信标准提案已经提交到相关国际组织，并已引起国外同行的普遍关注。
总结
无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。市场预测认为再过四、五年，即2010年前，大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。无线传感器网络技术的发展将逐步推动工业测控模式的变革，但近期，工业无线测控系统技术仍将是传统有线测控系统技术的延伸，并将在较长的一段时间内与现有有线通信系统配合使用；国际上对工业无线技术的研究还处于起步阶段，相关的标准正在制订，我国科研机构已参与其中并发挥重要作用。
