超低功耗无线传感器网络在制造环境中的挑战

在工业应用中使用超低功耗无线传感器网络有许多优点。其中包括消除硬布线的成本，在狭窄或危险区域增强灵活性，易于安装，提高安全性并降低传感器部署的维护成本。然而，使用低功耗网络会带来一些挑战，例如电池维护和可靠性。
广泛的工业应用可以从超低功耗无线传感器网络中受益，包括监测和控制温度、振动、湿度、位置、储罐液位、存储、机器人运动、安全和安保。超低功耗应用程序是指能够仅依靠硬币电池，或通过太阳能电池、振动能量收集器或任何其他环境能量转换器从环境中收集能量的应用程序。机器中的无线:能量收集技术成为现实

为仪表供电的新方法

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应对能源挑战
自供电、超低功耗传感器网络面临的最大技术挑战是在不影响范围、功能、通信速度或标准遵从性的情况下管理能耗。目前大多数用于工业应用的“标准”无线传感器网络解决方案只解决了工业应用的布线问题，使网络更容易安装和根据需要重新构建。然而，它们不处理电力或相关的维护问题。
例如，超低功耗无线网络解决方案可以解决具有大量节点和有限电池寿命的网络固有的维护问题。一个由4000个节点组成的网络，平均电池寿命为10年，通常需要每天更换一次电池。
到目前为止，用于收集工业或机器数据的现有无线传感器网络从未真正能够提供具有成本效益的解决方案，因为无线传感器网络的真正费用隐藏在维护成本中。由于使用的大多数传感器都是电池供电的，因此更换单个传感器电池以及更换电池后重新集成故障节点可能会带来相当大的人工成本。
为了避免这样的成本，需要能够运行能量收集设备的自供电节点，或者传感器网络可以由单个电池供电，其寿命超过传感器的寿命，因此永远不需要更换。由此消除了电池更换，简化了维护，提供了更好的易用性和安全性。
天线的多样性
除了解决工业环境中的电力问题外，低功耗网络还需要非常可靠。无线传感器网络的可靠性与两个无线设备之间通信路径的可用性或缺失有关。对可靠性最关键的挑战是来自同一无线频段的其他用户的无线干扰。在2.4 GHz频段上运行的基于IEEE 802.15.4的设备最常见的干扰是Wi-Fi收发器。
大多数干扰不会完全阻断IEEE 802.15.4设备，但会导致一些无线数据包丢失，而不管网络堆栈如何。工业标准提供了一种机制，可以在一段时间内均匀地传播这种包丢失，并提供了一种自动机制，用于寻找替代通道以重新建立连接。
为了进一步提高可靠性，可以在无线传感器网络通信系统中添加天线分集，以确保更大的可靠范围，防止通信设备之间的非视距连接可能由于墙壁、地板、重型机械、管道、脚手架甚至卡车等移动设备等暂时阻挡无线电信号传输的障碍物而导致的信号衰落。

天线分集是在不同位置增加第二个天线以避免多径干扰的技术。在2.4 GHz频段的2cm波长，只需要很小的距离。“分集开关”选择具有最佳信号强度的天线。来源:GreenPeak Technologies

天线分集系统使用两个天线来提高无线链路的质量和可靠性。如果发射器和接收器之间没有清晰的视线(LOS)，信号在最终被接收之前可能沿着多条路径反射，这些反射中的每一条都会引入相移、时间延迟、衰减，甚至失真，从而在接收天线处相互破坏性地干扰。
天线分集减轻了这些多径问题，因为两个天线为接收器提供了对同一信号的多次观测。每个天线经历不同的干扰环境。如果一根天线正在经历深度衰减，很可能另一根天线有足够的信号。总的来说，这样一个系统提供了一个健全的联系。
对于无线传感器收发器来说，主要的、可能也是唯一真正的标准是通过蓝牙和Wi-Fi实现的IEEE 802.15.4规范。在所有报告的案例中，蓝牙和Wi-Fi都是以非标准方式使用的。
除了IEEE 802.15.4标准之外，许多技术供应商已经选择构建专有的收发器。其主要动机似乎是降低复杂性，从而降低潜在的成本点。一个专有的解决方案是否能够达到足够的容量，从而达到更低的成本点，还有待观察。此外，降低复杂性会自动牺牲性能，从而限制适用性。
专有技术易受攻击的原因有两个:(1)技术所有者控制着规范，因此也控制着价格;(2)客户依赖于技术所有者进行升级和不间断的采购。即使在标准的范围内，技术提供商也会发现差异化的机会。
-编辑C.G.马西，高级编辑
控制工程机器控制电子通讯
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