选择工业无线传感器网络的实际考虑因素

无线传感器解决方案现在被用于无数需要监控远程、难以到达且成本高昂的位置或移动应用程序的情况。在选择最佳的无线方式时，有许多技术权衡和供应商需要考虑。请参见下面的表1和表2，其中提供了根据应用程序需求比较网络选择标准的方法。

对技术出版物和网站的搜索将会出现各种工业无线传感器网络(IWSNs)的技术比较，这为大型终端用户或具有专门资源来评估技术细微差别的工程公司提供了有价值的详细分析。但是许多潜在的终端用户缺乏这样的资源，选择过程不太正式，并且在评估各种选项时可能不确定关键的区别。

工程师在进行选择时通常会混合使用类似的因素。他们基于用例来分配权重，但是这些因素通常包括:

• 通信链路的可用性
• 安全
• 可伸缩性
• 到所需设备的连接
• 危险位置等级
• 电源选项，以满足所需的出版期限
• 易用性
• 与控制系统集成
• 搁浅投资风险
• 特定于特定地点的其他实际因素。

两步无线选择

IWSN的选择过程包括两个步骤:选择网络协议，然后选择供应商和单个设备。协议决定了网络将如何运行，而设备的选择将由特定的应用程序驱动。两者必须共同努力。满足所有期望的网络需求的协议是很好的，但如果解决个别应用程序所需的设备不可用，则不能使用该协议。

有些选择标准可能是绝对的，因此排除了一些可能的来源。例如，如果需要I类Division 1危险场所批准和IP67的进入保护等级，缺乏这些批准的解决方案要么被取消，要么需要适当评级的外壳的额外成本和空间。

一些用户可能坚持认为IWSN应该建立在一个国际标准之上，而不是一个专有的、单一来源的解决方案。投资搁浅的风险、有限的可伸缩性、较少审查的安全性以及来自一个供应商的有限产品供应可能会排除专有解决方案。

ISA100和WirelessHART都是IEC标准。它们经过了严格的安全性审查，并得到了多个全球流程自动化供应商的支持，因此供应商的生存能力不会增加搁浅投资的风险。实际上，ISA100和WirelessHART将通过大多数(如果不是全部的话)通用的选择标准，但关键的差异仍然存在，以下因素突出了这一点。

IWSN设计的灵活性

网状网络提供了许多好处，包括自我形成、自我修复和管理通信数据包路由的能力。它们还提供多个外卖点(网关)以实现冗余和可伸缩性。它们的自我管理能力依赖于用于确定网络设计或拓扑结构的复杂算法。

例如，它们必须不断评估分配给无线传感器之间每个跳的通信路径，以及每个跳的信号质量，避免由于更高的包错误率而导致更多的重试。对于具有足够网格密度的iwsn(意味着有足够的节点提供多条通信路径)，给定网络的拓扑结构通常是稳定的。

另一方面，仅依赖于自组织能力的网状网络可能无法满足监视或控制应用程序的确定性要求，这些应用程序不能容忍更长的延迟或延迟偏差(抖动)。一些无线网状网络允许用户设置从传感器到外卖点的最大允许跳数(网状深度)，但按照所需结构设计特定网络的灵活性通常是有益的(见图)。

WirelessHART只支持网状拓扑，这种拓扑要求所有无线设备都像带有路由器的传感器一样运行。ISA100支持三种配置:

• 无线路由器
• 带有路由器的传感器
• 传感器没有路由功能，但能够在网络中断时选择多个路由器或网关进行自修复。

因此，ISA100支持创建固定的点到多点网络(星型或带中继器的扩展星型)、网格或星型和网格的组合。

无线网络性能

ISA100的灵活性允许设计人员通过设计IWSN以提供最佳信号质量并满足更密集网络中的延迟要求来提高IWSN的可用性，而不需要使用更多的输出点(ISA100骨干路由器或WirelessHART网关)。

IWSN设计灵活性的另一个考虑因素是支持不同的设备通信速率或发布周期。一些传感器可能需要每一到五秒监测一次，例如压力或温度变送器，而其他传感器可以监测得更少，或者它们的数据可以在更长时间内连续传输，例如振动传感器的波形。ISA100灵活的时隙允许具有不同发布速率的无线设备共存于一个网络中，为发布速率较慢的设备延长电池寿命，并减少整个网络的带宽使用。

星型或组合网络的灵活性提供了管理功耗和电池寿命的工具。配置了较慢报告速率的设备可以有很长的电池寿命，因为它会长时间休眠。在网状网络中，每个设备都必须可用来充当路由器，以便在被调用时支持网络，因此无论报告速率如何，所有设备都需要消耗电力来实现该功能。

面向未来的网络，工业物联网

最小化搁浅投资风险对于任何重大投资都是非常重要的，包括IWSNs。虽然很少有流程自动化投资是真正经得起未来考验的，但一些无线技术在未来可用并适应工业物联网(IIoT)等趋势产生的新应用的可能性比其他IWSN技术更大。开放的、基于标准的解决方案更有可能得到工业物联网应用程序(如资产管理系统)的支持，而不是专有的、单一来源的解决方案。即使是基于标准的IWSN协议也提供了不同程度的未来证明。

例如，WirelessHART正是它的名字所暗示的:无线网络上的HART主/从命令通信。另一方面，ISA100被设计为支持许多协议，因为它的通信是面向对象的，而且各种协议都可以通过ISA100网络进行隧道传输，包括HART和其他常见的流程工业协议，如Modbus。

除了它是面向对象的，ISA100与WirelessHART的不同之处在于它支持Internet Protocol version 6 (IPv6)，可以寻址到ISA100网络中的每个设备。使用HART协议与HART设备通信的IWSN显然不支持未来的应用，例如本质上基于ip的IIoT。IIoT应用将随着时间的推移而发展，因此部署能够支持新传感器和现有发射机(如基于状态的监测)附加应用连接的IWSN基础设施将避免IWSN投资搁浅。

多供应商支持

专有的、单一来源的IWSN解决方案不受多个供应商的支持，风险要高得多。如果公司倒闭或被收购，它可能会失去关键人才，并停止支持平台。WirelessHART和ISA100拥有多个基础设施和适配器/集成发射机供应商的大型生态系统。FieldComm Group (WirelessHART)和ISA100无线法规遵从研究所的网站提供了使用这些协议的设备清单。

一些设备支持基础设施(网关、路由器等)，另一些则作为常规现场设备的无线适配器，这两组仪器从最初的概念就设计成无线的。设备认证确保了它们各自环境中的互操作性。

当考虑哪种无线解决方案最能满足那些传统有线仪器难以监控或昂贵的应用需求时，可以制定一个简短的关键选择标准清单，以反映当前的应用需求和展望未来。根据这些点评估每个IWSN解决方案，根据临界值分配权重。这个过程可以是非正式的，也可以随着过程的推进而用于生成报价请求(RFQ)。这种系统的评估将有助于确保针对特定应用的最佳选择。

- Kevin Zamzow是横河美国公司的产品经理。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 工业无线传感器网络有助于传感器与逻辑设备连接。
• 基于标准的无线传感器网络可以降低风险。
• 认证测试有助于确保设备的互操作性。

考虑一下这个

采用互操作标准是否更容易进行集成?

在线额外

www.fieldcommgroup.org

www.isa100wci.org

这篇文章的张贴版本比印刷版包含更多的信息控制工程十一月份，以及下面的链接。

控制工程无线页面

了解更多关于无线网络的信息，请访问贡献者Daniel Capano的博客，工业无线网络教程．

-请参阅下面有关无线技术和法规遵从性的相关文章。

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