技术丨IoT无线网络的状态监测设计与考量

本文将比较各种用于物联网应用的无线连接技术,并介绍具体的物联网应用场景-状态监测,并且根据每一类应用最关键的特性来比较各种无线技术。

什么是状态监测?为何要部署状态监测?

状态监测的基本原理是连续监测机器或设备的运行状况,从而预测可能何时因设备的一项或多项状态参数发生重大变化而出现故障。这常常称为预测性维护。

只有仔细执行以下操作,状态监测才能检测到逐渐产生的异常变化和趋势:

选择需要监测的机器参数

定期测量参数

选择测量间隔时间

状态监测最常用于工业、制造业、智能楼宇和交通运输中,例如机械旋转设备,例如压缩机、泵、电机等。最常监测的参数包括温度、湿度、振动、压力(液体或其他泄漏)、电流以及电压(随着设备的老化而变化)。

并非所有机器都需要连续监测关键参数,一般情况下只需要偶尔测量参数。监测操作通常取决于相关设备的类型和重要性。由于故障通常发生于单个部件,因此监测时还需要关注关键部件的相关特定故障模式。

预测性维护的优点包括:

避免机器停机,从而提高生产效率并节省更多成本

提前发现故障隐患,并在其发展成严重故障之前解决

仅在必要时进行维护,而非无论是否需要都每隔一段时间进行维护

准确检测引起故障的原因,提高维护效率

无线技术在状态监测中需要具备的最重要特性

用于状态监测的无线技术必须具备一些关键特性。当用于状态监测时,最重要的特性是可靠性、延迟性、距离和功耗。下面将详细介绍这些特性,并说明为什么它们对于状态监测至关重要。

1. 可靠性

状态监测应用中无线网络的可靠性非常重要。在不可靠的网络上传输传感器数据点可能造成弊大于利,而且对于有严格时间要求的应用尤其如此。

无线网络采用协议层面、设计层面以及实现层面的多种技术来提高可靠性。最常见的技术包括:

发生错误时的数据重传,该技术依赖于对数据包发送和接收顺序的追踪

错误检测和纠正(例如数据冗余、正向纠错技术等)

增加发射器的发射功率

提高接收器的灵敏度

为接收器安装多根天线

为避免嘈杂通道而进行跳频

无线网络技术在创建时的侧重点各有不同,一些技术更加注重可靠性和稳健性。因此,在选择无线网络技术时,请务必仔细考虑可靠性这项参数,并切实了解采用哪些机制能够达到系统所需的可靠性水平。

2. 延迟性

在监测部件的运行状况时,不仅要准确测量相关参数,还要及时提供这些测量值,否则就会产生延迟。

在这种情况下,延迟是指数据包从无线网络中的一个节点传输到另一个节点所花费的时间。此外,如果某个应用需要同步不同设备上的不同传感器测量值,那么延迟对于该应用同样至关重要。

延迟一般以毫秒为单位,而且在无线网络中,延迟常常不是固定值,而是取决于网络配置和参数的选择。

为了实现低延迟,往往只能牺牲功耗。因此,应谨慎选择影响延迟的参数,权衡延迟与低功耗之间的平衡,尤其是通过电池供电的设备。

此外,正在传输的数据包大小也会对延迟产生很大的影响,因此减小数据包大小能够降低延迟值。

3. 距离

距离的定义是发射器和接收器之间能够保持稳定通信并且丢包最少的最大距离。距离对于覆盖工厂等大空间的状态监测应用至关重要。

无线网络的最大距离主要取决于以下因素:

发射功率

接收器的敏感度

网络周围的环境情况(例如湿度、人体、固定障碍物以及以相同频谱运行的其他射频信号所产生的噪声)
mesh网络的节点数量和间隔

需要注意的是,一般会有法规限制设备的发射功率输出,具体限制取决于所在的国家及地区。为了限制功耗,低功率无线技术规范通常还会规定最大发射功率。

4. 功耗

在大多数状态监测应用中,出于成本考虑,实施者不愿用内置无线传感器的新设备来代替现有设备,而是对设备进行改造,通过售后安装无线传感器装置,进而测量关键参数。

由于很难将传感器安装或固定到部件上,这些设备一般使用电池供电。因此,必须仔细考虑功耗这项关键参数。

影响功耗的因素包括:

数据传输频率(无线电开启时间)

数据传输量(无线电启用时长)

发射功率

周边环境及其对数据重传的影响

部分网络参数配置

由于无线电一般是芯片组中功耗最高的部分(无线电开启的时间越长,设备的功耗就越高),因此低功耗无线技术一般适用于低占空比数据应用。

适用于状态监测的无线技术比较

基于前面提到的可靠性、延迟、距离和功耗这四种特性,哪种无线技术最适合状态监测应用呢?

以下是最适合状态监测应用的无线技术:

低功耗蓝牙

基于IEEE 802.15.4的技术(Thread、Zigbee)

Wi-Fi

LPWAN技术(蜂窝和非蜂窝):LoRaWAN、LTE-M、NB-IoT

此外还有WirelessHART和ISA100.11a,这两项技术中的某些部分基于IEEE 802.15.4标准。

WirelessHART无线协议的开发初衷是成为一项多厂商互操作性标准。该协议专为工业场景设计,并支持时间同步、自我修复网状架构。ISA100.11a还注重自动化和控制环境并支持网状拓扑结构。

下表根据所列出的关键特性比较了最常用的几种技术:

拓展讨论

请务必注意,状态监测应用分为多种用例,而且适合每种用例的技术可能不同。

例如对于需要高带宽和大量数据传输的应用,Wi-Fi比其他所列出的技术更加适合。LTE-M也适合此类应用,其余技术可能无法满足此类应用的需求。

对于带宽较低并且需要在室外和农村地区等进行远程部署的应用,则LPWAN技术最为适合。

最后,除了这些不太常见的状态监测用例外,低功耗蓝牙具有最高的灵活性,并且在功耗、延迟、可靠性和距离方面可实现很好的平衡,能够满足大多数应用的需求。

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