本文對于工業無線技術的發展愿景進行了全面展望。
Madanmohan Rao
兩年以前，在我的年度無線技術評 論當中，我們提出了一些正在 出現的關鍵問題，比如工業局域 網、標準、綠色無線、供應商 M&A、以及來自能源等行業的經驗。今天，我 們重新討論這些話題，并探索一些新的問題， 比如工廠中的無線機器人、還有傳統的公司辦 公室IT與工廠網絡之間的融合。
工業無線解決方案的重要特征，依舊是超低 的能耗、面對物理和電子干擾的穩定性、自配 置功能、與廣域網和更多無線技術的連通性、 樹形、星形和網格拓撲結構的配置、多網絡共存設計、以及帶有產品開發工具箱的開發者應 用程序接口。
無線M2M技術正在快速應用到不同類型工 業網絡上越來越多彼此連接的設備當中。使用 可升級的無線網狀網絡，無線產品可以應付各 種不同的情況。M2M無線(包括工業應用)一度 被認為是繼辦公室網絡(Wi-Fi)和消費級通訊(手 機)之后無線技術的第三次浪潮。
根據IMS Research的報告顯示，第50億臺 設備很快就將連入互聯網。在未來的10年里，連 接設備的總量將會翻4倍。該研究公司還指出， 在未來10年中，手機的數量將達到60億臺，它 們當中的絕大部分都可以連入互聯網。另外，根 據預測，今天使用的25億臺電視機大部分都會被 帶有互聯網功能的電視取代，它們可能直接或者 通過機頂盒連入互聯網。然而，根據IMS總裁Ian Weightman的估計，市場上具有最大增長潛力的 還是在機器對機器(M2M)領域。
在經過由于經濟下滑帶來的短暫停滯期之 后，無線傳感器網絡(WSN)的需求正在顯著增 長。根據最近發布的一份ABI關于WSN市場的 研究報告顯示，在2009年，802.15.4芯片組的 出貨量相比前一年下降了接近30%。由于使用 的是新興技術，在2009年，無線傳感器網絡的 很多試驗和先行項目都遭到了拖后和冷藏，因 此技術應用的發展出現停滯。然而，根據ABI 研究首席分析師Jonathan Collins所說，2010年 的市場已經出現了強烈的反彈，出貨量大幅增 加。事實上，2019年出貨量的大幅提升將會驅 動芯片的產量從2009年的僅僅1000萬片多一點 猛增到2015年的6億4千5百萬片，年復合增長率 高達99.6%。
以太網無處不在
以太網現在正在越來越多的工業場合應用， 主要的標準包括IEEE 802.3(以太網)和802.11(無線局域網)。通過以太網，我們可以在多種環境下部署柔性的高 效通訊網絡。
由于自身具備的穩定性、速度、帶寬、柔性和通訊管理 能力，以太網也正在蠶食著其他工業網絡產品的領地。ARC 顧問集團曾經預測，到2012年，工業以太網市場的安裝節點 數量可望超過300萬。
根據Pike研究發布的工業簡報中的描述，隨著工業巨頭 們日益重視M2M技術，我們可以預見到即將出現的規模經濟 (與此同時，一些供應商也進入了這一領域)。比如，思科和因 創(Itron)正在合作開發面向智能測量硬件產品的標準化基于IP 的端到端平臺，提升IPv6的功能，達到可互操作射頻網狀現 場網絡的要求。IETF還在開發基于IP的ZigBee棧版本，這也 是智能能源組合方案2.0的一項特征。智能電網將會在不久的 將來挺進到工廠當中。
Belden網絡與通訊產品總監Bill Wotruba推薦說，下一 代IEEE 802.11n無線通訊標準更加可靠，可以支持更大的 帶寬和更高的網速。它可以盡可能的解決常見的連接和穿 越問題，比如現在遇到的天線會被移動物體部分阻擋的問 題。IEEE 802.11在安全方面進行了加強，比如AES加密和 WEP授權，這些措施可以緩解用戶的一部分憂慮。一套無 線系統可以支持多臺設備和多種協議，并且保證安全。
綠色IT
無線工業應用是“綠色IT”行動的最新領域。從數據中 心和桌面電腦到手機和網絡，對于IT和通訊專家來說，環保 的努力也與企業的資產負債表息息相關。
根據《Silicon Investor》雜志的報告，在替代能源和 能源效率方面，增長最快、也可能是最具吸引力的投資領 域是硬件、軟件和網絡設備。像霍尼韋爾和江森自控這 些工業巨頭，現在已經加入其中，發布了諸如Daintree網 絡、Adura技術和EchoFlex等產品，促進M2M在集成解決 方案和智能能源這些領域的應用。
因為無線網絡總有一天會在工廠中無處不在，較低的電 池成本和維修費用對于網絡計劃者來說就非常重要，這也就 是為什么需要超低能耗無線網絡。根據Greenpeak Technology 公司首席執行官Cees Links所說，開發這種節電傳感器網 絡的最大挑戰在于，在不減少應用領域和功能(比如速度以及 合規能力)的前提下，對能耗進行管理。
“通過在芯片內部使用硬件規劃器和同步器，無線電可 以在需要的時候激活，查看是否有信息需要發送。如果沒 有，它會返回休眠狀態。如果有數據需要發送，控制器就會 激活微控制器。接下來，芯片就可以傳輸信息，然后返回休 眠狀態直到下一次激活，”他解釋道。
機器人歸來
工業中機器人的應用在20世紀90年代達到了頂峰，但是 現在又回歸沉寂。強大的制造能力是全球經濟復蘇的關鍵之 一，而制造效率和各種技術的合理化，對于復蘇也很重要。 機器人重新加入了無線控制工程技術，成為工廠涅重生的 一大誘因。
舉例來說，通過在工業機器人焊接機上安裝遠程維修和 診斷軟件，像Sims這樣的公司可以使用安全的無線連接，對 設備進行遠程監視和控制。
該款解決方案是基于eWON公司的Talk2M(與機器對話) 互聯網遠程維修與診斷服務，具備工業應用所要求的安全、 可靠以及可追溯能力。eWON的系列工業路由器可以兼容來 自西門子、羅克韋爾自動化、施耐德電氣和歐姆龍的以太網 模塊。
ABB也已經發布了一款面向機器人單元應用的機器人控 制器，有互動界面以及可以進行配置、調試和可視化的統一 開發環境。ABB機器人事業部在金屬加工、鑄造和電子行業 表現活躍，據稱在全世界已經安裝了超過17萬5千臺機器人。
機器人行業協會(RIA)的數據顯示，在經歷了過去幾年嚴 重的銷售下滑之后，工業機器人行業開始復蘇。新近的應用 遍布多個行業，用于提升效率和產能、降低成本、提高產品 質量。
供應商進展
很多供應商都在推出模塊化的M 2 M 無線產品。比 如，Radiocrafts為其IEEE 802.15.4產品線加入了兩個新的模 塊—低成本的RC2400和RC2400HP，它們都是面向基于IEEE 802.15.4的ZigBee PRO、6LoWPAN和其他協議設計的。產 品的典型應用包括智能儀表讀取、自動化和傳感器網絡。
正在推出的無線產品不僅僅面向存在高溫和毒氣的工業 應用，還面向露天的會淋雨的場合。舉例來說，RFID供應商 IDTronic開發出的Gen 2 RFID芯片解決方案就是完全防水的。
斑馬技術公司已經發布了新款RFID打印機—解碼器，總 部位于香港的RFID標簽生產商Xerafy也發布了新的標簽解決 方案。另外一家韓國的RFID解決方案供應商UbiU也在關注數 據管理和集成方案。“RFID市場正在增長，不同行業對于中 間件的需求也是如此，”UbiU經理Brian Son如是說道。
像PCN技術這種活躍在工業自動化、控制和能源系統領 域的公司，產品可以支持多種通訊協議。根據PCN的首席執 行官Venkat Shastri所說，這樣做幫助客戶快速的面向多種控 制、自動化和互聯網絡安裝設備。
盡管很多M2M都把關注的目光放在短距離通訊上，像 AvaLAN Wireless這類公司也在面向機器人、工業自動化、接 入控制和智能電網市場開發長距離工業無線電技術。對于干 擾很強的室內應用和長距離的室外應用，這項技術都是很好 的解決方案。
泰科熱控制公司的TraceTek技術，可以對閥門進行無線 監控。公司宣稱，通過泄露檢測之類的操作，該技術可以 將總體系統成本降低60%。而Clarke & Severn電子公司的 Wavenis，為M2M應用提供了一個超低耗電和長距離的無線 解決方案。
讓我們將目光轉向并購和重組，集散型企業網絡解決方 案提供商安移通網絡(Aruba Networks)公司，最近收購了戶 外網絡供應商Azalea Networks。收購包括該公司在北京的運 營中心，這將對安移通現在在曼谷和硅谷的研發中心形成強 有力的補充。Azalea Network為油氣、制造和智能電網行業 的關鍵工業應用提供網絡產品。
一些供應商也同樣正在亞洲尋找著商業機會。舉例來 說，馬辛德拉汽車公司位于印度普那的新型工廠就安裝了基 于羅克韋爾自動化工業以太網協議的無線解決方案和ProSoft 技術公司的無線通訊系統，用于實時控制和同步。在中亞， 無線專家艾默生過程管理也在擴展著自己的業務，比如在阿 塞拜疆，與俄國公司Balteks合作。未來，公司還計劃將業務 擴展到白俄羅斯、烏克蘭和哈薩克斯坦。同樣在這個行業， 另外一家區域競爭對手橫河電機，最近在新加坡獲得了標志 最受尊重制造企業的卓越制造獎(MAXA)。
RFID卷土重來
另外一種工業無線應用的方式就是RFID，比如在亞洲的 很多機場。亞洲重要的航空樞紐香港機場，就是用RFID進行 貨物處理、建檔和其他服務。
澳大利亞科技公司Wi Protect可以提供一種追溯技術，融合了主動RFID和ZigBee，用于無線數據傳輸。根據Wi Protect 總經理Jonathan Elcombe所說，實時追溯系統可以減少 數據錯誤、提高流程效率。
ThinkMagic公司首席執行官Tom Grant則表達了小心謹慎 的態度，他認為RFID已經被炒得過熱了，容易出現市場泡沫 并導致一系列后續的失敗。“愿景是否能夠實現，需要取決 于有多少家庭使用嵌入式RFID音頻，”這是他在一次貿易展 的采訪中表達的觀點。多種類型的音頻通訊設備應該共存， 因此需要將RFID與其他模式的通訊連接，比如GPS、Wi-Fi 和藍牙。
新的成員也正在積極加入RFID聯盟當中，該聯盟是由掌 握著超高頻(UHF)RFID產品開發和使用專利的RFID供應商組 成。這些產品正在影響著由EPCglobal和國際標準化組織(ISO) 制定的標準。最近加入的會員是電子與通訊研究院(ETRI)。
蜂鳴陣陣
ZigBee(紫蜂)協會現在在全世界已經有了差不多350名 會員，有工業界的好事者甚至將 ZigBee 稱為無線領域的 “世界語”。供應商Ember Technologies因其基于ZigBee 技術的監控和自動化產品，出現在Inc雜志面向成長型公司 的Inc 5000榜單上。Ember公司的總部位于波士頓，在香港 也有辦公室。在2010年5月，Ember宣布第1000萬塊Zig- Bee芯片下線，它是業界第一家達到這一里程碑的公司。根 據首席執行官Robert LeFort的敘述，公司今年的收入相比 2009年增加了300%。根據Ember公司高級工程副總裁Skip Ashton所說，Ember還拿到了一份巨額合同，在美國5000 萬臺能源儀表當中裝備ZigBee技術。
與此同時，Atlantik Elektronik發布了新的基于EM357系統 的XBee和XBee-PRO ZB嵌入式ZigBee模塊。這些新的產品便 于集成嵌入式微處理器，降低了開發成本，縮短了產品推向 市場的時間。飛思卡爾半導體是一家領先的IEEE 802.15.4芯 片組供應商，該公司最近發布了面向ZigBee RF4CE電子元件 的MC1323x芯片系統設備族。飛思卡爾微控制器解決方案集 團高級副總裁及總經理Reza Kazerounian認為，ZigBee無線應 用將繼續保持高速增長。在基于ZigBee的實時定位系統這一 新興領域，其他的領先廠商還包括Skytron和Awarepoint。
標準的聚焦點
在工廠無線領域，ISA100無線規則研究院(WCI)最近宣布 對國家技術系統公司的6臺ISA100.11a無線設備進行認證，產 品的范圍覆蓋了壓力傳感器和溫度傳感器。根據WCI管理總 監Andre Ristaino的敘述，這一認證可以促進技術被市場進一 步認同。ISA100無線規則研究院(WCI)是一家非營利性的工 業組織，為用戶和開發人員提供市場研究、教育信息、技術 支持以及通用工業無線標準中ISA100家族的合規服務。
ISA100.11a工業無線網絡標準是ISA100標準家族中的老 大哥，它幫助供應商制造可互操作的無線自動化控制產品。 通過這項標準，制造商可以快速、低成本的無縫創建、修 改、優化和擴展無線網絡。計劃中對ISA100標準家族的補充包括對骨干功能和工廠自動化的支持。研究院的成員包括 最終用戶、技術供應商、研發專業組織、學術機構和其他工 業協會和標準實體。早期的成員包括重慶郵電大學、富士電 機、Apprion、霍尼韋爾、Nivis、沈陽自動化研究所、山武以 及橫河電機。
在WirelessHart方面，根據工業觀察員的數據，在全球流 程行業應用無線Hart協議的設備預計有3000萬臺。它已經被 批準為一項國際標準(IEC 62591)，所以至少在現在，流程行 業有兩套競爭性的標準：ISA100.11a和WirelessHart。
艾默生過程管理已經發布了一款WirelessHart音叉液位開 關，據稱可以在之前有線設備無法使用或者費用過于昂貴的 地點進行液位檢測。艾默生宣稱這款開關不會受到流體、氣 泡、渦流、泡沫、振動、固體顆粒、涂料、藥液和產品差異 的影響。典型的應用包括過度填充保護、高低液位報警、泵 控制(界限檢測)和泵保護或者空管檢測。羅斯蒙特2160型開 關是該公司PlantWeb數字架構解決方案中的元件。
在一些應用當中，WirelessHart自組織網絡可以讓開關自 動識別出最佳的通訊路徑，數據可靠性超過99%。艾默生的 產品線涵蓋IEC 62591(WirelessHart)認證的無線現場儀表和 工廠無線網絡硬件。這包括MPM(機器位置監控)和MHM(機 器健康管理)設備和無線接口。
從業人員注意事項
談到M2M，從業人員應該明確任何供應商提供的新模塊 需要與現有的硬件和軟件兼容，提高現有系統的性能。
Bob Heile是IEEE’s 802.15無線個人區域網絡工作組和 P2030工作組的成員，也是ZigBee協會的主席。他認為高級 測量架構(AMI)在諸多領域都有著巨大的潛能。
然而，M2M領域生成、收集、分析的數據量相比以往也有了數量級的提升。以后，在看到測量數據管理(MDM) 這些新興領域有一整套的啟動和分析服務的時候不要感到驚 訝。Heile進一步指出，除非AMI真正用來解決某一個IT方面 挑戰，否則它對客戶來說就沒有什么價值。有關MDM策略方 面的顧慮，在于及時的將高質量的數據轉化為商業智能，公 司可以實際利用在運營管理中進行決策。MDM可以提升一 系列功能水平，比如性價比更高的計劃、預測和避免系統停 機、識別可能存在故障風險的特別系統。
M2M業者有一項共識，就是無線解決方案供應商應該 確保他們的工作可以覆蓋現有設施升級、更新選項、服務質 量、測量儀器和資產管理解決方案。很多工業M2M解決方 案應該能夠支持工廠擴充和變更，因此挑戰就在于應對多個 供應商和多種技術。盡管新產品可能功能更強、更加易于維 護，但是成本因素可能會限制新版本產品的應用。
你希望自己的無線設備在自供電的情況可以工作多久？ 你希望自己的網絡現在和將來可以支持多少設備和應用？無 線數據需要多少種應用接口？需要的頻率如何？合乎標準對 于這些平臺來說重要度如何？這些就是M2M從業人員在評估 新計劃和相應解決方案的時候需要考慮的具體問題。
基于以上的考慮，網絡和流量計劃非常重要，方便性和 系統性能也不可或缺。噪音和干擾是工業環境中使用無線技 術的挑戰，但是應用工程師已經為此開發了很多創新性的解 決方案。Ideal Industries公司DataComm測試部門商務經理 DataComm警告說，由于數據丟失和屏蔽帶來的延遲，仍然 是無線環境中的一大挑戰。
未來趨勢
工業無線領域一個很有趣的趨勢，就是公司辦公室中的 傳統IT與工廠中的工程師越來越緊密的合作。這得益于以太 網技術對于雙方面的滲透，合作的領域包括網絡監控、績效 分析和優化。“隨著工廠規模的擴大，無線的需求也在增 加。今天的無線技術在保證成本具有競爭力的情況下，仍然 擁有穩定的架構，”英維思技術創新總監Hesh Kagan說道。
總而言之，隨著新技術在性能和安全方面的提升，無線 在工業領域的應用將持續增長。其實，如果考慮到未來發 展，技術的選擇并不復雜。
