27、工业自动化中的无线传感器网络：原理、挑战与解决方案

工业自动化中的无线传感器网络：原理、挑战与解决方案

1. 引言

普适计算的愿景引发了范式转变，计算能力不再集中于桌面或笔记本电脑，而是融入我们的环境。这一愿景催生了诸多研究领域，其中无线传感器网络（WSNs）脱颖而出。WSNs起源于军事应用，如战场监视，如今已广泛应用于环境监测、医疗保健、家庭自动化和交通控制等民用领域。其自供电、自组织和自修复的特性，使其在工业自动化领域也极具吸引力。然而，工业自动化应用通常有独特且严格的要求，这就需要我们放宽和拓展传统WSN的定义，使其更适用于工业环境。

2. 工业自动化中的WSN

2.1 “经典”WSN

维基百科将WSN定义为“由空间分布的自主设备组成的无线网络，这些设备使用传感器协同监测不同位置的物理或环境条件，如温度、声音、振动、压力、运动或污染物”。这些设备通常包含微控制器、电源（通常是电池）、无线电收发器和传感器元件。WSN具有一些内在特性：
- 自供电 ：WSN是带有内部电源（通常是电池）的独立单元。由于电池寿命有限，节点设计时会考虑节能，大部分时间处于低功耗“睡眠”模式。
- 自组织 ：节点以自组织方式形成网络，而非预先编程的网络拓扑。与有线网络不同，WSN中每个节点都愿意为其他节点转发数据，形成基于网络连接性的动态网络配置。
- 自修复 ：WSN具有自修复能力，若一个节点故障，网络会找到新的数据路由方式，确保网络整体存活。这种动态重组也可由其他条件触发，如节点最大功耗和通信延迟。

2.2 重新定义WSN

工业应用与经