工业互联网中的传感器网络应用

工业互联网

通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作，实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业生态体系。

以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革。

工业互联网的最早概念来自于美国，是GE公司率先提出来的。我们知道，传统的制造业的生产设备、产品的生产、检修、追溯，大部分都是通过人工来操作，严重依赖老工人的经验判断，而且传承周期很长。

那么工业互联网时代，就是通过万物互联的方法，将生产设备、产品、服务，通过云计算、大数据来分析，最终实现最优化解决方案，这大大增加了制造业的效率，堪称第四次工业革命。因此工业互联网和工业4.0有很多的共同之处。只不过，德国的工业4.0的提法少了云计算和大数据融合，更多的是制造业的智能化。

工业互联网是工业化国家在过去几十年强大的技术积累，以及和互联网结合以后产生的新战略，新的技术布局以及对未来的一种新的愿景。如果我们单从互联网角度去解读这些愿景和战略，是远远不够的。事实上工业互联网有强大的技术支撑。

工业互联网平台参考架构

那么目前工业互联网走到哪一步了呢？很可惜，目前工业互联网是工业的最高阶段，但目前也仅走到工业物联网阶段。也就是未来还有很长的路要走。感知是物联网的先行技术，要确保物联网的稳定运行，离不开众多感知技术的加持，其中最为关键的技术之一便是传感器。

传感器是工业互联网的基础和核心，是自动化智能设备的关键部件，工业互联网的蓬勃发展，将给传感器企业带来巨大的机会。

工业互联网为传感器企业带来巨大市场

参照工业2.0、3.0、4.0，人工智能1.0、2.0等阶段划分，工业互联网可分成三个阶段：工业互联网1.0，通过建设以IP技术为基础的网络连接体系，实现工厂IT网络与OT网络的连接，工厂外部企业与上下游、智能产品、用户的网络联通;工业互联网2.0，通过工业数据采集技术，实现产品、设备、原材料、产业链等详细数据的上传和汇聚，为工业互联网平台和工业APP打下基础;工业互联网3.0，通过人工智能、边缘计算技术，实现物理世界与数字世界的智能无缝连接。

我国大部分的工业企业尚处于工业互联网1.0或向其迈进的过程中，少部分领先性企业在探索实践工业互联网2.0，个别企业开始布局工业互联网3.0的研究。工业互联网发展的不同阶段对传感器要求差别亦不同，传感器及传感系统产业企业同样需要准确定位，不仅要看到工业互联网发展给传感器产业发展带来的蓝海，更要挖掘有效市场，实现最终的产值和利润。

工业互联网一方面给传感器企业带来了机会，另一方面也对传感器提出了新的要求，主要体现在对灵敏度、稳定性、鲁棒性等方面的要求会更高。同时，工业互联网的普及使得传感器无处不在，大量使用对传感器提出轻量化、低功耗、低成本的要求，同时也更多要求网络化、集成化、智能化。

此外，工业互联网传感器应用涉及的面更广，对传感器的数量及产业化的需求更大，国内传感器产业目前还存在企业规模小、创新能力不足的问题，完全满足工业互联网的需求还有不少差距。近期爆发的中美贸易摩擦中对核心芯片的禁运，也给我们传感器及应用行业敲响了警钟。传感器和IC芯片一样，都属于高技术含量的关键零部件，如果国内企业不加大自主创新力度，未来也会面临类似的局面。

无线传感器网络

随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相互融合，产生了无线传感器网络 (WSN, wireless sensor networks)。无线传感器网络技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准——802.15.14，它是一种新型的信息获取和处理技术，是继互联网之后，将对人类社会的生产、生活方式产生重大影响的一项重要技术。无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术以及通信技术,
能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息。

无线传感器网络系统 (WSNS，wireless sensor networks system)通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成。

无线传感器网络通信体系结构图

无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，被称为二十一世纪最具影响的技术之一；改变世界的10大新技术之一；全球未来的四大高技术产业之一。无线传感器网络技术很快也将进入工业互联网和工业测控领域。伴随未来大多数工业仪表和自动化产品对无线传输功能的集成，从而完成从有线到无线的过渡。

典型的工业用无线传感器网络

工业用无线传感器网络示意图，核心部分是低功耗的传感器节点（可以使用电池长期供电、太阳能电池供电，或风能、机械振动发电等），网络路由器（具有网状网络路由功能）和无线网关（将信息传输到工业以太网和控制中心，或者传输通过互联网联网）。

在工业自动化领域的老牌劲旅，如GE、Honeywell等，都推出了各种工业无线传感器网络产品和系统，国内也有不少研究机构和大型公司在进行相关研究。

传感器网路在工业互联网的应用

工业互联网现在人们普遍理解为使用传感器网络和机到机 (M2M)通信的工业环境自动化。

市场分析公司Nano Markets在2014年11月发表的“工业互联网用传感器市场”报告就将工厂自动化、楼宇自动化、智能电网和公共交通等作为工业互联网的应用，并预测到2019年之前这一领域每年消费的传感器将超过200亿美元。今后的技术人员和维护人员将越来越多地使用强大的平板电脑收集和处理来自工业机械中集成的传感器发出的信息。

1、工业环境监测　　工业环境的监测范围已经涉及到整个生态环境的各个方面，包括日常环境监测，如大气，水，电磁辐射和放射性监测等；同时还存在一些特殊的区域环境监测，如沙漠、高山和存在放射源等区域的监测。这些环境对传感器产品的灵活性、可靠性和安全性提出了高要求。　　无线传感器网络产品可以突破传统的监测方法，在满足了灵活性、可靠性和安全性的同时，为工业环境的监测降低了成本，同时也大幅度缩减了传统监测的繁琐流程，为随机性的研究数据获取提供了便利。随着人们对于工业环境的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，对无线传感器网络产品的需求将逐步扩大。　　2、智能电网　　当前，全球能源、环境、气候变化等问题日益突出，世界各国纷纷把开发利用清洁能源作为能源发展与变革的重点。智能电网如今已经成为物联网技术的重要应用之一，也是电网发展的必然趋势。智能电网通过先进的传感测量技术、通讯技术、先进的控制方法和决策支持系统技术的应用，确保电力供应的安全性、可靠性和经济性。

为了使智能电网的持续运营，设备安全保障已经成为了关键问题。由于电网设备长期处于高电压、大电流等工作状态，同时面临雷雨等极端自然环境的威胁，对设备实施智能监控显得尤为重要。无线传感器网络产品可对电网设备进行远程的监控，了解设备的工作状态，并将数据传输到控制中心，对设备进行统一管理，同时实时监控也提高了维护效率。随着智能电网计划的推进，对电网设备的智能化监控需求形成了巨大的无线传感器网络产品市场。　　3、数字化油田　　经济发展与社会需求的不断扩大加速着油井数量的迅速上升，油田开发整体范围也呈扩大趋势。因此，油田生产、管理与经营的智能化成为发展趋势，数字化油田应运而生。　　在油田的数字化过程中，无线传感器网络产品可以对油井环境和井口设备实现实时监控，将工作现场的设备状态，环境参数等重要信息传到控制中心，在必要时刻即刻发出警报并安排调度。随着无线传感器网络产品在油田的深入推广和广泛示范，数字化油田的数量也将逐渐增加，无线传感器网络产品的市场需求将呈现高速增长的态势。　　4、智能工业　　我国工业制造业正面临新一轮产业革命的契机，制造企业利用物联网技术进行改造升级的需求十分迫切，信息技术企业也在积极借助物联网技术，以其为突破口迅速向工业领域渗透。以智能化为核心的工业4.0的提出，契合了物联网技术向工业领域融合的趋势，未来市场发展潜力巨大。智能制造中的核心之一是工业过程的智能监测。　　将无线传感器网络技术应用到智能监测中，将有助于工业生产过程工艺的优化，同时可以提高生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平，使得生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。随着物联网的快速发展和工业4.0的进一步推进，以智能化为核心的工业过程控制将得到快速发展，进而拉动对基于无线传感器网络技术的工业过程监测系统解决方案的市场需求。　　工业无线传感器网络产品飞速增长的主要原因是随着整个物联网生态环境的成熟，工业物联网也由政府主导开始慢慢发展。中国工业感测终端的数量保持着飞速增长的态势，2014年中国工业感测终端数量为7亿左右，预计到2020年，中国工业感测终端将突破20亿个。　　同时，无线通信、功耗、极端微型化（驱动力之一是MEMS传感器）以及嵌入式计算方面的发展，也促成了面向苛刻工业环境的无线传感器网络的兴起。工业无线传感器网络产品会随着带动的企业生产线改造和IT设备升级改造一直高速增长到2019年，并一直保持着上升趋势。

未来，工业互联网领域传感器不仅是硬件，更是数据的创造者，同时也是服务的创造者。