能量采集技术助力工业无线传感器网络(一

  电机在工业环境中的应用十分广泛。许多专家估计,工业电机总体拥有成本非常庞大,消耗工厂总能耗90%以上的能耗。虽然现代电机效率已经被提升到90%至95%,但优化电机系统的工作还可以节省20%以上的能耗。用于电机检测、维护和控制的无线传感器网络也已就位。

  许多无线传感器网络可以充分利用电机产生的机械能(由于振动)和热能(由于发热),而且通常可以在无需电池的情况下转换这种能量,进而驱动无线传感器网络。EnOcean公司设计的ESK 300第一版868MHz无线能量采集开发套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗无线)。这个开发套件有两个用于开关的电动机械式按键发电机和一个太阳能供电的温度传感器。由自供电的传感器发送的消息可以被USB适配器接收,并通过DolphinView Basic电脑软件实现可视化。

  图4:EnOcean公司设计的ESK 300第一版868MHz无线能量采集开发套件充分展示了EnOcean的能量采集和超低功耗无线技术。

  带按键无线发射模块可以无需电池就实现无线远程控制。重要应用包括安装在墙上且有一两个摇臂的扁平摇臂开关以及拥有多达4个独立按键的手持式遥控器。套件中为线能量转换器可以用来给PTM 330无线模块供电。每次运动输出的能量足以发射3条消息,并且自由场范围可达300米。在建筑技术和工业自动化中的微型开关和传感器将成为可能的应用。

  EnOcean联盟围绕低功耗能量采集无线技术创建了一个生态系统,并将它确立为可持续的建筑与工业自动化全球标准。这种生态系统支持不同的终端产品基于ISO/IEC 14543-310标准实现互操作。

  低压升压器模块可用于放大较低的能量采集电平,以支持可能的无电池操作,比如AdvancedLinearDevices公司的EH4205。这种自启动模块通过70mV至4V的能源产生能量,而汲取的输入功率低至230μW,因此可以支持从电磁感应线圈和TEG收集能量。

  EH4205的标称输入阻抗是50Ω,功效为52%,工作温度范围是0℃至70℃。它可以将输入能量转换为直流或交流电压。EH4205具有睡眠功能,平时处于零功耗状态,直到所连能量源的输入变成有效才将它唤醒,然后累积能量,只要能量源提供电力,它就一直工作下去。

  典型的商用低压升压器模块要求至少300mV左右的输入驱动才能工作。虽然一些现有的低压模块也可以在约100mV时工作,但它们不能满足来自TEG和光电元件等能源实现能量采集传感应用的要求,因为它们的典型输出功率约在4μW至40μW的单位数和两位数范围内。

  凌力尔特公司提供的种类广泛的超低功耗模块可用于压电和光伏能源以及TEG的能量采集应用。它们包括LTC3588-1/2压电能量采集电源方案、LTC3108/9 TEG和LTC3105太阳能400mA升压型DC-DC转换器,后者具有最大功率点控制并能以250mV的输入启动(图5)。

  图5:凌力尔特科技公司提供的种类广泛的超低功耗模块可以用于来自压电和光伏能源以及TEG的能量采集应用。

  Dust Networks公司今年推出的Eterna收发器芯片实现了IEEE 802.15.4e。与系统级芯片(SoC)结合在一起,这种第二代产品的功耗要比其替代的第一代产品低50%,从而确立了该公司在工业无线传感器网络领域中的领导地位(图6)。Dust Networks公司称,基于其Eterna技术的这款产品的功耗是竞争产品的约八分之一,这意味着它们的使用时间长8倍,即使它们由电线供电,其“绿色”水平也能高出8倍。(无线)

  图6:Dust Networks第二代Eterna收发器芯片的功耗要比前一代产品低50%。Eterna技术芯片的功耗是竞争产品的八分之一,因此持续使用时间长8倍。

  并不是所有无线网络收发器芯片都设计为工作在很长距离,并能在厂房外部工作。许多芯片是为短距离通信设计的,可以用于工厂内的工业环境和制造设施,以实现工厂车间设备之间的通信。许多这样的收发器是紧凑、超低功耗器件。它们也使用Wi-Fi (IEEE 802.11)和ZigBee(IEEE 802.15.4)通信协议,可以工作在免许可的2.4GHz工业、科学和医疗(ISM)频段。也有的芯片使用蓝牙协议(IEEE802.15.1)。

  Banner Engineering公司的SureCros Q45收发器是最近推出的一种无线标准光电传感器解决方案,其被设计用于控制与监视应用(图7)。利用其专有的,可让两节可替换AA锂电池持续工作5年时间,具体取决于所用的传感器和应用种类。

  图7:Banner Engineering公司推出的这种独立型SureCros Q45光电传感器收发器,电源管理电路可以使两节AA锂电池持续工作长达5年时间。

  智能手机和平板电脑等先进的人机界面(HMI)设备使得工业无线网络的控制变得更加容易和更加简单。但存在着某些有意和许多无意的网络攻击风险,除非采取足够的保护措施,否则这些攻击有可能使工厂的运转彻底失灵。

  在今年2月到4月期间,网络安全公司Cyberti的职员跨越近4000英里的路程去检查IEEE802.11 a/b/g/n无线传输,主要是寻找电源控制系统提供商的组织唯一标识符(OUI)。这些OUI由网络设备提供商、控制系统硬件供应商所应用。

  Cyeberti公司的研究表明,OUI和完整的介质访问控制(MAC)地址即使在最安全的安全装置中也经常得不到保护。Cyberti共同创始人、首席安全官Matthew E.Luallen警告说,像Modbus、EtherNet/IP、PCCC、DNP3和ICC P等控制系统协议本身是没有认证的,这使得黑客可以为所欲为,因此在未受保护或保护性能较差的无线网络上,数据应该与控制系统MAC地址关联起来。

  Luallen补充道,便携式设备可以通过缓存的远程访问证书和设备上存储的应用程序作为受保护控制基础设施的切入点。无线设备也可以配置为IEEE 802.11无线网络和蜂窝网络之间的多种宿主,从而形成不必要的互联网网关。

  “便携式电子设备一定不能被当成锤子或扳手之类的工具。这些设备保留着有关控制系统环境的信息,如果放在不能信任的人手里,可能造成额外的伤害。不管设备是传统的笔记本电脑、iPhone、iPad还是HART通信器,作为工具都可能包含通信点、标签、配置参数、逻辑、框图、蓝图以及有关环境的细节等可以被技术高深的黑客利用的内容。”Luallen表示。

  “首先,人们必须调查使用能够自由访问控制系统的移动设备能够真正带来多少提升生产率和降低成本的好处。”他补充道。Luallen还表示,不应允许传统消费型手机或平板电脑进行控制系统的远程访问。“如果你真切地担心存在的网络风险,那么在做任何有可能增大攻击面的事之前都应该三思而行。也许风险确实比实际的生产率提高要大。”

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