現代工廠的數字系統(tǒng)越來越復雜，許多不同供應商的設備和軟件之間都存在互連。這種復雜性促使人們放棄了專有接口，取而代之的是以太網和 Wi-Fi? 等通用標準。數字通信標準化可以看作是第四次工業(yè)革命（工業(yè) 4.0）的一部分，其中物聯(lián)網 (IoT) 技術極大地簡化了不同設備之間的連接（圖 1）。本文介紹了最常見的基于 Wi-Fi 的傳感器網絡形式，以及相關的典型應用。
圖 1：支持 Wi-Fi 的傳感技術在工業(yè)環(huán)境中越來越普遍。
Wi-Fi 的歷史和版本
Wi-Fi 是一種基于 IEEE 802.11 的無線網絡協(xié)議，但已經過進一步的標準化，以確保設備間的互操作性。Wi-Fi 標準由 Wi-Fi? 聯(lián)盟維護，只有經認證符合該標準的產品才可使用該商標。
在無線局域網 (LAN) 應用中，802.11 標準已經非常成熟。該標準由電氣電子工程師協(xié)會 (IEEE) 于 1997 年發(fā)布，名為 802.11-1997。隨后的主要版本按時間順序包括 802.11b、802.11a、802.11g、802.11n 和 802.11ac。雖然 IEEE 802.11 為 Wi-Fi 提供了技術基礎，但 IEEE 并未進行任何認證或測試，這導致了早期設備的互操作性問題。
1999 年，首批采用 IEEE 802.11 的一些公司成立了 Wi-Fi 聯(lián)盟。該聯(lián)盟的目的是提高成員公司生產的設備之間的互操作性。創(chuàng)始公司包括 3Com 和 Nokia。Wi-Fi 世代對應于 IEEE 802.11 標準的主要版本，如表 1 所示。
| Wi-Fi 世代IEEE 標準數據傳輸鏈路速率發(fā)布年份支持的頻率Wi-Fi 1802.11b1 至 11 Mb/s19992.4 GHzWi-Fi 2802.11a1.5 至 54 Mb/s19995 GHzWi-Fi 3802.11 g3 至 54 Mb/s20032.4 GHzWi-Fi 4802.11n72 至 600 Mb/s20092.4 GHz 或 5 GHzWi-Fi 5802.11ac433 至 6,933 Mb/s20145 GHzWi-Fi 6802.11ax600 至 9608 Mb/s20191 – 6 GHz (ISM) 2.4 GHz 或 5 GHz |
表 1: Wi-Fi 標準發(fā)展年表。
覆蓋范圍、速度和頻率
Wi-Fi 可以在不同的頻率下工作，設備通常可以配置為使用不同的頻率。最常見的頻率為 2.4 GHz 和 5 GHz。
通常，更高的頻率提供更高的數據傳輸速度。然而，更高的頻率也更容易耗散，特別是在通過固體時。因此，較低的頻率通常會提供更大的覆蓋范圍。
當與其他設備在同一頻率范圍內工作時，Wi-Fi 也更容易受到干擾。例如，在 2.4 GHz 下，微波爐、無繩電話和藍牙設備可能會發(fā)生 Wi-Fi 干擾。這意味著在某些環(huán)境中，5 GHz 實際上可能比 2.4 GHz 提供更好的覆蓋范圍。如果在特定頻率下遇到問題，通常最簡單的方法是嘗試不同的頻道，甚至頻段。
頻率范圍是內含特定頻道定義的頻段。例如，2.4 GHz 分為 14 個頻道。頻道 1 的頻率范圍為 2401 至 2423 MHz，頻道 2 的頻率范圍為 2406 至 2428 MHz，等等。5 GHz 頻段的可用頻道要多得多。
IEEE 802.11ah 稱為 Wi-Fi HaLow 或延伸范圍，工作在 900 MHz 左右的較低頻段，并結合 1 MHz 的窄射頻頻道。這些窄低頻頻道與協(xié)議變更相結合，意味著超低功耗，甚至比低功耗藍牙還要低。覆蓋范圍將是 2.4 GHz 的兩倍左右——單流 150 kbps 下超過 40 米，或者使用更復雜的雙流芯片則超過 80 米。雖然 IEEE 已發(fā)布 802.11ah 標準，但 Wi-Fi 聯(lián)盟尚未開始對設備進行認證。
另一方面，IEEE 802.11ad 或 WiGig 在 60 GHz 左右的較高頻段工作，可實現通常約為 7 Gb/s 的高數據傳輸速率。
Wi-Fi 網絡拓撲
網絡拓撲是設備之間連接的基本結構（圖 2）。例如，在星形拓撲結構中，一臺設備是集線器，其他所有設備都連接到該集線器。在全連接拓撲結構中，每臺設備都連接到其他每一臺設備。網狀拓撲結構類似于全連接拓撲結構，連接也是分散的，但未必每對設備之間都有連接，這也可以稱為部分連接網。在總線型拓撲結構中，每臺設備都連接到一根電纜上，這就是所謂的總線。
圖 2：網絡拓撲隨處可見，但大多數 Wi-Fi 網絡都是星形或網狀網絡。（圖片來源：Design World）
Wi-Fi 網絡通常是星形或網狀網絡。網狀拓撲結構可靠而安全，不僅可以降低功耗，而且由于單個鏈路可以更短，因此能改善覆蓋范圍。對于擁有大量低功耗傳感器的大型物聯(lián)網網絡來說，這些都是重要的優(yōu)勢。不過，星形網絡也可以提供這方面的優(yōu)勢。在星形網絡中，各個設備可以間歇性地傳輸數據，只有集線器需要連續(xù)供電來提供 Wi-Fi 信號。
工業(yè)專用 Wi-Fi 實現
如上所述，Wi-Fi HaLow 使用較低的頻率來實現更大的覆蓋范圍和更低的功耗。這對于小型電池供電的設備非常有用。在需要實時通信的控制和工業(yè)自動化應用中，Wi-Fi 一直難以提供足夠高速、低延遲和穩(wěn)定的連接。雖然人們對實時 Wi-Fi 的興趣至少有十年之久，但這項技術還沒有被廣泛采用。最成功的實時 Wi-Fi 實現可能是 WIA-PA，即中國過程自動化工業(yè)無線通信標準。
在要求不高的工業(yè)應用中，如運動傳感器和條形碼掃描器，Wi-Fi 更為常見。機械的狀態(tài)監(jiān)測已變得非常普遍。對于旋轉機械，采用加速度計來監(jiān)測振動。此外，環(huán)境監(jiān)測也是狀態(tài)監(jiān)測的一個重要方面，經常會部署小型溫度、壓力、濕度和氣體濃度傳感器。
狀態(tài)監(jiān)測傳感器可部署在許多不同的環(huán)境中，包括非常普遍的工廠和倉庫機械，以及高價值商用運載工具，如卡車、推土機和飛行器。在發(fā)電、采礦和鉆井作業(yè)中，狀態(tài)監(jiān)測技術也已非常成熟并至關重要。
更多部署無線傳感器的應用實例包括監(jiān)測交通、污染水平和天氣。
競爭技術
Wi-Fi 并不是實現工業(yè)設備之間無線通信的唯一標準。對于短距離和低功耗應用，Wi-Fi 與藍牙和 ZigBee 之間存在競爭。對于長距離應用，與 Wi-Fi 競爭的主要是蜂窩技術，即 3G、4G 和 5G。
下面僅以低功耗微控制器單元 (MCU) 為例，說明如何幫助工程師通過低功耗藍牙 (BLE) 建立通信，以及通過 XBee Wi-Fi 模塊建立 WiFi：
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藍牙是一種公認的低功耗通信方式。Zigbee 是一種基于 IEEE 802.15.4 的新技術，硬件成本和功耗甚至比藍牙更低。雖然 Wi-Fi HaLow 打算在這一領域展開競爭，但并沒有達到 ZigBee 的超低成本和功耗。讓情況更加復雜的是，5G 也有自己的低功耗技術，即低功耗廣域 (LPWA)。
能量收集功能可為許多這些低功耗產品提供補充：
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結語
許多工業(yè)設備制造商仍在使用專有的工業(yè)無線技術。雖然這使得互操作性變得更加困難，但也意味著可以提供增強的安全性和實時通信。隨著 Wi-Fi 在這些領域的不斷改進，工程師們可以期待看到更多設備采用這一開放標準。另一方面，5G 正展現出無線工業(yè)物聯(lián)網應用的巨大潛力。未來幾年，最新的 Wi-Fi 6 與 5G 標準之間的競爭將更加激烈。
