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現(xiàn)代工廠的數(shù)字系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，許多不同供應(yīng)商的設(shè)備和軟件之間都存在互連。這種復(fù)雜性促使人們放棄了專(zhuān)有接口，取而代之的是以太網(wǎng)和 Wi-Fi? 等通用標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng) (IoT) 技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了不同設(shè)備之間的連接（圖 1）。本文介紹了最常見(jiàn)的基于 Wi-Fi 的傳感器網(wǎng)絡(luò)形式，以及相關(guān)的典型應(yīng)用。

圖 1：支持 Wi-Fi 的傳感技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中越來(lái)越普遍。

Wi-Fi 的歷史和版本

Wi-Fi 是一種基于 IEEE 802.11 的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但已經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化，以確保設(shè)備間的互操作性。Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)由 Wi-Fi? 聯(lián)盟維護(hù)，只有經(jīng)認(rèn)證符合該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才可使用該商標(biāo)。

在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (LAN) 應(yīng)用中，802.11 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)非常成熟。該標(biāo)準(zhǔn)由電氣電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 于 1997 年發(fā)布，名為 802.11-1997。隨后的主要版本按時(shí)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(shù)基礎(chǔ)，但 IEEE 并未進(jìn)行任何認(rèn)證或測(cè)試，這導(dǎo)致了早期設(shè)備的互操作性問(wèn)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(chǎn)的設(shè)備之間的互操作性。創(chuàng)始公司包括 3Com 和 Nokia。Wi-Fi 世代對(duì)應(yīng)于 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的主要版本，如表 1 所示。

表 1: Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備通常可以配置為使用不同的頻率。最常見(jiàn)的頻率為 2.4 GHz 和 5 GHz。

通常，更高的頻率提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。然而，更高的頻率也更容易耗散，特別是在通過(guò)固體時(shí)。因此，較低的頻率通常會(huì)提供更大的覆蓋范圍。

當(dāng)與其他設(shè)備在同一頻率范圍內(nèi)工作時(shí)，Wi-Fi 也更容易受到干擾。例如，在 2.4 GHz 下，微波爐、無(wú)繩電話(huà)和藍(lán)牙設(shè)備可能會(huì)發(fā)生 Wi-Fi 干擾。這意味著在某些環(huán)境中，5 GHz 實(shí)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(wèn)題，通常最簡(jiǎn)單的方法是嘗試不同的頻道，甚至頻段。

頻率范圍是內(nèi)含特定頻道定義的頻段。例如，2.4 GHz 分為 14 個(gè)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(chēng)為 Wi-Fi HaLow 或延伸范圍，工作在 900 MHz 左右的較低頻段，并結(jié)合 1 MHz 的窄射頻頻道。這些窄低頻頻道與協(xié)議變更相結(jié)合，意味著超低功耗，甚至比低功耗藍(lán)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(guò) 40 米，或者使用更復(fù)雜的雙流芯片則超過(guò) 80 米。雖然 IEEE 已發(fā)布 802.11ah 標(biāo)準(zhǔn)，但 Wi-Fi 聯(lián)盟尚未開(kāi)始對(duì)設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。

另一方面，IEEE 802.11ad 或 WiGig 在 60 GHz 左右的較高頻段工作，可實(shí)現(xiàn)通常約為 7 Gb/s 的高數(shù)據(jù)傳輸速率。

Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫窃O(shè)備之間連接的基本結(jié)構(gòu)（圖 2）。例如，在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一臺(tái)設(shè)備是集線(xiàn)器，其他所有設(shè)備都連接到該集線(xiàn)器。在全連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每臺(tái)設(shè)備都連接到其他每一臺(tái)設(shè)備。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似于全連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，連接也是分散的，但未必每對(duì)設(shè)備之間都有連接，這也可以稱(chēng)為部分連接網(wǎng)。在總線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每臺(tái)設(shè)備都連接到一根電纜上，這就是所謂的總線(xiàn)。

圖 2：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S處可見(jiàn)，但大多數(shù) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)都是星形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。（圖片來(lái)源：Design World）

Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)通常是星形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠而安全，不僅可以降低功耗，而且由于單個(gè)鏈路可以更短，因此能改善覆蓋范圍。對(duì)于擁有大量低功耗傳感器的大型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這些都是重要的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，星形網(wǎng)絡(luò)也可以提供這方面的優(yōu)勢(shì)。在星形網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)設(shè)備可以間歇性地傳輸數(shù)據(jù)，只有集線(xiàn)器需要連續(xù)供電來(lái)提供 Wi-Fi 信號(hào)。

工業(yè)專(zhuān)用 Wi-Fi 實(shí)現(xiàn)

如上所述，Wi-Fi HaLow 使用較低的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍和更低的功耗。這對(duì)于小型電池供電的設(shè)備非常有用。在需要實(shí)時(shí)通信的控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)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(duì)實(shí)時(shí) Wi-Fi 的興趣至少有十年之久，但這項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有被廣泛采用。最成功的實(shí)時(shí) Wi-Fi 實(shí)現(xiàn)可能是 WIA-PA，即中國(guó)過(guò)程自動(dòng)化工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)。

在要求不高的工業(yè)應(yīng)用中，如運(yùn)動(dòng)傳感器和條形碼掃描器，Wi-Fi 更為常見(jiàn)。機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)已變得非常普遍。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，采用加速度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)振動(dòng)。此外，環(huán)境監(jiān)測(cè)也是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要方面，經(jīng)常會(huì)部署小型溫度、壓力、濕度和氣體濃度傳感器。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cāng)庫(kù)機(jī)械，以及高價(jià)值商用運(yùn)載工具，如卡車(chē)、推土機(jī)和飛行器。在發(fā)電、采礦和鉆井作業(yè)中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)也已非常成熟并至關(guān)重要。

更多部署無(wú)線(xiàn)傳感器的應(yīng)用實(shí)例包括監(jiān)測(cè)交通、污染水平和天氣。

競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)

Wi-Fi 并不是實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備之間無(wú)線(xiàn)通信的唯一標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于短距離和低功耗應(yīng)用，Wi-Fi 與藍(lán)牙和 ZigBee 之間存在競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于長(zhǎng)距離應(yīng)用，與 Wi-Fi 競(jìng)爭(zhēng)的主要是蜂窩技術(shù)，即 3G、4G 和 5G。

下面僅以低功耗微控制器單元 (MCU) 為例，說(shuō)明如何幫助工程師通過(guò)低功耗藍(lán)牙 (BLE) 建立通信，以及通過(guò) XBee Wi-Fi 模塊建立 WiFi：

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藍(lán)牙是一種公認(rèn)的低功耗通信方式。Zigbee 是一種基于 IEEE 802.15.4 的新技術(shù)，硬件成本和功耗甚至比藍(lán)牙更低。雖然 Wi-Fi HaLow 打算在這一領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，但并沒(méi)有達(dá)到 ZigBee 的超低成本和功耗。讓情況更加復(fù)雜的是，5G 也有自己的低功耗技術(shù)，即低功耗廣域 (LPWA)。

能量收集功能可為許多這些低功耗產(chǎn)品提供補(bǔ)充：

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結(jié)語(yǔ)

許多工業(yè)設(shè)備制造商仍在使用專(zhuān)有的工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)。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(qiáng)的安全性和實(shí)時(shí)通信。隨著 Wi-Fi 在這些領(lǐng)域的不斷改進(jìn)，工程師們可以期待看到更多設(shè)備采用這一開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，5G 正展現(xiàn)出無(wú)線(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的巨大潛力。未來(lái)幾年，最新的 Wi-Fi 6 與 5G 標(biāo)準(zhǔn)之間的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。