Wi-Fi 的传感器网络形式及相关典型应用

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现代工厂的数字系统越来越复杂，许多不同供应商的设备和软件之间都存在互连。这种复杂性促使人们放弃了专有接口，取而代之的是以太网和 Wi-Fi® 等通用标准。数字通信标准化可以看作是第四次工业革命（工业 4.0）的一部分，其中物联网 (IoT) 技术极大地简化了不同设备之间的连接（图 1）。本文介绍了最常见的基于 Wi-Fi 的传感器网络形式，以及相关的典型应用。

图 1：支持 Wi-Fi 的传感技术在工业环境中越来越普遍。
Wi-Fi 的历史和版本

        Wi-Fi 是一种基于 IEEE 802.11 的无线网络协议，但已经过进一步的标准化，以确保设备间的互操作性。Wi-Fi 标准由 Wi-Fi® 联盟维护，只有经认证符合该标准的产品才可使用该商标。
在无线局域网 (LAN) 应用中，802.11 标准已经非常成熟。该标准由电气电子工程师协会 (IEEE) 于 1997 年发布，名为 802.11-1997。随后的主要版本按时间顺序包括 802.11b、802.11a、802.11g、802.11n 和 802.11ac。虽然 IEEE 802.11 为 Wi-Fi 提供了技术基础，但 IEEE 并未进行任何认证或测试，这导致了早期设备的互操作性问题。
1999 年，首批采用 IEEE 802.11 的一些公司成立了 Wi-Fi 联盟。该联盟的目的是提高成员公司生产的设备之间的互操作性。创始公司包括 3Com 和 Nokia。Wi-Fi 世代对应于 IEEE 802.11 标准的主要版本，如表 1 所示。
      

            
表 1: Wi-Fi 标准发展年表。

覆盖范围、速度和频率
    Wi-Fi 可以在不同的频率下工作，设备通常可以配置为使用不同的频率。最常见的频率为 2.4 GHz 和 5 GHz。通常，更高的频率提供更高的数据传输速度。然而，更高的频率也更容易耗散，特别是在通过固体时。因此，较低的频率通常会提供更大的覆盖范围。
    当与其他设备在同一频率范围内工作时，Wi-Fi 也更容易受到干扰。例如，在 2.4 GHz 下，微波炉、无绳电话和蓝牙设备可能会发生 Wi-Fi 干扰。这意味着在某些环境中，5 GHz 实际上可能比 2.4 GHz 提供更好的覆盖范围。如果在特定频率下遇到问题，通常最简单的方法是尝试不同的频道，甚至频段。
频率范围是内含特定频道定义的频段。例如，2.4 GHz 分为 14 个频道。频道 1 的频率范围为 2401 至 2423 MHz，频道 2 的频率范围为 2406 至 2428 MHz，等等。5 GHz 频段的可用频道要多得多。
IEEE 802.11ah 称为 Wi-Fi HaLow 或延伸范围，工作在 900 MHz 左右的较低频段，并结合 1 MHz 的窄射频频道。这些窄低频频道与协议变更相结合，意味着超低功耗，甚至比低功耗蓝牙还要低。覆盖范围将是 2.4 GHz 的两倍左右——单流 150 kbps 下超过 40 米，或者使用更复杂的双流芯片则超过 80 米。虽然 IEEE 已发布 802.11ah 标准，但 Wi-Fi 联盟尚未开始对设备进行认证。
另一方面，IEEE 802.11ad 或 WiGig 在 60 GHz 左右的较高频段工作，可实现通常约为 7 Gb/s 的高数据传输速率。

Wi-Fi 网络拓扑
    网络拓扑是设备之间连接的基本结构（图 2）。例如，在星形拓扑结构中，一台设备是集线器，其他所有设备都连接到该集线器。在全连接拓扑结构中，每台设备都连接到其他每一台设备。网状拓扑结构类似于全连接拓扑结构，连接也是分散的，但未必每对设备之间都有连接，这也可以称为部分连接网。在总线型拓扑结构中，每台设备都连接到一根电缆上，这就是所谓的总线。

图 2：网络拓扑随处可见，但大多数 Wi-Fi 网络都是星形或网状网络。（图片来源：Design World）
Wi-Fi 网络通常是星形或网状网络。网状拓扑结构可靠而安全，不仅可以降低功耗，而且由于单个链路可以更短，因此能改善覆盖范围。对于拥有大量低功耗传感器的大型物联网网络来说，这些都是重要的优势。不过，星形网络也可以提供这方面的优势。在星形网络中，各个设备可以间歇性地传输数据，只有集线器需要连续供电来提供 Wi-Fi 信号。

工业专用 Wi-Fi 实现
如上所述，Wi-Fi HaLow 使用较低的频率来实现更大的覆盖范围和更低的功耗。这对于小型电池供电的设备非常有用。在需要实时通信的控制和工业自动化应用中，Wi-Fi 一直难以提供足够高速、低延迟和稳定的连接。虽然人们对实时 Wi-Fi 的兴趣至少有十年之久，但这项技术还没有被广泛采用。最成功的实时 Wi-Fi 实现可能是 WIA-PA，即中国过程自动化工业无线通信标准。
在要求不高的工业应用中，如运动传感器和条形码扫描器，Wi-Fi 更为常见。机械的状态监测已变得非常普遍。对于旋转机械，采用加速度计来监测振动。此外，环境监测也是状态监测的一个重要方面，经常会部署小型温度、压力、湿度和气体浓度传感器。
状态监测传感器可部署在许多不同的环境中，包括非常普遍的工厂和仓库机械，以及高价值商用运载工具，如卡车、推土机和飞行器。在发电、采矿和钻井作业中，状态监测技术也已非常成熟并至关重要。
更多部署无线传感器的应用实例包括监测交通、污染水平和天气。

竞争技术
Wi-Fi 并不是实现工业设备之间无线通信的唯一标准。对于短距离和低功耗应用，Wi-Fi 与蓝牙和 ZigBee 之间存在竞争。对于长距离应用，与 Wi-Fi 竞争的主要是蜂窝技术，即 3G、4G 和 5G。
蓝牙是一种公认的低功耗通信方式。Zigbee 是一种基于 IEEE 802.15.4 的新技术，硬件成本和功耗甚至比蓝牙更低。虽然 Wi-Fi HaLow 打算在这一领域展开竞争，但并没有达到 ZigBee 的超低成本和功耗。让情况更加复杂的是，5G 也有自己的低功耗技术，即低功耗广域 (LPWA)。

总结
许多工业设备制造商仍在使用专有的工业无线技术。虽然这使得互操作性变得更加困难，但也意味着可以提供增强的安全性和实时通信。随着 Wi-Fi 在这些领域的不断改进，工程师们可以期待看到更多设备采用这一开放标准。另一方面，5G 正展现出无线工业物联网应用的巨大潜力。未来几年，最新的 Wi-Fi 6 与 5G 标准之间的竞争将更加激烈。