Wi-Fi技术将成为工业4.0的一部分

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开始支持互连互通。这时，人们不再使用专有接口，而是采用通用标准（如以太网和Wi-Fi）。数字通信的标准化可以看作是第四次工业革命（工业4.0）的一部分，物联网（IoT）技术大大简化了不同设备之间的连接（图1）。本文综述了基于Wi-Fi的传感器网络的最常见形式及其典型应用。

图1：支持Wi-Fi的传感在工业环境中越来越普遍。

Wi-Fi的历史

Wi-Fi是一种基于IEEE 802.11的无线网络协议，已经被进一步标准化以确保设备的互操作性。Wi-Fi标准由Wi-Fi联盟维护，只有经过认证符合此标准的产品才能使用该商标。

802.11标准是为无线局域网（LAN）应用而制定的。它由电气和电子工程师协会（IEEE）于1997年发布，即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。尽管IEEE 802.11为Wi-Fi提供了技术基础，但IEEE没有任何认证或测试，这导致了早期设备的互操作性问题。

1999年，Wi-Fi联盟由一些最早采用IEEE 802.11的公司组成。这个联盟的目的是改善成员设备之间的互操作性。创始公司包括3Com和诺基亚。Wi-Fi对应于IEEE 802.11标准的主要版本，如表1所示。

表1：历代Wi-Fi标准。

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。最常见的频率是2.4GHz和5GHz。

一般来说，频率越高，数据传输速度越快。然而，更高的频率也更容易衰减，特别是当通过固体时。因此，低频通常提供更大的范围。

在与其他设备相同的频率范围内工作时，Wi-Fi也更容易受到干扰。例如，在2.4GHz时，微波炉、无绳电话和蓝牙设备可能会发生Wi-Fi干扰。这可能意味着在某些环境中，5GHz实际上可能比2.4GHz提供更好的范围。如果在特定频率下遇到问题，则通常最简单的方法是尝试不同的频道或频段。

频率范围是定义特定信道的频带。例如，2.4GHz分为14个信道。信道1从2401到2423MHz，信道2从2406到2428MHz，等等。在5GHz频带中有相当多的信道可用。

IEEE 802.11h被称为Wi-Fi-HaLow或extended-range，工作在900兆赫左右的低频段，与窄的1兆赫射频信道相结合。这些窄带的低频信道，加上协议的变化意味着更低的功耗，甚至比蓝牙更加低能耗。范围应该是2.4GHz的两倍——150KBPs时超过40米，或者使用更复杂的芯片可超过80米。尽管IEEE已经发布了802.11ah标准，Wi-Fi联盟还没有开始认证设备。

在频谱的另一端，IEEE 802.11ad（WiGig）在大约60GHz的更高频带上工作，以实现通常约7Gb/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，在星形拓扑中，一个设备是集线器，所有其他设备都连接到集线器。在完全连接的拓扑中，每个设备都连接到其他设备。网状拓扑结构类似于完全连接的拓扑结构，因为连接是分散的，但是每对设备之间可能没有连接，它也可以被称为部分连接的网格。在总线拓扑结构中，每个设备都连接到总线上。

图2：网络拓扑结构比比皆是，但大多数Wi-Fi网络是星形或网状的。

Wi-Fi网络通常是星形或网状。网状拓扑结构特点是健壮和安全的，它降低了功耗，同时单个链路可以更短，所以可以提高范围。对于具有大量低功耗传感器的大型物联网，这些都是重要的优势。然而，星形网络也可以在这方面提供优势。在启动网络中，单个设备可能间歇传输，并且只有集线器需要连续的电源才能传输Wi-Fi信号。

实现行业专用Wi-Fi

如上所述，Wi-Fi-HaLow使用较低的频率来实现更大的范围和更低的功耗。这对小型电池供电的设备很有用。对于需要实时通信的控制和工业自动化应用，Wi-Fi一直在努力提供足够高的速度、低延迟和稳定的连接。尽管人们对实时Wi-Fi的研究已经持续了至少十年，但这项技术并没有被广泛采用。也许，实现实时Wi-Fi最成功的是WIA-PA，一个用于过程自动化的中国工业无线通信标准。

Wi-Fi工业领域在要求较低的应用中更为典型，如运动传感器和条形码扫描仪。机械状态监测变得非常普遍。对于旋转机械，加速度计用于监测振动。环境监测也是状态监测的一个重要方面，经常部署小型温度、压力、湿度和气体浓度传感器。

状态监测传感器部署在许多不同的环境中，其中包括工厂和仓库机械，以及包括卡车、铲车甚至飞机在内的高价值商业车辆。发电、采矿和钻井作业中的状态监测也非常切合Wi-Fi特性。此外，监测交通、污染程度和天气是部署无线传感器的更多应用实例。

竞争者

Wi-Fi并不是工业设备之间实现无线通信的唯一标准。对于短程和低功耗应用，Wi-Fi与蓝牙和Zigbee竞争。而对于远程应用，Wi-Fi竞争的主要技术是蜂窝技术——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的较新技术，旨在使用比蓝牙更低的硬件和电源。虽然Wi-Fi-HaLow打算在这一领域展开竞争，但它并没有达到Zigbee的超低成本和功耗。5G也有自己的低功耗技术——低功耗广域网（LPWA）。

结论

许多工业设备制造商仍然使用专有的工业无线技术，尽管这使得互操作性变得更加困难，但这意味着它们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，工程师们有望看到更多的设备采用这一开放标准。另一方面，5G在无线IIoT应用方面显示出巨大的潜力。未来几年，最新Wi-Fi 6和5G标准之间的竞争将更加激烈。