現(xiàn)代工廠的數(shù)字系統(tǒng)越來越復(fù)雜，許多不同供應(yīng)商的設(shè)備和軟件之間都開始支持互連互通。這時，人們不再使用專有接口，而是采用通用標準（如以太網(wǎng)和Wi-Fi）。數(shù)字通信的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，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)大大簡化了不同設(shè)備之間的連接（圖1）。本文綜述了基于Wi-Fi的傳感器網(wǎng)絡(luò)的最常見形式及其典型應(yīng)用。
圖1：支持Wi-Fi的傳感在工業(yè)環(huán)境中越來越普遍。
Wi-Fi的歷史
Wi-Fi是一種基于IEEE 802.11的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，已經(jīng)被進一步標準化以確保設(shè)備的互操作性。Wi-Fi標準由Wi-Fi聯(lián)盟維護，只有經(jīng)過認證符合此標準的產(chǎn)品才能使用該商標。
802.11標準是為無線局域網(wǎng)（LAN）應(yīng)用而制定的。它由電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）于1997年發(fā)布，即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。盡管IEEE 802.11為Wi-Fi提供了技術(shù)基礎(chǔ)，但IEEE沒有任何認證或測試，這導(dǎo)致了早期設(shè)備的互操作性問題。
1999年，Wi-Fi聯(lián)盟由一些最早采用IEEE 802.11的公司組成。這個聯(lián)盟的目的是改善成員設(shè)備之間的互操作性。創(chuàng)始公司包括3Com和諾基亞。Wi-Fi對應(yīng)于IEEE 802.11標準的主要版本，如表1所示。
表1：歷代Wi-Fi標準。
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。最常見的頻率是2.4GHz和5GHz。
一般來說，頻率越高，數(shù)據(jù)傳輸速度越快。然而，更高的頻率也更容易衰減，特別是當通過固體時。因此，低頻通常提供更大的范圍。
在與其他設(shè)備相同的頻率范圍內(nèi)工作時，Wi-Fi也更容易受到干擾。例如，在2.4GHz時，微波爐、無繩電話和藍牙設(shè)備可能會發(fā)生Wi-Fi干擾。這可能意味著在某些環(huán)境中，5GHz實際上可能比2.4GHz提供更好的范圍。如果在特定頻率下遇到問題，則通常最簡單的方法是嘗試不同的頻道或頻段。
頻率范圍是定義特定信道的頻帶。例如，2.4GHz分為14個信道。信道1從2401到2423MHz，信道2從2406到2428MHz，等等。在5GHz頻帶中有相當多的信道可用。
IEEE 802.11h被稱為Wi-Fi-HaLow或extended-range，工作在900兆赫左右的低頻段，與窄的1兆赫射頻信道相結(jié)合。這些窄帶的低頻信道，加上協(xié)議的變化意味著更低的功耗，甚至比藍牙更加低能耗。范圍應(yīng)該是2.4GHz的兩倍——150KBPs時超過40米，或者使用更復(fù)雜的芯片可超過80米。盡管IEEE已經(jīng)發(fā)布了802.11ah標準，Wi-Fi聯(lián)盟還沒有開始認證設(shè)備。
在頻譜的另一端，IEEE 802.11ad（WiGig）在大約60GHz的更高頻帶上工作，以實現(xiàn)通常約7Gb/s的高數(shù)據(jù)傳輸速率。
Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)拓撲
網(wǎng)絡(luò)拓撲是設(shè)備之間連接的基本結(jié)構(gòu)（圖2）。例如，在星形拓撲中，一個設(shè)備是集線器，所有其他設(shè)備都連接到集線器。在完全連接的拓撲中，每個設(shè)備都連接到其他設(shè)備。網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)類似于完全連接的拓撲結(jié)構(gòu)，因為連接是分散的，但是每對設(shè)備之間可能沒有連接，它也可以被稱為部分連接的網(wǎng)格。在總線拓撲結(jié)構(gòu)中，每個設(shè)備都連接到總線上。
圖2：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)比比皆是，但大多數(shù)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是星形或網(wǎng)狀的。
Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通常是星形或網(wǎng)狀。網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)特點是健壯和安全的，它降低了功耗，同時單個鏈路可以更短，所以可以提高范圍。對于具有大量低功耗傳感器的大型物聯(lián)網(wǎng)，這些都是重要的優(yōu)勢。然而，星形網(wǎng)絡(luò)也可以在這方面提供優(yōu)勢。在啟動網(wǎng)絡(luò)中，單個設(shè)備可能間歇傳輸，并且只有集線器需要連續(xù)的電源才能傳輸Wi-Fi信號。
實現(xiàn)行業(yè)專用Wi-Fi
如上所述，Wi-Fi-HaLow使用較低的頻率來實現(xiàn)更大的范圍和更低的功耗。這對小型電池供電的設(shè)備很有用。對于需要實時通信的控制和工業(yè)自動化應(yīng)用，Wi-Fi一直在努力提供足夠高的速度、低延遲和穩(wěn)定的連接。盡管人們對實時Wi-Fi的研究已經(jīng)持續(xù)了至少十年，但這項技術(shù)并沒有被廣泛采用。也許，實現(xiàn)實時Wi-Fi最成功的是WIA-PA，一個用于過程自動化的中國工業(yè)無線通信標準。
Wi-Fi工業(yè)領(lǐng)域在要求較低的應(yīng)用中更為典型，如運動傳感器和條形碼掃描儀。機械狀態(tài)監(jiān)測變得非常普遍。對于旋轉(zhuǎn)機械，加速度計用于監(jiān)測振動。環(huán)境監(jiān)測也是狀態(tài)監(jiān)測的一個重要方面，經(jīng)常部署小型溫度、壓力、濕度和氣體濃度傳感器。
狀態(tài)監(jiān)測傳感器部署在許多不同的環(huán)境中，其中包括工廠和倉庫機械，以及包括卡車、鏟車甚至飛機在內(nèi)的高價值商業(yè)車輛。發(fā)電、采礦和鉆井作業(yè)中的狀態(tài)監(jiān)測也非常切合Wi-Fi特性。此外，監(jiān)測交通、污染程度和天氣是部署無線傳感器的更多應(yīng)用實例。
競爭者
Wi-Fi并不是工業(yè)設(shè)備之間實現(xiàn)無線通信的唯一標準。對于短程和低功耗應(yīng)用，Wi-Fi與藍牙和Zigbee競爭。而對于遠程應(yīng)用，Wi-Fi競爭的主要技術(shù)是蜂窩技術(shù)——3G、4G和5G。
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的較新技術(shù)，旨在使用比藍牙更低的硬件和電源。雖然Wi-Fi-HaLow打算在這一領(lǐng)域展開競爭，但它并沒有達到Zigbee的超低成本和功耗。5G也有自己的低功耗技術(shù)——低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。
結(jié)論
許多工業(yè)設(shè)備制造商仍然使用專有的工業(yè)無線技術(shù)，盡管這使得互操作性變得更加困難，但這意味著它們可以提供增強的安全性和實時通信。隨著Wi-Fi在這些領(lǐng)域的不斷改進，工程師們有望看到更多的設(shè)備采用這一開放標準。另一方面，5G在無線IIoT應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。未來幾年，最新Wi-Fi 6和5G標準之間的競爭將更加激烈。