Wi-Fi技术将成为工业4.0的一部分

【字体选择: 】 (2020/9/16 10:42:39) 摘自:

    

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。


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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。


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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。


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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。


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