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)備和軟件之間都開始支持互連互通。這時(shí),，人們不再使用專有接口,，而是采用通用標(biāo)準(zhǔn)（如以太網(wǎng)和Wi-Fi）。數(shù)字通信的標(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,，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)大大簡(jiǎn)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(jiàn)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(lái)越普遍,。

　　Wi-Fi的歷史

　　Wi-Fi是一種基于IEEE 802.11的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，已經(jīng)被進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化以確保設(shè)備的互操作性。Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)由Wi-Fi聯(lián)盟維護(hù),，只有經(jīng)過(guò)認(rèn)證符合此標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能使用該商標(biāo),。

　　802.11標(biāo)準(zhǔn)是為無(wú)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(huì)（IEEE）于1997年發(fā)布，即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,。盡管IEEE 802.11為Wi-Fi提供了技術(shù)基礎(chǔ)，但I(xiàn)EEE沒(méi)有任何認(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,，Wi-Fi聯(lián)盟由一些最早采用IEEE 802.11的公司組成,。這個(gè)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(duì)應(yīng)于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的主要版本,，如表1所示。

　　表1：歷代Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn),。

　　范圍,、速度和頻率

　　Wi-Fi可以在不同的頻率下工作，設(shè)備通?？梢耘渲脼槭褂貌煌念l率,。最常見(jiàn)的頻率是2.4GHz和5GHz。

　　一般來(lái)說(shuō),，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(dāng)通過(guò)固體時(shí)。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(shí)，Wi-Fi也更容易受到干擾,。例如,，在2.4GHz時(shí)，微波爐,、無(wú)繩電話和藍(lán)牙設(shè)備可能會(huì)發(fā)生Wi-Fi干擾,。這可能意味著在某些環(huán)境中，5GHz實(shí)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(wèn)題,，則通常最簡(jiǎn)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(gè)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(dāng)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(lán)牙更加低能耗。范圍應(yīng)該是2.4GHz的兩倍——150KBPs時(shí)超過(guò)40米,，或者使用更復(fù)雜的芯片可超過(guò)80米,。盡管IEEE已經(jīng)發(fā)布了802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi聯(lián)盟還沒(méi)有開始認(rèn)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(shí)現(xiàn)通常約7Gb/s的高數(shù)據(jù)傳輸速率,。

　　Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

　　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)渲?，一個(gè)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?fù)渲?，每個(gè)設(shè)備都連接到其他設(shè)備,。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于完全連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)檫B接是分散的,，但是每對(duì)設(shè)備之間可能沒(méi)有連接,，它也可以被稱為部分連接的網(wǎng)格。在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,，每個(gè)設(shè)備都連接到總線上,。

　　圖2：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是健壯和安全的，它降低了功耗,，同時(shí)單個(gè)鏈路可以更短,，所以可以提高范圍,。對(duì)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(shì),。然而,，星形網(wǎng)絡(luò)也可以在這方面提供優(yōu)勢(shì)。在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中,，單個(gè)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(hào)。

　　實(shí)現(xiàn)行業(yè)專用Wi-Fi

　　如上所述,，Wi-Fi-HaLow使用較低的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的范圍和更低的功耗,。這對(duì)小型電池供電的設(shè)備很有用。對(duì)于需要實(shí)時(shí)通信的控制和工業(yè)自動(dòng)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(duì)實(shí)時(shí)Wi-Fi的研究已經(jīng)持續(xù)了至少十年,，但這項(xiàng)技術(shù)并沒(méi)有被廣泛采用。也許,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)Wi-Fi最成功的是WIA-PA,，一個(gè)用于過(guò)程自動(dòng)化的中國(guó)工業(yè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　Wi-Fi工業(yè)領(lǐng)域在要求較低的應(yīng)用中更為典型,，如運(yùn)動(dòng)傳感器和條形碼掃描儀,。機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)變得非常普遍。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械,，加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)振動(dòng),。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)傳感器部署在許多不同的環(huán)境中,，其中包括工廠和倉(cāng)庫(kù)機(jī)械,，以及包括卡車、鏟車甚至飛機(jī)在內(nèi)的高價(jià)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(cè)也非常切合Wi-Fi特性。此外,，監(jiān)測(cè)交通,、污染程度和天氣是部署無(wú)線傳感器的更多應(yīng)用實(shí)例。

　　競(jìng)爭(zhēng)者

　　Wi-Fi并不是工業(yè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的唯一標(biāo)準(zhǔn),。對(duì)于短程和低功耗應(yīng)用,，Wi-Fi與藍(lán)牙和Zigbee競(jìng)爭(zhēng),。而對(duì)于遠(yuǎn)程應(yīng)用，Wi-Fi競(jìng)爭(zhēng)的主要技術(shù)是蜂窩技術(shù)——3G,、4G和5G,。

　　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的較新技術(shù),，旨在使用比藍(lán)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(jìng)爭(zhēng)，但它并沒(méi)有達(dá)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(wú)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(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)，工程師們有望看到更多的設(shè)備采用這一開放標(biāo)準(zhǔn),。另一方面,，5G在無(wú)線IIoT應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。未來(lái)幾年,，最新Wi-Fi 6和5G標(biāo)準(zhǔn)之間的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈,。