現代工廠的數字系統越來越復雜，許多不同供應商的設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（如以太網和Wi-Fi）。數字通信的標準化可以看作是第四次工業革命（工業4.0）的一部分，物聯網（IoT）技術大大簡化了不同設備之間的連接（圖1）。本文綜述了基于Wi-Fi的傳感器網絡的最常見形式及其典型應用。

　　圖1：支持Wi-Fi的傳感在工業環境中越來越普遍。

　　Wi-Fi的歷史

　　Wi-Fi是一種基于IEEE 802.11的無線網絡協議，已經被進一步標準化以確保設備的互操作性。Wi-Fi標準由Wi-Fi聯盟維護，只有經過認證符合此標準的產品才能使用該商標。

　　802.11標準是為無線局域網（LAN）應用而制定的。它由電氣和電子工程師協會（IEEE）于1997年發布，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提供了技術基礎，但IEEE沒有任何認證或測試，這導致了早期設備的互操作性問題。

　　1999年，Wi-Fi聯盟由一些最早采用IEEE 802.11的公司組成。這個聯盟的目的是改善成員設備之間的互操作性。創始公司包括3Com和諾基亞。Wi-Fi對應于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，數據傳輸速度越快。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。

　　在與其他設備相同的頻率范圍內工作時，Wi-Fi也更容易受到干擾。例如，在2.4GHz時，微波爐、無繩電話和藍牙設備可能會發生Wi-Fi干擾。這可能意味著在某些環境中，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合。這些窄帶的低頻信道，加上協議的變化意味著更低的功耗，甚至比藍牙更加低能耗。范圍應該是2.4GHz的兩倍——150KBPs時超過40米，或者使用更復雜的芯片可超過80米。盡管IEEE已經發布了802.11ah標準，Wi-Fi聯盟還沒有開始認證設備。

　　在頻譜的另一端，IEEE 802.11ad（WiGig）在大約60GHz的更高頻帶上工作，以實現通常約7Gb/s的高數據傳輸速率。

　　Wi-Fi網絡拓撲

　　網絡拓撲是設備之間連接的基本結構（圖2）。例如，在星形拓撲中，一個設備是集線器，所有其他設備都連接到集線器。在完全連接的拓撲中，每個設備都連接到其他設備。網狀拓撲結構類似于完全連接的拓撲結構，因為連接是分散的，但是每對設備之間可能沒有連接，它也可以被稱為部分連接的網格。在總線拓撲結構中，每個設備都連接到總線上。

　　圖2：網絡拓撲結構比比皆是，但大多數Wi-Fi網絡是星形或網狀的。

　　Wi-Fi網絡通常是星形或網狀。網狀拓撲結構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網，這些都是重要的優勢。然而，星形網絡也可以在這方面提供優勢。在啟動網絡中，單個設備可能間歇傳輸，并且只有集線器需要連續的電源才能傳輸Wi-Fi信號。

　　實現行業專用Wi-Fi

　　如上所述，Wi-Fi-HaLow使用較低的頻率來實現更大的范圍和更低的功耗。這對小型電池供電的設備很有用。對于需要實時通信的控制和工業自動化應用，Wi-Fi一直在努力提供足夠高的速度、低延遲和穩定的連接。盡管人們對實時Wi-Fi的研究已經持續了至少十年，但這項技術并沒有被廣泛采用。也許，實現實時Wi-Fi最成功的是WIA-PA，一個用于過程自動化的中國工業無線通信標準。

　　Wi-Fi工業領域在要求較低的應用中更為典型，如運動傳感器和條形碼掃描儀。機械狀態監測變得非常普遍。對于旋轉機械，加速度計用于監測振動。環境監測也是狀態監測的一個重要方面，經常部署小型溫度、壓力、濕度和氣體濃度傳感器。

　　狀態監測傳感器部署在許多不同的環境中，其中包括工廠和倉庫機械，以及包括卡車、鏟車甚至飛機在內的高價值商業車輛。發電、采礦和鉆井作業中的狀態監測也非常切合Wi-Fi特性。此外，監測交通、污染程度和天氣是部署無線傳感器的更多應用實例。

　　競爭者

　　Wi-Fi并不是工業設備之間實現無線通信的唯一標準。對于短程和低功耗應用，Wi-Fi與藍牙和Zigbee競爭。而對于遠程應用，Wi-Fi競爭的主要技術是蜂窩技術——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，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——低功耗廣域網（LPWA）。

　　結論

　　許多工業設備制造商仍然使用專有的工業無線技術，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在這些領域的不斷改進，工程師們有望看到更多的設備采用這一開放標準。另一方面，5G在無線IIoT應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。