滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

需求的低功耗Wi-Fi

無(wú)線連接解決方案

當(dāng)前的工業(yè)4.0正在改變工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，并創(chuàng)造了數(shù)萬(wàn)億美元的新市場(chǎng)機(jī)會(huì)，其中的節(jié)能制造、供應(yīng)鏈和資產(chǎn)密集型場(chǎng)所，均可以用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）智能解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。用于IIoT連接的低功耗Wi-Fi無(wú)線連接，將在惡劣條件和具有挑戰(zhàn)性的RF（射頻）環(huán)境中，為各種IIoT應(yīng)用提供支持。本文將為您介紹IIoT的應(yīng)用需求與低功耗Wi-Fi無(wú)線連接的特性，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的低功耗Wi-Fi無(wú)線連接解決方案。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的無(wú)線連接

無(wú)線連接技術(shù)為各行各業(yè)都帶來(lái)了重大的變化，像是工業(yè)、建筑自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等行業(yè)，都受益于實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)、自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制所帶來(lái)的益處。IIoT采用無(wú)線技術(shù)得以便利地更深入地了解機(jī)械狀況，也可以消除計(jì)劃外停機(jī)和優(yōu)化吞吐量。

首先，無(wú)線連接可以提供快速的上市時(shí)間和移動(dòng)性，在工業(yè)環(huán)境中擴(kuò)展有線網(wǎng)絡(luò)意味著需要周密的規(guī)劃和繁瑣的硬件安裝。借助無(wú)線技術(shù)，企業(yè)可以更加靈活地部署新設(shè)備，避免設(shè)計(jì)限制，傳感器和邊緣設(shè)備可以更容易地添加到設(shè)施中，而電線則需要在地板下、墻后和天花板上方安裝或布線。

相對(duì)的，設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)省大量成本，因?yàn)橛芯€連接需要電線和勞動(dòng)力成本而顯得更加昂貴。此外，如果一根電線出現(xiàn)故障，修理或更換它的成本可能會(huì)很高。此外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)讓遠(yuǎn)程監(jiān)控和資產(chǎn)管理變得更加容易，工作人員可以避免應(yīng)對(duì)通常需要通過(guò)電線連接的危險(xiǎn)條件，消除電線可提高安全性并提高效率。

Wi-Fi是目前最廣泛使用的無(wú)線協(xié)議，憑借其廣泛的安裝基礎(chǔ)，Wi-Fi成為物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線應(yīng)用的一種引人注目的協(xié)議。Wi-Fi可提供與已建立的基礎(chǔ)設(shè)施的互操作性，這種熟悉感使其易于使用和連接，在許多制造和工業(yè)應(yīng)用都使用Wi-Fi。

另一方面，通過(guò)云進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控仍然是大多數(shù)企業(yè)的首要議題，云服務(wù)可以輕松部署在現(xiàn)有的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，且隨著邊緣人工智能／機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的興起，越來(lái)越多的公司正在轉(zhuǎn)向邊緣計(jì)算，在距離設(shè)備更近的地方運(yùn)行AI/ML算法，以減少延遲并擴(kuò)大處理規(guī)模。通過(guò)將決策制定靠近設(shè)備，它可以為應(yīng)用提供更高的可靠性和更快的響應(yīng)時(shí)間，以采取預(yù)防和預(yù)測(cè)措施，這需要高帶寬來(lái)傳輸大量數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)想要進(jìn)行較大數(shù)據(jù)量傳輸或想要進(jìn)行無(wú)線（OTA）固件更新時(shí)，Wi-Fi是在有限時(shí)間內(nèi)承載大量數(shù)據(jù)的不錯(cuò)選擇。

低功耗Wi-Fi帶來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的附加價(jià)值

工業(yè)應(yīng)用環(huán)境相對(duì)于其他應(yīng)用更為嚴(yán)峻，連接的設(shè)備和傳感器通常放置在偏遠(yuǎn)地區(qū)，這引發(fā)了電池壽命和維護(hù)的后勤問(wèn)題?；A(chǔ)設(shè)施設(shè)備（路由器、手機(jī)、網(wǎng)關(guān)）中使用傳統(tǒng)Wi-Fi并不適合，因?yàn)榈凸脑O(shè)備是這些系統(tǒng)的支柱，而電池壽命至關(guān)重要。

另一方面，低功耗Wi-Fi在傳輸、接收和睡眠模式下提供低功耗，顯著地延長(zhǎng)了所有終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的電池壽命，并為許多任務(wù)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造了巨大的價(jià)值。使用低功耗Wi-Fi變得極為有利，因?yàn)槭褂秒姵?a target="_blank">供電的無(wú)線設(shè)備已成為新型遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的首選設(shè)計(jì)選擇。低功耗Wi-Fi可以與藍(lán)牙／藍(lán)牙低能耗（Bluetooth LE）結(jié)合使用，以擴(kuò)展本地連接和客戶端的功能。

部署低功耗、低成本IIoT應(yīng)用時(shí)，想要采用Wi-Fi時(shí)更需要重視能量消耗。采用電池供電的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要低功耗，而傳統(tǒng)的Wi-Fi則不適合此類(lèi)應(yīng)用。但Wi-Fi具有良好的速度和帶寬，這使其在工業(yè)設(shè)置中使用具有優(yōu)勢(shì)。

另一方面，集成無(wú)線和網(wǎng)絡(luò)堆棧在簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)流程時(shí)非常重要。因此，無(wú)線和網(wǎng)絡(luò)堆棧預(yù)計(jì)將與無(wú)線解決方案集成。此外，采用云連接，并與主要云提供商的完整云連接是一項(xiàng)關(guān)鍵要求，并需確保安全性，在關(guān)鍵任務(wù)操作中，防止在線和物理攻擊的安全是必要的需求。在成本和尺寸限制上，成本和尺寸也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵因素，并且會(huì)根據(jù)用例的不同而有所不同。

低功耗Wi-Fi于IIoT應(yīng)用的行業(yè)／領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，包括資產(chǎn)追蹤器、智能電表、臨床醫(yī)學(xué)、銷(xiāo)售點(diǎn)、車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器、暖通空調(diào)、執(zhí)法記錄儀、電動(dòng)工具、售后遠(yuǎn)程信息處理、數(shù)據(jù)記錄器／無(wú)線傳感器、工業(yè)可穿戴設(shè)備等。

Wi-Fi 6將促進(jìn)IIoT中的無(wú)線采用

當(dāng)今大多數(shù)IIoT設(shè)備都使用2.4 GHz Wi-Fi 4，因?yàn)樗哂械凸摹⒌统杀竞透h(yuǎn)的范圍。但由于通道有限，而且其他幾種協(xié)議（例如藍(lán)牙經(jīng)典、藍(lán)牙低能耗和Zigbee）也使用相同的頻譜，使得頻譜變得越來(lái)越擁擠，這就是Wi-Fi 6發(fā)揮影響力的地方。

大多數(shù)路由器和筆記本電腦已經(jīng)具備Wi-Fi 6功能，具有Wi-Fi 6功能的IIoT終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備正開(kāi)始加速發(fā)展。與上一代相比，Wi-Fi 6相當(dāng)適用于密集環(huán)境中大量共存設(shè)備（OFDMA、MU-MIMO），即使在2.4 GHz頻譜下，也可以在密集環(huán)境中支持許多共存設(shè)備。這使得大量IIoT設(shè)備能夠在2.4 GHz頻譜中共存，而無(wú)需遷移到5 GHz或6 GHz，從而增加成本和功耗，其應(yīng)用包括臨床醫(yī)療、電動(dòng)工具和工業(yè)可穿戴設(shè)備。

此外，通過(guò)目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）可降低功耗，目標(biāo)喚醒時(shí)間是Wi-Fi 6中新引入的功能，使終端設(shè)備能夠在目標(biāo)時(shí)間喚醒并查找數(shù)據(jù)，而不是定期時(shí)間喚醒，這大大降低了功耗，對(duì)于所有電池供電的設(shè)備至關(guān)重要。

由于連接設(shè)備的增加、數(shù)據(jù)需求的增加，以及對(duì)可與多個(gè)設(shè)備互操作的協(xié)議的需求，Wi-Fi將越來(lái)越多地滲透到工業(yè)市場(chǎng)。Silicon Labs現(xiàn)已提供IoT Wi-Fi 4產(chǎn)品，為物聯(lián)網(wǎng)提供集成無(wú)線堆棧、網(wǎng)絡(luò)堆棧、云連接和一流的安全性。接著Silicon Labs并推出IoT Wi-Fi 6產(chǎn)品（包括SoC和模塊），進(jìn)一步滿足IIoT應(yīng)用的需求。

Wi-Fi結(jié)合藍(lán)牙的高度集成解決方案

Silicon Labs推出了多款支持Wi-Fi的芯片，包括SiWx915、SiWx917、RS9116和WF200。SiWx915是適合使用Wi-Fi、藍(lán)牙低能耗、Matter和IP網(wǎng)絡(luò)，面向線路供電或節(jié)能IoT設(shè)備。SiWx917則面向電池供電或?qū)で蟪凸模沂冀K在線云連接的IoT設(shè)備。RS9116則提供全面的多協(xié)議超低功耗解決方案，包括Wi-Fi 4和雙模藍(lán)牙5。WF200則是適用于安全、低功耗物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi應(yīng)用的理想Wi-Fi收發(fā)器。

SiWx915是Wi-Fi 6加藍(lán)牙低能耗5.4無(wú)線SoC，具有藍(lán)牙低能耗的Wi-Fi 6 SoC，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和最佳安全性（WPA3、PSA 2級(jí)），具有高達(dá)8 MB閃存并集成ARM Cortex-M4和FPU，適用于多種應(yīng)用和支持Matter協(xié)議。

SiWx915 SoC包括Wi-Fi 6加藍(lán)牙低能耗無(wú)線CPU子系統(tǒng)、集成微控制器（MCU）應(yīng)用子系統(tǒng)、安全、內(nèi)存、外設(shè)子系統(tǒng)，全部集成在單個(gè)6x6 mm QFN封裝中。無(wú)線子系統(tǒng)由運(yùn)行頻率高達(dá)160 MHz的多線程處理器（ThreadArch）、基帶數(shù)字信號(hào)處理、模擬前端、2.4 GHz RF收發(fā)器和集成功率放大器組成。

Silicon Labs SiWx917則是Wi-Fi 6加藍(lán)牙低能耗5.4無(wú)線SoC，適用于基于電池的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，集成AI/ML加速器、帶FPU的ARM Cortex-M4、最佳安全性（WPA3、PSA 2級(jí)）、PSRAM、高達(dá)8MB閃存和支持Matter協(xié)議。

SiWx917 SoC是功耗最低的Wi-Fi 6 SoC，非常適合使用Wi-Fi、藍(lán)牙、Matter和IP網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)安全云連接的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線設(shè)備，它非常適合開(kāi)發(fā)需要長(zhǎng)電池壽命的電池供電設(shè)備。SiWx917 SoC包括超低功耗Wi-Fi 6加藍(lán)牙低能耗5.4無(wú)線CPU子系統(tǒng)、集成微控制器（MCU）應(yīng)用子系統(tǒng)、安全性、外設(shè)和電源管理子系統(tǒng)，全部集成在單個(gè)7x7 mm QFN封裝中。

為加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，Silicon Labs推出SiWx917 Wi-Fi 6結(jié)合藍(lán)牙低能耗5.4專(zhuān)業(yè)套件，SiWx917專(zhuān)業(yè)套件旨在支持基于SiWx917超低功耗SoC的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

另一款Silicon Labs RS9116 Wi-Fi NCP SoC，是提供全面的多協(xié)議超低功耗解決方案，包括支持Wi-Fi 4和雙模藍(lán)牙5，當(dāng)與作為主機(jī)的EFR32MG24結(jié)合時(shí)，RS9116 NCP還支持Matter協(xié)議。

RS9116的RS9116 QMS單頻段無(wú)線SoC提供全面的多協(xié)議無(wú)線連接解決方案，包括802.11 b/g/n（2.4 GHz）、雙模藍(lán)牙5。無(wú)線SoC提供高吞吐量、擴(kuò)展范圍和功率優(yōu)化表現(xiàn)，無(wú)線SoC已通過(guò)FCC、IC和ETSI/CE認(rèn)證。

Silicon Labs也推出RS9116X EVK1 Wi-Fi結(jié)合藍(lán)牙開(kāi)發(fā)套件，RS9116單頻段評(píng)估板通過(guò)提供全面的多協(xié)議無(wú)線連接解決方案（包括802.11 b/g/n (2.4 GHz)、雙模藍(lán)牙 5），來(lái)支持RS9116系列SoC和模塊。

WF200系列2 Wi-Fi收發(fā)器IC則適用于安全、低功耗物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi應(yīng)用，是一款經(jīng)過(guò)Wi-Fi 4預(yù)認(rèn)證的SiP，具有低傳輸和接收功率，與EFR32MG24配合使用，WF200還支持Matter協(xié)議。該收發(fā)器支持2.4 GHz 802.11b/g/n無(wú)線電（MAC和PHY層），針對(duì)擁擠射頻環(huán)境中的低功耗和最佳射頻性能進(jìn)行了優(yōu)化，支持基于Linux和RTOS主機(jī)，以提供完整的Wi-Fi解決方案。WF200提供高速SPI和SDIO主機(jī)接口，具有靈活性和高吞吐量，主機(jī)和收發(fā)器之間的可選安全鏈路接口增強(qiáng)了安全性。WF200的封裝尺寸小至4x4 mm，關(guān)聯(lián)DTIM3，電流小于298 μA。

WF200 Wi-Fi擴(kuò)展套件――SLEXP8022A，包括一個(gè)內(nèi)置Raspberry Pi連接器（可立即開(kāi)始Linux開(kāi)發(fā)）和一個(gè)EXP連接器（可在Silicon Labs的MCU和無(wú)線MCU上進(jìn)行開(kāi)發(fā)）。

結(jié)語(yǔ)

用于IIoT連接的低功耗Wi-Fi無(wú)線連接正在推動(dòng)第四次工業(yè)革命，IIoT智能解決方案可以消除計(jì)劃外停機(jī)、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)流程，并最大限度地提高產(chǎn)量，市場(chǎng)發(fā)展空間極為可觀。Silicon Labs的低功耗Wi-Fi解決方案，結(jié)合了藍(lán)牙協(xié)議與安全功能，可以滿足IIoT無(wú)線連接應(yīng)用的要求，將是您開(kāi)發(fā)IIoT設(shè)備的理想選擇。

審核編輯：湯梓紅