为什么Wi-Fi HaLow将革新工业流程控制

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Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah)作为一种新的无线技术标准,将真正实现工厂、生产或仓库中的工业物联网化(IIoT: Industrial Internet of Things)。通过Wi-Fi HaLow,数千个电池供电的传感器`和执行器可以安全地连接到单个接入点(AP)。这些连接被设计为远距离、低功率,它将改变我们所知道的物联网。

多年以来,物联网技术被工业企业广泛利用,其应用极大地提高了生产率,商品和加工材料的质量。增加与分析工具交互的传感器或控件的部署密度,可提供更多反馈,并提高工厂的可预测性。监测资本设备的健康和效率,可改善这些资产的管理。

然而,物联网技术在工业中的部署,受到当今可用的连接技术的实际情况和成本限制。这,即将被改变。Wi-Fi HaLow独特的安全、远距离、低功耗和高度优化的无线连接组合,极大地提升了工序自动化功能的管理效率。
分布式控制系统(DCS:Distributed Control Systems)和可编程逻辑控制器(PLC: Programmable Logic Controllers)通常安装在工厂的边缘 —— 通常采用接线连接。与无线系统不同的是,使用像IEEE 802.3以太网这样的局域网(LAN: Local Area Network)连接,一般用来确保数据的安全性和及时性。在特定的应用中,IEEE 802.11无线LAN将作为桥接手段将局域网连接到带电源的终端。这种应用场景下,Wi-Fi AP之间的距离通常很短——在100米内。

在没有新的低功耗、远距离Wi-Fi HaLow的情况下,工业物联网无线解决方案供应商一直在苦苦挣扎。如今,许多网络部署都是复杂的网状网络,源自IEEE 802.15.4无线电平台,如蓝牙或Zigbee。这些解决方案被称为个人区域网络(PANs: Personal Area Networks),应用于个人穿戴产品、或是短程产品,如耳机和灯泡。但是,如果将这些PAN标准扩展到全面的局域网支持中,需要在各方面做出重大的让步。基于这些2.4GHz无线设备构建的网状网络,通常具有不完整的介质访问控制(MAC: Media Access Control)架构,因此会出现严重的拥塞或延迟。当节点计数和中继跳数增加时,这些问题会变得越来越严重。像蓝牙这样宣传自己有32,000个可寻址节点的技术,或Zigbee吹捧自己的65,000个节点,实际上,在大型网格环境中的容量非常低。

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请在这里,全面比较HaLow的网络容量与其他解决方案

此外,个人区域网络技术的使用要求额外的协议网关或集线器层,将数据转换为L3数据包,以便通过因特网(Internet)进行连接。
Wi-Fi HaLow从一开始就被设计为IP可寻址、高容量和远距离,这使其成为适合工业流程和控制功能的无线局域网技术。为什么?

       HaLow包括完整的介质访问控制功能、更高的数据带宽和更健全的身份验证/加密安全协议。最重要的是,它只需较低的功率就能达到更远的距离,并提供现成的L3功能。该标准支持每个接入点上挂载8191个节点,采用星型网络拓扑结构,可确保低网络拥塞和低延迟。Morse Micro的Wi-Fi HaLow芯片将重点放在四个方面:距离、功率、频谱使用效率和安全性。为了介绍更多细节,将分别探讨每一种特性。


正确的架构

距离和功率:

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IEEE 802.11ah或Wi-Fi HaLow专门用于解决传统Wi-Fi遗漏的问题。 HaLow较低的亚千兆赫兹(sub-GHz)频率和较窄频段射频(RF)信道,在相同的发射功率水平下,提供10倍于2.4GHz Wi-Fi的覆盖范围。 一个HaLow接入点与一个传统Wi-Fi接入点相比,可以覆盖100倍的面积和1000倍的容量。它还提供了超低功耗模式,因此纽扣电池供电的解决方案可以运行多年。如果与热能或振动能量收集(EH: Energy Harvesting)解决方案配合使用,可以被无限期地使用。

这意味着什么呢?举几个例子,燃气表和流量计可被部署在没有电源或可编程逻辑控制器(PLC:Programmable Logic Controllers)可编程逻辑控制器)附近的困难位置,振动监控器可部署在危险的位置,监听泵轴承的声音,以预测维护情况。通过HaLow,在工厂可以设计更多所需的网络连接,这些连接随着时间的推移更容易被添加、移动和更改。

免许可频谱中的抗噪声性:

Wi-Fi HaLow在全球免许可工业科学和医学(ISM:Industrial Science and Medicine)无线电频段运营,频率低于1GHz。世界各地的可用频率范围各不相同:美国的可用频率为902MHz至928MHz,欧洲的可用频率为863MHz至868MHz,中国的可用频率为775MHz至787MHz。

在ISM频段内,Wi-Fi HaLow可以使用各种信道带宽:1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。 其中的原则是:带宽越窄,信号传播越远。

       使用OFDM调制,数据以数据包的形式通过多个子信道传输。 这提高了在强干扰的射频(RF:Radio Frequency)环境中的性能。前向纠错(FEC:Forward Error Correction)编码为恢复数据包提供了额外的保护,确保了连接的稳定性。 Morse Micro的高选择性滤波器和超高线性的无线电前端,确保即使在信道外干扰、密集部署中,也能提供卓越的接收器性能。该体系结构使用单芯片解决方案,适用于全球所有地区。

       对于适用于工业物联网的无线技术,可靠的连接与安全的数据传输同样重要。

安全性:

       保护关于控制工厂运营的数据包,是最令人关注的问题。 Wi-Fi HaLow产品已通过新WPA3标准的测试和认证——符合最高安全标准。这为连接到AP设备的认证和通过无线电波对数据进行强加密提供了基础。HaLow与最新一代Wi-Fi一样安全。 此外,Morse Micro还在每个芯片上添加了独特的不可克隆指纹技术。这样,可以使用诸如传输层安全性协议(TLS:Transport Layer Security)之类的协议,来支持到企业或云中的可信平台的安全引导和签名/加密数据传输。额外的主机应用程序处理器则可以为客户的专有解决方案提供服务。

       这些功能可有效防御黑客攻击,以保护有价值的数据或防止恶意控制信号入侵终端设备。

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       Morse Micro赞同持续保持警惕的概念,在产品的整个生命周期中,为IoT应用实践最佳安全性。 如果需要,产品可使用我们的HaLow产品以及微代码中的新功能改进来实现固件的无线更新(OTA:Over-the-Air)。好处是什么? Morse Micro的IoT解决方案始终保持超高的安全性,并且符合最高的安全标准。  

       由于Wi-Fi HaLow允许快速的固件更新并具有这样的数据速率,因此可以持续更新以确保其安全性——这与低数据速率技术不同。

       大型802.15.4网状网络面临拥塞问题,这些拥塞问题限制了其吞吐量,从而阻碍了固件更新的交付。更重要的是,这样的拥塞会延长已完成任务的确认返回主机的延迟时间。在工业环境中,固件更新只能容忍最有限的停机时间,HaLow作为更快、更可靠的OTA和安全性解决方案,具有很大优势。

       Morse Micro的Wi-Fi HaLow IC符合IEEE 802.11ah国际标准,与专有的PAN技术相比具有内置优势。HaLow将改善工业IoT产品的低延迟,并增进安全的互联网连接。通过Morse Micro的Wi-Fi HaLow IC实现的新型执行器和传感器,将为工厂的运营和控制,提供独特的见解。

       对Morse Micro 芯片如何应用于您的设备感兴趣? 寻找一个更好的工业IoT解决方案? 请于这里直接联系我们

Kevin Daly