滿足工業(yè)物聯(lián)網應用需求的低功耗Wi-Fi無線連接解決方案

當前的工業(yè)4.0正在改變工業(yè)領域的發(fā)展，并創(chuàng)造了數萬億美元的新市場機會，其中的節(jié)能制造、供應鏈和資產密集型場所，均可以用工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）智能解決方案來實現(xiàn)。用于IIoT連接的低功耗Wi-Fi無線連接，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應用提供支持。本文將為您介紹IIoT的應用需求與低功耗Wi-Fi無線連接的特性，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的低功耗Wi-Fi無線連接解決方案。

工業(yè)物聯(lián)網設備和系統(tǒng)的無線連接

無線連接技術為各行各業(yè)都帶來了重大的變化，像是工業(yè)、建筑自動化、農業(yè)、醫(yī)療保健等行業(yè)，都受益于實時傳感數據、自動化和遠程控制所帶來的益處。IIoT采用無線技術得以便利地更深入地了解機械狀況，也可以消除計劃外停機和優(yōu)化吞吐量。

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

相對的，設置無線網絡可以節(jié)省大量成本，因為有線連接需要電線和勞動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很高。此外，無線網絡讓遠程監(jiān)控和資產管理變得更加容易，工作人員可以避免應對通常需要通過電線連接的危險條件，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線協(xié)議，憑借其廣泛的安裝基礎，Wi-Fi成為物聯(lián)網無線應用的一種引人注目的協(xié)議。Wi-Fi可提供與已建立的基礎設施的互操作性，這種熟悉感使其易于使用和連接，在許多制造和工業(yè)應用都使用Wi-Fi。

另一方面，通過云進行遠程監(jiān)控仍然是大多數企業(yè)的首要議題，云服務可以輕松部署在現(xiàn)有的Wi-Fi網絡中，且隨著邊緣人工智能／機器學習技術的興起，越來越多的公司正在轉向邊緣計算，在距離設備更近的地方運行AI/ML算法，以減少延遲并擴大處理規(guī)模。通過將決策制定靠近設備，它可以為應用提供更高的可靠性和更快的響應時間，以采取預防和預測措施，這需要高帶寬來傳輸大量數據。此外，當想要進行較大數據量傳輸或想要進行無線（OTA）固件更新時，Wi-Fi是在有限時間內承載大量數據的不錯選擇。

低功耗Wi-Fi帶來工業(yè)物聯(lián)網的附加價值

工業(yè)應用環(huán)境相對于其他應用更為嚴峻，連接的設備和傳感器通常放置在偏遠地區(qū)，這引發(fā)了電池壽命和維護的后勤問題?；A設施設備（路由器、手機、網關）中使用傳統(tǒng)Wi-Fi并不適合，因為低功耗設備是這些系統(tǒng)的支柱，而電池壽命至關重要。

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，顯著地延長了所有終端節(jié)點設備的電池壽命，并為許多任務業(yè)應用創(chuàng)造了巨大的價值。使用低功耗Wi-Fi變得極為有利，因為使用電池供電的無線設備已成為新型遠程監(jiān)控應用的首選設計選擇。低功耗Wi-Fi可以與藍牙／藍牙低能耗（Bluetooth LE）結合使用，以擴展本地連接和客戶端的功能。

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

另一方面，集成無線和網絡堆棧在簡化物聯(lián)網開發(fā)流程時非常重要。因此，無線和網絡堆棧預計將與無線解決方案集成。此外，采用云連接，并與主要云提供商的完整云連接是一項關鍵要求，并需確保安全性，在關鍵任務操作中，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)網的關鍵因素，并且會根據用例的不同而有所不同。

低功耗Wi-Fi于IIoT應用的行業(yè)／領域相當廣泛，包括資產追蹤器、智能電表、臨床醫(yī)學、銷售點、車庫門開啟器、暖通空調、執(zhí)法記錄儀、電動工具、售后遠程信息處理、數據記錄器／無線傳感器、工業(yè)可穿戴設備等。

Wi-Fi 6將促進IIoT中的無線采用

當今大多數IIoT設備都使用2.4 GHz Wi-Fi 4，因為它具有低功耗、低成本和更遠的范圍。但由于通道有限，而且其他幾種協(xié)議（例如藍牙經典、藍牙低能耗和Zigbee）也使用相同的頻譜，使得頻譜變得越來越擁擠，這就是Wi-Fi 6發(fā)揮影響力的地方。

大多數路由器和筆記本電腦已經具備Wi-Fi 6功能，具有Wi-Fi 6功能的IIoT終端節(jié)點設備正開始加速發(fā)展。與上一代相比，Wi-Fi 6相當適用于密集環(huán)境中大量共存設備（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備。這使得大量IIoT設備能夠在2.4 GHz頻譜中共存，而無需遷移到5 GHz或6 GHz，從而增加成本和功耗，其應用包括臨床醫(yī)療、電動工具和工業(yè)可穿戴設備。

此外，通過目標喚醒時間（TWT）可降低功耗，目標喚醒時間是Wi-Fi 6中新引入的功能，使終端設備能夠在目標時間喚醒并查找數據，而不是定期時間喚醒，這大大降低了功耗，對于所有電池供電的設備至關重要。

由于連接設備的增加、數據需求的增加，以及對可與多個設備互操作的協(xié)議的需求，Wi-Fi將越來越多地滲透到工業(yè)市場。Silicon Labs現(xiàn)已提供IoT Wi-Fi 4產品，為物聯(lián)網提供集成無線堆棧、網絡堆棧、云連接和一流的安全性。接著Silicon Labs并推出IoT Wi-Fi 6產品（包括SoC和模塊），進一步滿足IIoT應用的需求。

Wi-Fi結合藍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?、藍牙低能耗、Matter和IP網絡，面向線路供電或節(jié)能IoT設備。SiWx917則面向電池供電或尋求超低功耗，且始終在線云連接的IoT設備。RS9116則提供全面的多協(xié)議超低功耗解決方案，包括Wi-Fi 4和雙模藍牙5。WF200則是適用于安全、低功耗物聯(lián)網Wi-Fi應用的理想Wi-Fi收發(fā)器。

SiWx915是Wi-Fi 6加藍牙低能耗5.4無線SoC，具有藍牙低能耗的Wi-Fi 6 SoC，可實現(xiàn)節(jié)能物聯(lián)網設備和最佳安全性（WPA3、PSA 2級），具有高達8 MB閃存并集成ARM? Cortex?-M4和FPU，適用于多種應用和支持Matter協(xié)議。

SiWx915 SoC包括Wi-Fi 6加藍牙低能耗無線CPU子系統(tǒng)、集成微控制器（MCU）應用子系統(tǒng)、安全、內存、外設子系統(tǒng)，全部集成在單個6x6 mm QFN封裝中。無線子系統(tǒng)由運行頻率高達160 MHz的多線程處理器（ThreadArch?）、基帶數字信號處理、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加藍牙低能耗5.4無線SoC，適用于基于電池的物聯(lián)網設備，集成AI/ML加速器、帶FPU的ARM? Cortex?-M4、最佳安全性（WPA3、PSA 2級）、PSRAM、高達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?、藍牙、Matter和IP網絡，以實現(xiàn)安全云連接的超低功耗物聯(lián)網無線設備，它非常適合開發(fā)需要長電池壽命的電池供電設備。SiWx917 SoC包括超低功耗Wi-Fi 6加藍牙低能耗5.4無線CPU子系統(tǒng)、集成微控制器（MCU）應用子系統(tǒng)、安全性、外設和電源管理子系統(tǒng)，全部集成在單個7x7 mm QFN封裝中。

為加快產品開發(fā)速度，Silicon Labs推出SiWx917 Wi-Fi 6結合藍牙低能耗5.4專業(yè)套件，SiWx917專業(yè)套件旨在支持基于SiWx917超低功耗SoC的無線物聯(lián)網設備的開發(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和雙模藍牙5，當與作為主機的EFR32MG24結合時，RS9116 NCP還支持Matter協(xié)議。

RS9116的RS9116 QMS單頻段無線SoC提供全面的多協(xié)議無線連接解決方案，包括802.11 b/g/n（2.4 GHz）、雙模藍牙5。無線SoC提供高吞吐量、擴展范圍和功率優(yōu)化表現(xiàn)，無線SoC已通過FCC、IC和ETSI/CE認證。

Silicon Labs也推出RS9116X EVK1 Wi-Fi結合藍牙開發(fā)套件，RS9116單頻段評估板通過提供全面的多協(xié)議無線連接解決方案（包括802.11 b/g/n (2.4 GHz)、雙模藍牙? 5），來支持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Wi-Fi應用，是一款經過Wi-Fi 4預認證的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無線電（MAC和PHY層），針對擁擠射頻環(huán)境中的低功耗和最佳射頻性能進行了優(yōu)化，支持基于Linux和RTOS主機，以提供完整的Wi-Fi解決方案。WF200提供高速SPI和SDIO主機接口，具有靈活性和高吞吐量，主機和收發(fā)器之間的可選安全鏈路接口增強了安全性。WF200的封裝尺寸小至4x4 mm，關聯(lián)DTIM3，電流小于298 μA。

WF200 Wi-Fi擴展套件――SLEXP8022A，包括一個內置Raspberry Pi連接器（可立即開始Linux開發(fā)）和一個EXP連接器（可在Silicon Labs的MCU和無線MCU上進行開發(fā)）。

結語

用于IIoT連接的低功耗Wi-Fi無線連接正在推動第四次工業(yè)革命，IIoT智能解決方案可以消除計劃外停機、優(yōu)化運營流程，并最大限度地提高產量，市場發(fā)展空間極為可觀。Silicon Labs的低功耗Wi-Fi解決方案，結合了藍牙協(xié)議與安全功能，可以滿足IIoT無線連接應用的要求，將是您開發(fā)IIoT設備的理想選擇。