物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的部署，受到現(xiàn)有連接技術(shù)在實(shí)用性和成本方面的限制，這一情況即將發(fā)生改變。Wi-Fi HaLow具有獨(dú)特的安全、遠(yuǎn)距離、低功耗和高度的無(wú)線連接性能等優(yōu)勢(shì)，能夠大幅地升級(jí)工業(yè)程序自動(dòng)化的各項(xiàng)功能。
新的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11ah）將真正實(shí)現(xiàn)工廠、生產(chǎn)及倉(cāng)庫(kù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化（Industrial Internet of Thing；IIoT）。通過(guò)Wi-Fi HaLow產(chǎn)品，數(shù)千個(gè)由電池供電的感測(cè)器和執(zhí)行器可以安全地連接到單個(gè)存取點(diǎn)（AP），這些連接的特性為遠(yuǎn)距離和低功耗，它們將改變我們所熟悉的物聯(lián)網(wǎng)。
多年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛地受到工業(yè)領(lǐng)域企業(yè)的采用，大幅提高生產(chǎn)率以及商品和加工材料的品質(zhì)。與分析工具交互操作的感測(cè)器或控制項(xiàng)的部署密度增加，為工廠提供了更多回??及可預(yù)測(cè)性。監(jiān)測(cè)資本設(shè)備的狀況和效率，能改善這些資產(chǎn)的管理。然而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的部署，受到現(xiàn)有連接技術(shù)在實(shí)用性和成本方面的限制，這一情況即將發(fā)生改變。
Wi-Fi HaLow獨(dú)特的安全、遠(yuǎn)距離、低功耗和高度的無(wú)線連接性能等一系列優(yōu)勢(shì)，大幅地升級(jí)了工業(yè)程序自動(dòng)化的各項(xiàng)功能。分散式控制系統(tǒng)（Distributed Control System；DCS）和可編程設(shè)計(jì)邏輯控制器（Programmable Logic Controller；PLC）通常通過(guò)硬線連接安裝在工廠的邊緣。當(dāng)使用像IEEE 802.3乙太網(wǎng)這樣的局部區(qū)域網(wǎng)路（Local Area Network；LAN）連接，可確保資料的安全性和時(shí)效性，這點(diǎn)跟無(wú)線系統(tǒng)有所不同。
在特定應(yīng)用中，IEEE 802.11無(wú)線區(qū)域網(wǎng)路（WLAN）解決方案是將LAN連接到帶有線性電源的終端裝置上，而且與Wi-Fi AP間的通訊距離通常很短約在100公尺之內(nèi)。
在遠(yuǎn)距離、低功耗的Wi-Fi HaLow出現(xiàn)之前，提供工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線解決方案的供應(yīng)商一直在苦苦掙扎。如今，許多網(wǎng)路部署都是源自IEEE 802.15.4無(wú)線電平臺(tái)復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)路，例如藍(lán)牙或Zigbee。這些解決方案被稱為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)路（Personal Area Network；PAN），應(yīng)用於個(gè)人穿戴式或是短距離通訊產(chǎn)品，例如耳機(jī)和燈泡。但是，如果將這些PAN標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到全面性的LAN支援中，則需要在各方面做出重大讓步。
基於這些2.4GHz無(wú)線設(shè)備所建置的網(wǎng)狀網(wǎng)路，通常存在著不完整的媒體存取控制（Media Access Control；MAC）架構(gòu)，因此會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞或延遲問(wèn)題。當(dāng)節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)和中繼跳數(shù)增加時(shí)，這些問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)。例如藍(lán)牙這種宣稱具有32,000個(gè)可定址節(jié)點(diǎn)、或是Zigbee顯示能支援65,000個(gè)節(jié)點(diǎn)的技術(shù)，實(shí)際上，它們?cè)诖笮途W(wǎng)格環(huán)境中容量反而非常低。此外，PAN技術(shù)的使用會(huì)要求附加層的協(xié)議閘道或集線器將資料轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)3資料封包，以通過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)路進(jìn)行連接。
Wi-Fi HaLow從一開始就被設(shè)計(jì)為IP可定址、大容量和遠(yuǎn)距離，使其成為具備工業(yè)程序控制功能的WLAN技術(shù)。為何會(huì)這樣說(shuō)呢？HaLow包括完整的MAC性能、更高的資料頻寬和更健全的身份驗(yàn)證與加密安全協(xié)議。
| 圖1 : Wi-Fi HaLow的IP可定址、大容量和遠(yuǎn)距離等特色，讓它成為具備工業(yè)程序控制功能的WLAN技術(shù)。（source：Microcontroller Tips） |
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最重要的是，它只要較低的功率就能達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，并提供現(xiàn)成的L3性能。該標(biāo)準(zhǔn)支援每個(gè)存取點(diǎn)上掛載8191個(gè)節(jié)點(diǎn)，并采用星狀網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以確保低網(wǎng)路擁塞和低延遲。為了實(shí)現(xiàn)此一目標(biāo)，摩爾斯微電子（Morse Micro）的Wi-Fi HaLow晶片解決方案致力於四個(gè)方向：距離、功率、頻譜效率和安全性，以下將分別探討其不同的特性。
距離和功率
IEEE 802.11ah或Wi-Fi HaLow專門用於解決傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)留下的問(wèn)題。HaLow的運(yùn)作頻段是使用1GHz以下頻段和較窄的射頻（RF）頻道，在相同的發(fā)射功率水準(zhǔn)下，提供10倍遠(yuǎn)於2.4GHz Wi-Fi的距離。
與傳統(tǒng)Wi-Fi存取點(diǎn)相比，HaLow AP可以讓連接達(dá)到傳統(tǒng)Wi-Fi 100倍廣的面積和1000倍大的容量。此外，由於它具備超低功耗模式，電池供電方案方面可以使用鈕扣電池運(yùn)行多年。如果搭配熱能或振動(dòng)能量采集（Energy Harvesting；EH）解決方案，感測(cè)器的使用壽命甚至可以達(dá)到無(wú)期限。
這就意味著燃?xì)獗砗土髁坑?jì)可被部署在附近沒(méi)有電源或可編程設(shè)計(jì)邏輯控制器（PLC）的困難位置，例如振動(dòng)監(jiān)控器可部署在危險(xiǎn)的位置，監(jiān)聽泵軸承的聲音以預(yù)測(cè)維護(hù)情況，并提高工作人員的安全性，降低勞動(dòng)力成本，而且低功耗應(yīng)用可快速抵消感測(cè)器技術(shù)的費(fèi)用。
通過(guò)HaLow裝置，制造和加工工廠可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)更多的網(wǎng)路連接，而且隨著時(shí)間的推移，這些連接更易於添加、移動(dòng)和更改。
免執(zhí)照頻譜中的抗雜訊性
Wi-Fi HaLow使用的是1GHz以下全球免執(zhí)照的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療（Industrial Science and Medicine；ISM）無(wú)線電頻段。世界各地的可用頻段范圍有所不同：美國(guó)地區(qū)為902MHz至928MHz，歐洲地區(qū)為863MHz至868MHz，中國(guó)地區(qū)為775MHz至787MHz。
在ISM頻段內(nèi)，Wi-Fi HaLow可以選用的通道頻寬為：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。原則在於頻寬越窄，訊號(hào)傳播就越遠(yuǎn)。使用正交分頻多工（OFDM）調(diào)變，資料以資料封包的形式通過(guò)多個(gè)子通道傳輸，如此提升了在強(qiáng)干擾射頻環(huán)境中的性能，尤其是有來(lái)自其他無(wú)線電裝置的干擾發(fā)生時(shí)。前向錯(cuò)誤更正（Forward Error Correction；FEC）編碼為恢復(fù)資料封包提供了額外的保護(hù)，確保了穩(wěn)健的連接。
摩爾斯微電子的高選擇性濾波器和超高線性的無(wú)線電前端，確保即使在密集分布的通道外干擾中，也能具有卓越的接收性能。該體系結(jié)構(gòu)使用單晶片硬體解決方案，適用於全球所有地區(qū)。
對(duì)於適用於工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線技術(shù)，可靠的連接與安全的資料傳輸同樣重要。
安全性
對(duì)控制工廠營(yíng)運(yùn)的資料封包的保護(hù)是最令人關(guān)注的問(wèn)題。Wi-Fi HaLow產(chǎn)品已通過(guò)最新WPA3標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試和認(rèn)證，因此符合最高安全標(biāo)準(zhǔn)，這點(diǎn)為連接到AP設(shè)備的認(rèn)證以及通過(guò)無(wú)線電波對(duì)資料進(jìn)行增強(qiáng)式加密提供了基礎(chǔ)。HaLow與最新一代Wi-Fi技術(shù)同樣安全。
此外，摩爾斯微電子在每個(gè)晶片上添加獨(dú)特的不可復(fù)制指紋技術(shù)。如此一來(lái)，通過(guò)例如傳輸層安全（Transport Layer Security；TLS）協(xié)定，可支援將安全引導(dǎo)和簽名與加密資料傳輸?shù)狡髽I(yè)或云端中的可信平臺(tái)。主機(jī)應(yīng)用程式處理器功能則可以為客戶提供專有解決方案服務(wù)。
這些功能可有效防御駭客攻擊，保護(hù)有價(jià)值的資料或防止通過(guò)入侵終端設(shè)備而惡意控制訊號(hào)。
| 圖2 : 對(duì)於適用於工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線技術(shù)，必須有效防御駭客攻擊，保護(hù)有價(jià)值的資料。（source：Siemon） |
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在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，透過(guò)可定制持續(xù)警戒功能實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的最隹安全性。此外，還可以使用HaLow產(chǎn)品連同微程式碼中的新功能改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)韌體的無(wú)線更新（Over-the-Air；OTA）功能。它的優(yōu)勢(shì)在於讓物聯(lián)網(wǎng)解決方案始終保持安全性，并符合最高的安全標(biāo)準(zhǔn)。
由於Wi-Fi HaLow允許快速韌體更新并具有支援這一性能的資料速率，因此可以持續(xù)更新以確保其安全性這點(diǎn)與低資料速率技術(shù)不同。
大型802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)路面臨擁塞問(wèn)題，這些擁塞問(wèn)題限制了輸送量，從而阻礙了韌體的更新。更大的影響是，這樣的擁塞會(huì)延長(zhǎng)已完成任務(wù)返回主機(jī)的確認(rèn)時(shí)間。在工業(yè)環(huán)境中，韌體更新只允許最有限的停機(jī)時(shí)間，HaLow能提供更快速且更可靠的OTA和安全性解決方案，因而擁有極大的優(yōu)勢(shì)。
摩爾斯微電子的Wi-Fi HaLow IC符合IEEE 802.11ah技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與專有的PAN技術(shù)相比具有內(nèi)置優(yōu)勢(shì)。HaLow將改善工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的低延遲特性，并增進(jìn)安全的網(wǎng)際網(wǎng)路連接，而經(jīng)由Wi-Fi HaLow IC的新型執(zhí)行器和感測(cè)器，將能夠?qū)S的營(yíng)運(yùn)和控制產(chǎn)生全新的了解。
