满足工业物联网应用需求的低功耗Wi-Fi无线连接解决方案

【导读】当前的工业4.0正在改变工业领域的发展，并创造了数万亿美元的新市场机会，其中的节能制造、供应链和资产密集型场所，均可以用工业物联网（IIoT）智能解决方案来实现。用于IIoT连接的低功耗Wi-Fi无线连接，将在恶劣条件和具有挑战性的RF（射频）环境中，为各种IIoT应用提供支持。本文将为您介绍IIoT的应用需求与低功耗Wi-Fi无线连接的特性，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的低功耗Wi-Fi无线连接解决方案。

当前的工业4.0正在改变工业领域的发展，并创造了数万亿美元的新市场机会，其中的节能制造、供应链和资产密集型场所，均可以用工业物联网（IIoT）智能解决方案来实现。用于IIoT连接的低功耗Wi-Fi无线连接，将在恶劣条件和具有挑战性的RF（射频）环境中，为各种IIoT应用提供支持。本文将为您介绍IIoT的应用需求与低功耗Wi-Fi无线连接的特性，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的低功耗Wi-Fi无线连接解决方案。

工业物联网设备和系统的无线连接

无线连接技术为各行各业都带来了重大的变化，像是工业、建筑自动化、农业、医疗保健等行业，都受益于实时传感数据、自动化和远程控制所带来的益处。IIoT采用无线技术得以便利地更深入地了解机械状况，也可以消除计划外停机和优化吞吐量。

首先，无线连接可以提供快速的上市时间和移动性，在工业环境中扩展有线网络意味着需要周密的规划和繁琐的硬件安装。借助无线技术，企业可以更加灵活地部署新设备，避免设计限制，传感器和边缘设备可以更容易地添加到设施中，而电线则需要在地板下、墙后和天花板上方安装或布线。

相对的，设置无线网络可以节省大量成本，因为有线连接需要电线和劳动力成本而显得更加昂贵。此外，如果一根电线出现故障，修理或更换它的成本可能会很高。此外，无线网络让远程监控和资产管理变得更加容易，工作人员可以避免应对通常需要通过电线连接的危险条件，消除电线可提高安全性并提高效率。

Wi-Fi是目前最广泛使用的无线协议，凭借其广泛的安装基础，Wi-Fi成为物联网无线应用的一种引人注目的协议。Wi-Fi可提供与已建立的基础设施的互操作性，这种熟悉感使其易于使用和连接，在许多制造和工业应用都使用Wi-Fi。

另一方面，通过云进行远程监控仍然是大多数企业的首要议题，云服务可以轻松部署在现有的Wi-Fi网络中，且随着边缘人工智能／机器学习技术的兴起，越来越多的公司正在转向边缘计算，在距离设备更近的地方运行AI/ML算法，以减少延迟并扩大处理规模。通过将决策制定靠近设备，它可以为应用提供更高的可靠性和更快的响应时间，以采取预防和预测措施，这需要高带宽来传输大量数据。此外，当想要进行较大数据量传输或想要进行无线（OTA）固件更新时，Wi-Fi是在有限时间内承载大量数据的不错选择。

低功耗Wi-Fi带来工业物联网的附加价值

工业应用环境相对于其他应用更为严峻，连接的设备和传感器通常放置在偏远地区，这引发了电池寿命和维护的后勤问题。基础设施设备（路由器、手机、网关）中使用传统Wi-Fi并不适合，因为低功耗设备是这些系统的支柱，而电池寿命至关重要。

另一方面，低功耗Wi-Fi在传输、接收和睡眠模式下提供低功耗，显着地延长了所有终端节点设备的电池寿命，并为许多任务业应用创造了巨大的价值。使用低功耗Wi-Fi变得极为有利，因为使用电池供电的无线设备已成为新型远程监控应用的首选设计选择。低功耗Wi-Fi可以与蓝牙／蓝牙低能耗（Bluetooth LE）结合使用，以扩展本地连接和客户端的功能。

部署低功耗、低成本IIoT应用时，想要采用Wi-Fi时更需要重视能量消耗。采用电池供电的终端节点设备需要低功耗，而传统的Wi-Fi则不适合此类应用。但Wi-Fi具有良好的速度和带宽，这使其在工业设置中使用具有优势。

另一方面，集成无线和网络堆栈在简化物联网开发流程时非常重要。因此，无线和网络堆栈预计将与无线解决方案集成。此外，采用云连接，并与主要云提供商的完整云连接是一项关键要求，并需确保安全性，在关键任务操作中，防止在线和物理攻击的安全是必要的需求。在成本和尺寸限制上，成本和尺寸也是物联网的关键因素，并且会根据用例的不同而有所不同。

低功耗Wi-Fi于IIoT应用的行业／领域相当广泛，包括资产追踪器、智能电表、临床医学、销售点、车库门开启器、暖通空调、执法记录仪、电动工具、售后远程信息处理、数据记录器／无线传感器、工业可穿戴设备等。

Wi-Fi 6将促进IIoT中的无线采用

当今大多数IIoT设备都使用2.4 GHz Wi-Fi 4，因为它具有低功耗、低成本和更远的范围。但由于通道有限，而且其他几种协议（例如蓝牙经典、蓝牙低能耗和Zigbee）也使用相同的频谱，使得频谱变得越来越拥挤，这就是Wi-Fi 6发挥影响力的地方。

大多数路由器和笔记本电脑已经具备Wi-Fi 6功能，具有Wi-Fi 6功能的IIoT终端节点设备正开始加速发展。与上一代相比，Wi-Fi 6相当适用于密集环境中大量共存设备（OFDMA、MU-MIMO），即使在2.4 GHz频谱下，也可以在密集环境中支持许多共存设备。这使得大量IIoT设备能够在2.4 GHz频谱中共存，而无需迁移到5 GHz或6 GHz，从而增加成本和功耗，其应用包括临床医疗、电动工具和工业可穿戴设备。

此外，通过目标唤醒时间（TWT）可降低功耗，目标唤醒时间是Wi-Fi 6中新引入的功能，使终端设备能够在目标时间唤醒并查找数据，而不是定期时间唤醒，这大大降低了功耗，对于所有电池供电的设备至关重要。

由于连接设备的增加、数据需求的增加，以及对可与多个设备互操作的协议的需求，Wi-Fi将越来越多地渗透到工业市场。Silicon Labs现已提供IoT Wi-Fi 4产品，为物联网提供集成无线堆栈、网络堆栈、云连接和一流的安全性。接着Silicon Labs并推出IoT Wi-Fi 6产品（包括SoC和模块），进一步满足IIoT应用的需求。

Wi-Fi结合蓝牙的高度集成解决方案

Silicon Labs推出了多款支持Wi-Fi的芯片，包括SiWx915、SiWx917、RS9116和WF200。SiWx915是适合使用Wi-Fi?、蓝牙低能耗、Matter和IP网络，面向线路供电或节能IoT设备。SiWx917则面向电池供电或寻求超低功耗，且始终在线云连接的IoT设备。RS9116则提供全面的多协议超低功耗解决方案，包括Wi-Fi 4和双模蓝牙5。WF200则是适用于安全、低功耗物联网Wi-Fi应用的理想Wi-Fi收发器。

SiWx915是Wi-Fi 6加蓝牙低能耗5.4无线SoC，具有蓝牙低能耗的Wi-Fi 6 SoC，可实现节能物联网设备和最佳安全性（WPA3、PSA 2级），具有高达8 MB闪存并集成ARM?Cortex?-M4和FPU，适用于多种应用和支持Matter协议。

SiWx915 SoC包括Wi-Fi 6加蓝牙低能耗无线CPU子系统、集成微控制器（MCU）应用子系统、安全、内存、外设子系统，全部集成在单个6x6 mm QFN封装中。无线子系统由运行频率高达160 MHz的多线程处理器（ThreadArch?）、基带数字信号处理、模拟前端、2.4 GHz RF收发器和集成功率放大器组成。

Silicon Labs SiWx917则是Wi-Fi 6加蓝牙低能耗5.4无线SoC，适用于基于电池的物联网设备，集成AI/ML加速器、带FPU的ARM?Cortex?-M4、最佳安全性（WPA3、PSA 2级）、PSRAM、高达8MB闪存和支持Matter协议。

SiWx917 SoC是功耗最低的Wi-Fi 6 SoC，非常适合使用Wi-Fi?、蓝牙、Matter和IP网络，以实现安全云连接的超低功耗物联网无线设备，它非常适合开发需要长电池寿命的电池供电设备。SiWx917 SoC包括超低功耗Wi-Fi 6加蓝牙低能耗5.4无线CPU子系统、集成微控制器（MCU）应用子系统、安全性、外设和电源管理子系统，全部集成在单个7x7 mm QFN封装中。

为加快产品开发速度，Silicon Labs推出SiWx917 Wi-Fi 6结合蓝牙低能耗5.4专业套件，SiWx917专业套件旨在支持基于SiWx917超低功耗SoC的无线物联网设备的开发。

另一款Silicon Labs RS9116 Wi-Fi NCP SoC，是提供全面的多协议超低功耗解决方案，包括支持Wi-Fi 4和双模蓝牙5，当与作为主机的EFR32MG24结合时，RS9116 NCP还支持Matter协议。

RS9116的RS9116 QMS单频段无线SoC提供全面的多协议无线连接解决方案，包括802.11 b/g/n（2.4 GHz）、双模蓝牙5。无线SoC提供高吞吐量、扩展范围和功率优化表现，无线SoC已通过FCC、IC和ETSI/CE认证。

Silicon Labs也推出RS9116X EVK1 Wi-Fi结合蓝牙开发套件，RS9116单频段评估板通过提供全面的多协议无线连接解决方案（包括802.11 b/g/n (2.4 GHz)、双模蓝牙?5），来支持RS9116系列SoC和模块。

WF200系列2 Wi-Fi收发器IC则适用于安全、低功耗物联网Wi-Fi应用，是一款经过Wi-Fi 4预认证的SiP，具有低传输和接收功率，与EFR32MG24配合使用，WF200还支持Matter协议。该收发器支持2.4 GHz 802.11b/g/n无线电（MAC和PHY层），针对拥挤射频环境中的低功耗和最佳射频性能进行了优化，支持基于Linux和RTOS主机，以提供完整的Wi-Fi解决方案。WF200提供高速SPI和SDIO主机接口，具有灵活性和高吞吐量，主机和收发器之间的可选安全链路接口增强了安全性。WF200的封装尺寸小至4x4 mm，关联DTIM3，电流小于298 μA。

WF200 Wi-Fi扩展套件――SLEXP8022A，包括一个内置Raspberry Pi连接器（可立即开始Linux开发）和一个EXP连接器（可在Silicon Labs的MCU和无线MCU上进行开发）。

结语

用于IIoT连接的低功耗Wi-Fi无线连接正在推动第四次工业革命，IIoT智能解决方案可以消除计划外停机、优化运营流程，并最大限度地提高产量，市场发展空间极为可观。Silicon Labs的低功耗Wi-Fi解决方案，结合了蓝牙协议与安全功能，可以满足IIoT无线连接应用的要求，将是您开发IIoT设备的理想选择。

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