使用 Wi-Fi 型無線感測器進行遠端監測

現代工廠的數位系統越來越複雜，來自眾多不同廠商的裝置與軟體之間亦彼此互連。這種複雜性導致人們放棄使用自行研發的介面，取而代之的是乙太網路和 Wi-Fi® 等通用標準。數位通訊的標準化可視為第四次工業革命 (工業 4.0) 的一部分，物聯網 (IoT) 技術可藉此大幅簡化不同裝置的連線 (圖 1)。本文將探討最常見的 Wi-Fi 型感測器網路形式及其典型應用。

圖 1：支援 Wi-Fi 的感測功能在工業環境中越來越普遍。

Wi-Fi 的發展歷程與版本

Wi-Fi 是以 IEEE 802.11 為基礎的無線網路通訊協定，但經過進一步的標準化，以確保裝置互通性。Wi-Fi 標準由 Wi-Fi® 聯盟維護，只有經過認證符合此標準的產品才可以標示其商標。

802.11 標準是適用於無線區域網路 (LAN) 應用的成熟標準。該標準由電機電子工程師學會 (IEEE) 於 1997 年發表，名稱為 802.11-1997。後續的主要版本按時間順序依次包含 802.11b、802.11a、802.11g、802.11n 及 802.11ac。雖然 IEEE 802.11 為 Wi-Fi 提供了技術基礎，但 IEEE 並沒有進行任何認證或測試，這導致早期裝置具有互通性的問題。

1999 年，幾家最先採用 IEEE 802.11 的公司，組成了 Wi-Fi 聯盟。此聯盟的目標是讓會員公司生產的裝置有更好的互通性。創始會員公司包括 3Com 和 Nokia。各代 Wi-Fi 與相對應的 IEEE 802.11 標準主要版本，如表 1 所示。

表 1：歷年來的 Wi-Fi 標準。

覆蓋範圍、速度和頻率

Wi-Fi 可在不同的頻率下工作，且通常可設定裝置使用不同的頻率。最常見的頻率為 2.4 GHz 和 5 GHz。

一般來說，頻率越高，資料傳輸速率越高。不過，頻率越高，也越容易耗散，特別是通過固態物體時。因此，較低的頻率通常能提供較大的覆蓋範圍。

與其他裝置同頻工作時，Wi-Fi 也較容易受到干擾。舉例來說，使用 2.4 GHz 時，微波爐、無線電話和藍牙裝置可能會干擾 Wi-Fi 運作。這表示在特定環境下，5 GHz 提供的覆蓋範圍或許比 2.4 GHz 還要大。如果在特定的頻率下遇到問題，試試不同的頻道甚至頻帶，往往是最簡單的方法。

頻率範圍是內含特定頻道定義的頻帶。舉例來說，2.4 GHz 共分成 14 個頻道。頻道 1 的範圍是 2401 至 2423 MHz，頻道 2 是 2406 至 2428 MHz，以此類推。5 GHz 頻帶中的頻道數量則更多。

IEEE 802.11ah 又稱為 Wi-Fi HaLow 或延伸範圍，以大約 900 MHz 的低頻帶工作，並結合狹窄的 1 MHz RF 頻道。這些低頻的狹窄頻道結合協定的變化後，意味著功耗降低許多，甚至比低功耗藍牙還要低。覆蓋範圍是 2.4 GHz 的兩倍左右，單串流在 150 kbps 下可超過 40 公尺，使用更複雜的雙串流晶片則可超過 80 公尺。雖然 IEEE 已經發佈 802.11ah 標準，但 Wi-Fi 聯盟尚未開始對裝置進行認證。

另一方面，IEEE 802.11ad (又稱為 WiGig)，以大約 60 GHz 的更高頻帶工作，可達到典型值大約為 7 Gbit/s 的高資料傳輸率。

Wi-Fi 網路拓撲

網路的拓撲是裝置之間連線的基本架構 (圖 2)。例如，在星形拓撲中，有一個裝置是中樞，其他所有裝置都會連到中樞。在全連線拓撲中，每個裝置都會與其他所有裝置連接。網狀拓撲與全連線拓撲類似，屬於非集中式連線，但每一對裝置之間可能並未連線，這種拓撲也稱為部分連線網狀拓撲。在匯流排拓撲中，每個裝置都連接到一條纜線，即稱為匯流排。

圖 2：網路拓撲種類繁多，但大多數 Wi-Fi 網路都是星形或網狀。(圖片來源：Design World)

Wi-Fi 網路通常不是星形就是網狀。網狀拓撲穩健而安全，不僅能降低功耗，還能縮短個別連結，進而增進覆蓋範圍。對於具有許多低功率感測器的大型 IoT 網路而言，這些是很重要的優勢。不過，星形網路也具有此方面的優勢。在星形網路中，個別裝置可以間歇性地傳輸，只有中樞需要持續供電以提供 Wi-Fi 訊號。

工業專用 Wi-Fi 實作

如上所述，Wi-Fi HaLow 使用較低的頻率來擴大覆蓋範圍，並降低功耗。這對小型電池供電式裝置很有用。在需要即時通訊的控制與工業自動化應用中，Wi-Fi 不容易提供速度夠快、低延遲且穩定的連線。雖然人們十多年來一直對即時 Wi-Fi 感到興趣，但這項技術尚未受到廣泛採用。最成功的即時 Wi-Fi 實作也許是 WIA-PA，這是中國用於製程自動化的工業無線通訊標準。

Wi-Fi 在工業上的用途通常出現在要求較不嚴苛的應用，例如動作感測器與條碼掃描器。對機器狀態進行監測已變得非常普遍。旋轉型機器會使用加速計來監測振動。另外，環境監測也是狀態監測的重要環節之一，通常會部署小型的溫度、壓力、濕度及氣體濃度感測器。

狀態監測感測器可部署在許多不同的環境，包括常見的工廠與倉儲機器，以及高價值的商用車輛，如卡車、運土設備和飛行器等。此外，在發電、採礦和鑽探領域，狀態監測技術也已非常成熟，並扮演著關鍵角色。

還有其他一些部署無線感測器的應用範例，如交通、污染程度和天氣的監測等。

競爭技術

除了 Wi-Fi 以外，還有其他標準能讓工業裝置之間達到無線通訊。在短距和低功耗應用方面，Wi-Fi 與藍牙及 Zigbee 相互競爭。在遠距應用方面，與 Wi-Fi 競爭的主要技術是行動網路技術，即 3G、4G 和 5G。

下面僅以一個低功率微控制器單元 (MCU) 為例，說明如何幫助工程師透過低功耗藍牙 (BLE) 建立通訊，以及透過 XBee Wi-Fi 模組建立 Wi-Fi：

藍牙是公認的低功率通訊標準。Zigbee 是以 IEEE 802.15.4 為基礎的更新技術，可使用比藍牙更低成本的硬體和功率。雖然 Wi-Fi HaLow 想角逐這個領域，但無法達到 Zigbee 的超低成本與功率。而 5G 則擁有自己的低功率技術，即低功率廣域 (LPWA)，讓競爭情況更加複雜。

能源採集能力能讓這類低功率技術更加完備：

結論

許多工業裝置製造商依然使用自行研發的工業無線技術。雖然這會增加互通性的困難度，但也表示能提供更高的安全性與即時通訊。Wi-Fi 在這些領域中持續改善，工程師可以預期將有更多裝置採用此開放標準。另一方面，5G 也在無線 IIoT 應用領域展現出巨大潛力。未來幾年，最新的 Wi-Fi 6 和 5G 標準之間會有更多的競爭。