滿足工業物聯網應用

需求的低功耗Wi-Fi

無線連接解決方案

當前的工業4.0正在改變工業領域的發展，并創造了數萬億美元的新市場機會，其中的節能制造、供應鏈和資產密集型場所，均可以用工業物聯網（IIoT）智能解決方案來實現。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性的RF（射頻）環境中，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。

工業物聯網設備和系統的無線連接

無線連接技術為各行各業都帶來了重大的變化，像是工業、建筑自動化、農業、醫療保健等行業，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，在工業環境中擴展有線網絡意味著需要周密的規劃和繁瑣的硬件安裝。借助無線技術，企業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議，憑借其廣泛的安裝基礎，Wi-Fi成為物聯網無線應用的一種引人注目的協議。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，在許多制造和工業應用都使用Wi-Fi。

另一方面，通過云進行遠程監控仍然是大多數企業的首要議題，云服務可以輕松部署在現有的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帶來工業物聯網的附加價值

工業應用環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，這引發了電池壽命和維護的后勤問題。基礎設施設備（路由器、手機、網關）中使用傳統Wi-Fi并不適合，因為低功耗設備是這些系統的支柱，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點設備的電池壽命，并為許多任務業應用創造了巨大的價值。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點設備需要低功耗，而傳統的Wi-Fi則不適合此類應用。但Wi-Fi具有良好的速度和帶寬，這使其在工業設置中使用具有優勢。

另一方面，集成無線和網絡堆棧在簡化物聯網開發流程時非常重要。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／領域相當廣泛，包括資產追蹤器、智能電表、臨床醫學、銷售點、車庫門開啟器、暖通空調、執法記錄儀、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終端節點設備正開始加速發展。與上一代相比，Wi-Fi 6相當適用于密集環境中大量共存設備（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，其應用包括臨床醫療、電動工具和工業可穿戴設備。

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議的需求，Wi-Fi將越來越多地滲透到工業市場。Silicon Labs現已提供IoT Wi-Fi 4產品，為物聯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、低功耗物聯網Wi-Fi應用的理想Wi-Fi收發器。

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，可實現節能物聯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協議。

SiWx915 SoC包括Wi-Fi 6加藍牙低能耗無線CPU子系統、集成微控制器（MCU）應用子系統、安全、內存、外設子系統，全部集成在單個6x6 mm QFN封裝中。無線子系統由運行頻率高達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，以實現安全云連接的超低功耗物聯網無線設備，它非常適合開發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、集成微控制器（MCU）應用子系統、安全性、外設和電源管理子系統，全部集成在單個7x7 mm QFN封裝中。

為加快產品開發速度，Silicon Labs推出SiWx917 Wi-Fi 6結合藍牙低能耗5.4專業套件，SiWx917專業套件旨在支持基于SiWx917超低功耗SoC的無線物聯網設備的開發。

另一款Silicon Labs RS9116 Wi-Fi NCP SoC，是提供全面的多協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協議。

RS9116的RS9116 QMS單頻段無線SoC提供全面的多協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、擴展范圍和功率優化表現，無線SoC已通過FCC、IC和ETSI/CE認證。

Silicon Labs也推出RS9116X EVK1 Wi-Fi結合藍牙開發套件，RS9116單頻段評估板通過提供全面的多協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收發器IC則適用于安全、低功耗物聯網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協議。該收發器支持2.4 GHz 802.11b/g/n無線電（MAC和PHY層），針對擁擠射頻環境中的低功耗和最佳射頻性能進行了優化，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）和一個EXP連接器（可在Silicon Labs的MCU和無線MCU上進行開發）。

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革命，IIoT智能解決方案可以消除計劃外停機、優化運營流程，并最大限度地提高產量，市場發展空間極為可觀。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IIoT設備的理想選擇。

審核編輯：湯梓紅