基于WiFi Halow的无线工业物联网应用

2021-03-01

无线互联科技 2021年2期

（珠海泰芯半导体有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

随着计算机网络信息技术的快速发展，人与人之间信息连接交流形式愈加饱和，人们开始探析人与物、物与物之间的连接，物联网技术应运而生。具体而言，物联网技术通过使用网络信息技术，借助大量的信息传感器设备，将物品与网络信息平台相连接，进而实现人与物、物与物之间的信息交流，满足人们通过网络信息技术对物的控制、管理与监控的需求。在物联网中，人与物、物与物之间能够进行有效信息的“交流”。就目前而言，我国物联网市场仍然存在着碎片化的发展模式，不同厂商之间所搭建的物联网平台存在沟通不畅问题，对于消费者来说，不同的场景对连接技术有着更深层次的需要，这就使得市场衍生出更多形式的人与物、物与物的连接形式，而繁多的连接技术也进一步拓展了WiFi技术在物联网中的应用。低成本、低功耗的WiFi芯片的研究与使用，成为很多厂商扩张市场的重要举措。同时，为适应社会的发展需求，更多的WiFi芯片厂商也开始努力推动WiFi Halow技术的商业化发展。

1 WiFi Halow简介

WiFi Halow是WiFi联盟在2016年3月份所推出的一项无线局域网的物理层和媒体接入控制层协议，是一种能够在低于1GHz免许可的频段内运行的新型WLAN系统标准，相较于传统的协议标准[1]，WiFi Halow在具有高速率的同时，还能够满足超长远距离的连接，且相比传统的连接形式，其具有更低的功耗。因此，WiFi Halow被广泛应用在超远距离、对传输速率要求高、功耗低的物联网市场中。

2 WiFi Halow的市场应用前景

WiFi Halow技术因为其独特的优点而被应用在智能家居、智慧工业以及智慧城市的建设中，与传统的WiFi技术相比，WiFi Halow技术具有更高的渗透率、更低的功耗，因此，小到各种智能穿戴装置，大至大型工业化生产均能发现它的身影。尤其是随着智能生活理念的兴起，WiFi Halow技术所具有的低功耗特点为各种物联网的应用提供更加节能运行模式的支持。WiFi Halow技术的出现进一步扩大了物联网的应用范围，其能够满足各种新式感测器与智能穿戴装置的使用。WiFi Halow的传输范围与传统的WiFi技术相比具有更强劲的传输范围，不仅能够让信号传输的距离更远，且强劲的渗透率也解决了传统WiFi穿墙后信号强度受损以及障壁问题，因此WiFi Halow能够在更复杂的环境中应用。此外，WiFi Halow技术还能够促使各智能产品生产厂家形成有效的互联，解决传统不同厂家生产的智能产品无法相容的问题，且增强了智能设备运行的安全性。与其他WiFi装置一样，WiFi Halow装置同样可以实现云端的连接，促使物联网为智能工业生产的构建发挥作用。总的来说，WiFi Halow技术弥补了现今WiFi技术的缺点，WiFi Halow技术将在物联网的发展中发挥更大作用[2]。

3 无线工业物联网引入WiFi Halow技术的优势

（1）更快的传输速率。资料显示，WiFi Halow在sub 1GHz频段内的传输速率能够达到86.7Mbps，远超诸如Z-Wave、NB-IoT以及FSK等无线电系统。（2）更远的传输距离。WiFi Halow的传输距离达到1km，与其他远距离无线局域网技术相比毫不逊色。（3）更多的连数量。WiFi Halow能够满足大规模节点数关联的需求，WiFi Halow将AID的范围从2 007扩展到8 191，即WiFi Halow每个接入单点的最大理论连接数可高达8 191个，并且不需要专用网关即可直接访问互联网。（4）更低的功耗。WiFi Halow低功耗的特点是其优异性远超其他WiFi技术的关键。此外，WiFi Halow原生支持IP网络，在一定程度上提升了客户对云程序的访问效率，且WiFi Halow不须建造额外的基础设施，极大地降低了使用成本。WiFi Halow与WPAN及LPWAN技术比较如图1所示。

4 基于WiFi Halow的无线工业物联网应用

4.1 Halow相关产品

一些新创公司进行了大量Halow产品的研发，总部位于比利时鲁汶的微电子研究中心率先推出了针对Halow的收发器，相比传统上使用的OFDW收发器，该收发器具有更低的功耗，资料显示，其功耗只有OFDW收发器的1/10，且该收发器能够支持755～928MHz的ISM频段。美国新创公司 Palma Ceia SemiDesign（PCS）也成功研发出了Halow收发器，并于2019年推出了Halow相应的组件。韩国Newrcom公司所研发的NRC7292已经被应用在电信网络中。珠海泰芯半导体所研发的TXW8301是全球的首款Halow SOC芯片产品，该Halow芯片产品的数据传输速率达到32.5 Mbps，能够满足1MHz/2MHz/4MHz/8MHz宽带，且支持节点模式与AP模式；该产品还具有诸多其他优点，芯片集成度高，丰富的外设资源（USB，SDIO，SPI，UART和以太网口），小型封装和低功耗以及较低的产品价格，可以广泛地适用于无线安防、无人机图传和无线工业互联网等。

图1 WiFi Halow与WPAN及LPWAN技术比较示意

4.2 大规模接入机制问题

大规模接入机制问题的研究主要集中在快速关联机制与RAW两个机制上。（1）快速关联机制相关研究。就目前来说，学者们对快速关联机制的研究主要侧重于对集中式关联机制。我国学者王岩提出了一种门限自适应思想，该研究主要分析了根据发送队列长度动态调整关联门限[3]。（2）RAW机制相关研究。学者对RAW的研究侧重于性能评估、建模与优化，其中性能评估主要是指通过使用仿真器对RAW的参数进行修正，探析这些参数对网络性能的影响。建模则是通过收集RAW参数构建模型，优化是指按照不同的场景需求，选取RAW参数，确保网络性能达到最优。

4.3 低功耗评估与效果

功耗的管理主要有两点：苏醒与休眠状态。简单而言，当网络处于苏醒状态时，能够接收站点或向站点传输信息，休眠状态下，网络则处于停滞状态，不能接收或发送信息。对于网络站点的工作状态而言，同样存在活跃与省电两种模式，当站点处于活跃模式时，其处于苏醒状态，省电模式下则意味着站点会结合工作情况自行选择苏醒或休眠。WiFi Halow在引入优化后的网络技术后，会对节点的最长休眠时间进行扩展，处于该模式时，站点休眠占的时间超过系统设定的时间后，AP自动解除与该站点的关联。另外，也可采用TIM酚酸处理进行网络技术的优化，将不同片段信息分门别类的整理、分析、汇总、发送。通过仿真技术分析可以得到，采用WiFi Halow技术的网络传输系统在保证远距离信息传输的同时，具备较强的吞吐能力，且能耗极低，整个网络系统电池使用寿命得到大幅度延长。