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具有獨特的安全、遠距離、低功耗和高度的無線連接性能等優(yōu)勢，能夠大幅地升級工業(yè)程序自動化的各項功能。
新的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11ah）將真正實現(xiàn)工廠、生產(chǎn)及倉庫的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化（Industrial Internet of Thing；IIoT）。通過Wi-Fi HaLow產(chǎn)品，數(shù)千個由電池供電的感測器和執(zhí)行器可以安全地連接到單個存取點（AP），這些連接的特性為遠距離和低功耗，它們將改變我們所熟悉的物聯(lián)網(wǎng)。
多年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛地受到工業(yè)領(lǐng)域企業(yè)的採用，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器或控制項的部署密度增加，為工廠提供了更多回饋及可預(yù)測性。監(jiān)測資本設(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獨特的安全、遠距離、低功耗和高度的無線連接性能等一系列優(yōu)勢，大幅地升級了工業(yè)程序自動化的各項功能。分散式控制系統(tǒng)（Distributed Control System；DCS）和可編程設(shè)計邏輯控制器（Programmable Logic Controller；PLC）通常通過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效性，這點跟無線系統(tǒng)有所不同。
在特定應(yīng)用中，IEEE 802.11無線區(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無線電平臺複雜的網(wǎng)狀網(wǎng)路，例如藍牙或Zigbee。這些解決方案被稱為個人區(qū)域網(wǎng)路（Personal Area Network；PAN），應(yīng)用於個人穿戴式或是短距離通訊產(chǎn)品，例如耳機和燈泡。但是，如果將這些PAN標(biāo)準(zhǔn)擴展到全面性的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)，因此會出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞或延遲問題。當(dāng)節(jié)點計數(shù)和中繼跳數(shù)增加時，這些問題就會出現(xiàn)。例如藍牙這種宣稱具有32,000個可定址節(jié)點、或是Zigbee顯示能支援65,000個節(jié)點的技術(shù)，實際上，它們在大型網(wǎng)格環(huán)境中容量反而非常低。此外，PAN技術(shù)的使用會要求附加層的協(xié)議閘道或集線器將資料轉(zhuǎn)換為L3資料封包，以通過網(wǎng)際網(wǎng)路進行連接。
Wi-Fi HaLow從一開始就被設(shè)計為IP可定址、大容量和遠距離，使其成為具備工業(yè)程序控制功能的WLAN技術(shù)。為何會這樣說呢？HaLow包括完整的MAC性能、更高的資料頻寬和更健全的身份驗證與加密安全協(xié)議。
| 圖1 : Wi-Fi HaLow的IP可定址、大容量和遠距離等特色，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到更遠的距離，並提供現(xiàn)成的L3性能。該標(biāo)準(zhǔn)支援每個存取點上掛載8191個節(jié)點，並採用星狀網(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)留下的問題。HaLow的運作頻段是使用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倍遠於2.4GHz Wi-Fi的距離。
與傳統(tǒng)Wi-Fi存取點相比，HaLow AP可以讓連接達到傳統(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行多年。如果搭配熱能或振動能量採集（Energy Harvesting；EH）解決方案，感測器的使用壽命甚至可以達到無期限。
這就意味著燃?xì)獗砗土髁坑嬁杀徊渴鹪诟浇鼪]有電源或可編程設(shè)計邏輯控制器（PLC）的困難位置，例如振動監(jiān)控器可部署在危險的位置，監(jiān)聽泵軸承的聲音以預(yù)測維護情況，並提高工作人員的安全性，降低勞動力成本，而且低功耗應(yīng)用可快速抵消感測器技術(shù)的費用。
通過HaLow裝置，製造和加工工廠可以根據(jù)需要設(shè)計更多的網(wǎng)路連接，而且隨著時間的推移，這些連接更易於添加、移動和更改。
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）無線電頻段。世界各地的可用頻段範(fàn)圍有所不同：美國地區(qū)為902MHz至928MHz，歐洲地區(qū)為863MHz至868MHz，中國地區(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，訊號傳播就越遠。使用正交分頻多工（OFDM）調(diào)變，資料以資料封包的形式通過多個子通道傳輸，如此提升了在強干擾射頻環(huán)境中的性能，尤其是有來自其他無線電裝置的干擾發(fā)生時。前向錯誤更正（Forward Error Correction；FEC）編碼為恢復(fù)資料封包提供了額外的保護，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線電前端，確保即使在密集分佈的通道外干擾中，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)。
對於適用於工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線技術(shù)，可靠的連接與安全的資料傳輸同樣重要。
安全性
對控制工廠營運的資料封包的保護是最令人關(guān)注的問題。Wi-Fi HaLow產(chǎn)品已通過最新WPA3標(biāo)準(zhǔn)的測試和認(rèn)證，因此符合最高安全標(biāo)準(zhǔn)，這點為連接到AP設(shè)備的認(rèn)證以及通過無線電波對資料進行增強式加密提供了基礎(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晶片上添加獨特的不可複製指紋技術(shù)。如此一來，通過例如傳輸層安全（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)或雲(yún)端中的可信平臺。主機應(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)。
這些功能可有效防禦駭客攻擊，保護有價值的資料或防止通過入侵終端設(shè)備而惡意控制訊號。
| 圖2 : 對於適用於工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線技術(shù)，必須有效防禦駭客攻擊，保護有價值的資料。（source：Siemon） |
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在產(chǎn)品的整個生命週期中，透過可定製持續(xù)警戒功能實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的最佳安全性。此外，還可以使用HaLow產(chǎn)品連同微程式碼中的新功能改進，以實現(xiàn)韌體的無線更新（Over-the-Air；OTA）功能。它的優(yōu)勢在於讓物聯(lián)網(wǎng)解決方案始終保持安全性，並符合最高的安全標(biāo)準(zhǔn)。
由於Wi-Fi HaLow允許快速韌體更新並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)路面臨擁塞問題，這些擁塞問題限制了輸送量，從而阻礙了韌體的更新。更大的影響是，這樣的擁塞會延長已完成任務(wù)返回主機的確認(rèn)時間。在工業(yè)環(huán)境中，韌體更新只允許最有限的停機時間，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。
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。HaLow將改善工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的低延遲特性，並增進安全的網(wǎng)際網(wǎng)路連接，而經(jīng)由Wi-Fi HaLow IC的新型執(zhí)行器和感測器，將能夠?qū)S的營運和控制產(chǎn)生全新的瞭解。
