การตรวจสอบระยะไกลด้วยเซนเซอร์ไร้สายที่ใช้ Wi-Fi

โรงงานสมัยใหม่มีระบบดิจิทัลที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยมีการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์และซอฟต์แวร์จากผู้ขายหลายราย ความซับซ้อนนี้ได้นำไปสู่การเลิกใช้อินเทอร์เฟซที่เป็นกรรมสิทธิ์ โดยแทนที่อินเทอร์เฟซเหล่านี้ด้วยมาตรฐานทั่วไป เช่น อีเทอร์เน็ตและ Wi-Fi® มาตรฐานของการสื่อสารดิจิทัลถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 4 (Industry 4.0) ซึ่งเทคโนโลยี Internet of Things (IoT) ทำให้การเชื่อมต่อของอุปกรณ์ต่างๆ ง่ายขึ้นอย่างมาก (รูปที่ 1) บทความนี้ทบทวนรูปแบบทั่วไปของเครือข่ายเซ็นเซอร์ที่ใช้ Wi-Fi และการใช้งานทั่วไป

รูปที่ 1: การตรวจจับที่เปิดใช้งาน Wi-Fi นั้นพบได้ทั่วไปในการตั้งค่าทางอุตสาหกรรม

ประวัติ Wi-Fi และเวอร์ชัน

Wi-Fi เป็นโปรโตคอลเครือข่ายไร้สายที่ใช้ IEEE 802.11 แต่ได้รับมาตรฐานเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์สามารถทำงานร่วมกันได้ มาตรฐาน Wi-Fi ได้รับการดูแลโดย Wi-Fi® Alliance และเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐานนี้เท่านั้นที่อาจมีเครื่องหมายการค้า

มาตรฐาน 802.11 เป็นที่ยอมรับสำหรับแอปพลิเคชันเครือข่ายท้องถิ่นแบบไร้สาย (LAN) เผยแพร่โดย Institute of Electrical and Electronics Engineers' (IEEE) ในปี 1997 ในชื่อ 802.11-1997 การเผยแพร่หลักที่ตามมาได้รวม 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n และ 802.11ac ตามลำดับเวลา แม้ว่า IEEE 802.11 จะให้พื้นฐานทางเทคนิคสำหรับ Wi-Fi แต่ IEEE ไม่มีการรับรองหรือการทดสอบใดๆ ซึ่งนำไปสู่ปัญหาด้านการทำงานร่วมกันในอุปกรณ์รุ่นก่อน

ในปี 2542 Wi-Fi Alliance ก่อตั้งขึ้นโดยบริษัทแรกๆ บางแห่งที่นำ IEEE 802.11 มาใช้ จุดมุ่งหมายของพันธมิตรนี้คือการปรับปรุงความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ ที่บริษัทสมาชิกผลิตขึ้น บริษัทผู้ก่อตั้ง ได้แก่ 3Com และ Nokia รุ่น Wi-Fi สอดคล้องกับรุ่นหลักๆ ของมาตรฐาน IEEE 802.11 ดังแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1: มาตรฐาน Wi-Fi ตลอดหลายปีที่ผ่านมา

ช่วง ความเร็ว และความถี่

Wi-Fi สามารถทำงานได้ที่ความถี่ต่างกัน และอุปกรณ์มักจะกำหนดค่าให้ใช้ความถี่ต่างกันได้ ความถี่ที่พบบ่อยที่สุดคือ 2.4 GHz และ 5 GHz

โดยทั่วไป ความถี่ที่สูงกว่าจะให้ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ความถี่ที่สูงขึ้นก็กระจายตัวได้ง่ายกว่าเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผ่านวัตถุที่เป็นของแข็ง ความถี่ต่ำจึงมักจะให้ช่วงที่มากขึ้น

เมื่อทำงานในช่วงความถี่เดียวกันกับอุปกรณ์อื่นๆ Wi-Fi จะไวต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า ตัวอย่างเช่น ที่ 2.4 GHz สัญญาณรบกวน Wi-Fi อาจเกิดขึ้นกับเตาไมโครเวฟ โทรศัพท์ไร้สาย และอุปกรณ์ Bluetooth นี่อาจหมายความว่าในบางสภาพแวดล้อม 5 GHz อาจให้ช่วงที่ดีกว่า 2.4 GHz จริงๆ หากพบปัญหาที่ความถี่ใดความถี่หนึ่ง การลองใช้ช่องสัญญาณอื่นหรือแม้แต่ย่านความถี่จะง่ายที่สุด

ช่วงความถี่คือย่านความถี่ที่มีการกำหนดช่องสัญญาณเฉพาะ ตัวอย่างเช่น 2.4 GHz แบ่งออกเป็น 14 ช่องสัญญาณ ช่อง 1 อยู่ที่ 2401 ถึง 2423 MHz ช่อง 2 คือ 2406 ถึง 2428 MHz เป็นต้น มีช่องทางให้เลือกมากขึ้นในย่านความถี่ 5 GHz

IEEE 802.11ah หรือที่เรียกว่า Wi-Fi HaLow หรือขยายช่วง ทำงานที่ย่านความถี่ต่ำกว่าประมาณ 900 MHz รวมกับช่องสัญญาณ RF 1 MHz แบบแคบ ช่องสัญญาณความถี่ต่ำที่แคบและแคบเหล่านี้ รวมกับการเปลี่ยนแปลงโปรโตคอลหมายถึงการใช้พลังงานที่ต่ำกว่ามาก แม้จะต่ำกว่า Bluetooth Low Energy ช่วงควรเป็นสองเท่าของ 2.4 GHz — มากกว่า 40 เมตรที่ 150 kbps สำหรับสตรีมเดียวหรือมากกว่า 80 เมตรโดยใช้ชิปดูอัลสตรีมที่ซับซ้อนมากขึ้น แม้ว่า IEEE ได้เปิดตัวมาตรฐาน 802.11ah แล้ว แต่ Wi-Fi Alliance ยังไม่ได้เริ่มรับรองอุปกรณ์

อีกด้านหนึ่งของสเปกตรัม IEEE 802.11ad หรือ WiGig ทำงานที่ย่านความถี่สูงกว่าประมาณ 60 GHz เพื่อให้อัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงโดยทั่วไปประมาณ 7 Gbit/วินาที

โทโพโลยีเครือข่าย Wi-Fi

โทโพโลยีของเครือข่ายเป็นโครงสร้างพื้นฐานของการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ (รูปที่ 2) ตัวอย่างเช่น ในโทโพโลยีแบบดาว อุปกรณ์หนึ่งเป็นฮับและอุปกรณ์อื่นๆ ทั้งหมดเชื่อมต่อกับฮับ ในเชื่อมต่ออย่างเต็มที่ โทโพโลยี แต่ละอุปกรณ์เชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่นทุกเครื่อง NSตาข่าย โทโพโลยีคล้ายกับการเชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์ในการเชื่อมต่อที่มีการกระจายอำนาจ แต่อาจไม่มีการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ทุกคู่ อาจเรียกว่าตาข่ายเชื่อมต่อบางส่วน . ในโทโพโลยีบัส อุปกรณ์ทุกชิ้นเชื่อมต่อกับสายเคเบิลที่เรียกว่าบัส

รูปที่ 2: โครงสร้างเครือข่ายมีมากมาย แต่เครือข่าย Wi-Fi ส่วนใหญ่เป็นแบบดาวหรือแบบตาข่าย (ที่มาของภาพ: โลกแห่งการออกแบบ)

โดยทั่วไปแล้วเครือข่าย Wi-Fi จะเป็นแบบติดดาวหรือแบบตาข่าย โทโพโลยีแบบเมชนั้นแข็งแกร่งและปลอดภัย ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานและปรับปรุงช่วงเนื่องจากลิงก์แต่ละรายการอาจสั้นลง สำหรับเครือข่าย IoT ขนาดใหญ่ที่มีเซ็นเซอร์พลังงานต่ำจำนวนมาก ข้อดีเหล่านี้มีความสำคัญ อย่างไรก็ตาม เครือข่ายระดับดาวสามารถให้ข้อดีในแง่นี้ได้เช่นกัน ในเครือข่ายเริ่มต้น เป็นไปได้ที่อุปกรณ์แต่ละเครื่องจะส่งสัญญาณเป็นช่วงๆ และมีเพียงฮับเท่านั้นที่ต้องการพลังงานอย่างต่อเนื่องสำหรับสัญญาณ Wi-Fi

การใช้งาน Wi-Fi เฉพาะสำหรับอุตสาหกรรม

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น Wi-Fi HaLow ใช้ความถี่ที่ต่ำกว่าเพื่อให้ได้ช่วงที่กว้างขึ้นและลดการใช้พลังงาน สิ่งนี้มีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็ก สำหรับแอปพลิเคชันการควบคุมและระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม ซึ่งจำเป็นต้องมีการสื่อสารแบบเรียลไทม์ Wi-Fi ได้พยายามอย่างหนักที่จะให้การเชื่อมต่อที่มีความเร็วสูง เวลาแฝงต่ำ และมีเสถียรภาพเพียงพอ แม้ว่าจะมีความสนใจใน Wi-Fi แบบเรียลไทม์เป็นเวลาอย่างน้อยหนึ่งทศวรรษ แต่เทคโนโลยีนี้ยังไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง บางทีการใช้งาน Wi-Fi แบบเรียลไทม์ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดคือ WIA-PA ซึ่งเป็นมาตรฐานการสื่อสารไร้สายอุตสาหกรรมของจีนสำหรับกระบวนการอัตโนมัติ

การใช้ Wi-Fi ในอุตสาหกรรมเป็นเรื่องปกติมากขึ้นในแอปพลิเคชันที่มีความต้องการน้อยกว่า เช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวและเครื่องสแกนบาร์โค้ด การตรวจสอบสภาพของเครื่องจักรกำลังกลายเป็นเรื่องธรรมดามาก สำหรับเครื่องจักรที่หมุนได้ มาตรความเร่งจะใช้เพื่อตรวจสอบการสั่นสะเทือน การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมยังเป็นส่วนสำคัญของการตรวจสอบสภาพ โดยมักใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิ ความดัน ความชื้น และความเข้มข้นของก๊าซ

เซ็นเซอร์ตรวจสอบสภาพถูกปรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันมากมาย ซึ่งรวมถึงเครื่องจักรในโรงงานและคลังสินค้า ตลอดจนยานพาหนะเพื่อการพาณิชย์ที่มีมูลค่าสูง เช่น รถบรรทุก อุปกรณ์เคลื่อนย้ายดิน และเครื่องบิน การตรวจสอบสภาพยังเป็นที่ยอมรับและมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตไฟฟ้า การขุด และการขุดเจาะ

การตรวจสอบการจราจร ระดับมลพิษ และสภาพอากาศเป็นตัวอย่างเพิ่มเติมของแอปพลิเคชันที่มีการติดตั้งเซ็นเซอร์ไร้สาย

เทคโนโลยีการแข่งขัน

Wi-Fi ไม่ใช่มาตรฐานเดียวที่ช่วยให้สามารถสื่อสารแบบไร้สายระหว่างอุปกรณ์อุตสาหกรรมได้ สำหรับแอปพลิเคชันระยะสั้นและใช้พลังงานต่ำ Wi-Fi จะแข่งขันกับ Bluetooth และ Zigbee สำหรับการใช้งานระยะยาว เทคโนโลยีหลักที่แข่งขันกับ Wi-Fi คือเทคโนโลยีเซลลูลาร์ — 3G, 4G และ 5G

ลองพิจารณาเพียงตัวอย่างหนึ่งของหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังต่ำ (MCU) เพื่อช่วยวิศวกรตั้งค่าการสื่อสารผ่าน Bluetooth Low Energy (BLE) และ Wi-Fi ผ่านโมดูล XBee Wi-Fi :

บลูทูธเป็นรูปแบบการสื่อสารที่ใช้พลังงานต่ำที่เป็นที่ยอมรับ Zigbee เป็นเทคโนโลยีที่ใหม่กว่าที่ใช้ IEEE 802.15.4 ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ฮาร์ดแวร์และพลังงานที่มีต้นทุนต่ำกว่าแม้กระทั่งบลูทูธ แม้ว่า Wi-Fi HaLow มีวัตถุประสงค์เพื่อแข่งขันในด้านนี้ แต่ก็ไม่ได้ทำให้ Zigbee มีราคาและพลังที่ต่ำเป็นพิเศษ สิ่งที่ซับซ้อนยิ่งกว่านั้นคือ 5G มีเทคโนโลยีพลังงานต่ำของตัวเอง — Low-Power Wide-Area (LPWA)

การเสริมข้อเสนอที่ใช้พลังงานต่ำจำนวนมากเหล่านี้คือความสามารถในการเก็บเกี่ยวพลังงาน:

สรุป

ผู้ผลิตอุปกรณ์อุตสาหกรรมจำนวนมากยังคงใช้เทคโนโลยีไร้สายระดับอุตสาหกรรมที่เป็นกรรมสิทธิ์ แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้การทำงานร่วมกันยากขึ้น แต่ก็หมายความว่าพวกเขาสามารถให้การรักษาความปลอดภัยที่ได้รับการปรับปรุงและการสื่อสารแบบเรียลไทม์ ในขณะที่ Wi-Fi ยังคงปรับปรุงในด้านเหล่านี้อย่างต่อเนื่อง วิศวกรสามารถคาดหวังว่าจะเห็นอุปกรณ์จำนวนมากขึ้นที่ใช้มาตรฐานแบบเปิดนี้ ในทางกลับกัน 5G แสดงศักยภาพมากมายสำหรับแอปพลิเคชัน IIoT ไร้สาย ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าจะทำให้เกิดการแข่งขันกันมากขึ้นระหว่างมาตรฐาน Wi-Fi 6 และ 5G ล่าสุด