浅谈工业物联网中的关键网络连接技术

物联网（IoT）技术彻底改变了我们在数字世界的连接和互动方式，根据IoT Analytics的数据，到2024年底，全球的物联网设备数量可能达到188亿台，比2023年增长13%。在现实世界中，物联网正在深刻地改变着各个行业，而工业物联网（IIoT）则处于这一变化的前沿。

推动IIoT成功的一个关键因素就是连接性。随着越来越多的设备被添加到工业网络中，对高效、可靠和可扩展通信的需求变得至关重要。Wi-Fi HaLow（802.11ah）是一项新兴技术，它的出现有望解决与IIoT连接相关的诸多挑战。

而工业5.0背后的理念，则在于成功的工业运营不仅需要提高生产力和效率。它的三大支柱——以人为本的设计、可持续发展和韧性，正是企业提升敏捷性、增强适应变革能力的关键环节。践行这些方面，将带来显著效益，包括满足员工技能培训需求、吸引更优秀的人才、通过更高效利用自然资源助力应对气候变化，以及重构供应链与能源消耗模式，增强各行各业抵御外部冲击的能力。

本文将从运营技术 (OT) 而非信息技术 (IT) 的视角，探讨韧性在工业5.0中的重要性，研究抵御网络攻击的防护与韧性机制。

工业物联网中的关键网络连接技术

图（图片由AI生成）

连接技术是物联网的关键组成部分，它的选择在一定程度上决定了项目的成功、成本和性能。工业物联网的无线通信技术主要分为两类：一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离无线通信技术；另一类是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗广域网通信技术，其通信覆盖范围较大。

LPWAN又分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术，另一类是工作在授权频谱下由3GPP支持的4G/5G蜂窝通信技术，比如LTE-M、NB-IoT等。不同的无线通信技术在组网、功耗、通信距离、安全性等方面各有差别，因此拥有不同的适用场景。

1、短距无线技术

短距无线通信技术的传输范围在几十米或几百米以内，常见的有蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、UWB、NFC和RFID等。

在物联网短距无线通信中，Wi-Fi约占连接总数的31%。由于许多建筑物已经配备了WiFi，因此它非常适合智能家居、安全摄像头和集成跟踪解决方案等物联网应用，目前正主导着家庭和公共场所的无线网络覆盖。

在消费领域，低功耗蓝牙（BLE）显示出明显的主导地位。出于成本考虑，BLE是短距定位服务的首选，这一点在市场上也得到了验证，2024年，蓝牙定位服务设备的出货量达到2.55亿美元，随着BLE被纳入Matter标准，我们将看到更多的智能家居应用出现。

Zigbee是智能家居中另一个不容忽视的关键参与者，目前它更多地用于工业自动化和智能家居应用，Zigbee的网状网络可以扩展连接距离，支持更多的网络节点。

UWB技术的主要优点是厘米级的精确定位，其应用尚未达到前三种技术的应用水平。

虽然传统的Wi-Fi在视频流或办公网络等高带宽用例中大放异彩，但对于覆盖范围和能效至关重要的工业物联网来说它并不是理想的选择。短距无线市场涌入的一个新生力量——Wi-Fi HaLow（802.11ah）弥合了这一差距。与传统的Wi-Fi（2.4/5 GHz）相比，Wi-Fi HaLow针对物联网限制进行了优化，可提供更长的传输距离和更低的功耗，非常适合电池供电或广泛分布的工业应用。

2、远程无线技术

对于远程无线物联网技术，LoRa和LoRaWAN在许多物联网部署中处于前沿地位。它们以极低的功耗提供令人印象深刻的覆盖范围。

当设备需要长时间使用电池供电，并且可以容忍数据传输中的一些延迟时，LoRaWAN是一个不错的选择。该技术在动物跟踪、车辆跟踪、停车管理、环境监测、农业传感和公用事业计量中得到了广泛的应用。

Sigfox的设计旨在降低设备成本和复杂性，但牺牲了数据传输速率。虽然Sigfox和LoRaWAN有时可以用于类似的目的，但如果需要专用网络或双向通信，应该选择LoRaWAN。

NB-IoT和LTE-M的主要优势是它们可以使用现有的蜂窝基础设施，这些技术可与LoRaWAN和Sigfox应用程序重叠使用。

Wi-Fi HaLow：低功耗、长距离IIoT应用优选技术

Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11ah）是Wi-Fi家族的Sub-GHz扩展，它在1 GHz以下频段（美国通常为902-928 MHz，欧洲为863-868 MHz）运行，这些频段以更长的传播时间、更好的墙壁穿透力和减少工业环境中的干扰而闻名。

Wi-Fi HaLow支持长达1,000米的传输范围，实际的测试显示，其数据传输距离为3,000米，高清视频传输距离可达600米。此外，Wi-Fi HaLow提供从150kbps到15Mbps的数据速率，支持更苛刻的应用程序，如视频和固件更新。

与传统的Wi-Fi AP相比，Wi-Fi HaLow支持每个接入点（AP）连接的设备数量大幅增加。现在，Wi-Fi HaLow的每个接入点可支持多达8,191台设备，非常适合工业物联网中有设备密集部署的需求。在一个大型工业设施中，一个Wi-Fi HaLow接入点可以连接到数千个传感器，用于监测整个工厂的机械健康、环境条件和资产位置。

在功耗方面， Wi-Fi HaLow是专为超低功耗而设计的标准，对电池供电的物联网设备极其友好。

作为传统Wi-Fi技术的扩展和补充，Wi-Fi HaLow可提供独特的安全、远距离、低功耗和高度优化的无线连接组合，极大地提升了工厂自动化的管理效率，是工业物联网（IIoT）领域的过程监控和控制、资产跟踪以及工厂预测性维护的优选无线连接方案。

在工业物联网（IIoT）应用中，Wi-Fi HaLow可以实现：通过振动和温度传感器进行预测性维护、金属密集环境中的移动机器人通信、泵/压缩机和输送机的状态监测，以及分布式PLC的无线连接。

得益于Sub-GHz的传输特性，Wi-Fi HaLow的优势在重型钢结构和地下隧道中更是得到了充分的发挥，其性能优于2.4GHz或5GHz Wi-Fi方案。Wi-Fi HaLow技术虽然面世较晚，但在2024年市场上已经成功部署了数百万台设备，预计到2029年将超过1亿台。

在实际应用中，由于Wi-Fi HaLow使用与传统Wi-Fi不同的物理层（PHY）和MAC层设计，因此，现有的Wi-Fi路由器和设备，例如智能手机、专为2.4/5 GHz Wi-Fi设计的笔记本电脑与Wi-Fi HaLow是不兼容的，需要专门的芯片组和专用硬件作为桥接。

于2016年获得批准的Wi-Fi HaLow标准，近年来硬件的成熟度有所提高，商用级芯片组、模块和开发平台的可用性越来越高。硬件供应商Morse Micro公司推出的业界首款Wi-Fi 4和HaLow认证网关，现已在Mouser.cn上发售。这款突破性的设备通过了FCC、IC和RCM认证，使开发人员、系统集成商和制造商能够在单个紧凑型网关中利用长距离、高能效 Wi-Fi HaLow与传统 Wi-Fi 4 (802.11n) 连接的强大功能。

该网关的核心是Morse Micro的Wi-Fi CERTIFIED HaLow MM6108 SoC芯片。MM6108 SoC包括根据IEEE 802.11ah标准设计的无线电、物理层和MAC功能，可提供扩展范围和低功耗无线通信，同时采用联发科MT7621A双核CPU和MT7603E 2×2 Wi-Fi 4解决方案，可与传统Wi-Fi设备无缝集成。该设备在40MHz带宽下的 Wi-Fi 4 速度高达300Mbps，在 8MHz带宽下的 Wi-Fi HaLow 速度高达 32Mbps，可确保在广阔的环境中实现稳健的连接。

图：Wi-Fi CERTIFIED HaLow MM6108 SoC系统框图（图源：Morse Micro）

结语

Wi-Fi HaLow是第一个为满足物联网（IoT）需求而量身定制的Wi-Fi标准。这是一种在850-950MHz范围内运行的开放标准无线网络技术，通过在Sub-GHz范围内运行，这种超低功耗无线协议可以在比传统Wi-Fi更远的距离和更低的功耗下连接更多的物联网设备。

然而，Wi-Fi HaLow并不是为取代传统的Wi-Fi（如Wi-Fi 6/7）或所有其他物联网技术而设计的，我们可以把它看作是一种补充技术。传统Wi-Fi的优势是在较短的范围内进行高速数据传输，其他物联网技术——如LoRaWAN、NB-IoT、Zigbee和BLE——在特定用例中均有独特的优势。

在工业物联网中，一些应用需要比LPWAN更大的数据吞吐量，但仍需要有良好的能效和覆盖范围。作为未来物联网的IP骨干，Wi-Fi HaLow填补了无线连接堆栈中的一个关键空白，它是针对中远程物联网应用的一种优化的解决方案。

当我们在一个新的工业监控系统中使用Wi-Fi HaLow连接整个工厂的传感器时，该方案比传统的Wi-Fi或其他短据物联网技术更能平衡传感器数据的范围、吞吐量和能效。无论是在农业、工业、智能建筑还是市政基础设施领域，Wi-Fi HaLow正在成为下一波智能物联网部署的有力竞争者。