什么是Wi-Fi Halow技术？如何用来构建智能、可持续的能源基础设施
时间：2021-03-22
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Wi-Fi HaLow技术由W-Fi联盟命名，由IEEE 802.11ah任务组将其进行标准化。与传统Wi-Fi相比，Wi-Fi HaLow使用较低的频率和较窄的频带信道，这样的综合效应是连接距离更远，而总能耗更低。设备可以与最远1公里外的接入点（AP）进行通信，具体取决于该国对无线通信系统的规定。对于一些跨越数平方公里的清洁能源系统，Wi-Fi HaLow可将8,000多台设备连接到一个接入点。
表1：Wi-Fi HaLow与传统Wi-Fi的比较
虽然传统Wi-Fi是目前使用的最普遍的无线通信协议，但物联网的快速发展，迫使人们重新思考Wi-Fi，揭示出技术上的差距，以及在一个无所不包的互联和绿色世界中，Wi-Fi需要扮演什么角色。许多的物联网和机对机（M2M）应用，对远程连接和低功耗的更高要求，正以越来越快的速度，迎来Wi-Fi HaLow在现在以及未来的发展。
Wi-Fi HaLow的影响无处不在，从家居楼宇自动化系统，到清洁能源系统，包括太阳能、风能、能量储存和地热系统。
提高现有系统的效率
能源的创造、传输、储存、分配和消费等现有的基础设施，都可以从效率的即时改善中受益。在大量的消费设备上进行小规模的改进，可能会对需求产生重大影响。研究消费模式可以更好地预测如何控制电网和发电站。Wi-Fi HaLow简化了跨更远距离连接更多设备的过程，从而使智能系统能够利用更细粒度的信息和控制。
家居自动化
采暖、通风和空调（HVAC）系统，是家居中最大的能耗设备之一。当无线连接添加到可编程恒温器时，房主可以通过互联网的云应用程序，远程调整设置。然而，并非所有的房主都以有效的方式规划其系统。根据系统的实际使用模式，智能恒温器会调整设置来提高效率，并考虑到住宅的占用情况。这些系统还可以通过在一个可能知道房主位置和日程安排的生态系统中，整合更高层次的信息而进行改进。
传统的Wi-Fi可能需要购买中继器或数据流量来连接智能恒温器和路由器，这增加了成本和能耗。低功耗的Wi-Fi HaLow温控器，可以更容易地连接到家用Wi-Fi路由器，简化了安装成本，并有可能使用电池运行的温控器，无需电源线。暖通空调系统中的各个组件，如空气处理机、熔炉、热泵、空调压缩机和位于家中不同位置的传感器设备，可以通过Wi-Fi HaLow互连，而非通过有线电缆。每个组件都可以成为暖通空调系统中不受约束的模块化部件，每个组件都可以整合到使用分析中，而且随着更高效技术的出现，每个组件都可以独立升级。
此外，新型的Wi-Fi HaLow传感器，如监测房间占用率、日照角度、湿度和空气污染等，可以为暖通空调系统提供更全面的信息，以进行智能响应。Wi-Fi HaLow传感器的位置，可根据其提供的最佳信息进行选择，而非因为Wi-Fi的覆盖范围有限，而被限制在非最优位置。这些被动式系统只需要很低的能量，如果能通过Wi-Fi HaLow网络可靠地连接到与接入点（AP）较远的位置，则可以大大降低对暖通空调系统的需求。
楼宇自动化系统（BAS）
Wi-Fi HaLow还可以提高商业建筑暖通空调系统的效率和拥有成本。以一个大型办公大楼的空调系统为例。这个由压缩机、传感器、恒温器和阻尼器组成的整个网络可以联网，为现场或云端的楼宇管理系统（BMS）监视器，提供建筑物性能的高阶视图。构建这种网络的传统方法，依赖于将有线电源和信号连接到大多数组件上。一些系统集成了短程无线网状网络，包括802.15.4 Zigbee或用于传感器设备的专有无线电。专有集线器或网关的几个阶段，在从这些设备到互联网上的楼宇管理系统（BMS）的路径上，增加了延迟而且数据吞吐量也有限制。
Wi-Fi HaLow集成电路与这些有线技术和专有无线技术相比，具有独特的优势。由于Wi-Fi HaLow在低于1 GHz的频率范围内运行，使用较窄的信道带宽，比有线技术或使用2.4 GHz的无线技术更容易穿透墙壁、天花板、地板和其他物体，因此设备可以放置在需要的地方，限制更少。这就省去了多阶段的网状连接和中继器，降低了基础设施成本和能耗设备数量。
智能电表和智能电网
采用Wi-Fi HaLow的公用事业电表，可以连接远达到1公里以上（根据美国联邦通信委员会的规定）。由于可以使用星型结构，这简化了电力公司的网络。一个社区的单个接入点（AP），就能监控成千上万家庭的用电情况。Wi-Fi HaLow还通过采用Wi-Fi的WPA3级加密技术，提高了家庭之间数据传输的安全性。采用Wi-Fi HaLow的电表，能与接入点（AP）协商睡眠时间，在无需通信时节省电力。基于Zigbee无线技术（无论是2.4GHz还是sub-1GHz的IEEE 802.15.4g Wi-SUN）的竞品解决方案，都是依靠设备的网格网络，将信息回传到小区的公用事业网关，以访问IP网络。如前所述，这样的网格网络会导致延迟，并降低网格网络中所有其他节点的网络总吞吐量。
为家庭和企业供电的配电基础设施，也可以从Wi-Fi HaLow的连接中受益。监控和数据采集（SCADA）系统，依靠传感器来了解整个网络的运行情况，从而决定如何管理电网。在变电站监测到的情况，通常用来推断是什么原因导致了下游线路的故障，这些线路为附近的变压器供电。通过安装更多的传感器、获得更多的数据、更细粒度地了解次级网络的状况，包括附近每个变压器的情况，监控和数据采集（SCADA）系统可以就如何响应做出更好的决策。Wi-Fi HaLow的远于一公里的覆盖范围和高吞吐量，可以用于收集变电站及其周边地区的传感器数据。
改善清洁能源系统
太阳能
在过去的几十年里，将太阳光转化为电能的光伏（PV）系统每千瓦的成本，已经大幅下降。成本下降的很大一部分原因，是光伏面板效率的提高，目前最好的太阳能面板的效率在25%上下。成本下降的另一部分原因，是由于科技创新，如微型光伏逆变器和优化器，让每块面板的能量得到最佳利用。要产生一户常规家庭所需的平均电力，与过去相比，现在所需的面板数量更少。监控系统可以跟踪建筑物屋顶上每一块面板的状态，为装置达到峰值功率提供反馈。其中一些组件可能通过电源线进行通信。一个单一的互联网连接，通常是通过以太网、Wi-Fi、或蜂窝调制解调器，结合太阳能系统与家庭的电网进行连接。
通过在每块面板、微型逆变器、电源优化器和并网交换机中使用无线通信，可以对整个光伏系统进行最精细的监控，而无需依赖通过电力电缆的数据流。这些集成电路（IC）可以在很低的电压下运行，并且可以通过在空闲时休眠来节省能源。通过本机IP无线通信网络，每个组件都可以连接到云端的管理系统。在未来，过时组件可以单独升级为更高效的组件，而不必向后兼容有线通信协议。不同组件供应商之间的互操作性，可以鼓励创新和竞争，从而加速消费者市场的增长。
能量储存
电池为小型设备和车辆储存电能提供了最佳选择。通过延长无线传感器的电池寿命，Wi-Fi HaLow减少了一次性电池的浪费，为地球带来了直接的益处。
锂聚合物（LiPo）电池技术的进步，彻底改变了从智能手机到电动汽车等多个行业。整个房屋的能量，可能储存在一个挂在墙上的大型锂电池中。智能电池充电器可以将“免费”的太阳能储存在电池中，也可以在非高峰时段通过电网充电。在用电高峰时，家用电池可以将需要的电能返还给房屋或电器，而高峰时段本来会以更高的费率计费。所有这些系统的协调，都可以通过Wi-Fi HaLow在每个组件中进行辅助。
电化学电池并不是储存能量的唯一方式。将电能转化为动能，可以提供一种保持可再生清洁能源的方法。过剩的电能可以用来旋转大型飞轮，大型飞轮通常在低摩擦的轴承上旋转。当需要时，飞轮的惯性可以通过发电机，重新转化为电能。这一概念类似于水力发电或风力发电，只是形式更为紧凑。飞轮存储设备的各个部分可以与Wi-Fi HaLow联网，而不依赖于电线。
风能
每座风塔内都有一个变速箱和发电机，将旋转的风力转化为电力，通过电缆输送到地面。所以需要对轴承和齿轮进行监测，以防止其过早磨损或发生振动。同时也要对叶片的方向和节距进行监控，以确保向电网输送稳定的电力。风塔内还包括多种传感器，用于测量各种环境条件，如风速、风向和是否结冰。一个采用Wi-Fi HaLow的网络可以连接所有这些功能，新型小型传感器还可以放置在以前可能无法触及的地方。
地热、水电、天然气、生物能源
Wi-Fi HaLow对于这些清洁能源领域，是一种极具吸引力的无线通信解决方案，因为该技术能够连接大量的传感器和执行器。这些清洁能源领域与工业自动化领域的应用类似。Wi-Fi HaLow传感器可以放置在数据电缆无法到达的地方。可以跨越河流，并且可以聚集一个油田中的多个井口。工艺工程师具有更大的灵活性来设计最佳系统，而不受运行以太网电缆或专有有线控制器解决方案的限制。
Wi-Fi HaLow旨在为可再生能源领域的创新者提供新的选择，Wi-Fi HaLow也代表了一个精彩的未来，即通过物联网将人与设备进行无线连接。对于能源市场来说，这意味着更远的距离、更低的功率、更好的穿透性、更多的本机IP连接以及更强大的安全性。
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