無線傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的作用是什么

本文概述了無線傳感器的工作原理，網(wǎng)絡(luò)的排列方式以及它們?nèi)绾螢楝F(xiàn)實的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以巨大的方式改變著我們的世界。

通過使日常對象進(jìn)行無線通信，我們可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并創(chuàng)造新的效率，從而對生活和組織產(chǎn)生積極影響。

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是無線傳感器技術(shù)，該技術(shù)使我們可以長時間收集很少的周圍環(huán)境信息。無線傳感器可以配置為測量從空氣溫度到振動的各種變量?？傮w而言，市場上有許多不同類型的無線傳感器。

無線傳感器可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并提高效率，從而對人們的生活和組織產(chǎn)生積極影響。許多無線網(wǎng)絡(luò)包含數(shù)百個（有時甚至數(shù)千個）無線傳感器。這些設(shè)備已經(jīng)廣泛用于零售，農(nóng)業(yè)，城市規(guī)劃，安全和供應(yīng)鏈管理等行業(yè)。

在本文中，我們將更深入地研究無線傳感器的工作原理，并解釋為什么它們對于物聯(lián)網(wǎng)革命如此重要。

無線傳感器做什么？

無線傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)厍闆r的數(shù)據(jù)，并與其他功能強(qiáng)大的組件或平臺共享發(fā)現(xiàn)結(jié)果，以進(jìn)行進(jìn)一步處理。傳感器通常分布在較大的地理區(qū)域，并經(jīng)過編程以與中央集線器，網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器進(jìn)行通信。

無線傳感器的一個主要優(yōu)點是，它們需要的維護(hù)水平較低，并且功能所需的電能很少。在需要更換電池或充電之前，傳感器可以支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用多年。

在構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)時，開發(fā)人員面臨的最大問題之一是如何在現(xiàn)場布置無線傳感器。傳感器或“節(jié)點”必須以支持網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員總體目標(biāo)的方式分布。

無線傳感器如何聯(lián)網(wǎng)？

無線傳感器的兩種最常見的布置是星形和網(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>

“網(wǎng)狀”拓?fù)涿枋隽似渲袀鞲衅鬟B接到盡可能多的其他附近節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果，數(shù)據(jù)可以從一個節(jié)點“跳”到下一個節(jié)點，而不必遵循某些路由或傳感器層次結(jié)構(gòu)。結(jié)果，連接問題對網(wǎng)絡(luò)性能的危害較小，因為數(shù)據(jù)可以通過多條路徑到達(dá)處理組件。網(wǎng)狀拓?fù)湟埠苋菀讛U(kuò)展，因為新傳感器只需要連接到現(xiàn)有節(jié)點即可。

不利的一面是，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成本高昂，并且可能難以維護(hù)。創(chuàng)建和管理的連接太多了，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

“星形”拓?fù)涿枋隽嗣總€傳感器直接連接到中央網(wǎng)關(guān)或集線器的網(wǎng)絡(luò)。這些集線器獲取傳感器信息，并將其傳輸?shù)狡渌麘?yīng)用程序進(jìn)行處理。在這些布置中，節(jié)點不彼此直接通信。

與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，星形網(wǎng)絡(luò)更具成本效益，因為所需的連接較少。但是，由于任何新的傳感器都必須連接具有容量限制的中央集線器，因此很難擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

過去無線傳感器如何通信？

有幾種可以支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線標(biāo)準(zhǔn)。

直到最近，蜂窩技術(shù)還是廣域網(wǎng)（WAN）連接最常用的選擇。但是，蜂窩技術(shù)昂貴且消耗大量能量，因此不適用于遠(yuǎn)程，低功耗設(shè)備，例如無線傳感器。

除蜂窩技術(shù)外，WiFi，低功耗藍(lán)牙（BLE）和Zigbee也可以支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些標(biāo)準(zhǔn)也屬于“傳統(tǒng)無線解決方案”類別，但具有獨特的優(yōu)缺點。

WiFi（“無線保真度”）是當(dāng)今在商業(yè)辦公室和家庭中使用最廣泛的無線技術(shù)之一。WiFi使用2.4GHz和5GHz ISM頻段。由于WiFi如此普及，因此利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來無線傳感器使用相對容易。

然而，WiFi信號難以穿透墻壁，這對于遠(yuǎn)程應(yīng)用是不利的。此外，WiFi網(wǎng)絡(luò)由本地路由器管理，這些路由器可能并不總是具有用于更新傳感器密鑰的直接用戶界面。

BLE是一種低功耗協(xié)議，與傳統(tǒng)的藍(lán)牙技術(shù)不同。BLE使用2.4GHz頻帶傳輸少量信息。無線標(biāo)準(zhǔn)的使用成本比WiFi低。但是，在通過墻壁或長距離發(fā)送數(shù)據(jù)時也存在相同的問題。此外，由于許多其他設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)都使用2.4GHz頻帶，因此BLE容易受到信號干擾的影響。

Zigbee是一種無線標(biāo)準(zhǔn)，它依賴于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來支持單個網(wǎng)絡(luò)中的大量節(jié)點（》 65k）。Zigbee最適合不需要太多帶寬的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的一個缺點是某些傳感器必須始終處于打開狀態(tài)才能共享信息以進(jìn)行處理。結(jié)果，Zigbee消耗的總能量超過了當(dāng)今的領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)。

哪些通信標(biāo)準(zhǔn)控制無線傳感器？

盡管傳統(tǒng)的無線標(biāo)準(zhǔn)很有效，但出現(xiàn)了一個新類別，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加有效。低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x技術(shù)正在增長。LPWAN可以支持?jǐn)?shù)十億個傳感器，并將大量用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

LPWAN與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)相比具有許多優(yōu)勢。首先，由于它們以低得多的比特率傳輸信息，因此它們從設(shè)備消耗的功率更少。一次充電即可使傳感器在LPWAN上存活數(shù)年。LPWAN還可以在廣闊的地理區(qū)域內(nèi)支持傳感器，因為數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)距離傳輸。

從成本角度來看，與替代方法相比，在LPWAN上部署無線傳感器的成本更低。因為數(shù)據(jù)速率太低，所以對硬件的要求就不那么嚴(yán)格了。

使用LPWAN有幾個缺點。LPWAN不適用于涉及大數(shù)據(jù)包的應(yīng)用程序。需要傳輸更多數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使用容量更大的蜂窩或短距離WiFi，BLE和Zigbee網(wǎng)絡(luò)。此外，LPWAN使用未經(jīng)許可的無線電頻率，從干擾的角度來看，這可能更難管理。

當(dāng)今無線傳感器領(lǐng)先的LPWAN是什么？

用于無線傳感器的三個主要LPWAN是LoRa，SigFox和NB-IoT。

LoRa（“遠(yuǎn)距離”）是一種廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)，它使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制方案在很長的距離上傳輸數(shù)據(jù)。LoRa是LoRaWAN（可通過網(wǎng)關(guān)或LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)提供商連接無線傳感器）的公共可用層規(guī)范的基礎(chǔ)。LoRaWAN具有比Sigfox更高的帶寬，并且可以通過嘈雜的環(huán)境更有效地傳輸數(shù)據(jù)包。

使用LoRaWAN，數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過加密的消息發(fā)送。服務(wù)器對最終發(fā)送到最終應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行身份驗證和解密。用戶可以通過LoRaWAN將消息直接發(fā)送到無線傳感器以重新配置設(shè)備。

LoRaWAN傳感器根據(jù)傳感器發(fā)送和接收消息的能力分為三類。A類設(shè)備將保持睡眠模式，直到有東西要發(fā)送。這些傳感器可以隨時發(fā)送上行鏈路消息，這使得它們在無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WSAN）中特別有用。

B類傳感器具有計劃的窗口，供設(shè)備從服務(wù)器接收下行鏈路消息。C類設(shè)備保持打開的消息接收窗口，除非它們需要傳輸信息。因此，C傳感器可實現(xiàn)低延遲通信，但比其他類別的傳感器消耗更多的能量。

對于所有這些LoRaWAN傳感器類型，網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員必須具有適當(dāng)?shù)木W(wǎng)關(guān)硬件才能接收數(shù)據(jù)并將信息傳遞到服務(wù)器。

SigFox使用超窄帶傳輸將無線傳感器直接連接到基站。該標(biāo)準(zhǔn)已覆蓋超過55個國家/地區(qū)，并且在美國每個子帶可以支持600 bps的100多個信道。但是，數(shù)據(jù)包限制為12個字節(jié)，并且該標(biāo)準(zhǔn)不允許消息ACK。SigFox用戶按設(shè)備以及每天發(fā)送的上行鏈路和下行鏈路消息數(shù)付費。

NB-IoT使用現(xiàn)有的蜂窩塔基礎(chǔ)設(shè)施為低功耗設(shè)備提供廣泛的覆蓋范圍。該標(biāo)準(zhǔn)對狹窄的通道使用了保護(hù)帶，以避免干擾，并且可以很好地穿透室內(nèi)環(huán)境。在2018年，T-Mobile通過其4G網(wǎng)絡(luò)增加了NB-IoT覆蓋范圍。