本文概述了無線傳感器的工作原理，網(wǎng)絡(luò)布局以及他們?nèi)绾巫饔糜谖锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)正以驚人的方式改變著我們的世界。物與物之間進(jìn)行無線通信，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的自動(dòng)化，并大幅提升效率，從而對(duì)生活和生產(chǎn)產(chǎn)生積極的影響。

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是無線傳感器技術(shù)，該技術(shù)允許我們?cè)陂L時(shí)間內(nèi)收集有關(guān)周圍環(huán)境的信息，而無需人工參與。無線傳感器可以測(cè)量各種變量，從空氣溫度到振動(dòng)?？偟膩碚f，市場(chǎng)上有許多不同類型的無線傳感器。

許多無線網(wǎng)絡(luò)包含數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)無線傳感器。這些設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括零售、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)劃、安全和供應(yīng)鏈管理等。

在本文中，我們深入探討了無線傳感器的工作原理，并解釋了它們?yōu)槭裁磳?duì)物聯(lián)網(wǎng)革命如此重要。

無線傳感器的作用是什么?

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(tái)共享分析結(jié)果，以供進(jìn)一步處理。傳感器通常分布在范圍較大的地理區(qū)域，并被編程與中央集線器、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器進(jìn)行通信。

無線傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它們需要的維護(hù)水平較低、功耗也低。充一次電或更換一次電池后，傳感器可以支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用運(yùn)作數(shù)年。

在建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)方面，開發(fā)人員面臨的最大問題之一是如何在該領(lǐng)域配置無線傳感器。傳感器或“節(jié)點(diǎn)”必須以支持網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員總體目標(biāo)的方式分布。

無線傳感器的布網(wǎng)方式

無線傳感器最常見的兩種布網(wǎng)是星型拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>

網(wǎng)狀拓?fù)涫侵競鞲衅骺梢员M可能多的連接到鄰近節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。換言之，數(shù)據(jù)可以從一個(gè)節(jié)點(diǎn)“跳”到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而不必遵循特定的路由或傳感器層次結(jié)構(gòu)。連接問題對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的危害較小，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以采取多種途徑到達(dá)處理組件。鑒于新的傳感器只需要連接到現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格拓?fù)湟埠苋菀讛U(kuò)展。

另一方面，網(wǎng)狀拓?fù)涞某杀臼职嘿F，且很難維護(hù)。有那么多的連接需要?jiǎng)?chuàng)建和管理，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這將變得更加具有挑戰(zhàn)性。

星型拓?fù)涫侵该總€(gè)傳感器直接連接到中央網(wǎng)關(guān)或集線器的網(wǎng)絡(luò)。這些集線器接收傳感器信息并將其傳輸?shù)狡渌麘?yīng)用程序進(jìn)行處理。在這種布局中，節(jié)點(diǎn)之間不直接通信。

與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，因?yàn)樾枰俚倪B接，星形網(wǎng)絡(luò)更具成本效益。但由于任何新的傳感器都必須連接中央集線器，而中央集線器的容量又有限，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)就成了一大難題。

無線傳感器以前是如何通信的?

直到現(xiàn)在，蜂窩技術(shù)還是廣域網(wǎng)連接最常見的選擇。但是，蜂窩技術(shù)成本較高，并會(huì)消耗大量的能耗，這并不適合于遠(yuǎn)距離、低功耗的設(shè)備，如無線傳感器。

除了蜂窩技術(shù)之外，WiFi、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”范疇，但均有其優(yōu)缺點(diǎn)。

WiFi是當(dāng)今商務(wù)辦公和家庭中應(yīng)用最廣泛的無線技術(shù)之一。WiFi使用2.4GHz和5 GHz ISM頻段。因?yàn)閃iFi普及程度較高，所以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)來連接無線傳感器是相對(duì)容易的。

然而，WiFi信號(hào)很難穿透墻壁，這對(duì)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是一種與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)不同的低功耗協(xié)議。BLE使用2.4GHz頻段傳輸少量信息。與WiFi相比，無線標(biāo)準(zhǔn)的使用成本更低;然而，在通過墻壁或遠(yuǎn)距離發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)也存在同樣的問題。此外，由于不少其他設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)使用2.4GHz頻段，BLE容易受到信號(hào)干擾。

ZigBee是一種無線標(biāo)準(zhǔn)，它依賴于Mesh網(wǎng)絡(luò)來支持單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的大量節(jié)點(diǎn)(>65k)。ZigBee對(duì)于不需要太多帶寬的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是最好的選擇。

Zigbee的一個(gè)缺點(diǎn)是，為了共享信息以進(jìn)行處理，某些傳感器必須始終處于工作狀態(tài)。因此，Zigbee的功耗還是偏高的。

無線傳感器最實(shí)用的通信標(biāo)準(zhǔn)是什么?

雖然傳統(tǒng)的無線標(biāo)準(zhǔn)是有效的，但一種新的，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具效益的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出現(xiàn)。低功耗廣域網(wǎng)(LPWANs)作為遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)正在不斷發(fā)展壯大，LPWANs可以支持?jǐn)?shù)十億傳感器，并將大量用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)相比，LPWANs具有一些優(yōu)勢(shì)。首先，可以更低的比特率傳輸信息。只需進(jìn)行一次電池充電，傳感器就可以在LPWANs上運(yùn)行幾年。由于數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)距離傳輸，LPWANs還可以支持覆蓋廣大地理區(qū)域的傳感器。

從成本角度來看，在LPWANs上部署無線傳感器比其他方法更具性價(jià)比。由于數(shù)據(jù)速率太低，硬件需求就不那么強(qiáng)烈了。

使用LPWANs有幾個(gè)缺點(diǎn)。LPWAN不太適合于涉及大數(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)該使用更大容量的蜂窩或短距離WiFi、BLE和Zigbee網(wǎng)絡(luò)。此外，LPWANs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。

應(yīng)用于無線傳感器的LPWANs有哪些?

用于無線傳感器的三種主要LPWANs是LoRa、SigFox和NB-IoT。

LoRa是一種被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)，它使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制方案在非常遠(yuǎn)的距離上傳輸數(shù)據(jù)。LoRa是LoRaWAN(通過網(wǎng)關(guān)或LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)提供商連接無線傳感器)公開可用的層規(guī)范。LoRaWAN具有比SigFox更高的帶寬，并且可以在有干擾的環(huán)境中更有效地傳輸數(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)器之間通過加密消息發(fā)送。服務(wù)器對(duì)最終發(fā)送到最終應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行身份驗(yàn)證和解密。用戶可以通過LoRaWAN直接向無線傳感器發(fā)送消息以重新配置設(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)備一直處于休眠模式，直到有東西可傳輸。這些傳感器可以隨時(shí)發(fā)送上行消息，這使得它們?cè)跓o線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(WSAN)中作用重大。

B類傳感器為設(shè)備安排窗口以接收來自服務(wù)器的下行消息。C類傳感器為消息維護(hù)一個(gè)打開的接收窗口，直到它們需要傳輸信息。因此，C傳感器可以實(shí)現(xiàn)低延遲通信，但比其他類型的傳感器消耗更多的功耗。

對(duì)于所有這些LoRaWAN傳感器類型，網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員必須有適當(dāng)?shù)木W(wǎng)關(guān)硬件來接收數(shù)據(jù)并將信息傳遞給服務(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)已在55個(gè)以上的國家/區(qū)域覆蓋，并可以在美國以600bps的速率支持每個(gè)子頻段超過100個(gè)以上的信道。但是，數(shù)據(jù)包僅限于12個(gè)字節(jié)，而且該標(biāo)準(zhǔn)不允許消息ACK(確認(rèn)字符)。SigFox用戶按每臺(tái)設(shè)備和每天發(fā)送的上行與下行消息數(shù)量付費(fèi)。

NB-IoT利用現(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)采用保護(hù)帶窄通道，以避免干擾，并能很好地穿透室內(nèi)環(huán)境。2018年，T-Mobile通過4G網(wǎng)絡(luò)增加了NB-IoT的覆蓋范圍。

構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必備要素是哪些?

設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有幾個(gè)關(guān)鍵特性行持續(xù)的維護(hù)和更換。

首先，應(yīng)該易于在網(wǎng)絡(luò)中定位節(jié)點(diǎn)。當(dāng)開發(fā)人員知道在哪里可找到他們所有的設(shè)備時(shí)，進(jìn)行傳感器的維護(hù)(比如更換電池和更新組件)就容易多了。

第二，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠承受節(jié)點(diǎn)故障而不會(huì)造成廣泛的干擾。拓?fù)湓诰W(wǎng)絡(luò)如何處理連接性的問題中起著重要作用。部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶必須選擇能夠承受組件故障的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

第三，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該易于擴(kuò)展。開發(fā)人員必須能夠有效地?cái)U(kuò)展他們的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，不必投入大量的資金。

最后，功耗。使用的無線傳感器應(yīng)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)需求保持一致。否則，網(wǎng)絡(luò)管理員可能會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和資金進(jìn)

無線傳感器如何為萬物互聯(lián)賦能?

已經(jīng)有很多真實(shí)的例子說明無線傳感器技術(shù)如何被廣泛應(yīng)用于不同的行業(yè)和應(yīng)用中。

安防部門在很多方面都采用了無線傳感器技術(shù)。使用無線傳感器，組織可以監(jiān)視其場(chǎng)所，識(shí)別可疑活動(dòng)，并跟蹤有價(jià)值的資產(chǎn)。銀行可以為員工將無線按鈕轉(zhuǎn)換為緊急按鈕，零售商可以在每個(gè)建筑物的接入點(diǎn)上安裝無線窗口傳感器。房主還可以使用無線空氣傳感器來檢測(cè)空氣中的有害氣體，如一氧化碳。

在公用事業(yè)管理方面，無線傳感器有助于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)之間的自動(dòng)化通信，并經(jīng)行預(yù)測(cè)性報(bào)修。例如，可以在墻上安裝漏水傳感器，以檢測(cè)水管故障或冬季可能爆裂的管道。服務(wù)器機(jī)房和數(shù)據(jù)中心正在使用無線繩索傳感器來檢測(cè)計(jì)算機(jī)硬件附近是否存在水珠。

無線傳感器還支持災(zāi)害管理工作。在橋梁上安裝無線傳感器，可以探測(cè)超過某一閾值的水位，從而表明該地區(qū)有可能出現(xiàn)山洪。大型機(jī)械工廠正在使用無線振動(dòng)傳感器，在設(shè)備故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，無線傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控病人，無線按鈕可作為PERS設(shè)備的高級(jí)護(hù)理設(shè)施。濕度傳感器正在幫助醫(yī)院設(shè)施管理人員為病人保持健康的環(huán)境條件。

零售商和雜貨店正在地板上使用無線傳感器來為顧客創(chuàng)造積極的體驗(yàn)。洗手間安裝了無線推送傳感器，這樣購物者就可以指示何時(shí)需要清潔。無線空氣溫度設(shè)備也可在商店監(jiān)控冰箱中的冷藏商品。

這些只是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何提高生產(chǎn)生活的效率，并以積極的方式影響生活的幾個(gè)例子。隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，期望看到更多創(chuàng)新的傳感器應(yīng)用改變現(xiàn)代社會(huì)的案例。