通過使日常對象能夠以無線方式進(jìn)行通信，我們可以自動化數(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)，它允許我們在很短的時間內(nèi)收集有關(guān)周圍環(huán)境的信息，而無需人工操作。無線傳感器可配置為測量從空氣溫度到振動的各種變量。總的來說，市場上有許多不同類型的無線傳感器。
無線傳感器可自動進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并創(chuàng)造新的效率，對生活和組織產(chǎn)生積極影響。單擊“推文”
許多無線網(wǎng)絡(luò)包含數(shù)百甚至數(shù)千個無線傳感器。這些設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括零售，農(nóng)業(yè)，城市規(guī)劃，安全和供應(yīng)鏈管理。
無線傳感器做什么？
無線傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)貤l件的數(shù)據(jù)，并與其他強(qiáng)大的組件或平臺共享結(jié)果，以便進(jìn)一步處傳感器通常分布在大的地理區(qū)域，并被編程為與中央集線器，網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器通信。
無線傳感器的一個主要優(yōu)點(diǎn)是它們需要低水平的維護(hù)和少量的功率。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)場安排無線傳感器。傳感器或“節(jié)點(diǎn)”必須以支持網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員的總體目標(biāo)的方式分發(fā)。
無線傳感器如何聯(lián)網(wǎng)？
無線傳感器的兩種最常見的安排是星形和網(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>
“網(wǎng)格”拓?fù)涿枋隽藗鞲衅鬟B接到盡可能多的其他附近節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果，數(shù)據(jù)可以從一個節(jié)點(diǎn)“跳”到下一個節(jié)點(diǎn)，而不必遵循某些路由或傳感器層次結(jié)構(gòu)。因此，連接問題對網(wǎng)絡(luò)性能的危害較小，因?yàn)閿?shù)據(jù)可能需要多條路徑才能到達(dá)處理組件。由于新傳感器只需要連接到現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)狀拓?fù)湟埠苋菀讛U(kuò)展。
在缺點(diǎn)方面，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成本高且難以維護(hù)。創(chuàng)建和管理有很多連接，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展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(diǎn)不直接彼此通信。
與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，星形網(wǎng)絡(luò)更具成本效益，因?yàn)樾枰俚倪B接。然而，由于任何新傳感器必須連接具有容量限制的中央集線器，因此擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)更加困難。
過去無線傳感器如何通信？
有幾種可用的無線標(biāo)準(zhǔn)可以支持傳感器網(wǎng)絡(luò)。
直到最近，蜂窩技術(shù)才是廣域網(wǎng)（WAN）連接最常用的選擇。然而，蜂窩技術(shù)昂貴并且消耗大量能量，這不太適合于諸如無線傳感器的遠(yuǎn)程低功率設(shè)備。
在蜂窩技術(shù)之外，WiFi，藍(lán)牙低功耗（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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
WiFi（“無線保真”）是當(dāng)今商業(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如此普遍，因此利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行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)用來說是不利的。另外，WiFi網(wǎng)絡(luò)由本地路由器管理，本地路由器可能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，不同于傳統(tǒng)的藍(lán)牙技術(shù)。BLE使用2.4GHz頻段傳輸少量信息。無線標(biāo)準(zhǔn)的使用成本低于WiFi;但是，在通過墻壁或長距離發(fā)送數(shù)據(jù)時存在同樣的問題。此外，BLE易受信號干擾，因?yàn)樵S多其他設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)使用2.4GHz頻段。
Zigbee是一種無線標(biāo)準(zhǔn)，它依靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來支持單個網(wǎng)絡(luò)中的大量節(jié)點(diǎn)（> 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(diǎn)是必須始終打開一些傳感器才能共享信息以進(jìn)行處理。因此，Zigbee消耗的能源總量超過了當(dāng)今的領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)。
什么通信標(biāo)準(zhǔn)管理無線傳感器？
雖然傳統(tǒng)的無線標(biāo)準(zhǔn)是有效的，但已經(jīng)出現(xiàn)了一種對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更有效的新課程。低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）正在成長為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x技術(shù)。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)相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢。首先，它們從設(shè)備消耗更少的功率，因?yàn)樗鼈円愿偷谋忍芈蕚鬏斝畔?。只需一次充電，傳感器就可以在LPWAN上存活數(shù)年。LPWAN還可以支持廣闊地理區(qū)域的傳感器，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以長距離傳輸。
從成本角度來看，與其他方法相比，在LPWAN上部署無線傳感器的成本更低。由于數(shù)據(jù)速率非常低，因此硬件要求不那么強(qiáng)烈。
使用LPWAN有幾個缺點(diǎn)。LPWAN不適合涉及大數(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)使用更高容量的蜂窩或短距離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，這可能更難以管理。
今天無線傳感器的主要LPWAN是什么？
用于無線傳感器的三個主要LPWAN是LoRa，SigFox和NB-IoT。
LoRa（“長距離”）是一種被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)，它使用啁啾擴(kuò)頻調(diào)制方案在很長的距離上傳輸數(shù)據(jù)。LoRa是LoRaWAN的基礎(chǔ)，LoRaWAN是一種可通過網(wǎng)關(guān)或LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)提供商連接無線傳感器的公共層規(guī)范。LoRaWAN具有比Sigfox更高的帶寬，并且可以通過噪聲更大的環(huán)境更有效地傳輸數(shù)據(jù)包。
使用LoRaWAN，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的加密消息發(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(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組。A類設(shè)備保持睡眠模式，直到它們有東西要傳輸。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類傳感器具有用于設(shè)備從服務(wù)器接收下行鏈路消息的調(diào)度窗口。C類設(shè)備維護(hù)消息的開放接收窗口，除非它們需要傳輸信息。因此，C傳感器實(shí)現(xiàn)低延遲通信，但比其他類別的傳感器消耗更多能量。
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)硬件來接收數(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)覆蓋超過55個國家，并且可以支持美國每個子頻段超過100個頻道，速度為600 bps。但是，數(shù)據(jù)包限制為12個字節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)不允許消息ACK。SigFox用戶按設(shè)備付費(fèi)以及每天發(fā)送的上行鏈路和下行鏈路消息的數(shù)量。
NB-IoT使用現(xiàn)有的蜂窩塔基礎(chǔ)設(shè)施為低功率設(shè)備提供廣泛的覆蓋。該標(biāo)準(zhǔn)使用窄帶保護(hù)帶來避免干擾，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。
什么使有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)？
精心設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有幾個關(guān)鍵特性。
首先，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該易于在網(wǎng)絡(luò)中定位。當(dāng)開發(fā)人員知道在哪里可以找到所有設(shè)備時，傳感器維護(hù)（例如更換電池和更新組件）要容易得多。
其次，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠承受節(jié)點(diǎn)故障而不會造成廣泛的中斷。拓?fù)湓诰W(wǎng)絡(luò)處理連接問題方面發(fā)揮著重要作用。那些部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人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發(fā)展其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而無需投入大量資金進(jìn)行擴(kuò)展。
最后，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時考慮功耗非常重要。使用的無線傳感器應(yīng)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)需求保持一致。否則，網(wǎng)絡(luò)管理員可能會花費(fèi)大量時間和資金進(jìn)行持續(xù)維護(hù)和更換。
今天如何使用無線傳感器？
目前，有許多關(guān)于如何在各種行業(yè)和應(yīng)用中使用無線傳感器技術(shù)的實(shí)際例子。
安全部門已經(jīng)在很多方面采用了無線傳感器技術(shù)。借助無線傳感器，組織可以監(jiān)控其場所，識別可疑活動并跟蹤有價值的資產(chǎn)。銀行可以將無線按鈕轉(zhuǎn)換為員工的緊急按鈕，零售商可以在每個建筑物接入點(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空氣中的有害氣體，例如一氧化碳。
在公用事業(yè)管理方面，無線傳感器有助于自動化關(guān)鍵系統(tǒng)之間的通信并緩解未來的問題。例如，漏水傳感器可以安裝在墻壁上，以檢測管道故障或可能在冬季爆裂的管道。無線繩索傳感器用于服務(wù)器機(jī)房和數(shù)據(jù)中心，以檢測計(jì)算機(jī)硬件附近是否存在水。
無線傳感器也支持災(zāi)難管理工作。在德克薩斯州，無線傳感器安裝在橋梁上，可以檢測到超過某個閾值的水位，從而表明該區(qū)域可能發(fā)生洪水泛濫。無線振動傳感器正在具有大型機(jī)械的工業(yè)工廠中使用，以在設(shè)備發(fā)生故障之前預(yù)測它們。
在醫(yī)療保健領(lǐng)域，無線傳感器正在幫助護(hù)理團(tuán)隊(duì)實(shí)時監(jiān)控患者。無線按鈕在高級護(hù)理設(shè)施中用作PERS設(shè)備。濕度傳感器正在幫助醫(yī)院設(shè)施管理人員為患者保持健康的環(huán)境條件。
零售商和雜貨店正在地板上使用無線傳感器，以幫助員工為客戶創(chuàng)造積極的體驗(yàn)。無線推送傳感器正安裝在洗手間中，因此購物者可以指示何時需要清潔。無線空調(diào)設(shè)備正在幫助超市同時監(jiān)控冰箱和非冷藏商品。
物聯(lián)商城表示，這些只是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何以積極的方式創(chuàng)造新的效率和影響生活的幾個例子。隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們期待看到更多創(chuàng)新的傳感器應(yīng)用，永遠(yuǎn)改變現(xiàn)代工業(yè)。
