物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 將改變我們的世界。 據(jù)估計(jì)，到 2025 年，將有近 220 億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。將互聯(lián)網(wǎng)連接擴(kuò)展到日常物品將改變行業(yè)并節(jié)省大量成本。 但是，不支持互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備如何通過無線傳感器獲得連接能力呢？
借助無線傳感器，物聯(lián)網(wǎng)成為可能。 個人和組織可以使用無線傳感器來啟用許多不同類型的智能應(yīng)用程序。 從互聯(lián)家庭到智能城市，無線傳感器創(chuàng)造了物聯(lián)網(wǎng)賴以生存的基礎(chǔ)設(shè)施。 了解無線傳感器技術(shù)的工作原理對于任何打算在未來部署 IoT 應(yīng)用程序的人來說都至關(guān)重要。 讓我們看看無線傳感器的工作原理、新興的傳感器無線標(biāo)準(zhǔn)，以及它們在未來將扮演的角色。
什么是無線傳感器？
無線傳感器是一種可以收集感官信息并檢測本地環(huán)境變化的設(shè)備。無線傳感器的示例包括接近傳感器、運(yùn)動傳感器、溫度傳感器和液體傳感器。無線傳感器不會在本地執(zhí)行繁重的數(shù)據(jù)處理，它們消耗的電量非常少，如果使用最佳的無線技術(shù)，單塊電池可以使用數(shù)年。此外，傳感器很容易在低速網(wǎng)絡(luò)上得到支持，因?yàn)樗鼈儌鬏敺浅］p的數(shù)據(jù)負(fù)載。
可以將無線傳感器分組以監(jiān)控整個區(qū)域的環(huán)境條件。這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多空間分散的傳感器組成，這些傳感器通過無線連接進(jìn)行通信。公共網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過在網(wǎng)關(guān)處整合信息的節(jié)點(diǎn)或每個傳感器直接連接到網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)，假設(shè)它可以達(dá)到必要的范圍。網(wǎng)關(guān)充當(dāng)將本地傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)的橋梁，既充當(dāng)路由器又充當(dāng)無線接入點(diǎn)。
無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念愋?/strong>
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常以幾種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排列。最常用于支持無線傳感器技術(shù)的是星形和網(wǎng)狀拓?fù)洹?/span>
#1：星型拓?fù)?/strong>
星型拓?fù)涫敲總€節(jié)點(diǎn)直接連接到中央集線器或網(wǎng)關(guān)的拓?fù)?。在這種安排下，節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送到單個網(wǎng)關(guān)，然后該網(wǎng)關(guān)將消息中繼到預(yù)期的目的地。網(wǎng)關(guān)可以同時與許多節(jié)點(diǎn)共享信息，這使得擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)變得更加容易。
因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不直接在它們之間交換數(shù)據(jù)，所以需要更少的點(diǎn)對點(diǎn)鏈接。因此，星型拓?fù)湟子诎惭b、配置和管理，因?yàn)樾鹿?jié)點(diǎn)只需連接到一個中心點(diǎn)?？傮w而言，星型拓?fù)涫且环N經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可在眾多無線傳感器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
不利的一面是，星型拓?fù)渫耆蕾囉趥鞲衅骱椭醒爰€器之間的無線鏈路。范圍可能是一個問題，因?yàn)闆]有中間“跳躍”或信號中繼器的手段。此外，擴(kuò)展取決于網(wǎng)關(guān)支持其他節(jié)點(diǎn)的能力。
#2：網(wǎng)狀拓?fù)?/strong>
網(wǎng)狀拓?fù)洳粌H僅依賴于中央集線器，而是將數(shù)據(jù)傳輸責(zé)任置于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上。在網(wǎng)狀拓?fù)渲校?jié)點(diǎn)充當(dāng)路由器，可以將信息傳遞給其他節(jié)點(diǎn)。因此，某些節(jié)點(diǎn)的連接問題構(gòu)成的威脅較小，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以沿著多條路徑傳輸?shù)竭_(dá)網(wǎng)關(guān)。
然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)存在許多重大問題。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)需要更復(fù)雜（并且通常過于復(fù)雜）的協(xié)議來形成網(wǎng)絡(luò)并在運(yùn)行時中繼數(shù)據(jù)。另一個主要缺點(diǎn)是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)比星形拓?fù)湎母嗟墓β?，因?yàn)??某些節(jié)點(diǎn)必須保持接通以中繼信息。通常，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)被用作解決范圍不足的快速解決方案，這使得成本高昂的前期投資難以證明是合理的。
傳統(tǒng)的無線傳感器協(xié)議
有許多無線協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間的連接：
#1：無線網(wǎng)絡(luò)
Wi-Fi（“無線保真”）是一種廣泛而通用的局域網(wǎng)技術(shù)，可通過兩個主要頻率 2.4GHz 和 5GHz 發(fā)送信息。 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)可以在中等范圍內(nèi)以相對較快的速度傳輸大型數(shù)據(jù)包。 Wi-Fi 的主要優(yōu)勢在于它在大多數(shù)家庭和企業(yè)中的可用性，因此使其成為一個非常方便的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。
不利的一面是，Wi-Fi 信號穿透墻壁的能力有限，并且由于協(xié)議的擴(kuò)展數(shù)據(jù)開銷，與替代無線傳感器協(xié)議相比，連接的設(shè)備會消耗大量電力。此外，Wi-Fi 密鑰的管理在本地路由器中，這意味著密鑰的更改很容易破壞之前連接的傳感器，并且沒有簡單的方法來更新這些密鑰。電視、筆記本電腦、智能手機(jī)等設(shè)備具有允許用戶輕松更改密鑰的顯示器，但大多數(shù)簡單的傳感器沒有這種類型的接口，并且需要配置過程來修改密鑰。這使得長期管理和可靠性成為 Wi-Fi 傳感器的問題。
大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器通常不需要 Wi-Fi 可用的帶寬。因此，對于簡單的傳感器設(shè)備，它往往不是最優(yōu)的。最后，由于有許多高帶寬設(shè)備競爭相同的 RF 通道以通過 Wi-Fi 流式傳輸視頻、音頻和其他復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸，這些設(shè)備可能會產(chǎn)生大量干擾，從而阻塞其他只需要發(fā)送簡單的消息。
#2：低功耗藍(lán)牙
低功耗藍(lán)牙 (BLE) 是一種低功耗協(xié)議，旨在支持短距離的周期性低數(shù)據(jù)速率無線通信。不要與非常適合將音頻流式傳輸?shù)綋P(yáng)聲器或耳機(jī)的經(jīng)典藍(lán)牙技術(shù)相混淆，BLE 適用于傳輸小信息包的無線傳感器。該技術(shù)是 Wi-Fi 的一種具有成本效益的替代方案，它幾乎不會消耗設(shè)備的電量。然而，BLE 也工作在 2.4GHz，這意味著除了面臨來自其他 2.4GHz 設(shè)備的干擾之外，該協(xié)議在其范圍和穿透墻壁的能力方面受到限制。
十多年來，Zigbee 一直是藍(lán)牙和 Wi-Fi 的低功耗替代品，最適合不需要太多帶寬的無線傳感器。該技術(shù)圍繞 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，并依靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。因此，Zigbee 經(jīng)常用于啟用由許多低功耗設(shè)備組成的智能家居。與 Z-Wave 相比，Zigbee 可以支持大量節(jié)點(diǎn)——單個網(wǎng)絡(luò)中超過 65,000 個。 Zigbee 的一個缺點(diǎn)是一些節(jié)點(diǎn)需要保持“開啟”以中繼信息，如前面的無線拓?fù)洳糠炙觥４送?，由于需要路由器來擴(kuò)展范圍，基礎(chǔ)設(shè)施成本也會增加。一般來說，Zigbee、DigiMesh 和其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以被認(rèn)為是昂貴的“創(chuàng)可貼”，用于較差的射頻性能、干擾避免和范圍。
#3：Z-Wave
Z-Wave 是專為智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)的無線協(xié)議。該技術(shù)由 Zensys 開發(fā)，是 Zigbee 的替代品，可在“噪音較小”的 900MHz 頻段上運(yùn)行，從而避免出現(xiàn)重大干擾問題。然而，Z-Wave 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)只能支持有限數(shù)量的無線傳感器，并且受到前面描述的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的限制。此外，用戶需要與 Silicon Laboratories 簽署許可協(xié)議才能使用增加費(fèi)用的技術(shù)。歸根結(jié)底，構(gòu)建 Z-Wave 傳感器的主要原因是為了與現(xiàn)有 Z-Wave 系統(tǒng)兼容。 Z-Wave 廣泛用于家庭安全行業(yè)，因?yàn)樗试S通過加密通道與端點(diǎn)進(jìn)行雙向通信。傳統(tǒng)的家庭安全協(xié)議是單向且未加密的。因此，它們不適用于門鎖等應(yīng)用。
無線傳感器的 LPWAN 標(biāo)準(zhǔn)
將傳感器等簡單設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)動以及連接世界各地?cái)?shù)十億日常物品的愿景催生了一類新的無線標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)被歸類為低功耗廣域網(wǎng)或 LPWAN。 LPWAN 是一類特定的無線電技術(shù)，用于在很長的距離上發(fā)送少量數(shù)據(jù)。
LPWAN 網(wǎng)絡(luò)從連接的無線傳感器消耗的功率要少得多，訪問成本也更低。使用 LPWAN，最終用戶可以用帶寬換取更大的范圍，這適用于那些部署簡單無線傳感器的用戶。 LPWAN 解決方案通常更具成本效益，使公司能夠?yàn)槠湮锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)積極的投資回報(bào)率。
LoRa（“遠(yuǎn)程”的縮寫）是一種流行的無線標(biāo)準(zhǔn)，具有比 Sigfox 更高的帶寬容量。 LoRa 使用一種稱為啁啾擴(kuò)頻的專有調(diào)制方案，可實(shí)現(xiàn)出色的鏈路裕度，并可以達(dá)到低于射頻本底噪聲的信號。因此，LoRa 傳感器可以在嘈雜的環(huán)境中長距離傳輸更大的數(shù)據(jù)包。 LoRa 網(wǎng)絡(luò)可以使用公共 LoRaWAN 基站或私有網(wǎng)關(guān)，這使得它對于公共訪問可能不可用的更偏遠(yuǎn)地區(qū)的無線傳感器特別有用。
LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)可以連接到基于云的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。從那里，數(shù)據(jù)被推送到應(yīng)用程序。
無線傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的好處
無線傳感器技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)部署有幾個好處：
提高服務(wù)公司的響應(yīng)能力和效率：管道和保險(xiǎn)公司可以從無線漏水傳感器中受益。管道服務(wù)提供商可以在公寓大樓和公寓樓安裝這些傳感器，以便在任何單元發(fā)生泄漏時自動警告它們。保險(xiǎn)公司還可以在家中部署泄漏傳感器，以盡量減少意外洪水可能造成的任何損害。
通過實(shí)時監(jiān)控支持患者醫(yī)療保?。涸诟呒壸o(hù)理設(shè)施中，無線按鈕尤為重要，因?yàn)樗鼈兛梢耘渲脼橄褚苿?PERS 設(shè)備一樣在需要幫助時向工作人員發(fā)出警告。就像在智能家居中一樣，這些設(shè)施也可以使用無線門窗傳感器來檢測居民何時試圖讓他們的房間無人看管。
實(shí)現(xiàn)更好、更智能的產(chǎn)品管理：雜貨店和零售商可以使用遍布其場所的不同類型的無線傳感器保護(hù)資產(chǎn)。借助無線空氣溫度傳感器，設(shè)施管理人員可以跟蹤制冷裝置中的溫度水平，并確保易腐爛物品的安全。
提高工業(yè)環(huán)境的安全性：在汽車經(jīng)銷商處，車隊(duì)經(jīng)理可以在車輛中安裝基于無線加速度的運(yùn)動傳感器，以便當(dāng)汽車在夜間移動時收到通知，這是潛在的盜竊跡象。在倉庫中，設(shè)施主管可以使用無線空氣傳感器計(jì)算熱量指數(shù)，并確保他們?yōu)閱T工維持健康的工作環(huán)境。
保存和維護(hù)易碎藝術(shù)品：在博物館和藝術(shù)畫廊中，保存專家可以在房間內(nèi)放置無線濕度傳感器，以監(jiān)測和調(diào)節(jié)空氣狀況，從而保護(hù)文物或藝術(shù)品。光學(xué)傳感器還可用于檢測照明水平并確保客人獲得最佳觀看體驗(yàn)。
快速保護(hù)和修復(fù)當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施：公用事業(yè)公司可以在電線桿上安裝高溫探頭以檢測變壓器故障。借助傾斜傳感器，他們還可以配置傳感器，以便在電線桿傾斜或被車輛撞擊時向維護(hù)人員發(fā)送警報(bào)。
改善日常生活
這些只是無線傳感器如何在我們的日常生活中實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的幾個例子。隨著時間的推移，我們將繼續(xù)看到不同行業(yè)的創(chuàng)新以及該技術(shù)的其他有用應(yīng)用。
