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(tái)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(guò)無(wú)線傳感器獲得連接能力呢？
借助無(wú)線傳感器，物聯(lián)網(wǎng)成為可能。 個(gè)人和組織可以使用無(wú)線傳感器來(lái)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(wú)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(wú)線傳感器技術(shù)的工作原理對(duì)于任何打算在未來(lái)部署 IoT 應(yīng)用程序的人來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要。 讓我們看看無(wú)線傳感器的工作原理、新興的傳感器無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，以及它們?cè)谖磥?lái)將扮演的角色。
什么是無(wú)線傳感器？
無(wú)線傳感器是一種可以收集感官信息并檢測(cè)本地環(huán)境變化的設(shè)備。無(wú)線傳感器的示例包括接近傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、溫度傳感器和液體傳感器。無(wú)線傳感器不會(huì)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(wú)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(wú)線傳感器分組以監(jiān)控整個(gè)區(qū)域的環(huán)境條件。這些無(wú)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(guò)無(wú)線連接進(jìn)行通信。公共網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過(guò)在網(wǎng)關(guān)處整合信息的節(jié)點(diǎn)或每個(gè)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(wú)線接入點(diǎn)。
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念愋?/strong>
無(wú)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(wú)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€(gè)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(gè)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(shí)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(duì)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(gè)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(wú)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(wú)線鏈路。范圍可能是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有中間“跳躍”或信號(hào)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(wèn)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(wèn)題。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)需要更復(fù)雜（并且通常過(guò)于復(fù)雜）的協(xié)議來(lái)形成網(wǎng)絡(luò)并在運(yùn)行時(shí)中繼數(shù)據(jù)。另一個(gè)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(wú)線傳感器協(xié)議
有許多無(wú)線協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間的連接：
#1：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
Wi-Fi（“無(wú)線保真”）是一種廣泛而通用的局域網(wǎng)技術(shù)，可通過(guò)兩個(gè)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(duì)較快的速度傳輸大型數(shù)據(jù)包。 Wi-Fi 的主要優(yōu)勢(shì)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(gè)非常方便的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。
不利的一面是，Wi-Fi 信號(hào)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(kāi)銷，與替代無(wú)線傳感器協(xié)議相比，連接的設(shè)備會(huì)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(méi)有簡(jiǎn)單的方法來(lái)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(jiǎn)單的傳感器沒(méi)有這種類型的接口，并且需要配置過(guò)程來(lái)修改密鑰。這使得長(zhǎng)期管理和可靠性成為 Wi-Fi 傳感器的問(wèn)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(duì)于簡(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)相同的 RF 通道以通過(guò) 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(huì)產(chǎn)生大量干擾，從而阻塞其他只需要發(fā)送簡(jiǎn)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(wú)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(wú)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(huì)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(lái)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(lái)，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(wú)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中超過(guò) 65,000 個(gè)。 Zigbee 的一個(gè)缺點(diǎn)是一些節(jié)點(diǎn)需要保持“開(kāi)啟”以中繼信息，如前面的無(wú)線拓?fù)洳糠炙?。此外，由于需要路由器?lái)擴(kuò)展范圍，基礎(chǔ)設(shè)施成本也會(huì)增加。一般來(lái)說(shuō)，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(wú)線協(xié)議。該技術(shù)由 Zensys 開(kāi)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(wèn)題。然而，Z-Wave 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)只能支持有限數(shù)量的無(wú)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(guò)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(wú)線傳感器的 LPWAN 標(biāo)準(zhǔn)
將傳感器等簡(jiǎn)單設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)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(wú)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(wú)線電技術(shù)，用于在很長(zhǎng)的距離上發(fā)送少量數(shù)據(jù)。
LPWAN 網(wǎng)絡(luò)從連接的無(wú)線傳感器消耗的功率要少得多，訪問(wèn)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(jiǎn)單無(wú)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(xiě)）是一種流行的無(wú)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(hào)。因此，LoRa 傳感器可以在嘈雜的環(huán)境中長(zhǎng)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(duì)于公共訪問(wèn)可能不可用的更偏遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)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(wú)線傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的好處
無(wú)線傳感器技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)部署有幾個(gè)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(wú)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(shí)自動(dòng)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(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控支持患者醫(yī)療保健：在高級(jí)護(hù)理設(shè)施中，無(wú)線按鈕尤為重要，因?yàn)樗鼈兛梢耘渲脼橄褚苿?dòng) PERS 設(shè)備一樣在需要幫助時(shí)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(wú)線門窗傳感器來(lái)檢測(cè)居民何時(shí)試圖讓他們的房間無(wú)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(chǎng)所的不同類型的無(wú)線傳感器保護(hù)資產(chǎn)。借助無(wú)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(wú)線加速度的運(yùn)動(dòng)傳感器，以便當(dāng)汽車在夜間移動(dòng)時(shí)收到通知，這是潛在的盜竊跡象。在倉(cāng)庫(kù)中，設(shè)施主管可以使用無(wú)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(huà)廊中，保存專家可以在房間內(nèi)放置無(wú)線濕度傳感器，以監(jiān)測(cè)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(cè)照明水平并確?？腿双@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(cè)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(shí)向維護(hù)人員發(fā)送警報(bào)。
改善日常生活
這些只是無(wú)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(gè)例子。隨著時(shí)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。
