經(jīng)驗(yàn)案例

物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器如何傳輸？4g dtu還是低功耗廣域網(wǎng)

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(duì)象進(jìn)行無線通信，我們可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并創(chuàng)造新的效率，從而對(duì)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(zhǎng)時(shí)間收集很少的周圍環(huán)境信息。無線傳感器可以配置為測(cè)量從空氣溫度到振動(dòng)的各種變量。總體而言，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)百個(gè)（有時(shí)甚至數(shù)千個(gè)）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(duì)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(tái)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)，開發(fā)人員面臨的最大問題之一是如何在現(xiàn)場(chǎng)布置無線傳感器。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?ldquo;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(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果，數(shù)據(jù)可以從一個(gè)節(jié)點(diǎn)“跳”到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的危害較小，因?yàn)閿?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?yàn)樾聜鞲衅髦恍枰B接到現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)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€(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?yàn)樗璧倪B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)。傳感器的物理接口大都為RS485，蜂窩技術(shù)還是廣域網(wǎng)4g dtu（WAN）連接最常用的選擇，無需自己架設(shè)基站，4G DTU插上sim卡，485與DTU連接，即可傳輸，簡(jiǎn)單易用。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(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。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(duì)容易。然而，WiFi信號(hào)難以穿透墻壁，這對(duì)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(zhǎng)距離發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(hào)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(gè)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(gè)缺點(diǎn)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？
傳感器使用的大部分都是modbus國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳輸設(shè)備采用透?jìng)鞯姆绞降椒?wù)器地址和指定端口。4G蜂窩傳輸和低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x技術(shù)正在增長(zhǎng)。LPWAN可以支持?jǐn)?shù)十億個(gè)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(shì)。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?yàn)閿?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?yàn)閿?shù)據(jù)速率太低，所以對(duì)硬件的要求就不那么嚴(yán)格了。使用LPWAN有幾個(gè)缺點(diǎn)。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(gè)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(zhǎng)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(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(shí)發(fā)送上行鏈路消息，這使得它們?cè)跓o線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WSAN）中特別有用。
B類傳感器具有計(jì)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(shí)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(duì)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(gè)國(guó)家/地區(qū)，并且在美國(guó)每個(gè)子帶可以支持600 bps的100多個(gè)信道。但是，數(shù)據(jù)包限制為12個(gè)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(fèi)。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(duì)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。
什么構(gòu)成了有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)？
設(shè)計(jì)良好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有幾個(gè)關(guān)鍵特性。首先，節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(shí)，更換電池和更新組件之類的傳感器維護(hù)就容易得多。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(huì)造成廣泛的干擾。拓?fù)湓诰W(wǎng)絡(luò)如何處理連接性問題中起著重要作用。那些部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人員必須選擇可以承受組件故障的拓?fù)洹?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)，而不必投入大量資金進(jìn)行擴(kuò)展。最后，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮功耗。所使用的無線傳感器應(yīng)符合IoT應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)需求。否則，網(wǎng)絡(luò)管理員冒著花費(fèi)大量時(shí)間和資金進(jìn)行持續(xù)維護(hù)和更換的風(fēng)險(xiǎn)。

今天如何使用無線傳感器？
目前，已經(jīng)有許多現(xiàn)實(shí)世界中的示例說明了當(dāng)今如何在各種行業(yè)和應(yīng)用程序中使用無線傳感器技術(shù)。安全部門已經(jīng)在許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)視其場(chǎng)所，識(shí)別可疑活動(dòng)并跟蹤有價(jià)值的資產(chǎn)。銀行可以將無線按鈕變成員工的緊急按鈕，零售商可以在每個(gè)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(cè)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(dòng)化關(guān)鍵系統(tǒng)之間的通信并減輕未來的問題。例如，可以將漏水傳感器安裝在墻壁上，以檢測(cè)可能在冬季破裂的管道故障或管道。在服務(wù)器機(jī)房和數(shù)據(jù)中心中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。無線傳感器還支持災(zāi)難管理工作。在得克薩斯州，橋梁上安裝了無線傳感器，可以檢測(cè)到高于特定閾值的水位，從而表明該地區(qū)可能有山洪泛濫。無線振動(dòng)傳感器正用于大型機(jī)械的工廠中，以在設(shè)備出現(xiàn)故障之前進(jìn)行預(yù)測(cè)。
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(shí)監(jiān)控患者。無線按鈕在高級(jí)護(hù)理機(jī)構(gòu)中用作PERS設(shè)備。濕度傳感器正在幫助醫(yī)院設(shè)施管理員保持患者健康的環(huán)境條件。零售商和雜貨店在地板上使用無線傳感器來幫助員工為客戶創(chuàng)造積極的體驗(yàn)。無線推力傳感器安裝在洗手間中，因此購(gòu)物者可以指出何時(shí)需要清潔。無線空氣溫度設(shè)備正在幫助大型超市同時(shí)監(jiān)控冰箱和非冷商品。這些只是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何創(chuàng)造新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)增長(zhǎng)，期望看到更多創(chuàng)新的傳感器應(yīng)用程序?qū)⒂肋h(yuǎn)改變現(xiàn)代行業(yè)。

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