物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 將改變我們的世界。 據(jù)估計，到 2025 年，將有近 220 億臺物聯(lián)網(wǎng)設備。將互聯(lián)網(wǎng)連接擴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)賴以生存的基礎設施。 了解無線傳感器技術的工作原理對于任何打算在未來部署 IoT 應用程序的人來說都至關重要。 讓我們看看無線傳感器的工作原理、新興的傳感器無線標準，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)境變化的設備。無線傳感器的示例包括接近傳感器、運動傳感器、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，單塊電池可以使用數(shù)年。此外，傳感器很容易在低速網(wǎng)絡上得到支持，因為它們傳輸非常輕的數(shù)據(jù)負載。
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行通信。公共網(wǎng)絡中的傳感器通過在網(wǎng)關處整合信息的節(jié)點或每個傳感器直接連接到網(wǎng)關的節(jié)點共享數(shù)據(jù)，假設它可以達到必要的范圍。網(wǎng)關充當將本地傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)的橋梁，既充當路由器又充當無線接入點。
無線網(wǎng)絡拓撲的類型
無線傳感器網(wǎng)絡通常以幾種不同的拓撲結構排列。最常用于支持無線傳感器技術的是星形和網(wǎng)狀拓撲。
#1：星型拓撲
星型拓撲是每個節(jié)點直接連接到中央集線器或網(wǎng)關的拓撲。在這種安排下，節(jié)點將信息發(fā)送到單個網(wǎng)關，然后該網(wǎng)關將消息中繼到預期的目的地。網(wǎng)關可以同時與許多節(jié)點共享信息，這使得擴展網(wǎng)絡變得更加容易。
因為節(jié)點不直接在它們之間交換數(shù)據(jù)，所以需要更少的點對點鏈接。因此，星型拓撲易于安裝、配置和管理，因為新節(jié)點只需連接到一個中心點?？傮w而言，星型拓撲是一種經(jīng)濟高效的解決方案，可在眾多無線傳感器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
不利的一面是，星型拓撲完全依賴于傳感器和中央集線器之間的無線鏈路。范圍可能是一個問題，因為沒有中間“跳躍”或信號中繼器的手段。此外，擴展取決于網(wǎng)關支持其他節(jié)點的能力。
#2：網(wǎng)狀拓撲
網(wǎng)狀拓撲不僅僅依賴于中央集線器，而是將數(shù)據(jù)傳輸責任置于網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點上。在網(wǎng)狀拓撲中，節(jié)點充當路由器，可以將信息傳遞給其他節(jié)點。因此，某些節(jié)點的連接問題構成的威脅較小，因為數(shù)據(jù)可以沿著多條路徑傳輸?shù)竭_網(wǎng)關。
然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡存在許多重大問題。網(wǎng)狀網(wǎng)絡需要更復雜（并且通常過于復雜）的協(xié)議來形成網(wǎng)絡并在運行時中繼數(shù)據(jù)。另一個主要缺點是網(wǎng)狀網(wǎng)絡比星形拓撲消耗更多的功率，因為??某些節(jié)點必須保持接通以中繼信息。通常，網(wǎng)狀網(wǎng)絡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)議可以實現(xiàn)傳感器之間的連接：
#1：無線網(wǎng)絡
Wi-Fi（“無線保真”）是一種廣泛而通用的局域網(wǎng)技術，可通過兩個主要頻率 2.4GHz 和 5GHz 發(fā)送信息。 Wi-Fi 網(wǎng)絡可以在中等范圍內(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。
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)議的擴展數(shù)據(jù)開銷，與替代無線傳感器協(xié)議相比，連接的設備會消耗大量電力。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、智能手機等設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備，它往往不是最優(yōu)的。最后，由于有許多高帶寬設備競爭相同的 RF 通道以通過 Wi-Fi 流式傳輸視頻、音頻和其他復雜數(shù)據(jù)傳輸，這些設備可能會產(chǎn)生大量干擾，從而阻塞其他只需要發(fā)送簡單的消息。
#2：低功耗藍牙
低功耗藍牙 (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聲器或耳機的經(jīng)典藍牙技術相混淆，BLE 適用于傳輸小信息包的無線傳感器。該技術是 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。該技術圍繞 IEEE 802.15.4 標準構建，并依靠網(wǎng)狀網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。因此，Zigbee 經(jīng)常用于啟用由許多低功耗設備組成的智能家居。與 Z-Wave 相比，Zigbee 可以支持大量節(jié)點——單個網(wǎng)絡中超過 65,000 個。 Zigbee 的一個缺點是一些節(jié)點需要保持“開啟”以中繼信息，如前面的無線拓撲部分所述。此外，由于需要路由器來擴展范圍，基礎設施成本也會增加。一般來說，Zigbee、DigiMesh 和其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以被認為是昂貴的“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 是專為智能家居應用設計的無線協(xié)議。該技術由 Zensys 開發(fā)，是 Zigbee 的替代品，可在“噪音較小”的 900MHz 頻段上運行，從而避免出現(xiàn)重大干擾問題。然而，Z-Wave 網(wǎng)狀網(wǎng)絡只能支持有限數(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)議才能使用增加費用的技術。歸根結底，構建 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)，因為它允許通過加密通道與端點進行雙向通信。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用。
無線傳感器的 LPWAN 標準
將傳感器等簡單設備連接到互聯(lián)網(wǎng)的運動以及連接世界各地數(shù)十億日常物品的愿景催生了一類新的無線標準，這些標準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，用于在很長的距離上發(fā)送少量數(shù)據(jù)。
LPWAN 網(wǎng)絡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，使公司能夠為其物聯(lián)網(wǎng)應用實現(xiàn)積極的投資回報率。
LoRa（“遠程”的縮寫）是一種流行的無線標準，具有比 Sigfox 更高的帶寬容量。 LoRa 使用一種稱為啁啾擴頻的專有調制方案，可實現(xiàn)出色的鏈路裕度，并可以達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)絡可以使用公共 LoRaWAN 基站或私有網(wǎng)關，這使得它對于公共訪問可能不可用的更偏遠地區(qū)的無線傳感器特別有用。
LoRaWAN 網(wǎng)關可以連接到基于云的 LoRaWAN 網(wǎng)絡服務器。從那里，數(shù)據(jù)被推送到應用程序。
無線傳感器技術和物聯(lián)網(wǎng)的好處
無線傳感器技術對物聯(lián)網(wǎng)部署有幾個好處：
提高服務公司的響應能力和效率：管道和保險公司可以從無線漏水傳感器中受益。管道服務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。
通過實時監(jiān)控支持患者醫(yī)療保?。涸诟呒壸o理設施中，無線按鈕尤為重要，因為它們可以配置為像移動 PERS 設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資產(chǎn)。借助無線空氣溫度傳感器，設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，車隊經(jīng)理可以在車輛中安裝基于無線加速度的運動傳感器，以便當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，設施主管可以使用無線空氣傳感器計算熱量指數(shù)，并確保他們?yōu)閱T工維持健康的工作環(huán)境。
保存和維護易碎藝術品：在博物館和藝術畫廊中，保存專家可以在房間內(nèi)放置無線濕度傳感器，以監(jiān)測和調節(jié)空氣狀況，從而保護文物或藝術品。光學傳感器還可用于檢測照明水平并確?？腿双@得最佳觀看體驗。
快速保護和修復當?shù)鼗A設施：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人員發(fā)送警報。
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現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的幾個例子。隨著時間的推移，我們將繼續(xù)看到不同行業(yè)的創(chuàng)新以及該技術的其他有用應用。
