本文概述了無線傳感器的工作原理，網絡布局以及他們如何作用于物聯(lián)網應用。

物聯(lián)網正以驚人的方式改變著我們的世界。物與物之間進行無線通信，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的自動化，并大幅提升效率，從而對生活和生產產生積極的影響。

物聯(lián)網的基礎是無線傳感器技術，該技術允許我們在長時間內收集有關周圍環(huán)境的信息，而無需人工參與。無線傳感器可以測量各種變量，從空氣溫度到振動?？偟膩碚f，市場上有許多不同類型的無線傳感器。

許多無線網絡包含數(shù)百甚至數(shù)千個無線傳感器。這些設備已經廣泛應用于各個領域，包括零售、農業(yè)、城市規(guī)劃、安全和供應鏈管理等。

在本文中，我們深入探討了無線傳感器的工作原理，并解釋了它們?yōu)槭裁磳ξ锫?lián)網革命如此重要。

無線傳感器的作用是什么?

無線傳感器收集有關當?shù)厍闆r的數(shù)據(jù)，并與其他功能強大的組件或平臺共享分析結果，以供進一步處理。傳感器通常分布在范圍較大的地理區(qū)域，并被編程與中央集線器、網關和服務器進行通信。

無線傳感器的一個主要優(yōu)點是，它們需要的維護水平較低、功耗也低。充一次電或更換一次電池后，傳感器可以支持物聯(lián)網應用運作數(shù)年。

在建設無線網絡方面，開發(fā)人員面臨的最大問題之一是如何在該領域配置無線傳感器。傳感器或“節(jié)點”必須以支持網絡開發(fā)人員總體目標的方式分布。

無線傳感器的布網方式

無線傳感器最常見的兩種布網是星型拓撲和網狀拓撲。

網狀拓撲是指傳感器可以盡可能多的連接到鄰近節(jié)點的網絡。換言之，數(shù)據(jù)可以從一個節(jié)點“跳”到另一個節(jié)點，而不必遵循特定的路由或傳感器層次結構。連接問題對網絡性能的危害較小，因為數(shù)據(jù)可以采取多種途徑到達處理組件。鑒于新的傳感器只需要連接到現(xiàn)有的節(jié)點，網格拓撲也很容易擴展。

另一方面，網狀拓撲的成本十分昂貴，且很難維護。有那么多的連接需要創(chuàng)建和管理，隨著網絡的發(fā)展，這將變得更加具有挑戰(zhàn)性。

星型拓撲是指每個傳感器直接連接到中央網關或集線器的網絡。這些集線器接收傳感器信息并將其傳輸?shù)狡渌麘贸绦蜻M行處理。在這種布局中，節(jié)點之間不直接通信。

與網狀網絡相比，因為需要更少的連接，星形網絡更具成本效益。但由于任何新的傳感器都必須連接中央集線器，而中央集線器的容量又有限，擴展網絡就成了一大難題。

無線傳感器以前是如何通信的?

直到現(xiàn)在，蜂窩技術還是廣域網連接最常見的選擇。但是，蜂窩技術成本較高，并會消耗大量的能耗，這并不適合于遠距離、低功耗的設備，如無線傳感器。

除了蜂窩技術之外，WiFi、藍牙(BLE)和Zigbee也可以支持無線傳感器網絡。這些標準也屬于“傳統(tǒng)無線解決方案”范疇，但均有其優(yōu)缺點。

WiFi是當今商務辦公和家庭中應用最廣泛的無線技術之一。WiFi使用2.4GHz和5 GHz ISM頻段。因為WiFi普及程度較高，所以利用現(xiàn)有的網絡來連接無線傳感器是相對容易的。

然而，WiFi信號很難穿透墻壁，這對遠程應用是不利的。此外，WiFi網絡由本地路由器管理，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是一種與傳統(tǒng)藍牙技術不同的低功耗協(xié)議。BLE使用2.4GHz頻段傳輸少量信息。與WiFi相比，無線標準的使用成本更低;然而，在通過墻壁或遠距離發(fā)送數(shù)據(jù)時也存在同樣的問題。此外，由于不少其他設備和標準使用2.4GHz頻段，BLE容易受到信號干擾。

ZigBee是一種無線標準，它依賴于Mesh網絡來支持單個網絡中的大量節(jié)點(>65k)。ZigBee對于不需要太多帶寬的無線傳感器網絡來說是最好的選擇。

Zigbee的一個缺點是，為了共享信息以進行處理，某些傳感器必須始終處于工作狀態(tài)。因此，Zigbee的功耗還是偏高的。

無線傳感器最實用的通信標準是什么?

雖然傳統(tǒng)的無線標準是有效的，但一種新的，對無線傳感器網絡更具效益的標準已經出現(xiàn)。低功耗廣域網(LPWANs)作為遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵技術正在不斷發(fā)展壯大，LPWANs可以支持數(shù)十億傳感器，并將大量用于物聯(lián)網應用。

與傳統(tǒng)標準相比，LPWANs具有一些優(yōu)勢。首先，可以更低的比特率傳輸信息。只需進行一次電池充電，傳感器就可以在LPWANs上運行幾年。由于數(shù)據(jù)可以遠距離傳輸，LPWANs還可以支持覆蓋廣大地理區(qū)域的傳感器。

從成本角度來看，在LPWANs上部署無線傳感器比其他方法更具性價比。由于數(shù)據(jù)速率太低，硬件需求就不那么強烈了。

使用LPWANs有幾個缺點。LPWAN不太適合于涉及大數(shù)據(jù)包的應用程序。需要傳輸更多數(shù)據(jù)的傳感器網絡應該使用更大容量的蜂窩或短距離WiFi、BLE和Zigbee網絡。此外，LPWANs使用未經許可的無線電頻率，從干擾的角度來看，這可能更難管理。

應用于無線傳感器的LPWANs有哪些?

用于無線傳感器的三種主要LPWANs是LoRa、SigFox和NB-IoT。

LoRa是一種被廣泛接受的標準，它使用線性調頻擴頻調制方案在非常遠的距離上傳輸數(shù)據(jù)。LoRa是LoRaWAN(通過網關或LoRaWAN網絡提供商連接無線傳感器)公開可用的層規(guī)范。LoRaWAN具有比SigFox更高的帶寬，并且可以在有干擾的環(huán)境中更有效地傳輸數(shù)據(jù)包。

使用LoRaWAN，數(shù)據(jù)可以在網關和網絡服務器之間通過加密消息發(fā)送。服務器對最終發(fā)送到最終應用程序的數(shù)據(jù)進行身份驗證和解密。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類設備一直處于休眠模式，直到有東西可傳輸。這些傳感器可以隨時發(fā)送上行消息，這使得它們在無線傳感器和執(zhí)行器網絡(WSAN)中作用重大。

B類傳感器為設備安排窗口以接收來自服務器的下行消息。C類傳感器為消息維護一個打開的接收窗口，直到它們需要傳輸信息。因此，C傳感器可以實現(xiàn)低延遲通信，但比其他類型的傳感器消耗更多的功耗。

對于所有這些LoRaWAN傳感器類型，網絡開發(fā)人員必須有適當?shù)木W關硬件來接收數(shù)據(jù)并將信息傳遞給服務器。

SigFox使用超窄帶傳輸將無線傳感器直接連接到基站。該標準已在55個以上的國家/區(qū)域覆蓋，并可以在美國以600bps的速率支持每個子頻段超過100個以上的信道。但是，數(shù)據(jù)包僅限于12個字節(jié)，而且該標準不允許消息ACK(確認字符)。SigFox用戶按每臺設備和每天發(fā)送的上行與下行消息數(shù)量付費。

NB-IoT利用現(xiàn)有的蜂窩塔基礎設施為低功耗設備提供廣泛的覆蓋范圍。該標準采用保護帶窄通道，以避免干擾，并能很好地穿透室內環(huán)境。2018年，T-Mobile通過4G網絡增加了NB-IoT的覆蓋范圍。

構成無線傳感器網絡的必備要素是哪些?

設計無線傳感器網絡有幾個關鍵特性行持續(xù)的維護和更換。

首先，應該易于在網絡中定位節(jié)點。當開發(fā)人員知道在哪里可找到他們所有的設備時，進行傳感器的維護(比如更換電池和更新組件)就容易多了。

第二，傳感器網絡應該能夠承受節(jié)點故障而不會造成廣泛的干擾。拓撲在網絡如何處理連接性的問題中起著重要作用。部署無線傳感器網絡的用戶必須選擇能夠承受組件故障的拓撲結構。

第三，網絡應該易于擴展。開發(fā)人員必須能夠有效地擴展他們的無線傳感器網絡，同時，不必投入大量的資金。

最后，功耗。使用的無線傳感器應與物聯(lián)網應用程序的數(shù)據(jù)需求保持一致。否則，網絡管理員可能會花費大量的時間和資金進

無線傳感器如何為萬物互聯(lián)賦能?

已經有很多真實的例子說明無線傳感器技術如何被廣泛應用于不同的行業(yè)和應用中。

安防部門在很多方面都采用了無線傳感器技術。使用無線傳感器，組織可以監(jiān)視其場所，識別可疑活動，并跟蹤有價值的資產。銀行可以為員工將無線按鈕轉換為緊急按鈕，零售商可以在每個建筑物的接入點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，如一氧化碳。

在公用事業(yè)管理方面，無線傳感器有助于實現(xiàn)關鍵系統(tǒng)之間的自動化通信，并經行預測性報修。例如，可以在墻上安裝漏水傳感器，以檢測水管故障或冬季可能爆裂的管道。服務器機房和數(shù)據(jù)中心正在使用無線繩索傳感器來檢測計算機硬件附近是否存在水珠。

無線傳感器還支持災害管理工作。在橋梁上安裝無線傳感器，可以探測超過某一閾值的水位，從而表明該地區(qū)有可能出現(xiàn)山洪。大型機械工廠正在使用無線振動傳感器，在設備故障發(fā)生前進行預測。

在醫(yī)療保健領域，無線傳感器可實時監(jiān)控病人，無線按鈕可作為PERS設備的高級護理設施。濕度傳感器正在幫助醫(yī)院設施管理人員為病人保持健康的環(huán)境條件。

零售商和雜貨店正在地板上使用無線傳感器來為顧客創(chuàng)造積極的體驗。洗手間安裝了無線推送傳感器，這樣購物者就可以指示何時需要清潔。無線空氣溫度設備也可在商店監(jiān)控冰箱中的冷藏商品。

這些只是無線傳感器網絡如何提高生產生活的效率，并以積極的方式影響生活的幾個例子。隨著物聯(lián)網領域的持續(xù)發(fā)展，期望看到更多創(chuàng)新的傳感器應用改變現(xiàn)代社會的案例。