无线传感器在物联网中的作用是什么

本文概述了无线传感器的工作原理，网络的排列方式以及它们如何为现实的物联网应用提供服务。

物联网（IoT）以巨大的方式改变着我们的世界。

通过使日常对象进行无线通信，我们可以自动进行数据交换并创造新的效率，从而对生活和组织产生积极影响。

物联网的基础是无线传感器技术，该技术使我们可以长时间收集很少的周围环境信息。无线传感器可以配置为测量从空气温度到振动的各种变量。总体而言，市场上有许多不同类型的无线传感器。

无线传感器可以自动进行数据交换并提高效率，从而对人们的生活和组织产生积极影响。许多无线网络包含数百个（有时甚至数千个）无线传感器。这些设备已经广泛用于零售，农业，城市规划，安全和供应链管理等行业。

在本文中，我们将更深入地研究无线传感器的工作原理，并解释为什么它们对于物联网革命如此重要。

无线传感器做什么？

无线传感器收集有关当地情况的数据，并与其他功能强大的组件或平台共享发现结果，以进行进一步处理。传感器通常分布在较大的地理区域，并经过编程以与中央集线器，网关和服务器进行通信。

无线传感器的一个主要优点是，它们需要的维护水平较低，并且功能所需的电能很少。在需要更换电池或充电之前，传感器可以支持物联网应用多年。

在构建无线网络时，开发人员面临的最大问题之一是如何在现场布置无线传感器。传感器或“节点”必须以支持网络开发人员总体目标的方式分布。

无线传感器如何联网？

无线传感器的两种最常见的布置是星形和网状拓扑。

“网状”拓扑描述了其中传感器连接到尽可能多的其他附近节点的网络。结果，数据可以从一个节点“跳”到下一个节点，而不必遵循某些路由或传感器层次结构。结果，连接问题对网络性能的危害较小，因为数据可以通过多条路径到达处理组件。网状拓扑也很容易扩展，因为新传感器只需要连接到现有节点即可。

不利的一面是，网状拓扑结构成本高昂，并且可能难以维护。创建和管理的连接太多了，随着网络的发展，这变得越来越具有挑战性。

“星形”拓扑描述了每个传感器直接连接到中央网关或集线器的网络。这些集线器获取传感器信息，并将其传输到其他应用程序进行处理。在这些布置中，节点不彼此直接通信。

与网状网络相比，星形网络更具成本效益，因为所需的连接较少。但是，由于任何新的传感器都必须连接具有容量限制的中央集线器，因此很难扩展网络。

过去无线传感器如何通信？

有几种可以支持传感器网络的无线标准。

直到最近，蜂窝技术还是广域网（WAN）连接最常用的选择。但是，蜂窝技术昂贵且消耗大量能量，因此不适用于远程，低功耗设备，例如无线传感器。

除蜂窝技术外，WiFi，低功耗蓝牙（BLE）和Zigbee也可以支持无线传感器网络。这些标准也属于“传统无线解决方案”类别，但具有独特的优缺点。

WiFi（“无线保真度”）是当今在商业办公室和家庭中使用最广泛的无线技术之一。WiFi使用2.4GHz和5GHz ISM频段。由于WiFi如此普及，因此利用现有网络来无线传感器使用相对容易。

然而，WiFi信号难以穿透墙壁，这对于远程应用是不利的。此外，WiFi网络由本地路由器管理，这些路由器可能并不总是具有用于更新传感器密钥的直接用户界面。

BLE是一种低功耗协议，与传统的蓝牙技术不同。BLE使用2.4GHz频带传输少量信息。无线标准的使用成本比WiFi低。但是，在通过墙壁或长距离发送数据时也存在相同的问题。此外，由于许多其他设备和标准都使用2.4GHz频带，因此BLE容易受到信号干扰的影响。

Zigbee是一种无线标准，它依赖于网状网络来支持单个网络中的大量节点（》 65k）。Zigbee最适合不需要太多带宽的无线传感器网络。Zigbee的一个缺点是某些传感器必须始终处于打开状态才能共享信息以进行处理。结果，Zigbee消耗的总能量超过了当今的领先标准。

哪些通信标准控制无线传感器？

尽管传统的无线标准很有效，但出现了一个新类别，对无线传感器网络更加有效。低功耗广域网（LPWAN）作为远程数据传输的首选技术正在增长。LPWAN可以支持数十亿个传感器，并将大量用于物联网应用。

LPWAN与传统标准相比具有许多优势。首先，由于它们以低得多的比特率传输信息，因此它们从设备消耗的功率更少。一次充电即可使传感器在LPWAN上存活数年。LPWAN还可以在广阔的地理区域内支持传感器，因为数据可以远距离传输。

从成本角度来看，与替代方法相比，在LPWAN上部署无线传感器的成本更低。因为数据速率太低，所以对硬件的要求就不那么严格了。

使用LPWAN有几个缺点。LPWAN不适用于涉及大数据包的应用程序。需要传输更多数据的传感器网络应使用容量更大的蜂窝或短距离WiFi，BLE和Zigbee网络。此外，LPWAN使用未经许可的无线电频率，从干扰的角度来看，这可能更难管理。

当今无线传感器领先的LPWAN是什么？

用于无线传感器的三个主要LPWAN是LoRa，SigFox和NB-IoT。

LoRa（“远距离”）是一种广泛接受的标准，它使用线性调频扩频调制方案在很长的距离上传输数据。LoRa是LoRaWAN（可通过网关或LoRaWAN网络提供商连接无线传感器）的公共可用层规范的基础。LoRaWAN具有比Sigfox更高的带宽，并且可以通过嘈杂的环境更有效地传输数据包。

使用LoRaWAN，数据可以在网关和网络服务器之间通过加密的消息发送。服务器对最终发送到最终应用程序的数据进行身份验证和解密。用户可以通过LoRaWAN将消息直接发送到无线传感器以重新配置设备。

LoRaWAN传感器根据传感器发送和接收消息的能力分为三类。A类设备将保持睡眠模式，直到有东西要发送。这些传感器可以随时发送上行链路消息，这使得它们在无线传感器和执行器网络（WSAN）中特别有用。

B类传感器具有计划的窗口，供设备从服务器接收下行链路消息。C类设备保持打开的消息接收窗口，除非它们需要传输信息。因此，C传感器可实现低延迟通信，但比其他类别的传感器消耗更多的能量。

对于所有这些LoRaWAN传感器类型，网络开发人员必须具有适当的网关硬件才能接收数据并将信息传递到服务器。

SigFox使用超窄带传输将无线传感器直接连接到基站。该标准已覆盖超过55个国家/地区，并且在美国每个子带可以支持600 bps的100多个信道。但是，数据包限制为12个字节，并且该标准不允许消息ACK。SigFox用户按设备以及每天发送的上行链路和下行链路消息数付费。

NB-IoT使用现有的蜂窝塔基础设施为低功耗设备提供广泛的覆盖范围。该标准对狭窄的通道使用了保护带，以避免干扰，并且可以很好地穿透室内环境。在2018年，T-Mobile通过其4G网络增加了NB-IoT覆盖范围。