物联网无线传感器

iotforall 20220823

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插图:© IoT For All物联网(IoT)将改变我们的世界。据估计,到2025年,物联网设备的数量将达到近220亿台。通过将互联网连接扩展到日常生活用品,物联网将彻底改变各行各业,并带来巨大的成本节约。然而,那些不具备互联网功能的设备是如何通过无线传感器获得连接能力的呢?有了无线传感器,物联网才成为可能。个人和组织可以使用无线传感器来实现各种各样的智能应用。从互联家庭到智慧城市,无线传感器构建了物联网得以实现的基础设施。了解无线传感器技术的工作原理对于计划在未来部署物联网应用的任何人来说都是至关重要的。那么,无线传感器是如何工作的?有哪些新兴的无线传感器标准?它们在未来将扮演怎样的角色?什么是无线传感器?无线传感器是一种能够收集感官信息并检测局部环境变化的设备。无线传感器的示例包括接近传感器、运动传感器、温度传感器和液体传感器。无线传感器不会在当地进行繁重的数据处理,它们的功耗非常低,如果使用最佳的无线技术,它们可以在一块电池上持续使用多年。此外,由于传感器传输的数据量非常小,它们很容易被低速网络支持。无线传感器可以组合起来监测整个区域的环境条件。这些无线传感器网络由许多空间分布的传感器组成,通过无线连接进行通信。在同一网络中,传感器可以通过在网关处汇总信息的节点共享数据,或者每个传感器直接连接到网关,假设它可以达到所需范围。网关充当连接本地传感器与互联网的桥梁,同时充当路由器和无线接入点。无线网络拓扑类型无线传感器网络通常采用几种不同的拓扑结构。最常见的支持无线传感器技术的拓扑结构是星型拓扑和网状拓扑。#1:星型拓扑星型拓扑是指每个节点都直接连接到一个中心枢纽或网关的结构。在这种安排下,节点将信息发送到一个网关,然后由网关将信息传递到目的地。网关可以同时与许多节点共享信息,这使得扩展网络变得更加简单。由于节点之间并不直接交换数据,所需的点对点连接要少得多。因此,只要新节点连接到一个中心点即可,这使得星型拓扑易于安装、配置和管理。总体来说,星型拓扑是一种经济高效的方法,适用于多个无线传感器之间的数据传输。缺点在于,星型拓扑完全依赖传感器与中心枢纽之间的无线连接。由于没有中间的“跳跃”或信号中继,因此范围可能成为问题。此外,网络的扩展还取决于网关支持额外节点的能力。#2:网状拓扑与仅依赖中心枢纽的星型拓扑不同,网状拓扑将数据传输责任分配给网络中的节点。在网状拓扑中,节点作为路由器,可以将信息传递给其他节点。因此,即使某些连接点出现故障,也不会对整体连接造成太大威胁,因为数据可以通过多条路径到达网关。然而,网状网络也存在一些显著的问题。网状网络需要更复杂的(甚至过于复杂的)协议来构建网络并在运行时中继数据。另一个主要缺点是,网状网络比星型拓扑消耗更多的能量,因为一些节点必须保持开启以中继信息。通常,网状网络被用作范围不足的快速修复方案,从而使得前期高昂的投资更难以证明其合理性。传统无线传感器协议有许多无线协议可以实现实现传感器之间的连接:#1:Wi-FiWi-Fi(无线保真)是一种广泛使用且灵活的局域网技术,它主要通过2.4GHz和5GHz两个频率传输信息。Wi-Fi网络可以以相对较高的速度中距离传输大量数据包。Wi-Fi的主要优势在于其在大多数家庭和企业中的普及性,因此是一种非常方便的现有网络。然而,Wi-Fi信号穿过墙壁的能力有限,并且因为协议的扩展数据开销,相比其他无线传感器协议,其能耗较高。此外,Wi-Fi密钥的管理在本地路由器中,这意味着密钥的变化可能很容易导致之前连接的传感器失效,并且没有简单的方式去更新这些密钥。像电视、笔记本电脑、智能手机等设备都有显示器,可以让用户轻松更改密钥,但大多数简单传感器没有这种接口,因此需要配置流程来修改密钥。这使得Wi-Fi传感器在长期管理和可靠性方面存在问题。大多数物联网传感器通常不需要Wi-Fi提供的带宽,因此它往往不是简单传感器设备的最佳选择。最后,由于许多高带宽设备在相同RF信道上流式传输视频、音频和其他复杂数据,这些设备之间可能会有很大干扰,从而阻断其他只需发送简单消息的设备。#2:BLE(蓝牙低功耗)蓝牙低功耗(BLE)是一种低功耗协议,旨在支持短距离内的周期性低数据速率无线通信。它不应与经典蓝牙技术混淆,后者适合向扬声器或耳机流式传输音频,而BLE是为传输小信息包的无线传感器设计的。该技术是Wi-Fi的一个经济高效替代方案,它几乎不消耗设备的大量电量。然而,BLE同样运行在2.4GHz频段,这意味着该协议在范围和穿透墙壁能力方面受到限制,并且会受到其他2.4GHz设备的干扰。Zigbee作为一种低功耗替代方案,已有十多年历史,适用于不需要太多带宽的无线传感器。该技术基于IEEE 802.15.4标准,并依赖于网状网络来传输数据。因此,Zigbee经常用于由许多低功耗设备组成的智能家居。与Z-Wave相比,Zigbee可以支持大量的节点——在一个网络中最多可以达到65,000个以上。Zigbee的一个缺点是,如前所述,有些节点需要保持“开启”以中继信息。此外,由于需要路由器来扩展范围,因此基础设施成本增加。总体而言,Zigbee、DigiMesh以及其他网状网络可以被视为昂贵的“创可贴”,用于解决不良RF性能、避免干扰和扩展范围的问题。#3:Z-WaveZ-Wave是一种专门为智能家居应用设计的无线协议。由Zensys开发,该技术是Zigbee的一种替代方案,运行在“噪声较少”的900MHz频段,从而避免了主要的干扰问题。然而,Z-Wave网状网络只能支持有限数量的无线传感器,并且受上述网状网络的限制。此外,用户在使用该技术之前需要与Silicon Laboratories签署许可协议,这增加了成本。最终,构建Z-Wave传感器的主要原因是与现有Z-Wave系统的兼容性。Z-Wave在家庭安防行业被广泛使用,因为它允许通过加密通道向端点进行双向通信。传统家庭安防协议是一对一的、无加密的,因此不适合用于门锁等应用。用于无线传感器的低功耗广域网(LPWAN)标准将简单设备(如传感器)连接到互联网的愿景,以及将全球数十亿日常物品连接起来的愿景,催生了一类新的无线标准,称为低功耗广域网(LPWANs)。LPWANs是一类特定的无线电技术,可用于在极长距离上发送小量数据。LPWANs在物联网部署中带来了许多优势,包括提高服务公司的响应速度和效率:管道公司和保险公司可以受益于无线水泄漏传感器。管道服务提供商可以在公寓楼中安装这些传感器,以便在任何单元出现泄漏时自动报警。保险公司也可以在家庭中部署泄漏传感器,以减少意外洪水可能造成的损害。通过实时监测支持患者医疗护理:在养老设施中,无线按钮尤为重要,因为它们可以配置为类似于移动个人紧急响应系统(PERS)设备,当需要帮助时警告工作人员。就像在智能家居中一样,这些设施还可以使用无线门或窗传感器来检测居民是否试图在无人看管的情况下离开房间。实现更好的产品管理:杂货店和零售商可以通过在其场地中安装不同类型的无线传感器来保护资产。通过无线空气温度传感器,设施经理可以跟踪制冷设备中的温度水平,确保易腐食品的安全性。提升工业环境中的安全性和安全性:在汽车经销商处,车队经理可以在车辆中安装基于无线加速度的运动传感器,以便在夜间车辆移动时收到通知,这可能表明有人试图偷车。在仓库中,设施主管可以使用无线空气传感器计算热指数,并确保员工拥有健康的工作环境。保护和修复易碎艺术品:在博物馆和美术馆中,保护专家可以在房间中安装无线湿度传感器,以监测和调节空气条件,以保护文物或艺术品。光学传感器也可以用于检测照明水平,确保游客拥有最佳的观赏体验。快速保护和修复本地基础设施:公用事业公司可以在电杆上安装高温探测器,以检测变压器故障。通过倾斜传感器,他们还可以配置传感器在电杆倾斜或被车辆撞击时向维护人员发送警报。改善日常生活这些只是无线传感器如何在未来日常生活中实现物联网应用的一些例子。随着时间的推移,我们将在不同行业看到越来越多的创新和该技术的其他有用应用。

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