物联网无线传感器

物联网 (IoT) 将改变我们的世界。 据估计，到 2025 年，将有近 220 亿台物联网设备。将互联网连接扩展到日常物品将改变行业并节省大量成本。 但是，不支持互联网的设备如何通过无线传感器获得连接能力呢？

借助无线传感器，物联网成为可能。 个人和组织可以使用无线传感器来启用许多不同类型的智能应用程序。 从互联家庭到智能城市，无线传感器创造了物联网赖以生存的基础设施。 了解无线传感器技术的工作原理对于任何打算在未来部署 IoT 应用程序的人来说都至关重要。 让我们看看无线传感器的工作原理、新兴的传感器无线标准，以及它们在未来将扮演的角色。

什么是无线传感器？

无线传感器是一种可以收集感官信息并检测本地环境变化的设备。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。无线传感器不会在本地执行繁重的数据处理，它们消耗的电量非常少，如果使用最佳的无线技术，单块电池可以使用数年。此外，传感器很容易在低速网络上得到支持，因为它们传输非常轻的数据负载。

可以将无线传感器分组以监控整个区域的环境条件。这些无线传感器网络由许多空间分散的传感器组成，这些传感器通过无线连接进行通信。公共网络中的传感器通过在网关处整合信息的节点或每个传感器直接连接到网关的节点共享数据，假设它可以达到必要的范围。网关充当将本地传感器连接到互联网的桥梁，既充当路由器又充当无线接入点。

无线网络拓扑的类型

无线传感器网络通常以几种不同的拓扑结构排列。最常用于支持无线传感器技术的是星形和网状拓扑。

#1：星型拓扑

星型拓扑是每个节点直接连接到中央集线器或网关的拓扑。在这种安排下，节点将信息发送到单个网关，然后该网关将消息中继到预期的目的地。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容易。

因为节点不直接在它们之间交换数据，所以需要更少的点对点链接。因此，星型拓扑易于安装、配置和管理，因为新节点只需连接到一个中心点。总体而言，星型拓扑是一种经济高效的解决方案，可在众多无线传感器之间实现数据传输。

不利的一面是，星型拓扑完全依赖于传感器和中央集线器之间的无线链路。范围可能是一个问题，因为没有中间“跳跃”或信号中继器的手段。此外，扩展取决于网关支持其他节点的能力。

#2：网状拓扑

网状拓扑不仅仅依赖于中央集线器，而是将数据传输责任置于网络内的节点上。在网状拓扑中，节点充当路由器，可以将信息传递给其他节点。因此，某些节点的连接问题构成的威胁较小，因为数据可以沿着多条路径传输到达网关。

然而，网状网络存在许多重大问题。网状网络需要更复杂（并且通常过于复杂）的协议来形成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形拓扑消耗更多的功率，因为??某些节点必须保持接通以中继信息。通常，网状网络被用作解决范围不足的快速解决方案，这使得成本高昂的前期投资难以证明是合理的。

传统的无线传感器协议

有许多无线协议可以实现传感器之间的连接：

#1：无线网络

Wi-Fi（“无线保真”）是一种广泛而通用的局域网技术，可通过两个主要频率 2.4GHz 和 5GHz 发送信息。 Wi-Fi 网络可以在中等范围内以相对较快的速度传输大型数据包。 Wi-Fi 的主要优势在于它在大多数家庭和企业中的可用性，因此使其成为一个非常方便的现有网络。

不利的一面是，Wi-Fi 信号穿透墙壁的能力有限，并且由于协议的扩展数据开销，与替代无线传感器协议相比，连接的设备会消耗大量电力。此外，Wi-Fi 密钥的管理在本地路由器中，这意味着密钥的更改很容易破坏之前连接的传感器，并且没有简单的方法来更新这些密钥。电视、笔记本电脑、智能手机等设备具有允许用户轻松更改密钥的显示器，但大多数简单的传感器没有这种类型的接口，并且需要配置过程来修改密钥。这使得长期管理和可靠性成为 Wi-Fi 传感器的问题。

大多数物联网传感器通常不需要 Wi-Fi 可用的带宽。因此，对于简单的传感器设备，它往往不是最优的。最后，由于有许多高带宽设备竞争相同的 RF 通道以通过 Wi-Fi 流式传输视频、音频和其他复杂数据传输，这些设备可能会产生大量干扰，从而阻塞其他只需要发送简单的消息。

#2：低功耗蓝牙

低功耗蓝牙 (BLE) 是一种低功耗协议，旨在支持短距离的周期性低数据速率无线通信。不要与非常适合将音频流式传输到扬声器或耳机的经典蓝牙技术相混淆，BLE 适用于传输小信息包的无线传感器。该技术是 Wi-Fi 的一种具有成本效益的替代方案，它几乎不会消耗设备的电量。然而，BLE 也工作在 2.4GHz，这意味着除了面临来自其他 2.4GHz 设备的干扰之外，该协议在其范围和穿透墙壁的能力方面受到限制。

十多年来，Zigbee 一直是蓝牙和 Wi-Fi 的低功耗替代品，最适合不需要太多带宽的无线传感器。该技术围绕 IEEE 802.15.4 标准构建，并依靠网状网络传输数据。因此，Zigbee 经常用于启用由许多低功耗设备组成的智能家居。与 Z-Wave 相比，Zigbee 可以支持大量节点——单个网络中超过 65,000 个。 Zigbee 的一个缺点是一些节点需要保持“开启”以中继信息，如前面的无线拓扑部分所述。此外，由于需要路由器来扩展范围，基础设施成本也会增加。一般来说，Zigbee、DigiMesh 和其他网状网络可以被认为是昂贵的“创可贴”，用于较差的射频性能、干扰避免和范围。

#3：Z-Wave

Z-Wave 是专为智能家居应用设计的无线协议。该技术由 Zensys 开发，是 Zigbee 的替代品，可在“噪音较小”的 900MHz 频段上运行，从而避免出现重大干扰问题。然而，Z-Wave 网状网络只能支持有限数量的无线传感器，并且受到前面描述的网状网络的限制。此外，用户需要与 Silicon Laboratories 签署许可协议才能使用增加费用的技术。归根结底，构建 Z-Wave 传感器的主要原因是为了与现有 Z-Wave 系统兼容。 Z-Wave 广泛用于家庭安全行业，因为它允许通过加密通道与端点进行双向通信。传统的家庭安全协议是单向且未加密的。因此，它们不适用于门锁等应用。

无线传感器的 LPWAN 标准

将传感器等简单设备连接到互联网的运动以及连接世界各地数十亿日常物品的愿景催生了一类新的无线标准，这些标准被归类为低功耗广域网或 LPWAN。 LPWAN 是一类特定的无线电技术，用于在很长的距离上发送少量数据。

LPWAN 网络从连接的无线传感器消耗的功率要少得多，访问成本也更低。使用 LPWAN，最终用户可以用带宽换取更大的范围，这适用于那些部署简单无线传感器的用户。 LPWAN 解决方案通常更具成本效益，使公司能够为其物联网应用实现积极的投资回报率。

LoRa（“远程”的缩写）是一种流行的无线标准，具有比 Sigfox 更高的带宽容量。 LoRa 使用一种称为啁啾扩频的专有调制方案，可实现出色的链路裕度，并可以达到低于射频本底噪声的信号。因此，LoRa 传感器可以在嘈杂的环境中长距离传输更大的数据包。 LoRa 网络可以使用公共 LoRaWAN 基站或私有网关，这使得它对于公共访问可能不可用的更偏远地区的无线传感器特别有用。

LoRaWAN 网关可以连接到基于云的 LoRaWAN 网络服务器。从那里，数据被推送到应用程序。

无线传感器技术和物联网的好处

无线传感器技术对物联网部署有几个好处：

提高服务公司的响应能力和效率：管道和保险公司可以从无线漏水传感器中受益。管道服务提供商可以在公寓大楼和公寓楼安装这些传感器，以便在任何单元发生泄漏时自动警告它们。保险公司还可以在家中部署泄漏传感器，以尽量减少意外洪水可能造成的任何损害。

通过实时监控支持患者医疗保健：在高级护理设施中，无线按钮尤为重要，因为它们可以配置为像移动 PERS 设备一样在需要帮助时向工作人员发出警告。就像在智能家居中一样，这些设施也可以使用无线门窗传感器来检测居民何时试图让他们的房间无人看管。

实现更好、更智能的产品管理：杂货店和零售商可以使用遍布其场所的不同类型的无线传感器保护资产。借助无线空气温度传感器，设施管理人员可以跟踪制冷装置中的温度水平，并确保易腐烂物品的安全。

提高工业环境的安全性：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，以便当汽车在夜间移动时收到通知，这是潜在的盗窃迹象。在仓库中，设施主管可以使用无线空气传感器计算热量指数，并确保他们为员工维持健康的工作环境。

保存和维护易碎艺术品：在博物馆和艺术画廊中，保存专家可以在房间内放置无线湿度传感器，以监测和调节空气状况，从而保护文物或艺术品。光学传感器还可用于检测照明水平并确保客人获得最佳观看体验。

快速保护和修复当地基础设施：公用事业公司可以在电线杆上安装高温探头以检测变压器故障。借助倾斜传感器，他们还可以配置传感器，以便在电线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我们的日常生活中实现物联网应用的几个例子。随着时间的推移，我们将继续看到不同行业的创新以及该技术的其他有用应用。