本文概述了無線傳感器的工作原理，網絡的排列方式以及它們如何為現實的物聯網應用提供服務。

物聯網（IoT）以巨大的方式改變著我們的世界。

通過使日常對象進行無線通信，我們可以自動進行數據交換并創造新的效率，從而對生活和組織產生積極影響。

物聯網的基礎是無線傳感器技術，該技術使我們可以長時間收集很少的周圍環境信息。無線傳感器可以配置為測量從空氣溫度到振動的各種變量?？傮w而言，市場上有許多不同類型的無線傳感器。

無線傳感器可以自動進行數據交換并提高效率，從而對人們的生活和組織產生積極影響。許多無線網絡包含數百個（有時甚至數千個）無線傳感器。這些設備已經廣泛用于零售，農業，城市規劃，安全和供應鏈管理等行業。

在本文中，我們將更深入地研究無線傳感器的工作原理，并解釋為什么它們對于物聯網革命如此重要。

無線傳感器做什么？

無線傳感器收集有關當地情況的數據，并與其他功能強大的組件或平臺共享發現結果，以進行進一步處理。傳感器通常分布在較大的地理區域，并經過編程以與中央集線器，網關和服務器進行通信。

無線傳感器的一個主要優點是，它們需要的維護水平較低，并且功能所需的電能很少。在需要更換電池或充電之前，傳感器可以支持物聯網應用多年。

在構建無線網絡時，開發人員面臨的最大問題之一是如何在現場布置無線傳感器。傳感器或“節點”必須以支持網絡開發人員總體目標的方式分布。

無線傳感器如何聯網？

無線傳感器的兩種最常見的布置是星形和網狀拓撲。

“網狀”拓撲描述了其中傳感器連接到盡可能多的其他附近節點的網絡。結果，數據可以從一個節點“跳”到下一個節點，而不必遵循某些路由或傳感器層次結構。結果，連接問題對網絡性能的危害較小，因為數據可以通過多條路徑到達處理組件。網狀拓撲也很容易擴展，因為新傳感器只需要連接到現有節點即可。

不利的一面是，網狀拓撲結構成本高昂，并且可能難以維護。創建和管理的連接太多了，隨著網絡的發展，這變得越來越具有挑戰性。

“星形”拓撲描述了每個傳感器直接連接到中央網關或集線器的網絡。這些集線器獲取傳感器信息，并將其傳輸到其他應用程序進行處理。在這些布置中，節點不彼此直接通信。

與網狀網絡相比，星形網絡更具成本效益，因為所需的連接較少。但是，由于任何新的傳感器都必須連接具有容量限制的中央集線器，因此很難擴展網絡。

過去無線傳感器如何通信？

有幾種可以支持傳感器網絡的無線標準。

直到最近，蜂窩技術還是廣域網（WAN）連接最常用的選擇。但是，蜂窩技術昂貴且消耗大量能量，因此不適用于遠程，低功耗設備，例如無線傳感器。

除蜂窩技術外，WiFi，低功耗藍牙（BLE）和Zigbee也可以支持無線傳感器網絡。這些標準也屬于“傳統無線解決方案”類別，但具有獨特的優缺點。

WiFi（“無線保真度”）是當今在商業辦公室和家庭中使用最廣泛的無線技術之一。WiFi使用2.4GHz和5GHz ISM頻段。由于WiFi如此普及，因此利用現有網絡來無線傳感器使用相對容易。

然而，WiFi信號難以穿透墻壁，這對于遠程應用是不利的。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是一種低功耗協議，與傳統的藍牙技術不同。BLE使用2.4GHz頻帶傳輸少量信息。無線標準的使用成本比WiFi低。但是，在通過墻壁或長距離發送數據時也存在相同的問題。此外，由于許多其他設備和標準都使用2.4GHz頻帶，因此BLE容易受到信號干擾的影響。

Zigbee是一種無線標準，它依賴于網狀網絡來支持單個網絡中的大量節點（》 65k）。Zigbee最適合不需要太多帶寬的無線傳感器網絡。Zigbee的一個缺點是某些傳感器必須始終處于打開狀態才能共享信息以進行處理。結果，Zigbee消耗的總能量超過了當今的領先標準。

哪些通信標準控制無線傳感器？

盡管傳統的無線標準很有效，但出現了一個新類別，對無線傳感器網絡更加有效。低功耗廣域網（LPWAN）作為遠程數據傳輸的首選技術正在增長。LPWAN可以支持數十億個傳感器，并將大量用于物聯網應用。

LPWAN與傳統標準相比具有許多優勢。首先，由于它們以低得多的比特率傳輸信息，因此它們從設備消耗的功率更少。一次充電即可使傳感器在LPWAN上存活數年。LPWAN還可以在廣闊的地理區域內支持傳感器，因為數據可以遠距離傳輸。

從成本角度來看，與替代方法相比，在LPWAN上部署無線傳感器的成本更低。因為數據速率太低，所以對硬件的要求就不那么嚴格了。

使用LPWAN有幾個缺點。LPWAN不適用于涉及大數據包的應用程序。需要傳輸更多數據的傳感器網絡應使用容量更大的蜂窩或短距離WiFi，BLE和Zigbee網絡。此外，LPWAN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。

當今無線傳感器領先的LPWAN是什么？

用于無線傳感器的三個主要LPWAN是LoRa，SigFox和NB-IoT。

LoRa（“遠距離”）是一種廣泛接受的標準，它使用線性調頻擴頻調制方案在很長的距離上傳輸數據。LoRa是LoRaWAN（可通過網關或LoRaWAN網絡提供商連接無線傳感器）的公共可用層規范的基礎。LoRaWAN具有比Sigfox更高的帶寬，并且可以通過嘈雜的環境更有效地傳輸數據包。

使用LoRaWAN，數據可以在網關和網絡服務器之間通過加密的消息發送。服務器對最終發送到最終應用程序的數據進行身份驗證和解密。用戶可以通過LoRaWAN將消息直接發送到無線傳感器以重新配置設備。

LoRaWAN傳感器根據傳感器發送和接收消息的能力分為三類。A類設備將保持睡眠模式，直到有東西要發送。這些傳感器可以隨時發送上行鏈路消息，這使得它們在無線傳感器和執行器網絡（WSAN）中特別有用。

B類傳感器具有計劃的窗口，供設備從服務器接收下行鏈路消息。C類設備保持打開的消息接收窗口，除非它們需要傳輸信息。因此，C傳感器可實現低延遲通信，但比其他類別的傳感器消耗更多的能量。

對于所有這些LoRaWAN傳感器類型，網絡開發人員必須具有適當的網關硬件才能接收數據并將信息傳遞到服務器。

SigFox使用超窄帶傳輸將無線傳感器直接連接到基站。該標準已覆蓋超過55個國家/地區，并且在美國每個子帶可以支持600 bps的100多個信道。但是，數據包限制為12個字節，并且該標準不允許消息ACK。SigFox用戶按設備以及每天發送的上行鏈路和下行鏈路消息數付費。

NB-IoT使用現有的蜂窩塔基礎設施為低功耗設備提供廣泛的覆蓋范圍。該標準對狹窄的通道使用了保護帶，以避免干擾，并且可以很好地穿透室內環境。在2018年，T-Mobile通過其4G網絡增加了NB-IoT覆蓋范圍。
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