在開發下一個無線傳感器網絡應用時，采用最佳的傳感器數量來優化網絡並考慮關鍵的設計變量是值得的

，例如網絡介質、牆電或電池電源、無線協議選項和網絡配置等。

 

隨著物聯網的興起，我們已注意到一個增長趨勢，即收集和彙總來自各種智能家居、工業、綠色能源
、交通和智能城市應用的傳感器數據。整個行業普遍認為發送到雲端或本地控製係統的數據越多越好。

 

這些傳感器數據中的大部分都采用物理傳感的形式，用於人員偵測
、物體檢測、溫度、濕度
、光線、聲音和振動等。隨著時間的推移，開發人員意識到了部署大型傳感器網絡的難度
，並且許多雲計算公司已得出結論：如果您無法對數據進行決策，那麼訪問大量數據並不一定會增加價值。

 

在當今對成本敏感的環境中，每個部署的傳感設備或網絡都必須在開發和部署的複雜性與物聯網服務提供商
、雲計算公司和最終用戶的價值之間取得平衡。在已部署的傳感器網絡中，我們現在看到的趨勢是：簡化網絡並僅測量那些可以協助節省成本和/或增強最終用戶體驗的內容。

 

傳感器網絡趨勢和示例

讓我們考慮兩個示例：零售商店和商業辦公樓。它們展示了一個新趨勢，即部署物聯網應用所需的最佳傳感器數量。

 

商店中最有價值的不動產是其商品貨架，關鍵的指標是客戶轉化率。大多數大型零售商將受益於傳感器網絡，該網絡可以測量占用率、客戶和物品位置
、庫存水平等。理想情況下，係統將使用傳感器數據來增加客戶購買的可能性。傳感器可以使用新的藍牙跟蹤技術
，例如到達角（AoA）和離開角（AoD）以及接收的信號強度指示（RSSI）或距離相移。這些AoX（參見圖1中的AoD定位係統）和測距技術使得網絡能夠對客戶的智能手機或嵌入在購物籃/gouwuchezhongdeshebeideweizhijinxingsanjiaoceliang
，yijiancekehudeweizhiyijiquedinggouwuzhezaishangdianzhongdenalitingliulegengduodeshijian。zhexieshujuyumianbushibiejishuhuozhinengshoujishibiexiangjiehe

，keyiweimeiweigouwuzhefenpeiyigegoumaizuhe，yiyucetamenzuiyoukenenggoumaideshangpin
，bingtigongdianneixiaoshouhuokunbangxiaoshouyijilitamengoumai，huozaidianneifangwenhoutigongyouzhenduixingdeyingxiaohuodong。

 

圖1 藍牙5.1支持的到達角和離開角（AoX）技術增強了室內定位係統的發展

 

youhuadechuanganqiwangluohaikeyiweishangdianjinglitigongyouguangezhongchanpinleixingdegoumaijuecedejianyi。liru，chuanganqiwangluokenenghuijieshimouxiekehuhuafeidaliangshijianbijiaoyagaopinpai，tongshikuaisuxuanzexifashui，xuanzetamensuozhidaodepinpai。zhexiexinxishishangdiannenggougengjiazhihuidizaihuojiashangcunfangkehugengyoukenenggoumaideshangpin，congertigaoshangdiandexiaolvheyinglinengli。

 

將辦公樓轉變為布有傳感器的智能建築將減少維護和運營成本，並增強其入駐者的安全性、舒適性和便利性。溫度控製是設施管理的主要成本因素。一個典型的10萬平方英尺的建築物每月可能花費超過5萬美元來充分降溫或加熱。通過增加30萬美元的智能傳感器網絡將這一成本削減15％將是一項明智的投資
，在幾年後就能收回成本。另一個附加值是為防止破壞而優化的傳感器網絡。能夠感知諸如漏水、水淹
、煙yan霧wu和he火huo災zai等deng威wei脅xie
，然ran後hou迅xun速su做zuo出chu反fan應ying，可ke以yi節jie省sheng大da量liang維wei修xiu成cheng本ben，同tong時shi保bao護hu入ru駐zhu者zhe，甚shen至zhi挽wan救jiu生sheng命ming。通tong過guo傳chuan感gan器qi網wang絡luo減jian少shao威wei脅xie也ye可ke能neng降jiang低di保bao險xian費fei。

 

雖然這兩個傳感器網絡示例會直接增加部署者的營收和淨利潤，但在實施傳感器網絡時需要考慮兩個關鍵挑戰：部署傳感器的物理介質以及傳感器數據的處理方式。

 

物理介質

每mei個ge傳chuan感gan器qi網wang絡luo的de配pei置zhi都dou不bu同tong，具ju體ti取qu決jue於yu應ying用yong要yao求qiu和he物wu理li環huan境jing。例li如ru，一yi些xie網wang絡luo可ke以yi部bu署shu在zai具ju有you統tong一yi覆fu蓋gai範fan圍wei的de零ling售shou環huan境jing中zhong
，而er其qi他ta網wang絡luo要yao在zai具ju有you不bu同tong大da小xiao房fang間jian的de公gong司si辦ban公gong室shi中zhong實shi施shi部bu署shu。一yi些xie網wang絡luo要yao24小(xiao)時(shi)全(quan)天(tian)候(hou)不(bu)間(jian)斷(duan)使(shi)用(yong)
，而(er)其(qi)他(ta)網(wang)絡(luo)在(zai)某(mou)一(yi)天(tian)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)運(yun)行(xing)。受(shou)電(dian)機(ji)電(dian)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)困(kun)擾(rao)的(de)工(gong)廠(chang)對(dui)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)來(lai)說(shuo)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)環(huan)境(jing)，這(zhe)使(shi)得(de)某(mou)些(xie)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)或(huo)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)不(bu)可(ke)用(yong)，但(dan)每(mei)種(zhong)情(qing)況(kuang)都(dou)需(xu)要(yao)最(zui)佳(jia)的(de)傳(chuan)感(gan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

 

考慮商業建築的例子。共同的目標是降低照明和HVAC係統的能耗和成本。有兩種選擇：在幾乎沒人使用的區域中最小化照明和HVAC使用
，或執行節能的照明和環境控製。無論哪種選擇，都需要部署必要的傳感器類型，例如偵測是否有人
、光照水平和溫度的傳感器等。附加的濕度或壓力傳感器可以通過優化照明和溫控來確保入駐者擁有更多的舒適度。

 

要部署最佳傳感器網絡，開發人員必須事先做出一些決定：

 

“傳感節點將采用電池供電還是電線供電？”

由於沒有電線的限製，電池供電的無線傳感器節點更易於安裝。但每隔幾年更換一次電池會對ROI回報率產生負麵影響。采用電線（牆電或以太網供電）也可能有昂貴的前期成本，而且本地法規的兼容性因地區而異。部署像PoE這樣的低電壓係統比向每個傳感器節點輸送110 V或220 V更具成本效益。另一個經濟的選擇是安裝低電壓LED照明和傳感器網絡，以便更輕鬆地節省能耗。

 

“傳感節點采用有線還是無線通信
？”

解決方案要對采用“有線電源和有線數據通信”還是“電池電源和無線數據”進jin行xing權quan衡heng。無wu線xian具ju有you成cheng本ben效xiao益yi
，因yin為wei不bu需xu要yao在zai整zheng個ge建jian築zhu物wu中zhong部bu署shu數shu據ju線xian，但dan在zai部bu署shu無wu線xian網wang絡luo時shi必bi須xu考kao慮lv其qi他ta前qian期qi工gong程cheng成cheng本ben和he複fu雜za性xing。對dui於yu新xin建jian築zhu
，部bu署shuCAT5線纜非常容易，它可以將數據和電源傳遞給每個節點。使用CAT5線纜
，數據速率通常低於典型的1 Gbps，這意味著CAT5線纜可以傳輸超過100米。然而，對於一些建築物的翻新改造
，進入難以到達的地方部署線纜（例如吊頂天花板）幾乎是不可能的。在這種情況下，無線連接可能是最佳選擇。

 

在實施無線網絡時
，開發人員必須考慮使用哪種介質和協議。Wi-Fi因廣泛部署的基礎設施和IP數據包的熟悉性等易用特性而具有吸引力，但Wi-Fi隻支持有限數量的終端節點和接入點，並且與其他短距離無線傳輸技術選項相比有大量功耗。雖然Zigbee解決了耗電問題
，但開發Zigbee網絡對於缺乏網狀專業知識的開發人員來說可能具有挑戰性。部署人員需要評估每個協議選擇的優缺點（如圖2所示）以確定最佳路徑。沒有完美的解決方案
，最好的無線選擇是采用可接受的權衡實現最佳應用目標。

 

圖2 開發人員可為樓宇自動化中使用的無線傳感應用提供多種短距離協議選擇

 

“基於傳感器數據的決策將在哪裏處理


？”

根據商業建築物或家庭的要求，打開或關閉HVAC係統的決定可以通過HVAC控製器在建築物本地進行。或者
，可以將傳感器數據發送到雲端進行處理，從而實現HVAC係統的遠程控製。

 

這種對本地或遠程數據處理和控製的選擇取決於許多因素，包括實現決策所需計算的複雜性、bixuchulideshujuliang，yijishifouxuyaohouqishujuchulihuoyuanchengjiankong。duiyujuyouyouxianshujuyaoqiudezhinengjiating，bendichulihekongzhikenengshiqieshikexingde。raner，guanlijuyouxuduofangjiandejianzhuwudeHVAC係統可能需要網關將數據傳輸到雲端。

 

處理傳感器數據

chulishubaigechuanganqijiedianshengchengdeshujushixuduoshitubushudaguimochuanganqiwangluodekaifarenyuandeyigezhangai。zaishiyanshizhongshezhijigejiedianbingshitamenyuzhujihuoyuntongxinxiangduijiandan，dansuizhejiedianshuliangdezengjia，wangluoshejikunnanchengzhishujishangsheng。

 

收shou集ji本ben地di或huo雲yun端duan數shu據ju的de應ying用yong必bi須xu識shi別bie所suo有you數shu據ju並bing為wei其qi加jia上shang時shi間jian戳chuo，以yi構gou建jian區qu塊kuai的de準zhun確que模mo型xing。對dui於yu智zhi能neng辦ban公gong室shi
，主zhu機ji係xi統tong將jiang從cong數shu百bai個ge傳chuan感gan器qi接jie收shou數shu據ju。這zhe可ke能neng是shi一yi個ge不bu切qie實shi際ji
、昂貴且很困難的問題。雖然每個端節點上的傳感器可能僅花費0.5美mei元yuan，但dan對dui網wang狀zhuang網wang絡luo和he雲yun計ji算suan的de開kai銷xiao要yao求qiu可ke能neng遠yuan遠yuan超chao過guo傳chuan感gan器qi的de成cheng本ben。經jing驗yan豐feng富fu的de傳chuan感gan器qi網wang絡luo部bu署shu者zhe現xian在zai隻zhi添tian加jia每mei個ge端duan節jie點dian絕jue對dui需xu要yao的de內nei容rong。這zhe種zhong合he理li精jing簡jian的de優you化hua方fang法fa可ke以yi減jian少shao數shu據ju開kai銷xiao並bing降jiang低di終zhong端duan節jie點dian的de功gong耗hao
，從cong而er節jie省sheng電dian池chi更geng換huan成cheng本ben。

 

網絡拓撲是一個多變量問題。解決方案的趨勢是使用融合網狀網絡、總(zong)線(xian)或(huo)樹(shu)狀(zhuang)拓(tuo)撲(pu)的(de)混(hun)合(he)拓(tuo)撲(pu)。例(li)如(ru)，在(zai)智(zhi)能(neng)辦(ban)公(gong)室(shi)中(zhong)，部(bu)署(shu)許(xu)多(duo)較(jiao)小(xiao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)狀(zhuang)網(wang)絡(luo)是(shi)有(you)意(yi)義(yi)的(de)
，這(zhe)些(xie)網(wang)絡(luo)可(ke)以(yi)相(xiang)互(hu)利(li)用(yong)去(qu)中(zhong)繼(ji)發(fa)向(xiang)集(ji)中(zhong)器(qi)或(huo)接(jie)入(ru)點(dian)的(de)消(xiao)息(xi)（如圖3所示）。此ci接jie入ru點dian可ke以yi是shi另ling一yi個ge網wang狀zhuang網wang絡luo的de一yi部bu分fen，它ta距ju離li主zhu機ji僅jin僅jin一yi步bu之zhi遙yao或huo者zhe包bao含han主zhu機ji和he其qi他ta集ji中zhong器qi。通tong過guo在zai集ji中zhong器qi和he主zhu機ji之zhi間jian分fen擔dan工gong作zuo，使shi用yong這zhe些xie“中間”節點簡化了這一難題。

 

圖3 智能辦公室可以部署較小的傳感器網狀網絡，這些網絡相互利用去中繼發向集中器或接入點的消息

 

通tong過guo使shi用yong混hun合he拓tuo撲pu，雲yun端duan可ke以yi接jie收shou組zu合he數shu據ju，減jian輕qing雲yun應ying用yong的de負fu擔dan並bing實shi現xian更geng具ju可ke擴kuo展zhan性xing的de網wang絡luo。雲yun應ying用yong很hen可ke能neng是shi針zhen對dui特te定ding任ren務wu定ding製zhi的de，必bi須xu被bei創chuang建jian或huo授shou權quan才cai能neng為wei建jian築zhu物wu提ti供gong監jian控kong功gong能neng。

 

目前的趨勢是通過軟件即服務（SaaS）來實現此應用。例如，希望降低HVAC成(cheng)本(ben)的(de)保(bao)險(xian)公(gong)司(si)通(tong)常(chang)不(bu)具(ju)備(bei)自(zi)行(xing)開(kai)發(fa)此(ci)應(ying)用(yong)的(de)核(he)心(xin)能(neng)力(li)。此(ci)應(ying)用(yong)提(ti)供(gong)反(fan)饋(kui)以(yi)及(ji)配(pei)置(zhi)
，設(she)施(shi)管(guan)理(li)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)自(zi)己(ji)的(de)喜(xi)好(hao)自(zi)定(ding)義(yi)控(kong)製(zhi)他(ta)們(men)的(de)建(jian)築(zhu)環(huan)境(jing)。

 

結論

傳chuan感gan器qi網wang絡luo部bu署shu是shi一yi個ge挑tiao戰zhan。沒mei有you一yi個ge傳chuan感gan器qi網wang絡luo布bu局ju或huo測ce量liang組zu合he適shi合he每mei個ge物wu聯lian網wang應ying用yong。一yi個ge網wang絡luo可ke能neng專zhuan注zhu於yu跟gen蹤zong資zi產chan或huo人ren員yuan

，而er另ling一yi個ge網wang絡luo優you先xian考kao慮lv感gan知zhi環huan境jing變bian化hua以yi降jiang低di成cheng本ben或huo避bi免mian災zai難nan。無wu論lun選xuan擇ze哪na種zhong傳chuan感gan器qi網wang絡luo方fang法fa，都dou必bi須xu帶dai來lai價jia值zhi，該gai價jia值zhi必bi須xu抵di消xiao部bu署shu物wu理li介jie質zhi以yi及ji處chu理li數shu據ju並bing最zui終zhong做zuo出chu決jue策ce的de係xi統tong的de成cheng本ben和he複fu雜za性xing。

 

從(cong)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)終(zhong)端(duan)節(jie)點(dian)到(dao)大(da)規(gui)模(mo)的(de)基(ji)於(yu)雲(yun)的(de)應(ying)用(yong)，傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)部(bu)署(shu)必(bi)須(xu)仔(zai)細(xi)規(gui)劃(hua)。在(zai)部(bu)署(shu)或(huo)設(she)計(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)時(shi)，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)所(suo)有(you)方(fang)麵(mian)，即(ji)使(shi)是(shi)最(zui)輕(qing)微(wei)的(de)疏(shu)忽(hu)也(ye)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)人(ren)們(men)要(yao)進(jin)行(xing)難(nan)以(yi)對(dui)付(fu)的(de)利(li)弊(bi)權(quan)衡(heng)。要(yao)考(kao)慮(lv)如(ru)何(he)為(wei)每(mei)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)供(gong)電(dian)
，如(ru)何(he)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)和(he)到(dao)主(zhu)機(ji)應(ying)用(yong)的(de)路(lu)徑(jing)，以(yi)及(ji)如(ru)何(he)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)對(dui)網(wang)絡(luo)進(jin)行(xing)服(fu)務(wu)或(huo)擴(kuo)展(zhan)。傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)正(zheng)在(zai)開(kai)始(shi)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)，更(geng)多(duo)的(de)企(qi)業(ye)將(jiang)部(bu)署(shu)它(ta)們(men)以(yi)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)
、獲取智能並從競爭中脫穎而出。