在開(kāi)發(fā)下一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用時(shí)，采用最佳的傳感器數量來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )并考慮關(guān)鍵的設計變量是值得的，例如網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)、墻電或電池電源、無(wú)線(xiàn)協(xié)議選項和網(wǎng)絡(luò )配置等。

 

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的興起，我們已注意到一個(gè)增長(cháng)趨勢，即收集和匯總來(lái)自各種智能家居、工業(yè)、綠色能源、交通和智能城市應用的傳感器數據。整個(gè)行業(yè)普遍認為發(fā)送到云端或本地控制系統的數據越多越好。

 

這些傳感器數據中的大部分都采用物理傳感的形式，用于人員偵測、物體檢測、溫度、濕度、光線(xiàn)、聲音和振動(dòng)等。隨著(zhù)時(shí)間的推移，開(kāi)發(fā)人員意識到了部署大型傳感器網(wǎng)絡(luò )的難度，并且許多云計算公司已得出結論：如果您無(wú)法對數據進(jìn)行決策，那么訪(fǎng)問(wèn)大量數據并不一定會(huì )增加價(jià)值。

 

在當今對成本敏感的環(huán)境中，每個(gè)部署的傳感設備或網(wǎng)絡(luò )都必須在開(kāi)發(fā)和部署的復雜性與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商、云計算公司和最終用戶(hù)的價(jià)值之間取得平衡。在已部署的傳感器網(wǎng)絡(luò )中，我們現在看到的趨勢是：簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )并僅測量那些可以協(xié)助節省成本和/或增強最終用戶(hù)體驗的內容。

 

傳感器網(wǎng)絡(luò )趨勢和示例

讓我們考慮兩個(gè)示例：零售商店和商業(yè)辦公樓。它們展示了一個(gè)新趨勢，即部署物聯(lián)網(wǎng)應用所需的最佳傳感器數量。

 

商店中最有價(jià)值的不動(dòng)產(chǎn)是其商品貨架，關(guān)鍵的指標是客戶(hù)轉化率。大多數大型零售商將受益于傳感器網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )可以測量占用率、客戶(hù)和物品位置、庫存水平等。理想情況下，系統將使用傳感器數據來(lái)增加客戶(hù)購買(mǎi)的可能性。傳感器可以使用新的藍牙跟蹤技術(shù)，例如到達角（AoA）和離開(kāi)角（AoD）以及接收的信號強度指示（RSSI）或距離相移。這些AoX（參見(jiàn)圖1中的AoD定位系統）和測距技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò )能夠對客戶(hù)的智能手機或嵌入在購物籃/購物車(chē)中的設備的位置進(jìn)行三角測量，以檢測客戶(hù)的位置以及確定購物者在商店中的哪里停留了更多的時(shí)間。這些數據與面部識別技術(shù)或智能手機識別相結合，可以為每位購物者分配一個(gè)購買(mǎi)組合，以預測他們最有可能購買(mǎi)的商品，并提供店內銷(xiāo)售或捆綁銷(xiāo)售以激勵他們購買(mǎi)，或在店內訪(fǎng)問(wèn)后提供有針對性的營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)。

 

圖1 藍牙5.1支持的到達角和離開(kāi)角（AoX）技術(shù)增強了室內定位系統的發(fā)展

 

優(yōu)化的傳感器網(wǎng)絡(luò )還可以為商店經(jīng)理提供有關(guān)各種產(chǎn)品類(lèi)型的購買(mǎi)決策的建議。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò )可能會(huì )揭示某些客戶(hù)花費大量時(shí)間比較牙膏品牌，同時(shí)快速選擇洗發(fā)水，選擇他們所知道的品牌。這些信息使商店能夠更加智慧地在貨架上存放客戶(hù)更有可能購買(mǎi)的商品，從而提高商店的效率和盈利能力。

 

將辦公樓轉變?yōu)椴加袀鞲衅鞯闹悄芙ㄖp少維護和運營(yíng)成本，并增強其入駐者的安全性、舒適性和便利性。溫度控制是設施管理的主要成本因素。一個(gè)典型的10萬(wàn)平方英尺的建筑物每月可能花費超過(guò)5萬(wàn)美元來(lái)充分降溫或加熱。通過(guò)增加30萬(wàn)美元的智能傳感器網(wǎng)絡(luò )將這一成本削減15％將是一項明智的投資，在幾年后就能收回成本。另一個(gè)附加值是為防止破壞而優(yōu)化的傳感器網(wǎng)絡(luò )。能夠感知諸如漏水、水淹、煙霧和火災等威脅，然后迅速做出反應，可以節省大量維修成本，同時(shí)保護入駐者，甚至挽救生命。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò )減少威脅也可能降低保險費。

 

雖然這兩個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )示例會(huì )直接增加部署者的營(yíng)收和凈利潤，但在實(shí)施傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵挑戰：部署傳感器的物理介質(zhì)以及傳感器數據的處理方式。

 

物理介質(zhì)

每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的配置都不同，具體取決于應用要求和物理環(huán)境。例如，一些網(wǎng)絡(luò )可以部署在具有統一覆蓋范圍的零售環(huán)境中，而其他網(wǎng)絡(luò )要在具有不同大小房間的公司辦公室中實(shí)施部署。一些網(wǎng)絡(luò )要24小時(shí)全天候不間斷使用，而其他網(wǎng)絡(luò )在某一天部分時(shí)間運行。受電機電磁噪聲困擾的工廠(chǎng)對于傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)具有挑戰性的環(huán)境，這使得某些類(lèi)型的傳感或通信技術(shù)不可用，但每種情況都需要最佳的傳感解決方案。

 

考慮商業(yè)建筑的例子。共同的目標是降低照明和HVAC系統的能耗和成本。有兩種選擇：在幾乎沒(méi)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(huán)境控制。無(wú)論哪種選擇，都需要部署必要的傳感器類(lèi)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(guò)優(yōu)化照明和溫控來(lái)確保入駐者擁有更多的舒適度。

 

要部署最佳傳感器網(wǎng)絡(luò )，開(kāi)發(fā)人員必須事先做出一些決定：

 

“傳感節點(diǎn)將采用電池供電還是電線(xiàn)供電？”

由于沒(méi)有電線(xiàn)的限制，電池供電的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)更易于安裝。但每隔幾年更換一次電池會(huì )對ROI回報率產(chǎn)生負面影響。采用電線(xiàn)（墻電或以太網(wǎng)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這樣的低電壓系統比向每個(gè)傳感器節點(diǎn)輸送110 V或220 V更具成本效益。另一個(gè)經(jīng)濟的選擇是安裝低電壓LED照明和傳感器網(wǎng)絡(luò )，以便更輕松地節省能耗。

 

“傳感節點(diǎn)采用有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)通信？”

解決方案要對采用“有線(xiàn)電源和有線(xiàn)數據通信”還是“電池電源和無(wú)線(xiàn)數據”進(jìn)行權衡。無(wú)線(xiàn)具有成本效益，因為不需要在整個(gè)建筑物中部署數據線(xiàn)，但在部署無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)必須考慮其他前期工程成本和復雜性。對于新建筑，部署CAT5線(xiàn)纜非常容易，它可以將數據和電源傳遞給每個(gè)節點(diǎn)。使用CAT5線(xiàn)纜，數據速率通常低于典型的1 Gbps，這意味著(zhù)CAT5線(xiàn)纜可以傳輸超過(guò)100米。然而，對于一些建筑物的翻新改造，進(jìn)入難以到達的地方部署線(xiàn)纜（例如吊頂天花板）幾乎是不可能的。在這種情況下，無(wú)線(xiàn)連接可能是最佳選擇。

 

在實(shí)施無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，開(kāi)發(fā)人員必須考慮使用哪種介質(zhì)和協(xié)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只支持有限數量的終端節點(diǎn)和接入點(diǎn)，并且與其他短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)選項相比有大量功耗。雖然Zigbee解決了耗電問(wèn)題，但開(kāi)發(fā)Zigbee網(wǎng)絡(luò )對于缺乏網(wǎng)狀專(zhuān)業(yè)知識的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)可能具有挑戰性。部署人員需要評估每個(gè)協(xié)議選擇的優(yōu)缺點(diǎn)（如圖2所示）以確定最佳路徑。沒(méi)有完美的解決方案，最好的無(wú)線(xiàn)選擇是采用可接受的權衡實(shí)現最佳應用目標。

 

圖2 開(kāi)發(fā)人員可為樓宇自動(dòng)化中使用的無(wú)線(xiàn)傳感應用提供多種短距離協(xié)議選擇

 

“基于傳感器數據的決策將在哪里處理？”

根據商業(yè)建筑物或家庭的要求，打開(kāi)或關(guān)閉HVAC系統的決定可以通過(guò)HVAC控制器在建筑物本地進(jìn)行?；蛘?，可以將傳感器數據發(fā)送到云端進(jìn)行處理，從而實(shí)現HVAC系統的遠程控制。

 

這種對本地或遠程數據處理和控制的選擇取決于許多因素，包括實(shí)現決策所需計算的復雜性、必須處理的數據量，以及是否需要后期數據處理或遠程監控。對于具有有限數據要求的智能家庭，本地處理和控制可能是切實(shí)可行的。然而，管理具有許多房間的建筑物的HVAC系統可能需要網(wǎng)關(guān)將數據傳輸到云端。

 

處理傳感器數據

處理數百個(gè)傳感器節點(diǎn)生成的數據是許多試圖部署大規模傳感器網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)發(fā)人員的一個(gè)障礙。在實(shí)驗室中設置幾個(gè)節點(diǎn)并使它們與主機或云通信相對簡(jiǎn)單，但隨著(zhù)節點(diǎn)數量的增加，網(wǎng)絡(luò )設計困難呈指數級上升。

 

收集本地或云端數據的應用必須識別所有數據并為其加上時(shí)間戳，以構建區塊的準確模型。對于智能辦公室，主機系統將從數百個(gè)傳感器接收數據。這可能是一個(gè)不切實(shí)際、昂貴且很困難的問(wèn)題。雖然每個(gè)端節點(diǎn)上的傳感器可能僅花費0.5美元，但對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )和云計算的開(kāi)銷(xiāo)要求可能遠遠超過(guò)傳感器的成本。經(jīng)驗豐富的傳感器網(wǎng)絡(luò )部署者現在只添加每個(gè)端節點(diǎn)絕對需要的內容。這種合理精簡(jiǎn)的優(yōu)化方法可以減少數據開(kāi)銷(xiāo)并降低終端節點(diǎn)的功耗，從而節省電池更換成本。

 

網(wǎng)絡(luò )拓撲是一個(gè)多變量問(wèn)題。解決方案的趨勢是使用融合網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )、總線(xiàn)或樹(shù)狀拓撲的混合拓撲。例如，在智能辦公室中，部署許多較小的傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是有意義的，這些網(wǎng)絡(luò )可以相互利用去中繼發(fā)向集中器或接入點(diǎn)的消息（如圖3所示）。此接入點(diǎn)可以是另一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的一部分，它距離主機僅僅一步之遙或者包含主機和其他集中器。通過(guò)在集中器和主機之間分擔工作，使用這些“中間”節點(diǎn)簡(jiǎn)化了這一難題。

 

圖3 智能辦公室可以部署較小的傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，這些網(wǎng)絡(luò )相互利用去中繼發(fā)向集中器或接入點(diǎn)的消息

 

通過(guò)使用混合拓撲，云端可以接收組合數據，減輕云應用的負擔并實(shí)現更具可擴展性的網(wǎng)絡(luò )。云應用很可能是針對特定任務(wù)定制的，必須被創(chuàng )建或授權才能為建筑物提供監控功能。

 

目前的趨勢是通過(guò)軟件即服務(wù)（SaaS）來(lái)實(shí)現此應用。例如，希望降低HVAC成本的保險公司通常不具備自行開(kāi)發(fā)此應用的核心能力。此應用提供反饋以及配置，設施管理人員可以根據自己的喜好自定義控制他們的建筑環(huán)境。

 

結論

傳感器網(wǎng)絡(luò )部署是一個(gè)挑戰。沒(méi)有一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )布局或測量組合適合每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應用。一個(gè)網(wǎng)絡(luò )可能專(zhuān)注于跟蹤資產(chǎn)或人員，而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)先考慮感知環(huán)境變化以降低成本或避免災難。無(wú)論選擇哪種傳感器網(wǎng)絡(luò )方法，都必須帶來(lái)價(jià)值，該價(jià)值必須抵消部署物理介質(zhì)以及處理數據并最終做出決策的系統的成本和復雜性。

 

從電池供電的終端節點(diǎn)到大規模的基于云的應用，傳感器網(wǎng)絡(luò )部署必須仔細規劃。在部署或設計傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)，需要考慮所有方面，即使是最輕微的疏忽也可能導致人們要進(jìn)行難以對付的利弊權衡。要考慮如何為每個(gè)傳感器節點(diǎn)供電，如何傳輸數據和到主機應用的路徑，以及如何隨著(zhù)時(shí)間的推移對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行服務(wù)或擴展。傳感器網(wǎng)絡(luò )正在開(kāi)始實(shí)現最佳的性?xún)r(jià)比，更多的企業(yè)將部署它們以降低成本、獲取智能并從競爭中脫穎而出。