為物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在開發(fā)下一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時，采用最佳的傳感器數(shù)量來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)并考慮關(guān)鍵的設(shè)計變量是值得的，例如網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、墻電或電池電源、無線協(xié)議選項和網(wǎng)絡(luò)配置等。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，我們已注意到一個增長趨勢，即收集和匯總來自各種智能家居、工業(yè)、綠色能源、交通和智能城市應(yīng)用的傳感器數(shù)據(jù)。整個行業(yè)普遍認為發(fā)送到云端或本地控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)越多越好。

這些傳感器數(shù)據(jù)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、聲音和振動等。隨著時間的推移，開發(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(jié)論：如果您無法對數(shù)據(jù)進行決策，那么訪問大量數(shù)據(jù)并不一定會增加價值。

在當今對成本敏感的環(huán)境中，每個部署的傳感設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)都必須在開發(fā)和部署的復(fù)雜性與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商、云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(wǎng)絡(luò)中，我們現(xiàn)在看到的趨勢是：簡化網(wǎng)絡(luò)并僅測量那些可以協(xié)助節(jié)省成本和/或增強最終用戶體驗的內(nèi)容。

傳感器網(wǎng)絡(luò)趨勢和示例

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

商店中最有價值的不動產(chǎn)是其商品貨架，關(guān)鍵的指標是客戶轉(zhuǎn)化率。大多數(shù)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、客戶和物品位置、庫存水平等。理想情況下，系統(tǒng)將使用傳感器數(shù)據(jù)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(shù)，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定位系統(tǒng)）和測距技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)蛻舻?a target="_blank">智能手機或嵌入在購物籃/購物車中的設(shè)備的位置進行三角測量，以檢測客戶的位置以及確定購物者在商店中的哪里停留了更多的時間。這些數(shù)據(jù)與面部識別技術(shù)或智能手機識別相結(jié)合，可以為每位購物者分配一個購買組合，以預(yù)測他們最有可能購買的商品，并提供店內(nèi)銷售或捆綁銷售以激勵他們購買，或在店內(nèi)訪問后提供有針對性的營銷活動。

圖1 藍牙5.1支持的到達角和離開角（AoX）技術(shù)增強了室內(nèi)定位系統(tǒng)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)品類型的購買決策的建議。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)可能會揭示某些客戶花費大量時間比較牙膏品牌，同時快速選擇洗發(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更有可能購買的商品，從而提高商店的效率和盈利能力。

將辦公樓轉(zhuǎn)變?yōu)椴加袀鞲衅鞯闹悄芙ㄖp少維護和運營成本，并增強其入駐者的安全性、舒適性和便利性。溫度控制是設(shè)施管理的主要成本因素。一個典型的10萬平方英尺的建筑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(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(zāi)等威脅，然后迅速做出反應(yīng)，可以節(jié)省大量維修成本，同時保護入駐者，甚至挽救生命。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)減少威脅也可能降低保險費。

雖然這兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)示例會直接增加部署者的營收和凈利潤，但在實施傳感器網(wǎng)絡(luò)時需要考慮兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：部署傳感器的物理介質(zhì)以及傳感器數(shù)據(jù)的處理方式。

物理介質(zhì)

每個傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置都不同，具體取決于應(yīng)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(tǒng)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施部署。一些網(wǎng)絡(luò)要24小時全天候不間斷使用，而其他網(wǎng)絡(luò)在某一天部分時間運行。受電機電磁噪聲困擾的工廠對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說可能是一個具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，這使得某些類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(tǒng)的能耗和成本。有兩種選擇：在幾乎沒人使用的區(qū)域中最小化照明和HVAC使用，或執(zhí)行節(jié)能的照明和環(huán)境控制。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(yōu)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(wǎng)絡(luò)，開發(fā)人員必須事先做出一些決定：

“傳感節(jié)點將采用電池供電還是電線供電？”

由于沒有電線的限制，電池供電的無線傳感器節(jié)點更易于安裝。但每隔幾年更換一次電池會對ROI回報率產(chǎn)生負面影響。采用電線（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(guī)的兼容性因地區(qū)而異。部署像PoE這樣的低電壓系統(tǒng)比向每個傳感器節(jié)點輸送110 V或220 V更具成本效益。另一個經(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(jié)省能耗。

“傳感節(jié)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(shù)據(jù)通信”還是“電池電源和無線數(shù)據(jù)”進行權(quán)衡。無線具有成本效益，因為不需要在整個建筑物中部署數(shù)據(jù)線，但在部署無線網(wǎng)絡(luò)時必須考慮其他前期工程成本和復(fù)雜性。對于新建筑，部署CAT5線纜非常容易，它可以將數(shù)據(jù)和電源傳遞給每個節(jié)點。使用CAT5線纜，數(shù)據(jù)速率通常低于典型的1 Gbps，這意味著CAT5線纜可以傳輸超過100米。然而，對于一些建筑物的翻新改造，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(wǎng)絡(luò)時，開發(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(chǔ)設(shè)施和IP數(shù)據(jù)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(shù)量的終端節(jié)點和接入點，并且與其他短距離無線傳輸技術(shù)選項相比有大量功耗。雖然Zigbee解決了耗電問題，但開發(fā)Zigbee網(wǎng)絡(luò)對于缺乏網(wǎng)狀專業(yè)知識的開發(fā)人員來說可能具有挑戰(zhàn)性。部署人員需要評估每個協(xié)議選擇的優(yōu)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(quán)衡實現(xiàn)最佳應(yīng)用目標。

圖2 開發(fā)人員可為樓宇自動化中使用的無線傳感應(yīng)用提供多種短距離協(xié)議選擇

“基于傳感器數(shù)據(jù)的決策將在哪里處理？”

根據(jù)商業(yè)建筑物或家庭的要求，打開或關(guān)閉HVAC系統(tǒng)的決定可以通過HVAC控制器在建筑物本地進行?；蛘?，可以將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行處理，從而實現(xiàn)HVAC系統(tǒng)的遠程控制。

這種對本地或遠程數(shù)據(jù)處理和控制的選擇取決于許多因素，包括實現(xiàn)決策所需計算的復(fù)雜性、必須處理的數(shù)據(jù)量，以及是否需要后期數(shù)據(jù)處理或遠程監(jiān)控。對于具有有限數(shù)據(jù)要求的智能家庭，本地處理和控制可能是切實可行的。然而，管理具有許多房間的建筑物的HVAC系統(tǒng)可能需要網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫恕?/p>

處理傳感器數(shù)據(jù)

處理數(shù)百個傳感器節(jié)點生成的數(shù)據(jù)是許多試圖部署大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)人員的一個障礙。在實驗室中設(shè)置幾個節(jié)點并使它們與主機或云通信相對簡單，但隨著節(jié)點數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計困難呈指數(shù)級上升。

收集本地或云端數(shù)據(jù)的應(yīng)用必須識別所有數(shù)據(jù)并為其加上時間戳，以構(gòu)建區(qū)塊的準確模型。對于智能辦公室，主機系統(tǒng)將從數(shù)百個傳感器接收數(shù)據(jù)。這可能是一個不切實際、昂貴且很困難的問題。雖然每個端節(jié)點上的傳感器可能僅花費0.5美元，但對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和云計算的開銷要求可能遠遠超過傳感器的成本。經(jīng)驗豐富的傳感器網(wǎng)絡(luò)部署者現(xiàn)在只添加每個端節(jié)點絕對需要的內(nèi)容。這種合理精簡的優(yōu)化方法可以減少數(shù)據(jù)開銷并降低終端節(jié)點的功耗，從而節(jié)省電池更換成本。

網(wǎng)絡(luò)拓撲是一個多變量問題。解決方案的趨勢是使用融合網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、總線或樹狀拓撲的混合拓撲。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)向集中器或接入點的消息（如圖3所示）。此接入點可以是另一個網(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。通過在集中器和主機之間分擔(dān)工作，使用這些“中間”節(jié)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)相互利用去中繼發(fā)向集中器或接入點的消息

通過使用混合拓撲，云端可以接收組合數(shù)據(jù)，減輕云應(yīng)用的負擔(dān)并實現(xiàn)更具可擴展性的網(wǎng)絡(luò)。云應(yīng)用很可能是針對特定任務(wù)定制的，必須被創(chuàng)建或授權(quán)才能為建筑物提供監(jiān)控功能。

目前的趨勢是通過軟件即服務(wù)（SaaS）來實現(xiàn)此應(yīng)用。例如，希望降低HVAC成本的保險公司通常不具備自行開發(fā)此應(yīng)用的核心能力。此應(yīng)用提供反饋以及配置，設(shè)施管理人員可以根據(jù)自己的喜好自定義控制他們的建筑環(huán)境。

結(jié)論

傳感器網(wǎng)絡(luò)部署是一個挑戰(zhàn)。沒有一個傳感器網(wǎng)絡(luò)布局或測量組合適合每個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。一個網(wǎng)絡(luò)可能專注于跟蹤資產(chǎn)或人員，而另一個網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先考慮感知環(huán)境變化以降低成本或避免災(zāi)難。無論選擇哪種傳感器網(wǎng)絡(luò)方法，都必須帶來價值，該價值必須抵消部署物理介質(zhì)以及處理數(shù)據(jù)并最終做出決策的系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

從電池供電的終端節(jié)點到大規(guī)模的基于云的應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)部署必須仔細規(guī)劃。在部署或設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮所有方面，即使是最輕微的疏忽也可能導(dǎo)致人們要進行難以對付的利弊權(quán)衡。要考慮如何為每個傳感器節(jié)點供電，如何傳輸數(shù)據(jù)和到主機應(yīng)用的路徑，以及如何隨著時間的推移對網(wǎng)絡(luò)進行服務(wù)或擴展。傳感器網(wǎng)絡(luò)正在開始實現(xiàn)最佳的性價比，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。