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为物联网优化传感器网络设计

在开发下一个无线传感器网络运用时,选用最佳的传感器数量来优化网络并考虑要害的规划变量是值得的,例如网络介质、墙电或电池电源、无线协议选项和网络装备等。

跟着物联网的鼓起,咱们已注意到一个增加趋势,即搜集和汇总来自各种智能家居、工业、绿色动力、交通和智能城市运用的传感器数据。整个职业普遍认为发送到云端或本地操控体系的数据越多越好。

这些传感器数据中的大部分都选用物理传感的方式,用于人员侦测、物体检测、温度、湿度、光线、声响和振荡等。跟着时刻的推移,开发人员认识到了布置大型传感器网络的难度,而且许多云核算公司已得出定论:如果您无法对数据进行决议计划,那么拜访很多数据并不一定会增加价值。

在当今对本钱灵敏的环境中,每个布置的传感设备或网络都有必要在开发和布置的复杂性与物联网服务供给商、云核算公司和终究用户的价值之间获得平衡。在已布置的传感器网络中,咱们现在看到的趋势是:简化网络并仅丈量那些能够帮忙节约本钱和/或增强终究用户体会的内容。

传感器网络趋势和示例

让咱们考虑两个示例:零售商铺和商业办公楼。它们展现了一个新趋势,即布置物联网运用所需的最佳传感器数量。

商铺中最有价值的不动产是其产品货架,要害的方针是客户转化率。大多数大型零售商将获益于传感器网络,该网络能够丈量占用率、客户和物品方位、库存水相等。抱负状况下,体系将运用传感器数据来增加客户购买的或许性。传感器能够运用新的蓝牙盯梢技能,例如抵达角(AoA)和脱离角(AoD)以及接纳的信号强度指示(RSSI)或间隔相移。这些AoX(参见图1中的AoD定位体系)和测距技能使得网络能够对客户的智能手机或嵌入在购物篮/购物车中的设备的方位进行三角丈量,以检测客户的方位以及确认购物者在商铺中的哪里停留了更多的时刻。这些数据与面部辨认技能或智能手机辨认相结合,可认为每位购物者分配一个购买组合,以猜测他们最有或许购买的产品,并供给店内出售或绑缚出售以鼓励他们购买,或在店内拜访后供给有针对性的营销活动。

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图1 蓝牙5.1支撑的抵达角和脱离角(AoX)技能增强了室内定位体系的开展

优化的传感器网络还可认为商铺司理供给有关各种产品类型的购买决议计划的主张。例如,传感器网络或许会提醒某些客户花费很多时刻比较牙膏品牌,一起快速挑选洗发水,挑选他们所知道的品牌。这些信息使商铺能够愈加才智地在货架上寄存客户更有或许购买的产品,然后进步商铺的功率和盈余才能。

将办公楼转变为布有传感器的智能修建将削减维护和运营本钱,并增强其入驻者的安全性、舒适性和便利性。温度操控是设备办理的首要本钱要素。一个典型的10万平方英尺的修建物每月或许花费超越5万美元来充沛降温或加热。经过增加30万美元的智能传感器网络将这一本钱削减15%将是一项正确的出资,在几年后就能回收本钱。另一个附加值是为防止损坏而优化的传感器网络。能够感知比如漏水、水淹、烟雾和火灾等要挟,然后敏捷做出反响,能够节约很多修理本钱,一起维护入驻者,乃至抢救生命。经过传感器网络削减要挟也或许下降保险费。

尽管这两个传感器网络示例会直接增加布置者的营收和净利润,但在施行传感器网络时需求考虑两个要害应战:布置传感器的物理介质以及传感器数据的处理方式。

物理介质

每个传感器网络的装备都不同,详细取决于运用要求和物理环境。例如,一些网络能够布置在具有一致掩盖规模的零售环境中,而其他网络要在具有不同巨细房间的公司办公室中施行布置。一些网络要24小时全天候不间断运用,而其他网络在某一天部分时刻运转。受电机电磁噪声困扰的工厂关于传感器网络来说或许是一个具有应战性的环境,这使得某些类型的传感或通讯技能不可用,但每种状况都需求最佳的传感处理方案。

考虑商业修建的比如。一起的方针是下降照明和HVAC体系的能耗和本钱。有两种挑选:在简直没人运用的区域中最小化照明和HVAC运用,或履行节能的照明和环境操控。不管哪种挑选,都需求布置必要的传感器类型,例如侦测是否有人、光照水平缓温度的传感器等。附加的湿度或压力传感器能够经过优化照明和温控来保证入驻者具有更多的舒适度。

要布置最佳传感器网络,开发人员有必要事前做出一些决议:

“传感节点将选用电池供电仍是电线供电?”

由于没有电线的约束,电池供电的无线传感器节点更易于装置。但每隔几年替换一次电池会对ROI回报率发生负面影响。选用电线(墙电或以太网供电)也或许有贵重的前期本钱,而且本地法规的兼容性因区域而异。布置像PoE这样的低电压体系比向每个传感器节点运送110 V或220 V更具本钱效益。另一个经济的挑选是装置低电压LED照明和传感器网络,以便更轻松地节约能耗。

“传感节点选用有线仍是无线通讯?”

处理方案要对选用“有线电源和有线数据通讯”仍是“电池电源和无线数据”进行权衡。无线具有本钱效益,由于不需求在整个修建物中布置数据线,但在布置无线网络时有必要考虑其他前期工程本钱和复杂性。关于新修建,布置CAT5线缆十分简略,它能够将数据和电源传递给每个节点。运用CAT5线缆,数据速率一般低于典型的1 Gbps,这意味着CAT5线缆能够传输超越100米。但是,关于一些修建物的创新改造,进入难以抵达的当地布置线缆(例如吊顶天花板)简直是不或许的。在这种状况下,无线连接或许是最佳挑选。

在施行无线网络时,开发人员有必要考虑运用哪种介质和协议。Wi-Fi因广泛布置的基础设备和IP数据包的了解性等易用特性而具有吸引力,但Wi-Fi只支撑有限数量的终端节点和接入点,而且与其他短间隔无线传输技能选项比较有很多功耗。尽管Zigbee处理了耗电问题,但开发Zigbee网络关于缺少网状专业知识的开发人员来说或许具有应战性。布置人员需求评价每个协议挑选的优缺点(如图2所示)以确认最佳途径。没有完美的处理方案,最好的无线挑选是选用可接受的权衡完成最佳运用方针。

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图2 开发人员可为楼宇自动化中运用的无线传感运用供给多种短间隔协议挑选

“依据传感器数据的决议计划将在哪里处理?”

依据商业修建物或家庭的要求,翻开或封闭HVAC体系的决议能够经过HVAC操控器在修建物本地进行。或许,能够将传感器数据发送到云端进行处理,然后完成HVAC体系的长途操控。

这种对本地或长途数据处理和操控的挑选取决于许多要素,包括完成决议计划所需核算的复杂性、有必要处理的数据量,以及是否需求后期数据处理或长途监控。关于具有有限数据要求的智能家庭,本地处理和操控或许是切实可行的。但是,办理具有许多房间的修建物的HVAC体系或许需求网关将数据传输到云端。

处理传感器数据

处理数百个传感器节点生成的数据是许多企图布置大规模传感器网络的开发人员的一个妨碍。在实验室中设置几个节点并使它们与主机或云通讯相对简略,但跟着节点数量的增加,网络规划困难呈指数级上升。

搜集本地或云端数据的运用有必要辨认一切数据并为其加上时刻戳,以构建区块的精确模型。关于智能办公室,主机体系将从数百个传感器接纳数据。这或许是一个不切实际、贵重且很困难的问题。尽管每个端节点上的传感器或许仅花费0.5美元,但对网状网络和云核算的开支要求或许远远超越传感器的本钱。经验丰富的传感器网络布置者现在只增加每个端节点肯定需求的内容。这种合理精简的优化办法能够削减数据开支并下降终端节点的功耗,然后节约电池替换本钱。

网络拓扑是一个多变量问题。处理方案的趋势是运用交融网状网络、总线或树状拓扑的混合拓扑。例如,在智能办公室中,布置许多较小的传感器网状网络是有意义的,这些网络能够彼此利用去中继发向集中器或接入点的音讯(如图3所示)。此接入点能够是另一个网状网络的一部分,它间隔主机只是一步之遥或许包括主机和其他集中器。经过在集中器和主机之间分管作业,运用这些“中心”节点简化了这一难题。

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图3 智能办公室能够布置较小的传感器网状网络,这些网络彼此利用去中继发向集中器或接入点的音讯

经过运用混合拓扑,云端能够接纳组合数据,减轻云运用的担负并完成更具可扩展性的网络。云运用很或许是针对特定使命定制的,有必要被创立或授权才能为修建物供给监控功用。

现在的趋势是经过软件即服务(SaaS)来完成此运用。例如,期望下降HVAC本钱的保险公司一般不具备自行开发此运用的中心才能。此运用供给反应以及装备,设备办理人员能够依据自己的喜爱自界说操控他们的修建环境。

定论

传感器网络布置是一个应战。没有一个传感器网络布局或丈量组合合适每个物联网运用。一个网络或许专心于盯梢财物或人员,而另一个网络优先考虑感知环境改变以下降本钱或防止灾祸。不管挑选哪种传感器网络办法,都有必要带来价值,该价值有必要抵消布置物理介质以及处理数据并终究做出决议计划的体系的本钱和复杂性。

从电池供电的终端节点到大规模的依据云的运用,传感器网络布置有必要细心规划。在布置或规划传感器网络时,需求考虑一切方面,即使是最细微的忽略也或许导致人们要进行难以抵挡的利害权衡。要考虑怎么为每个传感器节点供电,怎么传输数据和到主机运用的途径,以及怎么跟着时刻的推移对网络进行服务或扩展。传感器网络正在开端完成最佳的性价比,更多的企业将布置它们以下降本钱、获取智能并从竞赛中锋芒毕露。

Mark Beecham

Silicon Labs MCU和传感器产品司理

Mark Beecham是一名产品营销工程师,担任支撑及界说Silicon Labs的8位和32位微操控器和传感器产品。Mark专心于嵌入式体系和传感器,于2015年参加Silicon Labs,在此之前曾在IBM和德州仪器公司作业。此外,他具有德克萨斯A&M大学的电子工程学士学位。