為物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)作者：Silicon Labs MCU和傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Mark Beecham在開(kāi)發(fā)下一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，采用最佳的傳感器數(shù)量來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)并考慮關(guān)鍵的設(shè)計(jì)變量是值得的，例如網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、墻電或電池電源、無(wú)線協(xié)議選項(xiàng)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(gè)增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(yīng)用的傳感器數(shù)據(jù)。整個(gè)行業(yè)普遍認(rèn)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(cè)、物體檢測(cè)、溫度、濕度、光線、聲音和振動(dòng)等。隨著時(shí)間的推移，開(kāi)發(fā)人員意識(shí)到了部署大型傳感器網(wǎng)絡(luò)的難度，并且許多云計(jì)算公司已得出結(jié)論：如果您無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，那么訪問(wèn)大量數(shù)據(jù)并不一定會(huì)增加價(jià)值。在當(dāng)今對(duì)成本敏感的環(huán)境中，每個(gè)部署的傳感設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)都必須在開(kāi)發(fā)和部署的復(fù)雜性與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商、云計(jì)算公司和最終用戶的價(jià)值之間取得平衡。在已部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，我們現(xiàn)在看到的趨勢(shì)是：簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)并僅測(cè)量那些可以協(xié)助節(jié)省成本和/或增強(qiáng)最終用戶體驗(yàn)的內(nèi)容。傳感器網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)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(shì)，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(jià)值的不動(dòng)產(chǎn)是其商品貨架，關(guān)鍵的指標(biāo)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(cè)量占用率、客戶和物品位置、庫(kù)存水平等。理想情況下，系統(tǒng)將使用傳感器數(shù)據(jù)來(lái)增加客戶購(gòu)買(mǎi)的可能性。傳感器可以使用新的藍(lán)牙跟蹤技術(shù)，例如到達(dá)角（AoA）和離開(kāi)角（AoD）以及接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）或距離相移。這些AoX（參見(jiàn)圖1中的AoD定位系統(tǒng)）和測(cè)距技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)蛻舻?a target="_blank">智能手機(jī)或嵌入在購(gòu)物籃/購(gòu)物車中的設(shè)備的位置進(jìn)行三角測(cè)量，以檢測(cè)客戶的位置以及確定購(gòu)物者在商店中的哪里停留了更多的時(shí)間。這些數(shù)據(jù)與面部識(shí)別技術(shù)或智能手機(jī)識(shí)別相結(jié)合，可以為每位購(gòu)物者分配一個(gè)購(gòu)買(mǎi)組合，以預(yù)測(cè)他們最有可能購(gòu)買(mǎi)的商品，并提供店內(nèi)銷售或捆綁銷售以激勵(lì)他們購(gòu)買(mǎi)，或在店內(nèi)訪問(wèn)后提供有針對(duì)性的營(yíng)銷活動(dòng)。

圖1 藍(lán)牙5.1支持的到達(dá)角和離開(kāi)角（AoX）技術(shù)增強(qiáng)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(gòu)買(mǎi)決策的建議。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)揭示某些客戶花費(fèi)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更有可能購(gòu)買(mǎi)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(hù)和運(yùn)營(yíng)成本，并增強(qiáng)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(gè)典型的10萬(wàn)平方英尺的建筑物每月可能花費(fèi)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(xiàng)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(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(shí)保護(hù)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(xiǎn)費(fèi)。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(rùn)，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(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(gè)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(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(yùn)行。受電機(jī)電磁噪聲困擾的工廠對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)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?？紤]商業(yè)建筑的例子。共同的目標(biāo)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(méi)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(wú)論哪種選擇，都需要部署必要的傳感器類型，例如偵測(cè)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(jié)點(diǎn)將采用電池供電還是電線供電？”由于沒(méi)有電線的限制，電池供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)更易于安裝。但每隔幾年更換一次電池會(huì)對(duì)ROI回報(bào)率產(chǎn)生負(fù)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)輸送110 V或220 V更具成本效益。另一個(gè)經(jīng)濟(jì)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(diǎn)采用有線還是無(wú)線通信？”解決方案要對(duì)采用“有線電源和有線數(shù)據(jù)通信”還是“電池電源和無(wú)線數(shù)據(jù)”進(jìn)行權(quán)衡。無(wú)線具有成本效益，因?yàn)椴恍枰谡麄€(gè)建筑物中部署數(shù)據(jù)線，但在部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮其他前期工程成本和復(fù)雜性。對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)。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(guò)100米。然而，對(duì)于一些建筑物的翻新改造，進(jìn)入難以到達(dá)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(wú)線連接可能是最佳選擇。在實(shí)施無(wú)線網(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(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(diǎn)和接入點(diǎn)，并且與其他短距離無(wú)線傳輸技術(shù)選項(xiàng)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(duì)于缺乏網(wǎng)狀專業(yè)知識(shí)的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)可能具有挑戰(zhàn)性。部署人員需要評(píng)估每個(gè)協(xié)議選擇的優(yōu)缺點(diǎn)以確定最佳路徑，然而沒(méi)有完美的解決方案，最好的無(wú)線選擇是采用可接受的權(quán)衡實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用目標(biāo)?！盎趥鞲衅鲾?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(kāi)或關(guān)閉HVAC系統(tǒng)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(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)HVAC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。這種對(duì)本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理和控制的選擇取決于許多因素，包括實(shí)現(xiàn)決策所需計(jì)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(yuǎn)程監(jiān)控。對(duì)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(shí)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Ｌ幚韨鞲衅鲾?shù)據(jù)處理數(shù)百個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(kāi)發(fā)人員的一個(gè)障礙。在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置幾個(gè)節(jié)點(diǎn)并使它們與主機(jī)或云通信相對(duì)簡(jiǎn)單，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)困難呈指數(shù)級(jí)上升。收集本地或云端數(shù)據(jù)的應(yīng)用必須識(shí)別所有數(shù)據(jù)并為其加上時(shí)間戳，以構(gòu)建區(qū)塊的準(zhǔn)確模型。對(duì)于智能辦公室，主機(jī)系統(tǒng)將從數(shù)百個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)。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(jié)點(diǎn)上的傳感器可能僅花費(fèi)0.5美元，但對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算的開(kāi)銷要求可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳感器的成本。經(jīng)驗(yàn)豐富的傳感器網(wǎng)絡(luò)部署者現(xiàn)在只添加每個(gè)端節(jié)點(diǎn)絕對(duì)需要的內(nèi)容。這種合理精簡(jiǎn)的優(yōu)化方法可以減少數(shù)據(jù)開(kāi)銷并降低終端節(jié)點(diǎn)的功耗，從而節(jié)省電池更換成本。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且粋€(gè)多變量問(wèn)題。解決方案的趨勢(shì)是使用融合網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、總線或樹(shù)狀拓?fù)涞幕旌贤負(fù)洹＠?，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2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(jī)僅僅一步之遙或者包含主機(jī)和其他集中器。通過(guò)在集中器和主機(jī)之間分擔(dān)工作，使用這些“中間”節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化了這一難題。

圖2 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?fù)洌贫丝梢越邮战M合數(shù)據(jù)，減輕云應(yīng)用的負(fù)擔(dān)并實(shí)現(xiàn)更具可擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)。云應(yīng)用很可能是針對(duì)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(shì)是通過(guò)軟件即服務(wù)（SaaS）來(lái)實(shí)現(xiàn)此應(yīng)用。例如，希望降低HVAC成本的保險(xiǎn)公司通常不具備自行開(kāi)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(gè)挑戰(zhàn)。沒(méi)有一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)布局或測(cè)量組合適合每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能專注于跟蹤資產(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(zāi)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(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(diǎn)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(xì)規(guī)劃。在部署或設(shè)計(jì)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(dǎo)致人們要進(jìn)行難以對(duì)付的利弊權(quán)衡。要考慮如何為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電，如何傳輸數(shù)據(jù)和到主機(jī)應(yīng)用的路徑，以及如何隨著時(shí)間的推移對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行服務(wù)或擴(kuò)展。傳感器網(wǎng)絡(luò)正在開(kāi)始實(shí)現(xiàn)最佳的性價(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(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。作者簡(jiǎn)介：Mark Beecham,Silicon Labs MCU和傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Mark Beecham是一名產(chǎn)品營(yíng)銷工程師，負(fù)責(zé)支持及定義Silicon Labs的8位和32位微控制器和傳感器產(chǎn)品。Mark專注于嵌入式系統(tǒng)和傳感器，于2015年加入Silicon Labs，在此之前曾在IBM和德州儀器公司工作。此外，他擁有德克薩斯A&M大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。您也可以掃描以下維碼，關(guān)注Silicon Labs社交媒體平臺(tái)