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应用时，采用最佳的传感器数量来优化网络并考虑关键的设计变量是值得的，例如网络介质、墙电或电池电源、无线协议选项和网络配置等。

随着物联网的兴起，我们已注意到一个增长趋势，即收集和汇总来自各种智能家居、工业、绿色能源、交通和智能城市应用的传感器数据。整个行业普遍认为发送到云端或本地控制系统的数据越多越好。

这些传感器数据中的大部分都采用物理传感的形式，用于人员侦测、物体检测、温度、湿度、光线、声音和振动等。随着时间的推移，开发人员意识到了部署大型传感器网络的难度，并且许多云计算公司已得出结论：如果您无法对数据进行决策，那么访问大量数据并不一定会增加价值。

在当今对成本敏感的环境中，每个部署的传感设备或网络都必须在开发和部署的复杂性与物联网服务提供商、云计算公司和最终用户的价值之间取得平衡。在已部署的传感器网络中，我们现在看到的趋势是：简化网络并仅测量那些可以协助节省成本和/或增强最终用户体验的内容。

传感器网络趋势和示例

让我们考虑两个示例：零售商店和商业办公楼。它们展示了一个新趋势，即部署物联网应用所需的最佳传感器数量。

商店中最有价值的不动产是其商品货架，关键的指标是客户转化率。大多数大型零售商将受益于传感器网络，该网络可以测量占用率、客户和物品位置、库存水平等。理想情况下，系统将使用传感器数据来增加客户购买的可能性。传感器可以使用新的蓝牙跟踪技术，例如到达角(AoA)和离开角(AoD)以及接收的信号强度指示(RSSI)或距离相移。这些AoX(参见图1中的AoD定位系统)和测距技术使得网络能够对客户的智能手机或嵌入在购物篮/购物车中的设备的位置进行三角测量，以检测客户的位置以及确定购物者在商店中的哪里停留了更多的时间。这些数据与面部识别技术或智能手机识别相结合，可以为每位购物者分配一个购买组合，以预测他们最有可能购买的商品，并提供店内销售或捆绑销售以激励他们购买，或在店内访问后提供有针对性的营销活动。

图1 蓝牙5.1支持的到达角和离开角(AoX)技术增强了室内定位系统的发展

优化的传感器网络还可以为商店经理提供有关各种产品类型的购买决策的建议。例如，传感器网络可能会揭示某些客户花费大量时间比较牙膏品牌，同时快速选择洗发水，选择他们所知道的品牌。这些信息使商店能够更加智慧地在货架上存放客户更有可能购买的商品，从而提高商店的效率和盈利能力。

将办公楼转变为布有传感器的智能建筑将减少维护和运营成本，并增强其入驻者的安全性、舒适性和便利性。温度控制是设施管理的主要成本因素。一个典型的10万平方英尺的建筑物每月可能花费超过5万美元来充分降温或加热。通过增加30万美元的智能传感器网络将这一成本削减15%将是一项明智的投资，在几年后就能收回成本。另一个附加值是为防止破坏而优化的传感器网络。能够感知诸如漏水、水淹、烟雾和火灾等威胁，然后迅速做出反应，可以节省大量维修成本，同时保护入驻者，甚至挽救生命。通过传感器网络减少威胁也可能降低保险费。

虽然这两个传感器网络示例会直接增加部署者的营收和净利润，但在实施传感器网络时需要考虑两个关键挑战：部署传感器的物理介质以及传感器数据的处理方式。

物理介质

每个传感器网络的配置都不同，具体取决于应用要求和物理环境。例如，一些网络可以部署在具有统一覆盖范围的零售环境中，而其他网络要在具有不同大小房间的公司办公室中实施部署。一些网络要24小时全天候不间断使用，而其他网络在某一天部分时间运行。受电机电磁噪声困扰的工厂对于传感器网络来说可能是一个具有挑战性的环境，这使得某些类型的传感或通信技术不可用，但每种情况都需要最佳的传感解决方案。

考虑商业建筑的例子。共同的目标是降低照明和HVAC系统的能耗和成本。有两种选择：在几乎没人使用的区域中最小化照明和HVAC使用，或执行节能的照明和环境控制。无论哪种选择，都需要部署必要的传感器类型，例如侦测是否有人、光照水平和温度的传感器等。附加的湿度或压力传感器可以通过优化照明和温控来确保入驻者拥有更多的舒适度。

要部署最佳传感器网络，开发人员必须事先做出一些决定：

“传感节点将采用电池供电还是电线供电?”

由于没有电线的限制，电池供电的无线传感器节点更易于安装。但每隔几年更换一次电池会对ROI回报率产生负面影响。采用电线(墙电或以太网供电)也可能有昂贵的前期成本，而且本地法规的兼容性因地区而异。部署像PoE这样的低电压系统比向每个传感器节点输送110 V或220 V更具成本效益。另一个经济的选择是安装低电压LED照明和传感器网络，以便更轻松地节省能耗。

“传感节点采用有线还是无线通信?”

解决方案要对采用“有线电源和有线数据通信”还是“电池电源和无线数据”进行权衡。无线具有成本效益，因为不需要在整个建筑物中部署数据线，但在部署无线网络时必须考虑其他前期工程成本和复杂性。对于新建筑，部署CAT5线缆非常容易，它可以将数据和电源传递给每个节点。使用CAT5线缆，数据速率通常低于典型的1 Gbps，这意味着CAT5线缆可以传输超过100米。然而，对于一些建筑物的翻新改造，进入难以到达的地方部署线缆(例如吊顶天花板)几乎是不可能的。在这种情况下，无线连接可能是最佳选择。

在实施无线网络时，开发人员必须考虑使用哪种介质和协议。Wi-Fi因广泛部署的基础设施和IP数据包的熟悉性等易用特性而具有吸引力，但Wi-Fi只支持有限数量的终端节点和接入点，并且与其他短距离无线传输技术选项相比有大量功耗。虽然Zigbee解决了耗电问题，但开发Zigbee网络对于缺乏网状专业知识的开发人员来说可能具有挑战性。部署人员需要评估每个协议选择的优缺点(如图2所示)以确定最佳路径。没有完美的解决方案，最好的无线选择是采用可接受的权衡实现最佳应用目标。

图2 开发人员可为楼宇自动化中使用的无线传感应用提供多种短距离协议选择

“基于传感器数据的决策将在哪里处理?”

根据商业建筑物或家庭的要求，打开或关闭HVAC系统的决定可以通过HVAC控制器在建筑物本地进行。或者，可以将传感器数据发送到云端进行处理，从而实现HVAC系统的远程控制。

这种对本地或远程数据处理和控制的选择取决于许多因素，包括实现决策所需计算的复杂性、必须处理的数据量，以及是否需要后期数据处理或远程监控。对于具有有限数据要求的智能家庭，本地处理和控制可能是切实可行的。然而，管理具有许多房间的建筑物的HVAC系统可能需要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试图部署大规模传感器网络的开发人员的一个障碍。在实验室中设置几个节点并使它们与主机或云通信相对简单，但随着节点数量的增加，网络设计困难呈指数级上升。

收集本地或云端数据的应用必须识别所有数据并为其加上时间戳，以构建区块的准确模型。对于智能办公室，主机系统将从数百个传感器接收数据。这可能是一个不切实际、昂贵且很困难的问题。虽然每个端节点上的传感器可能仅花费0.5美元，但对网状网络和云计算的开销要求可能远远超过传感器的成本。经验丰富的传感器网络部署者现在只添加每个端节点绝对需要的内容。这种合理精简的优化方法可以减少数据开销并降低终端节点的功耗，从而节省电池更换成本。

网络拓扑是一个多变量问题。解决方案的趋势是使用融合网状网络、总线或树状拓扑的混合拓扑。例如，在智能办公室中，部署许多较小的传感器网状网络是有意义的，这些网络可以相互利用去中继发向集中器或接入点的消息(如图3所示)。此接入点可以是另一个网状网络的一部分，它距离主机仅仅一步之遥或者包含主机和其他集中器。通过在集中器和主机之间分担工作，使用这些“中间”节点简化了这一难题。

图3 智能办公室可以部署较小的传感器网状网络，这些网络相互利用去中继发向集中器或接入点的消息

通过使用混合拓扑，云端可以接收组合数据，减轻云应用的负担并实现更具可扩展性的网络。云应用很可能是针对特定任务定制的，必须被创建或授权才能为建筑物提供监控功能。

目前的趋势是通过软件即服务(SaaS)来实现此应用。例如，希望降低HVAC成本的保险公司通常不具备自行开发此应用的核心能力。此应用提供反馈以及配置，设施管理人员可以根据自己的喜好自定义控制他们的建筑环境。

结论

传感器网络部署是一个挑战。没有一个传感器网络布局或测量组合适合每个物联网应用。一个网络可能专注于跟踪资产或人员，而另一个网络优先考虑感知环境变化以降低成本或避免灾难。无论选择哪种传感器网络方法，都必须带来价值，该价值必须抵消部署物理介质以及处理数据并最终做出决策的系统的成本和复杂性。

从电池供电的终端节点到大规模的基于云的应用，传感器网络部署必须仔细规划。在部署或设计传感器网络时，需要考虑所有方面，即使是最轻微的疏忽也可能导致人们要进行难以对付的利弊权衡。要考虑如何为每个传感器节点供电，如何传输数据和到主机应用的路径，以及如何随着时间的推移对网络进行服务或扩展。传感器网络正在开始实现最佳的性价比，更多的企业将部署它们以降低成本、获取智能并从竞争中脱颖而出。

Mark Beecham

Silicon Labs MCU和传感器产品经理

Mark Beecham是一名产品营销工程师，负责支持及定义Silicon Labs的8位和32位微控制器和传感器产品。Mark专注于嵌入式系统和传感器，于2015年加入Silicon Labs，在此之前曾在IBM和德州仪器公司工作。此外，他拥有德克萨斯A&M大学的电子工程学士学位。