目前，市場上有許多不同類型的無線傳感器。許多無線網(wǎng)絡包含數(shù)百甚至數(shù)千個無線傳感器。這些設備已經(jīng)廣泛應用于各個領(lǐng)域，包括零售、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)劃、安全和供應鏈管理等無線傳感器的組成模塊封裝在一個外殼內(nèi)，在工作時它將由電池或振動發(fā)電機提供電源，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，由隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡。我們都知道，物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是無線傳感器技術(shù)。該技術(shù)支持在長時間內(nèi)收集有關(guān)周圍環(huán)境的信息，而無需人工參與。無線傳感器可以測量各種變量，從空氣溫度到振動。下面，我們就細細來探究一下無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器的工作原理及作用吧!

一、無線傳感器的作用是什么

無線傳感器收集有關(guān)當?shù)厍闆r的數(shù)據(jù)，并與其他功能強大的組件或平臺共享分析結(jié)果，以供進一步處理。傳感器通常分布在范圍較大的地理區(qū)域，并被編程與中央集線器、網(wǎng)關(guān)和服務器進行通信。無線傳感器的一個主要優(yōu)點是，它們需要的維護水平較低、功耗也低。充一次電或更換一次電池后，傳感器可以支持物聯(lián)網(wǎng)應用運作數(shù)年。在建設無線網(wǎng)絡方面，開發(fā)人員面臨的問題之一是如何在該領(lǐng)域配置無線傳感器。傳感器或“節(jié)點”必須以支持網(wǎng)絡開發(fā)人員總體目標的方式分布。

二、無線傳感器的布網(wǎng)方式

無線傳感器常見的兩種布網(wǎng)是星型拓撲和網(wǎng)狀拓撲。網(wǎng)狀拓撲是指傳感器可以盡可能多的連接到鄰近節(jié)點的網(wǎng)絡。換言之，數(shù)據(jù)可以從一個節(jié)點“跳”到另一個節(jié)點，而不必遵循特定的路由或傳感器層次結(jié)構(gòu)。連接問題對網(wǎng)絡性能的危害較小，因為數(shù)據(jù)可以采取多種途徑到達處理組件。鑒于新的傳感器只需要連接到現(xiàn)有的節(jié)點，網(wǎng)格拓撲也很容易擴展。另一方面，網(wǎng)狀拓撲的成本十分昂貴，且很難維護。有那么多的連接需要創(chuàng)建和管理，隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，這將變得更加具有挑戰(zhàn)性。

星型拓撲是指每個傳感器直接連接到中央網(wǎng)關(guān)或集線器的網(wǎng)絡。這些集線器接收傳感器信息并將其傳輸?shù)狡渌麘贸绦蜻M行處理。在這種布局中，節(jié)點之間不直接通信。與網(wǎng)狀網(wǎng)絡相比，因為需要更少的連接，星形網(wǎng)絡更具成本效益。但由于任何新的傳感器都必須連接中央集線器，而中央集線器的容量又有限，擴展網(wǎng)絡就成了一大難題。

三、無線傳感器以前是如何通信的

直到現(xiàn)在，蜂窩技術(shù)還是廣域網(wǎng)連接常見的選擇。但是，蜂窩技術(shù)成本較高，并會消耗大量的能耗，這并不適合于遠距離、低功耗的設備，如無線傳感器。除了蜂窩技術(shù)之外，WiFi、藍牙(BLE)和Zigbee也可以支持無線傳感器網(wǎng)絡。這些標準也屬于“傳統(tǒng)無線解決方案”范疇，但均有其優(yōu)缺點。

WiFi是當今商務辦公和家庭中應用廣泛的無線技術(shù)之一。WiFi使用2.4GHz和5GHzISM頻段。因為WiFi普及程度較高，所以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡來連接無線傳感器是相對容易的。然而，WiFi信號很難穿透墻壁，這對遠程應用是不利的。此外，WiFi網(wǎng)絡由本地路由器管理，這些路由器可能并不總是具有用于更新傳感器密鑰的直接用戶界面。

BLE是一種與傳統(tǒng)藍牙技術(shù)不同的低功耗協(xié)議。BLE使用2.4GHz頻段傳輸少量信息。與WiFi相比，無線標準的使用成本更低;然而，在通過墻壁或遠距離發(fā)送數(shù)據(jù)時也存在同樣的問題。此外，由于不少其他設備和標準使用2.4GHz頻段，BLE容易受到信號干擾。ZigBee是一種無線標準，它依賴于Mesh網(wǎng)絡來支持單個網(wǎng)絡中的大量節(jié)點(>65k)。ZigBee對于不需要太多帶寬的無線傳感器網(wǎng)絡來說是理想的選擇。Zigbee的一個缺點是，為了共享信息以進行處理，某些傳感器必須始終處于工作狀態(tài)。因此，Zigbee的功耗還是偏高的。

四、無線傳感器實用的通信標準是什么

雖然傳統(tǒng)的無線標準是有效的，但一種新的，對無線傳感器網(wǎng)絡更具效益的標準已經(jīng)出現(xiàn)。低功耗廣域網(wǎng)(LPWANs)作為遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)正在不斷發(fā)展壯大，LPWANs可以支持數(shù)十億傳感器，并將大量用于物聯(lián)網(wǎng)應用。與傳統(tǒng)標準相比，LPWANs具有一些優(yōu)勢。首先，可以更低的比特率傳輸信息。只需進行一次電池充電，傳感器就可以在LPWANs上運行幾年。由于數(shù)據(jù)可以遠距離傳輸，LPWANs還可以支持覆蓋廣大地理區(qū)域的傳感器。

從成本角度來看，在LPWANs上部署無線傳感器比其他方法更具性價比。由于數(shù)據(jù)速率太低，硬件需求就不那么強烈了。使用LPWANs有幾個缺點。LPWAN不太適合于涉及大數(shù)據(jù)包的應用程序。需要傳輸更多數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡應該使用更大容量的蜂窩或短距離WiFi、BLE和Zigbee網(wǎng)絡。此外，LPWANs使用未經(jīng)許可的無線電頻率，從干擾的角度來看，這可能更難管理。

五、構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡的必備要素是哪些

設計無線傳感器網(wǎng)絡有幾個關(guān)鍵特性行持續(xù)的維護和更換。首先，應該易于在網(wǎng)絡中定位節(jié)點。當開發(fā)人員知道在哪里可找到他們所有的設備時，進行傳感器的維護(比如更換電池和更新組件)就容易多了。

第二，傳感器網(wǎng)絡應該能夠承受節(jié)點故障而不會造成廣泛的干擾。拓撲在網(wǎng)絡如何處理連接性的問題中起著重要作用。部署無線傳感器網(wǎng)絡的用戶必須選擇能夠承受組件故障的拓撲結(jié)構(gòu)。第三，網(wǎng)絡應該易于擴展。開發(fā)人員必須能夠有效地擴展他們的無線傳感器網(wǎng)絡，同時，不必投入大量的資金。最后，功耗。使用的無線傳感器應與物聯(lián)網(wǎng)應用程序的數(shù)據(jù)需求保持一致。否則，網(wǎng)絡管理員可能會花費大量的時間和資金進

六、無線傳感器如何為萬物互聯(lián)賦能

已經(jīng)有很多真實的例子說明無線傳感器技術(shù)如何被廣泛應用于不同的行業(yè)和應用中。安防部門在很多方面都采用了無線傳感器技術(shù)。使用無線傳感器，組織可以監(jiān)視其場所，識別可疑活動，并跟蹤有價值的資產(chǎn)。銀行可以為員工將無線按鈕轉(zhuǎn)換為緊急按鈕，零售商可以在每個建筑物的接入點上安裝無線窗口傳感器。房主還可以使用無線空氣傳感器來檢測空氣中的有害氣體，如一氧化碳。

在公用事業(yè)管理方面，無線傳感器有助于實現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)之間的自動化通信，并經(jīng)行預測性報修。例如，可以在墻上安裝漏水傳感器，以檢測水管故障或冬季可能爆裂的管道。服務器機房和數(shù)據(jù)中心正在使用無線繩索傳感器來檢測計算機硬件附近是否存在水珠。無線傳感器還支持災害管理工作。在橋梁上安裝無線傳感器，可以探測超過某一閾值的水位，從而表明該地區(qū)有可能出現(xiàn)山洪。大型機械工廠正在使用無線振動傳感器，在設備故障發(fā)生前進行預測。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，無線傳感器可實時監(jiān)控病人，無線按鈕可作為PERS設備的高級護理設施。濕度傳感器正在幫助醫(yī)院設施管理人員為病人保持健康的環(huán)境條件。

零售商和雜貨店正在地板上使用無線傳感器來為顧客創(chuàng)造積極的體驗。洗手間安裝了無線推送傳感器，這樣購物者就可以指示何時需要清潔。無線空氣溫度設備也可在商店監(jiān)控冰箱中的冷藏商品。這些只是無線傳感器網(wǎng)絡如何提高生產(chǎn)生活的效率，并以積極的方式影響生活的幾個例子。隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，期望看到更多創(chuàng)新的傳感器應用改變現(xiàn)代社會的案例。

七、應用于無線傳感器的LPWANs有哪些

用于無線傳感器的三種主要LPWANs是LoRa、SigFox和NB-IoT。

LoRa是一種被廣泛接受的標準，它使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制方案在非常遠的距離上傳輸數(shù)據(jù)。LoRa是LoRaWAN(通過網(wǎng)關(guān)或LoRaWAN網(wǎng)絡提供商連接無線傳感器)公開可用的層規(guī)范。LoRaWAN具有比SigFox更高的帶寬，并且可以在有干擾的環(huán)境中更有效地傳輸數(shù)據(jù)包。

使用LoRaWAN，數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡服務器之間通過加密消息發(fā)送。服務器對最終發(fā)送到最終應用程序的數(shù)據(jù)進行身份驗證和解密。用戶可以通過LoRaWAN直接向無線傳感器發(fā)送消息以重新配置設備。

LoRaWAN傳感器根據(jù)傳感器發(fā)送和接收消息的能力分為三類。A類設備一直處于休眠模式，直到有東西可傳輸。這些傳感器可以隨時發(fā)送上行消息，這使得它們在無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(WSAN)中作用重大。

B類傳感器為設備安排窗口以接收來自服務器的下行消息。C類傳感器為消息維護一個打開的接收窗口，直到它們需要傳輸信息。因此，C傳感器可以實現(xiàn)低延遲通信，但比其他類型的傳感器消耗更多的功耗。

對于所有這些LoRaWAN傳感器類型，網(wǎng)絡開發(fā)人員必須有適當?shù)木W(wǎng)關(guān)硬件來接收數(shù)據(jù)并將信息傳遞給服務器。

SigFox使用超窄帶傳輸將無線傳感器直接連接到基站。該標準已在55個以上的國家/區(qū)域覆蓋，并可以在美國以600bps的速率支持每個子頻段超過100個以上的信道。但是，數(shù)據(jù)包僅限于12個字節(jié)，而且該標準不允許消息ACK(確認字符)。SigFox用戶按每臺設備和每天發(fā)送的上行與下行消息數(shù)量付費。

NB-IoT利用現(xiàn)有的蜂窩塔基礎(chǔ)設施為低功耗設備提供廣泛的覆蓋范圍。該標準采用保護帶窄通道，以避免干擾，并能很好地穿透室內(nèi)環(huán)境。2018年，T-Mobile通過4G網(wǎng)絡增加了NB-IoT的覆蓋范圍。