為物聯網優化感測器網路設計

作者:Silicon Labs MCU和感測器產品經理Mark Beecham

 

在開發下一個無線感測器網路應用時,採用最佳的感測器數量來優化網路並考慮關鍵的設計變數是值得的,例如網路介質、牆電或電池電源、無線協定選項和網路配置等。

 

隨著物聯網的興起,我們已注意到一個增長趨勢,即收集和匯總來自各種智慧家居、工業、綠色能源、交通和智慧城市應用的感測器資料。整個行業普遍認為發送到雲端或本地控制系統的資料越多越好。

 

這些感測器資料中的大部分都採用物理傳感的形式,用於人員偵測、物體檢測、溫度、濕度、光線、聲音和振動等。隨著時間的推移,開發人員意識到了部署大型感測器網路的難度,並且許多雲計算公司已得出結論:如果您無法對資料進行決策,那麼訪問大量資料並不一定會增加價值。

 

在當今對成本敏感的環境中,每個部署的傳感設備或網路都必須在開發和部署的複雜性與物聯網服務提供者、雲計算公司和最終用戶的價值之間取得平衡。在已部署的感測器網路中,我們現在看到的趨勢是:簡化網路並僅測量那些可以協助節省成本和/或增強最終使用者體驗的內容。

 

感測器網路趨勢和示例

讓我們考慮兩個示例:零售商店和商業辦公樓。它們展示了一個新趨勢,即部署物聯網應用所需的最佳感測器數量。

 

商店中最有價值的不動產是其商品貨架,關鍵的指標是客戶轉化率。大多數大型零售商將受益于感測器網路,該網路可以測量佔用率、客戶和物品位置、庫存水準等。理想情況下,系統將使用感測器資料來增加客戶購買的可能性。感測器可以使用新的藍牙跟蹤技術,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)和測距技術使得網路能夠對客戶的智慧手機或嵌入在購物籃/購物車中的設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裡停留了更多的時間。這些資料與面部識別技術或智慧手機識別相結合,可以為每位購物者分配一個購買組合,以預測他們最有可能購買的商品,並提供店內銷售或捆綁銷售以激勵他們購買,或在店內訪問後提供有針對性的行銷活動。

 

圖1  藍牙5.1支援的到達角和離開角(AoX)技術增強了室內定位系統的發展

 

優化的感測器網路還可以為商店經理提供有關各種產品類型的購買決策的建議。例如,感測器網路可能會揭示某些客戶花費大量時間比較牙膏品牌,同時快速選擇洗髮水,選擇他們所知道的品牌。這些資訊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。

 

將辦公樓轉變為布有感測器的智慧建築將減少維護和運營成本,並增強其入駐者的安全性、舒適性和便利性。溫度控制是設施管理的主要成本因素。一個典型的10萬平方英尺的建築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30萬美元的智慧感測器網路將這一成本削減15%將是一項明智的投資,在幾年後就能收回成本。另一個附加值是為防止破壞而優化的感測器網路。能夠感知諸如漏水、水淹、煙霧和火災等威脅,然後迅速做出反應,可以節省大量維修成本,同時保護入駐者,甚至挽救生命。通過感測器網路減少威脅也可能降低保險費。

 

雖然這兩個感測器網路示例會直接增加部署者的營收和淨利潤,但在實施感測器網路時需要考慮兩個關鍵挑戰:部署感測器的物理介質以及感測器資料的處理方式。

 

物理介質

每個感測器網路的配置都不同,具體取決於應用要求和物理環境。例如,一些網路可以部署在具有統一覆蓋範圍的零售環境中,而其他網路要在具有不同大小房間的公司辦公室中實施部署。一些網路要24小時全天候不間斷使用,而其他網路在某一天部分時間運行。受電機電磁雜訊困擾的工廠對於感測器網路來說可能是一個具有挑戰性的環境,這使得某些類型的傳感或通信技術不可用,但每種情況都需要最佳的傳感解決方案。

 

考慮商業建築的例子。共同的目標是降低照明和HVAC系統的能耗和成本。有兩種選擇:在幾乎沒人使用的區域中最小化照明和HVAC使用,或執行節能的照明和環境控制。無論哪種選擇,都需要部署必要的感測器類型,例如偵測是否有人、光照水準和溫度的感測器等。附加的濕度或壓力感測器可以通過優化照明和溫控來確保入駐者擁有更多的舒適度。

 

要部署最佳感測器網路,開發人員必須事先做出一些決定:

 

傳感節點將採用電池供電還是電線供電?

 

由於沒有電線的限制,電池供電的無線感測器節點更易於安裝。但每隔幾年更換一次電池會對ROI回報率產生負面影響。採用電線(牆電或乙太網供電)也可能有昂貴的前期成本,而且本地法規的相容性因地區而異。部署像PoE這樣的低電壓系統比向每個感測器節點輸送110 V或220 V更具成本效益。另一個經濟的選擇是安裝低電壓LED照明和感測器網路,以便更輕鬆地節省能耗。

 

傳感節點採用有線還是無線通訊?

 

解決方案要對採用“有線電源和有線資料通信”還是“電池電源和無線資料”進行權衡。無線具有成本效益,因為不需要在整個建築物中部署資料線,但在部署無線網路時必須考慮其他前期工程成本和複雜性。對於新建築,部署CAT5線纜非常容易,它可以將資料和電源傳遞給每個節點。使用CAT5線纜,資料速率通常低於典型的1 Gbps,這意味著CAT5線纜可以傳輸超過100米。然而,對於一些建築物的翻新改造,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。

 

在實施無線網路時,開發人員必須考慮使用哪種介質和協議。Wi-Fi因廣泛部署的基礎設施和IP資料包的熟悉性等易用特性而具有吸引力,但Wi-Fi只支援有限數量的終端節點和接入點,並且與其他短距離無線傳輸技術選項相比有大量功耗。雖然Zigbee解決了耗電問題,但開發Zigbee網路對於缺乏網狀專業知識的開發人員來說可能具有挑戰性。部署人員需要評估每個協定選擇的優缺點以確定最佳路徑,然而沒有完美的解決方案,最好的無線選擇是採用可接受的權衡實現最佳應用目標。

 

基於感測器資料的決策將在哪裡處理?

 

根據商業建築物或家庭的要求,打開或關閉HVAC系統的決定可以通過HVAC控制器在建築物本地進行。或者,可以將感測器資料發送到雲端進行處理,從而實現HVAC系統的遠端控制。

 

這種對本地或遠端資料處理和控制的選擇取決於許多因素,包括實現決策所需計算的複雜性、必須處理的資料量,以及是否需要後期資料處理或遠端監控。對於具有有限資料要求的智慧家庭,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築物的HVAC系統可能需要閘道將資料傳輸到雲端。

 

處理感測器資料

處理數百個感測器節點生成的資料是許多試圖部署大規模感測器網路的開發人員的一個障礙。在實驗室中設置幾個節點並使它們與主機或雲通信相對簡單,但隨著節點數量的增加,網路設計困難呈指數級上升。

 

收集本地或雲端資料的應用必須識別所有資料並為其加上時間戳記,以構建區塊的準確模型。對於智慧辦公室,主機系統將從數百個感測器接收資料。這可能是一個不切實際、昂貴且很困難的問題。雖然每個端節點上的感測器可能僅花費0.5美元,但對網狀網路和雲計算的開銷要求可能遠遠超過感測器的成本。經驗豐富的感測器網路部署者現在只添加每個端節點絕對需要的內容。這種合理精簡的優化方法可以減少資料開銷並降低終端節點的功耗,從而節省電池更換成本。

 

網路拓撲是一個多變數問題。解決方案的趨勢是使用融合網狀網路、匯流排或樹狀拓撲的混合拓撲。例如,在智慧辦公室中,部署許多較小的感測器網狀網路是有意義的,這些網路可以相互利用去中繼發向集中器或接入點的消息(如圖2所示)。此接入點可以是另一個網狀網路的一部分,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工作,使用這些“中間”節點簡化了這一難題。

 

圖2  智慧辦公室可以部署較小的感測器網狀網路,這些網路相互利用去中繼發向集中器或接入點的消息

 

通過使用混合拓撲,雲端可以接收組合資料,減輕雲應用的負擔並實現更具可擴展性的網路。雲應用很可能是針對特定任務定制的,必須被創建或授權才能為建築物提供監控功能。

 

目前的趨勢是通過軟體即服務(SaaS)來實現此應用。例如,希望降低HVAC成本的保險公司通常不具備自行開發此應用的核心能力。此應用提供回饋以及配置,設施管理人員可以根據自己的喜好自訂控制他們的建築環境。

 

結論

感測器網路部署是一個挑戰。沒有一個感測器網路佈局或測量組合適合每個物聯網應用。一個網路可能專注於跟蹤資產或人員,而另一個網路優先考慮感知環境變化以降低成本或避免災難。無論選擇哪種感測器網路方法,都必須帶來價值,該價值必須抵消部署物理介質以及處理資料並最終做出決策的系統的成本和複雜性。

 

從電池供電的終端節點到大規模的基於雲的應用,感測器網路部署必須仔細規劃。在部署或設計感測器網路時,需要考慮所有方面,即使是最輕微的疏忽也可能導致人們要進行難以對付的利弊權衡。要考慮如何為每個感測器節點供電,如何傳輸資料和到主機應用的路徑,以及如何隨著時間的推移對網路進行服務或擴展。感測器網路正在開始實現最佳的性價比,更多的企業將部署它們以降低成本、獲取智慧並從競爭中脫穎而出。

 

作者簡介:

Mark Beecham, Silicon Labs MCU和感測器產品經理

Mark Beecham是一名產品行銷工程師,負責支援及定義Silicon Labs的8位和32位元微控制器和感測器產品。Mark專注於嵌入式系統和感測器,於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大學的電子工程學士學位。

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