了解物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設備連接能力及可擴展性至關(guān)重要。本文旨在為這些常見(jiàn)問(wèn)題提供全面的答案，為物聯(lián)網(wǎng)項目做出明智的決策。
在使用物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)零售解決方案、工業(yè)4.0解決方案等為家庭自動(dòng)化創(chuàng )建物聯(lián)網(wǎng)解決方案時(shí)，需要了解智能網(wǎng)關(guān)可以連接多少臺設備才能使網(wǎng)絡(luò )可靠并提供所需的性能。
這些數據對于物聯(lián)網(wǎng)項目預算規劃和客戶(hù)成本核算至關(guān)重要，因為具有多個(gè)終端節點(diǎn)的設置可能需要更多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從而導致更高的部署成本。因此，了解每個(gè)網(wǎng)關(guān)的限制非常重要。在回答這個(gè)問(wèn)題前，首先來(lái)看看物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的架構。
網(wǎng)關(guān)集線(xiàn)器和子設備組成的物聯(lián)網(wǎng)基本網(wǎng)絡(luò )架構
在回答“一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以連接多少臺子設備”這個(gè)問(wèn)題時(shí)，最好首先關(guān)注感知層設備（子設備）與網(wǎng)關(guān)在數據處理層中的集中器/邊緣處理功能通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議之間的連接。
? 傳感層
該層負責從環(huán)境中收集數據，提供一定程度的用戶(hù)交互，并實(shí)現來(lái)自用戶(hù)或上層的反饋。它包含所有子設備，如智能傳感器、智能插頭、BLE信標、門(mén)禁控制面板等，這些子設備通常功率較低，使用紐扣電池供電，以降低成本并簡(jiǎn)化維護。
? 網(wǎng)絡(luò )層
傳感層設備或物聯(lián)網(wǎng)設備與集中器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，這些無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議構成網(wǎng)絡(luò )層。
與終端節點(diǎn)交互的最常用無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議是BLE、Zigbee、LoRaWAN和Z-Wave。這些低能耗物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)節能，但數據傳輸速度較慢。這些速度對于大多數物聯(lián)網(wǎng)應用來(lái)說(shuō)都還可以，如智能家居、辦公室和建筑，因為傳感層設備會(huì )以確定的時(shí)間間隔發(fā)送數據，而不是全程。
但需要使用Wi-Fi等協(xié)議進(jìn)行更快的無(wú)線(xiàn)通信，以便將需要更高傳輸速度的子設備連接到智能集線(xiàn)器網(wǎng)關(guān)，如攝像頭。
一旦連接，這些設備就會(huì )使用MQTT、CoAP和HTTP等消息傳遞協(xié)議交換數據。
? 數據處理層
該層可分為兩部分。
? 物聯(lián)網(wǎng)集中器/邊緣處理
網(wǎng)關(guān)是處理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中的終端節點(diǎn)，并將其橋接到外部網(wǎng)絡(luò )（WAN）中的云的中央通信設備。該設備負責邊緣處理和分析，還可以整合AI處理。
其目的是過(guò)濾掉不相關(guān)或不可用的數據，然后再將其轉發(fā)到云端進(jìn)行分析處理。邊緣計算網(wǎng)關(guān)在經(jīng)過(guò)編程和校準后還可以提供自動(dòng)化功能。
? 云分析
憑借比網(wǎng)關(guān)更強大的處理能力，云端可以從傳入的傳感器數據中提取有意義的信息，從而提供有意義的見(jiàn)解，幫助決策。
? 應用層
應用層是與用戶(hù)交互的層，提供用戶(hù)友好的界面來(lái)呈現向子設備發(fā)送指令的云分析和控制功能。
哪些因素影響物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可處理的連接設備數量？
所有智能網(wǎng)關(guān)可以處理不同數量的子設備，這取決于以下因素。
? 網(wǎng)絡(luò )容量和帶寬
網(wǎng)絡(luò )容量和帶寬密切相關(guān)。容量是指網(wǎng)絡(luò )速度或數據在網(wǎng)絡(luò )中移動(dòng)的速度。另一方面，帶寬是指網(wǎng)絡(luò )可以處理的最大數據量。
具有本地控制器的物聯(lián)網(wǎng)子設備在本地處理大部分數據，這意味著(zhù)它們會(huì )減少在網(wǎng)絡(luò )中消耗的帶寬百分比。因此，與缺少微控制器相比，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)關(guān)可以處理更多的終端節點(diǎn)。
此因素引入了另一個(gè)變量，稱(chēng)為吞吐量，它定義了有多少數據能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )成功傳輸。因此，如果終端節點(diǎn)頻繁發(fā)送大量數據包，網(wǎng)關(guān)只能處理其中的少數數據包并進(jìn)行確認。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)有一個(gè)功能叫做通道，它是指向子設備傳輸數據的通信路徑。
假設有一個(gè)8通道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，每天可以處理150萬(wàn)個(gè)數據包。如果每個(gè)終端節點(diǎn)每小時(shí)發(fā)送和接收100個(gè)數據包，則網(wǎng)關(guān)可以處理150萬(wàn)個(gè)/(100×24)，即625個(gè)設備。
通過(guò)本地處理，設備每小時(shí)可能只發(fā)送和接收10個(gè)數據包，使得網(wǎng)關(guān)能夠處理6250臺設備。
此外，如果數據包或有效載荷太大，網(wǎng)關(guān)必須能夠創(chuàng )建帶寬更高的網(wǎng)絡(luò )來(lái)容納這些設備。每秒或每分鐘發(fā)送的數據包越多，網(wǎng)絡(luò )所需的容量或速度就越高。否則，網(wǎng)絡(luò )將會(huì )延遲。
? 通信協(xié)議
如前所述，子設備和網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee、BLE、Z-Wave和LoRaWAN等協(xié)議進(jìn)行通信。
ZigBee是家庭自動(dòng)化、智能零售和其他類(lèi)似物聯(lián)網(wǎng)解決方案最受歡迎的協(xié)議，因為這些網(wǎng)關(guān)可以在網(wǎng)狀拓撲中處理多達65535個(gè)設備。但該協(xié)議在星型網(wǎng)絡(luò )中只能處理21個(gè)設備，在樹(shù)型拓撲中只能處理421個(gè)設備。
另一方面，單個(gè)BLE網(wǎng)關(guān)只能處理10-100個(gè)設備，但在一個(gè)網(wǎng)格中這個(gè)數字會(huì )增加到大約32萬(wàn)個(gè)設備，這仍然不到ZigBee可容納數量的一半。
Z-Wave是專(zhuān)有技術(shù)，因此不如其他兩種技術(shù)普及。此外，與其他兩種技術(shù)不同，該協(xié)議使用低于1GHz的頻段。這些頻段根據地區不同而變化，范圍從856-921MHz，并且該協(xié)議可以處理最多包含232個(gè)設備的小型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。
盡管LoRaWAN是一種低功耗通信協(xié)議，但它允許遠距離通信，在城市地區的范圍為3英里，在農村地區的范圍為10英里。
使用LoRaWAN，網(wǎng)關(guān)可以連接的子設備數量沒(méi)有特定限制。這個(gè)數量取決于網(wǎng)絡(luò )容量、帶寬以及網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)的處理能力。目前存在的一些LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )有數萬(wàn)個(gè)子設備連接到一個(gè)網(wǎng)關(guān)。
LoRaWAN采用時(shí)分多址(TDMA)方案來(lái)管理設備，從而允許在鏈接的設備之間高效地共享網(wǎng)關(guān)資源。該協(xié)議還將設備分為不同的類(lèi)別（A、B和C），每個(gè)類(lèi)別都有不同的要求和模式。
因此，通過(guò)精心規劃和優(yōu)化，可以構建一個(gè)擁有數千個(gè)子設備的大型LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )。
? 網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的處理能力
更智能、更強大的網(wǎng)關(guān)具有人工智能處理等功能，能夠處理更多的子設備，因為它們的帶寬、速度和吞吐量實(shí)際上更高。
網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的處理能力也決定了子設備連接數。例如，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器管理子設備的連接和注冊。它還通過(guò)調度數據傳輸時(shí)隙和向每個(gè)設備分發(fā)下行鏈路消息，來(lái)確保終端節點(diǎn)有效利用網(wǎng)關(guān)的資源。
所以這兩個(gè)設備的處理能力越高，網(wǎng)絡(luò )的效率就越高，處理的子設備也就越多。
? 外在因素
建筑物等物理障礙物、濕度和溫度等環(huán)境因素以及Wi-Fi路由器等其他無(wú)線(xiàn)設備的干擾，都會(huì )影響物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中的信號傳播。這些因素會(huì )對網(wǎng)關(guān)的容量產(chǎn)生負面影響，這意味著(zhù)它可以連接的子設備數量會(huì )減少。
? 網(wǎng)關(guān)軟件和固件
軟件和固件更新使網(wǎng)關(guān)運行更高效，這意味著(zhù)可以處理更多的設備。
網(wǎng)關(guān)能夠處理的最大連接設備數量越多越好嗎？
我們很少會(huì )發(fā)現子設備達到或接近網(wǎng)關(guān)最大限度的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，因為這些性能數據是理論上的。由于損耗等問(wèn)題，理想情況在現實(shí)世界中不會(huì )發(fā)生。
例如，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )在充分利用時(shí)效率僅為18%。這意味著(zhù)傳輸過(guò)程中丟失的數據包高達82%，即每100個(gè)數據包中就有82個(gè)丟失。如果系統包含對終端節點(diǎn)的消息確認，則效率會(huì )低得多。
在ZigBee和BLE上，兩者都在擁擠的2.4GHz頻段運行，如果在同一空間內使用Wi-Fi，這會(huì )加劇損耗問(wèn)題。
因此，連接的設備數量最好少于網(wǎng)關(guān)可以處理的最大數量，以維持網(wǎng)絡(luò )性能以及從傳感器到云/網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和返回的可靠數據/數據包傳輸。
另一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題是電池壽命，尤其是網(wǎng)關(guān)的電池壽命。網(wǎng)關(guān)連接和通信的設備越多，即使使用ZigBee等低功耗協(xié)議，功耗也會(huì )越高。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )可以幫助縮短數據路徑并提高通信效率，但請記住，所有通信最終都會(huì )通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸到云端并返回。引入更多網(wǎng)關(guān)，以減輕入站和出站負載是最好的解決方案。
總結
在確定分配給網(wǎng)關(guān)的最大設備數量時(shí)，我們不應考慮理想值或理論值，而應查看由于傳輸損耗而產(chǎn)生的實(shí)際值。
目標是讓智能物聯(lián)網(wǎng)解決方案以高水平的可靠性表現得更好，這可能涉及測試每個(gè)解決方案，以確定為客戶(hù)提供最佳價(jià)值的最大極限。
圖文轉自千家網(wǎng)
