了解物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)備連接能力及可擴(kuò)展性至關(guān)重要。本文旨在為這些常見問題提供全面的答案，為物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)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(shè)備才能使網(wǎng)絡(luò)可靠并提供所需的性能。

這些數(shù)據(jù)對于物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目預(yù)算規(guī)劃和客戶成本核算至關(guān)重要，因?yàn)榫哂卸鄠€(gè)終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)置可能需要更多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從而導(dǎo)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)問題前，首先來看看物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。

網(wǎng)關(guān)集線器和子設(shè)備組成的物聯(lián)網(wǎng)基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在回答“一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以連接多少臺子設(shè)備”這個(gè)問題時(shí)，最好首先關(guān)注感知層設(shè)備（子設(shè)備）與網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)處理層中的集中器/邊緣處理功能通過無線網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議之間的連接。

? 傳感層

該層負(fù)責(zé)從環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，提供一定程度的用戶交互，并實(shí)現(xiàn)來自用戶或上層的反饋。它包含所有子設(shè)備，如智能傳感器、智能插頭、BLE信標(biāo)、門禁控制面板等，這些子設(shè)備通常功率較低，使用紐扣電池供電，以降低成本并簡化維護(hù)。

? 網(wǎng)絡(luò)層

傳感層設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與集中器進(jìn)行無線通信，這些無線通信協(xié)議構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)層。

與終端節(jié)點(diǎn)交互的最常用無線通信協(xié)議是BLE、Zigbee、LoRaWAN和Z-Wave。這些低能耗物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)節(jié)能，但數(shù)據(jù)傳輸速度較慢。這些速度對于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說都還可以，如智能家居、辦公室和建筑，因?yàn)閭鞲袑釉O(shè)備會以確定的時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是全程。

但需要使用Wi-Fi等協(xié)議進(jìn)行更快的無線通信，以便將需要更高傳輸速度的子設(shè)備連接到智能集線器網(wǎng)關(guān)，如攝像頭。

一旦連接，這些設(shè)備就會使用MQTT、CoAP和HTTP等消息傳遞協(xié)議交換數(shù)據(jù)。

? 數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)，并將其橋接到外部網(wǎng)絡(luò)（WAN）中的云的中央通信設(shè)備。該設(shè)備負(fù)責(zé)邊緣處理和分析，還可以整合AI處理。

其目的是過濾掉不相關(guān)或不可用的數(shù)據(jù)，然后再將其轉(zhuǎn)發(fā)到云端進(jìn)行分析處理。邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在經(jīng)過編程和校準(zhǔn)后還可以提供自動化功能。

    ? 云分析

憑借比網(wǎng)關(guān)更強(qiáng)大的處理能力，云端可以從傳入的傳感器數(shù)據(jù)中提取有意義的信息，從而提供有意義的見解，幫助決策。

? 應(yīng)用層

應(yīng)用層是與用戶交互的層，提供用戶友好的界面來呈現(xiàn)向子設(shè)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(shè)備數(shù)量？

所有智能網(wǎng)關(guān)可以處理不同數(shù)量的子設(shè)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(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中移動的速度。另一方面，帶寬是指網(wǎng)絡(luò)可以處理的最大數(shù)據(jù)量。

具有本地控制器的物聯(lián)網(wǎng)子設(shè)備在本地處理大部分?jǐn)?shù)據(jù)，這意味著它們會減少在網(wǎng)絡(luò)中消耗的帶寬百分比。因此，與缺少微控制器相比，此類網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)可以處理更多的終端節(jié)點(diǎn)。

此因素引入了另一個(gè)變量，稱為吞吐量，它定義了有多少數(shù)據(jù)能夠通過網(wǎng)絡(luò)成功傳輸。因此，如果終端節(jié)點(diǎn)頻繁發(fā)送大量數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關(guān)只能處理其中的少數(shù)數(shù)據(jù)包并進(jìn)行確認(rèn)。

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(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的通信路徑。

假設(shè)有一個(gè)8通道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，每天可以處理150萬個(gè)數(shù)據(jù)包。如果每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)每小時(shí)發(fā)送和接收100個(gè)數(shù)據(jù)包，則網(wǎng)關(guān)可以處理150萬個(gè)/(100×24)，即625個(gè)設(shè)備。

通過本地處理，設(shè)備每小時(shí)可能只發(fā)送和接收10個(gè)數(shù)據(jù)包，使得網(wǎng)關(guān)能夠處理6250臺設(shè)備。

此外，如果數(shù)據(jù)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)來容納這些設(shè)備。每秒或每分鐘發(fā)送的數(shù)據(jù)包越多，網(wǎng)絡(luò)所需的容量或速度就越高。否則，網(wǎng)絡(luò)將會延遲。

? 通信協(xié)議

如前所述，子設(shè)備和網(wǎng)關(guān)通過ZigBee、BLE、Z-Wave和LoRaWAN等協(xié)議進(jìn)行通信。

ZigBee是家庭自動化、智能零售和其他類似物聯(lián)網(wǎng)解決方案最受歡迎的協(xié)議，因?yàn)檫@些網(wǎng)關(guān)可以在網(wǎng)狀拓?fù)渲刑幚矶噙_(dá)65535個(gè)設(shè)備。但該協(xié)議在星型網(wǎng)絡(luò)中只能處理21個(gè)設(shè)備，在樹型拓?fù)渲兄荒芴幚?21個(gè)設(shè)備。

另一方面，單個(gè)BLE網(wǎng)關(guān)只能處理10-100個(gè)設(shè)備，但在一個(gè)網(wǎng)格中這個(gè)數(shù)字會增加到大約32萬個(gè)設(shè)備，這仍然不到ZigBee可容納數(shù)量的一半。

Z-Wave是專有技術(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(jù)地區(qū)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(shè)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(yuǎn)距離通信，在城市地區(qū)的范圍為3英里，在農(nóng)村地區(qū)的范圍為10英里。

使用LoRaWAN，網(wǎng)關(guān)可以連接的子設(shè)備數(shù)量沒有特定限制。這個(gè)數(shù)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(shù)萬個(gè)子設(shè)備連接到一個(gè)網(wǎng)關(guān)。

LoRaWAN采用時(shí)分多址(TDMA)方案來管理設(shè)備，從而允許在鏈接的設(shè)備之間高效地共享網(wǎng)關(guān)資源。該協(xié)議還將設(shè)備分為不同的類別（A、B和C），每個(gè)類別都有不同的要求和模式。

因此，通過精心規(guī)劃和優(yōu)化，可以構(gòu)建一個(gè)擁有數(shù)千個(gè)子設(shè)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(qiáng)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(shè)備，因?yàn)樗鼈兊膸?、速度和吞吐量?shí)際上更高。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的處理能力也決定了子設(shè)備連接數(shù)。例如，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器管理子設(shè)備的連接和注冊。它還通過調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙和向每個(gè)設(shè)備分發(fā)下行鏈路消息，來確保終端節(jié)點(diǎn)有效利用網(wǎng)關(guān)的資源。

所以這兩個(gè)設(shè)備的處理能力越高，網(wǎng)絡(luò)的效率就越高，處理的子設(shè)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路由器等其他無線設(shè)備的干擾，都會影響物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的信號傳播。這些因素會對網(wǎng)關(guān)的容量產(chǎn)生負(fù)面影響，這意味著它可以連接的子設(shè)備數(shù)量會減少。

? 網(wǎng)關(guān)軟件和固件

軟件和固件更新使網(wǎng)關(guān)運(yùn)行更高效，這意味著可以處理更多的設(shè)備。

網(wǎng)關(guān)能夠處理的最大連接設(shè)備數(shù)量越多越好嗎？

我們很少會發(fā)現(xiàn)子設(shè)備達(dá)到或接近網(wǎng)關(guān)最大限度的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@些性能數(shù)據(jù)是理論上的。由于損耗等問題，理想情況在現(xiàn)實(shí)世界中不會發(fā)生。

例如，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)在充分利用時(shí)效率僅為18%。這意味著傳輸過程中丟失的數(shù)據(jù)包高達(dá)82%，即每100個(gè)數(shù)據(jù)包中就有82個(gè)丟失。如果系統(tǒng)包含對終端節(jié)點(diǎn)的消息確認(rèn)，則效率會低得多。

在ZigBee和BLE上，兩者都在擁擠的2.4GHz頻段運(yùn)行，如果在同一空間內(nèi)使用Wi-Fi，這會加劇損耗問題。

因此，連接的設(shè)備數(shù)量最好少于網(wǎng)關(guān)可以處理的最大數(shù)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(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)包傳輸。

另一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵問題是電池壽命，尤其是網(wǎng)關(guān)的電池壽命。網(wǎng)關(guān)連接和通信的設(shè)備越多，即使使用ZigBee等低功耗協(xié)議，功耗也會越高。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以幫助縮短數(shù)據(jù)路徑并提高通信效率，但請記住，所有通信最終都會通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)皆贫瞬⒎祷亍Ｒ敫嗑W(wǎng)關(guān)，以減輕入站和出站負(fù)載是最好的解決方案。

總結(jié)

在確定分配給網(wǎng)關(guān)的最大設(shè)備數(shù)量時(shí)，我們不應(yīng)考慮理想值或理論值，而應(yīng)查看由于傳輸損耗而產(chǎn)生的實(shí)際值。

目標(biāo)是讓智能物聯(lián)網(wǎng)解決方案以高水平的可靠性表現(xiàn)得更好，這可能涉及測試每個(gè)解決方案，以確定為客戶提供最佳價(jià)值的最大極限。

圖文轉(zhuǎn)自千家網(wǎng)