本文將比較各種用于物聯網應用的無線連接技術，并介紹具體的物聯網應用場景－狀態監測，并且根據每一類應用最關鍵的特性來比較各種無線技術。

什么是狀態監測？為何要部署狀態監測？

狀態監測的基本原理是連續監測機器或設備的運行狀況，從而預測可能何時因設備的一項或多項狀態參數發生重大變化而出現故障。這常常稱為預測性維護。 只有仔細執行以下操作，狀態監測才能檢測到逐漸產生的異常變化和趨勢：

選擇需要監測的機器參數

定期測量參數

選擇測量間隔時間

狀態監測最常用于工業、制造業、智能樓宇和交通運輸中，例如機械旋轉設備，例如壓縮機、泵、電機等。最常監測的參數包括溫度、濕度、振動、壓力（液體或其他泄漏）、電流以及電壓（隨著設備的老化而變化）。 并非所有機器都需要連續監測關鍵參數，一般情況下只需要偶爾測量參數。監測操作通常取決于相關設備的類型和重要性。由于故障通常發生于單個部件，因此監測時還需要關注關鍵部件的相關特定故障模式。

預測性維護的優點包括：

避免機器停機，從而提高生產效率并節省更多成本

提前發現故障隱患，并在其發展成嚴重故障之前解決

僅在必要時進行維護，而非無論是否需要都每隔一段時間進行維護

準確檢測引起故障的原因，提高維護效率

無線技術在狀態監測中需要具備的最重要特性用于狀態監測的無線技術必須具備一些關鍵特性。當用于狀態監測時，最重要的特性是可靠性、延遲性、距離和功耗。

下面將詳細介紹這些特性，并說明為什么它們對于狀態監測至關重要。

1. 可靠性

狀態監測應用中無線網絡的可靠性非常重要。在不可靠的網絡上傳輸傳感器數據點可能造成弊大于利，而且對于有嚴格時間要求的應用尤其如此。 無線網絡采用協議層面、設計層面以及實現層面的多種技術來提高可靠性。最常見的技術包括：

發生錯誤時的數據重傳，該技術依賴于對數據包發送和接收順序的追蹤

錯誤檢測和糾正（例如數據冗余、正向糾錯技術等）

增加發射器的發射功率

提高接收器的靈敏度

為接收器安裝多根天線

為避免嘈雜通道而進行跳頻

無線網絡技術在創建時的側重點各有不同，一些技術更加注重可靠性和穩健性。因此，在選擇無線網絡技術時，請務必仔細考慮可靠性這項參數，并切實了解采用哪些機制能夠達到系統所需的可靠性水平。

2. 延遲性

在監測部件的運行狀況時，不僅要準確測量相關參數，還要及時提供這些測量值，否則就會產生延遲。 在這種情況下，延遲是指數據包從無線網絡中的一個節點傳輸到另一個節點所花費的時間。此外，如果某個應用需要同步不同設備上的不同傳感器測量值，那么延遲對于該應用同樣至關重要。

延遲一般以毫秒為單位，而且在無線網絡中，延遲常常不是固定值，而是取決于網絡配置和參數的選擇。 為了實現低延遲，往往只能犧牲功耗。因此，應謹慎選擇影響延遲的參數，權衡延遲與低功耗之間的平衡，尤其是通過電池供電的設備。 此外，正在傳輸的數據包大小也會對延遲產生很大的影響，因此減小數據包大小能夠降低延遲值。

3. 距離

距離的定義是發射器和接收器之間能夠保持穩定通信并且丟包最少的最大距離。距離對于覆蓋工廠等大空間的狀態監測應用至關重要。

無線網絡的最大距離主要取決于以下因素：

發射功率

接收器的敏感度

網絡周圍的環境情況（例如濕度、人體、固定障礙物以及以相同頻譜運行的其他射頻信號所產生的噪聲）

mesh網絡的節點數量和間隔

需要注意的是，一般會有法規限制設備的發射功率輸出，具體限制取決于所在的國家及地區。為了限制功耗，低功率無線技術規范通常還會規定最大發射功率。

4. 功耗

在大多數狀態監測應用中，出于成本考慮，實施者不愿用內置無線傳感器的新設備來代替現有設備，而是對設備進行改造，通過售后安裝無線傳感器裝置，進而測量關鍵參數。 由于很難將傳感器安裝或固定到部件上，這些設備一般使用電池供電。因此，必須仔細考慮功耗這項關鍵參數。 影響功耗的因素包括：

數據傳輸頻率（無線電開啟時間）

數據傳輸量（無線電啟用時長）

發射功率

周邊環境及其對數據重傳的影響

部分網絡參數配置

由于無線電一般是芯片組中功耗最高的部分（無線電開啟的時間越長，設備的功耗就越高），因此低功耗無線技術一般適用于低占空比數據應用。

適用于狀態監測的無線技術比較

基于前面提到的可靠性、延遲、距離和功耗這四種特性，哪種無線技術最適合狀態監測應用呢？ 以下是最適合狀態監測應用的無線技術：

低功耗藍牙

基于IEEE 802.15.4的技術（Thread、Zigbee）

Wi-Fi

LPWAN技術（蜂窩和非蜂窩）：LoRaWAN、LTE-M、NB-IoT

此外還有WirelessHART和ISA100.11a，這兩項技術中的某些部分基于IEEE 802.15.4標準。 WirelessHART無線協議的開發初衷是成為一項多廠商互操作性標準。該協議專為工業場景設計，并支持時間同步、自我修復網狀架構。ISA100.11a還注重自動化和控制環境并支持網狀拓撲結構。 下表根據所列出的關鍵特性比較了最常用的幾種技術：

拓展討論

請務必注意，狀態監測應用分為多種用例，而且適合每種用例的技術可能不同。 例如對于需要高帶寬和大量數據傳輸的應用，Wi-Fi比其他所列出的技術更加適合。LTE-M也適合此類應用，其余技術可能無法滿足此類應用的需求。 對于帶寬較低并且需要在室外和農村地區等進行遠程部署的應用，則LPWAN技術最為適合。 最后，除了這些不太常見的狀態監測用例外，低功耗藍牙具有最高的靈活性，并且在功耗、延遲、可靠性和距離方面可實現很好的平衡，能夠滿足大多數應用的需求。

責任編輯：lq