一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以連接多少臺設備？

一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以連接多少臺設備？

了解物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的設備連接能力及可擴展性至關重要。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，需要了解智能網(wǎng)關可以連接多少臺設備才能使網(wǎng)絡可靠并提供所需的性能。

這些數(shù)據(jù)對于物聯(lián)網(wǎng)項目預算規(guī)劃和客戶成本核算至關重要，因為具有多個終端節(jié)點的設置可能需要更多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，從而導致更高的部署成本。因此，了解每個網(wǎng)關的限制非常重要。在回答這個問題前，首先來看看物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的架構(gòu)。

網(wǎng)關集線器和子設備組成的物聯(lián)網(wǎng)基本網(wǎng)絡架構(gòu)

在回答“一個網(wǎng)關可以連接多少臺子設備”這個問題時，最好首先關注感知層設備（子設備）與網(wǎng)關在數(shù)據(jù)處理層中的集中器/邊緣處理功能通過無線網(wǎng)絡層協(xié)議之間的連接。

該層負責從環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，提供一定程度的用戶交互，并實現(xiàn)來自用戶或上層的反饋。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，以降低成本并簡化維護。

傳感層設備或物聯(lián)網(wǎng)設備與集中器進行無線通信，這些無線通信協(xié)議構(gòu)成網(wǎng)絡層。

與終端節(jié)點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)應用來說都還可以，如智能家居、辦公室和建筑，因為傳感層設備會以確定的時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是全程。

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

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

該層可分為兩部分。

網(wǎng)關是處理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的終端節(jié)點，并將其橋接到外部網(wǎng)絡（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。

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

憑借比網(wǎng)關更強大的處理能力，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。

應用層

應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)關可處理的連接設備數(shù)量？

所有智能網(wǎng)關可以處理不同數(shù)量的子設備，這取決于以下因素。

網(wǎng)絡容量和帶寬密切相關。容量是指網(wǎng)絡速度或數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中移動的速度。另一方面，帶寬是指網(wǎng)絡可以處理的最大數(shù)據(jù)量。

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

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

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關有一個功能叫做通道，它是指向子設備傳輸數(shù)據(jù)的通信路徑。

假設有一個8通道LoRaWAN網(wǎng)關，每天可以處理150萬個數(shù)據(jù)包。如果每個終端節(jié)點每小時發(fā)送和接收100個數(shù)據(jù)包，則網(wǎng)關可以處理150萬個/(100×24)，即625個設備。

通過本地處理，設備每小時可能只發(fā)送和接收10個數(shù)據(jù)包，使得網(wǎng)關能夠處理6250臺設備。

此外，如果數(shù)據(jù)包或有效載荷太大，網(wǎng)關必須能夠創(chuàng)建帶寬更高的網(wǎng)絡來容納這些設備。每秒或每分鐘發(fā)送的數(shù)據(jù)包越多，網(wǎng)絡所需的容量或速度就越高。否則，網(wǎng)絡將會延遲。

如前所述，子設備和網(wǎng)關通過ZigBee、BLE、Z-Wave和LoRaWAN等協(xié)議進行通信。

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，因為這些網(wǎng)關可以在網(wǎng)狀拓撲中處理多達65535個設備。但該協(xié)議在星型網(wǎng)絡中只能處理21個設備，在樹型拓撲中只能處理421個設備。

另一方面，單個BLE網(wǎng)關只能處理10-100個設備，但在一個網(wǎng)格中這個數(shù)字會增加到大約32萬個設備，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個設備的小型網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

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(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)關可以連接的子設備數(shù)量沒有特定限制。這個數(shù)量取決于網(wǎng)絡容量、帶寬以及網(wǎng)絡服務器和網(wǎng)關的處理能力。目前存在的一些LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡有數(shù)萬個子設備連接到一個網(wǎng)關。

LoRaWAN采用時分多址(TDMA)方案來管理設備，從而允許在鏈接的設備之間高效地共享網(wǎng)關資源。該協(xié)議還將設備分為不同的類別（A、B和C），每個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)建一個擁有數(shù)千個子設備的大型LoRaWAN網(wǎng)絡。

更智能、更強大的網(wǎng)關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、速度和吞吐量實際上更高。

網(wǎng)絡服務器的處理能力也決定了子設備連接數(shù)。例如，LoRaWAN網(wǎng)絡服務器管理子設備的連接和注冊。它還通過調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸時隙和向每個設備分發(fā)下行鏈路消息，來確保終端節(jié)點有效利用網(wǎng)關的資源。

所以這兩個設備的處理能力越高，網(wǎng)絡的效率就越高，處理的子設備也就越多。

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備的干擾，都會影響物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的信號傳播。這些因素會對網(wǎng)關的容量產(chǎn)生負面影響，這意味著它可以連接的子設備數(shù)量會減少。

軟件和固件更新使網(wǎng)關運行更高效，這意味著可以處理更多的設備。

網(wǎng)關能夠處理的最大連接設備數(shù)量越多越好嗎？

我們很少會發(fā)現(xiàn)子設備達到或接近網(wǎng)關最大限度的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，因為這些性能數(shù)據(jù)是理論上的。由于損耗等問題，理想情況在現(xiàn)實世界中不會發(fā)生。

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

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(nèi)使用Wi-Fi，這會加劇損耗問題。

因此，連接的設備數(shù)量最好少于網(wǎng)關可以處理的最大數(shù)量，以維持網(wǎng)絡性能以及從傳感器到云/網(wǎng)絡服務器和返回的可靠數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)包傳輸。

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

網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以幫助縮短數(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)關傳輸?shù)皆贫瞬⒎祷?。引入更多網(wǎng)關，以減輕入站和出站負載是最好的解決方案。

總結(jié)

在確定分配給網(wǎng)關的最大設備數(shù)量時，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(xiàn)得更好，這可能涉及測試每個解決方案，以確定為客戶提供最佳價值的最大極限。

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