了解物聯(lián)網網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)網項目做出明智的決策。

在使用物聯(lián)網、物聯(lián)網零售解決方案、工業(yè)4.0解決方案等為家庭自動化創(chuàng)建物聯(lián)網解決方案時，需要了解智能網關可以連接多少臺設備才能使網絡可靠并提供所需的性能。

這些數(shù)據(jù)對于物聯(lián)網項目預算規(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)網網關，從而導致更高的部署成本。因此，了解每個網關的限制非常重要。在回答這個問題前，首先來看看物聯(lián)網網絡的架構。

網關集線器和子設備組成的物聯(lián)網基本網絡架構

在回答“一個網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絡層協(xié)議之間的連接。

傳感層

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。

網絡層

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

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)網無線技術節(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)。

數(shù)據(jù)處理層

該層可分為兩部分。

物聯(lián)網集中器/邊緣處理

網關是處理物聯(lián)網網絡中的終端節(jié)點，并將其橋接到外部網絡(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)，然后再將其轉發(fā)到云端進行分析處理。邊緣計算網關在經過編程和校準后還可以提供自動化功能。

云分析

憑借比網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)網網關可處理的連接設備數(shù)量?

所有智能網關可以處理不同數(shù)量的子設備，這取決于以下因素。

網絡容量和帶寬

網絡容量和帶寬密切相關。容量是指網絡速度或數(shù)據(jù)在網絡中移動的速度。另一方面，帶寬是指網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絡中消耗的帶寬百分比。因此，與缺少微控制器相比，此類網絡中的網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)網網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，網關必須能夠創(chuàng)建帶寬更高的網絡來容納這些設備。每秒或每分鐘發(fā)送的數(shù)據(jù)包越多，網絡所需的容量或速度就越高。否則，網絡將會延遲。

通信協(xié)議

如前所述，子設備和網關通過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)網解決方案最受歡迎的協(xié)議，因為這些網關可以在網狀拓撲中處理多達65535個設備。但該協(xié)議在星型網絡中只能處理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網關只能處理10-100個設備，但在一個網格中這個數(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，因此不如其他兩種技術普及。此外，與其他兩種技術不同，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個設備的小型網狀網絡。

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，在農村地區(qū)的范圍為10英里。

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

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，可以構建一個擁有數(shù)千個子設備的大型LoRaWAN網絡。

網關和網絡服務器的處理能力

更智能、更強大的網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。

網絡服務器的處理能力也決定了子設備連接數(shù)。例如，LoRaWAN網絡服務器管理子設備的連接和注冊。它還通過調度數(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)點有效利用網關的資源。

所以這兩個設備的處理能力越高，網絡的效率就越高，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路由器等其他無線設備的干擾，都會影響物聯(lián)網網絡中的信號傳播。這些因素會對網關的容量產生負面影響，這意味著它可以連接的子設備數(shù)量會減少。

網關軟件和固件

軟件和固件更新使網關運行更高效，這意味著可以處理更多的設備。

網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關最大限度的物聯(lián)網網絡，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)量最好少于網關可以處理的最大數(shù)量，以維持網絡性能以及從傳感器到云/網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，尤其是網關的電池壽命。網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。

網狀網絡可以幫助縮短數(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關傳輸?shù)皆贫瞬⒎祷?。引入更多網關，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生的實際值。

目標是讓智能物聯(lián)網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。