一個物聯網網關可以連接多少台設備？
了解物聯網網關的設備連接能力及可擴展性至關重要。本文旨在爲這些常見問題提供全面的答案，爲物聯網項目做出明智的決策。
在使用物聯網、物聯網零售解決方案、工業4.0解決方案等爲家庭自動化創建物聯網解決方案時，需要了解智能網關可以連接多少台設備才能使網絡可靠並提供所需的性能。
這些數據對於物聯網項目預算規劃和客戶成本核算至關重要，因爲具有多個終端節點的設置可能需要更多物聯網網關，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，首先來看看物聯網網絡的架構。
網關集线器和子設備組成的物聯網基本網絡架構
在回答“一個網關可以連接多少台子設備”這個問題時，最好首先關注感知層設備（子設備）與網關在數據處理層中的集中器/邊緣處理功能通過無线網絡層協議之間的連接。
- 傳感層
該層負責從環境中收集數據，提供一定程度的用戶交互，並實現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，以降低成本並簡化維護。
- 網絡層
傳感層設備或物聯網設備與集中器進行無线通信，這些無线通信協議構成網絡層。
與終端節點交互的最常用無线通信協議是BLE、Zigbee、LoRaWAN和Z-Wave。這些低能耗物聯網無线技術節能，但數據傳輸速度較慢。這些速度對於大多數物聯網應用來說都還可以，如智能家居、辦公室和建築，因爲傳感層設備會以確定的時間間隔發送數據，而不是全程。
但需要使用Wi-Fi等協議進行更快的無线通信，以便將需要更高傳輸速度的子設備連接到智能集线器網關，如攝像頭。
一旦連接，這些設備就會使用MQTT、CoAP和HTTP等消息傳遞協議交換數據。
- 數據處理層
該層可分爲兩部分。
- 物聯網集中器/邊緣處理
網關是處理物聯網網絡中的終端節點，並將其橋接到外部網絡（WAN）中的雲的中央通信設備。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據，然後再將其轉發到雲端進行分析處理。邊緣計算網關在經過編程和校准後還可以提供自動化功能。
- 雲分析
憑借比網關更強大的處理能力，雲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向子設備發送指令的雲分析和控制功能。
哪些因素影響物聯網網關可處理的連接設備數量？
所有智能網關可以處理不同數量的子設備，這取決於以下因素。
- 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據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據量。
具有本地控制器的物聯網子設備在本地處理大部分數據，這意味着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點。
此因素引入了另一個變量，稱爲吞吐量，它定義了有多少數據能夠通過網絡成功傳輸。因此，如果終端節點頻繁發送大量數據包，網關只能處理其中的少數數據包並進行確認。
物聯網網關有一個功能叫做通道，它是指向子設備傳輸數據的通信路徑。
假設有一個8通道LoRaWAN網關，每天可以處理150萬個數據包。如果每個終端節點每小時發送和接收100個數據包，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送和接收10個數據包，使得網關能夠處理6250台設備。
此外，如果數據包或有效載荷太大，網關必須能夠創建帶寬更高的網絡來容納這些設備。每秒或每分鐘發送的數據包越多，網絡所需的容量或速度就越高。否則，網絡將會延遲。
- 通信協議
如前所述，子設備和網關通過ZigBee、BLE、Z-Wave和LoRaWAN等協議進行通信。
ZigBee是家庭自動化、智能零售和其他類似物聯網解決方案最受歡迎的協議，因爲這些網關可以在網狀拓撲中處理多達65535個設備。但該協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字會增加到大約32萬個設備，這仍然不到ZigBee可容納數量的一半。
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，該協議使用低於1GHz的頻段。這些頻段根據地區不同而變化，範圍從856-921MHz，並且該協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議，但它允許遠距離通信，在城市地區的範圍爲3英裏，在農村地區的範圍爲10英裏。
使用LoRaWAN，網關可以連接的子設備數量沒有特定限制。這個數量取決於網絡容量、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物聯網網絡有數萬個子設備連接到一個網關。
LoRaWAN採用時分多址(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。該協議還將設備分爲不同的類別（A、B和C），每個類別都有不同的要求和模式。
因此，通過精心規劃和優化，可以構建一個擁有數千個子設備的大型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，因爲它們的帶寬、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。例如，LoRaWAN網絡服務器管理子設備的連接和注冊。它還通過調度數據傳輸時隙和向每個設備分發下行鏈路消息，來確保終端節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
建築物等物理障礙物、溼度和溫度等環境因素以及Wi-Fi路由器等其他無线設備的幹擾，都會影響物聯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，這意味着它可以連接的子設備數量會減少。
- 網關軟件和固件
軟件和固件更新使網關運行更高效，這意味着可以處理更多的設備。
網關能夠處理的最大連接設備數量越多越好嗎？
我們很少會發現子設備達到或接近網關最大限度的物聯網網絡，因爲這些性能數據是理論上的。由於損耗等問題，理想情況在現實世界中不會發生。
例如，LoRaWAN網絡在充分利用時效率僅爲18%。這意味着傳輸過程中丟失的數據包高達82%，即每100個數據包中就有82個丟失。如果系統包含對終端節點的消息確認，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，連接的設備數量最好少於網關可以處理的最大數量，以維持網絡性能以及從傳感器到雲/網絡服務器和返回的可靠數據/數據包傳輸。
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等低功耗協議，功耗也會越高。
網狀網絡可以幫助縮短數據路徑並提高通信效率，但請記住，所有通信最終都會通過網關傳輸到雲端並返回。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量時，我們不應考慮理想值或理論值，而應查看由於傳輸損耗而產生的實際值。
目標是讓智能物聯網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解決方案，以確定爲客戶提供最佳價值的最大極限。
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