了解物联网网关的设备连接能力及可扩展性至关重要。本文旨在为这些常见问题提供全面的答案，为物联网项目做出明智的决策。
在使用物联网、物联网零售解决方案、工业4.0解决方案等为家庭自动化创建物联网解决方案时，需要了解智能网关可以连接多少台设备才能使网络可靠并提供所需的性能。
这些数据对于物联网项目预算规划和客户成本核算至关重要，因为具有多个终端节点的设置可能需要更多物联网网关，从而导致更高的部署成本。因此，了解每个网关的限制非常重要。在回答这个问题前，首先来看看物联网网络的架构。
网关集线器和子设备组成的物联网基本网络架构
在回答“一个网关可以连接多少台子设备”这个问题时，最好首先关注感知层设备(子设备)与网关在数据处理层中的集中器/边缘处理功能通过无线网络层协议之间的连接。
传感层
该层负责从环境中收集数据，提供一定程度的用户交互，并实现来自用户或上层的反馈。它包含所有子设备，如智能传感器、智能插头、BLE信标、门禁控制面板等，这些子设备通常功率较低，使用纽扣电池供电，以降低成本并简化维护。
网络层
传感层设备或物联网设备与集中器进行无线通信，这些无线通信协议构成网络层。
与终端节点交互的最常用无线通信协议是BLE、Zigbee、LoRaWAN和Z-Wave。这些低能耗物联网无线技术节能，但数据传输速度较慢。这些速度对于大多数物联网应用来说都还可以，如智能家居、办公室和建筑，因为传感层设备会以确定的时间间隔发送数据，而不是全程。
但需要使用Wi-Fi等协议进行更快的无线通信，以便将需要更高传输速度的子设备连接到智能集线器网关，如摄像头。
一旦连接，这些设备就会使用MQTT、CoAP和HTTP等消息传递协议交换数据。
数据处理层
该层可分为两部分。
物联网集中器/边缘处理
网关是处理物联网网络中的终端节点，并将其桥接到外部网络(WAN)中的云的中央通信设备。该设备负责边缘处理和分析，还可以整合AI处理。
其目的是过滤掉不相关或不可用的数据，然后再将其转发到云端进行分析处理。边缘计算网关在经过编程和校准后还可以提供自动化功能。
云分析
凭借比网关更强大的处理能力，云端可以从传入的传感器数据中提取有意义的信息，从而提供有意义的见解，帮助决策。
应用层
应用层是与用户交互的层，提供用户友好的界面来呈现向子设备发送指令的云分析和控制功能。
哪些因素影响物联网网关可处理的连接设备数量?
所有智能网关可以处理不同数量的子设备，这取决于以下因素。
网络容量和带宽
网络容量和带宽密切相关。容量是指网络速度或数据在网络中移动的速度。另一方面，带宽是指网络可以处理的最大数据量。
具有本地控制器的物联网子设备在本地处理大部分数据，这意味着它们会减少在网络中消耗的带宽百分比。因此，与缺少微控制器相比，此类网络中的网关可以处理更多的终端节点。
此因素引入了另一个变量，称为吞吐量，它定义了有多少数据能够通过网络成功传输。因此，如果终端节点频繁发送大量数据包，网关只能处理其中的少数数据包并进行确认。
物联网网关有一个功能叫做通道，它是指向子设备传输数据的通信路径。
假设有一个8通道LoRaWAN网关，每天可以处理150万个数据包。如果每个终端节点每小时发送和接收100个数据包，则网关可以处理150万个/(100×24)，即625个设备。
通过本地处理，设备每小时可能只发送和接收10个数据包，使得网关能够处理6250台设备。
此外，如果数据包或有效载荷太大，网关必须能够创建带宽更高的网络来容纳这些设备。每秒或每分钟发送的数据包越多，网络所需的容量或速度就越高。否则，网络将会延迟。
通信协议
如前所述，子设备和网关通过ZigBee、BLE、Z-Wave和LoRaWAN等协议进行通信。
ZigBee是家庭自动化、智能零售和其他类似物联网解决方案最受欢迎的协议，因为这些网关可以在网状拓扑中处理多达65535个设备。但该协议在星型网络中只能处理21个设备，在树型拓扑中只能处理421个设备。
另一方面，单个BLE网关只能处理10-100个设备，但在一个网格中这个数字会增加到大约32万个设备，这仍然不到ZigBee可容纳数量的一半。
Z-Wave是专有技术，因此不如其他两种技术普及。此外，与其他两种技术不同，该协议使用低于1GHz的频段。这些频段根据地区不同而变化，范围从856-921MHz，并且该协议可以处理最多包含232个设备的小型网状网络。
尽管LoRaWAN是一种低功耗通信协议，但它允许远距离通信，在城市地区的范围为3英里，在农村地区的范围为10英里。
使用LoRaWAN，网关可以连接的子设备数量没有特定限制。这个数量取决于网络容量、带宽以及网络服务器和网关的处理能力。目前存在的一些LoRaWAN物联网网络有数万个子设备连接到一个网关。
LoRaWAN采用时分多址(TDMA)方案来管理设备，从而允许在链接的设备之间高效地共享网关资源。该协议还将设备分为不同的类别(A、B和C)，每个类别都有不同的要求和模式。
因此，通过精心规划和优化，可以构建一个拥有数千个子设备的大型LoRaWAN网络。
网关和网络服务器的处理能力
更智能、更强大的网关具有人工智能处理等功能，能够处理更多的子设备，因为它们的带宽、速度和吞吐量实际上更高。
网络服务器的处理能力也决定了子设备连接数。例如，LoRaWAN网络服务器管理子设备的连接和注册。它还通过调度数据传输时隙和向每个设备分发下行链路消息，来确保终端节点有效利用网关的资源。
所以这两个设备的处理能力越高，网络的效率就越高，处理的子设备也就越多。
外在因素
建筑物等物理障碍物、湿度和温度等环境因素以及Wi-Fi路由器等其他无线设备的干扰，都会影响物联网网络中的信号传播。这些因素会对网关的容量产生负面影响，这意味着它可以连接的子设备数量会减少。
网关软件和固件
软件和固件更新使网关运行更高效，这意味着可以处理更多的设备。
网关能够处理的最大连接设备数量越多越好吗?
我们很少会发现子设备达到或接近网关最大限度的物联网网络，因为这些性能数据是理论上的。由于损耗等问题，理想情况在现实世界中不会发生。
例如，LoRaWAN网络在充分利用时效率仅为18%。这意味着传输过程中丢失的数据包高达82%，即每100个数据包中就有82个丢失。如果系统包含对终端节点的消息确认，则效率会低得多。
在ZigBee和BLE上，两者都在拥挤的2.4GHz频段运行，如果在同一空间内使用Wi-Fi，这会加剧损耗问题。
因此，连接的设备数量最好少于网关可以处理的最大数量，以维持网络性能以及从传感器到云/网络服务器和返回的可靠数据/数据包传输。
另一个需要考虑的关键问题是电池寿命，尤其是网关的电池寿命。网关连接和通信的设备越多，即使使用ZigBee等低功耗协议，功耗也会越高。
网状网络可以帮助缩短数据路径并提高通信效率，但请记住，所有通信最终都会通过网关传输到云端并返回。引入更多网关，以减轻入站和出站负载是最好的解决方案。
总结
在确定分配给网关的最大设备数量时，我们不应考虑理想值或理论值，而应查看由于传输损耗而产生的实际值。
目标是让智能物联网解决方案以高水平的可靠性表现得更好，这可能涉及测试每个解决方案，以确定为客户提供最佳价值的最大极限。
