Въведение

Безжична сензорна мрежа- разпределени, набор от сензори (сензори) и изпълнителни механизми, свързани помежду си с помощта на радиоканал. Зоната на покритие на такава мрежа може да варира от няколко метра до няколко километра поради възможността за препредаване на съобщения от един елемент към друг.

Основните характеристики на безжичните сензорни мрежи са самоорганизация и адаптивност към промени в условията на работа, така че изисква минимални разходипри разполагане на мрежата в съоръжението и по време на последващата му поддръжка по време на експлоатация.

Разказ

Един от първите прототипи на сензорната мрежа може да се счита системата SOSUS, предназначена за откриване и идентифициране на подводници. В средата на 90-те години на миналия век започнаха активно да се развиват безжичните сензорни мрежови технологии; в началото на 2000-те развитието на микроелектрониката направи възможно производството на доста евтина елементна база за такива устройства. Безжичните мрежи от началото на 2010 г. са базирани главно на .

Предназначение

Основната цел е не само да се обменят данни между възлите чрез децентрализирана самоорганизираща се мрежа, но и да се събира предадена информация (главно данни) от сензори (температура, налягане, влажност, нива на радиация, акустични вибрации) към централен възел за цел на последващия му анализ или обработка.

Търсенето на безжични сензорни мрежи на пазара също е тясно свързано с концепцията за интелектуализация на такива обекти като дом, офис и промишлени помещения, където градският човек прекарва до 90% от времето си, както и концепцията за създаване на кибернетични индустрии (напълно оборудвани с роботи), чиято основна задача е въвеждането безжични технологии на ниво APCS.

Сензорната мрежова технология е проектирана да решава най-широк спектър от промишлени задачи за мониторинг и управление и има следното безспорни предимстванад други съществуващи безжични и кабелни системи:

• възможност за инсталиране на сензори на съществуващо и експлоатирано съоръжение без допълнителна работаза полагане на кабелна мрежа;
• ниска ценаотделен контролен елемент;
• ниска ценамонтаж, пускане в експлоатация и поддръжка на системата;
• минимални ограничения за поставяне на безжични устройства;
• висока отказоустойчивостсензорна мрежа като цяло.

Описание

Хардуерът на безжичните възли и протоколите за мрежово взаимодействие между тях са оптимизирани за консумация на енергия, за да осигурят дълъг живот на системата с офлайн източницихранене. В зависимост от режима на работа животът на един възел може да достигне няколко години.

Всеки сензорен мрежов възел обикновено съдържа портове за вход/изход на данни с различни сензориконтрол външна среда(или самите сензори), микроконтролер и радиопредавател, както и автономен или външен източник на захранване. Това позволява на устройството да получава резултати от измерване, да извършва първоначална обработка на данни и да комуникира с външна информационна система. Микроконтролерът може да се използва за реализиране на интелигентна разпределена обработка на данни. В една интелигентна безжична сензорна мрежа устройствата са в състояние да обменят информация на локално ниво, да я анализират и да предават обработена информация на определена дълбочина, а не „сурови“ данни. Това може значително да намали изискванията за честотна лентамрежа, увеличава мащабируемостта и експлоатационния живот на системата. Добавянето на "интелигентност" към мрежата обаче изисква отчитане на особеностите на приложената задача, така че този подход обикновено е ефективен при разработването на персонализирана високоспециализирана система.

По този начин ключ Характеристиките на сензорните мрежи са:

• способността за самоорганизиране на мрежата за предаване на информация и нейното адаптиране към броя на устройствата;
• способността за препредаване на съобщения от един елемент към друг;
• възможността за наличие на сензори във всеки елемент;
• дългосрочен живот на батерията(1 година или повече)

Днес технологията на безжичните сензорни мрежи е единствената, която може да се използва за решаване на задачи за наблюдение и контрол, които са критични за изискванията за живот на батерията на устройствата, тяхната надеждност, автоматично или полуавтоматично конфигуриране на всяко от тях, възможността просто добавянеили изключване на устройството от мрежата, разпространение на сигнали през стени и тавани при ниска цена на системата. А технологията на релейната радиокомуникация на малък обсег, известна като „Сензорни мрежи“, е едно от съвременните направления в развитието на самоорганизиращи се отказоустойчиви разпределени системи за индустриален мониторинг и управление на ресурсите и процесите.

Предимствата на технологиите за безжични сензорни мрежи могат да бъдат ефективно използвани за решаване на различни приложни проблеми, свързани с разпределеното събиране, анализ и предаване на информация.

Сградна автоматизация

В някои приложения за сградна автоматизация използването на традиционни кабелни комуникационни системи не е осъществимо по икономически причини.

Например, трябва да въведете нов или да разширите съществуваща системав употребявана сграда. В този случай използването на безжични решения е най-приемливият вариант, т.к. не се изискват допълнителни монтажни работи с нарушение на вътрешната декорация на помещенията, практически не се причиняват неудобства на служители или жители на сградата и др. В резултат на това разходите за внедряване на системата са значително намалени.

Друг пример биха били офис сгради с отворен план, за които не е възможно да се уточнят точното местоположение на сензорите на етапа на проектиране и строителство. В същото време оформлението на офисите може да се променя многократно по време на експлоатацията на сградата, следователно времето и парите, изразходвани за преконфигуриране на системата, трябва да бъдат минимални, което може да се постигне чрез използване на безжични решения.

В допълнение могат да бъдат дадени следните примери за системи, базирани на безжични сензорни мрежи:

• наблюдение на температура, въздушен поток, присъствие на хора и управление на отоплителни, вентилационни и климатични съоръжения с цел поддържане на микроклимата;
• контрол на осветлението;
• управление на енергията;
• събиране на показания от апартаментни измервателни уреди за газ, вода, ток и др.;
• мониторинг на състоянието на носещите конструкции на сгради и конструкции.

индустриална автоматизация

Досега широкото използване на безжична комуникация в областта на индустриалната автоматизация беше възпрепятствано от ниската надеждност на радиовръзките в сравнение с кабелните връзки в тежки условия. индустриална експлоатация, но безжичните сензорни мрежи променят фундаментално настоящата ситуация, т.к по своята същност устойчиви на различни видове смущения (например физическо увреждане на възела, поява на смущения, променящи се препятствия и т.н.). Освен това при някои условия безжичната сензорна мрежа може да осигури дори по-голяма надеждност от кабелна комуникационна система.

Решенията, базирани на безжични сензорни мрежи, напълно отговарят на изискванията на индустрията:

• отказоустойчивост;
• мащабируемост;
• адаптивност към условията на работа;
• енергийна ефективност;
• отчитане на спецификата на прилаганата задача;
• икономическа рентабилност.

Безжичните сензорни мрежови технологии могат да се използват в следните задачи за индустриална автоматизация:

• дистанционно управление и диагностика на индустриално оборудване;
• поддръжка на оборудването според текущото състояние (прогноза на запаса на безопасност);
• мониторинг на производствени процеси;
• телеметрия за изследване и тестване.

Други приложения

Уникалните характеристики и разликите на безжичните сензорни мрежи от традиционните кабелни и безжични системи за предаване на данни правят приложението им максимално ефективно различни области. Например:

• сигурност и отбрана:
  • контрол върху движението на хора и техника;
  • финансови средства оперативни комуникациии интелигентност;
  • периметърен контрол и дистанционно наблюдение;
  • помощ при спасителни операции;
  • наблюдение на имущество и ценности;
  • СОТ и пожароизвестяване;
• наблюдение околен свят:
  • мониторинг на замърсяването;
  • Селско стопанство;
• здравеопазване:
  • наблюдение на физиологичното състояние на пациентите;
  • контрол на местоположението и уведомяване на медицинския персонал.

Корпоративната версия на технологията Интернет на нещата (IoT) се използва активно в индустрията днес. Enterprise Internet of Things (EIoT) използва безжични сензорни мрежи и контроли, за да предостави на предприятията нови начини за контрол на машини и оборудване. Безжичните сензори, захранвани от малка батерия и не свързани към кабелно захранване, могат да бъдат поставени в индустриална среда на места, напълно недостъпни за управление от предишно поколение.

EIoT повиши надеждността, сигурността и оперативната съвместимост на системите и оборудването, за да отговори на най-строгите изисквания за внедряване на безжични технологии в тази област, не само в индустрията, но и в здравеопазването, финансовите услуги и др. EIoT отговаря на нуждите на тези области от какво спецификациии дизайнерските елементи на тази нова технология са много по-добри от подобни IoT технологии на традиционни устройства, предназначени за по-малко критични потребителски или търговски приложения.

Проблеми с EIoT

Сензорите и контролите, поддържащи EIoT, могат да работят почти навсякъде в индустриална среда, но досега това беше по-скоро въпрос на късмет, тъй като не всяко индустриално оборудване е идеално за използване в безжични мрежи. Това е така, защото има два взаимосвързани, но привидно противоречиви елемента в внедряването на IoT:

1. Самата безжична мрежа от устройства, която се инсталира с помощта на сензори и контроли, свързани с технология за малък обхват с ниска консумация на енергия.
2. Мрежа от IoT сензори, взаимодействащи с друго оборудване, контролери и части от мрежата, които вече са на по-голямо разстояние.

Ориз. 1. Приложенията далеч от градските центрове и традиционните телекомуникационни услуги могат да използват енергийно ефективен комуникационен протокол като LoRa за организиране на глобална мрежа

Невъзможността за надеждна комуникация на дълги разстояния често е най-същественото препятствие в индустриална среда. Този проблем има проста причина: телекомуникации, които се осъществяват по жични кабелни линии или чрез използване на предаване на сигнал през кули. клетъчна комуникация, не винаги се предлага в местата за промишлено оборудване. Освен това разходите за използване на клетъчни услуги само за доставяне на няколко пакета данни от сензори в една комуникационна сесия нямат голям смисъл както от икономическа гледна точка, така и от чисто технически съображения. Освен това доста често възниква проблем със захранването на сензори и комуникационни устройства, което е много трудно да се организира на отдалечени места, където оборудването или инфраструктурата не се захранват директно от индустриалната мрежа.

Въпреки широкото покритие на клетъчните комуникации в населените места, на някои места няма надеждна услуга за организиране на безжични комуникации. Това е често срещан проблем в селските райони и отдалечените местоположения на промишлено оборудване, като изолирано нефтено и газово оборудване или тръбопроводен транспорт, системи за водоснабдяване и отпадъчни води (фиг. 1) и т.н. Такива обекти също често са далеч от най-близкия технически сервиз персонал, който проверява изправността на устройствата. Понякога на инженер отнема цял ден или дори няколко, за да стигне до оборудването и да го инспектира. Често е трудно и лесно да се намерят специалисти, желаещи да работят в такива отдалечени райони. Тъй като поради ограниченото комуникационно покритие сензорите и контролите с активиран EIoT са доста редки в отдалечени сайтове, широкообхватните мрежи с ниска мощност (LPWAN) идват на помощ тук.

BLE и LPWAN

Най-широко използваните безжична технологиямалък обхват в EIoT системите е технологията Bluetooth с ниска енергия - BLE (англ. Bluetooth ниска енергия, известен още като Bluetooth Smart). Основната причина за високата популярност на BLE за EIoT е неговата енергийна ефективност, която позволява на сензорите и контролите да работят дълго време с много ниска консумация на батерия. BLE управлява цикли на сън, режим на готовност и активни цикли. BLE също се използва широко поради силата на своя RF сигнал, който позволява на тази технология да работи ефективно дори в трудни среди с повишени нива на високочестотен шум, цифрови сигнали от компютърно оборудване и дори при наличие на физически препятствия пред разпространение на радиовълни. Но, както знаете, всички тези фактори са познати на индустриалната среда.

В проектите за внедряване на EIoT технологията BLE е в основата на организирането на комуникации на малък обсег. Освен това може да се използва както на вече експлоатирани, така и на комплекси от индустриално оборудване, които все още се проектират. Въпреки това, такава мрежа от BLE-съвместими устройства се нуждае от начин за получаване на инструкции и предаване на данни на по-големи разстояния. Разчитането на традиционна телекомуникационна инфраструктура, която позволява двупосочни Wi-Fi или клетъчни сигнали, не е възможно поради бариерата, която ограничава приложението на тези сензорни и контролни мрежи. Комбинирайки BLE с ултраобхвата и енергийната ефективност на технологията LoRa, компаниите успяха да разположат EIoT на места, където телекомуникационната инфраструктура и енергийната инфраструктура не са достъпни, а това от своя страна разшири географията на внедряване на Интернет технология на нещата.

Ориз. 2. Сензорите първо се свързват към LoRa клиента и след това през LoRa gateway

Протоколът LoRa WAN често е LPWAN, тъй като осигурява сигурно двупосочно предаване на данни и комуникация с IoT мрежи на големи разстояния в продължение на много години без смяна на батерията. При използване на технологията LoRa е възможно да се изпращат и получават сигнали на разстояние до около 16 км, а инсталираните ретранслатори (повторители), ако е необходимо, могат да увеличат това разстояние до стотици километри. На фиг. Фигура 2 показва как работи LoRa. За приложенията на IoT LoRa има много предимства именно поради своите икономически характеристики и възможности:

• Тъй като LoRa, подобно на BLE, е технология с ултра ниска мощност, тя може да работи в захранвани от батерии мрежи на IoT устройства и може да осигури дълъг живот на батерията, без да изисква честа поддръжка.
• LoRa възлите са евтини и позволяват на компаниите да намалят разходите за предаване на данни през клетъчни системи, както и да премахнат инсталирането на оптични или медни кабели. Това премахва голяма финансова бариера пред свързването на отдалечени сензори и оборудване.
• Технологията LoRa работи добре с мрежови устройствапоставени на закрито, включително в сложни индустриални среди.
• LoRa е силно мащабируем и оперативно съвместим, като поддържа милиони възли и може да бъде свързан към обществени и частни мрежи за данни и двупосочни комуникационни системи.

И така, докато други LPWAN технологии ще могат да разрешат само проблема с комуникационния обхват при внедряването на IoT решения в дългосрочен план, технологията LoRa предлага двупосочна комуникация, защита срещу заглушаване и високо информационно съдържание за това.

LoRa също има значителен недостатък - ниска честотна лента. Това го прави неподходящ за приложения, изискващи поточно предаване на данни. Това ограничение обаче не пречи на използването му за широк набор от IoT приложения, където от време на време се предават само малки пакети данни.

Взаимодействие

Ориз. 3. Модул RM1xx от Laird, който включва комуникационни възможностиза протоколи за безжична мрежа LoRa и Bluetooth

Потенциалът на LoRa се удвоява, когато се комбинира с технология като BLE. Заедно те предоставят набор от безжични възможности с ултра ниска мощност за комуникации на къси и дълги разстояния, които подобряват възможностите на EIoT мрежите. Например, централната част на градските райони може да бъде покрита само с няколко LoRaWAN шлюза, които са основата за BLE сензорни мрежи, които вече са независими от традиционните телекомуникационни инфраструктури. По този начин симбиозата на LoRa и BLE премахва редица бариери пред разширяването на IoT както в мегаполисите, така и в малките градове, които имат бариери пред широкото внедряване на Интернет на нещата. Но най-големите ползи от комбинацията на LoRA и BLE са безжичните сензори, контроли и друго оборудване, което вече може да се инсталира без никакви ограничения буквално навсякъде (фиг. 3). Това е специална заслуга на BLE. BLE също така позволява на тези устройства да работят заедно в интегрирана мрежа с малък обхват, управлявана например от смартфони или таблети, които в този случай се използват като отдалечени безжични дисплеи. В този пакет технологията LoRa, базирана на мобилните възможности на BLE, действа като вид радиорелейна станция, която може да изпраща и получава данни на големи разстояния. Освен това, тези разстояния могат да бъдат увеличени чрез прости шлюзове за предаване на сигнал.

Вече са много добри примери, демонстрирайки как сдвояването на LoRa и BLE позволява на EIoT мрежите да достигнат напълно различно техническо нивои увеличете разширяването си.

Безжични сензорни мрежи: преглед

Акулдиз И.Ф.

Превод от английски: Levzhinsky A.S.

анотация

Статията описва концепциите за сензорни мрежи, чието внедряване стана възможно в резултат на комбинацията от микроелектромеханични системи, безжични комуникации и цифрова електроника. Изследват се задачите и възможностите на сензорните мрежи, прави се преглед на фактите, влияещи върху тяхното развитие. Разгледана е и архитектурата на изграждане на сензорни мрежи, разработените алгоритми и протоколи за всеки слой от архитектурата. Статията изследва въпроси относно внедряването на сензорни мрежи.

1. Въведение

Последните постижения в технологиите за микро-електро-механични системи (MEMS), безжичните комуникации и цифровата електроника направиха възможно създаването на евтини, нискоенергийни, многофункционални прашинки (възли), те са малки и "говорят" директно помежду си . Сензорни мрежи, базирани на съвместната работа на голям брой малки възли, които се състоят от модули за събиране и обработка на данни, предавател. Такава мрежа има значителни предимства пред набор от традиционни сензори. Ето две ключови характеристики на традиционните сензори: Сензорите могат да бъдат разположени далеч от наблюдаваното явление. Този подход изисква много сензори, които използват някои сложни техники за избиране на цели от шума.
Можете да разположите множество сензори, които само събират данни. Внимателно проектирайте позициите и топологията на сензора. Те ще предават наблюденията до централните възли, където ще се извършва събирането и обработката на данните.
Сензорната мрежа се състои от голям брой възли (прашинки), които са плътно разположени в близост до наблюдаваното явление. Позицията на прашинките не е необходимо да се изчислява предварително. Това им позволява да бъдат поставяни произволно в труднодостъпни зони или използвани за операции по оказване на помощ, които изискват бърза реакция. От друга страна, това означава, че мрежовите протоколи и mot алгоритмите трябва да се самоорганизират. Друга уникална характеристика на сензорните мрежи е сътрудничеството на отделни възли. Motes са оборудвани с процесор. Следователно, вместо да предават оригиналните данни, те могат да ги обработват чрез извършване на прости изчисления и да предават само необходимите и частично обработени данни. Характеристиките, описани по-горе, предоставят широка гама от приложения за сензорни мрежи. Такива мрежи могат да се използват в здравеопазването, военните и сигурността. Например, физиологичните данни за пациент могат да бъдат наблюдавани дистанционно от лекар. Това е удобно както за пациента, така и позволява на лекаря да разбере моментното му състояние. Сензорните мрежи могат да се използват за откриване на чужди химически агенти във въздуха и водата. Те могат да помогнат за определяне на вида, концентрацията и местоположението на замърсителите. По същество сензорните мрежи позволяват по-добро разбиране на околната среда. Очакваме, че в бъдеще безжичните сензорни мрежи ще бъдат неразделна част от живота ни, повече от днешните персонални компютри. Изпълнението на тези и други проекти, които изискват използването на безжични сензорни мрежи, изисква специални методи. Много протоколи и алгоритми са разработени за традиционните безжични peer-to-peer мрежи, така че те не са много подходящи за уникални чертии изискванията на сензорните мрежи. Ето разликите между сензорните и равноправните мрежи: Броят на възлите в една сензорна мрежа може да бъде с няколко порядъка по-голям от възлите в мрежата равноправен.
Възлите са плътно разположени.
Възлите са склонни към повреда.
Топологията на сензорните мрежи може да се променя често
Възлите използват основно разпръснати съобщения, докато повечето peer-to-peer мрежи са базирани на комуникации от точка до точка.
Възлите са ограничени по мощност, процесорна мощност и памет.
Възлите не могат да имат глобален идентификационен номер(IN) поради голямото количество режийни разходи и големия брой сензори.
Тъй като възлите в мрежата са плътно опаковани, съседните възли могат да бъдат много близо един до друг. Следователно връзките с няколко хопа в сензорните мрежи ще консумират по-малко енергия от директните връзки. Освен това може да се използва ниска мощност на сигнала за данни, което е полезно при тайно наблюдение. Мулти-хоп комуникациите могат ефективно да преодолеят някои от трудностите на разпространението на сигнала на големи разстояния в безжичните комуникации. Едно от най-важните ограничения за възлите е ниската консумация на енергия. Мотите имат ограничени източници на енергия. И така, докато традиционните мрежи са фокусирани върху постигането на високо качество на сигнала, мрежовите протоколи на mot трябва да се фокусират главно върху пестенето на енергия. Те трябва да имат механизми, които позволяват на потребителя да удължи живота на прашинката чрез намаляване на пропускателната способност или увеличаване на латентността на трансфера на данни. В момента много изследователи участват в разработването на схеми, които отговарят на тези изисквания. В тази статия ще прегледаме протоколите и алгоритмите, които в момента съществуват за сензорни мрежи. Нашата цел е да осигурим по-добро разбиране на текущите изследователски проблеми в тази област. Ще се опитаме също да проучим ограниченията на дизайна и да идентифицираме инструменти, които могат да се използват за решаване на проблеми с дизайна. Статията е организирана по следния начин: във втория раздел описваме потенциала и полезността на сензорните мрежи. В раздел 3 обсъждаме факторите, които влияят върху дизайна на такива мрежи. Подробно проучване на съществуващите методи в тази област ще бъде разгледано в Раздел 4. И ние ще обобщим в Раздел 5.

2. Приложение на безжични сензорни мрежи

Сензорните мрежи могат да бъдат съставени от различни видове сензори, като сеизмични, за магнитно поле, термични, инфрачервени, акустични, способни да извършват голямо разнообразие от измервания на условията на околната среда. Например като:
температура,
влажност,
автомобилен трафик,
светкавично състояние,
налягане,
състав на почвата,
ниво на шум,
наличието или отсъствието на определени обекти,
механично натоварване
динамични характеристики като скорост, посока и размер на обекта.
Мотите могат да се използват за непрекъснато сондиране, откриване на събития и идентификация. Концепцията за микрочувствителност и безжична връзкаобещават много нови приложения за такива мрежи. Ние сме ги категоризирали по основни области: военни, екологични изследвания, здравеопазване, домашна употреба и други търговски приложения. Но е възможно да се разшири тази класификация и да се добавят още категории, като изследване на космоса, химическа обработка и помощ при бедствия.

2.1. Военно приложение

Безжичните сензорни мрежи могат да бъдат неразделна част от системите за военно командване, комуникации, разузнаване, наблюдение и ориентация (C4ISRT). Бързото разгръщане, самоорганизацията и устойчивостта на грешки са характеристики на сензорните мрежи, които ги правят обещаващ инструмент за решаване на проблеми. Тъй като сензорните мрежи могат да се основават на гъсто разполагане на еднократни и евтини възли, унищожаването на някои от тях по време на военни действия няма да повлияе на военната операция по същия начин, както унищожаването на традиционни сензори. Следователно използването на сензорни мрежи е по-подходящо за битки. Изброяваме още няколко начина за използване на такива мрежи: наблюдение на оръжия и боеприпаси на приятелски сили, наблюдение на битката; ориентация на терена; оценка на бойните щети; откриване на ядрени, биологични и химически атаки. Мониторинг на приятелски сили, оръжия и боеприпаси: лидерите и командирите могат постоянно да наблюдават състоянието на своите войски, състоянието и наличността на оборудване и боеприпаси на бойното поле с помощта на сензорни мрежи. Всяко превозно средство, оборудване и важни боеприпаси могат да имат сензори, прикрепени за отчитане на тяхното състояние. Тези данни се събират заедно в ключови възлии изпратени на лидерите. Данните могат също да бъдат пренасочени към по-високи нива на командната йерархия, за да бъдат комбинирани с данни от други части. Бойни наблюдения: Критичните зони, пътища, маршрути и проливи могат бързо да бъдат покрити със сензорни мрежи за изучаване на дейността на вражеските сили. По време на операции или след разработване на нови планове сензорните мрежи могат да бъдат разгърнати по всяко време за наблюдение на битката. Разузнаване на вражеските сили и терена: Сензорни мрежи могат да бъдат разгърнати в критични зони и ценни, подробни и навременни данни за вражеските сили и терен могат да бъдат събрани в рамките на минути, преди врагът да ги прихване. Ориентация: сензорните мрежи могат да се използват в интелигентни системи за насочване на боеприпаси. Оценка на щетите след битка: Точно преди или след атака сензорни мрежи могат да бъдат разгърнати в целевата зона за събиране на данни за оценка на щетите. Откриване на ядрени, биологични и химически атаки: При използване на химически или биологични оръжия, чиято употреба е близка до нула, е важно да има навременна и точна идентификация на химическите агенти. Сензорните мрежи могат да се използват като системи за предупреждение за химически или биологични атаки и данни, събрани в кратко времеспомагат за драстично намаляване на броя на жертвите. Възможно е също да се използват сензорни мрежи за подробно разузнаване след засичане на такива атаки. Например, възможно е да се извърши разузнаване в случай на радиационно замърсяване, без да се излагат хората на радиация.

2.2. Екологично приложение

Някои от областите в екологията, в които се използват сензорни мрежи са: проследяване на движението на птици, малки животни и насекоми; мониторинг на състоянието на околната среда с цел установяване на въздействието й върху посевите и добитъка; напояване; широкомащабно наблюдение на Земята и изследване на планети; химическо/биологично откриване; откриване на горски пожари; метеорологични или геофизични изследвания; откриване на наводнения; и изследване на замърсяването. Откриване на горски пожар: тъй като прашинките могат да бъдат стратегически и плътно разположени в гората, те могат да предадат точния произход на пожара, преди огънят да излезе извън контрол. Милиони сензори могат да бъдат разположени постоянно. Те могат да бъдат оборудвани със слънчеви панели, тъй като възлите могат да бъдат оставени без надзор в продължение на месеци или дори години. Motes ще работят заедно, за да изпълняват разпределени сензорни задачи и да преодоляват препятствия като дървета и скали, които блокират кабелни сензори. Картографиране на биосъстоянието на околната среда: Изисква сложни подходи за интегриране на информация във времеви и пространствени мащаби. Напредъкът в технологията за дистанционно наблюдение и автоматизираното събиране на данни намали значително разходите за изследвания. Предимството на тези мрежи е, че възлите могат да бъдат свързани към интернет, което позволява на отдалечените потребители да контролират, наблюдават и наблюдават околната среда. Въпреки че сателитните и въздушните сензори са полезни при наблюдение на голямото разнообразие, като например пространствена сложност, на доминиращи растителни видове, те не позволяват наблюдение на малките елементи, които съставляват по-голямата част от една екосистема. В резултат на това е необходимо да се разположат безжични сензорни мрежови възли на място. Един пример за приложение е биологичното картографиране на околната среда в резерват в Южна Калифорния. Три обекта са обхванати от мрежа, всяка от които има 25-100 възела, които се използват за непрекъснат мониторинг на състоянието на околната среда. Откриване на наводнения: Пример за откриване на наводнения е системата за озвучаване в Съединените щати. Няколко вида сензори, поставени в системата за предупреждение, определят нивото на валежите, нивото на водата и времето. Изследователски проекти като COUGAR Device Database Project в Cornell University и DataSpace Project в Rutgers University проучват различни подходи за взаимодействие с отделни възли в мрежа за получаване на моментни снимки и дългосрочно събиране на данни. Селско стопанство: Предимството на сензорните мрежи е и възможността да се наблюдават нивата на пестициди във водата, нивата на ерозия на почвата и нивата на замърсяване на въздуха в реално време.

2.3. Приложение в медицината

Едно приложение в медицината е в устройства за хора с увреждания; наблюдение на пациента; диагностика; наблюдение на употребата на лекарства в болниците; събиране на човешки физиологични данни; и наблюдение на лекари и пациенти в болници. Мониторинг на физиологичното състояние на човека: физиологичните данни, събрани от сензорни мрежи, могат да се съхраняват за дълъг период от време и да се използват за медицински изследвания. Инсталираните мрежови възли могат също да проследяват движенията на възрастните хора и например да предотвратяват падания. Тези възли са малки и осигуряват на пациента по-голяма свобода на движение, като в същото време позволяват на лекарите да идентифицират предварително симптомите на заболяването. Освен това допринасят за по-комфортен живот на пациентите в сравнение с болничното лечение. За да тества осъществимостта на такава система, Факултетът по медицина в Гренобъл-Франция създаде „Здравословен умна къща"". . Мониторинг на лекари и пациенти в болницата: всеки пациент има малък и лек мрежов възел. Всеки възел има своя специфична задача. Например, един може да следи пулса ви, докато друг измерва кръвното ви налягане. Лекарите също могат да имат такъв възел, това ще позволи на други лекари да ги намерят в болницата. Мониторинг на лекарства в болници: Възлите могат да бъдат прикрепени към лекарства, тогава шансовете за отпускане на грешно лекарство могат да бъдат сведени до минимум. Така пациентите ще имат възли, които определят техните алергии и необходимите лекарства. Компютъризираните системи, както е описано в, са показали, че могат да помогнат за минимизиране на страничните ефекти от погрешно отпускане на лекарства.

2.4. Приложение у дома

Домашна автоматизация: Интелигентните възли могат да бъдат интегрирани в домашни уреди като прахосмукачки, микровълнови печки, хладилници и видеорекордери. Те могат да комуникират помежду си и с външна мрежа чрез интернет или сателит. Това ще позволи на крайните потребители лесно да управляват устройства у дома както локално, така и дистанционно. Интелигентна среда: Дизайнът на интелигентна среда може да приеме два различни подхода, т.е. ориентиран към човека или ориентиран към технологиите. При първия подход интелигентната среда трябва да се адаптира към нуждите на крайните потребители по отношение на взаимодействието с тях. За технологично центрираните системи трябва да се разработят нови хардуерни технологии, мрежови решения, и междинни приложения. Примери за това как възлите могат да се използват за създаване на интелигентна среда са описани в . Възлите могат да бъдат вградени в мебели и уреди, те могат да комуникират помежду си и със сървъра на стаята. Сървърът на стаята може също да комуникира с други сървъри на стая, за да научи за услугите, които могат да предложат, като печат, сканиране и изпращане на факс. Тези сървъри и сензорни възли могат да бъдат интегрирани в съществуващи вградени устройства и да представляват самоорганизиращи се, саморегулиращи се и адаптивни системи, базирани на модела на теорията на управлението, както е описано в .

3. Фактори, влияещи върху разработването на модели на сензорни мрежи.

Развитието на сензорните мрежи зависи от много фактори, включително устойчивост на грешки, мащабируемост, производствени разходи, тип работна среда, топология на сензорната мрежа, хардуерни ограничения, комуникационен модел и консумация на енергия. Тези фактори се разглеждат от много изследователи. Нито едно от тези проучвания обаче не отчита напълно всички фактори, които влияят върху дизайна на мрежата. Те са важни, защото служат като насока за разработване на протокол или алгоритми за работа на сензорни мрежи. Освен това тези фактори могат да се използват за сравняване на различни модели.

3.1. отказоустойчивост

Някои възли може да се повредят поради липса на мощност, физическа повреда или намеса на трета страна. Повредата на възела не трябва да засяга работата на сензорната мрежа. Това е въпрос на надеждност и устойчивост на грешки. Устойчивост на грешки - способността да се поддържа функционалността на сензорната мрежа без повреда, когато даден възел се повреди. Надеждност Rk(t) или толерантност към грешки на възел се моделира чрез използване на разпределение на Поасон за определяне на вероятността да няма повреда на възел за периода от време (0; t) Заслужава да се отбележи, че протоколите и алгоритмите могат да бъдат ориентирани към нивото на толерантност към грешки необходими за изграждане на сензорни мрежи. Ако средата, в която са поставени възлите, е по-малко податлива на смущения, тогава протоколите може да са по-малко устойчиви на грешки. Например, ако в дома се въведат възли за наблюдение на нивата на влажност и температура, изискванията за устойчивост на грешки може да са ниски, тъй като такива сензорни мрежи не могат да се повредят и „шумът“ на околната среда не влияе на тяхната работа. От друга страна, ако възлите се използват на бойното поле за наблюдение, тогава устойчивостта на грешки трябва да бъде висока, тъй като наблюдението е критично и възлите могат да бъдат унищожени по време на военни операции. В резултат на това нивото на отказоустойчивост зависи от приложението на сензорни мрежи и моделите трябва да бъдат разработени с оглед на това.

3.2. Мащабируемост

Броят на възлите, разположени за изследване на феномена, може да бъде от порядъка на стотици или хиляди. В зависимост от приложението броят може да достигне екстремни стойности (милиони). Новите модели трябва да могат да се справят с този брой възли. Те също така трябва да използват висока плътност на сензорни мрежи, които могат да варират от няколко възела до няколкостотин в област, която може да бъде по-малка от 10 m в диаметър. Плътността може да се изчисли според,

3.3. Производствени разходи

Тъй като сензорните мрежи се състоят от голям брой възли, цената на възел трябва да бъде такава, че да оправдае общата цена на мрежата. Ако цената на мрежата е по-висока от внедряването на традиционни сензори, тогава тя не е икономически изгодна. В резултат на това цената на всеки възел трябва да бъде ниска. Сега цената на възел, използващ Bluetooth предавател, е по-малко от $10. Цената за PicoNode е около $1. Следователно цената на възел на сензорна мрежа трябва да бъде много по-малка от $1 за икономическата обосновка на тяхното използване. Цената на Bluetooth възел, който се счита за евтино устройство, е 10 пъти по-висока от средната цена на сензорните мрежови възли. Моля, имайте предвид, че възелът има и някои допълнителни модули като модул за събиране на данни и модул за обработка на данни (описани в раздел 3.4.) В допълнение, те могат да бъдат оборудвани със система за позициониране или генератор на енергия, в зависимост от приложението на сензора мрежи. В резултат на това цената на един възел е сложен проблем, предвид броя функционалностдори ако цената е по-малко от $1.

3.4. Хардуерни характеристики

Възелът на сензорната мрежа се състои от четири основни компонента, както е показано на фиг. 1: единица за събиране на данни, единица за обработка, предавател и захранване. Наличието на допълнителни модули зависи от мрежовото приложение, например може да има модули за местоположение, генератор на енергия и мобилизатор (MAC). Модулът за събиране на данни обикновено се състои от две части: сензори и аналогово-цифрови преобразуватели (ADC). Аналоговият сигнал, генериран от сензора въз основа на наблюдаваното явление, се преобразува в цифров сигналс помощта на ADC и след това се подава в процесора. Модулът за обработка, който използва интегрираната памет, контролира процедурите, които позволяват, във връзка с други възли, да изпълняват възложените задачи за наблюдение. Предавателят (трансивър) свързва възела към мрежата. Един от най-важните компоненти на възела е захранването. Захранването може да бъде презареждаемо, например чрез слънчеви панели.

Повечето възли, предаващи данни и събиращи данни, трябва да знаят местоположението си с висока точност. Следователно в общата схема е включен модул за местоположение. Понякога може да се нуждаете от мобилизатор, който, ако е необходимо, премества възела, когато е необходимо за изпълнение на задачите. Може да се наложи всички тези модули да бъдат поставени в корпус с размер на кибритена кутия. Размерът на възела може да бъде по-малък от кубичен сантиметър и достатъчно лек, за да остане във въздуха. Освен размера, има някои други твърди ограничения за възлите. Те трябва :
консумират много малко енергия
работа с голям брой възли на къси разстояния,
имат ниска производствена цена
да бъдете автономни и да работите без надзор,
адаптират се към околната среда.
Тъй като възлите могат да станат недостъпни, животът на сензорната мрежа зависи от мощността на отделните възли. Храна ограничен ресурси поради ограниченията на размера. Например общото съхранение на енергия на интелигентен възел е от порядъка на 1 J. За безжична интегрирана сензорна мрежа (WINS) средното ниво на зареждане трябва да бъде по-малко от 30 LA, за да се осигури дълго време на работа. Възможно е да се удължи живота на сензорните мрежи чрез използване на акумулаторни батерии, например чрез получаване на енергия от околната среда. Слънчевите панели са отличен пример за използването на презареждане. Комуникационният модул на възела може да бъде пасивно или активно оптично устройство, както в интелигентен възел, или радиочестотен (RF) предавател. RF предаването се нуждае от модулиращ модул, който използва определена честотна лента, модул за филтриране, модул за демодулация, което ги прави по-сложни и скъпи. Освен това може да има загуба на предаване на данни между два възела поради факта, че антените са разположени близо до земята. Въпреки това, радиокомуникацията е предпочитана в повечето съществуващи проекти на сензорни мрежи, тъй като скоростите на предаване на данни са ниски (обикновено по-малко от 1 Hz) и скоростите на цикъла на предаване са високи поради къси разстояния. Тези характеристики позволяват използването на ниски радиочестоти. Проектирането на енергийно ефективни и нискочестотни радиопредаватели обаче все още е техническо предизвикателство, а съществуващите технологии, които се използват при производството на Bluetooth устройства, не са достатъчно ефективни за сензорни мрежи, тъй като консумират много енергия. Въпреки че процесорите непрекъснато намаляват по размер и увеличават мощността си, обработката и съхранението на данни от възела все още е неговата слаба страна. Например модулът за обработка на интелигентен възел се състои от 4 MHz процесор Atmel AVR8535, микроконтролер с 8 KB за инструкции, флаш памет, 512 байта RAM и 512 байта EEPROM. Този модул, който има 3500 байта за операционната система и 4500 байта свободна памет за кода, използва операционната система TinyOS. Модулът за обработка на друг прототип на възел lAMPS има 59-206 MHz SA-1110 процесор. IAMPS възлите използват многонишкова операционна система. L-OS система. Повечето задачи за събиране на данни изискват познаване на позицията на възела. Тъй като възлите обикновено се намират на случаен принцип и без надзор, те трябва да си сътрудничат, използвайки система за позициониране. Определянето на местоположението се използва в много протоколи за маршрутизиране на сензорни мрежи (повече подробности в раздел 4). Някои предполагат, че всеки възел трябва да има модул за глобална система за позициониране (GPS), който работи с точност до 5 метра. Документът твърди, че оборудването на всички възли с GPS не е необходимо за работата на сензорните мрежи. Има алтернативен подход, при който само някои възли използват GPS и помагат на други възли да определят позицията си на земята.

3.5. Мрежова топология

Фактът, че възлите могат да станат недостъпни и обект на чести повреди, прави поддръжката на мрежата предизвикателна задача. На територията на сензорната мрежа могат да бъдат разположени от стотици до няколко хиляди възли. Разполагат се на десет метра един от друг. Плътността на възлите може да бъде по-висока от 20 възела на кубичен метър. Плътното разположение на много възли изисква внимателна поддръжка на мрежата. Ще разгледаме въпросите, свързани с поддържането и промяната на топологията на мрежата на три етапа:

3.5.1. Предварителното разгръщане и разгръщането на самите възли може да се състои в масовото разпръскване на възлите или инсталирането на всеки поотделно. Те могат да бъдат разположени:

Разпръснат от самолет,
чрез поставяне в ракета или снаряд
хвърлен с помощта на катапулт (например от кораб и др.),
поставяне във фабриката
всеки възел се поставя индивидуално от човек или робот.
Макар че голяма сумасензори и автоматичното им разгръщане обикновено изключва поставянето им според внимателно разработен план, схемите за първоначално разгръщане трябва:
намаляване на разходите за монтаж
премахване на необходимостта от предварителна организация и предварително планиране,
увеличаване на гъвкавостта на разположението,
насърчават самоорганизацията и толерантността към грешки.

3.5.2. Фаза след разгръщане на мрежата

След като мрежата бъде разгърната, промяната в нейната топология е свързана с промяна в характеристиките на възлите. Нека ги изброим:
позиция,
достъпност (поради смущения, шум, движещи се препятствия и др.),
заряд на батерията,
неизправности
променящи се задачи.
Възлите могат да бъдат статично разположени. Въпреки това повредата на устройството е често срещана поради изтощаване или разрушаване на батерията. Възможни са сензорни мрежи с висока мобилност на възлите. Освен това възлите и мрежите изпълняват различни задачи и могат да бъдат обект на умишлена намеса. По този начин структурата на сензорната мрежа е склонна към чести промени след внедряването.

3.5.3. Допълнителна фаза на внедряване на възел

Допълнителни възли могат да се добавят по всяко време, за да заменят дефектните възли или поради промяна на задачите. Добавянето на нови възли създава необходимостта от реорганизиране на мрежата. Справянето с честите промени в топологията на peer-to-peer мрежа, която съдържа много възли и има много строги ограничения на мощността, изисква специални протоколи за маршрутизиране. Този въпрос е разгледан по-подробно в раздел 4.

3.6. Околен свят

Възлите са плътно разположени много близо до или директно в наблюдаваното явление. По този начин те работят без надзор в отдалечени географски райони. Те могат да работят
на натоварени кръстовища
вътре в големи коли
на дъното на океана
вътре в торнадо
на повърхността на океана по време на торнадо,
в биологично и химически замърсени райони
на бойното поле
в къща или голяма сграда,
в голям склад
привързан към животни
прикачени към бързо движещи се превозни средства
в канализация или река заедно с потока вода.
Този списък дава представа за условията, при които възлите могат да работят. Те могат да работят под високо налягане на дъното на океана, в тежка среда, сред отломки или на бойното поле, при екстремни температури, като например в дюзата на самолетен двигател или в арктически райони, на много шумни места, където има много намеса.

3.7. Методи за пренос на данни

В сензорна мрежа с множество хопове възлите комуникират безжично. Комуникацията може да бъде чрез радио, инфрачервена или оптична медия. За да се използват тези методи глобално, предавателната среда трябва да е достъпна в целия свят. Една от възможностите за радиокомуникации е използването на индустриални, научни и медицински ленти (ISM), които са достъпни без лиценз в повечето страни. Някои от честотите, които могат да се използват, са описани в международната честотна таблица, съдържаща се в член S5 от Радиорегламента (том 1). Някои от тези честоти вече се използват в безжичната телефония и безжичната връзка локални мрежи(WLAN). За сензорни мрежи с малък размер и ниска цена не е необходим усилвател на сигнала. Според хардуерните ограничения и компромисът между ефективността на антената и консумацията на енергия налагат определени ограничения върху избора на честота на предаване в микровълновия честотен диапазон. Те също така предлагат 433 MHz ISM в Европа и 915 MHz ISM в Северна Америка. Възможните модели предаватели за тези две зони са обсъдени в. Основните предимства на използването на ISM радиочестоти са широкият спектър от честоти и достъпността в световен мащаб. Те не са обвързани с определен стандарт, като по този начин дават повече свобода за прилагане на енергоспестяващи стратегии в сензорни мрежи. От друга страна, има различни правила и ограничения, като различни закони и намеса от съществуващи приложения. Тези честотни ленти се наричат ​​още нерегулирани честоти. Повечето от днешното оборудване на възли се основава на използването на радиопредаватели. Безжичните възли на IAMPS, описани в , използват 2,4 GHz предаватели с Bluetooth и имат интегриран честотен синтезатор. Устройството на възлите с ниска мощност е описано в работата, те използват един радиопредавателен канал, който работи на честота 916 MHz. Архитектурата WINS също използва радио. Друг възможен начинкомуникацията в сензорните мрежи е инфрачервена. IR комуникацията е достъпна без лиценз и е имунизирана срещу електрически смущения. IR предавателите са по-евтини и по-лесни за производство. Много от съвременните лаптопи, PDA устройства и мобилни телефони използват IR интерфейс за пренос на данни. Основният недостатък на такава комуникация е изискването за директна видимост между подателя и получателя. Това прави IR комуникациите нежелателни за използване в сензорни мрежи поради предавателната среда. Интересен метод за предаване е използването на интелигентни възли, които са модули за автоматично наблюдение и обработка на данни. Те използват оптична среда за предаване. Има две схеми на предаване, пасивна, използваща ретрорефлектор с ъглов куб (CCR) и активна, използваща лазерен диод и контролирани огледала (обсъдени в ). В първия случай не е необходим интегриран източник на светлина, за предаване на сигнала се използва конфигурация с три огледала (CCR). Активният метод използва лазерен диод и активна лазерна комуникационна система за изпращане на лъчи светлина към желания приемник. Необичайните изисквания за приложение на сензорните мрежи правят избора на среда за предаване труден. Например, морските приложения изискват използването на водна преносна среда. Тук трябва да използвате дълговълнова радиация, която може да проникне през повърхността на водата. При труден терен или на бойното поле могат да възникнат грешки и повече смущения. Освен това може да се окаже, че възловите антени нямат необходимата височина и мощност на излъчване за комуникация с други устройства. Следователно изборът на среда за предаване трябва да бъде придружен от надеждни модулационни и кодиращи схеми, които зависят от характеристиките на канала за предаване.

3.8. Консумация на енергия

Безжичният възел, тъй като е микроелектронно устройство, може да бъде оборудван само с ограничено захранване (

3.8.1. Връзка

Един възел изразходва максималната си енергия за комуникация, която включва както предаване, така и получаване на данни. Може да се каже, че за да се общува къси разстоянияс ниска мощност на предаване, предаването и приемането изискват приблизително еднакво количество енергия. Честотните синтезатори, осцилаторите за контрол на напрежението, фазовото блокиране (PLL) и усилвателите на мощност изискват енергия, която е ограничена. Важно е, че в този случай не се има предвид само активната мощност, но и консумацията на електроенергия при стартиране на предаватели. Стартирането на предавателя отнема част от секундата, така че консумира незначително количество енергия. Тази стойност може да се сравни с времето за заключване на PLL. Въпреки това, тъй като предаваният пакет намалява, мощността на стартиране започва да доминира над консумацията на енергия. В резултат на това е неефективно непрекъснато да включвате и изключвате предавателя, т.к по-голямата част от енергията ще бъде изразходвана за това. В момента радиопредавателите с ниска мощност имат стандартни Pt и Pr стойности от 20 dBm и Pout близо до 0 dBm. Имайте предвид, че PicoRadio, насочен към компютър, е -20dBm. Дизайнът на малки, евтини предаватели е обсъден в източника. Въз основа на техните резултати, авторите на тази статия, като се имат предвид бюджетните и енергийните оценки, смятат, че стойностите на Pt и Pr трябва да бъдат поне с порядък по-малки от стойностите, дадени по-горе.

3.8.2. Обработка на данни

Консумацията на енергия при обработката на данни е много по-малка в сравнение с предаването на данни. Примерът, описан в статията, всъщност илюстрира това несъответствие. Въз основа на теорията на Rayleigh, че една четвърт от мощността се губи по време на предаване, можем да заключим, че консумацията на енергия за предаване на 1 KB на разстояние от 100 m ще бъде приблизително същата като изпълнението на 3 милиона инструкции при скорост от 100 милиона инструкции на секунда (MIPS )/W от процесора. Следователно локалната обработка на данни е от решаващо значение за минимизиране на потреблението на енергия в сензорна мрежа с няколко хопа. Следователно възлите трябва да имат вградени изчислителни възможности и да могат да взаимодействат със средата. Ограниченията в цената и размера ще ни накарат да изберем полупроводниците (CMOS) като основна технология за микропроцесори. За съжаление, те имат ограничения за енергийна ефективност. CMOS изисква захранване всеки път, когато промени състоянието си. Енергия, необходима за промяна на състоянията, пропорционална на честотата на превключване, капацитета (в зависимост от областта) и колебанията на напрежението. Следователно намаляването на захранващото напрежение е ефективно средство за намаляване на консумацията на енергия в активно състояние. Динамичното мащабиране на напрежението, обсъдено в , се стреми да адаптира мощността и честотата на процесора според натоварването. Когато обработващото натоварване на микропроцесора е намалено, простото намаляване на честотата дава линейно намаление на консумацията на енергия, но намаляването на работното напрежение ни дава квадратично намаление на разходите за енергия. От друга страна, няма да се използва цялата възможна производителност на процесора. Това ще даде резултат, ако вземем предвид, че пиковата производителност не винаги е необходима и следователно работното напрежение и честотата на процесора могат да бъдат динамично адаптирани към изискванията за обработка. Авторите предлагат схеми за прогнозиране на натоварването, базирани на адаптивна обработка на съществуващи профили на натоварване и на анализ на няколко вече създадени схеми. Други стратегии за намаляване на мощността на процесора са обсъдени в . Трябва да се отбележи, че могат да се използват допълнителни схеми за кодиране и декодиране на данни. интегрални схемиможе също да се използва в някои случаи. Във всички тези сценарии структурата на сензорната мрежа, работните алгоритми и протоколи зависят от съответните енергийни разходи.

4. Архитектура на сензорни мрежи

Възлите обикновено са разположени произволно в цялата зона за наблюдение. Всеки от тях може да събира данни и знае маршрута за трансфер на данни обратно към централния възел, крайния потребител. Данните се предават с помощта на мрежова архитектура с множество хопове. Централният възел може да комуникира с диспечера на задачите чрез интернет или сателит. Протоколният стек, използван от централния възел и всички други възли, е показан на фиг. 3. Протоколният стек включва информация за мощността и информация за маршрута, съдържа информация за мрежовия протокол, помага за ефективна комуникация през безжичната среда и насърчава сътрудничеството между възлите. Протоколният стек се състои от приложен слой, транспортен слой, мрежов слой, слой за връзка с данни, физически слой, слой за управление на мощността, слой за управление на мобилността и слой за планиране на задачи. В зависимост от задачата за събиране на данни, различни видовеприложният софтуер може да бъде изграден на ниво приложение. транспортният слой помага за поддържане на потока на данните, ако е необходимо. Мрежовият слой управлява маршрутизирането на данните, предоставени от транспортния слой. Тъй като околната среда има външен шум и възлите могат да се преместват, MAC протоколът трябва да сведе до минимум появата на сблъсъци при предаване на данни между съседни възли. Физическият слой е отговорен за възможността за прехвърляне на информация. Тези протоколи помагат на хостовете да изпълняват задачи, като същевременно пестят енергия. Слоят за управление на захранването определя как възелът трябва да използва захранването. Например възел може да изключи приемник, след като получи съобщение от един от своите съседи. Това ще ви помогне да избегнете дублиране на съобщение. Освен това, когато даден възел е с изтощена батерия, той съобщава на своите съседи, че не може да участва в маршрутизирането на съобщения. Той ще използва цялата останала енергия за събиране на данни. Слоят за контрол на мобилността (MAC) определя и регистрира движението на възлите, така че винаги има маршрут за прехвърляне на данни към централния възел и възлите могат да определят своите съседи. И познавайки своите съседи, възелът може да балансира консумацията на енергия, като работи заедно с тях. Диспечерът на задачите планира и насрочва събирането на информация за всеки регион поотделно. Не всички възли в един и същ регион са задължени да изпълняват задачи за сондиране по едно и също време. В резултат на това някои възли изпълняват повече задачи от други, в зависимост от техния капацитет. Всички тези слоеве и модули са необходими, за да могат възлите да работят заедно и да се стремят към максимална енергийна ефективност, да оптимизират маршрута за предаване на данни в мрежата и също така да споделят взаимно ресурсите си. Без тях всеки възел ще работи индивидуално. От гледна точка на цялата сензорна мрежа е по-ефективно, ако възлите работят заедно един с друг, което спомага за удължаване на живота на самите мрежи. Преди да обсъдим необходимостта от включване на модули и контролни слоеве в протокола, ще разгледаме три съществуващи работи върху стека на протокола, който е показан на Фигура 3. Моделът WINS, обсъден в източника, в който възлите са свързани в разпределена мрежа и имат достъп до интернет. Тъй като голям брой WINS мрежови възли са разположени на малко разстояние един от друг, мулти-хоп комуникациите намаляват консумацията на енергия до минимум. Информацията за околната среда, получена от възела, се изпраща последователно към централния възел или WINS шлюза през други възли, както е показано на Фигура 2 за възли A, B, C, D и E. WINS шлюзът комуникира с потребителя чрез общи мрежови протоколи като като интернет.. Стекът от мрежови протоколи WINS се състои от приложния слой, мрежовия слой, MAC слоя и физическия слой. Интелигентни възли (или прашинки). Тези възли могат да бъдат прикрепени към предмети или дори да се носят във въздуха поради малкия си размер и тегло. Те използват MEMS технология за оптична комуникация и събиране на данни. Прашинките може да имат слънчеви панели за презареждане през деня. Те изискват пряка видимост, за да комуникират с предавател на оптична базова станция или друга прашинка. Сравнявайки архитектурата на праховата мрежа с тази, показана на фигура 2, може да се каже, че интелигентните възли обикновено комуникират директно с предавателя на базовата станция, но е възможна и комуникация един към един. Друг подход към разработването на протоколи и алгоритми за сензорни мрежи се дължи на изискванията на физическия слой. Протоколите и алгоритмите трябва да бъдат проектирани в съответствие с избора на физически компоненти като вида на микропроцесорите и типа на приемниците. Този подход отдолу нагоре се използва в модела IAMPS и също така взема предвид зависимостта на приложния слой, мрежовия слой, MAC слоя и физическия слой от хардуера на хоста. IAMPS възлите взаимодействат с крайния потребител точно по същия начин, както в архитектурата, показана на Фигура 2. Различни схеми, например разделяне на времето (TDMA) или честотно делениеканали (FDMA) и двоична модулация или М-модулация се сравняват в източника. Подходът отдолу нагоре означава, че алгоритмите на възела трябва да познават хардуера и да използват възможностите на микропроцесорите и предавателите, за да минимизират консумацията на енергия. Това може да доведе до разработването на различни дизайни на възли. НО различни дизайнивъзлите ще доведат до различни видове сензорни мрежи. Което от своя страна ще доведе до разработването на различни алгоритми за тяхната работа.

Литература

1. Г.Д. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Окончателен доклад за междуведомствения семинар по изследователски въпроси за интелигентни среди, IEEE Personal Communications (октомври 2000 г.) 36–40.
2. J. Agre, L. Clare, Интегрирана архитектура за кооперативни сензорни мрежи, IEEE Computer Magazine (май 2000 г.) 106–108.
3. И.Ф. Akyildiz, W. Su, Протокол за подобрено маршрутизиране (PAER) за сензорни мрежи, технически доклад на Georgia Tech, януари 2002 г., представен за публикуване.
4. А. Бакре, Б.Р. Бадринат, I-TCP: индиректен TCP за мобилни хостове, Доклади на 15-та международна конференция за разпределени изчислителни системи, Ванкувър, Британска Колумбия, май 1995 г., стр. 136–143.
5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Мобилният пациент: безжични разпределени сензорни мрежи за наблюдение и грижа за пациенти, Сборник 2000 IEEE EMBS Международна конференция за приложения на информационните технологии в биомедицината, 2000 г., стр. 17–21.
6. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Горни граници на живота на сензорните мрежи, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Хелзинки, Финландия, юни 2001 г.
7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the physical world, IEEE Personal Communications (октомври 2000 г.) 10–15.

Разпределени сензорни мрежи

Какво представляват безжичните сензорни мрежи?

Сензори и приемно устройство

Безжичните сензорни мрежи са изградени от възли, наречени моти (прашинка) - малки автономни устройства, захранвани от батерии и микрочипове с радиокомуникация на честота - например 2,4 GHz. Специален софтуерпозволява на частиците да се организират в разпределени мрежи, да комуникират помежду си, да разпитват и обменят данни с най-близките възли, разстоянието до които обикновено не надвишава 100 метра.

В англоезичната литература такава мрежа се нарича безжична сензорна мрежа(WSN) е безжична мрежа, състояща се от географски разпределени автономни устройства, които използват сензори за съвместно наблюдение на физическите или екологичните условия в различни области.

Те могат да измерват параметри като температура, звук, вибрации, налягане, движение на обекти или въздух. Развитието на безжични сензорни мрежи първоначално беше мотивирано от военни задачи като наблюдение на бойното поле. Понастоящем безжичните сензорни мрежи се използват все повече в много области на гражданския живот, включително промишлен и екологичен мониторинг, здравеопазване и контрол на движението на обекти. Обхватът става все по-широк.

Основни принципи на работа

3-степенна мрежова схема. 1-во ниво на сензори и шлюз. 2-ро сървърно ниво. Тънък клиент от ниво 3

Всеки мрежов възел: motоборудван с радио приемопредавател или друго безжично комуникационно устройство, малък микроконтролер и източник на захранване, обикновено батерия. Може да се използва със слънчеви панели или други алтернативни източници на енергия

Данните от отдалечени елементи се предават по мрежата между най-близките от възел до възел, чрез радиоканал. В резултат на това пакет от данни се предава от най-близкия мот до шлюза. Шлюзът е свързан, като правило, с USB кабел към сървъра. На сървъра - събраните данни се обработват, съхраняват и могат да бъдат достъпни през WEB shell за широк кръг потребители.

Цената на един сензорен възел варира от стотици долари до няколко цента, в зависимост от размера на сензорната мрежа и нейната сложност.

Хардуер и стандарти

Gateway (2бр), свързани към лаптоп с USB кабел. Лаптопът е свързан към интернет чрез UTP и действа като сървър

Сензорни устройства с радиоантена

Хардуерът на безжичния възел и протоколите за мрежово взаимодействие между възлите са оптимизирани за консумация на енергия, за да осигурят дълъг живот на системата с автономни захранвания. В зависимост от режима на работа животът на един възел може да достигне няколко години.

Редица стандарти в момента са или ратифицирани, или в процес на разработка за безжични сензорни мрежи. ZigBee е стандарт за неща като индустриален контрол, вградени сензори, събиране на медицински данни, автоматизация на сгради. Развитието на Zigbee се подпомага от голям консорциум от индустриални компании.

• WirelessHART е разширение на протокола HART за индустриална автоматизация. WirelessHART беше добавен към общия HART протокол като част от спецификацията HART 7, която беше одобрена от HART Communications Foundation през юни 2007 г.
• 6lowpan е декларираният стандарт за мрежовия слой, но все още не е приет.
• ISA100 е друга работа в опит да навлезе в WSN технологията, но е изградена по-широко, за да я включи обратна връзкаконтрол в своята област. Очаква се внедряването на ISA100, базирано на стандартите ANSI, да приключи до края на 2008 г.

WirelessHART, ISA100, ZigBee и всички те са базирани на един и същ стандарт: IEEE 802.15.4 - 2005.

Софтуер за безжична сензорна мрежа

Операционна система

Операционните системи за безжични сензорни мрежи са по-малко сложни от общите операционни системи поради ограничените ресурси хардуерсензорна мрежа. Поради това операционната система не трябва да включва поддръжка за потребителски интерфейси.

Хардуерът на безжичната сензорна мрежа не се различава от традиционните вградени системи и следователно вградената операционна система може да се използва за сензорни мрежи

Приложения за визуализация

Софтуер за визуализация и отчитане на резултатите от измерванията MoteView v1.1

Данните от безжичните сензорни мрежи обикновено се съхраняват като цифрови данни в централна базова станция. Има много стандартни програми като TosGUI MonSense, GNS, които улесняват прегледа на тези големи количества данни. В допълнение, Open Consortium (OGC) определя стандарти за оперативна съвместимост и оперативна съвместимост на кодиращи метаданни, което ще позволи наблюдение в реално време или контрол на безжичната сензорна мрежа от всеки чрез уеб браузър.

За работа с данни, идващи от възли на безжичната сензорна мрежа, се използват програми, които улесняват прегледа и оценката на данните. Една такава програма е MoteView. Тази програма ви позволява да преглеждате данни в реално време и да ги анализирате, да изграждате всякакви графики, да издавате отчети в различни секции.

Ползи от използването

• Без необходимост от полагане на кабели за захранване и пренос на данни;
• Ниска цена на компоненти, монтаж, пускане в експлоатация и поддръжка на системата;
• Бързо и лесно внедряване на мрежата;
• Надеждност и отказоустойчивост на цялата система като цяло в случай на повреда на отделни възли или компоненти;
• Възможността за внедряване и модифициране на мрежата във всеки обект, без да се намесва в процеса на функциониране на самите обекти
• Възможност за бърз и при необходимост скрит монтаж на цялата система като цяло.

Всеки сензор е с размерите на капачка за бира (но може да бъде намален стотици пъти в бъдеще) и съдържа процесор, памет и радиопредавател. Такива покрития могат да бъдат разпръснати на всяка територия и те самите ще установят комуникация помежду си, ще образуват единна безжична мрежа и ще започнат да предават данни на най-близкия компютър.

Комбинирани в безжична мрежа, сензорите могат да проследяват параметрите на околната среда: движение, светлина, температура, налягане, влажност и др. Мониторингът може да се извършва върху много голяма площ, тъй като сензорите предават информация по веригата от съсед на съсед. Технологията им позволява да работят години (дори десетилетия) без смяна на батерии. Сензорните мрежи са универсалните сетивни органи за компютъра и всички физически обекти в света, оборудвани със сензори, могат да бъдат разпознати от компютър. В бъдеще всеки от милиардите сензори ще получи IP адрес и може дори да образуват нещо като глобална сензорна мрежа. Досега само военните и индустрията са се интересували от възможностите на сензорните мрежи. Според последния доклад на ON World, специалист в проучването на пазара на сензорни мрежи, тази година пазарът преживява значително възстановяване. Друго забележително събитие тази година беше пускането на първата в света система ZigBee с един чип (произведена от Ember). Сред големите индустриални компании в САЩ, анкетирани от ON World, около 29% вече използват сензорни мрежи, а други 40% планират да ги внедрят в рамките на 18 месеца. В Америка се появиха повече от сто търговски фирми, които се занимават със създаването и поддръжката на сензорни мрежи.

До края на тази година броят на сензорите на планетата ще надхвърли 1 млн. Сега нараства не само броят на мрежите, но и техният размер. За първи път бяха създадени и успешно експлоатирани няколко мрежи от повече от 1000 възела, включително една за 25 000 възела.

Източник: Web PLANET

Област на приложение

Приложенията на WSN са много и разнообразни. Те се използват в търговски и промишлени системи за наблюдение на данни, които са трудни или скъпи за контрол с помощта на кабелни сензори. WSN могат да се използват в труднодостъпни зони, където могат да останат в продължение на много години (мониторинг на околната среда), без да е необходимо да се сменят захранванията. Те могат да контролират действията на нарушителите на защитено съоръжение

WSN се използва и за наблюдение, проследяване и контрол. Ето някои приложения:

• Мониторинг на дим и откриване на пожари от големи гори и торфища
• Допълнителен източник на информация за кризисните центрове на администрацията на субектите на Руската федерация
• Сеизмично откриване на потенциално напрежение
• Военни наблюдения
• Акустична детекция на движение на обекти в системи за сигурност.
• Екологичен мониторинг на пространството и околната среда
• Мониторинг на промишлени процеси, използване в MES системи
• Медицинско наблюдение

Сградна автоматизация:

	наблюдение на температура, въздушен поток, присъствие на хора и контрол на оборудването за поддържане на микроклимата;
	контрол на осветлението;
	управление на енергията;
	събиране на показанията на апартаментни измервателни уреди за газ, вода, електричество и др.;
	СОТ и пожароизвестяване;
	мониторинг на състоянието на носещите конструкции на сгради и конструкции.

Индустриална автоматизация:

	дистанционно управление и диагностика на индустриално оборудване;
	поддръжка на оборудването според текущото състояние (прогноза на запаса на безопасност);
	мониторинг на производствени процеси;