Úvod

Bezdrátová senzorová síť- distribuovaný, soubor senzorů (senzorů) a aktorů, vzájemně propojených rádiovým kanálem. Oblast pokrytí takové sítě se může pohybovat od několika metrů do několika kilometrů díky schopnosti přenášet zprávy z jednoho prvku do druhého.

Hlavní rysy bezdrátových senzorových sítí jsou sebeorganizace a adaptabilita na změny provozních podmínek, tak to vyžaduje minimální náklady při nasazení sítě na zařízení a při její následné údržbě za provozu.

Krátký příběh

Za jeden z prvních prototypů senzorové sítě lze považovat systém SOSUS, určený k detekci a identifikaci ponorek. V polovině 90. let se začaly aktivně rozvíjet technologie bezdrátových senzorových sítí, na počátku 20. století vývoj mikroelektroniky umožnil vyrábět poměrně levnou základnu prvků pro taková zařízení. Bezdrátové sítě z počátku roku 2010 jsou založeny především na .

Účel

Hlavním účelem je nejen výměna dat mezi uzly prostřednictvím decentralizované samoorganizující se sítě, ale také sběr přenášených informací (zejména dat) ze senzorů (teplota, tlak, vlhkost, úrovně radiace, akustické vibrace) do centrálního uzlu. účel jeho následné analýzy nebo zpracování.

Poptávka po bezdrátových senzorových sítích na trhu také úzce souvisí s konceptem intelektualizace takových objektů, jako jsou domov, kanceláře a průmyslové prostory, kde městský člověk tráví až 90 % svého času, a také koncept vytváření kybernetických odvětví (plně vybavená roboty), jejichž primárním úkolem je zavést bezdrátové technologie na úrovni APCS.

Technologie senzorové sítě je navržena tak, aby řešila nejširší škálu průmyslových monitorovacích a řídicích úloh a má následující nepopiratelné výhody přes jiné stávající bezdrátové a kabelové systémy:

  • schopnost instalovat senzory na stávající a provozované zařízení bez další práce pro pokládku drátové sítě;
  • nízké náklady samostatný ovládací prvek;
  • nízké náklady instalace, uvedení do provozu a údržba systému;
  • minimální omezení pro umístění bezdrátových zařízení;
  • vysoká odolnost proti poruchám smyslová síť jako celek.

Popis

Hardware bezdrátových uzlů a protokoly síťové interakce mezi nimi jsou optimalizovány na spotřebu energie, aby byla zajištěna dlouhá životnost systému s offline zdroje výživa. V závislosti na režimu provozu může životnost uzlu dosáhnout několika let.

Každý uzel senzorové sítě obvykle obsahuje datové vstupní/výstupní porty s různé senzoryřízení vnější prostředí(nebo samotné senzory), mikrokontrolér a rádiový transceiver a také autonomní nebo externí zdroj energie. To umožňuje zařízení přijímat výsledky měření, provádět počáteční zpracování dat a komunikovat s externím informačním systémem. Mikrokontrolér lze použít k implementaci inteligentního distribuovaného zpracování dat. V inteligentní bezdrátové senzorové síti jsou zařízení schopna vyměňovat si informace na místní úrovni, analyzovat je a přenášet zpracované informace do určité hloubky, spíše než „surová“ data. To může výrazně snížit požadavky na šířku pásma sítě, zvýšit škálovatelnost a životnost systému. Přidání „inteligence“ do sítě však vyžaduje zohlednění zvláštností aplikované úlohy, takže tento přístup je obvykle účinný při vývoji zakázkového vysoce specializovaného systému.

Takto klíč vlastnosti senzorových sítí jsou:

  • schopnost samoorganizace sítě pro přenos informací a její přizpůsobení počtu zařízení;
  • schopnost předávat zprávy z jednoho prvku do druhého;
  • možnost mít senzory v každém prvku;
  • dlouhodobý životnost baterie(1 rok nebo více)

Technologie bezdrátových senzorových sítí je dnes jedinou, kterou lze použít k řešení monitorovacích a řídicích úloh, které jsou kritické pro požadavky na životnost baterií zařízení, jejich spolehlivost, automatickou nebo poloautomatickou konfiguraci každého z nich, možnost jednoduchý doplněk nebo vyřazení zařízení ze sítě, šíření signálů stěnami a stropy za nízkou cenu systému. A technologie předávané rádiové komunikace krátkého dosahu, známá jako „sítě senzorů“, je jedním z moderních směrů ve vývoji samoorganizujících se chybově odolných distribuovaných systémů pro průmyslové monitorování a řízení zdrojů a procesů.

Výhody technologií bezdrátových senzorových sítí lze efektivně využít k řešení různých aplikovaných problémů souvisejících s distribuovaným sběrem, analýzou a přenosem informací.

Automatizace budov

V některých aplikacích automatizace budov není použití tradičních kabelových komunikačních systémů z ekonomických důvodů možné.

Například potřebujete zavést nový nebo rozšířit stávající systém v používané budově. V tomto případě je použití bezdrátových řešení nejpřijatelnější možností, protože. nejsou vyžadovány žádné další instalační práce s porušením vnitřní výzdoby prostor, prakticky žádné nepříjemnosti nejsou způsobeny zaměstnancům nebo obyvatelům budovy atd. Díky tomu se výrazně snižují náklady na implementaci systému.

Dalším příkladem mohou být kancelářské budovy v otevřeném prostoru, u kterých není možné specifikovat přesné umístění senzorů ve fázi návrhu a výstavby. Dispozice kanceláří se přitom může během provozu budovy mnohokrát měnit, proto by čas a peníze vynaložené na rekonfiguraci systému měly být minimální, čehož lze dosáhnout použitím bezdrátových řešení.

Kromě toho lze uvést následující příklady systémů založených na bezdrátových senzorových sítích:

  • sledování teploty, proudění vzduchu, přítomnosti osob a ovládání topných, ventilačních a klimatizačních zařízení za účelem udržení mikroklimatu;
  • ovládání osvětlení;
  • energetický management;
  • sběr odečtů z bytových měřičů plynu, vody, elektřiny atd.;
  • sledování stavu nosných konstrukcí budov a staveb.

průmyslová automatizace

Až dosud bylo rozšířené používání bezdrátové komunikace v oblasti průmyslové automatizace brzděno nízkou spolehlivostí rádiových spojů ve srovnání s pevnými připojeními v náročných prostředích. průmyslový provoz, ale bezdrátové senzorové sítě zásadně mění současnou situaci, protože přirozeně odolný vůči různým druhům rušení (například fyzickému poškození uzlu, výskytu rušení, měnícím se překážkám atd.). Navíc za určitých podmínek může bezdrátová senzorová síť poskytnout ještě větší spolehlivost než kabelový komunikační systém.

Řešení založená na bezdrátových senzorových sítích plně splňují požadavky průmyslu:

  • odolnost proti chybám;
  • škálovatelnost;
  • přizpůsobivost provozním podmínkám;
  • energetická účinnost;
  • zohlednění specifik aplikovaného úkolu;
  • ekonomická ziskovost.

Technologie bezdrátových senzorových sítí lze použít v následujících úlohách průmyslové automatizace:

  • dálkové ovládání a diagnostika průmyslových zařízení;
  • údržba zařízení podle aktuálního stavu (predikce bezpečnostní rezervy);
  • monitorování výrobních procesů;
  • telemetrie pro výzkum a testování.

Jiné aplikace

Jedinečné vlastnosti a rozdíly bezdrátových senzorových sítí od tradičních drátových a bezdrátových systémů pro přenos dat činí jejich aplikaci maximálně efektivní různé obory. Například:

  • bezpečnost a obrana:
    • kontrola pohybu osob a zařízení;
    • finančních prostředků provozní komunikace a inteligence;
    • kontrola perimetru a vzdálené monitorování;
    • pomoc při záchranných operacích;
    • monitorování majetku a cenností;
    • bezpečnostní a požární signalizace;
  • sledování životní prostředí:
    • monitorování znečištění;
    • Zemědělství;
  • zdravotní péče:
    • sledování fyziologického stavu pacientů;
    • kontrola polohy a upozornění zdravotnického personálu.

Firemní verze technologie internetu věcí (IoT) je dnes v průmyslu aktivně využívána. Enterprise Internet of Things (EIoT) využívá bezdrátové senzorové sítě a ovládací prvky, aby podnikům poskytl nové způsoby ovládání strojů a zařízení. Bezdrátové senzory napájené malou baterií a nepřipojené ke kabelovému napájení lze umístit v průmyslovém prostředí na místa zcela nepřístupná ovládacím prvkům předchozí generace.

EIoT zvýšil spolehlivost, bezpečnost a interoperabilitu systémů a zařízení tak, aby splňovaly nejpřísnější požadavky na implementaci bezdrátových technologií v této oblasti, a to nejen v průmyslu, ale také ve zdravotnictví, finančních službách atd. EIoT řeší potřeby tyto oblasti čím Specifikace a designové prvky této nové technologie jsou mnohem lepší než podobné technologie IoT tradičních zařízení navržených pro méně kritické spotřebitelské nebo komerční aplikace.

Problémy EIoT

Senzory a ovládací prvky s podporou EIoT mohou fungovat téměř kdekoli v průmyslovém prostředí, ale dosud to bylo spíše o štěstí, protože ne každé průmyslové zařízení je ideální pro použití v bezdrátových sítích. Je to proto, že v nasazení IoT existují dva vzájemně související, ale zdánlivě protichůdné prvky:

  1. Samotná bezdrátová síť zařízení, která je instalována pomocí senzorů a ovládacích prvků spojených s technologií krátkého dosahu s nízkou spotřebou energie.
  2. Síť IoT senzorů interagujících s jinými zařízeními, ovladači a částmi sítě již na větší vzdálenost.

Rýže. 1. Aplikace daleko od městských center a tradiční telekomunikační služby mohou využívat energeticky účinný komunikační protokol, jako je LoRa, k uspořádání globální sítě

Právě nemožnost spolehlivé komunikace na velké vzdálenosti je často nejvýraznější překážkou v průmyslovém prostředí. Tento problém má jednoduchou příčinu: telekomunikace, které se provádějí po drátových kabelových vedeních nebo pomocí přenosu signálu přes věže. mobilní komunikace, není vždy k dispozici na místech průmyslových zařízení. Navíc náklady na používání celulárních služeb pouze k doručení několika paketů dat ze senzorů v jedné komunikační relaci nedávají příliš smysl jak z ekonomického hlediska, tak z čistě technických důvodů. Navíc poměrně často nastává problém s napájením senzorů a komunikačních zařízení, což je velmi obtížné organizovat na odlehlých místech, kde zařízení nebo infrastruktura nejsou napájeny přímo z průmyslové sítě.

Navzdory širokému pokrytí mobilních komunikací v osadách v některých místech neexistuje spolehlivá služba pro organizaci bezdrátové komunikace. Jedná se o běžný problém ve venkovských oblastech a odlehlých místech průmyslových zařízení, jako jsou izolovaná zařízení na těžbu ropy a zemního plynu nebo potrubní doprava, systémy zásobování vodou a odpadní vody (obr. 1) atd. Taková místa jsou také často daleko od nejbližšího technického servisu personál, který kontroluje správnou funkci zařízení. Někdy trvá technikovi celý den, nebo dokonce několik, než se dostane k zařízení a zkontroluje ho. Často je obtížné a snadné najít odborníky ochotné pracovat v tak odlehlých oblastech. Vzhledem k omezenému komunikačnímu pokrytí jsou senzory a ovládací prvky s podporou EIoT ve vzdálených lokalitách poměrně vzácné, přichází na pomoc nízkoenergetické rozlehlé sítě (LPWAN).

BLE a LPWAN

Nejpoužívanější bezdrátové technologie krátký dosah v systémech EIoT je technologie Bluetooth s nízkou spotřebou energie - BLE (anglicky Bluetooth nízká energie, také známý jako Bluetooth Smart). Hlavním důvodem vysoké popularity BLE pro EIoT je jeho energetická účinnost, která umožňuje senzorům a ovládacím prvkům pracovat po dlouhou dobu s velmi nízkou spotřebou baterie. BLE spravuje cykly spánku, pohotovostního režimu a aktivní cykly. BLE je také široce používán kvůli síle svého RF signálu, který umožňuje této technologii efektivně pracovat i v náročných prostředích se zvýšenou úrovní vysokofrekvenčního šumu, digitálních signálů z počítačového vybavení a dokonce i v přítomnosti fyzických překážek šíření rádiových vln. Ale jak víte, všechny tyto faktory jsou v průmyslovém prostředí známé.

V projektech pro implementaci EIoT je to právě technologie BLE, která je základem pro organizaci komunikace na krátkou vzdálenost. Navíc jej lze použít jak na již provozované, tak na stále projektované komplexy průmyslových zařízení. Taková síť zařízení s podporou BLE však potřebuje způsob, jak přijímat instrukce a předávat data na delší vzdálenosti. Spoléhat se na tradiční telekomunikační infrastrukturu, která umožňuje obousměrné Wi-Fi nebo mobilní signály, není možné kvůli bariéře, která omezuje použití těchto senzorových a řídicích sítí. Kombinací BLE s ultradosahem a energetickou účinností technologie LoRa byly společnosti schopny nasadit EIoT v místech, kde není k dispozici telekomunikační infrastruktura a energetická infrastruktura, a to zase rozšířilo geografii implementace internetu. technologie věcí.

Rýže. 2. Senzory jsou nejprve připojeny k LoRa klientovi a poté přes LoRa bránu

Protokol LoRa WAN je často LPWAN, protože poskytuje bezpečný obousměrný přenos dat a komunikaci se sítěmi IoT na velké vzdálenosti po mnoho let bez výměny baterie. Při použití technologie LoRa je možné vysílat a přijímat signály na vzdálenost až cca 16 km a v případě potřeby instalované opakovače (opakovače) mohou tuto vzdálenost zvýšit na stovky kilometrů. Na Obr. Obrázek 2 ukazuje, jak LoRa funguje. Pro aplikace IoT má LoRa mnoho výhod právě díky svým ekonomickým vlastnostem a možnostem:

  • Vzhledem k tomu, že LoRa, stejně jako BLE, je technologie s velmi nízkou spotřebou energie, je schopna fungovat v sítích IoT zařízení napájených bateriemi a může poskytnout dlouhou životnost baterie bez nutnosti časté údržby.
  • Uzly LoRa jsou levné a umožňují společnostem snížit náklady na přenos dat přes mobilní systémy a také eliminovat instalaci optických nebo měděných kabelů. To odstraňuje hlavní finanční překážku pro propojení vzdáleně umístěných senzorů a zařízení.
  • Technologie LoRa funguje dobře síťová zařízení umístěny uvnitř, včetně složitých průmyslových prostředí.
  • LoRa je vysoce škálovatelný a interoperabilní díky podpoře milionů uzlů a může být připojen k veřejným a soukromým datovým sítím a obousměrným komunikačním systémům.

Takže zatímco jiné technologie LPWAN budou schopny vyřešit problém s dosahem komunikace při implementaci řešení IoT v dlouhodobém horizontu, technologie LoRa nabízí obousměrnou komunikaci, ochranu proti rušení a vysoký informační obsah.

LoRa má také významnou nevýhodu - malou šířku pásma. Proto není vhodný pro aplikace vyžadující streamování dat. Toto omezení však nebrání jeho použití pro širokou škálu aplikací IoT, kde jsou čas od času přenášeny pouze malé datové pakety.

Interakce

Rýže. 3. Modul RM1xx od společnosti Laird, který obsahuje komunikační schopnosti pro bezdrátové síťové protokoly LoRa a Bluetooth

Potenciál LoRa se zdvojnásobí, když se spojí s technologií, jako je BLE. Společně poskytují sadu bezdrátových funkcí s extrémně nízkou spotřebou pro komunikaci na krátké i dlouhé vzdálenosti, které rozšiřují možnosti sítí EIoT. Například centrální část městských oblastí může být pokryta pouze několika bránami LoRaWAN, které jsou základem pro senzorové sítě BLE, které jsou nyní nezávislé na tradičních telekomunikačních infrastrukturách. Symbióza LoRa a BLE tak odstraňuje řadu překážek pro expanzi IoT jak v megaměstech, tak v malých městech, které mají překážky pro širokou implementaci internetu věcí. Z kombinace LoRA a BLE však nejvíce těží bezdrátové senzory, ovladače a další zařízení, které lze nyní bez omezení instalovat doslova kamkoli (obr. 3). To je zvláštní zásluha BLE. BLE také umožňuje těmto zařízením spolupracovat v integrované síti krátkého dosahu ovládané například z chytrých telefonů nebo tabletů, které se v tomto případě používají jako vzdálené bezdrátové displeje. V tomto balíčku funguje technologie LoRa, založená na mobilních schopnostech BLE, jako druh radioreléové stanice, která může odesílat a přijímat data na velké vzdálenosti. Tyto vzdálenosti lze navíc zvýšit jednoduchými bránami pro přenos signálu.

Je jich již mnoho dobré příklady, což ukazuje, jak párování LoRa a BLE umožňuje sítím EIoT dosáhnout úplně jiného technická úroveň a zvýšit svou expanzi.

Bezdrátové senzorové sítě: přehled


Akuldiz I.F.


Překlad z angličtiny: Levzhinsky A.S.



anotace

Článek popisuje koncepty senzorových sítí, jejichž implementace je možná díky kombinaci mikroelektromechanických systémů, bezdrátových komunikací a digitální elektroniky. Jsou studovány úlohy a potenciál senzorových sítí, je proveden přehled skutečností ovlivňujících jejich vývoj. Zvažována je také architektura budování senzorových sítí, vyvinuté algoritmy a protokoly pro každou vrstvu architektury. Článek zkoumá otázky týkající se implementace senzorových sítí.

1. Úvod

Nedávné pokroky v technologiích mikro-elektro-mechanických systémů (MEMS), bezdrátové komunikaci a digitální elektronice umožnily vytvářet levné, nízkoenergetické, multifunkční mote (uzly), jsou malé a "mluví" přímo spolu . Senzorové sítě založené na společné práci velkého množství drobných uzlů, které se skládají z modulů pro sběr a zpracování dat, vysílače. Taková síť má oproti sadě tradičních senzorů značné výhody. Zde jsou dvě klíčové vlastnosti tradičních senzorů: Senzory mohou být umístěny daleko od pozorovaného jevu. Tento přístup vyžaduje mnoho senzorů, které používají některé sofistikované techniky k výběru cílů ze šumu.
Můžete nasadit více senzorů, které pouze shromažďují data. Pečlivě navrhněte polohy a topologii senzorů. Budou přenášet pozorování do centrálních uzlů, kde bude probíhat sběr a zpracování dat.
Senzorová síť se skládá z velkého počtu uzlů (motů), které jsou hustě umístěny v blízkosti pozorovaného jevu. Polohu motů není třeba předem vypočítat. To umožňuje jejich náhodné umístění v těžko dostupných oblastech nebo použití pro záchranné operace, které vyžadují rychlou reakci. Na druhou stranu to znamená, že síťové protokoly a mot algoritmy se musí organizovat samy. Další unikátní vlastností senzorových sítí je spolupráce jednotlivých uzlů. Motes jsou vybaveny procesorem. Místo přenosu původních dat je tedy mohou zpracovat provedením jednoduchých výpočtů a předat pouze potřebná a částečně zpracovaná data. Výše popsané vlastnosti poskytují širokou škálu aplikací pro senzorové sítě. Takové sítě lze využít ve zdravotnictví, armádě a bezpečnosti. Například fyziologická data o pacientovi může lékař sledovat na dálku. To je výhodné jak pro pacienta, tak umožňuje lékaři porozumět jeho aktuálnímu stavu. Sítě senzorů lze použít k detekci cizích chemických látek ve vzduchu a vodě. Mohou pomoci určit typ, koncentraci a umístění kontaminantů. Senzorové sítě v podstatě umožňují lepší pochopení prostředí. Předpokládáme, že v budoucnu budou bezdrátové senzorové sítě nedílnou součástí našich životů, více než dnešní osobní počítače. Realizace těchto a dalších projektů, které vyžadují použití bezdrátových senzorových sítí, vyžaduje speciální metody. Mnoho protokolů a algoritmů bylo vyvinuto pro tradiční bezdrátové sítě peer-to-peer, takže nejsou příliš vhodné pro jedinečné vlastnosti a požadavky senzorových sítí. Zde jsou rozdíly mezi senzorovými a peer-to-peer sítěmi: Počet uzlů v senzorové síti může být o několik řádů vyšší než počet uzlů v peer-to-peer síti.
Uzly jsou hustě rozmístěny.
Uzly jsou náchylné k selhání.
Topologie senzorových sítí se může často měnit
Uzly primárně využívají zprávy broadcast, zatímco většina sítí typu peer-to-peer je založena na komunikaci typu point-to-point.
Uzly mají omezený výkon, výpočetní výkon a paměť.
Uzly nemohou mít globální identifikační číslo(IN) kvůli velkému množství režie a velkému počtu senzorů.
Vzhledem k tomu, že uzly v síti jsou hustě zabaleny, mohou být sousední uzly velmi blízko sebe. Proto víceskoková připojení v senzorových sítích spotřebují méně energie než přímá připojení. Kromě toho lze použít nízký výkon datového signálu, což je užitečné při skrytém sledování. Víceskoková komunikace může účinně překonat některé obtíže šíření signálu na dlouhé vzdálenosti v bezdrátové komunikaci. Jedním z nejdůležitějších omezení pro uzly je nízká spotřeba energie. Motes mají omezené zdroje energie. Takže zatímco tradiční sítě jsou zaměřeny na dosažení vysoké kvality signálu, síťové protokoly mot by se měly zaměřit hlavně na úsporu energie. Musí mít mechanismy, které uživateli umožní prodloužit životnost mote buď snížením propustnosti, nebo zvýšením latence přenosu dat. Mnoho výzkumníků se v současné době zabývá vývojem obvodů, které splňují tyto požadavky. V tomto článku se podíváme na protokoly a algoritmy, které v současné době existují pro sítě senzorů. Naším cílem je poskytnout lepší pochopení aktuálních výzkumných problémů v této oblasti. Pokusíme se také prozkoumat omezení návrhu a identifikovat nástroje, které lze použít k řešení problémů návrhu. Článek je organizován takto: ve druhé části popisujeme potenciál a užitečnost senzorových sítí. V části 3 diskutujeme faktory, které ovlivňují návrh takových sítí. Podrobná studie existujících metod v této oblasti bude zvážena v části 4. A shrneme v části 5.

2. Aplikace bezdrátových senzorových sítí

Senzorové sítě mohou být složeny z různých typů senzorů, jako jsou seismické, magnetické pole, tepelné, infračervené, akustické, schopné provádět širokou škálu měření podmínek prostředí. Například:
teplota,
vlhkost vzduchu,
automobilový provoz,
bleskový stav,
tlak,
složení půdy,
úrověn hluku,
přítomnost nebo nepřítomnost určitých předmětů,
mechanické zatížení
dynamické charakteristiky, jako je rychlost, směr a velikost objektu.
Motes lze použít pro nepřetržité snímání, detekci a identifikaci událostí. Koncept mikrosnímání a bezdrátové připojení slibují mnoho nových aplikací pro takové sítě. Rozdělili jsme je do hlavních oblastí: armáda, výzkum životního prostředí, zdravotnictví, domácí použití a další komerční aplikace. Je však možné tuto klasifikaci rozšířit a přidat další kategorie, jako je průzkum vesmíru, chemické zpracování a pomoc při katastrofách.

2.1. Vojenská aplikace

Bezdrátové senzorové sítě mohou být nedílnou součástí vojenských velitelských, komunikačních, zpravodajských, sledovacích a orientačních systémů (C4ISRT). Rychlé nasazení, samoorganizace a odolnost proti chybám jsou vlastnosti senzorových sítí, které z nich činí slibný nástroj pro řešení problémů. Protože senzorové sítě mohou být založeny na hustém rozmístění jednorázových a levných uzlů, zničení některých z nich během nepřátelských akcí neovlivní vojenskou operaci stejným způsobem jako zničení tradičních senzorů. Proto se pro bitvy lépe hodí použití senzorových sítí. Uvádíme některé další způsoby použití takových sítí: sledování zbraní a munice spřátelených sil, pozorování bitvy; orientace na zemi; hodnocení bitevních škod; detekce jaderných, biologických a chemických útoků. Monitorování spřátelených sil, zbraní a munice: vedoucí a velitelé mohou pomocí senzorových sítí neustále sledovat stav svých jednotek, stav a dostupnost techniky a munice na bojišti. Každé vozidlo, vybavení a důležitá munice mohou mít připojené senzory pro hlášení jejich stavu. Tato data se shromažďují společně v klíčové uzly a poslal vedoucím. Data mohou být také přesměrována do vyšších úrovní hierarchie příkazů, aby byla kombinována s daty z jiných částí. Bojová pozorování: Kritické oblasti, cesty, cesty a průlivy mohou být rychle pokryty sítěmi senzorů pro studium aktivit nepřátelských sil. Během operací nebo poté, co byly vyvinuty nové plány, mohou být senzorové sítě rozmístěny kdykoli k monitorování boje. Průzkum nepřátelských sil a terénu: Senzorové sítě lze rozmístit v kritických oblastech a během několika minut lze shromáždit cenná, podrobná a včasná data o nepřátelských silách a terénu, než je nepřítel může zachytit. Orientace: Senzorové sítě lze použít v systémech navádění inteligentní munice. Posouzení poškození po boji: Těsně před útokem nebo po něm lze do cílové oblasti rozmístit sítě senzorů, aby se shromáždily údaje o hodnocení poškození. Detekce jaderných, biologických a chemických útoků: Při použití chemických nebo biologických zbraní, jejichž použití se blíží nule, je důležitá včasná a přesná identifikace chemických látek. Senzorové sítě mohou být použity jako varovné systémy pro chemické nebo biologické útoky a data shromážděná v krátká doba pomoci výrazně snížit počet obětí. Po detekci takových útoků je také možné využít senzorové sítě pro detailní průzkum. Například je možné provádět průzkum v případě radiační kontaminace, aniž by byli lidé vystaveni radiaci.

2.2. Environmentální aplikace

Některé oblasti v ekologii, kde se používají senzorové sítě, jsou: sledování pohybu ptáků, malých zvířat a hmyzu; monitorování stavu životního prostředí s cílem zjistit jeho dopad na plodiny a hospodářská zvířata; zavlažování; rozsáhlé monitorování Země a planetární průzkum; chemická / biologická detekce; detekce lesních požárů; meteorologický nebo geofyzikální výzkum; detekce povodní; a výzkum znečištění. Detekce divokého ohně: Vzhledem k tomu, že trosky mohou být strategicky a těsně rozmístěny v lese, mohou předat přesný původ požáru dříve, než se oheň vymkne kontrole. Trvale lze nasadit miliony senzorů. Mohou být vybaveny solárními panely, protože uzly mohou být ponechány bez dozoru měsíce nebo dokonce roky. Motes budou spolupracovat při provádění úkolů distribuovaného snímání a překonávání překážek, jako jsou stromy a skály, které blokují kabelové senzory. Mapování biologického stavu životního prostředí: Vyžaduje komplexní přístupy k integraci informací napříč časovým a prostorovým měřítkem. Pokrok v technologii dálkového průzkumu Země a automatizovaný sběr dat výrazně snížil náklady na výzkum. Výhodou těchto sítí je možnost připojení uzlů k internetu, což umožňuje vzdáleným uživatelům ovládat, monitorovat a pozorovat prostředí. Ačkoli jsou družicové a vzdušné senzory užitečné při pozorování velké rozmanitosti, jako je prostorová složitost, dominantních rostlinných druhů, neumožňují pozorování malých prvků, které tvoří většinu ekosystému. V důsledku toho je potřeba nasadit uzly bezdrátové senzorové sítě v terénu. Jedním z příkladů aplikace je biologické mapování životního prostředí v rezervaci v jižní Kalifornii. Tři lokality jsou pokryty sítí, z nichž každá má 25-100 uzlů, které slouží k průběžnému sledování stavu životního prostředí. Detekce záplav: Příkladem detekce záplav je systém veřejného rozhlasu ve Spojených státech. Několik typů senzorů umístěných ve varovném systému určuje úroveň srážek, hladinu vody a počasí. Výzkumné projekty, jako je COUGAR Device Database Project na Cornell University a DataSpace Project na Rutgers University, zkoumají různé přístupy k interakci s jednotlivými uzly v síti za účelem získání snímků a dlouhodobého sběru dat. Zemědělství: Výhodou senzorových sítí je také možnost monitorovat hladiny pesticidů ve vodě, úroveň eroze půdy a úroveň znečištění ovzduší v reálném čase.

2.3. Aplikace v lékařství

Jedna aplikace v medicíně je v přístrojích pro handicapované; monitorování pacienta; diagnostika; sledování užívání léků v nemocnicích; shromažďování lidských fyziologických dat; a sledování lékařů a pacientů v nemocnicích. Monitorování lidského fyziologického stavu: fyziologická data shromážděná senzorovými sítěmi mohou být uložena po dlouhou dobu a mohou být použita pro lékařský výzkum. Instalované síťové uzly dokážou také sledovat pohyb seniorů a například zabránit pádům. Tyto uzliny jsou malé a poskytují pacientovi větší volnost pohybu a zároveň umožňují lékařům předem identifikovat příznaky onemocnění. Navíc přispívají k pohodlnějšímu životu pacientů ve srovnání s léčbou v nemocnici. Aby otestovala proveditelnost takového systému, vytvořila lékařská fakulta Grenoble-Francie dokument „Zdravý chytrý dům"". . Monitorování lékařů a pacientů v nemocnici: každý pacient má malý a lehký síťový uzel. Každý uzel má svůj specifický úkol. Jeden může například sledovat vaši srdeční frekvenci, zatímco jiný měří váš krevní tlak. Takový uzel mohou mít i lékaři, umožní to najít je v nemocnici dalším lékařům. Sledování léků v nemocnicích: K lékům lze připojit uzly, pak lze minimalizovat šance na výdej nesprávného léku. Pacienti tedy budou mít uzliny, které určují jejich alergie a potřebné léky. Počítačové systémy, jak jsou popsány v, ukázaly, že mohou pomoci minimalizovat vedlejší účinky chybného dávkování léků.

2.4. Aplikace doma

Domácí automatizace: Chytré uzly lze integrovat do domácích spotřebičů, jako jsou vysavače, mikrovlnné trouby, chladničky a videorekordéry. Mohou komunikovat mezi sebou i s externí sítí přes internet nebo satelit. To umožní koncovým uživatelům snadno spravovat zařízení doma jak lokálně, tak vzdáleně. Inteligentní prostředí: Návrh inteligentního prostředí může mít dva různé přístupy, tj. zaměřený na člověka nebo zaměřený na technologii. V případě prvního přístupu se musí chytré prostředí přizpůsobit potřebám koncových uživatelů z hlediska interakce s nimi. Pro technologicky zaměřené systémy musí být vyvinuty nové hardwarové technologie, síťová řešení a středně pokročilé aplikace. Příklady toho, jak lze uzly použít k vytvoření chytrého prostředí, jsou popsány v . Uzly lze zabudovat do nábytku a spotřebičů, mohou komunikovat mezi sebou i s pokojovým serverem. Pokojový server může také komunikovat s ostatními pokojovými servery, aby se dozvěděl o službách, které mohou nabídnout, jako je tisk, skenování a faxování. Tyto servery a senzorové uzly lze integrovat do stávajících vestavěných zařízení a tvoří samoorganizující se, samoregulační a adaptivní systémy založené na modelu teorie řízení, jak je popsáno v .

3. Faktory ovlivňující vývoj modelů senzorových sítí.

Vývoj senzorových sítí závisí na mnoha faktorech, včetně odolnosti proti chybám, škálovatelnosti, výrobních nákladů, typu operačního prostředí, topologie senzorové sítě, hardwarových omezení, komunikačního modelu a spotřeby energie. Tyto faktory jsou zvažovány mnoha výzkumníky. Žádná z těchto studií však plně nezohledňuje všechny faktory, které ovlivňují návrh sítě. Jsou důležité, protože slouží jako vodítko pro vývoj protokolu nebo algoritmů pro provoz senzorových sítí. Tyto faktory lze navíc použít k porovnání různých modelů.

3.1. odolnost proti chybám

Některé uzly mohou selhat kvůli nedostatku energie, fyzickému poškození nebo zásahu třetí strany. Selhání uzlu by nemělo ovlivnit provoz sítě senzorů. Je to otázka spolehlivosti a odolnosti proti poruchám. Odolnost proti poruchám - schopnost zachovat funkčnost sítě senzorů bez selhání při poruše uzlu. Spolehlivost Rk(t) neboli odolnost proti chybám uzlů je modelována pomocí Poissonova rozdělení k určení pravděpodobnosti, že v časovém období nedojde k žádnému selhání uzlu (0; t) Stojí za zmínku, že protokoly a algoritmy mohou být orientovány na úroveň odolnosti proti poruchám nutné k vybudování senzorových sítí. Pokud je prostředí, ve kterém jsou uzly umístěny, méně náchylné k interferenci, pak mohou být protokoly méně odolné proti chybám. Pokud jsou například do domu zavedeny uzly pro monitorování úrovní vlhkosti a teploty, požadavky na odolnost proti poruchám mohou být nízké, protože takové sítě senzorů nemohou selhat a „hluk“ prostředí neovlivňuje jejich provoz. Na druhou stranu, pokud jsou uzly použity na bitevním poli pro pozorování, pak by měla být odolnost proti chybám vysoká, protože pozorování je kritické a uzly mohou být zničeny během vojenských operací. V důsledku toho úroveň odolnosti proti chybám závisí na aplikaci senzorových sítí a modely musí být vyvíjeny s ohledem na tuto skutečnost.

3.2. Škálovatelnost

Počet uzlů nasazených ke studiu jevu může být v řádu stovek nebo tisíců. V závislosti na aplikaci může počet dosáhnout extrémních hodnot (milionů). Nové modely by měly zvládnout tento počet uzlů. Musí také používat vysokou hustotu senzorových sítí, které se mohou pohybovat od několika uzlů až po několik stovek v oblasti, která může mít průměr menší než 10 m. Hustotu lze vypočítat podle ,

3.3. Výrobní náklady

Protože senzorové sítě se skládají z velkého počtu uzlů, náklady na uzel musí být takové, aby ospravedlnily celkové náklady na síť. Pokud jsou náklady na síť vyšší než nasazení tradičních senzorů, pak se to ekonomicky nevyplatí. V důsledku toho musí být náklady na každý uzel nízké. Nyní jsou náklady na uzel využívající vysílač Bluetooth nižší než 10 USD. Cena za PicoNode se pohybuje kolem 1 $. Proto by náklady na uzel senzorové sítě měly být mnohem nižší než 1 dolar pro ekonomické zdůvodnění jejich použití. Náklady na uzel Bluetooth, který je považován za levné zařízení, jsou 10krát vyšší než průměrná cena uzlů senzorové sítě. Vezměte prosím na vědomí, že uzel má také některé další moduly, jako je modul pro sběr dat a modul pro zpracování dat (popsáno v části 3.4.) Kromě toho mohou být vybaveny polohovacím systémem nebo generátorem energie, v závislosti na použití snímače sítí. V důsledku toho jsou náklady na uzel vzhledem k počtu složitým problémem funkčnost i když je cena nižší než 1 $.

3.4. Hardwarové vlastnosti

Senzorový síťový uzel se skládá ze čtyř hlavních komponent, jak je znázorněno na Obr. 1: jednotka sběru dat, procesorová jednotka, vysílač a napájecí zdroj. Přítomnost přídavných modulů závisí na síťové aplikaci, například mohou existovat lokalizační moduly, generátor energie a mobilizér (MAC). Modul sběru dat se obvykle skládá ze dvou částí: senzorů a analogově-digitálních převodníků (ADC). Analogový signál generovaný senzorem na základě pozorovaného jevu je převeden na digitální signál pomocí ADC a poté přiveden do procesorové jednotky. Procesní modul, který využívá integrovanou paměť, řídí procedury, které umožňují ve spojení s ostatními uzly provádět přiřazené monitorovací úlohy. Vysílací jednotka (transceiver) připojuje uzel k síti. Jednou z nejdůležitějších součástí uzlu je napájecí zdroj. Napájecí zdroj může být dobíjecí, například pomocí solárních panelů.

Většina uzlů, které přenášejí data a shromažďují data, potřebuje znát svou polohu s vysokou přesností. Proto je do celkového schématu zahrnut modul umístění. Někdy můžete potřebovat mobilizér, který v případě potřeby přesune uzel, když je potřeba splnit zadané úkoly. Všechny tyto moduly může být nutné umístit do pouzdra o velikosti krabičky od zápalek. Velikost uzlu může být menší než centimetr krychlový a dostatečně lehký, aby zůstal ve vzduchu. Kromě velikosti existují pro uzly ještě další tvrdá omezení. Oni musí :
spotřebují velmi málo energie
pracovat s velkým počtem uzlů na krátké vzdálenosti,
mají nízké výrobní náklady
být autonomní a pracovat bez dozoru,
přizpůsobit se prostředí.
Protože se uzly mohou stát nedostupnými, životnost sítě senzorů závisí na výkonu jednotlivých uzlů. Jídlo omezený zdroj a kvůli omezení velikosti. Například celkové úložiště energie chytrého uzlu je řádově 1 J. Pro Wireless Integrated Sensor Network (WINS) by průměrná úroveň nabití měla být nižší než 30 LA, aby byla zajištěna dlouhá doba provozu. Životnost senzorových sítí je možné prodloužit použitím dobíjecích baterií, například získáváním energie z okolí. Solární panely jsou ukázkovým příkladem využití dobíjení. Komunikační modul uzlu může být pasivní nebo aktivní optické zařízení, jako v chytrém uzlu, nebo radiofrekvenční (RF) vysílač. RF přenos potřebuje modulační modul, který využívá určitou šířku pásma, filtrační modul, demodulační modul, což je činí složitějšími a dražšími. Kromě toho může dojít ke ztrátě přenosu dat mezi dvěma uzly v důsledku skutečnosti, že antény jsou umístěny blízko země. Ve většině stávajících návrhů senzorových sítí je však preferována rádiová komunikace, protože datové rychlosti jsou nízké (obvykle méně než 1 Hz) a rychlosti přenosových cyklů jsou vysoké kvůli krátkým vzdálenostem. Tyto vlastnosti umožňují použití nízkých rádiových frekvencí. Navrhování energeticky účinných a nízkofrekvenčních rádiových vysílačů je však stále technickou výzvou a stávající technologie, které se používají při výrobě zařízení Bluetooth, nejsou dostatečně účinné pro senzorové sítě, protože spotřebovávají spoustu energie. Přestože se procesory neustále zmenšují a jejich výkon narůstá, zpracování a ukládání dat uzlem je stále jeho slabým místem. Například modul pro zpracování chytrého uzlu se skládá z 4 MHz procesoru Atmel AVR8535, mikrokontroléru s 8 KB pro instrukce, flash paměti, 512 bajtů RAM a 512 bajtů EEPROM. Tento modul, který má 3500 bajtů pro OS a 4500 bajtů volné paměti pro kód, používá operační systém TinyOS. Procesní modul jiného prototypu uzlu LAMPS má procesor SA-1110 59-206 MHz. Uzly IMPS používají vícevláknový operační systém. systém L-OS. Většina úloh sběru dat vyžaduje znalost polohy uzlu. Protože jsou uzly obvykle umístěny náhodně a bez dozoru, musí spolupracovat pomocí polohovacího systému. Určení polohy se používá v mnoha směrovacích protokolech sítě senzorů (více podrobností v části 4). Někteří navrhli, že každý uzel by měl mít modul Global Positioning System (GPS), který pracuje do 5 metrů. Článek tvrdí, že vybavení všech uzlů GPS není pro provoz senzorových sítí nutné. Existuje alternativní přístup, kdy pouze některé uzly používají GPS a pomáhají ostatním uzlům určit jejich polohu na zemi.

3.5. Topologie sítě

Skutečnost, že uzly se mohou stát nedostupnými a podléhají častým poruchám, činí údržbu sítě náročným úkolem. Na území senzorové sítě lze umístit stovky až několik tisíc uzlů. Nasazují se deset metrů od sebe. Hustota uzlů může být vyšší než 20 uzlů na metr krychlový. Husté uspořádání mnoha uzlů vyžaduje pečlivou údržbu sítě. Problémy související s údržbou a změnou topologie sítě pokryjeme ve třech fázích:

3.5.1. Předrozmístění a nasazení samotných uzlů může spočívat v hromadném rozptýlení uzlů nebo instalaci každého zvlášť. Mohou být nasazeny:

Rozptýleno z letadla,
umístěním do rakety nebo projektilu
hozený pomocí katapultu (například z lodi atd.),
umístění v továrně
každý uzel je umístěn jednotlivě člověkem nebo robotem.
Ačkoli velké množství senzory a jejich automatické rozmístění obvykle vylučuje jejich umístění podle pečlivě navrženého plánu, schémata pro prvotní nasazení by měla:
snížit náklady na instalaci
eliminovat potřebu jakékoli předchozí organizace a plánování předem,
zvýšit flexibilitu umístění,
podporovat sebeorganizaci a toleranci chyb.

3.5.2. Fáze po nasazení sítě

Po nasazení sítě je změna její topologie spojena se změnou charakteristik uzlů. Pojďme si je vyjmenovat:
pozice,
dostupnost (v důsledku rušení, hluku, pohyblivých překážek atd.),
nabíjení baterie,
poruchy
měnící se úkoly.
Uzly lze rozmístit staticky. Selhání zařízení je však běžné kvůli vybití nebo zničení baterie. Jsou možné senzorové sítě s vysokou mobilitou uzlů. Navíc uzly a sítě plní různé úkoly a mohou být vystaveny záměrnému rušení. Struktura senzorové sítě je tedy po nasazení náchylná k častým změnám.

3.5.3. Další fáze nasazení uzlu

Další uzly mohou být přidány kdykoli za účelem nahrazení vadných uzlů nebo z důvodu měnících se úkolů. Přidání nových uzlů vytváří potřebu reorganizovat síť. Řešení častých změn v topologii sítě typu peer-to-peer, která obsahuje mnoho uzlů a má velmi přísné limity výkonu, vyžaduje speciální směrovací protokoly. Tento problém je podrobněji rozebrán v části 4.

3.6. životní prostředí

Uzly jsou hustě umístěny velmi blízko nebo přímo uvnitř pozorovaného jevu. Fungují tedy bez dozoru ve vzdálených geografických oblastech. Mohou pracovat
na frekventovaných křižovatkách
uvnitř velkých aut
na dně oceánu
uvnitř tornáda
na hladině oceánu během tornáda,
v biologicky a chemicky kontaminovaných oblastech
na bojišti
v domě nebo velké budově,
ve velkém skladu
připoutaný ke zvířatům
připevněné k rychle jedoucím vozidlům
ve stoce nebo řece spolu s proudem vody.
Tento seznam poskytuje představu o podmínkách, za kterých mohou uzly fungovat. Mohou pracovat pod vysokým tlakem na dně oceánu, v drsném prostředí, mezi troskami nebo na bojišti, při extrémních teplotách, jako jsou trysky leteckého motoru nebo v arktických oblastech, na velmi hlučných místech, kde je hodně rušení.

3.7. Metody přenosu dat

V multi-hop senzorové síti komunikují uzly bezdrátově. Komunikace může probíhat prostřednictvím rádia, infračerveného nebo optického média. Aby bylo možné tyto metody používat globálně, musí být přenosové médium celosvětově dostupné. Jednou z možností pro rádiovou komunikaci je použití průmyslových, vědeckých a lékařských (ISM) pásem, která jsou ve většině zemí dostupná bez licence. Některé z kmitočtů, které lze použít, jsou popsány v mezinárodní kmitočtové tabulce obsažené v článku S5 Radiokomunikačního řádu (svazek 1). Některé z těchto frekvencí se již používají v bezdrátové telefonii a bezdrátové síti lokální sítě(WLAN). U senzorových sítí malých rozměrů a nízkých nákladů není zesilovač signálu vyžadován. Hardwarová omezení a kompromis mezi účinností antény a spotřebou energie ukládají určitá omezení pro volbu vysílací frekvence v mikrovlnném frekvenčním rozsahu. Nabízejí také 433 MHz ISM v Evropě a 915 MHz ISM v Severní Americe. Možné modely vysílačů pro tyto dvě zóny jsou diskutovány v. Hlavními výhodami využití ISM rádiových frekvencí jsou široké spektrum frekvencí a celosvětová dostupnost. Nejsou vázány na konkrétní standard, což dává větší volnost při implementaci strategií úspory energie v sítích senzorů. Na druhou stranu existují různá pravidla a omezení, jako jsou různé zákony a zásahy ze stávajících aplikací. Tato frekvenční pásma se také nazývají neregulované frekvence. Většina dnešního vybavení uzlů je založena na použití rádiových vysílačů. Bezdrátové uzly IAMPS, popsané v , používají 2,4 GHz vysílače s podporou Bluetooth a mají integrovaný frekvenční syntezátor. V práci je popsáno zařízení uzlů s nízkým výkonem, které využívají jeden rádiový přenosový kanál, který pracuje na frekvenci 916 MHz. Architektura WINS také používá rádio. Další možný způsob komunikace v senzorových sítích je infračervená. IR komunikace je dostupná bez licence a je odolná vůči elektrickému rušení. IR vysílače jsou levnější a jednodušší na výrobu. Mnoho dnešních notebooků, PDA a mobilních telefonů používá pro přenos dat IR rozhraní. Hlavní nevýhodou takové komunikace je požadavek přímé viditelnosti mezi odesílatelem a příjemcem. To činí IR komunikaci nežádoucí pro použití v senzorových sítích kvůli přenosovému médiu. Zajímavým způsobem přenosu je využití chytrých uzlů, což jsou moduly pro automatické sledování a zpracování dat. K přenosu využívají optické médium. Existují dvě schémata přenosu, pasivní pomocí rohového krychlového retroreflektoru (CCR) a aktivní pomocí laserové diody a řízených zrcadel (probráno v ). V prvním případě není nutný integrovaný světelný zdroj, pro přenos signálu se používá třízrcadlová (CCR) konfigurace. Aktivní metoda využívá laserovou diodu a aktivní laserový komunikační systém k vysílání paprsků světla do zamýšleného přijímače. Neobvyklé aplikační požadavky senzorových sítí ztěžují volbu přenosového média. Například námořní aplikace vyžadují použití vodního přenosového média. Zde je třeba použít dlouhovlnné záření, které dokáže proniknout na povrch vody. V obtížném terénu nebo na bojišti může docházet k chybám a většímu rušení. Navíc se může ukázat, že uzlové antény nemají potřebnou výšku a vyzařovací výkon pro komunikaci s jinými zařízeními. Proto musí být výběr přenosového média doprovázen spolehlivými modulačními a kódovacími schématy, která závisí na vlastnostech přenosového kanálu.

3.8. Spotřeba energie

Bezdrátový uzel jako mikroelektronické zařízení může být vybaven pouze omezeným napájením (

3.8.1. Spojení

Uzel vynakládá maximum energie na komunikaci, která zahrnuje jak vysílání, tak příjem dat. Dá se říci, že za účelem komunikace krátké vzdálenosti s nízkým vysílacím výkonem vyžaduje vysílání a příjem přibližně stejné množství energie. Frekvenční syntezátory, napěťové řídicí oscilátory, fázové blokování (PLL) a výkonové zesilovače všechny vyžadují energii, která je omezená. Důležité je, že v tomto případě neuvažujeme pouze činný výkon, ale také spotřebu elektrické energie při spouštění vysílačů. Spuštění vysílače trvá zlomek sekundy, takže spotřebuje zanedbatelné množství energie. Tuto hodnotu lze porovnat s časem uzamčení PLL. Jak se však vysílaný paket snižuje, spouštěcí výkon začíná převažovat nad spotřebou energie. V důsledku toho je neefektivní neustále zapínat a vypínat vysílač, protože většina energie bude vynaložena na toto. V současné době mají nízkovýkonové rádiové vysílače standardní hodnoty Pt a Pr 20 dBm a Pout blízko 0 dBm. Všimněte si, že PicoRadio směrované do PC je -20dBm. Návrh malých, levných vysílačů je diskutován ve zdroji. Na základě svých výsledků se autoři tohoto článku s ohledem na rozpočet a energetické odhady domnívají, že hodnoty Pt a Pr by měly být alespoň o řád menší než hodnoty uvedené výše.

3.8.2. Zpracování dat

Spotřeba energie při zpracování dat je mnohem menší ve srovnání s přenosem dat. Příklad popsaný v článku ve skutečnosti ilustruje tento rozpor. Na základě Rayleighovy teorie, že se během přenosu ztratí čtvrtina výkonu, můžeme dojít k závěru, že spotřeba energie na přenos 1 KB na vzdálenost 100 m bude přibližně stejná jako při provádění 3 milionů instrukcí rychlostí 100 milionů instrukcí na sekundu (MIPS )/W procesorem. Proto je místní zpracování dat kritické pro minimalizaci spotřeby energie v multi-hop senzorové síti. Proto musí mít uzly vestavěné výpočetní schopnosti a být schopny interakce s prostředím. Omezení nákladů a velikosti nás povedou k výběru polovodičů (CMOS) jako hlavní technologie pro mikroprocesory. Bohužel mají limity energetické účinnosti. CMOS vyžaduje napájení při každé změně stavu. Energie potřebná ke změně stavů, úměrná spínací frekvenci, kapacitě (v závislosti na oblasti) a kolísání napětí. Snížení napájecího napětí je proto účinným prostředkem ke snížení spotřeby energie v aktivním stavu. Dynamické škálování napětí, diskutované v , se snaží přizpůsobit výkon a frekvenci procesoru pracovnímu vytížení. Když se sníží procesní zatížení mikroprocesoru, jednoduché snížení frekvence poskytne lineární snížení spotřeby energie, avšak snížení provozního napětí nám poskytne kvadratické snížení nákladů na energii. Na druhou stranu nebude využit veškerý možný výkon procesoru. To poskytne výsledek, pokud vezmeme v úvahu, že špičkový výkon není vždy vyžadován, a proto lze provozní napětí a frekvenci procesoru dynamicky přizpůsobovat požadavkům na zpracování. Autoři navrhují schémata predikce zátěže založená na adaptivním zpracování existujících profilů zátěže a na analýze několika již vytvořených schémat. Další strategie pro snížení výkonu procesoru jsou diskutovány v . Je třeba poznamenat, že mohou být použita další schémata pro kódování a dekódování dat. integrované obvody lze v některých případech také použít. Ve všech těchto scénářích závisí struktura sítě senzorů, provozní algoritmy a protokoly na příslušných nákladech na energii.

4. Architektura senzorových sítí

Uzly jsou obvykle umístěny náhodně v celé pozorovací oblasti. Každý z nich umí sbírat data a zná cestu přenosu dat zpět do centrálního uzlu, tedy ke koncovému uživateli. Data jsou přenášena pomocí multi-hop síťové architektury. Centrální uzel může komunikovat se správcem úloh přes internet nebo satelit. Zásobník protokolů používaný centrálním uzlem a všemi ostatními uzly je znázorněn na Obr. 3. Zásobník protokolů obsahuje informace o napájení a směrování, obsahuje informace o síťovém protokolu, pomáhá efektivně komunikovat přes bezdrátové prostředí a podporuje spolupráci uzlů. Zásobník protokolů se skládá z aplikační vrstvy, transportní vrstvy, síťové vrstvy, vrstvy datového spojení, fyzické vrstvy, vrstvy správy napájení, vrstvy správy mobility a vrstvy plánování úloh. V závislosti na úkolu shromažďovat data, různé druhy aplikační software lze vytvořit na aplikační úrovni. transportní vrstva pomáhá udržovat tok dat v případě potřeby. Síťová vrstva se stará o směrování dat poskytovaných transportní vrstvou. Vzhledem k tomu, že životní prostředí má cizí hluk a uzly lze přesouvat, musí protokol MAC minimalizovat výskyt kolizí při přenosu dat mezi sousedními uzly. Fyzická vrstva je zodpovědná za schopnost přenosu informací. Tyto protokoly pomáhají hostitelům provádět úkoly a zároveň šetřit energii. Vrstva správy napájení určuje, jak by měl uzel využívat napájení. Například uzel může vypnout přijímač poté, co obdrží zprávu od jednoho ze svých sousedů. To vám pomůže vyhnout se duplicitní zprávě. Také když má uzel vybitou baterii, komunikuje svým sousedům, že se nemůže účastnit směrování zpráv. Veškerou zbývající energii využije ke sběru dat. Vrstva Mobility Control (MAC) určuje a registruje pohyb uzlů, takže vždy existuje cesta pro přenos dat do centrálního uzlu a uzly mohou určit své sousedy. A protože zná své sousedy, může uzel vyvážit spotřebu energie tím, že s nimi bude spolupracovat. Správce úloh plánuje a naplánuje shromažďování informací pro každou oblast zvlášť. Ne všechny uzly ve stejné oblasti musí spouštět testovací úlohy současně. V důsledku toho některé uzly provádějí více úkolů než jiné, v závislosti na jejich kapacitě. Všechny tyto vrstvy a moduly jsou nezbytné pro to, aby uzly spolupracovaly a usilovaly o maximální energetickou účinnost, optimalizovaly trasu přenosu dat v síti a také vzájemně sdílely své zdroje. Bez nich bude každý uzel fungovat samostatně. Z pohledu celé senzorové sítě je efektivnější, pokud uzly spolupracují mezi sebou, což pomáhá prodlužovat životnost sítí samotných. Než budeme diskutovat o potřebě zahrnout moduly a řídicí vrstvy do protokolu, zvážíme tři existující práce na zásobníku protokolů, který je znázorněn na obrázku 3. Model WINS diskutovaný ve zdroji, ve kterém jsou uzly připojeny v distribuované síti a mít přístup k internetu. Vzhledem k tomu, že velký počet síťových uzlů WINS je umístěn v malé vzdálenosti od sebe, multi-hop komunikace snižuje spotřebu energie na minimum. Informace o prostředí přijaté uzlem jsou postupně odesílány do centrálního uzlu nebo brány WINS prostřednictvím dalších uzlů, jak je znázorněno na obrázku 2 pro uzly A, B, C, D a E. Brána WINS komunikuje s uživatelem prostřednictvím běžných síťových protokolů, jako je např. jako internet.. Zásobník síťových protokolů WINS se skládá z aplikační vrstvy, síťové vrstvy, vrstvy MAC a fyzické vrstvy. Inteligentní uzly (nebo zrnka prachu). Tyto uzly mohou být připojeny k předmětům nebo dokonce vznášet se ve vzduchu kvůli jejich malé velikosti a hmotnosti. Pro optickou komunikaci a sběr dat využívají technologii MEMS. Prachové částice mohou mít solární panely pro dobíjení během dne. Vyžadují přímou viditelnost pro komunikaci s vysílačem optické základnové stanice nebo jinou skvrnou prachu. Porovnáním architektury prachové sítě s architekturou zobrazenou na obrázku 2 lze říci, že chytré uzly obvykle komunikují přímo s vysílačem základnové stanice, ale je také možná komunikace jeden k jednomu. Další přístup k vývoji protokolů a algoritmů pro senzorové sítě je dán požadavky fyzické vrstvy. Protokoly a algoritmy musí být navrženy podle výběru fyzických komponent, jako je typ mikroprocesorů a typ přijímačů. Tento přístup zdola nahoru se používá v modelu IAMPS a také bere v úvahu závislost aplikační vrstvy, síťové vrstvy, MAC vrstvy a fyzické vrstvy na hostitelském hardwaru. Uzly IAMPS interagují s koncovým uživatelem přesně stejným způsobem jako v architektuře znázorněné na obrázku 2. Různá schémata, například dělení s časovým dělením (TDMA) popř. frekvenční dělení kanály (FDMA) a binární modulace nebo M-modulace se porovnávají ve zdroji. Přístup zdola nahoru znamená, že algoritmy uzlu musí znát hardware a využívat schopnosti mikroprocesorů a vysílačů k minimalizaci spotřeby energie. To může vést k vývoji různých návrhů uzlů. ALE různá provedení uzly povedou k různým typům senzorových sítí. Což zase povede k vývoji různých algoritmů pro jejich práci.

Literatura

  1. G.D. Aowd, J.P.G. Sterbenz, Závěrečná zpráva z meziagenturního workshopu o výzkumných otázkách pro inteligentní prostředí, IEEE Personal Communications (říjen 2000) 36–40.
  2. J. Agre, L. Clare, Integrovaná architektura pro kooperativní snímací sítě, IEEE Computer Magazine (květen 2000) 106–108.
  3. LI. Akyildiz, W. Su, protokol PAER (Posilněný směrovací protokol pro senzorové sítě), Georgia Tech Technical Report, leden 2002, předložen k publikaci.
  4. A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: nepřímý TCP pro mobilní hostitele, Sborník příspěvků z 15. mezinárodní konference o distribuovaných počítačových systémech, Vancouver, BC, květen 1995, str. 136–143.
  5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Mobilní pacient: bezdrátové distribuované senzorové sítě pro monitorování a péči o pacienty, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
  6. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Horní hranice životnosti senzorových sítí, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, Finsko, červen 2001.
  7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Dotazování na fyzický svět, IEEE Personal Communications (říjen 2000) 10.–15.

Distribuované senzorové sítě

Co jsou bezdrátové senzorové sítě?

Senzory a přijímací zařízení

Bezdrátové senzorové sítě jsou budovány z uzlů tzv moty (mote) - malá autonomní zařízení napájená bateriemi a mikročipy s rádiovou komunikací na frekvenci - například 2,4 GHz. Speciální software umožňuje motes organizovat se do distribuovaných sítí, komunikovat mezi sebou, dotazovat se a vyměňovat si data s nejbližšími uzly, jejichž vzdálenost obvykle nepřesahuje 100 metrů.

V anglické literatuře se takové síti říká bezdrátová senzorová síť(WSN) je bezdrátová síť sestávající z geograficky distribuovaných autonomních zařízení, která využívají senzory ke společnému monitorování fyzických nebo environmentálních podmínek v různých oblastech.

Mohou měřit parametry jako je teplota, zvuk, vibrace, tlak, pohyb předmětů nebo vzduchu. Vývoj bezdrátových senzorových sítí byl zpočátku motivován vojenskými úkoly, jako je sledování bojišť. V současné době se bezdrátové senzorové sítě stále více používají v mnoha oblastech občanského života, včetně průmyslového a environmentálního monitorování, zdravotnictví a řízení pohybu objektů. Rozsah je stále širší.

Základní principy práce

3-úrovňové schéma sítě. 1. úroveň senzorů a brány. 2. úroveň serveru. Tenký klient 3. úrovně

Každý síťový uzel: mot vybavené rádiovým transceiverem nebo jiným bezdrátovým komunikačním zařízením, malým mikrokontrolérem a zdrojem energie, obvykle baterií. Lze použít se solárními panely nebo jinými alternativními zdroji energie

Data ze vzdálených prvků jsou přenášena po síti mezi nejbližšími od uzlu k uzlu prostřednictvím rádiového kanálu. Výsledkem je přenos datového paketu z nejbližšího mote k bráně. Brána se k serveru připojuje zpravidla USB kabelem. Na serveru - shromážděná data jsou zpracovávána, ukládána a mohou být přístupná prostřednictvím WEB shellu širokému okruhu uživatelů.

Cena senzorového uzlu se pohybuje od stovek dolarů až po několik centů v závislosti na velikosti senzorové sítě a její složitosti.

Hardware a standardy

Brána (2ks), připojená k notebooku pomocí USB kabelu. Notebook je připojen k internetu přes UTP a funguje jako server

Senzorová zařízení s rádiovou anténou

Hardware bezdrátového uzlu a protokoly síťové interakce mezi uzly jsou optimalizovány na spotřebu energie, aby byla zajištěna dlouhá životnost systému s autonomními napájecími zdroji. V závislosti na režimu provozu může životnost uzlu dosáhnout několika let.

Řada standardů je v současné době buď ratifikována, nebo se vyvíjí pro bezdrátové senzorové sítě. ZigBee je standard pro věci, jako je průmyslové řízení, vestavěné snímání, sběr lékařských dat, automatizace budov. Vývoj Zigbee je podporován velkým konsorciem průmyslových společností.

  • WirelessHART je rozšířením protokolu HART pro průmyslovou automatizaci. WirelessHART byl přidán do generického protokolu HART jako součást specifikace HART 7, která byla schválena HART Communications Foundation v červnu 2007.
  • 6lowpan je deklarovaný standard pro síťovou vrstvu, ale ještě nebyl přijat.
  • ISA100 je další práce ve snaze vstoupit do technologie WSN, ale je vytvořena v širším měřítku, aby zahrnovala zpětná vazba kontrolu ve svém oboru. Očekává se, že implementace ISA100 na základě standardů ANSI bude dokončena do konce roku 2008.

WirelessHART, ISA100, ZigBee a všechny jsou založeny na stejném standardu: IEEE 802.15.4 - 2005.

Bezdrátový síťový software pro senzory

Operační systém

Operační systémy pro bezdrátové senzorové sítě jsou méně složité než obecné operační systémy kvůli omezeným zdrojům v Hardware senzorová síť. Z tohoto důvodu nemusí operační systém obsahovat podporu pro uživatelská rozhraní.

Hardware bezdrátové senzorové sítě se neliší od tradičních vestavěných systémů, a proto lze pro senzorové sítě použít vestavěný operační systém

Vizualizační aplikace

Software pro vizualizaci a reportování výsledků měření MoteView v1.1

Data z bezdrátových senzorových sítí jsou obvykle uložena jako digitální data v centrální základnové stanici. Existuje mnoho standardních programů jako TosGUI MonSense, GNS, které usnadňují prohlížení těchto velkých objemů dat. Open Consortium (OGC) navíc specifikuje standardy pro interoperabilitu a interoperabilitu kódovacích metadat, které umožní sledování nebo ovládání bezdrátové senzorové sítě v reálném čase kýmkoli prostřednictvím webového prohlížeče.

Pro práci s daty přicházejícími z uzlů bezdrátové senzorové sítě se používají programy, které usnadňují prohlížení a vyhodnocování dat. Jedním z takových programů je MoteView. Tento program vám umožňuje prohlížet data v reálném čase a analyzovat je, vytvářet všechny druhy grafů, vydávat zprávy v různých sekcích.

Výhody použití

  • Není třeba pokládat kabely pro napájení a přenos dat;
  • Nízké náklady na komponenty, instalaci, uvedení do provozu a údržbu systému;
  • Rychlé a snadné síťové nasazení;
  • Spolehlivost a odolnost proti poruchám celého systému jako celku v případě selhání jednotlivých uzlů nebo komponent;
  • Možnost implementace a úpravy sítě na libovolném objektu bez zásahu do procesu fungování samotných objektů
  • Možnost rychlé a v případě potřeby skryté instalace celého systému jako celku.

Každý senzor je velký asi jako čepice od piva (ale v budoucnu by mohl být stokrát zmenšen) a obsahuje procesor, paměť a rádiový vysílač. Takové kryty mohou být rozptýleny po jakémkoli území a samy navážou vzájemnou komunikaci, vytvoří jednu bezdrátovou síť a začnou přenášet data do nejbližšího počítače.

V kombinaci v bezdrátové síti mohou senzory sledovat parametry prostředí: pohyb, světlo, teplotu, tlak, vlhkost atd. Monitorování lze provádět na velmi velké ploše, protože senzory přenášejí informace v řetězci od souseda k sousedovi. Technologie jim umožňuje pracovat roky (i desetiletí) bez výměny baterií. Senzorové sítě jsou univerzálními smyslovými orgány pro počítač a všechny fyzické objekty na světě vybavené senzory mohou být počítačem rozpoznány. V budoucnu každý z miliard senzorů obdrží IP adresu a mohou dokonce vytvořit něco jako globální síť senzorů. O schopnosti senzorových sítí se zatím zajímala pouze armáda a průmysl. Podle poslední zprávy ON World, specialisty na průzkum trhu senzorových sítí, letos trh zažívá výrazné oživení. Další významnou událostí tohoto roku bylo vydání prvního jednočipového systému ZigBee na světě (vyrobeného společností Ember). Mezi velkými americkými průmyslovými společnostmi, které provedl průzkum ON World, již asi 29 % používá senzorové sítě a dalších 40 % plánuje jejich nasazení do 18 měsíců. V Americe se objevilo více než sto komerčních firem, které se zabývají tvorbou a údržbou senzorových sítí.

Do konce letošního roku počet senzorů na planetě přesáhne 1 mil. Nyní roste nejen počet sítí, ale i jejich velikost. Poprvé bylo vytvořeno a úspěšně provozováno několik sítí s více než 1 000 uzly, včetně jedné pro 25 000 uzlů.

Zdroj: Web PLANET

Oblast použití

Aplikace WSN je mnoho a jsou rozmanité. Používají se v komerčních a průmyslových systémech k monitorování dat, která je obtížné nebo nákladné řídit pomocí kabelových senzorů. WSN lze použít v těžko dostupných oblastech, kde mohou zůstat po mnoho let (monitorování životního prostředí) bez nutnosti měnit napájecí zdroje. Mohou kontrolovat jednání narušitelů chráněného objektu

WSN se také používá pro monitorování, sledování a kontrolu. Zde jsou některé aplikace:

  • Monitorování kouře a detekce požárů z velkých lesů a rašelinišť
  • Doplňkový zdroj informací pro krizová centra správy subjektů Federace Ruské federace
  • Seismická detekce potenciálního napětí
  • Vojenská pozorování
  • Akustická detekce pohybu objektů v zabezpečovacích systémech.
  • Ekologický monitoring prostoru a prostředí
  • Monitorování průmyslových procesů, využití v systémech MES
  • Lékařské sledování

Automatizace budov:

sledování teploty, proudění vzduchu, přítomnosti osob a ovládání zařízení pro udržení mikroklimatu;
ovládání osvětlení;
energetický management;
sběr odečtů z bytových měřičů plynu, vody, elektřiny atd.;
bezpečnostní a požární signalizace;
sledování stavu nosných konstrukcí budov a staveb.

Průmyslová automatizace:

dálkové ovládání a diagnostika průmyslových zařízení;
údržba zařízení podle aktuálního stavu (predikce bezpečnostní rezervy);
monitorování výrobních procesů;