Εισαγωγή

Ασύρματο δίκτυο αισθητήρων- κατανεμημένο, ένα σύνολο αισθητήρων (αισθητήρων) και ενεργοποιητών, διασυνδεδεμένων μέσω ενός ραδιοφωνικού καναλιού. Η περιοχή κάλυψης ενός τέτοιου δικτύου μπορεί να κυμαίνεται από αρκετά μέτρα έως αρκετά χιλιόμετρα λόγω της δυνατότητας μετάδοσης μηνυμάτων από το ένα στοιχείο στο άλλο.

Τα κύρια χαρακτηριστικά των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι αυτοοργάνωση και προσαρμοστικότητα στις αλλαγές των συνθηκών λειτουργίας, άρα απαιτεί ελάχιστο κόστοςκατά την ανάπτυξη του δικτύου στην εγκατάσταση και κατά τη μετέπειτα συντήρησή του κατά τη λειτουργία.

Διήγημα

Ένα από τα πρώτα πρωτότυπα του δικτύου αισθητήρων μπορεί να θεωρηθεί το σύστημα SOSUS, σχεδιασμένο για την ανίχνευση και την αναγνώριση υποβρυχίων. Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, οι τεχνολογίες ασύρματων δικτύων αισθητήρων άρχισαν να αναπτύσσονται ενεργά· στις αρχές της δεκαετίας του 2000, η ​​ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής κατέστησε δυνατή την παραγωγή μιας αρκετά φθηνής βάσης στοιχείων για τέτοιες συσκευές. Τα ασύρματα δίκτυα των αρχών της δεκαετίας του 2010 βασίζονται κυρίως στο .

Σκοπός

Ο κύριος σκοπός δεν είναι μόνο η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ κόμβων μέσω ενός αποκεντρωμένου δικτύου αυτο-οργάνωσης, αλλά και η συλλογή μεταδιδόμενων πληροφοριών (κυρίως δεδομένων) από αισθητήρες (θερμοκρασία, πίεση, υγρασία, επίπεδα ακτινοβολίας, ακουστικές δονήσεις) σε έναν κεντρικό κόμβο για το σκοπό της μετέπειτα ανάλυσης ή επεξεργασίας του.

Η ζήτηση για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων στην αγορά συνδέεται επίσης στενά με την έννοια της πνευματικής δημιουργίας αντικειμένων όπως το σπίτι, το γραφείο και οι βιομηχανικοί χώροι, όπου ένας αστικός άνθρωπος ξοδεύει έως και το 90% του χρόνου του, καθώς και με την έννοια της δημιουργίας κυβερνητικών βιομηχανίες (πλήρως εξοπλισμένες με ρομπότ), πρωταρχικό καθήκον των οποίων είναι η εισαγωγή ασύρματες τεχνολογίες σε επίπεδο APCS.

Η τεχνολογία δικτύου αισθητήρων έχει σχεδιαστεί για να επιλύει το ευρύτερο φάσμα εργασιών βιομηχανικής παρακολούθησης και ελέγχου και έχει τα ακόλουθα αναμφισβήτητα πλεονεκτήματασε σχέση με άλλα υπάρχοντα ασύρματα και ενσύρματα συστήματα:

• τη δυνατότητα εγκατάστασης αισθητήρων σε υπάρχουσα και λειτουργούσα εγκατάσταση χωρίς επιπλέον εργασίαγια την τοποθέτηση ενσύρματου δικτύου;
• χαμηλό κόστοςένα ξεχωριστό στοιχείο ελέγχου.
• χαμηλό κόστοςεγκατάσταση, θέση σε λειτουργία και συντήρηση του συστήματος·
• ελάχιστοι περιορισμοί στην τοποθέτηση ασύρματων συσκευών.
• υψηλή ανοχή σφαλμάτωναισθητηριακό δίκτυο στο σύνολό του.

Περιγραφή

Το υλικό των ασύρματων κόμβων και τα πρωτόκολλα αλληλεπίδρασης δικτύου μεταξύ τους είναι βελτιστοποιημένα για κατανάλωση ενέργειας για να εξασφαλίσουν μεγάλη διάρκεια ζωής του συστήματος με πηγές εκτός σύνδεσηςθρέψη. Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας, η διάρκεια ζωής ενός κόμβου μπορεί να φτάσει αρκετά χρόνια.

Κάθε κόμβος δικτύου αισθητήρων περιέχει συνήθως θύρες εισόδου/εξόδου δεδομένων με διάφορους αισθητήρεςέλεγχος εξωτερικό περιβάλλον(ή οι ίδιοι οι αισθητήρες), ένας μικροελεγκτής και ένας πομποδέκτης ραδιοφώνου, καθώς και μια αυτόνομη ή εξωτερική πηγή ενέργειας. Αυτό επιτρέπει στη συσκευή να λαμβάνει αποτελέσματα μετρήσεων, να εκτελεί αρχική επεξεργασία δεδομένων και να επικοινωνεί με ένα εξωτερικό σύστημα πληροφοριών. Ο μικροελεγκτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση έξυπνης κατανεμημένης επεξεργασίας δεδομένων. Σε ένα ευφυές ασύρματο δίκτυο αισθητήρων, οι συσκευές είναι σε θέση να ανταλλάσσουν πληροφορίες σε τοπικό επίπεδο, να τις αναλύουν και να μεταδίδουν επεξεργασμένες πληροφορίες σε ένα συγκεκριμένο βάθος, αντί για "ακατέργαστα" δεδομένα. Αυτό μπορεί να μειώσει σημαντικά τις απαιτήσεις για εύρος ζώνηςδικτύου, αυξάνουν την επεκτασιμότητα και τη διάρκεια ζωής του συστήματος. Ωστόσο, η προσθήκη "ευφυΐας" στο δίκτυο απαιτεί να ληφθούν υπόψη οι ιδιαιτερότητες της εφαρμοζόμενης εργασίας, επομένως αυτή η προσέγγιση είναι συνήθως αποτελεσματική κατά την ανάπτυξη ενός προσαρμοσμένου συστήματος υψηλής εξειδίκευσης.

Με αυτόν τον τρόπο κλειδί Τα χαρακτηριστικά των δικτύων αισθητήρων είναι:

• την ικανότητα αυτο-οργάνωσης του δικτύου μετάδοσης πληροφοριών και την προσαρμογή του στον αριθμό των συσκευών.
• τη δυνατότητα μετάδοσης μηνυμάτων από ένα στοιχείο σε άλλο.
• τη δυνατότητα ύπαρξης αισθητήρων σε κάθε στοιχείο.
• μακροπρόθεσμα διάρκεια ζωής μπαταρίας(1 έτος ή περισσότερο)

Σήμερα, η τεχνολογία των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι η μόνη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση εργασιών παρακολούθησης και ελέγχου που είναι κρίσιμες για τις απαιτήσεις για τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των συσκευών, την αξιοπιστία τους, την αυτόματη ή ημιαυτόματη διαμόρφωση καθενός από αυτές, τη δυνατότητα απλή προσθήκηή αποκλεισμός της συσκευής από το δίκτυο, μετάδοση σημάτων σε τοίχους και οροφές με χαμηλό κόστος συστήματος. Και η τεχνολογία αναμετάδοσης ραδιοεπικοινωνίας μικρής εμβέλειας, γνωστή ως "δίκτυα αισθητήρων", είναι μία από τις σύγχρονες κατευθύνσεις στην ανάπτυξη αυτο-οργανωμένων κατανεμημένων συστημάτων με ανοχή σφαλμάτων για βιομηχανική παρακολούθηση και έλεγχο πόρων και διεργασιών.

Τα πλεονεκτήματα των τεχνολογιών ασύρματων δικτύων αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την επίλυση διαφόρων εφαρμοσμένων προβλημάτων που σχετίζονται με την κατανεμημένη συλλογή, ανάλυση και μετάδοση πληροφοριών.

Αυτοματισμοί κτιρίων

Σε ορισμένες εφαρμογές αυτοματισμού κτιρίων, η χρήση παραδοσιακών συστημάτων ενσύρματης επικοινωνίας δεν είναι εφικτή για οικονομικούς λόγους.

Για παράδειγμα, πρέπει να εισαγάγετε ένα νέο ή να επεκτείνετε υπάρχον σύστημασε μεταχειρισμένο κτίριο. Σε αυτή την περίπτωση, η χρήση ασύρματων λύσεων είναι η πιο αποδεκτή επιλογή, γιατί. δεν απαιτούνται πρόσθετες εργασίες εγκατάστασης με παραβίαση της εσωτερικής διακόσμησης των χώρων, πρακτικά δεν προκαλείται ταλαιπωρία σε εργαζόμενους ή κατοίκους του κτιρίου κ.λπ. Ως αποτέλεσμα, το κόστος εφαρμογής του συστήματος μειώνεται σημαντικά.

Ένα άλλο παράδειγμα θα ήταν κτίρια γραφείων ανοιχτής διαρρύθμισης για τα οποία δεν είναι δυνατό να καθοριστούν οι ακριβείς θέσεις των αισθητήρων στο στάδιο του σχεδιασμού και της κατασκευής. Ταυτόχρονα, η διάταξη των γραφείων μπορεί να αλλάξει πολλές φορές κατά τη λειτουργία του κτιρίου, επομένως, ο χρόνος και το κόστος που δαπανάται για την αναδιαμόρφωση του συστήματος πρέπει να είναι ελάχιστα, κάτι που μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση ασύρματων λύσεων.

Επιπλέον, μπορούν να δοθούν τα ακόλουθα παραδείγματα συστημάτων που βασίζονται σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων:

• παρακολούθηση της θερμοκρασίας, της ροής του αέρα, της παρουσίας ανθρώπων και ο έλεγχος του εξοπλισμού θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού για τη διατήρηση του μικροκλίματος.
• έλεγχος φωτισμού?
• διαχείριση ενέργειας;
• συλλογή ενδείξεων από μετρητές διαμερισμάτων για φυσικό αέριο, νερό, ρεύμα κ.λπ.
• παρακολούθηση της κατάστασης των φέρων κατασκευών κτιρίων και κατασκευών.

βιομηχανικός αυτοματισμός

Μέχρι τώρα, η ευρεία χρήση της ασύρματης επικοινωνίας στον τομέα του βιομηχανικού αυτοματισμού είχε περιοριστεί λόγω της χαμηλής αξιοπιστίας των ραδιοζεύξεων σε σύγκριση με τις ενσύρματες συνδέσεις σε σκληρά περιβάλλοντα. βιομηχανική λειτουργία, αλλά τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αλλάζουν ριζικά την τρέχουσα κατάσταση, επειδή εγγενώς ανθεκτικό σε διάφορα είδη διαταραχών (για παράδειγμα, φυσική βλάβη στον κόμβο, εμφάνιση παρεμβολών, αλλαγή εμποδίων κ.λπ.). Επιπλέον, υπό ορισμένες συνθήκες, ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων μπορεί να παρέχει ακόμη μεγαλύτερη αξιοπιστία από ένα ενσύρματο σύστημα επικοινωνίας.

Οι λύσεις που βασίζονται σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων ανταποκρίνονται πλήρως στις απαιτήσεις του κλάδου:

• ανοχή σε σφάλματα;
• επεκτασιμότητα?
• προσαρμοστικότητα στις συνθήκες λειτουργίας·
• ενεργειακής απόδοσης;
• λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιαιτερότητες της εφαρμοσμένης εργασίας·
• οικονομική κερδοφορία.

Οι τεχνολογίες ασύρματου δικτύου αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις ακόλουθες εργασίες βιομηχανικού αυτοματισμού:

• τηλεχειρισμός και διάγνωση βιομηχανικού εξοπλισμού.
• συντήρηση του εξοπλισμού σύμφωνα με την τρέχουσα κατάσταση (πρόβλεψη του περιθωρίου ασφαλείας).
• παρακολούθηση των διαδικασιών παραγωγής·
• τηλεμετρία για έρευνα και δοκιμές.

Άλλες εφαρμογές

Τα μοναδικά χαρακτηριστικά και οι διαφορές των ασύρματων δικτύων αισθητήρων από τα παραδοσιακά ενσύρματα και ασύρματα συστήματα μετάδοσης δεδομένων καθιστούν την εφαρμογή τους αποτελεσματική στο μέγιστο διάφορες περιοχές. Για παράδειγμα:

• ασφάλεια και άμυνα:
  • έλεγχος της κίνησης ανθρώπων και εξοπλισμού·
  • κεφάλαια επιχειρησιακές επικοινωνίεςκαι νοημοσύνη?
  • περιμετρικός έλεγχος και απομακρυσμένη παρακολούθηση.
  • βοήθεια σε επιχειρήσεις διάσωσης·
  • παρακολούθηση περιουσίας και τιμαλφών·
  • συναγερμός ασφαλείας και πυρκαγιάς·
• παρακολούθηση περιβάλλον:
  • παρακολούθηση της ρύπανσης·
  • Γεωργία;
• φροντίδα υγείας:
  • παρακολούθηση της φυσιολογικής κατάστασης των ασθενών.
  • έλεγχος θέσης και ειδοποίηση ιατρικού προσωπικού.

Η εταιρική έκδοση της τεχνολογίας Internet of Things (IoT) χρησιμοποιείται ενεργά στη βιομηχανία σήμερα. Το Enterprise Internet of Things (EIoT) χρησιμοποιεί ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και στοιχεία ελέγχου για να παρέχει στις επιχειρήσεις νέους τρόπους ελέγχου μηχανών και εξοπλισμού. Ασύρματοι αισθητήρες, που τροφοδοτούνται από μια μικρή μπαταρία χωρίς να συνδέονται σε ενσύρματο τροφοδοτικό, μπορούν να τοποθετηθούν σε βιομηχανικά περιβάλλοντα σε μέρη εντελώς απρόσιτα από τα χειριστήρια προηγούμενης γενιάς.

Το EIoT έχει βελτιώσει την αξιοπιστία, την ασφάλεια και τη διαλειτουργικότητα συστημάτων και εξοπλισμού για να ανταποκριθεί στις πιο απαιτητικές απαιτήσεις για την εφαρμογή ασύρματων τεχνολογιών σε αυτόν τον τομέα, όχι μόνο στη βιομηχανία, αλλά και στην υγειονομική περίθαλψη, τις χρηματοοικονομικές υπηρεσίες κ.λπ. Το EIoT καλύπτει τις ανάγκες αυτών περιοχές με τι Προδιαγραφέςκαι τα σχεδιαστικά στοιχεία αυτής της νέας τεχνολογίας είναι πολύ ανώτερα από παρόμοιες τεχνολογίες IoT παραδοσιακών συσκευών που έχουν σχεδιαστεί για λιγότερο κρίσιμες καταναλωτικές ή εμπορικές εφαρμογές.

Ζητήματα EIoT

Οι αισθητήρες και τα χειριστήρια με δυνατότητα EIoT μπορούν να λειτουργήσουν σχεδόν οπουδήποτε σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον, αλλά μέχρι στιγμής ήταν περισσότερο θέμα τύχης, καθώς δεν είναι κάθε βιομηχανικός εξοπλισμός ιδανικός για ασύρματη χρήση. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχουν δύο αλληλένδετα αλλά φαινομενικά αντιφατικά στοιχεία σε μια ανάπτυξη IoT:

1. Το ίδιο το ασύρματο δίκτυο συσκευών, το οποίο εγκαθίσταται χρησιμοποιώντας αισθητήρες και χειριστήρια που σχετίζονται με τεχνολογία μικρής εμβέλειας με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
2. Ένα δίκτυο αισθητήρων IoT που αλληλεπιδρούν με άλλο εξοπλισμό, ελεγκτές και μέρη του δικτύου που βρίσκονται ήδη σε μεγαλύτερη απόσταση.

Ρύζι. 1. Εφαρμογές μακριά από αστικά κέντρα και παραδοσιακές τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες μπορούν να χρησιμοποιήσουν ενεργειακά αποδοτικό πρωτόκολλο επικοινωνίας όπως το LoRa για να οργανώσουν ένα παγκόσμιο δίκτυο

Είναι η αδυναμία αξιόπιστης επικοινωνίας σε μεγάλες αποστάσεις που είναι συχνά το πιο σημαντικό εμπόδιο σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον. Αυτό το πρόβλημα έχει μια απλή αιτία: τις τηλεπικοινωνίες, οι οποίες πραγματοποιούνται μέσω ενσύρματων καλωδιακών γραμμών ή με τη χρήση μετάδοσης σήματος μέσω πύργων. κυψελοειδούς επικοινωνίας, δεν είναι πάντα διαθέσιμο σε τοποθεσίες βιομηχανικού εξοπλισμού. Επιπλέον, το κόστος χρήσης κυψελοειδών υπηρεσιών μόνο για την παράδοση πολλών πακέτων δεδομένων από αισθητήρες σε μία συνεδρία επικοινωνίας δεν έχει πολύ νόημα τόσο από οικονομικής άποψης όσο και από καθαρά τεχνικούς λόγους. Επιπλέον, αρκετά συχνά υπάρχει πρόβλημα τροφοδοσίας αισθητήρων και συσκευών επικοινωνίας, το οποίο είναι πολύ δύσκολο να οργανωθεί σε απομακρυσμένα μέρη όπου ο εξοπλισμός ή η υποδομή δεν τροφοδοτείται απευθείας από το βιομηχανικό δίκτυο.

Παρά την ευρεία κάλυψη των κυψελοειδών επικοινωνιών σε οικισμούς, σε ορισμένα σημεία δεν υπάρχει αξιόπιστη υπηρεσία για την οργάνωση ασύρματων επικοινωνιών. Αυτό είναι ένα κοινό πρόβλημα σε αγροτικές περιοχές και απομακρυσμένες τοποθεσίες βιομηχανικού εξοπλισμού, όπως απομονωμένος εξοπλισμός πετρελαίου και φυσικού αερίου ή μεταφορά αγωγών, συστήματα ύδρευσης και αποχέτευσης (Εικ. 1) κ.λπ. Τέτοιες εγκαταστάσεις είναι επίσης συχνά μακριά από την πλησιέστερη τεχνική υπηρεσία προσωπικό που ελέγχει την καλή λειτουργία των συσκευών. Μερικές φορές χρειάζεται ένας μηχανικός μια ολόκληρη μέρα, ή ακόμα και αρκετές, για να φτάσει στον εξοπλισμό και να τον επιθεωρήσει. Συχνά είναι δύσκολο και εύκολο να βρεις ειδικούς πρόθυμους να εργαστούν σε τόσο απομακρυσμένες περιοχές. Δεδομένου ότι, λόγω περιορισμένης κάλυψης επικοινωνίας, οι αισθητήρες και τα χειριστήρια με δυνατότητα EIoT είναι αρκετά σπάνια σε απομακρυσμένες τοποθεσίες, τα δίκτυα ευρείας περιοχής χαμηλής κατανάλωσης (LPWAN) έρχονται στη διάσωση εδώ.

BLE και LPWAN

Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο ασύρματη τεχνολογίαΗ μικρή εμβέλεια στα συστήματα EIoT είναι η τεχνολογία χαμηλής ενέργειας Bluetooth - BLE (αγγλικά Bluetooth χαμηλή ενέργεια, επίσης γνωστό ως Bluetooth Smart). Ο κύριος λόγος για τη μεγάλη δημοτικότητα του BLE για το EIoT είναι η ενεργειακή του απόδοση, η οποία επιτρέπει στους αισθητήρες και τα χειριστήρια να λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα με πολύ χαμηλή κατανάλωση μπαταρίας. Το BLE διαχειρίζεται τους κύκλους ύπνου, αναμονής και ενεργούς κύκλους. Το BLE χρησιμοποιείται επίσης ευρέως λόγω της ισχύος του σήματος ραδιοσυχνοτήτων του, το οποίο επιτρέπει στην τεχνολογία να λειτουργεί αποτελεσματικά ακόμη και σε δύσκολα περιβάλλοντα με αυξημένα επίπεδα θορύβου υψηλής συχνότητας, ψηφιακά σήματα από εξοπλισμό υπολογιστών και ακόμη και παρουσία φυσικών εμποδίων στη διάδοση των ραδιοκυμάτων. Αλλά, όπως γνωρίζετε, όλοι αυτοί οι παράγοντες είναι εξοικειωμένοι με το βιομηχανικό περιβάλλον.

Σε έργα για την υλοποίηση του EIoT, η τεχνολογία BLE είναι η βάση για την οργάνωση επικοινωνιών μικρής εμβέλειας. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε ήδη λειτουργούντα όσο και σε συγκροτήματα βιομηχανικού εξοπλισμού που ακόμη σχεδιάζονται. Ωστόσο, ένα τέτοιο δίκτυο συσκευών με δυνατότητα BLE χρειάζεται έναν τρόπο λήψης οδηγιών και αναμετάδοσης δεδομένων σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Η στήριξη σε μια παραδοσιακή τηλεπικοινωνιακή υποδομή που επιτρέπει αμφίδρομα σήματα Wi-Fi ή κινητής τηλεφωνίας δεν είναι δυνατή λόγω του φραγμού που περιορίζει την εφαρμογή αυτών των δικτύων αισθητήρων και ελέγχου. Συνδυάζοντας το BLE με την υπερ-εμβέλεια και την ενεργειακή απόδοση της τεχνολογίας LoRa, οι εταιρείες μπόρεσαν να αναπτύξουν το EIoT σε μέρη όπου η τηλεπικοινωνιακή υποδομή και η υποδομή ισχύος δεν είναι διαθέσιμες, και αυτό, με τη σειρά του, έχει επεκτείνει τη γεωγραφία της εφαρμογής του Διαδικτύου τεχνολογία των πραγμάτων.

Ρύζι. 2. Οι αισθητήρες συνδέονται πρώτα με τον πελάτη LoRa και μετά μέσω της πύλης LoRa

Το πρωτόκολλο LoRa WAN είναι συχνά LPWAN επειδή παρέχει ασφαλή αμφίδρομη μετάδοση δεδομένων και επικοινωνία με δίκτυα IoT σε μεγάλες αποστάσεις για χρόνια χωρίς αντικατάσταση μπαταρίας. Κατά τη χρήση της τεχνολογίας LoRa, είναι δυνατή η αποστολή και λήψη σημάτων σε απόσταση έως περίπου 16 km, και εάν είναι απαραίτητο, οι επαναλήπτες (repeaters) μπορούν να αυξήσουν αυτή την απόσταση σε εκατοντάδες χιλιόμετρα. Στο σχ. Το σχήμα 2 δείχνει πώς λειτουργεί το LoRa. Για εφαρμογές IoT, το LoRa έχει πολλά πλεονεκτήματα ακριβώς λόγω των οικονομικών χαρακτηριστικών και των δυνατοτήτων του:

• Δεδομένου ότι το LoRa, όπως και το BLE, είναι μια τεχνολογία εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης, μπορεί να λειτουργεί σε δίκτυα συσκευών IoT που τροφοδοτούνται με μπαταρία και μπορεί να παρέχει μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας χωρίς να χρειάζεται συχνή συντήρηση.
• Οι κόμβοι LoRa είναι φθηνοί και επιτρέπουν στις εταιρείες να μειώσουν το κόστος μετάδοσης δεδομένων μέσω κυψελοειδών συστημάτων, καθώς και να εξαλείψουν την εγκατάσταση καλωδίων οπτικών ινών ή χαλκού. Αυτό καταργεί ένα σημαντικό οικονομικό εμπόδιο στη σύνδεση απομακρυσμένων αισθητήρων και εξοπλισμού.
• Η τεχνολογία LoRa λειτουργεί καλά με συσκευές δικτύουτοποθετούνται σε εσωτερικούς χώρους, συμπεριλαμβανομένων σύνθετων βιομηχανικών περιβαλλόντων.
• Το LoRa είναι εξαιρετικά επεκτάσιμο και διαλειτουργικό υποστηρίζοντας εκατομμύρια κόμβους και μπορεί να συνδεθεί με δημόσια και ιδιωτικά δίκτυα δεδομένων και συστήματα αμφίδρομης επικοινωνίας.

Έτσι, ενώ άλλες τεχνολογίες LPWAN μπορούν να λύσουν το πρόβλημα του εύρους επικοινωνίας στην εφαρμογή λύσεων IoT μόνο μακροπρόθεσμα, η τεχνολογία LoRa προσφέρει αμφίδρομη επικοινωνία, anti-jamming και υψηλό περιεχόμενο πληροφοριών για αυτό.

Το LoRa έχει επίσης ένα σημαντικό μειονέκτημα - χαμηλό εύρος ζώνης. Αυτό το καθιστά ακατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν ροή δεδομένων. Ωστόσο, αυτός ο περιορισμός δεν εμποδίζει τη χρήση του για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών IoT όπου μόνο μικρά πακέτα δεδομένων μεταδίδονται από καιρό σε καιρό.

ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ

Ρύζι. 3. Μονάδα RM1xx από τη Laird, η οποία περιλαμβάνει επικοινωνιακές δυνατότητεςγια πρωτόκολλα ασύρματου δικτύου LoRa και Bluetooth

Οι δυνατότητες του LoRa διπλασιάζονται όταν συνδυάζεται με τεχνολογία όπως το BLE. Μαζί, παρέχουν ένα σύνολο ασύρματων δυνατοτήτων εξαιρετικά χαμηλής ισχύος για επικοινωνίες μικρής και μεγάλης εμβέλειας που ενισχύουν τις δυνατότητες των δικτύων EIoT. Για παράδειγμα, το κεντρικό τμήμα των αστικών περιοχών μπορεί να καλυφθεί με λίγες μόνο πύλες LoRaWAN, οι οποίες αποτελούν τη βάση για τα δίκτυα αισθητήρων BLE, τα οποία είναι πλέον ανεξάρτητα από τις παραδοσιακές τηλεπικοινωνιακές υποδομές. Έτσι, η συμβίωση των LoRa και BLE καταργεί μια σειρά από εμπόδια στην επέκταση του IoT τόσο σε μεγαλουπόλεις όσο και σε μικρές πόλεις που έχουν εμπόδια στην ευρεία εφαρμογή του Διαδικτύου των Πραγμάτων. Ωστόσο, οι μεγαλύτεροι ωφελούμενοι από τον συνδυασμό LoRA και BLE είναι οι ασύρματοι αισθητήρες, τα χειριστήρια και άλλος εξοπλισμός, που μπορούν πλέον να εγκατασταθούν χωρίς περιορισμούς κυριολεκτικά οπουδήποτε (Εικ. 3). Αυτό είναι μια ιδιαίτερη αξία της BLE. Το BLE επιτρέπει επίσης σε αυτές τις συσκευές να συνεργάζονται σε ένα ενσωματωμένο δίκτυο μικρής εμβέλειας που ελέγχεται, για παράδειγμα, από smartphone ή tablet, τα οποία σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιούνται ως απομακρυσμένες ασύρματες οθόνες. Σε αυτό το πακέτο, η τεχνολογία LoRa, βασισμένη στις κινητές δυνατότητες του BLE, λειτουργεί ως ένα είδος ραδιοφωνικού σταθμού αναμετάδοσης που μπορεί να στείλει και να λάβει δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις. Επιπλέον, αυτές οι αποστάσεις μπορούν να αυξηθούν με απλές πύλες για μετάδοση σήματος.

Υπάρχουν ήδη πολλά καλά παραδείγματα, καταδεικνύοντας πώς η σύζευξη LoRa και BLE επιτρέπει στα δίκτυα EIoT να φτάσουν εντελώς διαφορετικά τεχνικό επίπεδοκαι αυξήστε την επέκτασή σας.

Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων: μια επισκόπηση

Akuldiz I.F.

Μετάφραση από τα αγγλικά: Levzhinsky A.S.

σχόλιο

Το άρθρο περιγράφει τις έννοιες των δικτύων αισθητήρων, η υλοποίηση των οποίων κατέστη δυνατή ως αποτέλεσμα του συνδυασμού μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων, ασύρματων επικοινωνιών και ψηφιακών ηλεκτρονικών. Μελετώνται τα καθήκοντα και οι δυνατότητες των δικτύων αισθητήρων, γίνεται επισκόπηση των γεγονότων που επηρεάζουν την ανάπτυξή τους. Εξετάζονται επίσης η αρχιτεκτονική των δικτύων αισθητήρων κτιρίων, οι αναπτυγμένοι αλγόριθμοι και τα πρωτόκολλα για κάθε επίπεδο της αρχιτεκτονικής. Το άρθρο διερευνά ερωτήσεις σχετικά με την υλοποίηση δικτύων αισθητήρων.

1. Εισαγωγή

Οι πρόσφατες εξελίξεις στις τεχνολογίες μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS), ασύρματων επικοινωνιών και ψηφιακών ηλεκτρονικών έχουν καταστήσει δυνατή τη δημιουργία χαμηλού κόστους, χαμηλής κατανάλωσης, πολυλειτουργικών μοτίβων (κόμβων), είναι μικρά και «μιλούν» απευθείας μεταξύ τους . Δίκτυα αισθητήρων που βασίζονται στην κοινή εργασία ενός μεγάλου αριθμού μικροσκοπικών κόμβων, οι οποίοι αποτελούνται από μονάδες συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων, έναν πομπό. Ένα τέτοιο δίκτυο έχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με ένα σύνολο παραδοσιακών αισθητήρων. Εδώ είναι δύο βασικά χαρακτηριστικά των παραδοσιακών αισθητήρων: Οι αισθητήρες μπορούν να βρίσκονται μακριά από το παρατηρούμενο φαινόμενο. Αυτή η προσέγγιση απαιτεί πολλούς αισθητήρες που χρησιμοποιούν ορισμένες εξελιγμένες τεχνικές για να διακρίνουν στόχους από τον θόρυβο.
Μπορείτε να αναπτύξετε πολλούς αισθητήρες που συλλέγουν μόνο δεδομένα. Σχεδιάστε προσεκτικά τις θέσεις και την τοπολογία των αισθητήρων. Θα μεταδίδουν παρατηρήσεις στους κεντρικούς κόμβους, όπου θα γίνεται συλλογή και επεξεργασία δεδομένων.
Το δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από μεγάλο αριθμό κόμβων (motes), οι οποίοι βρίσκονται πυκνά κοντά στο παρατηρούμενο φαινόμενο. Η θέση των μοτίβων δεν χρειάζεται να προϋπολογιστεί. Αυτό τους επιτρέπει να τοποθετούνται τυχαία σε δυσπρόσιτες περιοχές ή να χρησιμοποιούνται για επιχειρήσεις ανακούφισης που απαιτούν γρήγορη απόκριση. Από την άλλη πλευρά, αυτό σημαίνει ότι τα πρωτόκολλα δικτύου και οι αλγόριθμοι mot πρέπει να είναι αυτο-οργανωμένα. Ένα άλλο μοναδικό χαρακτηριστικό των δικτύων αισθητήρων είναι η συνεργασία μεμονωμένων κόμβων. Τα Mote είναι εξοπλισμένα με επεξεργαστή. Επομένως, αντί να μεταβιβάσουν τα αρχικά δεδομένα, μπορούν να τα επεξεργαστούν κάνοντας απλούς υπολογισμούς και να μεταβιβάσουν μόνο τα απαραίτητα και μερικώς επεξεργασμένα δεδομένα. Τα χαρακτηριστικά που περιγράφονται παραπάνω παρέχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών για δίκτυα αισθητήρων. Τέτοια δίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον τομέα της υγείας, του στρατού και της ασφάλειας. Για παράδειγμα, τα φυσιολογικά δεδομένα για έναν ασθενή μπορούν να παρακολουθούνται εξ αποστάσεως από γιατρό. Αυτό είναι βολικό τόσο για τον ασθενή όσο και επιτρέπει στον γιατρό να κατανοήσει την τρέχουσα κατάστασή του. Τα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση ξένων χημικών παραγόντων στον αέρα και το νερό. Μπορούν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του τύπου, της συγκέντρωσης και της θέσης των ρύπων. Ουσιαστικά, τα δίκτυα αισθητήρων επιτρέπουν την καλύτερη κατανόηση του περιβάλλοντος. Αναμένουμε ότι στο μέλλον, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων θα αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της ζωής μας, περισσότερο από τους σημερινούς προσωπικούς υπολογιστές. Η υλοποίηση αυτών και άλλων έργων που απαιτούν τη χρήση ασύρματων δικτύων αισθητήρων απαιτούν ειδικές μεθόδους. Πολλά πρωτόκολλα και αλγόριθμοι έχουν αναπτυχθεί για παραδοσιακά ασύρματα δίκτυα peer-to-peer, επομένως δεν είναι κατάλληλα για μοναδικά χαρακτηριστικάκαι απαιτήσεις των δικτύων αισθητήρων. Εδώ είναι οι διαφορές μεταξύ δικτύων αισθητήρων και ομότιμων δικτύων: Ο αριθμός των κόμβων σε ένα δίκτυο αισθητήρων μπορεί να είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερος από τους κόμβους σε ένα δίκτυο ομότιμων.
Οι κόμβοι βρίσκονται σε πυκνή απόσταση.
Οι κόμβοι είναι επιρρεπείς σε αποτυχία.
Η τοπολογία των δικτύων αισθητήρων μπορεί να αλλάζει συχνά
Οι κόμβοι χρησιμοποιούν κυρίως μηνύματα εκπομπής, ενώ τα περισσότερα δίκτυα peer-to-peer βασίζονται σε επικοινωνίες από σημείο σε σημείο.
Οι κόμβοι είναι περιορισμένοι σε ισχύ, ισχύ επεξεργασίας και μνήμη.
Οι κόμβοι δεν μπορούν να έχουν καθολικό έναν αριθμό αναγνώρισης(IN) λόγω της μεγάλης ποσότητας γενικών εξόδων και του μεγάλου αριθμού αισθητήρων.
Δεδομένου ότι οι κόμβοι στο δίκτυο είναι πυκνά γεμάτοι, οι γειτονικοί κόμβοι μπορεί να είναι πολύ κοντά ο ένας στον άλλο. Επομένως, οι συνδέσεις πολλαπλών βημάτων σε δίκτυα αισθητήρων θα καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια από τις απευθείας συνδέσεις. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί χαμηλή ισχύς σήματος δεδομένων, η οποία είναι χρήσιμη στην κρυφή επιτήρηση. Οι επικοινωνίες πολλαπλών βημάτων μπορούν να ξεπεράσουν αποτελεσματικά ορισμένες από τις δυσκολίες διάδοσης του σήματος σε μεγάλες αποστάσεις στις ασύρματες επικοινωνίες. Ένας από τους πιο σημαντικούς περιορισμούς για τους κόμβους είναι η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Τα Motes έχουν περιορισμένες πηγές ενέργειας. Έτσι, ενώ τα παραδοσιακά δίκτυα επικεντρώνονται στην επίτευξη υψηλής ποιότητας σήματος, τα πρωτόκολλα δικτύων mot θα πρέπει να επικεντρώνονται κυρίως στην εξοικονόμηση ενέργειας. Πρέπει να διαθέτουν μηχανισμούς που να επιτρέπουν στο χρήστη να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του mote είτε μειώνοντας την απόδοση είτε αυξάνοντας την καθυστέρηση μεταφοράς δεδομένων. Πολλοί ερευνητές συμμετέχουν επί του παρόντος στην ανάπτυξη κυκλωμάτων που πληρούν αυτές τις απαιτήσεις. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τα πρωτόκολλα και τους αλγόριθμους που υπάρχουν επί του παρόντος για δίκτυα αισθητήρων. Στόχος μας είναι να παρέχουμε μια καλύτερη κατανόηση των τρεχόντων ερευνητικών θεμάτων σε αυτόν τον τομέα. Θα προσπαθήσουμε επίσης να διερευνήσουμε τους σχεδιαστικούς περιορισμούς και να εντοπίσουμε εργαλεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση προβλημάτων σχεδιασμού. Το άρθρο είναι οργανωμένο ως εξής: στη δεύτερη ενότητα, περιγράφουμε τις δυνατότητες και τη χρησιμότητα των δικτύων αισθητήρων. Στην Ενότητα 3, συζητάμε τους παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό τέτοιων δικτύων. Μια λεπτομερής μελέτη των υφιστάμενων μεθόδων σε αυτόν τον τομέα θα εξεταστεί στην Ενότητα 4. Και θα συνοψίσουμε στην Ενότητα 5.

2. Εφαρμογή ασύρματων δικτύων αισθητήρων

Τα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να αποτελούνται από διαφορετικούς τύπους αισθητήρων, όπως σεισμικό, μαγνητικό πεδίο, θερμικό, υπέρυθρο, ακουστικό, ικανό να εκτελεί μια μεγάλη ποικιλία μετρήσεων περιβαλλοντικών συνθηκών. Για παράδειγμα, όπως:
θερμοκρασία,
υγρασία,
κυκλοφορία αυτοκινήτων,
κατάσταση αστραπής,
πίεση,
σύνθεση εδάφους,
Επίπεδο θορύβου,
η παρουσία ή η απουσία ορισμένων αντικειμένων,
μηχανικό φορτίο
δυναμικά χαρακτηριστικά όπως η ταχύτητα, η κατεύθυνση και το μέγεθος του αντικειμένου.
Τα Motes μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συνεχή ανίχνευση, ανίχνευση συμβάντων και αναγνώριση. Η έννοια της μικροαισθητήρας και ασύρματη σύνδεσηυπόσχονται πολλές νέες εφαρμογές για τέτοια δίκτυα. Τα έχουμε κατηγοριοποιήσει σύμφωνα με τους κύριους τομείς: στρατιωτικές εφαρμογές, περιβαλλοντική έρευνα, υγειονομική περίθαλψη, χρήση σε σπίτια και άλλους εμπορικούς χώρους. Αλλά είναι δυνατόν να επεκταθεί αυτή η ταξινόμηση και να προστεθούν περισσότερες κατηγορίες, όπως η εξερεύνηση του διαστήματος, η χημική επεξεργασία και η ανακούφιση από καταστροφές.

2.1. Στρατιωτική εφαρμογή

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να αποτελούν αναπόσπαστο μέρος των συστημάτων στρατιωτικής διοίκησης, επικοινωνιών, πληροφοριών, επιτήρησης και προσανατολισμού (C4ISRT). Η ταχεία ανάπτυξη, η αυτοοργάνωση και η ανοχή σφαλμάτων είναι χαρακτηριστικά των δικτύων αισθητήρων που τα καθιστούν ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για την επίλυση προβλημάτων. Δεδομένου ότι τα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να βασίζονται σε μια πυκνή ανάπτυξη κόμβων μιας χρήσης και φθηνών, η καταστροφή ορισμένων από αυτούς κατά τη διάρκεια των εχθροπραξιών δεν θα επηρεάσει τη στρατιωτική επιχείρηση με τον ίδιο τρόπο όπως η καταστροφή των παραδοσιακών αισθητήρων. Επομένως, η χρήση δικτύων αισθητήρων είναι πιο κατάλληλη για μάχες. Παραθέτουμε μερικούς ακόμη τρόπους χρήσης τέτοιων δικτύων: παρακολούθηση όπλων και πυρομαχικών φιλικών δυνάμεων, παρατήρηση της μάχης. προσανατολισμός στο έδαφος. εκτίμηση ζημιών μάχης· ανίχνευση πυρηνικών, βιολογικών και χημικών επιθέσεων. Παρακολούθηση φιλικών δυνάμεων, όπλων και πυρομαχικών: οι ηγέτες και οι διοικητές μπορούν να παρακολουθούν συνεχώς την κατάσταση των στρατευμάτων τους, την κατάσταση και τη διαθεσιμότητα εξοπλισμού και πυρομαχικών στο πεδίο της μάχης χρησιμοποιώντας δίκτυα αισθητήρων. Κάθε όχημα, εξοπλισμός και σημαντικά πυρομαχικά μπορούν να έχουν συνδεδεμένους αισθητήρες για να αναφέρουν την κατάστασή τους. Αυτά τα δεδομένα συλλέγονται μαζί στο βασικοί κόμβοικαι έστειλε στους αρχηγούς. Τα δεδομένα μπορούν επίσης να ανακατευθυνθούν σε υψηλότερα επίπεδα της ιεραρχίας εντολών για να συνδυαστούν με δεδομένα από άλλα μέρη. Παρατηρήσεις μάχης: Κρίσιμες περιοχές, μονοπάτια, διαδρομές και στενά μπορούν να καλυφθούν γρήγορα με δίκτυα αισθητήρων για τη μελέτη των δραστηριοτήτων των εχθρικών δυνάμεων. Κατά τη διάρκεια των επιχειρήσεων ή μετά την ανάπτυξη νέων σχεδίων, δίκτυα αισθητήρων μπορούν να αναπτυχθούν ανά πάσα στιγμή για την παρακολούθηση της μάχης. Enemy Force and Terrain Reconnaissance: Τα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να αναπτυχθούν σε κρίσιμες περιοχές και πολύτιμα, λεπτομερή και έγκαιρα δεδομένα για τις εχθρικές δυνάμεις και το έδαφος μπορούν να συλλεχθούν μέσα σε λίγα λεπτά προτού ο εχθρός μπορέσει να τα αναχαιτίσει. Προσανατολισμός: τα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα καθοδήγησης έξυπνων πυρομαχικών. Εκτίμηση ζημιών μετά τη μάχη: Λίγο πριν ή μετά από μια επίθεση, δίκτυα αισθητήρων μπορούν να αναπτυχθούν στην περιοχή στόχο για τη συλλογή δεδομένων εκτίμησης ζημιών. Ανίχνευση πυρηνικών, βιολογικών και χημικών επιθέσεων: Κατά τη χρήση χημικών ή βιολογικών όπλων, η χρήση των οποίων είναι σχεδόν μηδενική, είναι σημαντικό να υπάρχει έγκαιρη και ακριβής αναγνώριση των χημικών παραγόντων. Τα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συστήματα προειδοποίησης για χημικές ή βιολογικές επιθέσεις και δεδομένα που συλλέγονται σε σύντομο χρονικό διάστημασυμβάλει στη δραστική μείωση του αριθμού των θυμάτων. Είναι επίσης δυνατή η χρήση δικτύων αισθητήρων για λεπτομερή αναγνώριση μετά την ανίχνευση τέτοιων επιθέσεων. Για παράδειγμα, είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί αναγνώριση σε περίπτωση μόλυνσης από ακτινοβολία χωρίς να εκτεθούν οι άνθρωποι σε ακτινοβολία.

2.2. Περιβαλλοντική εφαρμογή

Μερικοί από τους τομείς στην οικολογία όπου χρησιμοποιούνται δίκτυα αισθητήρων είναι: παρακολούθηση της κίνησης πουλιών, μικρών ζώων και εντόμων. παρακολούθηση της κατάστασης του περιβάλλοντος για τον εντοπισμό των επιπτώσεών του στις καλλιέργειες και τα ζώα· άρδευση; μεγάλης κλίμακας παρακολούθηση της γης και πλανητική εξερεύνηση· χημική / βιολογική ανίχνευση? ανίχνευση δασικών πυρκαγιών· μετεωρολογική ή γεωφυσική έρευνα· ανίχνευση πλημμύρας? και έρευνα για τη ρύπανση. Ανίχνευση πυρκαγιάς: Επειδή τα μόρια μπορούν να αναπτυχθούν στρατηγικά και στενά σε ένα δάσος, μπορούν να αναμεταδώσουν την ακριβή προέλευση μιας πυρκαγιάς προτού η φωτιά φύγει εκτός ελέγχου. Εκατομμύρια αισθητήρες μπορούν να αναπτυχθούν σε συνεχή βάση. Μπορούν να εξοπλιστούν με ηλιακούς συλλέκτες, καθώς οι κόμβοι μπορούν να μείνουν χωρίς επίβλεψη για μήνες ή και χρόνια. Τα Motes θα συνεργαστούν για να εκτελέσουν εργασίες κατανεμημένης ανίχνευσης και να ξεπεράσουν εμπόδια όπως δέντρα και βράχους που μπλοκάρουν τους ενσύρματους αισθητήρες. Χαρτογράφηση της βιοκατάστασης του περιβάλλοντος: Απαιτεί σύνθετες προσεγγίσεις για την ενσωμάτωση πληροφοριών σε χρονικές και διαστημικές κλίμακες. Η πρόοδος στην τεχνολογία τηλεπισκόπησης και η αυτοματοποιημένη συλλογή δεδομένων έχουν μειώσει σημαντικά το κόστος της έρευνας. Το πλεονέκτημα αυτών των δικτύων είναι ότι οι κόμβοι μπορούν να συνδεθούν στο Διαδίκτυο, γεγονός που επιτρέπει στους απομακρυσμένους χρήστες να ελέγχουν, να παρακολουθούν και να παρατηρούν το περιβάλλον. Αν και οι δορυφορικοί και αερομεταφερόμενοι αισθητήρες είναι χρήσιμοι για την παρατήρηση της μεγάλης ποικιλομορφίας, όπως η χωρική πολυπλοκότητα των κυρίαρχων φυτικών ειδών, δεν επιτρέπουν την παρατήρηση των μικρών στοιχείων που αποτελούν την πλειοψηφία ενός οικοσυστήματος. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει ανάγκη ανάπτυξης κόμβων ασύρματου δικτύου αισθητήρων στο πεδίο. Ένα παράδειγμα εφαρμογής είναι η βιολογική χαρτογράφηση του περιβάλλοντος σε ένα αποθεματικό στη Νότια Καλιφόρνια. Τρεις τοποθεσίες καλύπτονται από ένα δίκτυο, καθένα από τα οποία έχει 25-100 κόμβους, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για συνεχή παρακολούθηση της κατάστασης του περιβάλλοντος. Ανίχνευση πλημμύρας: Ένα παράδειγμα ανίχνευσης πλημμύρας είναι το σύστημα δημοσίων αναγγελιών στις Ηνωμένες Πολιτείες. Διάφοροι τύποι αισθητήρων που τοποθετούνται στο σύστημα προειδοποίησης καθορίζουν το επίπεδο βροχόπτωσης, τη στάθμη του νερού και τον καιρό. Ερευνητικά έργα όπως το COUGAR Device Database Project στο Πανεπιστήμιο Cornell και το DataSpace Project στο Πανεπιστήμιο Rutgers διερευνούν διαφορετικές προσεγγίσεις για την αλληλεπίδραση με μεμονωμένους κόμβους σε ένα δίκτυο για τη λήψη στιγμιότυπων και μακροπρόθεσμων δεδομένων. Γεωργία: Το πλεονέκτημα των δικτύων αισθητήρων είναι επίσης η δυνατότητα παρακολούθησης των επιπέδων φυτοφαρμάκων στο νερό, των επιπέδων διάβρωσης του εδάφους και των επιπέδων ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε πραγματικό χρόνο.

2.3. Εφαρμογή στην ιατρική

Μία εφαρμογή στην ιατρική είναι σε συσκευές για άτομα με ειδικές ανάγκες. παρακολούθηση ασθενών· διαγνωστικά? παρακολούθηση της χρήσης φαρμάκων στα νοσοκομεία· συλλογή ανθρώπινων φυσιολογικών δεδομένων· και παρακολούθηση γιατρών και ασθενών στα νοσοκομεία. Παρακολούθηση της ανθρώπινης φυσιολογικής κατάστασης: φυσιολογικά δεδομένα που συλλέγονται από δίκτυα αισθητήρων μπορούν να αποθηκευτούν για μεγάλο χρονικό διάστημα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ιατρική έρευνα. Οι εγκατεστημένοι κόμβοι δικτύου μπορούν επίσης να παρακολουθούν τις κινήσεις των ηλικιωμένων και, για παράδειγμα, να αποτρέπουν τις πτώσεις. Αυτοί οι κόμβοι είναι μικροί και παρέχουν στον ασθενή μεγαλύτερη ελευθερία κινήσεων, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπουν στους γιατρούς να αναγνωρίσουν τα συμπτώματα της νόσου εκ των προτέρων. Επιπλέον, συμβάλλουν σε μια πιο άνετη ζωή για τους ασθενείς σε σύγκριση με τη νοσοκομειακή περίθαλψη. Για να ελέγξει τη σκοπιμότητα ενός τέτοιου συστήματος, η Ιατρική Σχολή Γκρενόμπλ-Γαλλία δημιούργησε το «Υγιές έξυπνο σπίτι"". . Παρακολούθηση γιατρών και ασθενών στο νοσοκομείο: κάθε ασθενής έχει έναν μικρό και ελαφρύ κόμβο δικτύου. Κάθε κόμβος έχει τη δική του συγκεκριμένη εργασία. Για παράδειγμα, κάποιος μπορεί να παρακολουθεί τον καρδιακό σας ρυθμό ενώ ένας άλλος μετράει την αρτηριακή σας πίεση. Οι γιατροί μπορεί επίσης να έχουν έναν τέτοιο κόμβο, θα επιτρέψει σε άλλους γιατρούς να τους βρουν στο νοσοκομείο. Παρακολούθηση φαρμάκων στα νοσοκομεία: Οι κόμβοι μπορούν να συνδεθούν στα φάρμακα, τότε οι πιθανότητες χορήγησης του λάθος φαρμάκου μπορούν να ελαχιστοποιηθούν. Έτσι, οι ασθενείς θα έχουν κόμβους που καθορίζουν τις αλλεργίες τους και τα απαραίτητα φάρμακα. Τα ηλεκτρονικά συστήματα όπως περιγράφονται στο έχουν δείξει ότι μπορούν να βοηθήσουν στην ελαχιστοποίηση των παρενεργειών της εσφαλμένης χορήγησης φαρμάκων.

2.4. Εφαρμογή στο σπίτι

Οικιακός αυτοματισμός: Οι έξυπνοι κόμβοι μπορούν να ενσωματωθούν σε οικιακές συσκευές, όπως ηλεκτρικές σκούπες, φούρνους μικροκυμάτων, ψυγεία και VCR. Μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους και με εξωτερικό δίκτυο μέσω Διαδικτύου ή δορυφόρου. Αυτό θα επιτρέψει στους τελικούς χρήστες να διαχειρίζονται εύκολα συσκευές στο σπίτι, τόσο τοπικά όσο και απομακρυσμένα. Έξυπνο περιβάλλον: Ο σχεδιασμός του έξυπνου περιβάλλοντος μπορεί να ακολουθήσει δύο διαφορετικές προσεγγίσεις, δηλαδή ανθρωποκεντρικό ή τεχνολογικό. Στην περίπτωση της πρώτης προσέγγισης, το έξυπνο περιβάλλον πρέπει να προσαρμοστεί στις ανάγκες των τελικών χρηστών όσον αφορά την αλληλεπίδραση μαζί τους. Για συστήματα με επίκεντρο την τεχνολογία, πρέπει να αναπτυχθούν νέες τεχνολογίες υλικού, δικτυακές λύσεις, και ενδιάμεσες εφαρμογές. Παραδείγματα για το πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι κόμβοι για τη δημιουργία ενός έξυπνου περιβάλλοντος περιγράφονται στο . Οι κόμβοι μπορούν να ενσωματωθούν σε έπιπλα και συσκευές, μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους και με τον διακομιστή δωματίου. Ο διακομιστής δωματίου μπορεί επίσης να επικοινωνήσει με άλλους διακομιστές δωματίου για να μάθει για τις υπηρεσίες που μπορούν να προσφέρουν, όπως εκτύπωση, σάρωση και αποστολή φαξ. Αυτοί οι διακομιστές και οι κόμβοι αισθητήρων μπορούν να ενσωματωθούν σε υπάρχουσες ενσωματωμένες συσκευές και να συνιστούν συστήματα αυτοοργάνωσης, αυτορύθμισης και προσαρμογής που βασίζονται στο μοντέλο της θεωρίας ελέγχου όπως περιγράφεται στο .

3. Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη μοντέλων δικτύων αισθητήρων.

Η ανάπτυξη των δικτύων αισθητήρων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, οι οποίοι περιλαμβάνουν την ανοχή σφαλμάτων, την επεκτασιμότητα, το κόστος παραγωγής, τον τύπο του περιβάλλοντος λειτουργίας, την τοπολογία του δικτύου αισθητήρων, τους περιορισμούς υλικού, το μοντέλο μετάδοσης πληροφοριών και την κατανάλωση ενέργειας. Αυτοί οι παράγοντες λαμβάνονται υπόψη από πολλούς ερευνητές. Ωστόσο, καμία από αυτές τις μελέτες δεν λαμβάνει πλήρως υπόψη όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό του δικτύου. Είναι σημαντικά γιατί χρησιμεύουν ως κατευθυντήρια γραμμή για την ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου ή αλγορίθμων για τη λειτουργία των δικτύων αισθητήρων. Επιπλέον, αυτοί οι παράγοντες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύγκριση διαφορετικών μοντέλων.

3.1. ανοχή σε σφάλματα

Ορισμένοι κόμβοι ενδέχεται να αποτύχουν λόγω έλλειψης ισχύος, φυσικής βλάβης ή παρεμβολής τρίτων. Η αποτυχία κόμβου δεν πρέπει να επηρεάζει τη λειτουργία του δικτύου αισθητήρων. Αυτό είναι θέμα αξιοπιστίας και ανοχής σφαλμάτων. Ανοχή σφαλμάτων - η δυνατότητα διατήρησης της λειτουργικότητας του δικτύου αισθητήρων χωρίς αποτυχία όταν ένας κόμβος αποτυγχάνει. Αξιοπιστία Η ανοχή σφαλμάτων Rk(t) ή κόμβου μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας μια κατανομή Poisson για τον προσδιορισμό της πιθανότητας μη αποτυχίας κόμβου στη χρονική περίοδο (0; t) Αξίζει να σημειωθεί ότι τα πρωτόκολλα και οι αλγόριθμοι μπορούν να προσανατολιστούν στο επίπεδο ανοχής σφαλμάτων απαιτείται για την κατασκευή δικτύων αισθητήρων. Εάν το περιβάλλον στο οποίο τοποθετούνται οι κόμβοι είναι λιγότερο επιρρεπές σε παρεμβολές, τότε τα πρωτόκολλα μπορεί να είναι λιγότερο ανεκτικά σε σφάλματα. Για παράδειγμα, εάν εισαχθούν κόμβοι σε ένα σπίτι για την παρακολούθηση των επιπέδων υγρασίας και θερμοκρασίας, οι απαιτήσεις για ανοχή σφαλμάτων μπορεί να είναι χαμηλές, καθώς τέτοια δίκτυα αισθητήρων δεν μπορούν να αποτύχουν και ο «θόρυβος» του περιβάλλοντος δεν επηρεάζει τη λειτουργία τους. Από την άλλη πλευρά, εάν οι κόμβοι χρησιμοποιούνται στο πεδίο της μάχης για επιτήρηση, τότε η ανοχή σφαλμάτων θα πρέπει να είναι υψηλή, καθώς η επιτήρηση είναι κρίσιμη και οι κόμβοι μπορούν να καταστραφούν κατά τη διάρκεια εχθροπραξιών. Ως αποτέλεσμα, το επίπεδο ανοχής σε σφάλματα εξαρτάται από την εφαρμογή των δικτύων αισθητήρων και τα μοντέλα πρέπει να αναπτυχθούν έχοντας αυτό κατά νου.

3.2. Επεκτασιμότητα

Ο αριθμός των κόμβων που αναπτύσσονται για τη μελέτη του φαινομένου μπορεί να είναι της τάξης των εκατοντάδων ή χιλιάδων. Ανάλογα με την εφαρμογή, ο αριθμός μπορεί να φτάσει σε ακραίες τιμές (εκατομμύρια). Τα νέα μοντέλα θα πρέπει να μπορούν να χειρίζονται αυτόν τον αριθμό κόμβων. Πρέπει επίσης να χρησιμοποιούν δίκτυα αισθητήρων υψηλής πυκνότητας, τα οποία μπορεί να κυμαίνονται από μερικούς κόμβους έως αρκετές εκατοντάδες σε μια περιοχή που μπορεί να έχει διάμετρο μικρότερη από 10 μέτρα. Η πυκνότητα μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με:

3.3. Κόστος παραγωγής

Εφόσον τα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από μεγάλο αριθμό κόμβων, το κόστος ανά κόμβο πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να δικαιολογεί το συνολικό κόστος του δικτύου. Εάν το κόστος του δικτύου είναι υψηλότερο από την ανάπτυξη των παραδοσιακών αισθητήρων, τότε δεν είναι οικονομικά βιώσιμο. Ως αποτέλεσμα, το κόστος κάθε κόμβου πρέπει να είναι χαμηλό. Τώρα το κόστος ενός κόμβου που χρησιμοποιεί πομπό Bluetooth είναι λιγότερο από 10 $. Η τιμή για το PicoNode είναι περίπου 1 $. Επομένως, το κόστος ενός κόμβου δικτύου αισθητήρων θα πρέπει να είναι πολύ μικρότερο από $1 για την οικονομική αιτιολόγηση της χρήσης τους. Το κόστος ενός κόμβου Bluetooth, που θεωρείται φθηνή συσκευή, είναι 10 φορές υψηλότερο από τη μέση τιμή των κόμβων δικτύου αισθητήρων. Λάβετε υπόψη ότι ο κόμβος διαθέτει επίσης ορισμένες πρόσθετες μονάδες, όπως μια μονάδα απόκτησης δεδομένων και μια μονάδα επεξεργασίας δεδομένων (που περιγράφεται στην ενότητα 3.4.) Επιπλέον, μπορούν να εξοπλιστούν με σύστημα εντοπισμού θέσης ή γεννήτρια ισχύος, ανάλογα με την εφαρμογή του αισθητήρα δίκτυα. Ως αποτέλεσμα, το κόστος ενός κόμβου είναι ένα σύνθετο ζήτημα, δεδομένου του αριθμού λειτουργικότηταακόμα κι αν η τιμή είναι μικρότερη από 1 $.

3.4. Χαρακτηριστικά υλικού

Ένας κόμβος δικτύου αισθητήρων αποτελείται από τέσσερα κύρια στοιχεία, όπως φαίνεται στο Σχ. 1: μονάδα απόκτησης δεδομένων, μονάδα επεξεργασίας, πομπός και τροφοδοτικό. Η παρουσία πρόσθετων μονάδων εξαρτάται από την εφαρμογή δικτύου, για παράδειγμα, μπορεί να υπάρχουν μονάδες εντοπισμού θέσης, μια γεννήτρια ισχύος και ένας κινητοποιητής (MAC). Η μονάδα απόκτησης δεδομένων αποτελείται συνήθως από δύο μέρη: αισθητήρες και μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (ADC). Το αναλογικό σήμα που παράγεται από τον αισθητήρα με βάση το παρατηρούμενο φαινόμενο μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμαχρησιμοποιώντας το ADC και στη συνέχεια τροφοδοτείται στη μονάδα επεξεργασίας. Η μονάδα επεξεργασίας, η οποία χρησιμοποιεί την ενσωματωμένη μνήμη, διαχειρίζεται τις διαδικασίες που επιτρέπουν, σε συνδυασμό με άλλους κόμβους, να εκτελούν τις εργασίες παρακολούθησης που έχουν ανατεθεί. Η μονάδα πομπού (πομποδέκτης) συνδέει τον κόμβο με το δίκτυο. Ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία του κόμβου είναι το τροφοδοτικό. Το τροφοδοτικό μπορεί να είναι επαναφορτιζόμενο, για παράδειγμα με χρήση ηλιακών συλλεκτών.

Οι περισσότεροι κόμβοι που μεταδίδουν δεδομένα και συλλέγουν δεδομένα πρέπει να γνωρίζουν τη θέση τους με υψηλή ακρίβεια. Επομένως, μια μονάδα τοποθεσίας περιλαμβάνεται στο συνολικό σχήμα. Μερικές φορές μπορεί να χρειαστείτε έναν κινητοποιητή που, εάν είναι απαραίτητο, μετακινεί τον κόμβο όταν είναι απαραίτητο να ολοκληρώσετε τις εργασίες. Όλες αυτές οι μονάδες μπορεί να χρειαστεί να στεγαστούν σε περίβλημα μεγέθους σπιρτόκουτου. Το μέγεθος του κόμπου μπορεί να είναι μικρότερο από ένα κυβικό εκατοστό και αρκετά ελαφρύ ώστε να παραμένει στον αέρα. Εκτός από το μέγεθος, υπάρχουν και κάποια άλλα σκληρά όρια για τους κόμβους. Αυτοί πρέπει :
καταναλώνουν πολύ λίγη ενέργεια
εργασία με μεγάλο αριθμό κόμβων σε μικρές αποστάσεις,
έχουν χαμηλό κόστος παραγωγής
να είναι αυτόνομη και να εργάζεται χωρίς επίβλεψη,
προσαρμοστούν στο περιβάλλον.
Δεδομένου ότι οι κόμβοι μπορεί να μην είναι διαθέσιμοι, η διάρκεια ζωής του δικτύου αισθητήρων εξαρτάται από την ισχύ των μεμονωμένων κόμβων. Φαγητό περιορισμένους πόρουςκαι λόγω περιορισμών μεγέθους. Για παράδειγμα, η συνολική αποθήκευση ενέργειας ενός έξυπνου κόμβου είναι της τάξης του 1 J. Για ασύρματο ενσωματωμένο δίκτυο αισθητήρων (WINS), το μέσο επίπεδο φόρτισης θα πρέπει να είναι μικρότερο από 30 LA για να διασφαλιστεί μεγάλη διάρκεια λειτουργίας. Είναι δυνατό να παραταθεί η διάρκεια ζωής των δικτύων αισθητήρων χρησιμοποιώντας επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, για παράδειγμα, λαμβάνοντας ενέργεια από το περιβάλλον. Τα ηλιακά πάνελ είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα χρήσης της επαναφόρτισης. Η μονάδα επικοινωνίας κόμβου μπορεί να είναι μια παθητική ή ενεργή οπτική συσκευή, όπως σε έναν έξυπνο κόμβο, ή ένας πομπός ραδιοσυχνοτήτων (RF). Η μετάδοση ραδιοσυχνοτήτων χρειάζεται μια μονάδα διαμόρφωσης που χρησιμοποιεί ένα ορισμένο εύρος ζώνης, μια μονάδα φιλτραρίσματος, μια μονάδα αποδιαμόρφωσης, που τις καθιστά πιο περίπλοκες και ακριβές. Επιπλέον, μπορεί να υπάρξει απώλεια στη μετάδοση δεδομένων μεταξύ δύο κόμβων λόγω του γεγονότος ότι οι κεραίες βρίσκονται κοντά στο έδαφος. Ωστόσο, η ραδιοεπικοινωνία προτιμάται στα περισσότερα υπάρχοντα σχέδια δικτύων αισθητήρων επειδή οι ρυθμοί δεδομένων είναι χαμηλοί (συνήθως μικρότεροι από 1 Hz) και οι ρυθμοί κύκλου μετάδοσης είναι υψηλοί λόγω μικρών αποστάσεων. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν τη χρήση χαμηλών ραδιοσυχνοτήτων. Ωστόσο, ο σχεδιασμός ενεργειακά αποδοτικών και χαμηλής συχνότητας ραδιοπομπών εξακολουθεί να αποτελεί τεχνική πρόκληση και οι υπάρχουσες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή συσκευών Bluetooth δεν είναι αρκετά αποδοτικές για δίκτυα αισθητήρων, καθώς καταναλώνουν πολλή ενέργεια. Αν και οι επεξεργαστές συρρικνώνονται συνεχώς σε μέγεθος και αυξάνονται σε ισχύ, η επεξεργασία και η αποθήκευση δεδομένων από τον κόμβο εξακολουθεί να είναι το αδύνατο σημείο του. Για παράδειγμα, η μονάδα επεξεργασίας έξυπνου κόμβου αποτελείται από έναν επεξεργαστή 4 MHz Atmel AVR8535, έναν μικροελεγκτή με 8 KB για οδηγίες, μνήμη flash, 512 byte μνήμης RAM και 512 byte EEPROM. Αυτή η μονάδα, η οποία έχει 3500 byte για το λειτουργικό σύστημα και 4500 byte ελεύθερης μνήμης για τον κώδικα, χρησιμοποιεί το λειτουργικό σύστημα TinyOS. Η μονάδα επεξεργασίας ενός άλλου πρωτότυπου κόμβου lAMPS έχει επεξεργαστή SA-1110 59-206 MHz. Οι κόμβοι IAMPS χρησιμοποιούν λειτουργικό σύστημα πολλαπλών νημάτων. Σύστημα L-OS. Οι περισσότερες εργασίες συλλογής δεδομένων απαιτούν γνώση της θέσης του κόμβου. Δεδομένου ότι οι κόμβοι βρίσκονται συνήθως τυχαία και χωρίς επίβλεψη, πρέπει να συνεργάζονται χρησιμοποιώντας ένα σύστημα εντοπισμού θέσης. Ο προσδιορισμός θέσης χρησιμοποιείται σε πολλά πρωτόκολλα δρομολόγησης δικτύου αισθητήρων (περισσότερες λεπτομέρειες στην Ενότητα 4). Κάποιοι έχουν προτείνει ότι κάθε κόμβος θα πρέπει να έχει μια ενότητα Global Positioning System (GPS) που λειτουργεί σε απόσταση 5 μέτρων. Η εργασία υποστηρίζει ότι ο εξοπλισμός όλων των κόμβων με GPS δεν είναι απαραίτητος για τη λειτουργία των δικτύων αισθητήρων. Υπάρχει μια εναλλακτική προσέγγιση όπου μόνο ορισμένοι κόμβοι χρησιμοποιούν GPS και βοηθούν άλλους κόμβους να καθορίσουν τη θέση τους στο έδαφος.

3.5. Τοπολογία δικτύου

Το γεγονός ότι οι κόμβοι μπορεί να μην είναι διαθέσιμοι και να υπόκεινται σε συχνές βλάβες καθιστά τη συντήρηση του δικτύου μια πρόκληση. Στην επικράτεια του δικτύου αισθητήρων μπορούν να τοποθετηθούν από εκατοντάδες έως αρκετές χιλιάδες κόμβοι. Αναπτύσσονται σε απόσταση δέκα μέτρων. Η πυκνότητα των κόμβων μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 20 κόμβους ανά κυβικό μέτρο. Η πυκνή διάταξη πολλών κόμβων απαιτεί προσεκτική συντήρηση του δικτύου. Θα καλύψουμε θέματα που σχετίζονται με τη διατήρηση και την αλλαγή της τοπολογίας του δικτύου σε τρία στάδια:

3.5.1. Η προ-ανάπτυξη και η ανάπτυξη των κόμβων μπορεί να συνίσταται στη μαζική διασπορά των κόμβων ή στην εγκατάσταση του καθενός ξεχωριστά. Μπορούν να αναπτυχθούν:

Σκορπισμένοι από αεροπλάνο,
με την τοποθέτηση σε πύραυλο ή βλήμα
εκτινάσσεται με καταπέλτη (για παράδειγμα, από πλοίο κ.λπ.),
τοποθέτηση στο εργοστάσιο
κάθε κόμβος τοποθετείται ξεχωριστά από έναν άνθρωπο ή ένα ρομπότ.
Παρόλο μεγάλο ποσόοι αισθητήρες και η αυτόματη ανάπτυξή τους συνήθως αποκλείει την τοποθέτησή τους σύμφωνα με ένα προσεκτικά σχεδιασμένο σχέδιο, τα σχήματα για την αρχική ανάπτυξη θα πρέπει:
μείωση του κόστους εγκατάστασης
εξαλείφει την ανάγκη για οποιαδήποτε προηγούμενη οργάνωση και εκ των προτέρων προγραμματισμό,
αύξηση της ευελιξίας τοποθέτησης,
προωθούν την αυτοοργάνωση και την ανοχή σε σφάλματα.

3.5.2. Φάση μετά την ανάπτυξη του δικτύου

Μετά την ανάπτυξη του δικτύου, η αλλαγή στην τοπολογία του σχετίζεται με μια αλλαγή στα χαρακτηριστικά των κόμβων. Ας τις απαριθμήσουμε:
θέση,
προσβασιμότητα (λόγω παρεμβολών, θορύβου, κινούμενων εμποδίων κ.λπ.),
φόρτιση μπαταρίας,
δυσλειτουργίες
αλλαγή εργασιών.
Οι κόμβοι μπορούν να αναπτυχθούν στατικά. Ωστόσο, η αστοχία της συσκευής είναι συνηθισμένη λόγω εξάντλησης ή καταστροφής της μπαταρίας. Είναι δυνατά δίκτυα αισθητήρων με υψηλή κινητικότητα κόμβων. Επιπλέον, οι κόμβοι και τα δίκτυα εκτελούν διαφορετικές εργασίες και μπορεί να υπόκεινται σε σκόπιμες παρεμβολές. Έτσι, η δομή του δικτύου αισθητήρων είναι επιρρεπής σε συχνές αλλαγές μετά την ανάπτυξη.

3.5.3. Πρόσθετη φάση ανάπτυξης κόμβου

Πρόσθετοι κόμβοι μπορούν να προστεθούν ανά πάσα στιγμή για την αντικατάσταση ελαττωματικών κόμβων ή λόγω αλλαγής εργασιών. Η προσθήκη νέων κόμβων δημιουργεί την ανάγκη αναδιοργάνωσης του δικτύου. Η αντιμετώπιση συχνών αλλαγών στην τοπολογία ενός δικτύου peer-to-peer που περιέχει πολλούς κόμβους και έχει πολύ αυστηρά όρια ισχύος απαιτεί ειδικά πρωτόκολλα δρομολόγησης. Αυτό το θέμα συζητείται λεπτομερέστερα στην Ενότητα 4.

3.6. περιβάλλον

Οι κόμβοι βρίσκονται πυκνά πολύ κοντά ή άμεσα μέσα στο παρατηρούμενο φαινόμενο. Έτσι, λειτουργούν χωρίς επίβλεψη σε απομακρυσμένες γεωγραφικές περιοχές. Μπορούν να δουλέψουν
σε πολυσύχναστες διασταυρώσεις
μέσα σε μεγάλα αυτοκίνητα
στο βυθό του ωκεανού
μέσα σε έναν ανεμοστρόβιλο
στην επιφάνεια του ωκεανού κατά τη διάρκεια ενός ανεμοστρόβιλου,
σε βιολογικά και χημικά μολυσμένες περιοχές
στο πεδίο της μάχης
σε ένα σπίτι ή ένα μεγάλο κτίριο,
σε μια μεγάλη αποθήκη
προσκολλημένο σε ζώα
προσαρτάται σε γρήγορα κινούμενα οχήματα
σε υπόνομο ή ποτάμι μαζί με τη ροή του νερού.
Αυτή η λίστα δίνει μια ιδέα για τις συνθήκες υπό τις οποίες μπορούν να λειτουργήσουν οι κόμβοι. Μπορούν να λειτουργήσουν υπό υψηλή πίεση στον πυθμένα του ωκεανού, σε σκληρά περιβάλλοντα, ανάμεσα σε συντρίμμια ή στο πεδίο της μάχης, σε ακραίες θερμοκρασίες, όπως στο ακροφύσιο ενός κινητήρα αεροσκάφους ή σε αρκτικές περιοχές, σε πολύ θορυβώδη μέρη όπου υπάρχουν πολλά παρέμβαση.

3.7. Μέθοδοι μεταφοράς δεδομένων

Σε ένα δίκτυο αισθητήρων πολλαπλών βημάτων, οι κόμβοι επικοινωνούν ασύρματα. Η επικοινωνία μπορεί να γίνει μέσω ραδιοφώνου, υπέρυθρων ή οπτικών μέσων. Για να χρησιμοποιηθούν αυτές οι μέθοδοι παγκοσμίως, το μέσο μετάδοσης πρέπει να είναι διαθέσιμο σε όλο τον κόσμο. Μια επιλογή για ραδιοεπικοινωνίες είναι η χρήση των βιομηχανικών, επιστημονικών και ιατρικών ζωνών (ISM), οι οποίες είναι διαθέσιμες χωρίς άδεια στις περισσότερες χώρες. Ορισμένες από τις συχνότητες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν περιγράφονται στον διεθνή πίνακα συχνοτήτων που περιέχεται στο άρθρο S5 σχετικά με τους κανονισμούς ραδιοφώνου (Τόμος 1). Ορισμένες από αυτές τις συχνότητες χρησιμοποιούνται ήδη στην ασύρματη τηλεφωνία και την ασύρματη τοπικά δίκτυα(WLAN). Για δίκτυα αισθητήρων μικρού μεγέθους και χαμηλού κόστους, δεν απαιτείται ενισχυτής σήματος. Σύμφωνα με το , οι περιορισμοί υλικού και οι αντισταθμίσεις μεταξύ της απόδοσης της κεραίας και της κατανάλωσης ισχύος επιβάλλουν ορισμένους περιορισμούς στην επιλογή της συχνότητας μετάδοσης στο εύρος συχνοτήτων μικροκυμάτων. Προσφέρουν επίσης ISM 433 MHz στην Ευρώπη και 915 MHz ISM στη Βόρεια Αμερική. Πιθανά μοντέλα πομπών για αυτές τις δύο ζώνες συζητούνται στο. Τα κύρια πλεονεκτήματα της χρήσης ραδιοσυχνοτήτων ISM είναι το ευρύ φάσμα συχνοτήτων και η παγκόσμια διαθεσιμότητα. Δεν συνδέονται με ένα συγκεκριμένο πρότυπο, δίνοντας έτσι μεγαλύτερη ελευθερία στην εφαρμογή στρατηγικών εξοικονόμησης ενέργειας σε δίκτυα αισθητήρων. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν διάφοροι κανόνες και περιορισμοί, όπως διάφοροι νόμοι και παρεμβολές από υπάρχουσες εφαρμογές. Αυτές οι ζώνες συχνοτήτων ονομάζονται επίσης μη ρυθμισμένες συχνότητες. Το μεγαλύτερο μέρος του σημερινού εξοπλισμού κόμβων βασίζεται στη χρήση ραδιοπομπών. Οι ασύρματοι κόμβοι του IAMPS, που περιγράφονται στο , χρησιμοποιούν πομπούς 2,4 GHz με δυνατότητα Bluetooth και διαθέτουν ενσωματωμένο συνθεσάιζερ συχνότητας. Η συσκευή των κόμβων χαμηλής ισχύος περιγράφεται στην εργασία, χρησιμοποιούν ένα κανάλι μετάδοσης ραδιοφώνου, το οποίο λειτουργεί σε συχνότητα 916 MHz. Η αρχιτεκτονική WINS χρησιμοποιεί επίσης ραδιόφωνο. Αλλο πιθανός τρόποςΗ επικοινωνία στα δίκτυα αισθητήρων είναι υπέρυθρη. Η επικοινωνία IR είναι διαθέσιμη χωρίς άδεια και είναι απρόσβλητη σε ηλεκτρικές παρεμβολές. Οι πομποί υπερύθρων είναι φθηνότεροι και ευκολότεροι στην κατασκευή. Πολλοί από τους σημερινούς φορητούς υπολογιστές, PDA και κινητά τηλέφωνα χρησιμοποιούν μια διεπαφή IR για μεταφορά δεδομένων. Το κύριο μειονέκτημα μιας τέτοιας επικοινωνίας είναι η απαίτηση άμεσης ορατότητας μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη. Αυτό καθιστά τις επικοινωνίες υπερύθρων ανεπιθύμητες για χρήση σε δίκτυα αισθητήρων λόγω του μέσου μετάδοσης. Μια ενδιαφέρουσα μέθοδος μετάδοσης είναι η χρήση έξυπνων κόμβων, οι οποίοι είναι μονάδες για αυτόματη παρακολούθηση και επεξεργασία δεδομένων. Χρησιμοποιούν ένα οπτικό μέσο για μετάδοση. Υπάρχουν δύο σχήματα μετάδοσης, παθητική με χρήση ανακλαστήρα γωνίας-κύβου (CCR) και ενεργή με χρήση διόδου λέιζερ και ελεγχόμενων κατόπτρων (συζητείται στο ). Στην πρώτη περίπτωση, δεν απαιτείται ενσωματωμένη πηγή φωτός, χρησιμοποιείται διαμόρφωση τριών κατόπτρων (CCR) για μετάδοση σήματος. Η ενεργή μέθοδος χρησιμοποιεί μια δίοδο λέιζερ και ένα ενεργό σύστημα επικοινωνίας λέιζερ για να στείλει δέσμες φωτός στον επιδιωκόμενο δέκτη. Οι ασυνήθιστες απαιτήσεις εφαρμογής των δικτύων αισθητήρων καθιστούν δύσκολη την επιλογή του μέσου μετάδοσης. Για παράδειγμα, οι θαλάσσιες εφαρμογές απαιτούν τη χρήση υδάτινου μέσου μετάδοσης. Εδώ πρέπει να χρησιμοποιήσετε ακτινοβολία μακρών κυμάτων, η οποία μπορεί να διεισδύσει στην επιφάνεια του νερού. Σε δύσκολο έδαφος ή στο πεδίο της μάχης, ενδέχεται να προκύψουν σφάλματα και περισσότερες παρεμβολές. Επιπλέον, μπορεί να αποδειχθεί ότι οι κεραίες κόμβων δεν έχουν το απαραίτητο ύψος και ισχύ ακτινοβολίας για επικοινωνία με άλλες συσκευές. Επομένως, η επιλογή του μέσου μετάδοσης πρέπει να συνοδεύεται από αξιόπιστα σχήματα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης, τα οποία εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά του καναλιού μετάδοσης.

3.8. Κατανάλωση ενέργειας

Ο ασύρματος κόμβος, ως μικροηλεκτρονική συσκευή, μπορεί να εξοπλιστεί μόνο με περιορισμένη παροχή ρεύματος (

3.8.1. Σύνδεση

Ένας κόμβος ξοδεύει τη μέγιστη ενέργεια του στην επικοινωνία, η οποία περιλαμβάνει τόσο τη μετάδοση όσο και τη λήψη δεδομένων. Μπορεί να ειπωθεί ότι για να επικοινωνήσει ΚΟΝΤΙΝΕΣ ΑΠΟΣΤΑΣΕΙΣμε χαμηλή ισχύ εκπομπής, η μετάδοση και η λήψη απαιτούν περίπου την ίδια ποσότητα ενέργειας. Οι συνθεσάιζερ συχνότητας, οι ταλαντωτές ελέγχου τάσης, ο αποκλεισμός φάσης (PLL) και οι ενισχυτές ισχύος απαιτούν ενέργεια, η οποία είναι περιορισμένη. Είναι σημαντικό σε αυτή την περίπτωση να μην λαμβάνουμε υπόψη μόνο την ενεργό ισχύ, αλλά και την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά την εκκίνηση των πομπών. Η εκκίνηση του πομπού διαρκεί ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, επομένως καταναλώνει αμελητέες ποσότητες ενέργειας. Αυτή η τιμή μπορεί να συγκριθεί με τον χρόνο κλειδώματος PLL. Ωστόσο, καθώς το μεταδιδόμενο πακέτο μειώνεται, η ισχύς εκκίνησης αρχίζει να κυριαρχεί στην κατανάλωση ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, είναι αναποτελεσματικό να ενεργοποιείτε και να απενεργοποιείτε συνεχώς τον πομπό, επειδή το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας θα δαπανηθεί σε αυτό. Επί του παρόντος, οι ραδιοπομποί χαμηλής ισχύος έχουν τυπικές τιμές Pt και Pr 20 dBm και Pout κοντά στα 0 dBm. Σημειώστε ότι το PicoRadio που κατευθύνεται στον υπολογιστή είναι -20dBm. Ο σχεδιασμός μικρού μεγέθους, φθηνών πομπών συζητείται στην πηγή. Με βάση τα αποτελέσματά τους, οι συντάκτες αυτού του άρθρου, δεδομένων των εκτιμήσεων προϋπολογισμού και ενέργειας, πιστεύουν ότι οι τιμές των Pt και Pr θα πρέπει να είναι τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους μικρότερες από τις τιμές που δίνονται παραπάνω.

3.8.2. Επεξεργασία δεδομένων

Η κατανάλωση ενέργειας της επεξεργασίας δεδομένων είναι πολύ μικρότερη σε σύγκριση με τη μετάδοση δεδομένων. Το παράδειγμα που περιγράφεται στην εργασία δείχνει στην πραγματικότητα αυτή την ασυμφωνία. Με βάση τη θεωρία του Rayleigh ότι το ένα τέταρτο της ισχύος χάνεται κατά τη μετάδοση, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η κατανάλωση ενέργειας για μετάδοση 1 KB σε απόσταση 100 m θα είναι περίπου ίδια με την εκτέλεση 3 εκατομμυρίων εντολών με ρυθμό 100 εκατομμυρίων εντολών ανά δεύτερο (MIPS )/W από τον επεξεργαστή. Ως εκ τούτου, η τοπική επεξεργασία δεδομένων είναι κρίσιμη για την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας σε ένα δίκτυο αισθητήρων πολλαπλών βημάτων. Επομένως, οι κόμβοι πρέπει να έχουν ενσωματωμένες υπολογιστικές δυνατότητες και να μπορούν να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Οι περιορισμοί κόστους και μεγέθους θα μας οδηγήσουν να επιλέξουμε τους ημιαγωγούς (CMOS) ως την κύρια τεχνολογία για μικροεπεξεργαστές. Δυστυχώς, έχουν όρια στην ενεργειακή απόδοση. Το CMOS απαιτεί τροφοδοσία κάθε φορά που αλλάζει κατάσταση. Απαιτούμενη ενέργεια για την αλλαγή καταστάσεων, ανάλογη με τη συχνότητα μεταγωγής, τη χωρητικότητα (ανάλογα με την περιοχή) και τις διακυμάνσεις τάσης. Επομένως, η μείωση της τάσης τροφοδοσίας είναι ένα αποτελεσματικό μέσο μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας στην ενεργή κατάσταση. Η δυναμική κλιμάκωση τάσης, που συζητήθηκε στο , επιδιώκει να προσαρμόσει την ισχύ και τη συχνότητα του επεξεργαστή ανάλογα με το φόρτο εργασίας. Όταν το φορτίο επεξεργασίας στον μικροεπεξεργαστή μειώνεται, η απλή μείωση της συχνότητας δίνει γραμμική μείωση στην κατανάλωση ενέργειας, ωστόσο, η μείωση της τάσης λειτουργίας μας δίνει τετραγωνική μείωση του κόστους ισχύος. Από την άλλη πλευρά, όλες οι πιθανές επιδόσεις του επεξεργαστή δεν θα χρησιμοποιηθούν. Αυτό θα δώσει το αποτέλεσμα εάν λάβουμε υπόψη ότι δεν απαιτείται πάντα η μέγιστη απόδοση και επομένως, η τάση και η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή μπορούν να προσαρμοστούν δυναμικά στις απαιτήσεις επεξεργασίας. Οι συγγραφείς προτείνουν σχήματα πρόβλεψης φόρτου εργασίας που βασίζονται στην προσαρμοστική επεξεργασία των υπαρχόντων προφίλ φορτίου και στην ανάλυση αρκετών ήδη δημιουργημένων σχημάτων. Άλλες στρατηγικές για τη μείωση της ισχύος του επεξεργαστή συζητούνται στο . Θα πρέπει να σημειωθεί ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν πρόσθετα σχήματα κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης δεδομένων. ολοκληρωμένα κυκλώματαμπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε ορισμένες περιπτώσεις. Σε όλα αυτά τα σενάρια, η δομή του δικτύου αισθητήρων, οι αλγόριθμοι λειτουργίας και τα πρωτόκολλα εξαρτώνται από το αντίστοιχο ενεργειακό κόστος.

4. Αρχιτεκτονική δικτύων αισθητήρων

Οι κόμβοι βρίσκονται συνήθως τυχαία σε όλη την περιοχή παρατήρησης. Καθένας από αυτούς μπορεί να συλλέξει δεδομένα και γνωρίζει τη διαδρομή μεταφοράς δεδομένων πίσω στον κεντρικό κόμβο, τον τελικό χρήστη. Τα δεδομένα μεταδίδονται χρησιμοποιώντας μια αρχιτεκτονική δικτύου πολλαπλών βημάτων. Ο κεντρικός κόμβος μπορεί να επικοινωνήσει με τον διαχειριστή εργασιών μέσω Διαδικτύου ή δορυφόρου. Η στοίβα πρωτοκόλλου που χρησιμοποιείται από τον κεντρικό κόμβο και όλους τους άλλους κόμβους φαίνεται στο Σχ. 3. Η στοίβα πρωτοκόλλου περιλαμβάνει πληροφορίες ενέργειας και πληροφορίες διαδρομής, περιέχει πληροφορίες πρωτοκόλλου δικτύου, βοηθά στην αποτελεσματική επικοινωνία μέσω του ασύρματου περιβάλλοντος και προωθεί τη συνεργασία κόμβων. Η στοίβα πρωτοκόλλου αποτελείται από ένα επίπεδο εφαρμογής, ένα επίπεδο μεταφοράς, ένα επίπεδο δικτύου, ένα επίπεδο σύνδεσης δεδομένων, ένα φυσικό επίπεδο, ένα επίπεδο διαχείρισης ενέργειας, ένα επίπεδο διαχείρισης κινητικότητας και ένα επίπεδο προγραμματισμού εργασιών. Ανάλογα με το έργο της συλλογής δεδομένων, διαφορετικά είδηλογισμικό εφαρμογών μπορεί να κατασκευαστεί σε επίπεδο εφαρμογής. το επίπεδο μεταφοράς βοηθά στη διατήρηση της ροής των δεδομένων εάν απαιτείται. Το επίπεδο δικτύου χειρίζεται τη δρομολόγηση των δεδομένων που παρέχονται από το επίπεδο μεταφοράς. Αφού το περιβάλλον έχει εξωγενής θόρυβος και οι κόμβοι μπορούν να μετακινηθούν, το πρωτόκολλο MAC πρέπει να ελαχιστοποιεί την εμφάνιση συγκρούσεων κατά τη μετάδοση δεδομένων μεταξύ γειτονικών κόμβων. Το φυσικό επίπεδο είναι υπεύθυνο για τη δυνατότητα μεταφοράς πληροφοριών. Αυτά τα πρωτόκολλα βοηθούν τους οικοδεσπότες να εκτελούν εργασίες ενώ εξοικονομούν ενέργεια. Το επίπεδο διαχείρισης ενέργειας καθορίζει πώς ένας κόμβος πρέπει να χρησιμοποιεί την ισχύ. Για παράδειγμα, ένας κόμβος μπορεί να απενεργοποιήσει έναν δέκτη αφού λάβει ένα μήνυμα από έναν από τους γείτονές του. Αυτό θα σας βοηθήσει να αποφύγετε τη λήψη διπλού μηνύματος. Επίσης, όταν ένας κόμβος έχει χαμηλή μπαταρία, επικοινωνεί με τους γείτονές του ότι δεν μπορεί να συμμετάσχει στη δρομολόγηση μηνυμάτων. Θα χρησιμοποιήσει όλη την ενέργεια που απομένει για τη συλλογή δεδομένων. Το επίπεδο Mobility Control (MAC) ανιχνεύει και καταγράφει την κίνηση των κόμβων, επομένως υπάρχει πάντα μια διαδρομή για τη μεταφορά δεδομένων στον κεντρικό κόμβο και οι κόμβοι μπορούν να προσδιορίσουν τους γείτονές τους. Και γνωρίζοντας τους γείτονές του, ο κόμβος μπορεί να εξισορροπήσει την κατανάλωση ενέργειας δουλεύοντας μαζί τους. Ο διαχειριστής εργασιών σχεδιάζει και προγραμματίζει τη συλλογή πληροφοριών για κάθε περιοχή ξεχωριστά. Δεν απαιτούνται όλοι οι κόμβοι στην ίδια περιοχή για την εκτέλεση εργασιών ανίχνευσης ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα, ορισμένοι κόμβοι εκτελούν περισσότερες εργασίες από άλλους, ανάλογα με την ικανότητά τους. Όλα αυτά τα επίπεδα και οι μονάδες είναι απαραίτητα για να συνεργάζονται οι κόμβοι και να επιδιώκουν τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση, να βελτιστοποιούν τη διαδρομή μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο και επίσης να μοιράζονται τους πόρους του άλλου. Χωρίς αυτά, κάθε κόμβος θα λειτουργεί ξεχωριστά. Από την άποψη ολόκληρου του δικτύου αισθητήρων, είναι πιο αποτελεσματικό εάν οι κόμβοι συνεργάζονται μεταξύ τους, κάτι που βοηθά στην παράταση της διάρκειας ζωής των ίδιων των δικτύων. Πριν συζητήσουμε την ανάγκη συμπερίληψης μονάδων και επιπέδων ελέγχου στο πρωτόκολλο, θα εξετάσουμε τρεις υπάρχουσες εργασίες στη στοίβα πρωτοκόλλου, που φαίνεται στο σχήμα 3. Το μοντέλο WINS που συζητείται στην πηγή, στο οποίο οι κόμβοι συνδέονται σε ένα κατανεμημένο δίκτυο και έχουν πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Δεδομένου ότι ένας μεγάλος αριθμός κόμβων δικτύου WINS βρίσκεται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, οι επικοινωνίες πολλαπλών βημάτων μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας στο ελάχιστο. Οι περιβαλλοντικές πληροφορίες που λαμβάνονται από τον κόμβο αποστέλλονται διαδοχικά στον κεντρικό κόμβο ή την πύλη WINS μέσω άλλων κόμβων, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2 για τους κόμβους A, B, C, D και E. Η πύλη WINS επικοινωνεί με τον χρήστη μέσω κοινών πρωτοκόλλων δικτύου όπως το Διαδίκτυο. Η στοίβα πρωτοκόλλου δικτύου WINS αποτελείται από το επίπεδο εφαρμογής, το επίπεδο δικτύου, το επίπεδο MAC και το φυσικό επίπεδο. Έξυπνοι κόμβοι (ή κηλίδες σκόνης). Αυτοί οι κόμβοι μπορούν να προσκολληθούν σε αντικείμενα ή ακόμα και να επιπλέουν στον αέρα λόγω του μικρού τους μεγέθους και βάρους. Χρησιμοποιούν την τεχνολογία MEMS για οπτική επικοινωνία και συλλογή δεδομένων. Οι κόκκοι σκόνης μπορεί να έχουν ηλιακούς συλλέκτες για επαναφόρτιση κατά τη διάρκεια της ημέρας. Απαιτούν μια οπτική επαφή για να επικοινωνήσουν με έναν πομπό οπτικού σταθμού βάσης ή άλλο σημείο σκόνης. Συγκρίνοντας την αρχιτεκτονική του δικτύου σκόνης με αυτήν που φαίνεται στο Σχήμα 2, μπορεί να ειπωθεί ότι οι έξυπνοι κόμβοι συνήθως επικοινωνούν απευθείας με τον πομπό του σταθμού βάσης, αλλά είναι επίσης δυνατή η επικοινωνία ένας προς έναν. Μια άλλη προσέγγιση για την ανάπτυξη πρωτοκόλλων και αλγορίθμων για δίκτυα αισθητήρων οφείλεται στις απαιτήσεις του φυσικού στρώματος. Τα πρωτόκολλα και οι αλγόριθμοι πρέπει να σχεδιάζονται σύμφωνα με την επιλογή των φυσικών στοιχείων, όπως ο τύπος των μικροεπεξεργαστών και ο τύπος των δεκτών. Αυτή η προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω χρησιμοποιείται στο μοντέλο IAMPS και λαμβάνει επίσης υπόψη την εξάρτηση του επιπέδου εφαρμογής, του επιπέδου δικτύου, του επιπέδου MAC και του φυσικού στρώματος από το υλικό υποδοχής. Οι κόμβοι IAMPS αλληλεπιδρούν με τον τελικό χρήστη με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως στην αρχιτεκτονική που φαίνεται στο σχήμα 2. Διάφορα σχήματα, όπως η διαίρεση χρόνου (TDMA) ή διαίρεση συχνότηταςΤα κανάλια (FDMA) και η δυαδική διαμόρφωση ή η διαμόρφωση M συγκρίνονται στην πηγή. Η προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω σημαίνει ότι οι αλγόριθμοι του κόμβου πρέπει να γνωρίζουν το υλικό και να χρησιμοποιούν τις δυνατότητες μικροεπεξεργαστών και πομπών για να ελαχιστοποιήσουν την κατανάλωση ενέργειας. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφόρων σχεδίων κόμβων. ΑΛΛΑ διάφορα σχέδιαΟι κόμβοι θα οδηγήσουν σε διαφορετικούς τύπους δικτύων αισθητήρων. Κάτι που με τη σειρά του θα οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφόρων αλγορίθμων για την εργασία τους.

Βιβλιογραφία

1. Γ.Δ. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Τελική έκθεση για το διυπηρεσιακό εργαστήριο για ερευνητικά ζητήματα για έξυπνα περιβάλλοντα, IEEE Personal Communications (Οκτώβριος 2000) 36–40.
2. J. Agre, L. Clare, Μια ολοκληρωμένη αρχιτεκτονική για συνεργατικά δίκτυα ανίχνευσης, IEEE Computer Magazine (Μάιος 2000) 106–108.
3. ΑΝ. Akyildiz, W. Su, Πρωτόκολλο ενισχυμένης δρομολόγησης με γνώση ισχύος (PAER) για δίκτυα αισθητήρων, Georgia Tech Technical Report, Ιανουάριος 2002, που υποβλήθηκε για δημοσίευση.
4. A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP for mobile hosts, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995, pp. 136–143.
5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Ο κινητός ασθενής: ασύρματα κατανεμημένα δίκτυα αισθητήρων για παρακολούθηση και φροντίδα ασθενών, Πρακτικά 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
6. Μ. Bhardwaj, Τ. Garnett, Α.Ρ. Chandrakasan, Ανώτατα όρια στη διάρκεια ζωής των δικτύων αισθητήρων, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Ελσίνκι, Φινλανδία, Ιούνιος 2001.
7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the natural world, IEEE Personal Communications (Οκτώβριος 2000) 10–15.

Κατανεμημένα δίκτυα αισθητήρων

Τι είναι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων;

Αισθητήρες και συσκευή λήψης

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων κατασκευάζονται από κόμβους που ονομάζονται κινητικός (μικρό μόριο) - μικρές αυτόνομες συσκευές που τροφοδοτούνται από μπαταρίες και μικροτσίπ με ραδιοεπικοινωνία σε συχνότητα - για παράδειγμα 2,4 GHz. Ειδικός λογισμικόεπιτρέπει στα μόρια να οργανώνονται σε κατανεμημένα δίκτυα, να επικοινωνούν μεταξύ τους, να ανακρίνουν και να ανταλλάσσουν δεδομένα με τους πλησιέστερους κόμβους, η απόσταση στους οποίους συνήθως δεν υπερβαίνει τα 100 μέτρα.

Στην αγγλική βιβλιογραφία, ένα τέτοιο δίκτυο ονομάζεται ασύρματο δίκτυο αισθητήρων(WSN) είναι ένα ασύρματο δίκτυο που αποτελείται από γεωγραφικά κατανεμημένες αυτόνομες συσκευές που χρησιμοποιούν αισθητήρες για να παρακολουθούν από κοινού τις φυσικές ή περιβαλλοντικές συνθήκες σε διαφορετικές περιοχές.

Μπορούν να μετρήσουν παραμέτρους όπως θερμοκρασία, ήχος, κραδασμούς, πίεση, κίνηση αντικειμένων ή αέρα. Η ανάπτυξη ασύρματων δικτύων αισθητήρων υποκινήθηκε αρχικά από στρατιωτικά καθήκοντα όπως η επιτήρηση πεδίου μάχης. Επί του παρόντος, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε πολλούς τομείς της πολιτικής ζωής, συμπεριλαμβανομένης της βιομηχανικής και περιβαλλοντικής παρακολούθησης, της υγειονομικής περίθαλψης και του ελέγχου της κίνησης των αντικειμένων. Το πεδίο εφαρμογής διευρύνεται.

Βασικές αρχές εργασίας

Διάγραμμα δικτύου 3 επιπέδων. 1ο επίπεδο αισθητήρων και πύλης. 2ο επίπεδο διακομιστή. Tier 3 thin client

Κάθε κόμβος δικτύου: ευφυολόγημαεξοπλισμένο με πομποδέκτη ραδιοφώνου ή άλλη συσκευή ασύρματης επικοινωνίας, μικρό μικροελεγκτή και πηγή ενέργειας, συνήθως μπαταρία. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ηλιακούς συλλέκτες ή άλλες εναλλακτικές πηγές ενέργειας

Τα δεδομένα από μακρινά στοιχεία μεταδίδονται μέσω του δικτύου μεταξύ των πλησιέστερων από κόμβο σε κόμβο, μέσω ενός ραδιοφωνικού καναλιού. Ως αποτέλεσμα, ένα πακέτο δεδομένων μεταδίδεται από το πλησιέστερο mote στην πύλη. Η πύλη συνδέεται, κατά κανόνα, με ένα καλώδιο USB στον διακομιστή. Στον διακομιστή - τα δεδομένα που συλλέγονται υποβάλλονται σε επεξεργασία, αποθηκεύονται και είναι προσβάσιμα μέσω του κελύφους WEB σε ένα ευρύ φάσμα χρηστών.

Το κόστος ενός κόμβου αισθητήρα ποικίλλει από εκατοντάδες δολάρια έως μερικά σεντς, ανάλογα με το μέγεθος του δικτύου αισθητήρων και την πολυπλοκότητά του.

Υλικό και πρότυπα

Πύλη (2 τμχ), συνδεδεμένη σε φορητό υπολογιστή με καλώδιο USB. Ο φορητός υπολογιστής συνδέεται στο Internet μέσω UTP και λειτουργεί ως διακομιστής

Συσκευές αισθητήρων με κεραία ραδιοφώνου

Το υλικό του ασύρματου κόμβου και τα πρωτόκολλα αλληλεπίδρασης δικτύου μεταξύ των κόμβων είναι βελτιστοποιημένα για κατανάλωση ενέργειας για να εξασφαλίσουν μεγάλη διάρκεια ζωής του συστήματος με αυτόνομα τροφοδοτικά. Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας, η διάρκεια ζωής ενός κόμβου μπορεί να φτάσει αρκετά χρόνια.

Ορισμένα πρότυπα είναι επί του παρόντος είτε επικυρωμένα είτε υπό ανάπτυξη για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Το ZigBee είναι ένα πρότυπο για πράγματα όπως ο βιομηχανικός έλεγχος, η ενσωματωμένη ανίχνευση, η συλλογή ιατρικών δεδομένων, ο αυτοματισμός κτιρίων. Η ανάπτυξη του Zigbee διευκολύνεται από μια μεγάλη κοινοπραξία βιομηχανικών εταιρειών.

• Το WirelessHART είναι μια επέκταση του πρωτοκόλλου HART για βιομηχανικούς αυτοματισμούς. Το WirelessHART προστέθηκε στο γενικό πρωτόκολλο HART ως μέρος της προδιαγραφής HART 7, η οποία εγκρίθηκε από το HART Communications Foundation τον Ιούνιο του 2007.
• Το 6lowpan είναι το δηλωμένο πρότυπο για το επίπεδο δικτύου, αλλά δεν έχει υιοθετηθεί ακόμα.
• Το ISA100 είναι ένα άλλο έργο σε μια προσπάθεια εισόδου στην τεχνολογία WSN, αλλά έχει κατασκευαστεί ευρύτερα για να περιλαμβάνει ανατροφοδότησηέλεγχο στον τομέα τους. Η εφαρμογή του ISA100 με βάση τα πρότυπα ANSI αναμένεται να ολοκληρωθεί μέχρι το τέλος του 2008.

WirelessHART, ISA100, ZigBee και βασίζονται όλα στο ίδιο πρότυπο: IEEE 802.15.4 - 2005.

Λογισμικό ασύρματου δικτύου αισθητήρων

Λειτουργικό σύστημα

Τα λειτουργικά συστήματα για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι λιγότερο πολύπλοκα από τα γενικά λειτουργικά συστήματα λόγω περιορισμένων πόρων σκεύη, εξαρτήματαδίκτυο αισθητήρων. Εξαιτίας αυτού, το λειτουργικό σύστημα δεν χρειάζεται να περιλαμβάνει υποστήριξη για διεπαφές χρήστη.

Το υλικό ασύρματου δικτύου αισθητήρων δεν διαφέρει από τα παραδοσιακά ενσωματωμένα συστήματα και επομένως ένα ενσωματωμένο λειτουργικό σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δίκτυα αισθητήρων

Εφαρμογές Οπτικοποίησης

Λογισμικό απεικόνισης και αναφοράς αποτελεσμάτων μετρήσεων MoteView v1.1

Τα δεδομένα από ασύρματα δίκτυα αισθητήρων συνήθως αποθηκεύονται ως ψηφιακά δεδομένα σε έναν κεντρικό σταθμό βάσης. Υπάρχουν πολλά τυπικά προγράμματα όπως το TosGUI MonSense, το GNS που διευκολύνουν την προβολή αυτών των μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων. Επιπλέον, η Ανοιχτή Κοινοπραξία (OGC) καθορίζει πρότυπα για τη διαλειτουργικότητα και τη διαλειτουργικότητα των μεταδεδομένων κωδικοποίησης, τα οποία θα επιτρέπουν την παρακολούθηση ή τον έλεγχο σε πραγματικό χρόνο ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων από οποιονδήποτε μέσω ενός προγράμματος περιήγησης Ιστού.

Για την εργασία με δεδομένα που προέρχονται από κόμβους του ασύρματου δικτύου αισθητήρων, χρησιμοποιούνται προγράμματα που διευκολύνουν την προβολή και την αξιολόγηση των δεδομένων. Ένα τέτοιο πρόγραμμα είναι το MoteView. Αυτό το πρόγραμμα σάς επιτρέπει να βλέπετε δεδομένα σε πραγματικό χρόνο και να τα αναλύετε, να δημιουργείτε όλα τα είδη γραφημάτων, να εκδίδεις αναφορές σε διάφορες ενότητες.

Οφέλη από τη χρήση

• Δεν χρειάζεται να τοποθετήσετε καλώδια για παροχή ρεύματος και μετάδοση δεδομένων.
• Χαμηλό κόστος εξαρτημάτων, εγκατάσταση, θέση σε λειτουργία και συντήρηση του συστήματος.
• Γρήγορη και εύκολη ανάπτυξη δικτύου.
• Αξιοπιστία και ανοχή σφαλμάτων ολόκληρου του συστήματος ως συνόλου σε περίπτωση αστοχίας μεμονωμένων κόμβων ή εξαρτημάτων.
• Η δυνατότητα υλοποίησης και τροποποίησης του δικτύου σε οποιοδήποτε αντικείμενο χωρίς παρέμβαση στη διαδικασία λειτουργίας των ίδιων των αντικειμένων
• Δυνατότητα γρήγορης και, αν χρειαστεί, κρυφής εγκατάστασης ολόκληρου του συστήματος συνολικά.

Κάθε αισθητήρας έχει περίπου το μέγεθος ενός καπακιού μπύρας (αλλά θα μπορούσε να μειωθεί εκατοντάδες φορές στο μέλλον) και περιέχει έναν επεξεργαστή, μια μνήμη και έναν πομπό ραδιοφώνου. Τέτοια καλύμματα μπορούν να διασκορπιστούν σε οποιαδήποτε περιοχή και οι ίδιοι θα δημιουργήσουν επικοινωνία μεταξύ τους, θα σχηματίσουν ένα ενιαίο ασύρματο δίκτυο και θα αρχίσουν να μεταδίδουν δεδομένα στον πλησιέστερο υπολογιστή.

Σε συνδυασμό σε ένα ασύρματο δίκτυο, οι αισθητήρες μπορούν να παρακολουθούν περιβαλλοντικές παραμέτρους: κίνηση, φως, θερμοκρασία, πίεση, υγρασία κ.λπ. Η παρακολούθηση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε πολύ μεγάλη περιοχή, επειδή οι αισθητήρες μεταδίδουν πληροφορίες κατά μήκος της αλυσίδας από γείτονα σε γείτονα. Η τεχνολογία τους επιτρέπει να λειτουργούν για χρόνια (ακόμα και δεκαετίες) χωρίς να αλλάζουν μπαταρίες. Τα δίκτυα αισθητήρων είναι τα καθολικά αισθητήρια όργανα για έναν υπολογιστή και όλα τα φυσικά αντικείμενα στον κόσμο που είναι εξοπλισμένα με αισθητήρες μπορούν να αναγνωριστούν από έναν υπολογιστή. Στο μέλλον, καθένας από τα δισεκατομμύρια αισθητήρες θα λάβει μια διεύθυνση IP και μπορεί ακόμη και να σχηματίσει κάτι σαν Παγκόσμιο Δίκτυο Αισθητηρίων. Μέχρι στιγμής, μόνο ο στρατός και η βιομηχανία έχουν ενδιαφερθεί για τις δυνατότητες των δικτύων αισθητήρων. Σύμφωνα με την τελευταία έκθεση της ON World, ειδικού στην έρευνα αγοράς δικτύων αισθητήρων, φέτος η αγορά βιώνει σημαντική ανάκαμψη. Ένα άλλο αξιοσημείωτο γεγονός φέτος ήταν η κυκλοφορία του πρώτου συστήματος ZigBee με single-chip στον κόσμο (κατασκευασμένο από την Ember). Μεταξύ των μεγάλων αμερικανικών βιομηχανικών εταιρειών που συμμετείχαν στην έρευνα της ON World, περίπου το 29% χρησιμοποιεί ήδη δίκτυα αισθητήρων και ένα άλλο 40% σχεδιάζει να τα αναπτύξει εντός 18 μηνών. Στην Αμερική, έχουν εμφανιστεί περισσότερες από εκατό εμπορικές εταιρείες που ασχολούνται με τη δημιουργία και τη συντήρηση δικτύων αισθητήρων.

Μέχρι το τέλος αυτού του έτους, ο αριθμός των αισθητήρων στον πλανήτη θα ξεπεράσει το 1 εκατομμύριο. Τώρα όχι μόνο ο αριθμός των δικτύων αυξάνεται, αλλά και το μέγεθός τους. Για πρώτη φορά, πολλά δίκτυα με περισσότερους από 1.000 κόμβους έχουν δημιουργηθεί και λειτουργήσει με επιτυχία, συμπεριλαμβανομένου ενός για 25.000 κόμβους.

Πηγή: Web PLANET

Περιοχή εφαρμογής

Οι εφαρμογές του WSN είναι πολλές και ποικίλες. Χρησιμοποιούνται σε εμπορικά και βιομηχανικά συστήματα για την παρακολούθηση δεδομένων που είναι δύσκολο ή δαπανηρό να ελεγχθούν με χρήση ενσύρματων αισθητήρων. Τα WSN μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιοχές που είναι δύσκολο να προσεγγιστούν, όπου μπορούν να παραμείνουν για πολλά χρόνια (περιβαλλοντική παρακολούθηση του περιβάλλοντος) χωρίς την ανάγκη αλλαγής τροφοδοτικών. Μπορούν να ελέγξουν τις ενέργειες των παραβατών μιας προστατευόμενης εγκατάστασης

Το WSN χρησιμοποιείται επίσης για παρακολούθηση, παρακολούθηση και έλεγχο. Εδώ είναι μερικές εφαρμογές:

• Παρακολούθηση καπνού και ανίχνευση πυρκαγιών από μεγάλα δάση και τυρφώνες
• Μια πρόσθετη πηγή πληροφοριών για τα Κέντρα Κρίσεων της Διοίκησης των Υποκειμένων της Ομοσπονδίας της Ρωσικής Ομοσπονδίας
• Σεισμική ανίχνευση πιθανής τάσης
• Στρατιωτικές παρατηρήσεις
• Ανίχνευση ακουστικής κίνησης αντικειμένων σε συστήματα ασφαλείας.
• Οικολογική παρακολούθηση του χώρου και του περιβάλλοντος
• Παρακολούθηση βιομηχανικών διεργασιών, χρήση σε συστήματα MES
• Ιατρική παρακολούθηση

Αυτοματισμοί κτιρίων:

	παρακολούθηση της θερμοκρασίας, της ροής του αέρα, της παρουσίας ανθρώπων και ο έλεγχος του εξοπλισμού για τη διατήρηση του μικροκλίματος.
	έλεγχος φωτισμού?
	διαχείριση ενέργειας;
	συλλογή ενδείξεων μετρητών διαμερισμάτων για φυσικό αέριο, νερό, ρεύμα κ.λπ.
	συναγερμός ασφαλείας και πυρκαγιάς·
	παρακολούθηση της κατάστασης των φέρων κατασκευών κτιρίων και κατασκευών.

Βιομηχανικός αυτοματισμός:

	τηλεχειρισμός και διάγνωση βιομηχανικού εξοπλισμού.
	συντήρηση του εξοπλισμού σύμφωνα με την τρέχουσα κατάσταση (πρόβλεψη του περιθωρίου ασφαλείας).
	παρακολούθηση των διαδικασιών παραγωγής·