مقدمه

شبکه حسگر بی سیم- توزیع شده، مجموعه ای از حسگرها (حسگرها) و محرک ها که با استفاده از یک کانال رادیویی به هم متصل شده اند. محدوده پوشش چنین شبکه ای به دلیل توانایی انتقال پیام از یک عنصر به عنصر دیگر می تواند از چندین متر تا چندین کیلومتر متغیر باشد.

ویژگی های اصلی شبکه های حسگر بی سیم عبارتند از خود سازماندهی و سازگاری با تغییرات در شرایط عملیاتی، بنابراین مستلزم آن است حداقل هزینه هاهنگام استقرار شبکه در تأسیسات و در حین تعمیر و نگهداری بعدی آن در طول عملیات.

داستان کوتاه

یکی از اولین نمونه های اولیه شبکه حسگر را می توان سیستم SOSUS در نظر گرفت که برای شناسایی و شناسایی زیردریایی ها طراحی شده است. در اواسط دهه 1990، فناوری های شبکه حسگر بی سیم به طور فعال شروع به توسعه کردند؛ در اوایل دهه 2000، توسعه میکروالکترونیک امکان تولید یک پایه عنصر نسبتاً ارزان را برای چنین دستگاه هایی فراهم کرد. شبکه های بی سیم اوایل دهه 2010 عمدتاً بر اساس .

هدف

هدف اصلی نه تنها تبادل داده بین گره ها از طریق یک شبکه خودسازمانده غیرمتمرکز، بلکه جمع آوری اطلاعات ارسالی (عمدتا داده ها) از حسگرها (دما، فشار، رطوبت، سطوح تشعشع، ارتعاشات صوتی) به یک گره مرکزی برای هدف از تجزیه و تحلیل یا پردازش بعدی آن

تقاضا برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم در بازار نیز ارتباط نزدیکی با مفهوم هوشمندسازی اشیایی مانند خانه، دفتر و محل‌های صنعتی دارد که در آن یک فرد شهری تا 90 درصد وقت خود را صرف می‌کند و همچنین با مفهوم ایجاد صنایع سایبرنتیک (کاملا مجهز به ربات) که وظیفه اصلی آن معرفی است فناوری های بی سیم در سطح APCS.

فناوری شبکه حسگر برای حل گسترده ترین طیف وظایف نظارت و کنترل صنعتی طراحی شده است و دارای موارد زیر است مزایای غیر قابل انکارنسبت به سایر سیستم های بی سیم و سیمی موجود:

• توانایی نصب حسگرها بر روی یک مرکز موجود و بهره برداری شده بدون کار اضافیبرای اجرای شبکه سیمی;
• کم هزینهیک عنصر کنترل جداگانه؛
• کم هزینهنصب، راه اندازی و نگهداری سیستم؛
• حداقل محدودیت در قرار دادن دستگاه های بی سیم؛
• تحمل خطا بالاشبکه حسی به عنوان یک کل

شرح

سخت‌افزار گره‌های بی‌سیم و پروتکل‌های تعامل شبکه بین آن‌ها برای مصرف انرژی بهینه‌سازی شده‌اند تا عمر طولانی سیستم را تضمین کنند. منابع آفلاینتغذیه. بسته به نحوه عملکرد، طول عمر یک گره می تواند به چندین سال برسد.

هر گره شبکه حسگر معمولا حاوی پورت های ورودی/خروجی داده با سنسورهای مختلفکنترل محیط خارجی(یا خود سنسورها)، یک میکروکنترلر و یک گیرنده رادیویی، و همچنین یک منبع تغذیه مستقل یا خارجی. این به دستگاه اجازه می دهد تا نتایج اندازه گیری را دریافت کند، پردازش داده های اولیه را انجام دهد و با یک سیستم اطلاعات خارجی ارتباط برقرار کند. میکروکنترلر را می توان برای اجرای پردازش داده های توزیع شده هوشمند استفاده کرد. در یک شبکه حسگر بی‌سیم هوشمند، دستگاه‌ها می‌توانند اطلاعات را در سطح محلی مبادله کنند، آن‌ها را تجزیه و تحلیل کنند و اطلاعات پردازش شده را به‌جای داده‌های «خام» به عمق خاصی منتقل کنند. این می تواند به میزان قابل توجهی نیاز به پهنای باندشبکه، مقیاس پذیری و عمر سرویس سیستم را افزایش می دهد. با این حال، افزودن «هوش» به شبکه مستلزم در نظر گرفتن ویژگی‌های کار کاربردی است، بنابراین این رویکرد معمولاً هنگام توسعه یک سیستم بسیار تخصصی سفارشی مؤثر است.

به این ترتیب کلید ویژگی های شبکه های حسگر عبارتند از:

• توانایی خود سازماندهی شبکه انتقال اطلاعات و انطباق آن با تعداد دستگاه ها؛
• توانایی انتقال پیام از یک عنصر به عنصر دیگر؛
• امکان وجود سنسور در هر عنصر؛
• دراز مدت عمر باتری(1 سال یا بیشتر)

امروزه، فناوری شبکه‌های حسگر بی‌سیم تنها فناوری است که می‌تواند برای حل وظایف نظارت و کنترلی که برای الزامات عمر باتری دستگاه‌ها، قابلیت اطمینان آن‌ها، پیکربندی خودکار یا نیمه خودکار هر یک از آنها حیاتی هستند، استفاده شود. اضافه کردن سادهیا حذف دستگاه از شبکه، انتشار سیگنال در دیوارها و سقف ها با هزینه کم سیستم. و فناوری ارتباطات رادیویی با برد کوتاه رله، معروف به "شبکه های حسگر"، یکی از جهت گیری های مدرن در توسعه سیستم های توزیع شده متحمل خطا خودسازماندهی برای نظارت صنعتی و کنترل منابع و فرآیند است.

از مزایای فن آوری های شبکه های حسگر بی سیم می توان به طور موثر برای حل مشکلات کاربردی مختلف مربوط به جمع آوری توزیع شده، تجزیه و تحلیل و انتقال اطلاعات استفاده کرد.

اتوماسیون ساختمان

در برخی از کاربردهای اتوماسیون ساختمان، استفاده از سیستم های ارتباطی سیمی سنتی به دلایل اقتصادی امکان پذیر نیست.

به عنوان مثال، شما نیاز به معرفی یا گسترش دارید سیستم موجوددر یک ساختمان مستعمل در این صورت استفاده از راه حل های بی سیم قابل قبول ترین گزینه است، زیرا. هیچ کار نصب اضافی با نقض دکوراسیون داخلی محل مورد نیاز نیست، عملا هیچ مزاحمتی برای کارمندان یا ساکنان ساختمان و غیره ایجاد نمی شود. در نتیجه هزینه اجرای سیستم به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

مثال دیگر ساختمان های اداری با پلان باز است که نمی توان مکان دقیق سنسورها را در مرحله طراحی و ساخت برای آنها مشخص کرد. در عین حال، چیدمان دفاتر می تواند چندین بار در طول عملیات ساختمان تغییر کند، بنابراین زمان و هزینه صرف شده برای پیکربندی مجدد سیستم باید حداقل باشد که با استفاده از راه حل های بی سیم می توان به آن دست یافت.

علاوه بر این، نمونه های زیر از سیستم های مبتنی بر شبکه های حسگر بی سیم را می توان ارائه داد:

• نظارت بر دما، جریان هوا، حضور مردم و کنترل تجهیزات گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع به منظور حفظ میکروکلیم.
• کنترل روشنایی؛
• مدیریت انرژی؛
• مجموعه قرائت از متر آپارتمان برای گاز، آب، برق و غیره.
• نظارت بر وضعیت سازه های باربر ساختمان ها و سازه ها.

اتوماسیون صنعتی

تا به حال، استفاده گسترده از ارتباطات بی سیم در زمینه اتوماسیون صنعتی به دلیل قابلیت اطمینان ضعیف پیوندهای رادیویی در مقایسه با اتصالات سیمی سخت در محیط های سخت متوقف شده است. عملیات صنعتی، اما شبکه های حسگر بی سیم به طور اساسی وضعیت فعلی را تغییر می دهند، زیرا ذاتاً در برابر انواع مختلف اختلالات (به عنوان مثال، آسیب فیزیکی به گره، ظاهر تداخل، تغییر موانع و غیره) مقاوم است. علاوه بر این، تحت برخی شرایط، یک شبکه حسگر بی سیم می تواند حتی قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به یک سیستم ارتباطی سیمی ارائه دهد.

راه حل های مبتنی بر شبکه های حسگر بی سیم به طور کامل نیازهای صنعت را برآورده می کنند:

• تحمل خطا؛
• مقیاس پذیری؛
• سازگاری با شرایط عملیاتی؛
• بهره وری انرژی؛
• با در نظر گرفتن ویژگی های کار کاربردی؛
• سودآوری اقتصادی

فناوری های شبکه حسگر بی سیم را می توان در وظایف اتوماسیون صنعتی زیر استفاده کرد:

• کنترل از راه دور و تشخیص تجهیزات صنعتی؛
• نگهداری تجهیزات با توجه به وضعیت فعلی (پیش بینی حاشیه ایمنی)؛
• نظارت بر فرآیندهای تولید؛
• تله متری برای تحقیق و آزمایش

برنامه های کاربردی دیگر

ویژگی‌های منحصر به فرد و تفاوت شبکه‌های حسگر بی‌سیم با سیستم‌های انتقال داده‌های سیمی و بی‌سیم سنتی، کاربرد آن‌ها را به بهترین نحو ممکن می‌سازد. مناطق مختلف. مثلا:

• امنیت و دفاع:
  • کنترل حرکت افراد و تجهیزات؛
  • منابع مالی ارتباطات عملیاتیو هوش؛
  • کنترل محیطی و نظارت از راه دور؛
  • کمک در عملیات نجات؛
  • نظارت بر اموال و اشیاء با ارزش؛
  • امنیت و اعلام حریق؛
• نظارت بر محیط:
  • پایش آلودگی؛
  • کشاورزی؛
• مراقبت های بهداشتی:
  • نظارت بر وضعیت فیزیولوژیکی بیماران؛
  • کنترل مکان و اطلاع رسانی به پرسنل پزشکی.

نسخه شرکتی فناوری اینترنت اشیا (IoT) امروزه به طور فعال در صنعت استفاده می شود. اینترنت اشیاء سازمانی (EIoT) از شبکه‌های حسگر بی‌سیم و کنترل‌ها برای ارائه راه‌های جدید برای کنترل ماشین‌ها و تجهیزات شرکت‌ها استفاده می‌کند. حسگرهای بی‌سیم، که توسط یک باتری کوچک تغذیه می‌شوند و به منبع تغذیه سیمی متصل نیستند، می‌توانند در محیط‌های صنعتی در مکان‌هایی قرار بگیرند که کاملاً برای کنترل‌های نسل قبلی غیرقابل دسترس هستند.

EIoT قابلیت اطمینان، امنیت و قابلیت همکاری سیستم‌ها و تجهیزات را افزایش داده است تا سخت‌گیرانه‌ترین الزامات برای اجرای فناوری‌های بی‌سیم در این زمینه را برآورده کند، نه تنها در صنعت، بلکه در مراقبت‌های بهداشتی، خدمات مالی و غیره. EIoT نیازهای این مناطق توسط چه مشخصات فنیو عناصر طراحی این فناوری جدید بسیار برتر از فناوری‌های مشابه اینترنت اشیا دستگاه‌های سنتی هستند که برای کاربردهای مصرف‌کننده یا تجاری کمتر طراحی شده‌اند.

مسائل EIoT

سنسورها و کنترل‌های مجهز به EIoT می‌توانند تقریباً در هر مکانی در محیط‌های صنعتی کار کنند، اما تا کنون این موضوع بیشتر از شانس بوده است، زیرا هر تجهیزات صنعتی برای استفاده در شبکه‌های بی‌سیم ایده‌آل نیستند. این به این دلیل است که دو عنصر مرتبط اما به ظاهر متناقض در استقرار اینترنت اشیا وجود دارد:

1. خود شبکه بی سیم دستگاه ها که با استفاده از سنسورها و کنترل های مرتبط با فناوری برد کوتاه با مصرف انرژی کم نصب می شود.
2. شبکه‌ای از حسگرهای اینترنت اشیا که با تجهیزات، کنترل‌کننده‌ها و بخش‌هایی از شبکه در حال حاضر در فاصله‌ای بیشتر در تعامل هستند.

برنج. 1. برنامه های کاربردی دور از مراکز شهری و خدمات مخابراتی سنتی می توانند از پروتکل ارتباطی کم مصرف مانند LoRa برای سازماندهی یک شبکه جهانی استفاده کنند.

این عدم امکان ارتباط قابل اعتماد در فواصل طولانی است که اغلب مهمترین مانع در یک محیط صنعتی است. این مشکل یک دلیل ساده دارد: مخابرات، که از طریق خطوط کابلی سیمی یا با استفاده از انتقال سیگنال از طریق دکل ها انجام می شود. ارتباط سلولی، همیشه در مکان های تجهیزات صنعتی موجود نیست. علاوه بر این، هزینه استفاده از خدمات سلولی تنها برای تحویل چندین بسته داده از حسگرها در یک جلسه ارتباطی هم از نظر اقتصادی و هم از لحاظ فنی صرفاً منطقی نیست. علاوه بر این، اغلب مشکل تامین برق سنسورها و دستگاه های ارتباطی وجود دارد که سازماندهی آن در مکان های دوردست که تجهیزات یا زیرساخت مستقیماً از شبکه صنعتی تغذیه نمی شود بسیار دشوار است.

علیرغم پوشش گسترده ارتباطات سلولی در سکونتگاه ها، در برخی نقاط خدمات قابل اعتمادی برای سازماندهی ارتباطات بی سیم وجود ندارد. این یک مشکل رایج در مناطق روستایی و مکان های دور از تجهیزات صنعتی است، مانند تجهیزات نفت و گاز جدا شده یا حمل و نقل خط لوله، سیستم های تامین آب و فاضلاب (شکل 1) و غیره. چنین سایت هایی نیز اغلب از نزدیکترین خدمات فنی دور هستند. پرسنلی که عملکرد صحیح دستگاه ها را بررسی می کنند. گاهی اوقات یک مهندس یک روز کامل یا حتی چندین روز طول می کشد تا به تجهیزات برسد و آنها را بررسی کند. پیدا کردن متخصصانی که مایل به کار در چنین مناطق دوردستی هستند، اغلب دشوار و آسان است. از آنجایی که به دلیل پوشش محدود ارتباطی، سنسورها و کنترل‌های دارای EIoT در سایت‌های راه دور بسیار نادر هستند، شبکه‌های کم مصرف (LPWAN) در اینجا به کمک می‌آیند.

BLE و LPWAN

پرکاربردترین فناوری بی سیمبرد کوتاه در سیستم های EIoT فناوری کم انرژی بلوتوث است - BLE (Bluetooth انگلیسی انرژی کم، همچنین به عنوان بلوتوث هوشمند شناخته می شود). دلیل اصلی محبوبیت بالای BLE برای EIoT بهره وری انرژی آن است که به سنسورها و کنترل ها اجازه می دهد تا برای مدت طولانی با مصرف باتری بسیار کم کار کنند. BLE چرخه های خواب، آماده به کار و چرخه های فعال را مدیریت می کند. BLE همچنین به دلیل قدرت سیگنال RF خود به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد که به این فناوری اجازه می دهد حتی در محیط های دشوار با افزایش سطوح نویز فرکانس بالا، سیگنال های دیجیتال از تجهیزات کامپیوتری و حتی در صورت وجود موانع فیزیکی به طور موثر کار کند. انتشار امواج رادیویی اما همانطور که می دانید همه این عوامل برای محیط صنعتی آشنا هستند.

در پروژه های پیاده سازی EIoT، این فناوری BLE است که اساس سازماندهی ارتباطات کوتاه برد است. علاوه بر این، می توان از آن هم در مجتمع های تجهیزات صنعتی که هنوز در حال طراحی هستند استفاده کرد. با این حال، چنین شبکه‌ای از دستگاه‌های دارای BLE به راهی برای دریافت دستورالعمل‌ها و انتقال داده‌ها در فواصل طولانی‌تر نیاز دارد. تکیه بر یک زیرساخت مخابراتی سنتی که به سیگنال‌های Wi-Fi یا سلولی دوطرفه اجازه می‌دهد، به دلیل مانعی که کاربرد این شبکه‌های حسگر و کنترل را محدود می‌کند، امکان‌پذیر نیست. با ترکیب BLE با فوق برد و بهره وری انرژی فناوری LoRa، شرکت ها توانسته اند EIoT را در مکان هایی که زیرساخت های مخابراتی و زیرساخت های برق در دسترس نیستند، مستقر کنند و این به نوبه خود، جغرافیای پیاده سازی اینترنت را گسترش داده است. فناوری چیزها

برنج. 2. سنسورها ابتدا به مشتری LoRa و سپس از طریق دروازه LoRa متصل می شوند

پروتکل LoRa WAN اغلب LPWAN است زیرا انتقال داده و ارتباط دو طرفه ایمن را با شبکه های IoT در فواصل طولانی برای سال های طولانی بدون تعویض باتری فراهم می کند. هنگام استفاده از فناوری LoRa امکان ارسال و دریافت سیگنال تا فاصله حدود 16 کیلومتری وجود دارد و در صورت نیاز ریپیترها (تکرار کننده ها) می توانند این فاصله را تا صدها کیلومتر افزایش دهند. روی انجیر شکل 2 نحوه عملکرد LoRa را نشان می دهد. برای کاربردهای اینترنت اشیا، LoRa دقیقاً به دلیل ویژگی‌ها و قابلیت‌های اقتصادی آن مزایای زیادی دارد:

• از آنجایی که LoRa، مانند BLE، یک فناوری بسیار کم مصرف است، می‌تواند بر روی شبکه‌های دستگاه اینترنت اشیا با باتری کار کند و می‌تواند عمر باتری طولانی را بدون نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر فراهم کند.
• گره های LoRa ارزان هستند و به شرکت ها این امکان را می دهند که هزینه انتقال داده ها را از طریق سیستم های سلولی کاهش دهند و همچنین نصب فیبر نوری یا کابل های مسی را حذف کنند. این یک مانع مالی بزرگ برای اتصال سنسورها و تجهیزات از راه دور را از بین می برد.
• فناوری LoRa به خوبی با آن کار می کند دستگاه های شبکهدر داخل ساختمان، از جمله در محیط های پیچیده صنعتی قرار می گیرد.
• LoRa با پشتیبانی از میلیون ها گره بسیار مقیاس پذیر و قابل همکاری است و می تواند به شبکه های داده عمومی و خصوصی و سیستم های ارتباطی دو جهته متصل شود.

بنابراین، در حالی که سایر فناوری‌های LPWAN تنها قادر به حل مشکل محدوده ارتباطی در پیاده‌سازی راه‌حل‌های IoT در دراز مدت خواهند بود، فناوری LoRa ارتباطات دو جهته، ضد پارازیت و محتوای اطلاعاتی بالایی را برای این کار ارائه می‌دهد.

LoRa همچنین دارای یک اشکال قابل توجه است - پهنای باند کم. این باعث می شود برای برنامه هایی که نیاز به جریان داده دارند نامناسب باشد. با این حال، این محدودیت مانع استفاده از آن برای طیف گسترده ای از برنامه های IoT نمی شود که در آن تنها بسته های داده کوچک هر از گاهی منتقل می شوند.

اثر متقابل

برنج. 3. ماژول RM1xx از Laird که شامل قابلیت های ارتباطیبرای پروتکل های شبکه بی سیم LoRa و بلوتوث

پتانسیل LoRa زمانی دو برابر می شود که با فناوری هایی مانند BLE ترکیب شود. آنها با هم مجموعه ای از قابلیت های بی سیم بسیار کم توان را برای ارتباطات کوتاه و بلند ارائه می کنند که قابلیت های شبکه های EIoT را افزایش می دهد. به عنوان مثال، بخش مرکزی مناطق شهری را می توان تنها با چند دروازه LoRaWAN پوشش داد، که اساس شبکه های حسگر BLE هستند، که اکنون مستقل از زیرساخت های مخابراتی سنتی هستند. بنابراین، همزیستی LoRa و BLE تعدادی از موانع را بر سر راه گسترش اینترنت اشیا در کلان شهرها و شهرهای کوچک که موانعی برای اجرای گسترده اینترنت اشیا دارند، از بین می برد. با این حال، بزرگترین ذینفعان از ترکیب LoRA و BLE سنسورهای بی سیم، کنترل ها و سایر تجهیزات هستند که اکنون می توانند بدون هیچ محدودیتی به معنای واقعی کلمه در هر جایی نصب شوند (شکل 3). این یک امتیاز ویژه BLE است. BLE همچنین به این دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا در یک شبکه یکپارچه و با برد کوتاه با هم کار کنند، مثلاً از تلفن‌های هوشمند یا تبلت‌ها که در این مورد به عنوان نمایشگرهای بی‌سیم از راه دور استفاده می‌شوند. در این باندل، فناوری LoRa بر اساس قابلیت های موبایل BLE، به عنوان نوعی ایستگاه رله رادیویی عمل می کند که می تواند داده ها را در فواصل طولانی ارسال و دریافت کند. علاوه بر این، این فاصله ها را می توان با دروازه های ساده برای انتقال سیگنال افزایش داد.

در حال حاضر بسیاری وجود دارد نمونه های خوب، نشان می دهد که چگونه جفت شدن LoRa و BLE به شبکه های EIoT اجازه می دهد تا به یک مسیر کاملاً متفاوت برسند سطح فنیو گسترش خود را افزایش دهید.

شبکه های حسگر بی سیم: یک نمای کلی

آکولدیز آی.ف.

ترجمه از انگلیسی: Levzhinsky A.S.

حاشیه نویسی

این مقاله مفاهیم شبکه های حسگر را تشریح می کند که اجرای آنها در نتیجه ترکیب سیستم های میکروالکترومکانیکی، ارتباطات بی سیم و الکترونیک دیجیتال امکان پذیر شد. وظایف و پتانسیل شبکه های حسگر مورد مطالعه قرار می گیرد، بررسی حقایق موثر بر توسعه آنها انجام می شود. معماری شبکه های حسگر ساختمان، الگوریتم ها و پروتکل های توسعه یافته برای هر لایه از معماری نیز در نظر گرفته شده است. این مقاله به بررسی سوالات مربوط به پیاده سازی شبکه های حسگر می پردازد.

1. مقدمه

پیشرفت‌های اخیر در فن‌آوری‌های سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS)، ارتباطات بی‌سیم و الکترونیک دیجیتال، امکان ایجاد موت‌ها (گره‌ها) کم‌هزینه، کم‌مصرف و چند منظوره را فراهم کرده است، آنها کوچک هستند و مستقیماً با یکدیگر صحبت می‌کنند. . شبکه های حسگر بر اساس کار مشترک تعداد زیادی گره کوچک، که از ماژول هایی برای جمع آوری و پردازش داده ها، یک فرستنده تشکیل شده است. چنین شبکه ای مزایای قابل توجهی نسبت به مجموعه ای از حسگرهای سنتی دارد. در اینجا دو ویژگی کلیدی حسگرهای سنتی وجود دارد: سنسورها را می توان دور از پدیده مشاهده شده قرار داد. این رویکرد به سنسورهای زیادی نیاز دارد که از تکنیک های پیچیده ای برای تشخیص اهداف از نویز استفاده می کنند.
شما می توانید چندین حسگر را مستقر کنید که فقط داده ها را جمع آوری می کنند. موقعیت سنسور و توپولوژی را با دقت طراحی کنید. آنها مشاهدات را به گره های مرکزی منتقل می کنند، جایی که جمع آوری و پردازش داده ها انجام می شود.
شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره (mote) است که به طور متراکم نزدیک به پدیده مشاهده شده قرار دارند. موقعیت موت ها نیازی به محاسبه قبلی ندارد. این به آنها اجازه می دهد تا به طور تصادفی در مناطق صعب العبور قرار گیرند یا برای عملیات امدادی که نیاز به واکنش سریع دارند استفاده شوند. از سوی دیگر، این بدان معنی است که پروتکل های شبکه و الگوریتم های موت باید خود سازماندهی شوند. یکی دیگر از ویژگی های منحصر به فرد شبکه های حسگر، همکاری گره های جداگانه است. موت ها مجهز به پردازنده هستند. بنابراین به جای انتقال داده های اصلی، می توانند با انجام محاسبات ساده، آن را پردازش کرده و تنها داده های لازم و نیمه پردازش شده را منتقل کنند. ویژگی هایی که در بالا توضیح داده شد طیف گسترده ای از کاربردها را برای شبکه های حسگر ارائه می کنند. از چنین شبکه هایی می توان در مراقبت های بهداشتی، نظامی و امنیتی استفاده کرد. به عنوان مثال، داده های فیزیولوژیکی در مورد یک بیمار را می توان از راه دور توسط پزشک کنترل کرد. این هم برای بیمار راحت است و هم به پزشک اجازه می دهد وضعیت فعلی او را درک کند. از شبکه های حسگر می توان برای تشخیص عوامل شیمیایی خارجی در هوا و آب استفاده کرد. آنها می توانند به تعیین نوع، غلظت و محل آلاینده ها کمک کنند. در اصل، شبکه های حسگر امکان درک بهتر محیط را فراهم می کنند. ما پیش‌بینی می‌کنیم که در آینده، شبکه‌های حسگر بی‌سیم، بیشتر از رایانه‌های شخصی امروزی، بخشی جدایی‌ناپذیر از زندگی ما خواهند بود. اجرای این پروژه‌ها و پروژه‌های دیگری که نیاز به استفاده از شبکه‌های حسگر بی‌سیم دارد، نیازمند روش‌های خاصی است. پروتکل‌ها و الگوریتم‌های زیادی برای شبکه‌های بی‌سیم همتا به همتای سنتی توسعه یافته‌اند، بنابراین برای شبکه‌های بی‌سیم مناسب نیستند. ویژگی های منحصر به فردو الزامات شبکه های حسگر تفاوت‌های بین شبکه‌های حسگر و شبکه‌های همتا به همتا در اینجا آمده است: تعداد گره‌ها در یک شبکه حسگر می‌تواند چندین مرتبه بزرگتر از گره‌ها در شبکه‌های همتا به همتا باشد.
گره ها با فاصله متراکم قرار دارند.
گره ها مستعد شکست هستند.
توپولوژی شبکه های حسگر می تواند اغلب تغییر کند
گره ها در درجه اول از پیام های پخش استفاده می کنند، در حالی که بیشتر شبکه های همتا به همتا بر اساس ارتباطات نقطه به نقطه هستند.
گره ها از نظر قدرت، قدرت پردازش و حافظه محدود هستند.
گره ها نمی توانند جهانی داشته باشند یک شماره شناسایی(IN) به دلیل مقدار زیاد سربار و تعداد زیاد سنسورها.
از آنجایی که گره های شبکه به صورت متراکم بسته بندی شده اند، گره های همسایه می توانند بسیار نزدیک به یکدیگر باشند. بنابراین، اتصالات چند هاپ در شبکه های حسگر نسبت به اتصالات مستقیم انرژی کمتری مصرف می کنند. علاوه بر این، می توان از قدرت سیگنال داده کم استفاده کرد که در نظارت مخفی مفید است. ارتباطات چند هاپ می تواند به طور موثر بر برخی از مشکلات انتشار سیگنال در فواصل طولانی در ارتباطات بی سیم غلبه کند. یکی از مهم ترین محدودیت ها برای گره ها مصرف کم انرژی است. موت ها منابع انرژی محدودی دارند. بنابراین، در حالی که شبکه های سنتی بر روی دستیابی به کیفیت سیگنال بالا متمرکز هستند، پروتکل های شبکه متحرک باید عمدتاً بر روی صرفه جویی در انرژی تمرکز کنند. آنها باید مکانیسم هایی داشته باشند که به کاربر اجازه می دهد با کاهش توان عملیاتی یا افزایش تأخیر انتقال داده، طول عمر موت را افزایش دهد. بسیاری از محققان در حال حاضر در توسعه مدارهایی که این الزامات را برآورده می کنند درگیر هستند. در این مقاله به بررسی پروتکل ها و الگوریتم هایی که در حال حاضر برای شبکه های حسگر وجود دارد می پردازیم. هدف ما این است که درک بهتری از موضوعات تحقیقاتی جاری در این زمینه ارائه دهیم. ما همچنین سعی خواهیم کرد محدودیت های طراحی را بررسی کنیم و ابزارهایی را شناسایی کنیم که می توانند برای حل مشکلات طراحی استفاده شوند. مقاله به این صورت سازماندهی شده است: در بخش دوم، پتانسیل و سودمندی شبکه های حسگر را شرح می دهیم. در بخش 3، عواملی را که بر طراحی چنین شبکه‌هایی تأثیر می‌گذارند، مورد بحث قرار می‌دهیم. مطالعه دقیق روش های موجود در این زمینه در بخش 4 مورد بررسی قرار خواهد گرفت و در بخش 5 به طور خلاصه بیان خواهیم کرد.

2. کاربرد شبکه های حسگر بی سیم

شبکه های حسگر می توانند از انواع مختلفی از حسگرها مانند لرزه ای، میدان مغناطیسی، حرارتی، مادون قرمز، صوتی تشکیل شده باشند که قادر به انجام طیف گسترده ای از اندازه گیری های شرایط محیطی هستند. به عنوان مثال، مانند:
درجه حرارت،
رطوبت،
ترافیک ماشین،
حالت رعد و برق،
فشار،
ترکیب خاک،
سطح سر و صدا،
وجود یا عدم وجود اشیاء خاص،
بار مکانیکی
ویژگی های دینامیکی مانند سرعت، جهت و اندازه جسم.
موت ها را می توان برای کاوش مداوم، تشخیص رویداد و شناسایی استفاده کرد. مفهوم سنجش میکرو و اتصال بیسیمبرنامه های جدید بسیاری را برای چنین شبکه هایی نوید می دهد. ما آنها را بر اساس حوزه های اصلی دسته بندی کرده ایم: کاربردهای نظامی، تحقیقات محیطی، مراقبت های بهداشتی، استفاده در خانه ها و سایر مناطق تجاری. اما می توان این طبقه بندی را گسترش داد و دسته بندی های بیشتری مانند اکتشافات فضایی، پردازش شیمیایی و امداد رسانی به بلایا را اضافه کرد.

2.1. کاربرد نظامی

شبکه های حسگر بی سیم می توانند بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های فرماندهی نظامی، ارتباطات، اطلاعات، نظارت و جهت گیری (C4ISRT) باشند. استقرار سریع، خود سازماندهی و تحمل خطا از ویژگی های شبکه های حسگر است که آنها را به ابزاری امیدوارکننده برای حل مشکلات تبدیل می کند. از آنجایی که شبکه‌های حسگر می‌توانند مبتنی بر استقرار متراکم گره‌های یکبار مصرف و ارزان باشند، از بین بردن برخی از آنها در طی خصومت‌ها به همان روشی که از بین بردن حسگرهای سنتی بر عملیات نظامی تأثیر نمی‌گذارد. بنابراین، استفاده از شبکه های حسگر برای نبردها مناسب تر است. ما چند راه دیگر را برای استفاده از چنین شبکه هایی فهرست می کنیم: نظارت بر سلاح ها و مهمات نیروهای دوست، مشاهده نبرد. جهت گیری روی زمین؛ ارزیابی خسارت نبرد؛ شناسایی حملات هسته ای، بیولوژیکی و شیمیایی. نظارت بر نیروهای دوست، تسلیحات و مهمات: رهبران و فرماندهان می توانند با استفاده از شبکه های حسگر وضعیت نیروهای خود، وضعیت و در دسترس بودن تجهیزات و مهمات را در میدان جنگ به طور مداوم زیر نظر داشته باشند. هر وسیله نقلیه، تجهیزات و مهمات مهم می تواند حسگرهایی برای گزارش وضعیت خود داشته باشد. این داده ها با هم در گره های کلیدیو برای رهبران ارسال کرد. داده ها همچنین می توانند به سطوح بالاتر سلسله مراتب دستور هدایت شوند تا با داده های سایر بخش ها ترکیب شوند. مشاهدات رزمی: مناطق بحرانی، مسیرها، مسیرها و تنگه‌ها را می‌توان به سرعت با شبکه‌های حسگر برای مطالعه فعالیت‌های نیروهای دشمن پوشش داد. در طول عملیات یا پس از توسعه طرح‌های جدید، شبکه‌های حسگر می‌توانند در هر زمان برای نظارت بر نبرد مستقر شوند. نیروی دشمن و شناسایی زمین: شبکه‌های حسگر را می‌توان در مناطق حساس مستقر کرد و داده‌های ارزشمند، دقیق و به موقع در مورد نیروهای و زمین دشمن را می‌توان در عرض چند دقیقه قبل از اینکه دشمن بتواند آن را رهگیری کند، جمع‌آوری کرد. جهت گیری: شبکه های حسگر را می توان در سیستم های هدایت مهمات هوشمند استفاده کرد. ارزیابی آسیب پس از جنگ: درست قبل یا بعد از حمله، شبکه های حسگر را می توان در منطقه هدف مستقر کرد تا داده های ارزیابی آسیب را جمع آوری کند. تشخیص حملات هسته ای، بیولوژیکی و شیمیایی: هنگام استفاده از سلاح های شیمیایی یا بیولوژیکی که استفاده از آنها نزدیک به صفر است، شناسایی به موقع و دقیق عوامل شیمیایی مهم است. شبکه های حسگر می توانند به عنوان سیستم های هشدار دهنده برای حملات شیمیایی یا بیولوژیکی و داده های جمع آوری شده در آن استفاده شوند زمان کوتاهکمک به کاهش شدید تعداد قربانیان. همچنین امکان استفاده از شبکه های حسگر برای شناسایی دقیق پس از شناسایی چنین حملاتی وجود دارد. به عنوان مثال، می توان در صورت آلودگی تشعشعات بدون قرار گرفتن افراد در معرض تشعشع، شناسایی انجام داد.

2.2. کاربرد زیست محیطی

برخی از حوزه‌هایی که در اکولوژی از شبکه‌های حسگر استفاده می‌شود عبارتند از: ردیابی حرکت پرندگان، حیوانات کوچک و حشرات. نظارت بر وضعیت محیط زیست به منظور شناسایی تأثیر آن بر محصولات کشاورزی و دام؛ آبیاری؛ نظارت بر زمین و اکتشاف سیاره ای در مقیاس بزرگ؛ تشخیص شیمیایی / بیولوژیکی؛ تشخیص آتش سوزی جنگل؛ تحقیقات هواشناسی یا ژئوفیزیک؛ تشخیص سیل؛ و تحقیق در مورد آلودگی تشخیص آتش‌سوزی: از آنجایی که موت‌ها می‌توانند به طور استراتژیک و محکم در جنگل مستقر شوند، می‌توانند منشأ دقیق آتش‌سوزی را قبل از اینکه آتش از کنترل خارج شود، انتقال دهند. میلیون ها حسگر را می توان به صورت دائمی مستقر کرد. آنها را می توان به پنل های خورشیدی مجهز کرد، زیرا گره ها را می توان برای ماه ها یا حتی سال ها بدون مراقبت رها کرد. Motes برای انجام وظایف سنجش توزیع شده و غلبه بر موانعی مانند درختان و صخره‌هایی که حسگرهای سیمی را مسدود می‌کنند، با هم کار خواهند کرد. نگاشت وضعیت زیست محیطی: به رویکردهای پیچیده برای ادغام اطلاعات در مقیاس های زمانی و مکانی نیاز دارد. پیشرفت در فناوری سنجش از دور و جمع‌آوری خودکار داده‌ها هزینه‌های تحقیقاتی را تا حد زیادی کاهش داده است. مزیت این شبکه ها این است که گره ها می توانند به اینترنت متصل شوند که به کاربران راه دور امکان کنترل، نظارت و مشاهده محیط را می دهد. اگرچه سنسورهای ماهواره ای و هوابرد در مشاهده تنوع زیاد، مانند پیچیدگی فضایی، گونه های گیاهی غالب مفید هستند، اما اجازه مشاهده عناصر کوچکی که اکثریت یک اکوسیستم را تشکیل می دهند را نمی دهند. در نتیجه، نیاز به استقرار گره های شبکه حسگر بی سیم در میدان وجود دارد. یکی از نمونه‌های کاربرد، نقشه‌برداری بیولوژیکی محیط در یک ذخیره‌گاه در جنوب کالیفرنیا است. سه سایت تحت پوشش یک شبکه هستند که هر کدام دارای 25-100 گره است که برای نظارت مداوم بر وضعیت محیط استفاده می شود. تشخیص سیل: نمونه ای از تشخیص سیل، سیستم آدرس عمومی در ایالات متحده است. چندین نوع سنسور قرار داده شده در سیستم هشدار، میزان بارندگی، سطح آب و آب و هوا را تعیین می کنند. پروژه های تحقیقاتی مانند پروژه پایگاه داده دستگاه COUGAR در دانشگاه کرنل و پروژه DataSpace در دانشگاه راتگرز در حال بررسی رویکردهای مختلف برای تعامل با گره های فردی در یک شبکه برای به دست آوردن عکس های فوری و جمع آوری داده های بلند مدت هستند. کشاورزی: ​​مزیت شبکه های حسگر همچنین توانایی نظارت بر سطوح آفت کش ها در آب، سطوح فرسایش خاک و سطوح آلودگی هوا در زمان واقعی است.

2.3. کاربرد در پزشکی

یکی از کاربردهای پزشکی در دستگاه های معلولین است. نظارت بر بیمار؛ تشخیص؛ نظارت بر استفاده از داروها در بیمارستان ها؛ جمع آوری داده های فیزیولوژیکی انسان؛ و نظارت بر پزشکان و بیماران در بیمارستان ها. نظارت بر وضعیت فیزیولوژیکی انسان: داده‌های فیزیولوژیکی جمع‌آوری‌شده توسط شبکه‌های حسگر را می‌توان برای مدت طولانی ذخیره کرد و می‌توان از آن برای تحقیقات پزشکی استفاده کرد. گره های شبکه نصب شده همچنین می توانند حرکات افراد مسن را ردیابی کنند و به عنوان مثال از سقوط جلوگیری کنند. این گره ها کوچک هستند و آزادی حرکت بیشتری را برای بیمار فراهم می کنند و در عین حال به پزشکان اجازه می دهند تا علائم بیماری را از قبل شناسایی کنند. علاوه بر این، آنها در مقایسه با درمان بیمارستانی به زندگی راحت تر برای بیماران کمک می کنند. برای آزمایش امکان سنجی چنین سیستمی، دانشکده پزشکی گرنوبل فرانسه "سالم" را ایجاد کرد. خانه هوشمند"". . نظارت بر پزشکان و بیماران در بیمارستان: هر بیمار یک گره شبکه کوچک و سبک دارد. هر گره وظیفه خاص خود را دارد. برای مثال، یکی ممکن است ضربان قلب شما را کنترل کند در حالی که دیگری فشار خون شما را اندازه گیری می کند. پزشکان نیز ممکن است چنین گرهی داشته باشند، به سایر پزشکان اجازه می دهد آنها را در بیمارستان پیدا کنند. نظارت بر داروها در بیمارستان ها: گره ها را می توان به داروها متصل کرد، سپس احتمال تجویز داروی اشتباه را به حداقل رساند. بنابراین، بیماران گره هایی خواهند داشت که آلرژی آنها و داروهای لازم را تعیین می کند. سیستم‌های رایانه‌ای همانطور که در توضیح داده شد نشان داده‌اند که می‌توانند به به حداقل رساندن عوارض جانبی ناشی از توزیع نادرست داروها کمک کنند.

2.4. کاربرد در منزل

اتوماسیون خانگی: گره‌های هوشمند را می‌توان در لوازم خانگی مانند جاروبرقی، اجاق‌های مایکروویو، یخچال‌ها و دستگاه‌های ویدئویی ادغام کرد. آنها می توانند از طریق اینترنت یا ماهواره با یکدیگر و با یک شبکه خارجی ارتباط برقرار کنند. این به کاربران نهایی این امکان را می دهد که به راحتی دستگاه ها را در خانه هم به صورت محلی و هم از راه دور مدیریت کنند. محیط هوشمند: طراحی محیط هوشمند می تواند دو رویکرد متفاوت داشته باشد، یعنی انسان محور یا فناوری محور. در مورد رویکرد اول، محیط هوشمند باید با نیازهای کاربران نهایی از نظر تعامل با آنها سازگار شود. برای سیستم های فناوری محور، فن آوری های سخت افزاری جدید باید توسعه یابد، راه حل های شبکه، و برنامه های کاربردی میانی. نمونه هایی از نحوه استفاده از گره ها برای ایجاد یک محیط هوشمند در توضیح داده شده است. گره ها را می توان در مبلمان و لوازم خانگی تعبیه کرد، آنها می توانند با یکدیگر و سرور اتاق ارتباط برقرار کنند. سرور اتاق همچنین می تواند با سایر سرورهای اتاق ارتباط برقرار کند تا در مورد خدماتی که می توانند ارائه دهند، مانند چاپ، اسکن و فکس مطلع شود. این سرورها و گره‌های حسگر را می‌توان در دستگاه‌های تعبیه‌شده موجود ادغام کرد و سیستم‌های خودسازمان‌دهی، خودتنظیمی و تطبیقی ​​را بر اساس مدل تئوری کنترل که در توضیح داده شد، تشکیل می‌دهند.

3. عوامل موثر بر توسعه مدل های شبکه حسگر.

توسعه شبکه های حسگر به عوامل زیادی بستگی دارد که شامل تحمل خطا، مقیاس پذیری، هزینه های تولید، نوع محیط عملیاتی، توپولوژی شبکه حسگر، محدودیت های سخت افزاری، مدل ارتباطی و مصرف برق می باشد. این عوامل مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. با این حال، هیچ یک از این مطالعات به طور کامل تمام عوامل موثر بر طراحی شبکه را در نظر نمی گیرند. آنها مهم هستند زیرا به عنوان یک دستورالعمل برای توسعه یک پروتکل یا الگوریتم برای عملکرد شبکه های حسگر عمل می کنند. علاوه بر این، از این عوامل می توان برای مقایسه مدل های مختلف استفاده کرد.

3.1. تحمل خطا

برخی از گره ها ممکن است به دلیل کمبود نیرو، آسیب فیزیکی یا تداخل شخص ثالث از کار بیفتند. خرابی گره نباید بر عملکرد شبکه حسگر تأثیر بگذارد. این موضوع مربوط به قابلیت اطمینان و تحمل خطا است. تحمل خطا - توانایی حفظ عملکرد شبکه حسگر بدون شکست در هنگام خرابی یک گره. قابلیت اطمینان Rk(t) یا تحمل خطای گره با استفاده از توزیع پواسون برای تعیین احتمال عدم موفقیت گره در بازه زمانی (0; t) مدل‌سازی می‌شود. شایان ذکر است که پروتکل‌ها و الگوریتم‌ها را می‌توان به سطح تحمل خطا جهت داد. برای ساخت شبکه های حسگر مورد نیاز است. اگر محیطی که گره‌ها در آن قرار می‌گیرند کمتر مستعد تداخل باشد، ممکن است پروتکل‌ها تحمل خطای کمتری داشته باشند. به عنوان مثال، اگر گره‌هایی برای نظارت بر رطوبت و سطوح دما به خانه وارد شوند، الزامات تحمل خطا ممکن است کم باشد، زیرا چنین شبکه‌های حسگر نمی‌توانند از کار بیفتند و "نویز" محیط بر عملکرد آنها تأثیر نمی‌گذارد. از طرف دیگر، اگر از گره ها در میدان جنگ برای مشاهده استفاده می شود، تحمل خطا باید بالا باشد، زیرا مشاهده بسیار مهم است و گره ها می توانند در طول عملیات نظامی از بین بروند. در نتیجه، سطح تحمل خطا به کاربرد شبکه‌های حسگر بستگی دارد و مدل‌ها باید با در نظر گرفتن این موضوع توسعه یابند.

3.2. مقیاس پذیری

تعداد گره هایی که برای مطالعه پدیده به کار می روند می تواند صدها یا هزاران باشد. بسته به برنامه، تعداد می تواند به مقادیر شدید (میلیون ها) برسد. مدل های جدید باید بتوانند این تعداد گره را مدیریت کنند. آنها همچنین نیاز به استفاده از شبکه های حسگر با تراکم بالایی دارند که می تواند از چند گره تا چند صد در منطقه ای که قطر آن کمتر از 10 متر باشد متغیر باشد. چگالی را می توان با توجه به

3.3. هزینه های تولید

از آنجایی که شبکه های حسگر از تعداد زیادی گره تشکیل شده اند، هزینه هر گره باید به گونه ای باشد که هزینه کل شبکه را توجیه کند. اگر هزینه شبکه بیشتر از استقرار حسگرهای سنتی باشد، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. در نتیجه هزینه هر گره باید کم باشد. اکنون هزینه یک گره با استفاده از فرستنده بلوتوث کمتر از 10 دلار است. قیمت PicoNode حدود 1 دلار است. بنابراین، هزینه یک گره شبکه حسگر برای توجیه اقتصادی استفاده از آنها باید بسیار کمتر از 1 دلار باشد. هزینه یک گره بلوتوث که وسیله ای ارزان محسوب می شود، 10 برابر بیشتر از قیمت متوسط ​​گره های شبکه حسگر است. لطفاً توجه داشته باشید که گره دارای ماژول‌های اضافی مانند یک ماژول جمع‌آوری داده و یک ماژول پردازش داده است (شرح شده در بخش 3.4.) علاوه بر این، بسته به کاربرد سنسور، می‌توان آنها را به یک سیستم موقعیت‌یابی یا یک ژنراتور برق مجهز کرد. شبکه های. در نتیجه، هزینه یک گره، با توجه به تعداد، یک مسئله پیچیده است عملکردحتی اگر قیمت کمتر از 1 دلار باشد.

3.4. ویژگی های سخت افزاری

گره شبکه حسگر از چهار جزء اصلی تشکیل شده است که در شکل 1 نشان داده شده است. 1: واحد جمع آوری داده، واحد پردازش، فرستنده و منبع تغذیه. وجود ماژول های اضافی به برنامه شبکه بستگی دارد، به عنوان مثال، ممکن است ماژول های مکان، یک ژنراتور برق و یک موبیلایزر (MAC) وجود داشته باشد. ماژول اکتساب داده معمولاً از دو بخش تشکیل شده است: حسگرها و مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC). سیگنال آنالوگ تولید شده توسط سنسور بر اساس پدیده مشاهده شده به تبدیل می شود سیگنال دیجیتالبا استفاده از ADC، و سپس به واحد پردازش تغذیه می شود. ماژول پردازش، که از حافظه یکپارچه استفاده می کند، رویه هایی را مدیریت می کند که به همراه سایر گره ها، امکان انجام وظایف نظارتی تعیین شده را می دهد. واحد فرستنده (فرستنده گیرنده) گره را به شبکه متصل می کند. یکی از مهمترین اجزای گره منبع تغذیه است. منبع تغذیه ممکن است قابل شارژ باشد، به عنوان مثال با استفاده از پنل های خورشیدی.

بیشتر گره‌هایی که داده‌ها را ارسال می‌کنند و داده‌ها را جمع‌آوری می‌کنند باید مکان خود را با دقت بالا بدانند. بنابراین، یک ماژول مکان در طرح کلی گنجانده شده است. گاهی اوقات ممکن است به یک موبیلیزر نیاز داشته باشید که در صورت لزوم، گره را در مواقع ضروری برای تکمیل وظایف حرکت دهد. همه این ماژول ها ممکن است نیاز داشته باشند در یک محفظه به اندازه جعبه کبریت قرار بگیرند. اندازه گره می تواند کمتر از یک سانتی متر مکعب و به اندازه کافی سبک باشد تا در هوا بماند. به غیر از اندازه، محدودیت های سخت دیگری برای گره ها وجود دارد. آنها باید :
انرژی بسیار کمی مصرف کند
کار با تعداد زیادی گره در فواصل کوتاه،
هزینه تولید پایینی دارند
مستقل باشید و بدون نظارت کار کنید،
با محیط سازگار شود.
از آنجایی که گره ها ممکن است در دسترس نباشند، عمر شبکه حسگر به قدرت گره های جداگانه بستگی دارد. غذا منبع محدودو به دلیل محدودیت سایز به عنوان مثال، کل ذخیره انرژی یک گره هوشمند در حد 1 ژول است. برای شبکه حسگر یکپارچه بی‌سیم (WINS)، سطح شارژ متوسط ​​باید کمتر از 30 LA باشد تا از زمان طولانی اطمینان حاصل شود. افزایش عمر شبکه های حسگر با استفاده از باتری های قابل شارژ به عنوان مثال با دریافت انرژی از محیط امکان پذیر است. پنل های خورشیدی نمونه بارز استفاده از شارژ مجدد هستند. ماژول ارتباطی گره می تواند یک دستگاه نوری غیرفعال یا فعال، مانند یک گره هوشمند، یا یک فرستنده فرکانس رادیویی (RF) باشد. انتقال RF به یک ماژول مدولاسیون نیاز دارد که از پهنای باند معینی استفاده می کند، یک ماژول فیلتر، یک ماژول دمدولاسیون، که آنها را پیچیده تر و گران تر می کند. علاوه بر این، به دلیل قرار گرفتن آنتن ها در نزدیکی زمین، ممکن است در انتقال داده بین دو گره از بین برود. با این حال، ارتباطات رادیویی در اکثر طرح‌های شبکه حسگر موجود ترجیح داده می‌شود، زیرا نرخ داده‌ها کم است (معمولاً کمتر از 1 هرتز) و نرخ چرخه انتقال به دلیل فواصل کوتاه زیاد است. این ویژگی ها امکان استفاده از فرکانس های رادیویی پایین را فراهم می کند. با این حال، طراحی فرستنده‌های رادیویی کم مصرف و کم فرکانس هنوز یک چالش فنی است و فناوری‌های موجود که در ساخت دستگاه‌های بلوتوث استفاده می‌شوند، برای شبکه‌های حسگر کارآمد نیستند زیرا انرژی زیادی مصرف می‌کنند. اگرچه پردازنده ها مدام در حال کوچک شدن و افزایش قدرت هستند، پردازش و ذخیره سازی داده ها توسط گره هنوز نقطه ضعف آن است. به عنوان مثال، ماژول پردازش گره هوشمند از یک پردازنده Atmel AVR8535 با فرکانس 4 مگاهرتز، یک میکروکنترلر با 8 کیلوبایت دستورالعمل، حافظه فلش، 512 بایت رم و 512 بایت EEPROM تشکیل شده است. این ماژول که دارای 3500 بایت برای سیستم عامل و 4500 بایت حافظه رایگان برای کد است، از سیستم عامل TinyOS استفاده می کند. ماژول پردازشی دیگر نمونه اولیه گره lAMPS دارای یک پردازنده 59-206 مگاهرتز SA-1110 است. گره های IAMPS از یک سیستم عامل چند رشته ای استفاده می کنند. سیستم L-OS. اکثر وظایف جمع آوری داده ها نیاز به آگاهی از موقعیت گره دارند. از آنجایی که گره ها معمولاً به صورت تصادفی و بدون نظارت قرار می گیرند، باید با استفاده از یک سیستم موقعیت یابی همکاری کنند. تعیین مکان در بسیاری از پروتکل های مسیریابی شبکه حسگر استفاده می شود (جزئیات بیشتر در بخش 4). برخی پیشنهاد کرده اند که هر گره باید یک ماژول سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) داشته باشد که تا فاصله 5 متری کار می کند. مقاله استدلال می کند که تجهیز همه گره ها به GPS برای عملکرد شبکه های حسگر ضروری نیست. یک رویکرد جایگزین وجود دارد که در آن فقط برخی از گره ها از GPS استفاده می کنند و به گره های دیگر کمک می کنند تا موقعیت خود را روی زمین تعیین کنند.

3.5. توپولوژی شبکه

این واقعیت که گره ها می توانند در دسترس نباشند و در معرض خرابی های مکرر قرار گیرند، تعمیر و نگهداری شبکه را به یک کار چالش برانگیز تبدیل می کند. از صدها تا چندین هزار گره را می توان در قلمرو شبکه حسگر قرار داد. آنها با فاصله ده متری از هم مستقر می شوند. چگالی گره ها می تواند بیشتر از 20 گره در متر مکعب باشد. آرایش متراکم بسیاری از گره ها مستلزم نگهداری دقیق شبکه است. مسائل مربوط به حفظ و تغییر توپولوژی شبکه را در سه مرحله پوشش خواهیم داد:

3.5.1. پیش استقرار و استقرار گره ها می تواند شامل پراکندگی انبوه گره ها یا نصب هر یک به طور جداگانه باشد. آنها می توانند مستقر شوند:

پراکنده از یک هواپیما،
با قرار گرفتن در یک موشک یا پرتابه
پرتاب شده توسط منجنیق (مثلاً از کشتی و غیره)
قرار دادن در کارخانه
هر گره به صورت جداگانه توسط یک انسان یا یک ربات قرار می گیرد.
با اينكه مقدار زیادیسنسورها و استقرار خودکار آنها معمولاً مانع از قرار دادن آنها بر اساس یک طرح دقیق طراحی شده می شود، طرح هایی برای استقرار اولیه باید:
کاهش هزینه های نصب
رفع نیاز به هر گونه سازماندهی قبلی و برنامه ریزی قبلی،
افزایش انعطاف پذیری مکان،
خودسازماندهی و تحمل خطا را ترویج دهید.

3.5.2. مرحله بعد از استقرار شبکه

پس از استقرار شبکه، تغییر در توپولوژی آن با تغییر در ویژگی های گره ها همراه است. بیایید آنها را فهرست کنیم:
موقعیت،
دسترسی (به دلیل تداخل، سر و صدا، موانع متحرک و غیره)،
شارژ باتری،
خرابی ها
تغییر وظایف
گره ها را می توان به صورت ایستا مستقر کرد. با این حال، خرابی دستگاه به دلیل تخلیه یا تخریب باتری رایج است. شبکه های حسگر با تحرک گره بالا امکان پذیر است. علاوه بر این، گره ها و شبکه ها وظایف مختلفی را انجام می دهند و می توانند در معرض تداخل عمدی قرار گیرند. بنابراین، ساختار شبکه حسگر پس از استقرار مستعد تغییرات مکرر است.

3.5.3. مرحله استقرار گره اضافی

گره های اضافی را می توان در هر زمان برای جایگزینی گره های معیوب یا به دلیل تغییر وظایف اضافه کرد. افزودن گره های جدید نیاز به سازماندهی مجدد شبکه را ایجاد می کند. مقابله با تغییرات مکرر در توپولوژی یک شبکه همتا به همتا که شامل گره های زیادی است و محدودیت های توان بسیار محدودی دارد، نیاز به پروتکل های مسیریابی خاصی دارد. این موضوع با جزئیات بیشتر در بخش 4 مورد بحث قرار گرفته است.

3.6. محیط

گره ها بسیار نزدیک یا مستقیماً در درون پدیده مشاهده شده قرار دارند. بنابراین، آنها بدون نظارت در مناطق جغرافیایی دور کار می کنند. آنها می توانند کار کنند
در تقاطع های شلوغ
داخل ماشین های بزرگ
در ته اقیانوس
درون یک گردباد
روی سطح اقیانوس در هنگام گردباد،
در مناطق آلوده بیولوژیکی و شیمیایی
در میدان جنگ
در یک خانه یا یک ساختمان بزرگ،
در یک انبار بزرگ
متصل به حیوانات
متصل به وسایل نقلیه سریع السیر
در یک فاضلاب یا رودخانه همراه با جریان آب.
این لیست ایده ای از شرایطی که گره ها می توانند تحت آن کار کنند را ارائه می دهد. آنها می توانند تحت فشار بالا در کف اقیانوس، در محیط های خشن، در میان زباله ها یا در میدان جنگ، در دماهای شدید مانند در نازل موتور هواپیما یا در مناطق قطبی، در مکان های بسیار پر سر و صدا که در آن مقدار زیادی هوا وجود دارد، کار کنند. دخالت.

3.7. روش های انتقال داده

در یک شبکه حسگر چند هاپ، گره ها به صورت بی سیم ارتباط برقرار می کنند. ارتباط می تواند از طریق رادیو، مادون قرمز یا رسانه های نوری باشد. برای استفاده از این روش ها در سطح جهانی، رسانه انتقال باید در سراسر جهان در دسترس باشد. یک گزینه برای ارتباطات رادیویی استفاده از باندهای صنعتی، علمی و پزشکی (ISM) است که بدون مجوز در اکثر کشورها در دسترس هستند. برخی از فرکانس های قابل استفاده در جدول فرکانس بین المللی مندرج در ماده S5 در مورد مقررات رادیویی (جلد 1) توضیح داده شده است. برخی از این فرکانس ها در حال حاضر در تلفن بی سیم و بی سیم استفاده می شوند شبکه های محلی(WLAN). برای شبکه های حسگر با اندازه کوچک و کم هزینه، تقویت کننده سیگنال مورد نیاز نیست. با توجه به محدودیت های سخت افزاری و مصالحه بین راندمان آنتن و مصرف انرژی، محدودیت های خاصی را در انتخاب فرکانس انتقال در محدوده فرکانس مایکروویو اعمال می کند. آنها همچنین 433 مگاهرتز ISM را در اروپا و 915 مگاهرتز ISM را در آمریکای شمالی ارائه می دهند. مدل‌های فرستنده احتمالی برای این دو منطقه در مورد بحث قرار گرفته‌اند. مزایای اصلی استفاده از فرکانس های رادیویی ISM، طیف گسترده فرکانس ها و در دسترس بودن در سراسر جهان است. آنها به استاندارد خاصی وابسته نیستند، بنابراین آزادی بیشتری برای اجرای استراتژی های صرفه جویی در انرژی در شبکه های حسگر می دهند. از سوی دیگر قوانین و محدودیت های مختلفی مانند قوانین مختلف و تداخل برنامه های موجود وجود دارد. به این باندهای فرکانسی فرکانس های تنظیم نشده نیز می گویند. بیشتر تجهیزات نود امروزی مبتنی بر استفاده از فرستنده های رادیویی است. گره های بی سیم IAMPS، که در توضیح داده شده است، از فرستنده های 2.4 گیگاهرتزی مجهز به بلوتوث استفاده می کنند و یک سینت سایزر فرکانس یکپارچه دارند. دستگاه گره های کم مصرف در کار توضیح داده شده است، آنها از یک کانال انتقال رادیویی استفاده می کنند که در فرکانس 916 مگاهرتز کار می کند. معماری WINS همچنین از رادیو استفاده می کند. یکی دیگر راه ممکنارتباطات در شبکه های حسگر مادون قرمز است. ارتباط IR بدون مجوز در دسترس است و در برابر تداخل الکتریکی مصون است. فرستنده‌های IR ارزان‌تر و آسان‌تر ساخته می‌شوند. بسیاری از لپ‌تاپ‌ها، رایانه‌های شخصی و تلفن‌های همراه امروزی از رابط IR برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند. عیب اصلی چنین ارتباطی، نیاز به دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده است. این باعث می شود ارتباطات IR برای استفاده در شبکه های حسگر به دلیل رسانه انتقال نامطلوب باشد. یک روش انتقال جالب استفاده از گره های هوشمند است که ماژول هایی برای نظارت خودکار و پردازش داده ها هستند. آنها از یک محیط نوری برای انتقال استفاده می کنند. دو طرح انتقال وجود دارد، غیرفعال با استفاده از بازتابنده مکعبی گوشه ای (CCR) و فعال با استفاده از دیود لیزر و آینه های کنترل شده (مورد بحث در ). در مورد اول، منبع نور یکپارچه مورد نیاز نیست، از پیکربندی سه آینه (CCR) برای انتقال سیگنال استفاده می شود. روش فعال از یک دیود لیزر و یک سیستم ارتباطی لیزری فعال برای ارسال پرتوهای نور به گیرنده مورد نظر استفاده می کند. الزامات کاربردی غیرمعمول شبکه های حسگر، انتخاب رسانه انتقال را دشوار می کند. به عنوان مثال، کاربردهای دریایی نیاز به استفاده از یک رسانه انتقال آب دارد. در اینجا باید از تشعشعات موج بلند استفاده کنید که می تواند به سطح آب نفوذ کند. در زمین های سخت یا در میدان نبرد، ممکن است خطاها و تداخل بیشتری رخ دهد. علاوه بر این، ممکن است معلوم شود که آنتن های گره ارتفاع و قدرت تشعشعی لازم برای ارتباط با سایر دستگاه ها را ندارند. بنابراین، انتخاب رسانه انتقال باید با طرح‌های مدولاسیون و کدگذاری قابل اعتماد همراه باشد که به ویژگی‌های کانال انتقال بستگی دارد.

3.8. مصرف برق

گره بی سیم، که یک دستگاه میکروالکترونیک است، تنها می تواند به منبع تغذیه محدود مجهز شود.

3.8.1. ارتباط

یک گره حداکثر انرژی خود را صرف ارتباطات می کند که هم شامل انتقال و هم دریافت داده می شود. می توان گفت برای برقراری ارتباط مسافت های کوتاهبا قدرت انتقال کم، انتقال و دریافت تقریباً به همان مقدار انرژی نیاز دارند. سینت سایزرهای فرکانس، نوسان سازهای کنترل ولتاژ، مسدود کننده فاز (PLL) و تقویت کننده های قدرت همگی به انرژی نیاز دارند که محدود است. مهم است که در این مورد فقط توان فعال را در نظر نگیریم، بلکه مصرف برق را هنگام راه اندازی فرستنده ها نیز در نظر بگیریم. راه اندازی فرستنده کسری از ثانیه طول می کشد، بنابراین مقدار ناچیزی انرژی مصرف می کند. این مقدار را می توان با زمان قفل PLL مقایسه کرد. با این حال، با کاهش بسته ارسالی، قدرت پرتاب شروع به تسلط بر مصرف برق می کند. در نتیجه روشن و خاموش کردن مداوم فرستنده ناکارآمد است، زیرا بیشتر انرژی صرف این کار خواهد شد. در حال حاضر فرستنده های رادیویی کم توان دارای مقادیر استاندارد Pt و Pr 20 dBm و Pout نزدیک به 0dBm هستند. توجه داشته باشید که PicoRadio هدایت شده به کامپیوتر -20dBm است. طراحی فرستنده های کوچک و ارزان در منبع مورد بحث قرار گرفته است. بر اساس نتایج آنها، نویسندگان این مقاله، با توجه به برآوردهای بودجه و انرژی، معتقدند که مقادیر Pt و Pr باید حداقل یک مرتبه کوچکتر از مقادیر داده شده در بالا باشد.

3.8.2. پردازش داده ها

مصرف انرژی پردازش داده در مقایسه با انتقال داده بسیار کمتر است. مثال شرح داده شده در مقاله در واقع این اختلاف را نشان می دهد. بر اساس تئوری ریلی مبنی بر اینکه یک چهارم توان در حین انتقال از بین می رود، می توان نتیجه گرفت که مصرف انرژی برای انتقال 1 کیلوبایت در مسافت 100 متر تقریباً برابر با اجرای 3 میلیون دستورالعمل با نرخ 100 میلیون دستورالعمل در هر خواهد بود. دوم (MIPS)/W توسط پردازنده. بنابراین، پردازش داده های محلی برای به حداقل رساندن مصرف انرژی در یک شبکه حسگر چند هاپ حیاتی است. بنابراین، گره ها باید قابلیت های محاسباتی داخلی داشته باشند و بتوانند با محیط تعامل داشته باشند. محدودیت های هزینه و اندازه ما را به انتخاب نیمه هادی ها (CMOS) به عنوان فناوری اصلی برای ریزپردازنده ها سوق می دهد. متأسفانه، آنها محدودیت هایی در بهره وری انرژی دارند. CMOS هر بار که حالت را تغییر می دهد به برق نیاز دارد. انرژی مورد نیاز برای تغییر حالت ها، متناسب با فرکانس سوئیچینگ، ظرفیت خازن (بسته به مساحت) و نوسانات ولتاژ. بنابراین، کاهش ولتاژ منبع تغذیه یک وسیله موثر برای کاهش مصرف برق در حالت فعال است. مقیاس ولتاژ دینامیک، که در مورد بحث قرار گرفت، به دنبال تطبیق توان و فرکانس پردازنده با توجه به حجم کاری است. هنگامی که بار پردازش روی ریزپردازنده کاهش می یابد، صرفاً کاهش فرکانس باعث کاهش خطی مصرف برق می شود، با این حال، کاهش ولتاژ کاری باعث کاهش درجه دوم هزینه های برق می شود. از سوی دیگر، از تمام عملکرد ممکن پردازنده استفاده نخواهد شد. اگر در نظر بگیریم که حداکثر عملکرد همیشه مورد نیاز نیست و بنابراین، ولتاژ و فرکانس کاری پردازنده را می توان به صورت دینامیکی با نیازهای پردازش تطبیق داد، نتیجه خواهد داد. نویسندگان طرح‌های پیش‌بینی حجم کار را بر اساس پردازش تطبیقی ​​پروفایل‌های بار موجود و بر اساس تحلیل چندین طرح از قبل ایجاد شده پیشنهاد می‌کنند. راهبردهای دیگر برای کاهش قدرت پردازنده در . لازم به ذکر است که ممکن است از طرح های اضافی برای رمزگذاری و رمزگشایی داده ها استفاده شود. مدارهای یکپارچههمچنین ممکن است در برخی موارد استفاده شود. در تمام این سناریوها، ساختار شبکه حسگر، الگوریتم‌های عملیاتی و پروتکل‌ها به هزینه‌های انرژی مربوطه بستگی دارد.

4. معماری شبکه های حسگر

گره ها معمولاً به طور تصادفی در سراسر منطقه مشاهده قرار می گیرند. هر یک از آنها می توانند داده ها را جمع آوری کنند و مسیر انتقال داده ها را به گره مرکزی یعنی کاربر نهایی می دانند. داده ها با استفاده از معماری شبکه چند هاپ منتقل می شوند. گره مرکزی می تواند از طریق اینترنت یا ماهواره با مدیر وظیفه ارتباط برقرار کند. پشته پروتکل مورد استفاده توسط گره مرکزی و تمام گره های دیگر در شکل نشان داده شده است. 3. پشته پروتکل شامل اطلاعات قدرت و اطلاعات مسیر است، حاوی اطلاعات پروتکل شبکه است، به برقراری ارتباط موثر در محیط بی سیم کمک می کند و همکاری گره ها را ارتقا می دهد. پشته پروتکل از یک لایه کاربردی، یک لایه انتقال، یک لایه شبکه، یک لایه پیوند داده، یک لایه فیزیکی، یک لایه مدیریت توان، یک لایه مدیریت تحرک و یک لایه زمان بندی کار تشکیل شده است. بسته به وظیفه جمع آوری داده ها، انواع مختلفنرم افزار کاربردی را می توان در سطح برنامه ساخت. لایه انتقال کمک می کند تا داده ها در صورت لزوم جریان داشته باشند. لایه شبکه مسیریابی داده های ارائه شده توسط لایه انتقال را مدیریت می کند. از آنجایی که محیط زیست دارد نویز خارجی و گره ها را می توان جابجا کرد، پروتکل MAC باید هنگام انتقال داده ها بین گره های همسایه، وقوع برخوردها را به حداقل برساند. لایه فیزیکی وظیفه انتقال اطلاعات را بر عهده دارد. این پروتکل ها به میزبان ها کمک می کنند تا ضمن صرفه جویی در مصرف انرژی، وظایف خود را انجام دهند. لایه مدیریت توان تعیین می کند که یک گره چگونه باید از توان استفاده کند. به عنوان مثال، یک گره ممکن است پس از دریافت پیام از یکی از همسایگان خود، گیرنده را خاموش کند. این به شما کمک می کند از دریافت پیام تکراری جلوگیری کنید. همچنین، هنگامی که یک گره باتری کم است، به همسایگان خود اطلاع می دهد که نمی تواند در مسیریابی پیام شرکت کند. از تمام انرژی باقی مانده برای جمع آوری داده ها استفاده خواهد کرد. لایه Mobility Control (MAC) حرکت گره ها را تعیین و ثبت می کند، بنابراین همیشه مسیری برای انتقال داده ها به گره مرکزی وجود دارد و گره ها می توانند همسایگان خود را تعیین کنند. و با شناخت همسایگان خود، گره می تواند مصرف برق را با همکاری با آنها متعادل کند. مدیر وظیفه جمع آوری اطلاعات را برای هر منطقه به طور جداگانه برنامه ریزی و زمان بندی می کند. همه گره ها در یک منطقه برای اجرای همزمان وظایف کاوشگری لازم نیستند. در نتیجه، برخی از گره ها بسته به ظرفیت خود، وظایف بیشتری نسبت به سایرین انجام می دهند. همه این لایه‌ها و ماژول‌ها برای همکاری گره‌ها و تلاش برای حداکثر بهره‌وری انرژی، بهینه‌سازی مسیر انتقال داده در شبکه و همچنین به اشتراک گذاشتن منابع یکدیگر ضروری هستند. بدون آنها، هر گره به صورت جداگانه کار می کند. از نقطه نظر کل شبکه حسگر، اگر گره ها با یکدیگر کار کنند، کارآمدتر است که به افزایش طول عمر خود شبکه ها کمک می کند. قبل از بحث در مورد نیاز به گنجاندن ماژول ها و لایه های کنترل در پروتکل، سه کار موجود در پشته پروتکل را در نظر خواهیم گرفت که در شکل 3 نشان داده شده است. مدل WINS که در منبع مورد بحث قرار گرفته است، که در آن گره ها در یک شبکه توزیع شده متصل هستند و به اینترنت دسترسی داشته باشند. از آنجایی که تعداد زیادی گره شبکه WINS در فاصله کمی از یکدیگر قرار دارند، ارتباطات چند هاپ مصرف برق را به حداقل می رساند. اطلاعات محیطی دریافت شده توسط گره به صورت متوالی از طریق گره های دیگر به گره مرکزی یا دروازه WINS ارسال می شود، همانطور که در شکل 2 برای گره های A، B، C، D و E نشان داده شده است. دروازه WINS از طریق پروتکل های شبکه مشترک با کاربر ارتباط برقرار می کند. به عنوان اینترنت . . پشته پروتکل شبکه WINS از لایه برنامه، لایه شبکه، لایه MAC و لایه فیزیکی تشکیل شده است. گره های هوشمند (یا ذرات گرد و غبار). این گره ها به دلیل اندازه و وزن کوچکشان می توانند به اجسام متصل شوند یا حتی در هوا شناور شوند. آنها از فناوری MEMS برای ارتباطات نوری و جمع آوری داده ها استفاده می کنند. ذرات گرد و غبار ممکن است پنل های خورشیدی برای شارژ در طول روز داشته باشند. آنها برای برقراری ارتباط با یک فرستنده ایستگاه پایه نوری یا سایر ذرات غبار نیاز به یک خط دید دارند. با مقایسه معماری شبکه گرد و غبار با آنچه در شکل 2 نشان داده شده است، می توان گفت که گره های هوشمند معمولا به طور مستقیم با فرستنده ایستگاه پایه ارتباط برقرار می کنند، اما ارتباط یک به یک نیز امکان پذیر است. رویکرد دیگر برای توسعه پروتکل‌ها و الگوریتم‌ها برای شبکه‌های حسگر به دلیل الزامات لایه فیزیکی است. پروتکل ها و الگوریتم ها باید با توجه به انتخاب اجزای فیزیکی مانند نوع ریزپردازنده ها و نوع گیرنده ها طراحی شوند. این رویکرد از پایین به بالا در مدل IAMPS استفاده می شود و همچنین وابستگی لایه برنامه، لایه شبکه، لایه MAC و لایه فیزیکی به سخت افزار میزبان را در نظر می گیرد. گره های IAMPS دقیقاً به همان شیوه ای که در معماری نشان داده شده در شکل 2 نشان داده شده است با کاربر نهایی تعامل دارند. طرح های مختلف، به عنوان مثال، تقسیم زمان (TDMA) یا تقسیم فرکانسکانال ها (FDMA) و مدولاسیون باینری یا مدولاسیون M در منبع مقایسه می شوند. رویکرد پایین به بالا به این معنی است که الگوریتم های گره باید سخت افزار را بشناسند و از قابلیت های ریزپردازنده ها و فرستنده ها برای به حداقل رساندن مصرف برق استفاده کنند. این ممکن است منجر به توسعه طرح های مختلف گره شود. ولی طرح های مختلفگره ها به انواع مختلفی از شبکه های حسگر منتهی می شوند. که به نوبه خود منجر به توسعه الگوریتم های مختلف برای کار آنها می شود.

ادبیات

1. G.D. آبود، جی.پی.جی. استربنز، گزارش نهایی در مورد کارگاه بین سازمانی در مورد مسائل تحقیقاتی برای محیط های هوشمند، ارتباطات شخصی IEEE (اکتبر 2000) 36-40.
2. J. Agre، L. Clare، معماری یکپارچه برای شبکه‌های حسگر تعاونی، مجله کامپیوتر IEEE (مه ​​2000) 106-108.
3. I.F. Akyildiz، W. Su، پروتکل مسیریابی پیشرفته (PAER) برای شبکه های حسگر، گزارش فنی جورجیا، ژانویه 2002، برای انتشار ارسال شد.
4. الف بکر، ب.ر. 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, The Mobile بیمار: شبکه های حسگر توزیع شده بی سیم برای نظارت و مراقبت از بیمار, مجموعه مقالات 2000 کنفرانس بین المللی IEEE EMBS on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17-21.
6. M. Bhardwaj، T. Garnett، A.P. چاندراکاسان، مرزهای بالایی در طول عمر شبکه های حسگر، کنفرانس بین المللی IEEE در زمینه ارتباطات ICC'01، هلسینکی، فنلاند، ژوئن 2001.
7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the Physical World, IEEE Personal Communications (اکتبر 2000) 10-15.

شبکه های حسگر توزیع شده

شبکه های حسگر بی سیم چیست؟

سنسورها و دستگاه گیرنده

شبکه های حسگر بی سیم از گره هایی ساخته می شوند که نامیده می شوند متحرک (موت) - دستگاه های خودمختار کوچکی که توسط باتری ها و ریزتراشه ها با ارتباطات رادیویی در فرکانس - به عنوان مثال 2.4 گیگاهرتز تغذیه می شوند. ویژه نرم افزاربه موت ها اجازه می دهد تا خود را در شبکه های توزیع شده سازماندهی کنند، با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، با نزدیک ترین گره ها، که فاصله آنها معمولاً از 100 متر تجاوز نمی کند، داده ها را بازجویی و تبادل کنند.

در ادبیات انگلیسی به چنین شبکه ای گفته می شود شبکه حسگر بی سیم(WSN) یک شبکه بی‌سیم متشکل از دستگاه‌های مستقل توزیع‌شده جغرافیایی است که از حسگرها برای نظارت مشترک بر شرایط فیزیکی یا محیطی در مناطق مختلف استفاده می‌کنند.

آنها می توانند پارامترهایی مانند دما، صدا، ارتعاش، فشار، حرکت اجسام یا هوا را اندازه گیری کنند. توسعه شبکه های حسگر بی سیم در ابتدا با انگیزه وظایف نظامی مانند نظارت میدان نبرد بود. در حال حاضر، شبکه‌های حسگر بی‌سیم به طور فزاینده‌ای در بسیاری از حوزه‌های زندگی شهری، از جمله نظارت صنعتی و محیطی، مراقبت‌های بهداشتی، و کنترل حرکت اشیا مورد استفاده قرار می‌گیرند. دامنه گسترده تر می شود.

اصول اولیه کار

نمودار شبکه 3 سطحی. سطح اول سنسورها و دروازه. سطح سرور دوم تین کلاینت ردیف 3

هر گره شبکه: حرکتمجهز به یک گیرنده رادیویی یا دیگر وسایل ارتباطی بی سیم، یک میکروکنترلر کوچک و یک منبع تغذیه، معمولاً یک باتری. می توان از پنل های خورشیدی یا سایر منابع انرژی جایگزین استفاده کرد

داده های عناصر دور از طریق یک کانال رادیویی از طریق شبکه بین نزدیکترین آنها از گره به گره دیگر منتقل می شود. در نتیجه یک بسته داده از نزدیکترین موت به دروازه منتقل می شود. دروازه معمولاً با یک کابل USB به سرور متصل می شود. در سرور - داده های جمع آوری شده پردازش، ذخیره می شوند و می توانند از طریق پوسته WEB برای طیف گسترده ای از کاربران قابل دسترسی باشند.

هزینه یک گره حسگر بسته به اندازه شبکه حسگر و پیچیدگی آن از صدها دلار تا چند سنت متغیر است.

سخت افزار و استاندارد

دروازه (2 عدد)، متصل به لپ تاپ با کابل USB. لپ تاپ از طریق UTP به اینترنت متصل می شود و به عنوان یک سرور عمل می کند

دستگاه های حسگر با آنتن رادیویی

سخت‌افزار گره بی‌سیم و پروتکل‌های تعامل شبکه بین گره‌ها برای مصرف انرژی بهینه‌سازی شده‌اند تا از عمر طولانی سیستم با منابع تغذیه مستقل اطمینان حاصل کنند. بسته به نحوه عملکرد، طول عمر یک گره می تواند به چندین سال برسد.

تعدادی از استانداردها در حال حاضر برای شبکه های حسگر بی سیم یا در دست توسعه هستند. ZigBee استانداردی برای مواردی مانند کنترل صنعتی، سنجش تعبیه شده، جمع آوری داده های پزشکی، اتوماسیون ساختمان است. توسعه Zigbee توسط کنسرسیوم بزرگی از شرکت های صنعتی تسهیل می شود.

• WirelessHART توسعه پروتکل HART برای اتوماسیون صنعتی است. WirelessHART به عنوان بخشی از مشخصات HART 7 به پروتکل HART عمومی اضافه شد که توسط بنیاد ارتباطات HART در ژوئن 2007 تأیید شد.
• 6lowpan استاندارد اعلام شده برای لایه شبکه است، اما هنوز پذیرفته نشده است.
• ISA100 کار دیگری است که در تلاش برای ورود به فناوری WSN است، اما به طور گسترده‌تری برای گنجاندن آن ساخته شده است بازخوردکنترل در زمینه خود پیش بینی می شود اجرای ISA100 بر اساس استانداردهای ANSI تا پایان سال 2008 به پایان برسد.

WirelessHART، ISA100، ZigBee، و همه آنها بر اساس یک استاندارد هستند: IEEE 802.15.4 - 2005.

نرم افزار شبکه حسگر بی سیم

سیستم عامل

سیستم‌های عامل شبکه‌های حسگر بی‌سیم به دلیل منابع محدود، پیچیدگی کمتری نسبت به سیستم‌عامل‌های عمومی دارند سخت افزارشبکه حسگر به همین دلیل، سیستم عامل نیازی به پشتیبانی از رابط های کاربری ندارد.

سخت افزار شبکه حسگر بی سیم هیچ تفاوتی با سیستم های تعبیه شده سنتی ندارد و بنابراین می توان از یک سیستم عامل تعبیه شده برای شبکه های حسگر استفاده کرد.

کاربردهای تجسم

نرم افزار تجسم و گزارش نتایج اندازه گیری MoteView v1.1

داده های شبکه های حسگر بی سیم معمولاً به عنوان داده های دیجیتال در یک ایستگاه پایه مرکزی ذخیره می شوند. بسیاری از برنامه های استاندارد مانند TosGUI MonSense، GNS وجود دارند که مشاهده این حجم زیاد داده را آسان می کنند. علاوه بر این، کنسرسیوم باز (OGC) استانداردهایی را برای رمزگذاری قابلیت متقابل ابرداده و قابلیت همکاری مشخص می کند، که به هر کسی اجازه می دهد شبکه حسگر بی سیم را در زمان واقعی از طریق یک مرورگر وب نظارت یا کنترل کند.

برای کار با داده هایی که از گره های شبکه حسگر بی سیم می آیند، از برنامه هایی استفاده می شود که مشاهده و ارزیابی داده ها را تسهیل می کند. یکی از این برنامه ها MoteView است. این برنامه به شما این امکان را می دهد که داده ها را در زمان واقعی مشاهده کنید و آن ها را تجزیه و تحلیل کنید، انواع نمودارها را بسازید، گزارش ها را در بخش های مختلف صادر کنید.

مزایای استفاده

• بدون نیاز به کابل کشی برای منبع تغذیه و انتقال داده.
• هزینه کم قطعات، نصب، راه اندازی و نگهداری سیستم؛
• استقرار سریع و آسان شبکه؛
• قابلیت اطمینان و تحمل خطا کل سیستم به عنوان یک کل در صورت خرابی گره ها یا اجزای جداگانه.
• امکان پیاده سازی و اصلاح شبکه در هر شی بدون تداخل در روند عملکرد خود اشیا
• امکان نصب سریع و در صورت لزوم مخفیانه کل سیستم به طور کلی.

هر حسگر تقریباً به اندازه یک کلاهک آبجو است (اما در آینده می‌توان آن را صدها بار کاهش داد) و شامل یک پردازنده، حافظه و یک فرستنده رادیویی است. چنین پوشش هایی می توانند در هر سرزمینی پراکنده شوند و خود آنها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند، یک شبکه بی سیم واحد را تشکیل می دهند و شروع به انتقال داده ها به نزدیکترین رایانه می کنند.

در یک شبکه بی سیم، سنسورها می توانند پارامترهای محیطی را ردیابی کنند: حرکت، نور، دما، فشار، رطوبت و غیره. نظارت می تواند در یک منطقه بسیار بزرگ انجام شود، زیرا سنسورها اطلاعات را در طول زنجیره از همسایه به همسایه منتقل می کنند. این فناوری به آنها اجازه می دهد تا سال ها (حتی دهه ها) بدون تعویض باتری کار کنند. شبکه‌های حسگر اندام‌های حسی جهانی برای کامپیوتر هستند و تمام اشیاء فیزیکی در جهان مجهز به حسگرها توسط کامپیوتر قابل تشخیص هستند. در آینده، هر یک از میلیاردها حسگر یک آدرس IP دریافت خواهند کرد و حتی ممکن است چیزی شبیه یک شبکه حسگر جهانی را تشکیل دهند. تاکنون تنها ارتش و صنعت به قابلیت های شبکه های حسگر علاقه مند بوده اند. بر اساس آخرین گزارش ON World، متخصص تحقیقات بازار شبکه های حسگر، امسال بازار بهبود قابل توجهی را تجربه می کند. یکی دیگر از رویدادهای قابل توجه امسال انتشار اولین سیستم تک تراشه ZigBee در جهان (ساخته شده توسط Ember) بود. در میان شرکت‌های صنعتی بزرگ ایالات متحده که توسط ON World مورد بررسی قرار گرفته‌اند، حدود 29 درصد از آنها از شبکه‌های حسگر استفاده می‌کنند و 40 درصد دیگر قصد دارند آن‌ها را ظرف 18 ماه مستقر کنند. در آمریکا بیش از صد شرکت تجاری ظاهر شده اند که مشغول ایجاد و نگهداری شبکه های حسگر هستند.

تا پایان سال جاری، تعداد سنسورهای روی کره زمین از 1 میلیون فراتر خواهد رفت، اکنون نه تنها تعداد شبکه ها، بلکه اندازه آنها نیز در حال افزایش است. برای اولین بار، چندین شبکه با بیش از 1000 گره ایجاد و با موفقیت عملیاتی شده است، از جمله یکی برای 25000 گره.

منبع: Web PLANET

منطقه برنامه

کاربردهای WSN بسیار زیاد و متنوع است. آنها در سیستم های تجاری و صنعتی برای نظارت بر داده هایی استفاده می شوند که کنترل آنها با استفاده از حسگرهای سیمی دشوار یا گران است. WSN ها را می توان در مناطقی استفاده کرد که دسترسی به آن ها دشوار است، جایی که می توانند برای سال های زیادی باقی بمانند (نظارت محیط زیست) بدون نیاز به تغییر منبع تغذیه. آنها می توانند اقدامات متخلفان یک مرکز حفاظت شده را کنترل کنند

WSN همچنین برای نظارت، ردیابی و کنترل استفاده می شود. در اینجا چند برنامه کاربردی وجود دارد:

• نظارت بر دود و تشخیص آتش سوزی از جنگل های بزرگ و زمین های ذغال سنگ نارس
• منبع اطلاعات اضافی برای مراکز بحران اداره امور افراد فدراسیون روسیه
• تشخیص لرزه ای کشش بالقوه
• مشاهدات نظامی
• تشخیص حرکت جسم صوتی در سیستم های امنیتی
• پایش اکولوژیکی فضا و محیط
• نظارت بر فرآیندهای صنعتی، استفاده در سیستم های MES
• نظارت پزشکی

اتوماسیون ساختمان:

	نظارت بر دما، جریان هوا، حضور مردم و کنترل تجهیزات برای حفظ آب و هوا.
	کنترل روشنایی؛
	مدیریت انرژی؛
	مجموعه قرائت کنتورهای آپارتمان برای گاز، آب، برق و غیره؛
	امنیت و اعلام حریق؛
	نظارت بر وضعیت سازه های باربر ساختمان ها و سازه ها.

اتوماسیون صنعتی:

	کنترل از راه دور و تشخیص تجهیزات صنعتی؛
	نگهداری تجهیزات با توجه به وضعیت فعلی (پیش بینی حاشیه ایمنی)؛
	نظارت بر فرآیندهای تولید؛