소개

무선 센서 네트워크- 무선 채널을 통해 상호 연결된 센서(센서) 및 액추에이터 세트가 분산되어 있습니다. 이러한 네트워크의 적용 범위는 한 요소에서 다른 요소로 메시지를 중계하는 기능으로 인해 수 미터에서 수 킬로미터에 이를 수 있습니다.

무선 센서 네트워크의 주요 기능은 다음과 같습니다. 운영 조건의 변화에 ​​대한 자체 조직 및 적응성, 그래서 그것은 필요합니다 최소 비용시설에 네트워크를 배포할 때와 운영 중 후속 유지 관리 중에.

단편

센서 네트워크의 첫 번째 프로토타입 중 하나는 잠수함을 감지하고 식별하도록 설계된 SOSUS 시스템으로 간주될 수 있습니다. 1990년대 중반에 무선 센서 네트워크 기술이 활발히 발전하기 시작했고, 2000년대 초반에는 마이크로일렉트로닉스의 발달로 이러한 장치를 위한 상당히 저렴한 요소 기반을 생산할 수 있었습니다. 2010년대 초반의 무선 네트워크는 주로 .

목적

주요 목적은 분산된 자체 구성 네트워크를 통해 노드 간에 데이터를 교환할 뿐만 아니라 센서(온도, 압력, 습도, 복사 수준, 음향 진동)에서 전송된 정보(주로 데이터)를 중앙 노드로 수집하는 것입니다. 후속 분석 또는 처리 목적.

시장에서 무선 센서 네트워크에 대한 수요는 도시인이 최대 90%의 시간을 보내는 가정, 사무실 및 산업 건물과 같은 개체의 지능화 개념 및 사이버네틱 생성 개념과 밀접한 관련이 있습니다. 산업(로봇이 완비된), 주요 임무는 도입하는 것입니다. APCS 수준의 무선 기술.

센서 네트워크 기술은 가장 광범위한 산업 모니터링 및 제어 작업을 해결하도록 설계되었으며 다음과 같습니다. 부인할 수 없는 이점기존의 다른 무선 및 유선 시스템보다:

  • 기존 및 운영 중인 시설에 센서를 설치하는 기능 없이 추가 작업유선 네트워크 구축을 위해;
  • 저렴한 비용별도의 제어 요소;
  • 저렴한 비용시스템의 설치, 시운전 및 유지 보수;
  • 무선 장치 배치에 대한 최소한의 제한;
  • 높은 내결함성감각 네트워크 전체.

설명

무선 노드의 하드웨어와 이들 사이의 네트워크 상호 작용 프로토콜은 전력 소비에 최적화되어 시스템의 긴 서비스 수명을 보장합니다. 오프라인 소스영양물 섭취. 작동 모드에 따라 노드의 수명은 몇 년에 달할 수 있습니다.

각 센서 네트워크 노드에는 일반적으로 다음과 같은 데이터 입력/출력 포트가 있습니다. 다양한 센서제어 외부 환경(또는 센서 자체), 마이크로 컨트롤러 및 무선 송수신기, 자율 또는 외부 전원. 이를 통해 장치는 측정 결과를 수신하고 초기 데이터 처리를 수행하며 외부 정보 시스템과 통신할 수 있습니다. 마이크로컨트롤러는 지능형 분산 데이터 처리를 구현하는 데 사용할 수 있습니다. 지능형 무선 센서 네트워크에서 장치는 "원시" 데이터가 아닌 로컬 수준에서 정보를 교환하고 분석하고 처리된 정보를 특정 깊이까지 전송할 수 있습니다. 이를 통해 요구 사항을 크게 줄일 수 있습니다. 대역폭네트워크, 시스템의 확장성 및 서비스 수명을 증가시킵니다. 그러나 네트워크에 "지능"을 추가하려면 적용된 작업의 세부 사항을 고려해야 하므로 이 접근 방식은 일반적으로 맞춤형 고도로 전문화된 시스템을 개발할 때 효과적입니다.

이런 식으로 열쇠 센서 네트워크의 기능은 다음과 같습니다.

  • 정보 전송 네트워크의 자체 구성 능력 및 장치 수에 대한 적응;
  • 한 요소에서 다른 요소로 메시지를 중계하는 기능;
  • 각 요소에 센서를 가질 가능성;
  • 장기간 배터리 수명(1년 이상)

오늘날 무선 센서 네트워크의 기술은 장치의 배터리 수명, 신뢰성, 각 장치의 자동 또는 반자동 구성, 가능성에 대한 요구 사항에 중요한 모니터링 및 제어 작업을 해결하는 데 사용할 수 있는 유일한 기술입니다. 단순 덧셈또는 네트워크에서 장치의 배제, 낮은 시스템 비용으로 벽과 천장을 통한 신호 전파. 그리고 "센서 네트워크"로 알려진 중계 단거리 무선 통신 기술은 산업 모니터링 및 자원 및 프로세스 제어를 위한 자체 구성 내결함성 분산 시스템 개발의 현대적인 방향 중 하나입니다.

무선 센서 네트워크 기술의 장점은 정보의 분산 수집, 분석 및 전송과 관련된 다양한 응용 문제를 해결하는 데 효과적으로 사용될 수 있습니다.

빌딩 자동화

일부 빌딩 자동화 애플리케이션에서는 기존 유선 통신 시스템을 경제적인 이유로 사용할 수 없습니다.

예를 들어, 신규 또는 확장을 도입해야 합니다. 기존 시스템사용된 건물에서. 이 경우 무선 솔루션을 사용하는 것이 가장 적합한 옵션입니다. 건물의 실내 장식을 위반하여 추가 설치 작업이 필요하지 않으며 건물의 직원이나 거주자 등이 실제로 불편을 겪지 않습니다. 결과적으로 시스템 구현 비용이 크게 절감됩니다.

또 다른 예는 설계 및 건설 단계에서 센서의 정확한 위치를 지정할 수 없는 개방형 사무실 건물입니다. 동시에 사무실 레이아웃은 건물 운영 중에 여러 번 변경될 수 있으므로 시스템을 재구성하는 데 소요되는 시간과 비용을 최소화해야 하며 이는 무선 솔루션을 사용하여 달성할 수 있습니다.

또한 무선 센서 네트워크를 기반으로 하는 시스템의 다음 예를 들 수 있습니다.

  • 미기후를 유지하기 위해 온도, 기류, 사람의 존재 및 난방, 환기 및 공조 장비 제어의 모니터링;
  • 조명 제어;
  • 에너지 관리;
  • 가스, 수도, 전기 등에 대한 아파트 계량기의 판독값 수집;
  • 건물 및 구조물의 내 하중 구조 상태 모니터링.

공업 자동화

지금까지 산업 자동화 분야에서 무선 통신의 광범위한 사용은 열악한 환경에서 유선 연결에 비해 무선 링크의 낮은 신뢰성으로 인해 지연되었습니다. 산업 운영, 그러나 무선 센서 네트워크는 현재 상황을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 본질적으로 다양한 종류의 교란(예: 노드의 물리적 손상, 간섭의 출현, 장애물 변경 등)에 내성이 있습니다. 또한 일부 조건에서 무선 센서 네트워크는 유선 통신 시스템보다 훨씬 더 높은 신뢰성을 제공할 수 있습니다.

무선 센서 네트워크 기반 솔루션은 다음과 같은 업계 요구 사항을 완벽하게 충족합니다.

  • 결함 허용;
  • 확장성;
  • 작동 조건에 대한 적응성;
  • 에너지 효율;
  • 적용된 작업의 세부 사항을 고려합니다.
  • 경제적 수익성.

무선 센서 네트워크 기술은 다음과 같은 산업 자동화 작업에 사용할 수 있습니다.

  • 산업용 장비의 원격 제어 및 진단;
  • 현재 상태에 따른 장비 유지 관리(안전 여유 예측);
  • 생산 공정 모니터링;
  • 연구 및 테스트를 위한 원격 측정.

기타 애플리케이션

기존의 유무선 데이터 전송 시스템과 무선 센서 네트워크의 고유한 기능과 차이점은 응용 프로그램을 가장 효율적으로 만듭니다. 다양한 분야. 예를 들어:

  • 보안 및 방어:
    • 사람과 장비의 이동에 대한 통제;
    • 자금 운영 커뮤니케이션그리고 지능;
    • 경계 제어 및 원격 모니터링;
    • 구조 작업 지원;
    • 재산 및 귀중품 모니터링;
    • 보안 및 화재 경보;
  • 모니터링 환경:
    • 오염 모니터링;
    • 농업;
  • 보건 의료:
    • 환자의 생리적 상태 모니터링;
    • 위치 제어 및 의료진의 알림.

사물 인터넷(IoT) 기술의 기업 버전은 오늘날 업계에서 활발히 사용되고 있습니다. EIoT(Enterprise Internet of Things)는 무선 센서 네트워크 및 제어를 사용하여 기업에 기계 및 장비를 제어하는 ​​새로운 방법을 제공합니다. 유선 전원 공급 장치에 연결하지 않고 작은 배터리로 구동되는 무선 센서는 이전 세대 제어 장치에 완전히 액세스할 수 없는 장소의 산업 환경에 배치할 수 있습니다.

EIoT는 산업뿐만 아니라 의료, 금융 서비스 등 이 영역에서 무선 기술 구현에 대한 가장 까다로운 요구 사항을 충족하기 위해 시스템 및 장비의 안정성, 보안 및 상호 운용성을 개선했습니다. EIoT는 이러한 요구 사항을 해결합니다. 무엇에 의해 지역 명세서이 새로운 기술의 설계 요소는 덜 중요한 소비자 또는 상업용 응용 프로그램을 위해 설계된 기존 장치의 유사한 IoT 기술보다 훨씬 우수합니다.

EIoT 문제

EIoT 지원 센서 및 제어는 산업 환경의 거의 모든 곳에서 작동할 수 있지만 모든 산업 장비가 무선 사용에 이상적이지는 않기 때문에 지금까지는 운이 더 좋았습니다. IoT 배포에는 서로 관련되어 있지만 겉보기에는 모순되는 두 가지 요소가 있기 때문입니다.

  1. 저전력 소모의 근거리 기술과 관련된 센서 및 제어 장치를 사용하여 설치되는 장치 자체의 무선 네트워크.
  2. 이미 더 먼 거리에 있는 다른 장비, 컨트롤러 및 네트워크의 일부와 상호 작용하는 IoT 센서 네트워크입니다.

쌀. 1. 도심에서 멀리 떨어진 애플리케이션과 전통적인 통신 서비스는 LoRa와 같은 에너지 효율적인 통신 프로토콜을 사용하여 글로벌 네트워크를 구성할 수 있습니다.

산업 환경에서 종종 가장 큰 장애물은 장거리에서 안정적인 통신의 불가능입니다. 이 문제의 원인은 간단합니다. 유선 케이블을 통해 또는 타워를 통한 신호 전송을 사용하여 수행되는 통신입니다. 셀룰러 통신, 산업 장비 위치에서 항상 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 또한 한 통신 세션에서 센서의 여러 데이터 패킷을 전달하기 위해 셀룰러 서비스를 사용하는 데 드는 비용은 경제적인 관점과 순수한 기술적인 고려 사항 모두에서 의미가 없습니다. 또한, 센서 및 통신 장치의 전원 공급 문제가 종종 발생하여 장비 또는 인프라가 산업 네트워크에서 직접 전원이 공급되지 않는 원격 장소에서 구성하기가 매우 어렵습니다.

정착지에서 셀룰러 통신이 광범위하게 적용되고 있음에도 불구하고 일부 지역에서는 무선 통신을 구성하기 위한 안정적인 서비스가 없습니다. 이것은 고립된 오일 및 가스 장비 또는 파이프라인 운송, 상수도 및 폐수 시스템(그림 1) 등과 같은 산업 장비의 원격 위치 및 농촌 지역에서 일반적인 문제입니다. 이러한 사이트는 또한 가장 가까운 기술 서비스에서 멀리 떨어져 있는 경우가 많습니다. 장치의 적절한 기능을 점검하는 직원. 때로는 엔지니어가 장비에 도착하여 검사하는 데 하루 종일 또는 심지어 며칠이 걸립니다. 그러한 외딴 지역에서 기꺼이 일하는 전문가를 찾는 것은 종종 어렵고 쉬운 일입니다. 제한된 통신 범위로 인해 원격 사이트에서는 EIoT 지원 센서 및 제어가 매우 드물기 때문에 저전력 광역 네트워크(LPWAN)가 여기에서 구출됩니다.

BLE 및 LPWAN

가장 널리 사용되는 무선 기술 EIoT 시스템의 근거리 블루투스 저에너지 기술 - BLE (English Bluetooth 에너지 부족, Bluetooth Smart라고도 함). EIoT용 BLE의 인기가 높은 주된 이유는 에너지 효율성으로 인해 센서와 제어 장치가 매우 낮은 배터리 소모로 오랫동안 작동할 수 있기 때문입니다. BLE는 절전 주기, 대기 및 활성 주기를 관리합니다. BLE는 또한 RF 신호의 강도로 인해 널리 사용되어 고주파 노이즈, 컴퓨터 장비의 디지털 신호 수준이 증가하고 전파에 물리적 장애물이 있는 어려운 환경에서도 기술이 효과적으로 작동할 수 있습니다. 전파의. 그러나 아시다시피 이러한 모든 요소는 산업 환경에 익숙합니다.

EIoT 구현을 위한 프로젝트에서 근거리 통신 구성의 기반이 되는 것은 BLE 기술입니다. 또한 이미 운영 중인 산업 설비와 아직 설계 중인 산업 장비 단지 모두에서 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 BLE 지원 장치 네트워크는 명령을 수신하고 더 먼 거리에서 데이터를 릴레이하는 방법이 필요합니다. 양방향 Wi-Fi 또는 셀룰러 신호를 허용하는 기존 통신 인프라에 의존하는 것은 이러한 센서 및 제어 네트워크의 적용을 제한하는 장벽으로 인해 불가능합니다. BLE와 LoRa 기술의 초범위 및 에너지 효율성을 결합하여 기업은 통신 인프라 및 전력 인프라를 사용할 수 없는 장소에 EIoT를 배치할 수 있었고, 이는 차례로 인터넷 구현의 지리를 확장했습니다. 기술의.

쌀. 2. 센서는 먼저 LoRa 클라이언트에 연결한 다음 LoRa 게이트웨이를 통해 연결합니다.

LoRa WAN 프로토콜은 배터리 교체 없이 수년간 IoT 네트워크와 안전한 양방향 데이터 전송 및 통신을 제공하기 때문에 LPWAN인 경우가 많습니다. LoRa 기술을 사용할 경우 최대 약 16km 거리에서 신호 송수신이 가능하며, 필요에 따라 중계기(repeater)는 이 거리를 수백km로 늘릴 수 있다. 무화과에. 그림 2는 LoRa가 작동하는 방식을 보여줍니다. IoT 애플리케이션의 경우 LoRa는 경제적 특성과 기능으로 인해 다음과 같은 많은 이점을 가지고 있습니다.

  • LoRa는 BLE와 마찬가지로 초저전력 기술이기 때문에 배터리로 구동되는 IoT 장치 네트워크에서 작동할 수 있으며 잦은 유지 관리 없이 긴 배터리 수명을 제공할 수 있습니다.
  • LoRa 노드는 저렴하며 기업이 셀룰러 시스템을 통한 데이터 전송 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 광섬유 또는 구리 케이블 설치를 제거할 수 있습니다. 이것은 원격에 위치한 센서와 장비를 연결하는 데 있어 주요 재정적 장벽을 제거합니다.
  • LoRa 기술은 다음과 잘 작동합니다. 네트워크 장치복잡한 산업 환경을 포함하여 실내에 배치됩니다.
  • LoRa는 수백만 개의 노드를 지원하여 확장성과 상호 운용성이 뛰어나며 공용 및 사설 데이터 네트워크와 양방향 통신 시스템에 연결할 수 있습니다.

따라서 다른 LPWAN 기술은 장기적으로 IoT 솔루션 구현에서 통신 범위 문제만 해결할 수 있지만 LoRa 기술은 이를 위한 양방향 통신, 방해 전파 방지 및 높은 정보 콘텐츠를 제공합니다.

LoRa에는 낮은 대역폭이라는 중요한 단점도 있습니다. 따라서 스트리밍 데이터가 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 그러나 이러한 제한은 때때로 작은 데이터 패킷만 전송되는 광범위한 IoT 응용 프로그램에 대한 사용을 방해하지 않습니다.

상호 작용

쌀. 3. 다음을 포함하는 Laird의 RM1xx 모듈 커뮤니케이션 능력 LoRa 및 Bluetooth 무선 네트워크 프로토콜용

LoRa의 잠재력은 BLE와 같은 기술과 결합될 때 두 배입니다. 함께 EIoT 네트워크의 기능을 향상시키는 단거리 및 장거리 통신을 위한 초저전력 무선 기능 세트를 제공합니다. 예를 들어, 도시 지역의 중심부는 이제 전통적인 통신 인프라에서 독립된 BLE 센서 네트워크의 기반이 되는 몇 개의 LoRaWAN 게이트웨이로 덮일 수 있습니다. 따라서 LoRa와 BLE의 공생은 사물 인터넷의 광범위한 구현에 장벽이 있는 대도시와 소도시 모두에서 IoT 확장에 대한 많은 장벽을 제거합니다. 그러나 LoRA와 BLE 조합의 가장 큰 수혜자는 무선 센서, 제어 및 기타 장비로, 이제 문자 그대로 아무 제한 없이 설치할 수 있습니다(그림 3). 이것이 BLE의 특별한 장점입니다. BLE는 또한 이러한 장치가 예를 들어 원격 무선 디스플레이로 사용되는 스마트폰이나 태블릿에서 제어되는 통합 단거리 네트워크에서 함께 작동할 수 있도록 합니다. 이 번들에서 BLE의 모바일 기능을 기반으로 하는 LoRa 기술은 장거리 데이터를 송수신할 수 있는 일종의 무선 중계국 역할을 합니다. 더욱이, 이러한 거리는 신호 전송을 위한 간단한 게이트웨이에 의해 증가될 수 있습니다.

이미 많다 좋은 예, LoRa와 BLE 페어링을 통해 EIoT 네트워크가 완전히 다른 네트워크에 도달하는 방법을 보여줍니다. 기술 수준확장을 늘리십시오.

무선 센서 네트워크: 개요


아쿨디즈 I.F.


영어 번역: Levzhinsky A.S.



주석

이 기사는 센서 네트워크의 개념에 대해 설명하며, 그 구현은 마이크로 전자 기계 시스템, 무선 통신 및 디지털 전자 장치의 결합 결과로 가능해졌습니다. 센서 네트워크의 작업과 잠재력을 연구하고 개발에 영향을 미치는 사실을 검토합니다. 센서 네트워크를 구축하는 아키텍처, 아키텍처의 각 계층에 대해 개발된 알고리즘 및 프로토콜도 고려됩니다. 이 기사에서는 센서 네트워크 구현에 대한 질문을 탐구합니다.

1. 소개

최근 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술, 무선 통신 및 디지털 전자 장치의 발전으로 인해 저비용, 저전력, 다기능 모트(노드)를 만드는 것이 가능했으며 서로 직접 "대화"합니다. . 센서 네트워크는 데이터를 수집하고 처리하는 모듈인 송신기로 구성된 수많은 작은 노드의 공동 작업을 기반으로 합니다. 이러한 네트워크는 기존 센서 세트에 비해 상당한 이점이 있습니다. 다음은 기존 센서의 두 가지 주요 기능입니다. 센서는 관찰된 현상에서 멀리 위치할 수 있습니다. 이 접근 방식을 사용하려면 노이즈에서 대상을 선택하기 위해 몇 가지 정교한 기술을 사용하는 많은 센서가 필요합니다.
데이터만 수집하는 여러 센서를 배포할 수 있습니다. 센서 위치와 토폴로지를 신중하게 설계하십시오. 그들은 데이터 수집 및 처리가 수행되는 중앙 노드로 관측치를 전송할 것입니다.
센서 네트워크는 관찰된 현상 가까이에 밀집되어 있는 다수의 노드(모트)로 구성됩니다. 티끌의 위치는 미리 계산할 필요가 없습니다. 이를 통해 도달하기 어려운 지역에 무작위로 배치하거나 신속한 대응이 필요한 구호 작업에 사용할 수 있습니다. 반면에 이것은 네트워크 프로토콜과 mot 알고리즘이 자체 구성되어야 함을 의미합니다. 센서 네트워크의 또 다른 고유한 기능은 개별 노드의 협업입니다. 티끌에는 프로세서가 장착되어 있습니다. 따라서 원본 데이터를 전달하는 대신 간단한 계산을 수행하여 처리하고 필요하고 부분적으로 처리된 데이터만 전달할 수 있습니다. 위에서 설명한 기능은 센서 네트워크를 위한 광범위한 애플리케이션을 제공합니다. 이러한 네트워크는 의료, 군사 및 보안 분야에서 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 환자에 대한 생리학적 데이터는 의사가 원격으로 모니터링할 수 있습니다. 이것은 환자 모두에게 편리하고 의사가 현재 상태를 이해할 수 있도록 합니다. 센서 네트워크는 공기와 물에서 외부 화학 물질을 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 그들은 오염 물질의 유형, 농도 및 위치를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 본질적으로 센서 네트워크는 환경에 대한 더 나은 이해를 가능하게 합니다. 우리는 미래에 무선 센서 네트워크가 오늘날의 개인용 컴퓨터보다 우리 삶의 필수적인 부분이 될 것으로 예상합니다. 무선 센서 네트워크를 사용해야 하는 이러한 프로젝트 및 기타 프로젝트의 구현에는 특별한 방법이 필요합니다. 많은 프로토콜과 알고리즘이 기존의 무선 P2P 네트워크용으로 개발되었으므로 다음에는 적합하지 않습니다. 독특한 기능및 센서 네트워크의 요구 사항. 센서 네트워크와 P2P 네트워크의 차이점은 다음과 같습니다. 센서 네트워크의 노드 수는 P2P 네트워크의 노드보다 수십 배 더 많을 수 있습니다.
노드는 조밀하게 배치됩니다.
노드는 실패하기 쉽습니다.
센서 네트워크의 토폴로지는 자주 변경될 수 있습니다.
노드는 주로 브로드캐스트 메시지를 사용하는 반면 대부분의 피어 투 피어 네트워크는 지점 간 통신을 기반으로 합니다.
노드는 전력, 처리 능력 및 메모리가 제한됩니다.
노드는 전역을 가질 수 없습니다. 식별 번호(IN) 많은 양의 오버 헤드와 많은 수의 센서로 인해.
네트워크의 노드는 밀집되어 있기 때문에 인접 노드는 서로 매우 가까울 수 있습니다. 따라서 센서 네트워크의 다중 홉 연결은 직접 연결보다 전력을 덜 소모합니다. 또한 낮은 데이터 신호 전력을 사용할 수 있어 은밀한 감시에 유용합니다. 다중 홉 통신은 무선 통신에서 장거리 신호 전파의 어려움 중 일부를 효과적으로 극복할 수 있습니다. 노드의 가장 중요한 제한 사항 중 하나는 낮은 전력 소비입니다. 티끌에는 제한된 에너지원이 있습니다. 따라서 기존 네트워크가 높은 신호 품질을 달성하는 데 중점을 둔 반면 mot 네트워크 프로토콜은 주로 에너지 절약에 중점을 두어야 합니다. 사용자가 처리량을 줄이거나 데이터 전송 대기 시간을 늘려 모트의 수명을 연장할 수 있는 메커니즘이 있어야 합니다. 많은 연구자들이 현재 이러한 요구 사항을 충족하는 회로 개발에 참여하고 있습니다. 이 기사에서는 현재 센서 네트워크에 존재하는 프로토콜과 알고리즘을 검토합니다. 우리의 목표는 이 분야의 현재 연구 문제에 대한 더 나은 이해를 제공하는 것입니다. 또한 설계 제약 조건을 탐색하고 설계 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 도구를 식별하려고 노력할 것입니다. 이 기사는 다음과 같이 구성됩니다. 두 번째 섹션에서는 센서 네트워크의 잠재력과 유용성을 설명합니다. 3장에서는 그러한 네트워크의 설계에 영향을 미치는 요인에 대해 논의합니다. 이 분야의 기존 방법에 대한 자세한 연구는 4장에서 고찰하고 5장에서 요약한다.

2. 무선 센서 네트워크의 적용

센서 네트워크는 환경 조건의 다양한 측정을 수행할 수 있는 지진, 자기장, 열, 적외선, 음향과 같은 다양한 유형의 센서로 구성될 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
온도,
습기,
자동차 교통,
번개 상태,
압력,
토양 조성,
소음 수준,
특정 물체의 존재 여부,
기계적 부하
물체의 속도, 방향 및 크기와 같은 동적 특성.
티끌은 지속적인 프로빙, ​​이벤트 감지 및 식별에 사용할 수 있습니다. 마이크로 센싱의 개념과 무선 통신이러한 네트워크에 대한 많은 새로운 응용 프로그램을 약속합니다. 군사 응용, 환경 연구, 의료, 가정 및 기타 상업 분야에서의 사용과 같은 주요 영역에 따라 분류했습니다. 그러나 이 분류를 확장하고 우주 탐사, 화학 처리 및 재난 구호와 같은 더 많은 범주를 추가하는 것이 가능합니다.

2.1. 군용

무선 센서 네트워크는 군사 명령, 통신, 정보, 감시 및 방향 시스템(C4ISRT)의 필수적인 부분이 될 수 있습니다. 신속한 배포, 자체 구성 및 내결함성은 문제 해결을 위한 유망한 도구가 되는 센서 네트워크의 특성입니다. 센서 네트워크는 일회용 및 저렴한 노드의 조밀한 배치를 기반으로 할 수 있으므로 적대 행위 중에 일부를 파괴해도 기존 센서를 파괴하는 것과 같은 방식으로 군사 작전에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 센서 네트워크를 사용하는 것이 전투에 더 적합합니다. 우리는 그러한 네트워크를 사용하는 몇 가지 더 많은 방법을 나열합니다. 무기 및 아군 탄약 모니터링, 전투 관찰; 지상 방향; 전투 피해 평가; 핵, 생물학적 및 화학적 공격 탐지. 아군, 무기 및 탄약 모니터링: 리더와 지휘관은 센서 네트워크를 사용하여 전장에서 부대의 상태, 장비 및 탄약의 상태 및 가용성을 지속적으로 모니터링할 수 있습니다. 각 차량, 장비 및 중요한 탄약은 상태를 보고하기 위해 부착된 센서를 가질 수 있습니다. 이 데이터는 다음에서 함께 수집됩니다. 키 노드그리고 지도자들에게 보냈습니다. 데이터는 다른 부분의 데이터와 결합하기 위해 더 높은 수준의 명령 계층으로 리디렉션될 수도 있습니다. 전투 관찰: 중요한 지역, 경로, 경로 및 해협은 적군의 활동을 연구하기 위해 센서 네트워크로 신속하게 덮일 수 있습니다. 작전 중이나 새로운 계획이 수립된 후에는 센서 네트워크를 언제든지 배치하여 전투를 모니터링할 수 있습니다. 적군 및 지형 정찰: 센서 네트워크를 중요한 지역에 배치할 수 있으며 적군과 지형에 대한 가치 있고 상세하며 시기적절한 데이터를 적군이 가로채기 몇 분 이내에 수집할 수 있습니다. 방향: 센서 네트워크는 스마트 군수품 안내 시스템에 사용할 수 있습니다. 전투 후 피해 평가: 공격 직전 또는 직후에 센서 네트워크를 대상 지역에 배치하여 피해 평가 데이터를 수집할 수 있습니다. 핵, 생물학 및 화학 공격 탐지: 사용이 0에 가까운 화학 또는 생물학 무기를 사용할 때 화학 물질을 적시에 정확하게 식별하는 것이 중요합니다. 센서 네트워크는 화학적 또는 생물학적 공격에 대한 경고 시스템과 수집된 데이터로 사용될 수 있습니다. 짧은 시간피해자 수를 획기적으로 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 공격이 탐지된 후 정밀 정찰을 위해 센서 네트워크를 사용할 수도 있습니다. 예를 들어, 방사선에 사람을 노출시키지 않고 방사선 오염이 발생한 경우 정찰을 수행할 수 있습니다.

2.2. 환경 적용

센서 네트워크가 사용되는 생태학 분야 중 일부는 다음과 같습니다. 새, 작은 동물 및 곤충의 움직임 추적; 농작물과 가축에 미치는 영향을 확인하기 위해 환경 상태를 모니터링합니다. 관개; 대규모 지구 모니터링 및 행성 탐사; 화학적/생물학적 검출; 산불 감지; 기상 또는 지구 물리학 연구; 홍수 감지; 및 오염 연구. 산불 감지: 티끌은 전략적으로 숲에 단단히 배치할 수 있기 때문에 화재가 통제 불능 상태가 되기 전에 정확한 화재 원인을 알릴 수 있습니다. 수백만 개의 센서를 지속적으로 배포할 수 있습니다. 노드를 몇 달 또는 몇 년 동안 방치할 수 있으므로 태양광 패널을 장착할 수 있습니다. 티끌은 분산 감지 작업을 수행하고 유선 센서를 차단하는 나무와 바위와 같은 장애물을 극복하기 위해 함께 작동합니다. 환경의 생물 상태 매핑: 시간 및 공간 규모에 걸쳐 정보를 통합하는 복잡한 접근 방식이 필요합니다. 원격 감지 기술과 자동화된 데이터 수집의 발전으로 연구 비용이 크게 절감되었습니다. 이러한 네트워크의 장점은 노드가 인터넷에 연결되어 원격 사용자가 환경을 제어, 모니터링 및 관찰할 수 있다는 것입니다. 위성 및 공중 센서는 지배적인 식물 종의 공간적 복잡성과 같은 큰 다양성을 관찰하는 데 유용하지만 생태계의 대부분을 구성하는 작은 요소를 관찰할 수 없습니다. 결과적으로 현장에 무선 센서 네트워크 노드를 배치할 필요가 있습니다. 응용 프로그램의 한 예는 남부 캘리포니아에 있는 보호 구역의 환경에 대한 생물학적 매핑입니다. 3개의 사이트는 네트워크로 덮여 있으며, 각 사이트에는 환경 상태를 지속적으로 모니터링하는 데 사용되는 25-100개의 노드가 있습니다. 홍수 감지: 홍수 감지의 예는 미국의 전관 방송 시스템입니다. 경고 시스템에 배치된 여러 유형의 센서는 강수 수준, 수위 및 날씨를 결정합니다. Cornell 대학의 COUGAR 장치 데이터베이스 프로젝트 및 Rutgers 대학의 DataSpace 프로젝트와 같은 연구 프로젝트는 스냅샷 및 장기 데이터를 얻기 위해 네트워크의 개별 노드와 상호 작용하는 다양한 접근 방식을 모색하고 있습니다. 농업: 센서 네트워크의 장점은 물속의 살충제 수준, 토양 침식 수준 및 대기 오염 수준을 실시간으로 모니터링할 수 있다는 것입니다.

2.3. 의학에서의 응용

의학의 한 응용 프로그램은 장애인용 장치에 있습니다. 환자 모니터링; 진단; 병원에서 의약품 사용 모니터링; 인간의 생리학적 데이터 수집; 병원에서 의사와 환자를 모니터링합니다. 인체 생리적 상태 모니터링: 센서 네트워크에서 수집한 생리학적 데이터는 장기간 저장될 수 있으며 의료 연구에 사용될 수 있습니다. 설치된 네트워크 노드는 또한 노인의 움직임을 추적하고 예를 들어 낙상을 방지할 수 있습니다. 이 노드는 작고 환자에게 더 큰 움직임의 자유를 제공하는 동시에 의사가 질병의 증상을 미리 식별할 수 있도록 합니다. 또한, 병원 치료에 비해 환자의 보다 편안한 삶에 기여합니다. 그러한 시스템의 실행 가능성을 테스트하기 위해 그르노블-프랑스 의학부는 "건강한 스마트 하우스"". . 병원의 의사와 환자 모니터링: 각 환자는 작고 가벼운 네트워크 노드를 가지고 있습니다. 각 노드에는 고유한 특정 작업이 있습니다. 예를 들어, 한 사람은 심박수를 모니터링하고 다른 사람은 혈압을 측정할 수 있습니다. 의사도 그러한 노드를 가질 수 있으며, 이를 통해 다른 의사가 병원에서 이를 찾을 수 있습니다. 병원 내 약품 모니터링: 노드를 약품에 부착하면 잘못된 약품을 조제할 가능성을 최소화할 수 있습니다. 따라서 환자는 알레르기와 필요한 약물을 결정하는 노드를 갖게 됩니다. 에 설명된 컴퓨터 시스템은 잘못된 약물 분배의 부작용을 최소화하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다.

2.4. 집에서 신청

홈 자동화: 스마트 노드는 진공 청소기, 전자레인지, 냉장고, VCR과 같은 가전 제품에 통합될 수 있습니다. 그들은 인터넷이나 위성을 통해 서로 그리고 외부 네트워크와 통신할 수 있습니다. 이를 통해 최종 사용자는 집에서 로컬 및 원격으로 장치를 쉽게 관리할 수 있습니다. 스마트 환경: 스마트 환경 설계는 인간 중심 또는 기술 중심의 두 가지 접근 방식을 취할 수 있습니다. 첫 번째 접근 방식의 경우 스마트 환경은 최종 사용자와의 상호 작용 측면에서 최종 사용자의 요구에 적응해야 합니다. 기술 중심 시스템을 위해서는 새로운 하드웨어 기술이 개발되어야 하며, 네트워크 솔루션, 및 중간 응용 프로그램. 노드를 사용하여 스마트 환경을 만드는 방법에 대한 예는 에 설명되어 있습니다. 노드는 가구 및 가전 제품에 내장될 수 있으며 서로 및 룸 서버와 통신할 수 있습니다. 또한 룸 서버는 다른 룸 서버와 통신하여 인쇄, 스캔 및 팩스와 같이 제공할 수 있는 서비스에 대해 알아볼 수 있습니다. 이러한 서버와 센서 노드는 기존 임베디드 장치에 통합될 수 있으며 에 설명된 제어 이론 모델을 기반으로 자체 구성, 자체 조절 및 적응 시스템을 구성할 수 있습니다.

3. 센서 네트워크 모델의 개발에 영향을 미치는 요소.

센서 네트워크의 개발은 내결함성, 확장성, 생산 비용, 운영 환경 유형, 센서 네트워크 토폴로지, 하드웨어 제한, 정보 전송 모델 및 전력 소비를 포함한 많은 요인에 따라 달라집니다. 이러한 요인은 많은 연구자에 의해 고려됩니다. 그러나 이러한 연구 중 어느 것도 네트워크 설계에 영향을 미치는 모든 요소를 ​​완전히 설명하지는 않습니다. 그것들은 센서 네트워크의 작동을 위한 프로토콜이나 알고리즘의 개발을 위한 지침 역할을 하기 때문에 중요합니다. 또한 이러한 요인을 사용하여 다른 모델을 비교할 수 있습니다.

3.1. 결함 허용

일부 노드는 전원 부족, 물리적 손상 또는 타사 간섭으로 인해 실패할 수 있습니다. 노드 오류는 센서 네트워크의 작동에 영향을 미치지 않아야 합니다. 이것은 신뢰성과 내결함성의 문제입니다. 내결함성 - 노드가 실패할 때 실패 없이 센서 네트워크의 기능을 유지하는 기능. 안정성 Rk(t) 또는 노드 내결함성은 시간 기간(0, t)에 노드 장애가 없을 확률을 결정하기 위해 푸아송 분포를 사용하여 모델링됩니다. 센서 네트워크를 구축하는 데 필요합니다. 노드가 배치된 환경이 간섭에 덜 취약하면 프로토콜의 내결함성이 낮을 수 있습니다. 예를 들어, 노드가 습도 및 온도 수준을 모니터링하기 위해 가정에 도입되는 경우 이러한 센서 네트워크는 실패할 수 없고 환경의 "소음"이 작동에 영향을 미치지 않기 때문에 내결함성에 대한 요구 사항이 낮을 수 있습니다. 반면에 감시를 위해 전장에서 노드를 사용하는 경우 감시가 중요하고 적대 행위 중에 노드가 파괴될 수 있으므로 내결함성이 높아야 합니다. 결과적으로 내결함성 수준은 센서 네트워크의 적용에 따라 달라지며 이를 염두에 두고 모델을 개발해야 합니다.

3.2. 확장성

현상을 연구하기 위해 배포된 노드의 수는 수백 또는 수천 개일 수 있습니다. 응용 프로그램에 따라 그 수는 극단값(백만)에 도달할 수 있습니다. 새 모델은 이 수의 노드를 처리할 수 있어야 합니다. 그들은 또한 직경이 10m 미만일 수 있는 영역에서 몇 개의 노드에서 수백 개의 노드에 이르는 고밀도 센서 네트워크를 사용해야 합니다. 밀도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

3.3. 생산 단가

센서 네트워크는 많은 수의 노드로 구성되기 때문에 노드당 비용은 네트워크의 총 비용을 정당화할 수 있는 정도여야 합니다. 네트워크 비용이 기존 센서 배포보다 높으면 경제적으로 실행 가능하지 않습니다. 결과적으로 각 노드의 비용은 낮아야 합니다. 이제 Bluetooth 송신기를 사용하는 노드의 비용은 $10 미만입니다. PicoNode의 가격은 약 $1입니다. 따라서 센서 네트워크 노드의 비용은 사용의 경제적 정당성을 위해 1달러 미만이어야 합니다. 저가 기기로 꼽히는 블루투스 노드의 가격은 센서 네트워크 노드 평균 가격보다 10배 이상 비싸다. 노드에는 데이터 수집 모듈 및 데이터 처리 모듈(섹션 3.4에 설명됨)과 같은 몇 가지 추가 모듈이 있습니다. 또한 센서의 적용에 따라 위치 지정 시스템 또는 발전기가 장착될 수 있습니다. 네트워크. 결과적으로 노드의 비용은 숫자가 주어지면 복잡한 문제입니다. 기능가격이 1달러 미만인 경우에도 마찬가지입니다.

3.4. 하드웨어 기능

센서 네트워크 노드는 그림 1과 같이 네 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 1: 데이터 수집 장치, 처리 장치, 송신기 및 전원 공급 장치. 추가 모듈의 존재 여부는 네트워크 애플리케이션에 따라 다릅니다. 예를 들어 위치 모듈, 발전기 및 모바일 장치(MAC)가 있을 수 있습니다. 데이터 수집 모듈은 일반적으로 센서와 ADC(아날로그-디지털 변환기)의 두 부분으로 구성됩니다. 관찰된 현상을 기반으로 센서에서 생성된 아날로그 신호를 다음과 같이 변환합니다. 디지털 신호 ADC를 사용하여 처리 장치에 공급됩니다. 통합 메모리를 사용하는 처리 모듈은 다른 노드와 함께 할당된 모니터링 작업을 수행할 수 있도록 하는 절차를 관리합니다. 송신기 유닛(트랜시버)은 노드를 네트워크에 연결합니다. 노드의 가장 중요한 구성 요소 중 하나는 전원 공급 장치입니다. 전원 공급 장치는 예를 들어 태양 전지판을 사용하여 재충전할 수 있습니다.

데이터를 전송하고 데이터를 수집하는 대부분의 노드는 높은 정확도로 자신의 위치를 ​​알아야 합니다. 따라서 전체 스킴에 위치 모듈이 포함됩니다. 때로는 필요한 경우 작업을 완료해야 할 때 노드를 이동하는 모빌라이저가 필요할 수 있습니다. 이러한 모든 모듈은 성냥갑 크기의 인클로저에 보관해야 할 수도 있습니다. 매듭 크기는 입방 센티미터보다 작을 수 있으며 공기 중에 머물기에 충분히 가볍습니다. 크기 외에도 노드에 대한 몇 가지 다른 엄격한 제한이 있습니다. 그들은 반드시 :
아주 적은 에너지를 소비
단거리에서 많은 수의 노드로 작업,
낮은 생산 비용을 가지고
자율적이며 감독 없이 일하고,
환경에 적응합니다.
노드를 사용할 수 없게 될 수 있으므로 센서 네트워크의 수명은 개별 노드의 성능에 따라 달라집니다. 음식 제한된 자원크기 제한으로 인해. 예를 들어, 스마트 노드의 총 에너지 저장량은 1J 정도입니다. WINS(Wireless Integrated Sensor Network)의 경우 평균 충전 수준은 긴 런타임을 보장하기 위해 30LA 미만이어야 합니다. 예를 들어 환경에서 에너지를 얻음으로써 충전식 배터리를 사용하여 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있습니다. 태양 전지판은 재충전 사용의 대표적인 예입니다. 노드 통신 모듈은 스마트 노드 또는 무선 주파수(RF) 송신기에서와 같이 수동 또는 능동 광학 장치일 수 있습니다. RF 전송에는 특정 대역폭을 사용하는 변조 모듈, 필터링 모듈, 복조 모듈이 필요하므로 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 또한 안테나가 지면 가까이에 위치하기 때문에 두 노드 간의 데이터 전송에 손실이 있을 수 있습니다. 그러나 데이터 속도가 낮고(일반적으로 1Hz 미만) 전송 주기 속도가 짧기 때문에 대부분의 기존 센서 네트워크 설계에서 무선 통신이 선호됩니다. 이러한 특성으로 인해 낮은 무선 주파수를 사용할 수 있습니다. 그러나 에너지 효율이 높은 저주파 무선 송신기를 설계하는 것은 여전히 ​​기술적인 과제이며, Bluetooth 장치 제조에 사용되는 기존 기술은 많은 에너지를 소비하기 때문에 센서 네트워크에 충분히 효율적이지 않습니다. 프로세서는 지속적으로 크기가 줄어들고 성능은 증가하지만 노드에 의한 데이터 처리 및 저장은 여전히 ​​약점입니다. 예를 들어 스마트 노드 처리 모듈은 4MHz Atmel AVR8535 프로세서, 명령어용 8KB 마이크로컨트롤러, 플래시 메모리, 512바이트 RAM 및 512바이트 EEPROM으로 구성됩니다. OS용으로 3500바이트, 코드용으로 4500바이트의 여유 메모리가 있는 이 모듈은 TinyOS 운영 체제를 사용합니다. 다른 lAMPS 노드 프로토타입의 처리 모듈에는 59-206MHz SA-1110 프로세서가 있습니다. IAMPS 노드는 다중 스레드 운영 체제를 사용합니다. L-OS 시스템. 대부분의 데이터 수집 작업에는 노드 위치에 대한 지식이 필요합니다. 노드는 일반적으로 감독 없이 무작위로 위치하기 때문에 위치 지정 시스템을 사용하여 협력해야 합니다. 위치 결정은 많은 센서 네트워크 라우팅 프로토콜에서 사용됩니다(자세한 내용은 섹션 4 참조). 일부에서는 각 노드에 5미터 이내에서 작동하는 GPS(Global Positioning System) 모듈이 있어야 한다고 제안했습니다. 본 논문은 센서 네트워크의 운용을 위해 모든 노드에 GPS를 장착할 필요는 없다고 주장한다. 일부 노드만 GPS를 사용하고 다른 노드가 지상에서 자신의 위치를 ​​결정하는 데 도움이 되는 대체 접근 방식이 있습니다.

3.5. 네트워크 토폴로지

노드를 사용할 수 없게 되고 자주 실패할 수 있다는 사실은 네트워크 유지 관리를 어려운 작업으로 만듭니다. 수백에서 수천 개의 노드를 센서 네트워크 영역에 배치할 수 있습니다. 10미터 간격으로 배치됩니다. 매듭의 밀도는 입방 미터당 20노트보다 높을 수 있습니다. 많은 노드를 조밀하게 배열하려면 네트워크를 주의 깊게 유지 관리해야 합니다. 네트워크 토폴로지의 유지 및 변경과 관련된 문제를 3단계로 다룹니다.

3.5.1. 노드 자체의 사전 배포 및 배포는 노드의 대량 분산 또는 각각을 별도로 설치하는 것으로 구성될 수 있습니다. 다음과 같이 배포할 수 있습니다.

비행기에서 흩어져,
로켓이나 발사체에 장착하여
투석기를 사용하여 던진 것(예: 배에서 등),
공장에 배치
각 노드는 인간이나 로봇에 의해 개별적으로 배치됩니다.
하지만 큰 금액센서 및 자동 배치는 일반적으로 신중하게 설계된 계획에 따라 배치하는 것을 방해하며 초기 배치 계획은 다음과 같아야 합니다.
설치 비용 절감
사전 조직 및 사전 계획의 필요성 제거,
배치 유연성을 높이고,
자기 조직화와 내결함성을 촉진합니다.

3.5.2. 네트워크 배포 후 단계

네트워크가 배치된 후 토폴로지의 변경은 노드 특성의 변경과 연관됩니다. 다음과 같이 나열해 보겠습니다.
위치,
접근성(간섭, 소음, 움직이는 장애물 등으로 인해),
배터리 충전,
오작동
변경 작업.
노드는 정적으로 배포할 수 있습니다. 그러나 배터리 소모 또는 파손으로 인한 장치 고장은 일반적입니다. 노드 이동성이 높은 센서 네트워크가 가능합니다. 또한 노드와 네트워크는 서로 다른 작업을 수행하며 의도적인 간섭을 받을 수 있습니다. 따라서 센서 네트워크의 구조는 배포 후 자주 변경되는 경향이 있습니다.

3.5.3. 추가 노드 배포 단계

결함이 있는 노드를 교체하거나 작업 변경으로 인해 언제든지 노드를 추가할 수 있습니다. 새 노드를 추가하면 네트워크를 재구성해야 합니다. 많은 노드를 포함하고 전력 제한이 매우 엄격한 P2P 네트워크 토폴로지의 빈번한 변경을 처리하려면 특별한 라우팅 프로토콜이 필요합니다. 이 문제는 섹션 4에서 더 자세히 논의됩니다.

3.6. 환경

노드는 관찰된 현상에 매우 가깝거나 직접적으로 밀집되어 있습니다. 따라서 그들은 외딴 지리적 영역에서 감독 없이 작동합니다. 그들은 일할 수 있습니다
바쁜 교차로에서
큰 차 안에
바다의 바닥에서
토네이도 내부
토네이도 동안 바다 표면에서,
생물학적, 화학적으로 오염된 지역에서
전장에서
집이나 큰 건물에서
큰 창고에서
동물에 붙어
빠르게 움직이는 차량에 부착
물의 흐름과 함께 하수구 또는 강에서.
이 목록은 노드가 작동할 수 있는 조건에 대한 아이디어를 제공합니다. 그들은 해저, 거친 환경, 잔해 사이 또는 전장, 항공기 엔진의 노즐과 같은 극한 온도 또는 북극 지역, 많은 소음이 있는 매우 시끄러운 장소에서 고압 하에서 작동할 수 있습니다. 간섭.

3.7. 데이터 전송 방법

다중 홉 센서 네트워크에서 노드는 무선으로 통신합니다. 통신은 라디오, 적외선 또는 광학 매체를 통해 이루어질 수 있습니다. 이러한 방법을 전 세계적으로 사용하려면 전송 매체가 전 세계적으로 사용 가능해야 합니다. 무선 통신을 위한 한 가지 옵션은 대부분의 국가에서 라이센스 없이 사용할 수 있는 ISM(산업, 과학 및 의료) 대역을 사용하는 것입니다. 사용할 수 있는 주파수 중 일부는 무선 규정(제 1권)의 S5조에 포함된 국제 주파수 표에 설명되어 있습니다. 이러한 주파수 중 일부는 이미 무선 전화 및 무선 통신에서 사용 중입니다. 로컬 네트워크(무선랜). 크기가 작고 비용이 저렴한 센서 네트워크의 경우 신호 증폭기가 필요하지 않습니다. 에 따르면, 하드웨어 제한 및 안테나 효율성과 전력 소비 간의 절충은 마이크로파 주파수 범위에서 전송 주파수 선택에 특정 제한을 부과합니다. 또한 유럽에서는 433MHz ISM을, 북미에서는 915MHz ISM을 제공합니다. 이 두 영역에 대한 가능한 송신기 모델은 에서 논의됩니다. ISM 무선 주파수 사용의 주요 이점은 광범위한 주파수 스펙트럼과 전 세계적으로 사용할 수 있다는 것입니다. 특정 표준에 얽매이지 않으므로 센서 네트워크에서 에너지 절약 전략을 보다 자유롭게 구현할 수 있습니다. 한편, 각종 법규 및 기존 어플리케이션의 간섭 등 다양한 규칙과 제약이 존재합니다. 이러한 주파수 대역을 비조절 주파수라고도 합니다. 오늘날 대부분의 노드 장비는 무선 송신기의 사용을 기반으로 합니다. 에 설명된 IAMPS의 무선 노드는 Bluetooth 지원 2.4GHz 송신기를 사용하며 주파수 합성기가 통합되어 있습니다. 저전력 노드의 장치는 작업에 설명되어 있으며 916MHz의 주파수에서 작동하는 하나의 무선 전송 채널을 사용합니다. WINS 아키텍처도 라디오를 사용합니다. 또 다른 가능한 방법센서 네트워크의 통신은 적외선입니다. IR 통신은 라이센스 없이 사용할 수 있으며 전기 간섭에 영향을 받지 않습니다. IR 송신기는 더 저렴하고 제조하기 쉽습니다. 오늘날의 많은 랩톱, PDA 및 휴대폰은 데이터 전송을 위해 IR 인터페이스를 사용합니다. 이러한 통신의 주요 단점은 발신자와 수신자 간의 직접적인 가시성이 필요하다는 것입니다. 이것은 전송 매체로 인해 IR 통신을 센서 네트워크에서 사용하기에 바람직하지 않게 만듭니다. 흥미로운 전송 방식은 자동 모니터링 및 데이터 처리 모듈인 스마트 노드를 사용하는 것입니다. 그들은 전송을 위해 광학 매체를 사용합니다. CCR(corner-cube retroreflector)을 사용한 수동 전송 방식과 레이저 다이오드 및 제어 미러를 사용하는 능동 전송 방식의 두 가지 전송 방식이 있습니다(참조). 첫 번째 경우 통합 광원이 필요하지 않으며 신호 전송을 위해 CCR(3-mirror) 구성이 사용됩니다. 능동 방식은 레이저 다이오드와 능동 레이저 통신 시스템을 사용하여 원하는 수신기에 광선을 보냅니다. 센서 네트워크의 비정상적인 응용 요구 사항은 전송 매체 선택을 어렵게 만듭니다. 예를 들어, 해양 애플리케이션은 수중 전송 매체를 사용해야 합니다. 여기서 물 표면을 관통할 수 있는 장파 복사를 사용해야 합니다. 험난한 지형이나 전장에서는 오류 및 더 많은 간섭이 발생할 수 있습니다. 또한 노드 안테나는 다른 장치와 통신하는 데 필요한 높이와 방사 전력이 없는 것으로 판명될 수 있습니다. 따라서 전송 매체의 선택에는 전송 채널의 특성에 따라 달라지는 안정적인 변조 및 코딩 방식이 수반되어야 합니다.

3.8. 전력 소비

무선 노드는 마이크로 전자 장치이므로 제한된 전원 공급 장치만 장착할 수 있습니다(

3.8.1. 연결

노드는 데이터 송수신을 모두 포함하는 통신에 최대 에너지를 소비합니다. 소통하기 위해서라고 할 수 있다. 단거리송신 전력이 낮기 때문에 송신과 수신에는 거의 같은 양의 에너지가 필요합니다. 주파수 합성기, 전압 제어 발진기, 위상 차단(PLL) 및 전력 증폭기는 모두 제한된 에너지를 필요로 합니다. 이 경우 유효 전력뿐만 아니라 송신기를 시작할 때 전력 소비도 고려하는 것이 중요합니다. 송신기를 시작하는 데는 몇 초도 걸리지 않으므로 무시할 수 있는 양의 전력을 소비합니다. 이 값은 PLL 잠금 시간과 비교할 수 있습니다. 그러나 전송된 패킷이 감소함에 따라 시작 전력이 전력 소비를 지배하기 시작합니다. 결과적으로 송신기를 지속적으로 켜고 끄는 것은 비효율적입니다. 대부분의 에너지는 이것에 소비됩니다. 현재 저전력 무선 송신기는 표준 Pt 및 Pr 값이 20dBm이고 Pout이 0dBm에 가깝습니다. PC로 향하는 PicoRadio는 -20dBm입니다. 작고 저렴한 송신기의 설계는 출처에서 논의됩니다. 결과를 바탕으로 이 기사의 저자는 예산과 에너지 추정치를 감안할 때 Pt와 Pr의 값이 위에 주어진 값보다 적어도 10배는 작아야 한다고 믿습니다.

3.8.2. 데이터 처리

데이터 처리의 전력 소비는 데이터 전송에 비해 훨씬 적습니다. 이 문서에 설명된 예는 실제로 이러한 불일치를 보여줍니다. 전송 중에 전력의 4분의 1이 손실된다는 레일리의 이론에 따라 100m 거리에서 1KB를 전송하기 위한 에너지 소비는 100m당 1억 명령의 비율로 300만 명령을 실행하는 것과 거의 같다고 결론을 내릴 수 있습니다. 프로세서에 의한 초(MIPS)/W. 따라서 다중 홉 센서 네트워크에서 전력 소모를 최소화하려면 로컬 데이터 처리가 중요합니다. 따라서 노드에는 컴퓨팅 기능이 내장되어 있어야 하며 환경과 상호 작용할 수 있어야 합니다. 비용 및 크기 제약으로 인해 마이크로프로세서의 주요 기술로 반도체(CMOS)를 선택하게 될 것입니다. 불행히도 그들은 에너지 효율에 한계가 있습니다. CMOS는 상태를 변경할 때마다 전원이 필요합니다. 스위칭 주파수, 커패시턴스(영역에 따라 다름) 및 전압 변동에 비례하여 상태를 변경하는 데 필요한 에너지입니다. 따라서 공급 전압을 낮추는 것은 활성 상태에서 소비 전력을 줄이는 효과적인 수단입니다. 에서 설명하는 동적 전압 조정은 작업 부하에 따라 프로세서의 전력과 주파수를 조정합니다. 마이크로프로세서의 처리 부하가 감소할 때 단순히 주파수를 줄이면 전력 소비가 선형으로 감소하지만 작동 전압을 줄이면 전력 비용이 2차 감소합니다. 반면에 가능한 모든 프로세서 성능은 사용되지 않습니다. 피크 성능이 항상 필요한 것은 아니며 따라서 프로세서의 작동 전압과 주파수를 처리 요구 사항에 맞게 동적으로 조정할 수 있다는 점을 고려하면 결과를 얻을 수 있습니다. 저자는 기존 부하 프로파일의 적응 처리와 이미 생성된 여러 체계의 분석을 기반으로 하는 작업 부하 예측 체계를 제안합니다. 프로세서 전력을 줄이기 위한 다른 전략은 에서 설명합니다. 데이터를 인코딩 및 디코딩하기 위한 추가 방식이 사용될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 집적 회로경우에 따라 사용될 수도 있습니다. 이러한 모든 시나리오에서 센서 네트워크의 구조, 작동 알고리즘 및 프로토콜은 각각의 에너지 비용에 따라 다릅니다.

4. 센서 네트워크의 아키텍처

노드는 일반적으로 관찰 영역 전체에 무작위로 위치합니다. 그들 각각은 데이터를 수집할 수 있고 최종 사용자인 중앙 노드로 다시 데이터를 전송하는 경로를 알고 있습니다. 데이터는 다중 홉 네트워크 아키텍처를 사용하여 전송됩니다. 중앙 노드는 인터넷이나 위성을 통해 작업 관리자와 통신할 수 있습니다. 중앙 노드와 다른 모든 노드에서 사용하는 프로토콜 스택은 그림 1에 나와 있습니다. 3. 프로토콜 스택은 전원 정보 및 경로 정보를 포함하고 네트워크 프로토콜 정보를 포함하며 무선 환경을 통한 효과적인 통신을 돕고 노드 협업을 촉진합니다. 프로토콜 스택은 응용 계층, 전송 계층, 네트워크 계층, 데이터 링크 계층, 물리 계층, 전력 관리 계층, 이동성 관리 계층 및 작업 스케줄링 계층으로 구성됩니다. 데이터 수집 작업에 따라, 다른 종류응용 소프트웨어는 응용 프로그램 수준에서 구축할 수 있습니다. 전송 계층은 필요한 경우 데이터 흐름을 유지하는 데 도움이 됩니다. 네트워크 계층은 전송 계층에서 제공하는 데이터 라우팅을 처리합니다. 환경이 있기 때문에 외부 소음 노드가 이동할 수 있으므로 MAC 프로토콜은 인접 노드 간에 데이터를 전송할 때 충돌 발생을 최소화해야 합니다. 물리 계층은 정보를 전송하는 기능을 담당합니다. 이러한 프로토콜은 호스트가 전력을 절약하면서 작업을 수행하는 데 도움이 됩니다. 전원 관리 계층은 노드가 전원을 사용하는 방법을 결정합니다. 예를 들어, 노드는 이웃 중 하나로부터 메시지를 수신한 후 수신기를 끌 수 있습니다. 이렇게 하면 중복 메시지를 받는 것을 방지할 수 있습니다. 또한 노드의 배터리가 부족하면 메시지 라우팅에 참여할 수 없음을 이웃과 통신합니다. 남은 에너지를 모두 사용하여 데이터를 수집합니다. 이동성 제어(MAC) 계층은 노드의 움직임을 감지하고 등록하므로 항상 중앙 노드로의 데이터 전송 경로가 있고 노드는 이웃을 결정할 수 있습니다. 그리고 이웃을 알고 있는 노드는 그들과 협력하여 전력 소비의 균형을 맞출 수 있습니다. 작업관리자는 지역별 정보수집을 별도로 계획하고 일정을 잡습니다. 같은 지역의 모든 노드가 동시에 프로빙 작업을 실행할 필요는 없습니다. 결과적으로 일부 노드는 용량에 따라 다른 노드보다 더 많은 작업을 수행합니다. 이러한 모든 계층과 모듈은 노드가 함께 작동하고 최대 에너지 효율성을 위해 노력하고 네트워크에서 데이터 전송 경로를 최적화하며 서로의 리소스를 공유하는 데 필요합니다. 그것들이 없으면 각 노드는 개별적으로 작동합니다. 전체 센서 네트워크의 관점에서 볼 때 노드가 서로 함께 작동하는 것이 더 효율적이며 네트워크 자체의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 프로토콜에 모듈과 제어 계층을 포함해야 할 필요성을 논의하기 전에 그림 3과 같이 프로토콜 스택에 대한 세 가지 기존 작업을 고려할 것입니다. 인터넷에 액세스할 수 있습니다. 다수의 WINS 네트워크 노드가 서로 짧은 거리에 있기 때문에 다중 홉 통신은 전력 소비를 최소화합니다. 노드가 수신한 환경 정보는 노드 A, B, C, D, E에 대해 그림 2와 같이 다른 노드를 통해 중앙 노드 또는 WINS 게이트웨이로 순차적으로 전송됩니다. WINS 게이트웨이는 공통 네트워크 프로토콜을 통해 사용자와 통신합니다. 인터넷과 같은. WINS 네트워크 프로토콜 스택은 응용 계층, 네트워크 계층, MAC 계층 및 물리 계층으로 구성됩니다. 스마트 노드(또는 먼지 조각). 이 노드는 작은 크기와 무게로 인해 물체에 부착되거나 심지어 공중에 떠 있을 수 있습니다. 그들은 광통신 및 데이터 수집을 위해 MEMS 기술을 사용합니다. 먼지 티끌에는 낮 동안 재충전할 수 있는 태양 전지판이 있을 수 있습니다. 광 기지국 송신기 또는 기타 먼지와 통신하려면 가시선이 필요합니다. 더스트 네트워크의 아키텍처를 그림 2와 비교하면 스마트 노드는 일반적으로 기지국 송신기와 직접 통신하지만 일대일 통신도 가능하다고 말할 수 있습니다. 센서 네트워크용 프로토콜 및 알고리즘 개발에 대한 또 다른 접근 방식은 물리 계층의 요구 사항 때문입니다. 프로토콜 및 알고리즘은 마이크로프로세서 유형 및 수신기 유형과 같은 물리적 구성요소의 선택에 따라 설계되어야 합니다. 이 상향식 접근 방식은 IAMPS 모델에서 사용되며 호스트 하드웨어에 대한 응용 프로그램 계층, 네트워크 계층, MAC 계층 및 물리 계층의 종속성을 고려합니다. IAMPS 노드는 그림 2에 표시된 아키텍처와 정확히 동일한 방식으로 최종 사용자와 상호 작용합니다. TDMA(시분할) 또는 주파수 분할채널(FDMA)과 이진 변조 또는 M 변조가 소스에서 비교됩니다. 상향식 접근 방식은 노드의 알고리즘이 하드웨어를 알아야 하고 전력 소비를 최소화하기 위해 마이크로프로세서 및 송신기의 기능을 사용해야 함을 의미합니다. 이것은 다양한 노드 디자인의 개발로 이어질 수 있습니다. 하지만 다양한 디자인노드는 다양한 유형의 센서 네트워크로 이어질 것입니다. 이는 차례로 그들의 작업을 위한 다양한 알고리즘의 개발로 이어질 것입니다.

문학

  1. 지디 어보드, J.P.G. Sterbenz, 스마트 환경을 위한 연구 문제에 대한 기관 간 워크숍에 대한 최종 보고서, IEEE Personal Communications(2000년 10월) 36–40.
  2. J. Agre, L. Clare, 협력 감지 네트워크를 위한 통합 아키텍처, IEEE Computer Magazine(2000년 5월) 106–108.
  3. 만약에. Akyildiz, W. Su, 센서 네트워크용 PAER(Power Aware Enhanced Routing) 프로토콜, Georgia Tech Technical Report, 2002년 1월, 출판을 위해 제출됨.
  4. A. 바크레, B.R. Badrinath, I-TCP: 모바일 호스트를 위한 간접 TCP, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, 1995년 5월, pp. 136–143.
  5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, 모바일 환자: 환자 모니터링 및 치료를 위한 무선 분산 센서 네트워크, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
  6. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, 센서 네트워크 수명의 상한선, IEEE International Conference on Communications ICC'01, 핀란드 헬싱키, 2001년 6월.
  7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, 물리적 세계 쿼리, IEEE Personal Communications(2000년 10월) 10–15.

분산 센서 네트워크

무선 센서 네트워크란 무엇입니까?

센서 및 수신 장치

무선 센서 네트워크는 모티 (티끌) - 주파수(예: 2.4GHz)에서 무선 통신이 가능한 배터리 및 마이크로칩으로 구동되는 소형 자율 장치. 특별한 소프트웨어티끌이 스스로를 분산 네트워크로 구성하고, 서로 통신하고, 일반적으로 100미터를 초과하지 않는 가장 가까운 노드와 데이터를 교환 및 조사할 수 있습니다.

영문학에서는 이러한 네트워크를 무선 센서 네트워크(WSN)은 센서를 사용하여 서로 다른 영역의 물리적 또는 환경적 조건을 공동으로 모니터링하는 지리적으로 분산된 자율 장치로 구성된 무선 네트워크입니다.

온도, 소리, 진동, 압력, 물체 또는 공기의 움직임과 같은 매개변수를 측정할 수 있습니다. 무선 센서 네트워크의 개발은 처음에 전장 감시와 같은 군사 작업에 의해 동기가 부여되었습니다. 현재 무선 센서 네트워크는 산업 및 환경 모니터링, 의료 및 물체 이동 제어를 포함하여 시민 생활의 많은 영역에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 범위가 점점 넓어지고 있습니다.

작업의 기본 원칙

3단계 네트워크 다이어그램. 1단계 센서 및 게이트웨이. 2차 서버 레벨. 계층 3 씬 클라이언트

각 네트워크 노드: 경구무선 송수신기 또는 기타 무선 통신 장치, 소형 마이크로컨트롤러 및 전원(일반적으로 배터리)이 장착되어 있습니다. 태양 전지판 또는 기타 대체 에너지원과 함께 사용할 수 있습니다.

원격 요소의 데이터는 무선 채널을 통해 노드에서 노드로 가장 가까운 요소 사이의 네트워크를 통해 전송됩니다. 결과적으로 데이터 패킷은 가장 가까운 모트에서 게이트웨이로 전송됩니다. 게이트웨이는 일반적으로 USB 케이블로 서버에 연결됩니다. 서버에서 - 수집된 데이터는 처리되고 저장되며 WEB 셸을 통해 광범위한 사용자가 액세스할 수 있습니다.

센서 노드의 비용은 센서 네트워크의 규모와 복잡성에 따라 수백 달러에서 몇 센트까지 다양합니다.

하드웨어 및 표준

게이트웨이(2개), USB 케이블로 노트북에 연결. 노트북은 UTP를 통해 인터넷에 연결되어 서버 역할을 합니다.

무선 안테나가 있는 센서 장치

무선 노드의 하드웨어와 노드 간의 네트워크 상호 작용 프로토콜은 전력 소비에 최적화되어 자율 전원 공급 장치가 있는 시스템의 긴 서비스 수명을 보장합니다. 작동 모드에 따라 노드의 수명은 몇 년에 달할 수 있습니다.

현재 무선 센서 네트워크에 대해 많은 표준이 승인되었거나 개발 중입니다. ZigBee는 산업 제어, 임베디드 센싱, 의료 데이터 수집, 빌딩 자동화와 같은 것에 대한 표준입니다. Zigbee의 개발은 대규모 산업 회사 컨소시엄에 의해 촉진됩니다.

  • WirelessHART는 산업 자동화를 위한 HART 프로토콜의 확장입니다. WirelessHART는 2007년 6월 HART Communications Foundation에서 승인한 HART 7 사양의 일부로 일반 HART 프로토콜에 추가되었습니다.
  • 6lowpan은 네트워크 계층에 대해 선언된 표준이지만 아직 채택되지 않았습니다.
  • ISA100은 WSN 기술에 진입하려는 시도의 또 다른 작업이지만 다음을 포함하도록 더 광범위하게 구축되었습니다. 피드백자신의 분야에서 통제합니다. ANSI 표준에 기반한 ISA100의 구현은 2008년 말까지 완료될 것으로 예상됩니다.

WirelessHART, ISA100, ZigBee 및 이들은 모두 IEEE 802.15.4 - 2005와 같은 동일한 표준을 기반으로 합니다.

무선 센서 네트워크 소프트웨어

운영 체제

무선 센서 네트워크용 운영 체제는 리소스가 제한적이기 때문에 일반 운영 체제보다 덜 복잡합니다. 하드웨어센서 네트워크. 이 때문에 운영 체제는 사용자 인터페이스에 대한 지원을 포함할 필요가 없습니다.

무선 센서 네트워크 하드웨어는 기존의 임베디드 시스템과 다르지 않으므로 임베디드 운영 체제를 센서 네트워크에 사용할 수 있습니다.

시각화 애플리케이션

측정 결과 시각화 및 보고 소프트웨어 MoteView v1.1

무선 센서 네트워크의 데이터는 일반적으로 중앙 기지국에 디지털 데이터로 저장됩니다. TosGUI MonSense, GNS와 같이 이러한 대용량 데이터를 쉽게 볼 수 있는 표준 프로그램이 많이 있습니다. 또한 OGC(Open Consortium)는 인코딩 메타데이터의 상호 운용성 및 상호 운용성에 대한 표준을 지정하여 웹 브라우저를 통해 누구나 무선 센서 네트워크를 실시간으로 모니터링하거나 제어할 수 있습니다.

무선 센서 네트워크의 노드에서 오는 데이터로 작업하기 위해 데이터 보기 및 평가를 용이하게 하는 프로그램이 사용됩니다. 그러한 프로그램 중 하나가 MoteView입니다. 이 프로그램을 사용하면 실시간으로 데이터를 보고 분석하고 모든 종류의 그래프를 작성하고 다양한 섹션에서 보고서를 발행할 수 있습니다.

사용의 이점

  • 전원 공급 및 데이터 전송을 위해 케이블을 놓을 필요가 없습니다.
  • 구성 요소의 저렴한 비용, 시스템의 설치, 시운전 및 유지 관리;
  • 빠르고 쉬운 네트워크 배포;
  • 개별 노드 또는 구성 요소에 장애가 발생한 경우 전체 시스템의 신뢰성 및 내결함성
  • 개체 자체의 기능 프로세스를 방해하지 않고 모든 개체에서 네트워크를 구현하고 수정할 수 있는 가능성
  • 필요한 경우 전체 시스템을 전체적으로 은폐하여 신속하게 설치할 수 있습니다.

각 센서는 맥주 뚜껑만한 크기이며(하지만 앞으로 수백 배 축소될 수 있음) 프로세서, 메모리 및 무선 송신기를 포함합니다. 이러한 커버는 모든 영역에 흩어져있을 수 있으며 서로 통신을 설정하고 단일 무선 네트워크를 형성하며 가장 가까운 컴퓨터로 데이터를 전송하기 시작합니다.

무선 네트워크에 결합된 센서는 움직임, 빛, 온도, 압력, 습도 등의 환경 매개변수를 추적할 수 있습니다. 센서가 체인을 따라 이웃에서 이웃으로 정보를 전송하기 때문에 매우 넓은 영역에서 모니터링을 수행할 수 있습니다. 이 기술을 통해 배터리를 교체하지 않고도 몇 년(심지어 수십 년) 동안 작동할 수 있습니다. 센서 네트워크는 컴퓨터의 보편적인 감각 기관이며 센서가 장착된 세상의 모든 물리적 물체는 컴퓨터가 인식할 수 있습니다. 미래에는 수십억 개의 센서 각각이 IP 주소를 받게 되며 글로벌 센서 네트워크와 같은 것을 형성할 수도 있습니다. 지금까지 군대와 산업체만이 센서 네트워크의 기능에 관심을 가져왔습니다. 센서 네트워크 시장 조사 전문가인 ON World의 최신 보고서에 따르면 올해 시장은 상당한 회복세를 보이고 있습니다. 올해의 또 다른 주목할만한 사건은 세계 최초의 단일 칩 ZigBee 시스템(Ember 제조)의 출시였습니다. ON World가 조사한 미국 대형 산업 기업 중 약 29%가 이미 센서 네트워크를 사용하고 있으며 다른 40%는 18개월 이내에 이를 배포할 계획입니다. 미국에서는 센서 네트워크의 생성 및 유지 관리에 종사하는 100개 이상의 상업 회사가 나타났습니다.

올해 말까지 지구상의 센서 수는 100만 개를 넘어설 것이며, 이제 네트워크 수뿐만 아니라 크기도 증가하고 있습니다. 처음으로 25,000개 노드에 대한 네트워크를 포함하여 1,000개 이상의 노드로 구성된 여러 네트워크가 생성되어 성공적으로 운영되었습니다.

출처: 웹플래닛

적용분야

WSN의 응용 프로그램은 많고 다양합니다. 유선 센서를 사용하여 제어하기 어렵거나 비용이 많이 드는 데이터를 모니터링하기 위해 상업용 및 산업용 시스템에서 사용됩니다. WSN은 전원 공급 장치를 교체할 필요 없이 수년 동안 유지될 수 있는 도달하기 어려운 영역(환경 환경 모니터링)에서 사용할 수 있습니다. 그들은 보호 시설의 위반자의 행동을 제어할 수 있습니다

WSN은 모니터링, 추적 및 제어에도 사용됩니다. 다음은 몇 가지 응용 프로그램입니다.

  • 대규모 숲과 이탄습지에서 발생하는 연기 모니터링 및 화재 감지
  • 러시아 연방 주제 관리 위기 센터에 대한 추가 정보 출처
  • 잠재적 장력의 지진 감지
  • 군사 관찰
  • 보안 시스템의 음향 물체 움직임 감지.
  • 공간과 환경의 생태학적 모니터링
  • 산업 공정 모니터링, MES 시스템에서 사용
  • 의료 모니터링

빌딩 자동화:

온도, 기류, 사람의 존재 및 미기후를 유지하기 위한 장비 제어의 모니터링;
조명 제어;
에너지 관리;
가스, 수도, 전기 등의 아파트 계량기 판독값 수집;
보안 및 화재 경보;
건물 및 구조물의 내 하중 구조 상태 모니터링.

공업 자동화:

산업용 장비의 원격 제어 및 진단;
현재 상태에 따른 장비 유지 관리(안전 여유 예측);
생산 공정 모니터링;