Úvod

Bezdrôtová senzorová sieť- distribuovaný, súbor snímačov (snímačov) a akčných členov, vzájomne prepojených rádiovým kanálom. Oblasť pokrytia takejto siete sa môže pohybovať od niekoľkých metrov do niekoľkých kilometrov kvôli schopnosti prenášať správy z jedného prvku do druhého.

Hlavnými črtami bezdrôtových senzorových sietí sú samoorganizácia a prispôsobivosť zmenám prevádzkových podmienok, tak to vyžaduje minimálne náklady pri nasadzovaní siete na objekte a pri jej následnej údržbe počas prevádzky.

Krátky príbeh

Za jeden z prvých prototypov senzorovej siete možno považovať systém SOSUS, určený na detekciu a identifikáciu ponoriek. V polovici 90. rokov sa začali aktívne rozvíjať technológie bezdrôtových senzorových sietí, začiatkom roku 2000 vývoj mikroelektroniky umožnil vyrábať pomerne lacnú základňu prvkov pre takéto zariadenia. Bezdrôtové siete zo začiatku roku 2010 sú založené hlavne na .

Účel

Hlavným účelom nie je len výmena dát medzi uzlami prostredníctvom decentralizovanej samoorganizujúcej sa siete, ale aj zber prenášaných informácií (hlavne dát) zo senzorov (teplota, tlak, vlhkosť, úrovne žiarenia, akustické vibrácie) do centrálneho uzla pre účel jeho následnej analýzy alebo spracovania.

Dopyt po bezdrôtových senzorových sieťach na trhu tiež úzko súvisí s konceptom intelektualizácie takých objektov, ako sú domáce, kancelárske a priemyselné priestory, kde mestský človek trávi až 90 % svojho času, ako aj koncept vytvárania kybernetických odvetvia (plne vybavené robotmi), ktorých prvoradou úlohou je zaviesť bezdrôtové technológie na úrovni APCS.

Technológia senzorovej siete je navrhnutá tak, aby riešila najširšiu škálu úloh priemyselného monitorovania a riadenia a má nasledovné nepopierateľné výhody nad inými existujúcimi bezdrôtovými a káblovými systémami:

• schopnosť inštalovať senzory na existujúce a prevádzkované zariadenie bez práca naviac na kladenie káblovej siete;
• nízke náklady samostatný ovládací prvok;
• nízke náklady inštalácia, uvedenie do prevádzky a údržba systému;
• minimálne obmedzenia na umiestnenie bezdrôtových zariadení;
• vysoká odolnosť voči poruchám senzorická sieť ako celok.

Popis

Hardvér bezdrôtových uzlov a protokoly sieťovej interakcie medzi nimi sú optimalizované na spotrebu energie, aby sa zabezpečila dlhá životnosť systému s offline zdroje výživa. V závislosti od režimu prevádzky môže životnosť uzla dosiahnuť niekoľko rokov.

Každý uzol siete senzorov zvyčajne obsahuje dátové vstupné/výstupné porty s rôzne senzory ovládanie vonkajšie prostredie(alebo samotné senzory), mikrokontrolér a rádiový vysielač s prijímačom, ako aj autonómny alebo externý zdroj energie. To umožňuje zariadeniu prijímať výsledky meraní, vykonávať prvotné spracovanie údajov a komunikovať s externým informačným systémom. Mikrokontrolér možno použiť na implementáciu inteligentného distribuovaného spracovania dát. V inteligentnej bezdrôtovej senzorovej sieti sú zariadenia schopné vymieňať si informácie na miestnej úrovni, analyzovať ich a prenášať spracované informácie do určitej hĺbky namiesto „surových“ údajov. To môže výrazne znížiť požiadavky na šírku pásma siete, zvýšiť škálovateľnosť a životnosť systému. Pridanie „inteligencie“ do siete však vyžaduje zohľadnenie špecifík aplikovanej úlohy, preto je tento prístup zvyčajne efektívny pri vývoji zákazkového vysoko špecializovaného systému.

Touto cestou kľúč vlastnosti senzorových sietí sú:

• schopnosť samoorganizácie siete na prenos informácií a jej prispôsobenie počtu zariadení;
• schopnosť prenášať správy z jedného prvku do druhého;
• možnosť mať snímače v každom prvku;
• dlhý termín životnosť batérie(1 rok alebo viac)

Technológia bezdrôtových senzorových sietí je dnes jediná, ktorá sa dá použiť na riešenie úloh monitorovania a riadenia, ktoré sú rozhodujúce pre požiadavky na výdrž batérie zariadení, ich spoľahlivosť, automatickú alebo poloautomatickú konfiguráciu každého z nich, možnosť jednoduchý doplnok alebo vylúčenie zariadenia zo siete, šírenie signálov cez steny a stropy pri nízkych systémových nákladoch. A technológia prenosovej rádiovej komunikácie krátkeho dosahu, známa ako „sieť senzorov“, je jedným z moderných smerov vo vývoji samoorganizujúcich sa distribuovaných systémov odolných voči poruchám pre priemyselné monitorovanie a riadenie zdrojov a procesov.

Výhody technológií bezdrôtových senzorových sietí možno efektívne využiť na riešenie rôznych aplikovaných problémov súvisiacich s distribuovaným zberom, analýzou a prenosom informácií.

Automatizácia budov

V niektorých aplikáciách automatizácie budov nie je použitie tradičných káblových komunikačných systémov z ekonomických dôvodov možné.

Napríklad musíte zaviesť nový alebo rozšíriť existujúci systém v používanej budove. V tomto prípade je použitie bezdrôtových riešení najprijateľnejšou možnosťou, pretože. nie sú potrebné žiadne ďalšie inštalačné práce s porušením vnútornej výzdoby priestorov, prakticky žiadne nepríjemnosti nespôsobujú zamestnancom alebo obyvateľom budovy atď. V dôsledku toho sa výrazne znížia náklady na implementáciu systému.

Ďalším príkladom by mohli byť otvorené kancelárske budovy, pre ktoré nie je možné špecifikovať presné umiestnenie snímačov v štádiu projektovania a výstavby. Zároveň sa dispozícia kancelárií môže počas prevádzky budovy mnohokrát meniť, preto by čas a peniaze vynaložené na rekonfiguráciu systému mali byť minimálne, čo sa dá dosiahnuť použitím bezdrôtových riešení.

Okrem toho možno uviesť nasledujúce príklady systémov založených na bezdrôtových senzorových sieťach:

• sledovanie teploty, prúdenia vzduchu, prítomnosti osôb a ovládanie vykurovacích, ventilačných a klimatizačných zariadení za účelom udržania mikroklímy;
• ovládanie osvetlenia;
• energetický manažment;
• zber odpočtov z bytových meračov plynu, vody, elektriny a pod.;
• sledovanie stavu nosných konštrukcií budov a stavieb.

priemyselná automatizácia

Doteraz bolo rozšírené používanie bezdrôtovej komunikácie v oblasti priemyselnej automatizácie brzdené nízkou spoľahlivosťou rádiových spojení v porovnaní s pevnými spojeniami v drsnom prostredí. priemyselná prevádzka, ale bezdrôtové senzorové siete zásadne menia súčasný stav, pretože vo svojej podstate odolný voči rôznym druhom rušenia (napríklad fyzickému poškodeniu uzla, objaveniu sa rušenia, meniacim sa prekážkam atď.). Navyše, za určitých podmienok môže bezdrôtová senzorová sieť poskytnúť ešte väčšiu spoľahlivosť ako káblový komunikačný systém.

Riešenia založené na bezdrôtových senzorových sieťach plne spĺňajú požiadavky priemyslu:

• odolnosť proti chybám;
• škálovateľnosť;
• prispôsobivosť prevádzkovým podmienkam;
• energetická účinnosť;
• berúc do úvahy špecifiká aplikovanej úlohy;
• ekonomická ziskovosť.

Bezdrôtové senzorové sieťové technológie možno použiť v nasledujúcich úlohách priemyselnej automatizácie:

• diaľkové ovládanie a diagnostika priemyselných zariadení;
• údržba zariadení podľa aktuálneho stavu (predikcia bezpečnostnej rezervy);
• monitorovanie výrobných procesov;
• telemetria pre výskum a testovanie.

Iné aplikácie

Jedinečné vlastnosti a rozdiely bezdrôtových senzorových sietí od tradičných káblových a bezdrôtových systémov na prenos dát robia ich aplikáciu maximálne efektívnou rôznych oblastiach. Napríklad:

• bezpečnosť a obrana:
  • kontrola pohybu osôb a zariadení;
  • fondy prevádzkové komunikácie a inteligencia;
  • kontrola perimetra a diaľkové monitorovanie;
  • pomoc pri záchranných operáciách;
  • monitorovanie majetku a cenností;
  • bezpečnostný a požiarny poplach;
• monitorovanie životné prostredie:
  • monitorovanie znečistenia;
  • Poľnohospodárstvo;
• zdravotná starostlivosť:
  • sledovanie fyziologického stavu pacientov;
  • kontrola polohy a informovanie zdravotníckeho personálu.

Firemná verzia technológie internetu vecí (IoT) sa dnes aktívne využíva v priemysle. Podnikový internet vecí (EIoT) využíva bezdrôtové senzorové siete a ovládacie prvky, aby podnikom poskytol nové spôsoby ovládania strojov a zariadení. Bezdrôtové senzory napájané malou batériou a nepripojené ku káblovému napájaniu môžu byť umiestnené v priemyselných prostrediach na miestach úplne neprístupných pre ovládacie prvky predchádzajúcej generácie.

EIoT zvýšilo spoľahlivosť, bezpečnosť a interoperabilitu systémov a zariadení, aby spĺňali najprísnejšie požiadavky na implementáciu bezdrôtových technológií v tejto oblasti nielen v priemysle, ale aj v zdravotníctve, finančných službách atď. EIoT rieši potreby tieto oblasti čím technické údaje a dizajnové prvky tejto novej technológie sú oveľa lepšie ako podobné technológie internetu vecí tradičných zariadení navrhnutých pre menej kritické spotrebiteľské alebo komerčné aplikácie.

Problémy EIoT

Senzory a ovládacie prvky s podporou EIoT môžu fungovať takmer kdekoľvek v priemyselnom prostredí, no doteraz to bolo skôr o šťastí, keďže nie každé priemyselné zariadenie je ideálne na použitie v bezdrôtových sieťach. Je to preto, že v nasadení IoT existujú dva vzájomne prepojené, ale zdanlivo protichodné prvky:

1. Samotná bezdrôtová sieť zariadení, ktorá je inštalovaná pomocou senzorov a ovládacích prvkov spojených s technológiou krátkeho dosahu s nízkou spotrebou energie.
2. Sieť IoT senzorov interagujúcich s inými zariadeniami, ovládačmi a časťami siete už na väčšiu vzdialenosť.

Ryža. 1. Aplikácie ďaleko od mestských centier a tradičné telekomunikačné služby môžu využívať energeticky efektívny komunikačný protokol, ako je LoRa na organizovanie globálnej siete

Práve nemožnosť spoľahlivej komunikácie na veľké vzdialenosti je často najvýznamnejšou prekážkou v priemyselnom prostredí. Tento problém má jednoduchú príčinu: telekomunikácie, ktoré sa vykonávajú po drôtových káblových vedeniach alebo pomocou prenosu signálu cez veže. celulárna komunikácia, nie je vždy k dispozícii na miestach priemyselných zariadení. Okrem toho náklady na používanie mobilných služieb iba na doručenie niekoľkých paketov dát zo senzorov v jednej komunikačnej relácii nedávajú veľký zmysel ani z ekonomického hľadiska, ani z čisto technických dôvodov. Okrem toho sa pomerne často vyskytuje problém s napájaním senzorov a komunikačných zariadení, čo je veľmi ťažké organizovať na odľahlých miestach, kde nie sú zariadenia alebo infraštruktúra napájané priamo z priemyselnej siete.

Napriek širokému pokrytiu mobilnou komunikáciou v osadách na niektorých miestach neexistuje spoľahlivá služba na organizovanie bezdrôtovej komunikácie. Ide o bežný problém vo vidieckych oblastiach a odľahlých miestach priemyselných zariadení, ako sú izolované ropné a plynové zariadenia alebo potrubná doprava, vodovodné a odpadové systémy (obr. 1) atď. Takéto lokality sú tiež často vzdialené od najbližšieho technického servisu. personál, ktorý kontroluje správne fungovanie zariadení. Niekedy trvá inžinierovi celý deň, alebo dokonca niekoľko, kým sa dostane k zariadeniu a skontroluje ho. Často je ťažké a ľahké nájsť špecialistov ochotných pracovať v takýchto odľahlých oblastiach. Keďže v dôsledku obmedzeného komunikačného pokrytia sú senzory a ovládacie prvky s podporou EIoT na vzdialených miestach pomerne zriedkavé, na pomoc tu prichádzajú siete s nízkou spotrebou energie (LPWAN).

BLE a LPWAN

Najpoužívanejšie bezdrôtová technológia krátky dosah v systémoch EIoT je nízkoenergetická technológia Bluetooth – BLE (anglicky Bluetooth málo energie, tiež známy ako Bluetooth Smart). Hlavným dôvodom vysokej popularity BLE pre EIoT je jeho energetická účinnosť, ktorá umožňuje senzorom a ovládacím prvkom pracovať dlhú dobu s veľmi nízkou spotrebou batérie. BLE spravuje cykly spánku, pohotovostný režim a aktívne cykly. BLE je tiež široko používaný vďaka sile svojho RF signálu, ktorý umožňuje tejto technológii efektívne pracovať aj v náročných prostrediach so zvýšenou úrovňou vysokofrekvenčného šumu, digitálnych signálov z počítačových zariadení a dokonca aj v prítomnosti fyzických prekážok šírenie rádiových vĺn. Ale ako viete, všetky tieto faktory sú v priemyselnom prostredí známe.

V projektoch na implementáciu EIoT je to práve technológia BLE, ktorá je základom pre organizovanie komunikácie na krátke vzdialenosti. Okrem toho je možné ho použiť ako na už prevádzkovaných, tak aj na stále projektovaných komplexoch priemyselných zariadení. Takáto sieť zariadení s podporou BLE však potrebuje spôsob, ako prijímať pokyny a prenášať dáta na väčšie vzdialenosti. Spoliehanie sa na tradičnú telekomunikačnú infraštruktúru, ktorá umožňuje obojsmerné Wi-Fi alebo mobilné signály, nie je možné kvôli bariére, ktorá obmedzuje použitie týchto senzorových a riadiacich sietí. Kombináciou BLE s ultra-dosahom a energetickou účinnosťou technológie LoRa boli spoločnosti schopné nasadiť EIoT na miestach, kde nie je dostupná telekomunikačná infraštruktúra a energetická infraštruktúra, čo zase rozšírilo geografiu implementácie internetu. technológie vecí.

Ryža. 2. Senzory sú najprv pripojené k LoRa klientovi a potom cez LoRa bránu

Protokol LoRa WAN je často LPWAN, pretože poskytuje bezpečný obojsmerný prenos dát a komunikáciu so sieťami internetu vecí na veľké vzdialenosti po mnoho rokov bez výmeny batérie. Pri použití technológie LoRa je možné vysielať a prijímať signály na vzdialenosť až cca 16 km a v prípade potreby inštalované opakovače (opakovače) môžu túto vzdialenosť zvýšiť na stovky kilometrov. Na obr. Obrázok 2 ukazuje, ako funguje LoRa. Pre aplikácie internetu vecí má LoRa mnoho výhod práve kvôli svojim ekonomickým charakteristikám a schopnostiam:

• Keďže LoRa, podobne ako BLE, je technológia s veľmi nízkou spotrebou energie, je schopná fungovať v sieťach IoT zariadení napájaných z batérie a môže poskytnúť dlhú výdrž batérie bez nutnosti častej údržby.
• Uzly LoRa sú lacné a umožňujú spoločnostiam znížiť náklady na prenos dát cez mobilné systémy, ako aj eliminovať inštaláciu optických alebo medených káblov. To odstraňuje veľkú finančnú prekážku pri prepájaní vzdialene umiestnených senzorov a zariadení.
• Technológia LoRa funguje dobre sieťové zariadenia umiestnené vo vnútri, vrátane zložitých priemyselných prostredí.
• LoRa je vysoko škálovateľný a interoperabilný vďaka podpore miliónov uzlov a môže byť pripojený k verejným a súkromným dátovým sieťam a obojsmerným komunikačným systémom.

Takže zatiaľ čo iné technológie LPWAN budú schopné vyriešiť problém s dosahom komunikácie pri implementácii riešení IoT z dlhodobého hľadiska, technológia LoRa ponúka obojsmernú komunikáciu, ochranu proti rušeniu a vysoký informačný obsah.

LoRa má tiež významnú nevýhodu - nízku šírku pásma. Preto nie je vhodný pre aplikácie vyžadujúce streamovanie dát. Toto obmedzenie však nebráni jeho použitiu pre širokú škálu IoT aplikácií, kde sa z času na čas prenášajú len malé dátové pakety.

Interakcia

Ryža. 3. Modul RM1xx od spoločnosti Laird, ktorý obsahuje komunikačné schopnosti pre bezdrôtové sieťové protokoly LoRa a Bluetooth

Potenciál LoRa sa zdvojnásobí, keď sa skombinuje s technológiou ako BLE. Spoločne poskytujú sadu bezdrôtových funkcií s mimoriadne nízkou spotrebou energie pre komunikáciu na krátke a dlhé vzdialenosti, ktoré zlepšujú možnosti sietí EIoT. Napríklad centrálna časť mestských oblastí môže byť pokrytá len niekoľkými bránami LoRaWAN, ktoré sú základom pre senzorové siete BLE, ktoré sú teraz nezávislé od tradičných telekomunikačných infraštruktúr. Symbióza LoRa a BLE teda odstraňuje množstvo prekážok pre expanziu internetu vecí v megacities aj v malých mestách, ktoré majú bariéry brániace rozšírenej implementácii internetu vecí. Najväčším prínosom z kombinácie LoRA a BLE sú však bezdrôtové senzory, ovládače a ďalšie zariadenia, ktoré je dnes možné bez obmedzení inštalovať doslova kdekoľvek (obr. 3). Toto je zvláštna zásluha BLE. BLE tiež umožňuje týmto zariadeniam spolupracovať v integrovanej sieti krátkeho dosahu ovládanej napríklad zo smartfónov alebo tabletov, ktoré sa v tomto prípade využívajú ako vzdialené bezdrôtové displeje. V tomto balíku funguje technológia LoRa, založená na mobilných schopnostiach BLE, ako druh rádioreléovej stanice, ktorá dokáže odosielať a prijímať dáta na veľké vzdialenosti. Navyše, tieto vzdialenosti možno zväčšiť jednoduchými bránami na prenos signálu.

Je ich už veľa dobré príklady, čo ukazuje, ako párovanie LoRa a BLE umožňuje sieťam EIoT dosiahnuť úplne iné technickej úrovni a zvýšiť svoju expanziu.

Bezdrôtové senzorové siete: prehľad

Akuldiz I.F.

Preklad z angličtiny: Levzhinsky A.S.

anotácia

Článok popisuje koncepty senzorových sietí, ktorých implementácia je možná vďaka kombinácii mikroelektromechanických systémov, bezdrôtovej komunikácie a digitálnej elektroniky. Študujú sa úlohy a potenciál senzorových sietí, robí sa prehľad skutočností ovplyvňujúcich ich vývoj. Zohľadňuje sa aj architektúra budovania senzorových sietí, vyvinuté algoritmy a protokoly pre každú vrstvu architektúry. Článok skúma otázky týkajúce sa implementácie senzorových sietí.

1. Úvod

Nedávne pokroky v technológiách mikro-elektro-mechanických systémov (MEMS), bezdrôtových komunikáciách a digitálnej elektronike umožnili vytvoriť nízkonákladové, nízkoenergetické, multifunkčné mote (uzly), sú malé a „hovoria“ priamo medzi sebou. . Senzorové siete založené na spoločnej práci veľkého počtu drobných uzlov, ktoré pozostávajú z modulov na zber a spracovanie dát, vysielača. Takáto sieť má značné výhody oproti súboru tradičných senzorov. Tu sú dve kľúčové vlastnosti tradičných senzorov: Senzory môžu byť umiestnené ďaleko od pozorovaného javu. Tento prístup si vyžaduje veľa senzorov, ktoré využívajú sofistikované techniky na výber cieľov zo šumu.
Môžete nasadiť viacero senzorov, ktoré iba zbierajú údaje. Starostlivo navrhnite polohy a topológiu senzorov. Pozorovania budú prenášať do centrálnych uzlov, kde sa bude vykonávať zber a spracovanie údajov.
Senzorová sieť pozostáva z veľkého počtu uzlov (motes), ktoré sú husto umiestnené v blízkosti pozorovaného javu. Pozíciu motes nie je potrebné vopred vypočítať. To im umožňuje náhodne umiestniť do ťažko dostupných oblastí alebo použiť na záchranné operácie, ktoré si vyžadujú rýchlu reakciu. Na druhej strane to znamená, že sieťové protokoly a mot algoritmy musia byť samoorganizujúce. Ďalšou unikátnou vlastnosťou senzorových sietí je spolupráca jednotlivých uzlov. Motes sú vybavené procesorom. Preto namiesto odovzdávania pôvodných údajov ich môžu spracovať jednoduchými výpočtami a odovzdať len potrebné a čiastočne spracované údaje. Vyššie opísané vlastnosti poskytujú širokú škálu aplikácií pre senzorové siete. Takéto siete môžu byť použité v zdravotníctve, armáde a bezpečnosti. Napríklad fyziologické údaje o pacientovi môže lekár sledovať na diaľku. To je výhodné pre pacienta a zároveň umožňuje lekárovi pochopiť jeho aktuálny stav. Senzorové siete možno použiť na detekciu cudzích chemických látok vo vzduchu a vode. Môžu pomôcť určiť typ, koncentráciu a umiestnenie kontaminantov. Senzorové siete v podstate umožňujú lepšie pochopenie prostredia. Predpokladáme, že v budúcnosti budú bezdrôtové senzorové siete neoddeliteľnou súčasťou našich životov, viac ako dnešné osobné počítače. Implementácia týchto a ďalších projektov, ktoré vyžadujú použitie bezdrôtových senzorových sietí, si vyžaduje špeciálne metódy. Mnoho protokolov a algoritmov bolo vyvinutých pre tradičné bezdrôtové siete typu peer-to-peer, takže nie sú vhodné pre unikátne vlastnosti a požiadavky senzorových sietí. Tu sú rozdiely medzi senzorovými a peer-to-peer sieťami: Počet uzlov v senzorovej sieti môže byť o niekoľko rádov vyšší ako počet uzlov v peer-to-peer sieti.
Uzly sú husto rozmiestnené.
Uzly sú náchylné na zlyhanie.
Topológia senzorových sietí sa môže často meniť
Uzly primárne používajú vysielacie správy, zatiaľ čo väčšina sietí typu peer-to-peer je založená na komunikácii typu point-to-point.
Uzly sú obmedzené výkonom, výkonom spracovania a pamäťou.
Uzly nemôžu mať globálne identifikačné číslo(IN) kvôli veľkému množstvu réžie a veľkému počtu senzorov.
Keďže uzly v sieti sú husto zbalené, susedné uzly môžu byť veľmi blízko seba. Preto multi-hop pripojenia v senzorových sieťach spotrebujú menej energie ako priame pripojenia. Okrem toho je možné použiť nízky výkon dátového signálu, čo je užitočné pri skrytom sledovaní. Multi-hop komunikácia môže účinne prekonať niektoré ťažkosti šírenia signálu na veľké vzdialenosti v bezdrôtovej komunikácii. Jedným z najdôležitejších obmedzení pre uzly je nízka spotreba energie. Motes majú obmedzené zdroje energie. Takže zatiaľ čo tradičné siete sú zamerané na dosiahnutie vysokej kvality signálu, sieťové protokoly mot by sa mali zamerať hlavne na úsporu energie. Musia mať mechanizmy, ktoré užívateľovi umožnia predĺžiť životnosť mote buď znížením priepustnosti alebo zvýšením latencie prenosu dát. Mnoho výskumníkov sa v súčasnosti zaoberá vývojom obvodov, ktoré spĺňajú tieto požiadavky. V tomto článku preskúmame protokoly a algoritmy, ktoré v súčasnosti existujú pre senzorové siete. Naším cieľom je poskytnúť lepšie pochopenie aktuálnych problémov výskumu v tejto oblasti. Pokúsime sa tiež preskúmať obmedzenia návrhu a identifikovať nástroje, ktoré možno použiť na riešenie problémov s návrhom. Článok je usporiadaný takto: v druhej časti popisujeme potenciál a užitočnosť senzorových sietí. V časti 3 diskutujeme o faktoroch, ktoré ovplyvňujú návrh takýchto sietí. Podrobná štúdia existujúcich metód v tejto oblasti bude zvážená v časti 4. A zhrnieme v časti 5.

2. Aplikácia bezdrôtových senzorových sietí

Senzorové siete môžu byť zložené z rôznych typov senzorov, ako sú seizmické, magnetické pole, tepelné, infračervené, akustické, schopné vykonávať širokú škálu meraní podmienok prostredia. Napríklad ako:
teplota,
vlhkosť,
automobilová doprava,
bleskový stav,
tlak,
zloženie pôdy,
úroveň hluku,
prítomnosť alebo neprítomnosť určitých predmetov,
mechanické zaťaženie
dynamické charakteristiky, ako je rýchlosť, smer a veľkosť objektu.
Motes možno použiť na nepretržité snímanie, detekciu udalostí a identifikáciu. Koncept mikrosnímania a bezdrôtové pripojenie sľubujú veľa nových aplikácií pre takéto siete. Rozdelili sme ich podľa hlavných oblastí: armáda, environmentálny výskum, zdravotníctvo, domáce použitie a iné komerčné aplikácie. Je však možné túto klasifikáciu rozšíriť a pridať ďalšie kategórie, ako je prieskum vesmíru, chemické spracovanie a pomoc pri katastrofách.

2.1. Vojenská aplikácia

Bezdrôtové senzorové siete môžu byť neoddeliteľnou súčasťou vojenských veliteľských, komunikačných, spravodajských, sledovacích a orientačných systémov (C4ISRT). Rýchle nasadenie, samoorganizácia a odolnosť voči chybám sú charakteristiky senzorových sietí, ktoré z nich robia sľubný nástroj na riešenie problémov. Keďže senzorové siete môžu byť založené na hustom rozmiestnení jednorazových a lacných uzlov, zničenie niektorých z nich počas nepriateľských akcií neovplyvní vojenskú operáciu rovnakým spôsobom ako zničenie tradičných senzorov. Preto je použitie senzorových sietí vhodnejšie pre bitky. Uvádzame niekoľko ďalších spôsobov použitia takýchto sietí: monitorovanie zbraní a streliva priateľských síl, pozorovanie bitky; orientácia na zemi; hodnotenie škôd v boji; detekciu jadrových, biologických a chemických útokov. Monitorovanie spriatelených síl, zbraní a munície: vodcovia a velitelia môžu pomocou senzorových sietí neustále sledovať stav svojich jednotiek, stav a dostupnosť techniky a munície na bojisku. Každé vozidlo, vybavenie a dôležitá munícia môžu mať pripojené senzory na hlásenie ich stavu. Tieto údaje sa zhromažďujú spoločne v kľúčové uzly a poslali vodcom. Dáta môžu byť tiež presmerované na vyššie úrovne hierarchie príkazov, aby sa skombinovali s údajmi z iných častí. Bojové pozorovania: Kritické oblasti, cesty, cesty a prielivy môžu byť rýchlo pokryté sieťami senzorov na štúdium aktivít nepriateľských síl. Počas operácií alebo po vytvorení nových plánov môžu byť senzorové siete nasadené kedykoľvek na monitorovanie boja. Nepriateľské sily a prieskum terénu: Senzorové siete môžu byť rozmiestnené v kritických oblastiach a cenné, podrobné a aktuálne údaje o nepriateľských silách a teréne môžu byť zhromaždené v priebehu niekoľkých minút predtým, ako ich nepriateľ dokáže zachytiť. Orientácia: senzorové siete môžu byť použité v inteligentných navádzacích systémoch munície. Hodnotenie poškodenia po boji: Tesne pred útokom alebo po ňom môžu byť na cieľovú oblasť rozmiestnené senzorové siete na zhromažďovanie údajov o hodnotení poškodenia. Detekcia jadrových, biologických a chemických útokov: Pri použití chemických alebo biologických zbraní, ktorých použitie sa blíži k nule, je dôležitá včasná a presná identifikácia chemických látok. Senzorové siete môžu byť použité ako varovné systémy pre chemické alebo biologické útoky a údaje zozbierané v krátka doba pomôcť výrazne znížiť počet obetí. Je tiež možné použiť senzorové siete na podrobný prieskum po zistení takýchto útokov. Napríklad je možné vykonať rekognoskáciu v prípade radiačnej kontaminácie bez toho, aby boli ľudia vystavení radiácii.

2.2. Environmentálna aplikácia

Niektoré oblasti v ekológii, kde sa používajú senzorové siete, sú: sledovanie pohybu vtákov, malých zvierat a hmyzu; monitorovanie stavu životného prostredia s cieľom identifikovať jeho vplyv na plodiny a hospodárske zvieratá; zavlažovanie; rozsiahle monitorovanie Zeme a planetárny prieskum; chemická/biologická detekcia; detekcia lesných požiarov; meteorologický alebo geofyzikálny výskum; detekcia povodní; a výskum znečistenia. Detekcia divokého požiaru: Vzhľadom k tomu, že trosky môžu byť strategicky a tesne rozmiestnené v lese, môžu oznámiť presný pôvod požiaru skôr, ako sa oheň vymkne kontrole. Milióny senzorov je možné nasadiť natrvalo. Môžu byť vybavené solárnymi panelmi, pretože uzly môžu zostať bez dozoru mesiace alebo dokonca roky. Motes budú spolupracovať pri vykonávaní úloh distribuovaného snímania a prekonávaní prekážok, ako sú stromy a skaly, ktoré blokujú káblové senzory. Mapovanie biologického stavu životného prostredia: Vyžaduje komplexné prístupy k integrácii informácií naprieč časom a priestorom. Pokrok v technológii diaľkového snímania a automatizovaný zber údajov výrazne znížili náklady na výskum. Výhodou týchto sietí je možnosť pripojenia uzlov na internet, čo umožňuje vzdialeným používateľom kontrolovať, monitorovať a pozorovať prostredie. Hoci satelitné a vzdušné senzory sú užitočné pri pozorovaní veľkej diverzity, ako je priestorová zložitosť, dominantných rastlinných druhov, neumožňujú pozorovanie malých prvkov, ktoré tvoria väčšinu ekosystému. V dôsledku toho je potrebné nasadiť uzly bezdrôtovej senzorovej siete v teréne. Jedným z príkladov aplikácie je biologické mapovanie životného prostredia v rezervácii v južnej Kalifornii. Tri lokality sú pokryté sieťou, z ktorých každá má 25-100 uzlov, ktoré slúžia na nepretržité monitorovanie stavu životného prostredia. Detekcia záplav: Príkladom detekcie záplav je systém verejného rozhlasu v Spojených štátoch. Niekoľko typov senzorov umiestnených v systéme varovania určuje úroveň zrážok, hladinu vody a počasie. Výskumné projekty ako COUGAR Device Database Project na Cornell University a DataSpace Project na Rutgers University skúmajú rôzne prístupy k interakcii s jednotlivými uzlami v sieti s cieľom získať snímky a dlhodobý zber údajov. Poľnohospodárstvo: Výhodou senzorových sietí je aj možnosť monitorovať úroveň pesticídov vo vode, úroveň erózie pôdy a úroveň znečistenia ovzdušia v reálnom čase.

2.3. Aplikácia v medicíne

Jedna aplikácia v medicíne je v zariadeniach pre invalidov; monitorovanie pacienta; diagnostika; sledovanie používania liekov v nemocniciach; zhromažďovanie fyziologických údajov človeka; a monitorovanie lekárov a pacientov v nemocniciach. Monitorovanie ľudského fyziologického stavu: fyziologické údaje zozbierané sieťami senzorov môžu byť uložené na dlhú dobu a môžu byť použité na lekársky výskum. Inštalované uzly siete dokážu sledovať aj pohyb starších ľudí a napríklad zabrániť pádom. Tieto uzliny sú malé a poskytujú pacientovi väčšiu voľnosť pohybu a zároveň umožňujú lekárom vopred identifikovať príznaky ochorenia. Navyše prispievajú k pohodlnejšiemu životu pacientov v porovnaní s liečbou v nemocnici. Na testovanie uskutočniteľnosti takéhoto systému vytvorila lekárska fakulta Grenoble-Francúzsko dokument „Zdravý inteligentný dom"". . Monitorovanie lekárov a pacientov v nemocnici: každý pacient má malý a ľahký uzol siete. Každý uzol má svoju špecifickú úlohu. Jeden môže napríklad sledovať vašu srdcovú frekvenciu, zatiaľ čo iný meria váš krvný tlak. Takýto uzol môžu mať aj lekári, umožní to nájsť ich v nemocnici iným lekárom. Monitorovanie liekov v nemocniciach: Uzly môžu byť pripojené k liekom, potom je možné minimalizovať šance na výdaj nesprávneho lieku. Takže pacienti budú mať uzly, ktoré určujú ich alergie a potrebné lieky. Počítačové systémy, ako sú opísané v, ukázali, že môžu pomôcť minimalizovať vedľajšie účinky chybného dávkovania liekov.

2.4. Aplikácia doma

Domáca automatizácia: Inteligentné uzly môžu byť integrované do domácich spotrebičov, ako sú vysávače, mikrovlnné rúry, chladničky a videorekordéry. Môžu komunikovať medzi sebou aj s externou sieťou cez internet alebo satelit. To umožní koncovým používateľom jednoducho spravovať zariadenia doma lokálne aj vzdialene. Inteligentné prostredie: Návrh inteligentného prostredia môže mať dva rôzne prístupy, t. j. zameraný na človeka alebo na technológiu. V prípade prvého prístupu sa inteligentné prostredie musí prispôsobiť potrebám koncových používateľov z hľadiska interakcie s nimi. Pre technologicky zamerané systémy sa musia vyvinúť nové hardvérové ​​technológie, sieťové riešenia a stredné aplikácie. Príklady toho, ako môžu byť uzly použité na vytvorenie inteligentného prostredia, sú popísané v . Uzly môžu byť zabudované do nábytku a spotrebičov, môžu komunikovať medzi sebou a izbovým serverom. Izbový server môže komunikovať aj s inými izbovými servermi, aby sa dozvedel o službách, ktoré môžu ponúkať, ako je tlač, skenovanie a faxovanie. Tieto servery a senzorové uzly môžu byť integrované do existujúcich vstavaných zariadení a predstavujú samoorganizujúce sa, samoregulačné a adaptívne systémy založené na modeli teórie riadenia, ako je opísané v .

3. Faktory ovplyvňujúce vývoj modelov senzorových sietí.

Vývoj senzorových sietí závisí od mnohých faktorov, vrátane odolnosti voči chybám, škálovateľnosti, výrobných nákladov, typu operačného prostredia, topológie senzorovej siete, hardvérových obmedzení, komunikačného modelu a spotreby energie. Tieto faktory sú zvažované mnohými výskumníkmi. Žiadna z týchto štúdií však plne nezohľadňuje všetky faktory, ktoré ovplyvňujú návrh siete. Sú dôležité, pretože slúžia ako návod na vývoj protokolu alebo algoritmov pre prevádzku senzorových sietí. Okrem toho sa tieto faktory môžu použiť na porovnanie rôznych modelov.

3.1. odolnosť proti chybám

Niektoré uzly môžu zlyhať v dôsledku nedostatku energie, fyzického poškodenia alebo zásahu tretej strany. Porucha uzla by nemala mať vplyv na fungovanie siete senzorov. Je to otázka spoľahlivosti a odolnosti voči poruchám. Odolnosť voči poruchám - schopnosť zachovať funkčnosť siete senzorov bez zlyhania pri poruche uzla. Spoľahlivosť Rk(t) alebo odolnosť proti chybám uzla sa modeluje pomocou Poissonovho rozdelenia na určenie pravdepodobnosti zlyhania uzla v časovom období (0; t) Stojí za zmienku, že protokoly a algoritmy môžu byť orientované na úroveň tolerancie chýb potrebné na vybudovanie senzorových sietí. Ak je prostredie, v ktorom sú uzly umiestnené, menej náchylné na rušenie, protokoly môžu byť menej odolné voči chybám. Napríklad, ak sú do domu zavedené uzly na monitorovanie úrovne vlhkosti a teploty, požiadavky na odolnosť voči poruchám môžu byť nízke, pretože takéto siete senzorov nemôžu zlyhať a „hluk“ prostredia neovplyvňuje ich prevádzku. Na druhej strane, ak sa uzly používajú na bojisku na pozorovanie, odolnosť voči chybám by mala byť vysoká, pretože pozorovanie je kritické a uzly môžu byť zničené počas vojenských operácií. V dôsledku toho úroveň odolnosti voči chybám závisí od aplikácie senzorových sietí a modely musia byť vyvinuté s ohľadom na túto skutočnosť.

3.2. Škálovateľnosť

Počet uzlov nasadených na štúdium javu môže byť rádovo stovky alebo tisíce. V závislosti od aplikácie môže počet dosiahnuť extrémne hodnoty (milióny). Nové modely by mali zvládnuť tento počet uzlov. Potrebujú tiež použiť vysokú hustotu senzorových sietí, ktoré sa môžu pohybovať od niekoľkých uzlov až po niekoľko stoviek v oblasti, ktorá môže mať priemer menej ako 10 m. Hustota sa môže vypočítať podľa,

3.3. Výrobné náklady

Pretože senzorové siete pozostávajú z veľkého počtu uzlov, náklady na uzol musia byť také, aby odôvodnili celkové náklady siete. Ak sú náklady na sieť vyššie ako nasadenie tradičných senzorov, potom to nie je ekonomicky rentabilné. V dôsledku toho musia byť náklady na každý uzol nízke. Teraz sú náklady na uzol využívajúci vysielač Bluetooth menej ako 10 USD. Cena za PicoNode sa pohybuje okolo 1 dolára. Preto by náklady na uzol siete senzorov mali byť oveľa nižšie ako 1 dolár pre ekonomické opodstatnenie ich použitia. Náklady na uzol Bluetooth, ktorý sa považuje za lacné zariadenie, sú 10-krát vyššie ako priemerná cena uzlov senzorovej siete. Upozorňujeme, že uzol má aj niektoré prídavné moduly, ako je modul zberu údajov a modul spracovania údajov (popísané v časti 3.4.) Okrem toho môžu byť vybavené polohovacím systémom alebo generátorom energie, v závislosti od použitia snímača siete. V dôsledku toho sú náklady na uzol vzhľadom na počet zložitým problémom funkčnosť aj keď je cena nižšia ako 1 dolár.

3.4. Hardvérové ​​vlastnosti

Senzorový sieťový uzol pozostáva zo štyroch hlavných komponentov, ako je znázornené na obr. 1: jednotka na zber údajov, spracovateľská jednotka, vysielač a napájací zdroj. Prítomnosť prídavných modulov závisí od sieťovej aplikácie, napríklad môžu existovať lokalizačné moduly, generátor elektrickej energie a mobilizér (MAC). Modul zberu dát sa zvyčajne skladá z dvoch častí: snímačov a analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC). Analógový signál generovaný snímačom na základe pozorovaného javu sa prevedie na digitálny signál pomocou ADC a potom sa privedú do procesorovej jednotky. Modul spracovania, ktorý využíva integrovanú pamäť, riadi procedúry, ktoré umožňujú v spojení s inými uzlami vykonávať priradené úlohy monitorovania. Vysielacia jednotka (transceiver) pripája uzol k sieti. Jednou z najdôležitejších súčastí uzla je napájanie. Napájací zdroj môže byť dobíjateľný, napríklad pomocou solárnych panelov.

Väčšina uzlov prenášajúcich údaje a zbierajúce údaje potrebuje poznať svoju polohu s vysokou presnosťou. Preto je do celkovej schémy zahrnutý lokalizačný modul. Niekedy možno budete potrebovať mobilizér, ktorý v prípade potreby presunie uzol, keď je potrebné splniť zadané úlohy. Všetky tieto moduly možno bude potrebné umiestniť do krytu veľkosti zápalkovej škatuľky. Veľkosť uzla môže byť menšia ako centimeter kubický a dostatočne ľahký, aby zostal vo vzduchu. Okrem veľkosti existujú aj ďalšie tvrdé limity pre uzly. Oni musia :
spotrebúvajú veľmi málo energie
pracovať s veľkým počtom uzlov na krátke vzdialenosti,
majú nízke výrobné náklady
byť autonómny a pracovať bez dozoru,
prispôsobiť sa prostrediu.
Keďže uzly sa môžu stať nedostupnými, životnosť siete senzorov závisí od výkonu jednotlivých uzlov. Jedlo obmedzený zdroj a kvôli obmedzeniam veľkosti. Napríklad celkové ukladanie energie inteligentného uzla je rádovo 1 J. Pre bezdrôtovú integrovanú senzorovú sieť (WINS) by priemerná úroveň nabitia mala byť nižšia ako 30 LA, aby sa zabezpečila dlhá doba prevádzky. Životnosť senzorových sietí je možné predĺžiť použitím dobíjacích batérií, napríklad získavaním energie z prostredia. Solárne panely sú ukážkovým príkladom využitia dobíjania. Komunikačný modul uzla môže byť pasívne alebo aktívne optické zariadenie, ako v inteligentnom uzle, alebo rádiofrekvenčný (RF) vysielač. RF prenos potrebuje modulačný modul, ktorý využíva určitú šírku pásma, filtračný modul, demodulačný modul, čo ich robí zložitejšími a drahšími. Okrem toho môže dochádzať k stratám prenosu dát medzi dvoma uzlami v dôsledku skutočnosti, že antény sú umiestnené blízko zeme. Vo väčšine existujúcich návrhov senzorových sietí sa však uprednostňuje rádiová komunikácia, pretože dátové rýchlosti sú nízke (zvyčajne menej ako 1 Hz) a rýchlosti prenosových cyklov sú vysoké kvôli krátkym vzdialenostiam. Tieto charakteristiky umožňujú použitie nízkych rádiových frekvencií. Navrhovanie energeticky účinných a nízkofrekvenčných rádiových vysielačov je však stále technickou výzvou a existujúce technológie, ktoré sa používajú pri výrobe zariadení Bluetooth, nie sú dostatočne efektívne pre senzorové siete, pretože spotrebúvajú veľa energie. Aj keď sa procesory neustále zmenšujú a ich výkon rastie, spracovanie a ukladanie údajov uzlom je stále jeho slabou stránkou. Napríklad modul na spracovanie inteligentného uzla pozostáva zo 4 MHz procesora Atmel AVR8535, mikrokontroléra s 8 KB pre inštrukcie, flash pamäte, 512 bajtov RAM a 512 bajtov EEPROM. Tento modul, ktorý má 3500 bajtov pre OS a 4500 bajtov voľnej pamäte pre kód, používa operačný systém TinyOS. Modul spracovania iného prototypu uzla LAMPS má procesor SA-1110 s frekvenciou 59-206 MHz. Uzly IMPS používajú viacvláknový operačný systém. Systém L-OS. Väčšina úloh zberu údajov vyžaduje znalosť polohy uzla. Keďže uzly sú zvyčajne umiestnené náhodne a bez dozoru, musia spolupracovať pomocou polohovacieho systému. Určenie polohy sa používa v mnohých smerovacích protokoloch siete senzorov (podrobnejšie v časti 4). Niektorí navrhli, že každý uzol by mal mať modul Global Positioning System (GPS), ktorý pracuje s presnosťou 5 metrov. Príspevok tvrdí, že vybavenie všetkých uzlov GPS nie je potrebné pre fungovanie senzorových sietí. Existuje alternatívny prístup, kde iba niektoré uzly používajú GPS a pomáhajú iným uzlom určiť ich polohu na zemi.

3.5. Topológia siete

Skutočnosť, že uzly sa môžu stať nedostupnými a podliehajú častým poruchám, robí údržbu siete náročnou úlohou. Na území senzorovej siete je možné umiestniť stovky až niekoľko tisíc uzlov. Rozmiestňujú sa desať metrov od seba. Hustota uzlov môže byť vyššia ako 20 uzlov na meter kubický. Husté usporiadanie mnohých uzlov vyžaduje starostlivú údržbu siete. Problémy súvisiace s údržbou a zmenou topológie siete pokryjeme v troch etapách:

3.5.1. Samotné predbežné rozmiestnenie a rozmiestnenie uzlov môže spočívať v hromadnom rozptýlení uzlov alebo inštalácii každého samostatne. Môžu byť nasadené:

Rozptýlené z lietadla,
umiestnením do rakety alebo projektilu
hodené pomocou katapultu (napríklad z lode atď.),
umiestnenie v továrni
každý uzol je umiestnený jednotlivo človekom alebo robotom.
Hoci veľké množstvo senzory a ich automatické rozmiestnenie zvyčajne bráni ich umiestneniu podľa starostlivo navrhnutého plánu, schémy počiatočného rozmiestnenia by mali:
znížiť náklady na inštaláciu
eliminovať potrebu akejkoľvek predchádzajúcej organizácie a plánovania vopred,
zvýšiť flexibilitu umiestnenia,
podporovať sebaorganizáciu a toleranciu chýb.

3.5.2. Fáza po nasadení siete

Po nasadení siete je zmena jej topológie spojená so zmenou charakteristík uzlov. Poďme si ich vymenovať:
pozícia,
dostupnosť (v dôsledku rušenia, hluku, pohyblivých prekážok atď.),
nabíjanie batérie,
poruchy
meniace sa úlohy.
Uzly môžu byť rozmiestnené staticky. Zlyhanie zariadenia je však bežné v dôsledku vybitia alebo zničenia batérie. Možné sú senzorové siete s vysokou mobilitou uzlov. Okrem toho uzly a siete vykonávajú rôzne úlohy a môžu byť predmetom zámerného rušenia. Štruktúra senzorovej siete je teda po nasadení náchylná na časté zmeny.

3.5.3. Dodatočná fáza nasadenia uzla

Ďalšie uzly môžu byť pridané kedykoľvek, aby sa nahradili chybné uzly alebo z dôvodu meniacich sa úloh. Pridanie nových uzlov vytvára potrebu reorganizovať sieť. Riešenie častých zmien v topológii siete typu peer-to-peer, ktorá obsahuje veľa uzlov a má veľmi prísne limity výkonu, vyžaduje špeciálne smerovacie protokoly. Tento problém je podrobnejšie rozobraný v časti 4.

3.6. Životné prostredie

Uzly sú husto umiestnené veľmi blízko alebo priamo v rámci pozorovaného javu. Preto operujú bez dozoru v odľahlých geografických oblastiach. Môžu pracovať
na frekventovaných križovatkách
vo veľkých autách
na dne oceánu
vnútri tornáda
na povrchu oceánu počas tornáda,
v biologicky a chemicky kontaminovaných oblastiach
na bojisku
v dome alebo veľkej budove,
vo veľkom sklade
pripútaný k zvieratám
pripevnené k rýchlo sa pohybujúcim vozidlám
v kanalizácii alebo rieke spolu s prúdom vody.
Tento zoznam poskytuje predstavu o podmienkach, za ktorých môžu uzly fungovať. Môžu pracovať pod vysokým tlakom na dne oceánu, v drsnom prostredí, medzi troskami alebo na bojisku, pri extrémnych teplotách, ako napríklad v dýze leteckého motora alebo v arktických oblastiach, na veľmi hlučných miestach, kde je veľa rušenie.

3.7. Metódy prenosu dát

V multi-hop senzorovej sieti komunikujú uzly bezdrôtovo. Komunikácia môže prebiehať prostredníctvom rádia, infračerveného alebo optického média. Aby sa tieto metódy mohli používať globálne, prenosové médium musí byť celosvetovo dostupné. Jednou z možností rádiovej komunikácie je použitie priemyselných, vedeckých a lekárskych pásiem (ISM), ktoré sú vo väčšine krajín dostupné bez licencie. Niektoré z frekvencií, ktoré možno použiť, sú opísané v medzinárodnej frekvenčnej tabuľke v článku S5 Rádiokomunikačného poriadku (zväzok 1). Niektoré z týchto frekvencií sa už používajú v bezdrôtovej telefónii a bezdrôtovej sieti lokálnych sietí(WLAN). Pre senzorové siete malých rozmerov a nízkych nákladov nie je potrebný zosilňovač signálu. Podľa , hardvérové ​​obmedzenia a kompromisy medzi účinnosťou antény a spotrebou energie ukladajú určité obmedzenia na výber vysielacej frekvencie v rozsahu mikrovlnných frekvencií. Ponúkajú tiež 433 MHz ISM v Európe a 915 MHz ISM v Severnej Amerike. Možné modely vysielačov pre tieto dve zóny sú diskutované v. Hlavnými výhodami využívania ISM rádiových frekvencií sú široké spektrum frekvencií a celosvetová dostupnosť. Nie sú viazané na konkrétny štandard, čím poskytujú väčšiu slobodu pri implementácii stratégií na úsporu energie v senzorových sieťach. Na druhej strane existujú rôzne pravidlá a obmedzenia, ako sú rôzne zákony a zásahy z existujúcich aplikácií. Tieto frekvenčné pásma sa tiež nazývajú neregulované frekvencie. Väčšina dnešných zariadení uzlov je založená na použití rádiových vysielačov. Bezdrôtové uzly IAMPS, popísané v , používajú 2,4 GHz vysielače s podporou Bluetooth a majú integrovaný frekvenčný syntetizátor. V práci je popísané zariadenie uzlov s nízkym výkonom, ktoré využívajú jeden rádiový prenosový kanál, ktorý pracuje na frekvencii 916 MHz. Architektúra WINS využíva aj rádio. Ďalší možný spôsob komunikácia v senzorových sieťach je infračervená. IR komunikácia je dostupná bez licencie a je odolná voči elektrickému rušeniu. IR vysielače sú lacnejšie a jednoduchšie na výrobu. Mnohé zo súčasných notebookov, PDA a mobilných telefónov využívajú na prenos dát IR rozhranie. Hlavnou nevýhodou takejto komunikácie je požiadavka priamej viditeľnosti medzi odosielateľom a príjemcom. To robí IR komunikáciu nežiaducou pre použitie v senzorových sieťach kvôli prenosovému médiu. Zaujímavým spôsobom prenosu je použitie inteligentných uzlov, čo sú moduly na automatické monitorovanie a spracovanie dát. Na prenos využívajú optické médium. Existujú dve schémy prenosu, pasívna s použitím rohovej kocky retroreflektora (CCR) a aktívna s použitím laserovej diódy a riadených zrkadiel (diskutované v ). V prvom prípade nie je potrebný integrovaný svetelný zdroj, na prenos signálu sa používa konfigurácia troch zrkadiel (CCR). Aktívna metóda využíva laserovú diódu a aktívny laserový komunikačný systém na posielanie lúčov svetla do zamýšľaného prijímača. Nezvyčajné aplikačné požiadavky senzorových sietí sťažujú výber prenosového média. Napríklad námorné aplikácie vyžadujú použitie vodného prenosového média. Tu je potrebné použiť dlhovlnné žiarenie, ktoré môže preniknúť na povrch vody. V ťažkom teréne alebo na bojisku môže dochádzať k chybám a väčšiemu rušeniu. Okrem toho sa môže ukázať, že uzlové antény nemajú potrebnú výšku a vyžarovací výkon na komunikáciu s inými zariadeniami. Preto musí byť výber prenosového média sprevádzaný spoľahlivými modulačnými a kódovacími schémami, ktoré závisia od charakteristík prenosového kanála.

3.8. Spotreba energie

Bezdrôtový uzol ako mikroelektronické zariadenie môže byť vybavený iba obmedzeným napájaním (

3.8.1. Pripojenie

Uzol vynakladá maximum energie na komunikáciu, ktorá zahŕňa prenos aj príjem údajov. Dá sa povedať, že s cieľom komunikovať krátke vzdialenosti s nízkym vysielacím výkonom si vysielanie a príjem vyžaduje približne rovnaké množstvo energie. Frekvenčné syntetizátory, napäťové riadiace oscilátory, fázové blokovanie (PLL) a výkonové zosilňovače vyžadujú energiu, ktorá je obmedzená. Dôležité je, že v tomto prípade neberieme do úvahy len činný výkon, ale aj spotrebu elektrickej energie pri spúšťaní vysielačov. Spustenie vysielača trvá zlomok sekundy, takže spotrebuje zanedbateľné množstvo energie. Túto hodnotu možno porovnať s časom uzamknutia PLL. Keď sa však prenášaný paket znižuje, spúšťací výkon začína dominovať nad spotrebou energie. V dôsledku toho je neefektívne neustále zapínať a vypínať vysielač, pretože na to sa minie väčšina energie. V súčasnosti majú rádiové vysielače s nízkym výkonom štandardné hodnoty Pt a Pr 20 dBm a Pout blízko 0 dBm. Upozorňujeme, že PicoRadio smerované na PC je -20dBm. Dizajn malých, lacných vysielačov je diskutovaný v zdroji. Na základe svojich výsledkov sa autori tohto článku vzhľadom na rozpočet a energetické odhady domnievajú, že hodnoty Pt a Pr by mali byť aspoň o rád menšie ako hodnoty uvedené vyššie.

3.8.2. Spracovanie dát

Spotreba energie pri spracovaní dát je oveľa nižšia v porovnaní s prenosom dát. Príklad opísaný v článku v skutočnosti ilustruje tento nesúlad. Na základe Rayleighovej teórie, že počas prenosu sa stratí štvrtina výkonu, môžeme dospieť k záveru, že spotreba energie na prenos 1 KB na vzdialenosť 100 m bude približne rovnaká ako pri vykonaní 3 miliónov inštrukcií rýchlosťou 100 miliónov inštrukcií za sekundu (MIPS )/W procesorom. Preto je miestne spracovanie údajov rozhodujúce pre minimalizáciu spotreby energie v multi-hop senzorovej sieti. Preto musia mať uzly zabudované výpočtové schopnosti a musia byť schopné interakcie s prostredím. Obmedzenia týkajúce sa nákladov a veľkosti nás povedú k voľbe polovodičov (CMOS) ako hlavnej technológie pre mikroprocesory. Bohužiaľ, majú limity na energetickú účinnosť. CMOS vyžaduje napájanie pri každej zmene stavu. Energia potrebná na zmenu stavov, úmerná spínacej frekvencii, kapacite (v závislosti od oblasti) a kolísaniu napätia. Zníženie napájacieho napätia je preto účinným prostriedkom na zníženie spotreby energie v aktívnom stave. Dynamické škálovanie napätia, o ktorom sa hovorí v , sa snaží prispôsobiť výkon a frekvenciu procesora pracovnej záťaži. Keď sa zníži zaťaženie mikroprocesora, jednoduché zníženie frekvencie poskytne lineárne zníženie spotreby energie, avšak zníženie prevádzkového napätia nám poskytne kvadratické zníženie nákladov na energiu. Na druhej strane sa nevyužije všetok možný výkon procesora. To poskytne výsledok, ak vezmeme do úvahy, že nie vždy je potrebný špičkový výkon, a preto je možné prevádzkové napätie a frekvenciu procesora dynamicky prispôsobiť požiadavkám spracovania. Autori navrhujú schémy predikcie záťaže založené na adaptívnom spracovaní existujúcich profilov záťaže a na analýze niekoľkých už vytvorených schém. Ďalšie stratégie na zníženie výkonu procesora sú popísané v . Je potrebné poznamenať, že možno použiť ďalšie schémy na kódovanie a dekódovanie údajov. integrované obvody možno v niektorých prípadoch použiť. Vo všetkých týchto scenároch závisí štruktúra siete senzorov, prevádzkové algoritmy a protokoly od príslušných nákladov na energiu.

4. Architektúra senzorových sietí

Uzly sú zvyčajne umiestnené náhodne v celej oblasti pozorovania. Každý z nich vie zbierať dáta a pozná trasu prenosu dát späť do centrálneho uzla, ku koncovému užívateľovi. Dáta sa prenášajú pomocou multi-hop sieťovej architektúry. Centrálny uzol môže komunikovať so správcom úloh cez internet alebo satelit. Zásobník protokolov používaný centrálnym uzlom a všetkými ostatnými uzlami je znázornený na obr. 3. Zásobník protokolov obsahuje informácie o napájaní a trase, obsahuje informácie o sieťovom protokole, pomáha efektívne komunikovať cez bezdrôtové prostredie a podporuje spoluprácu uzlov. Zásobník protokolov pozostáva z aplikačnej vrstvy, transportnej vrstvy, sieťovej vrstvy, vrstvy dátového spojenia, fyzickej vrstvy, vrstvy správy napájania, vrstvy správy mobility a vrstvy plánovania úloh. V závislosti od úlohy zhromažďovania údajov rôzne druhy aplikačný softvér je možné vytvoriť na aplikačnej úrovni. transportná vrstva pomáha udržiavať tok údajov v prípade potreby. Sieťová vrstva sa stará o smerovanie údajov poskytovaných transportnou vrstvou. Keďže prostredie má vonkajší hluk a uzly je možné presúvať, protokol MAC musí minimalizovať výskyt kolízií pri prenose dát medzi susednými uzlami. Fyzická vrstva je zodpovedná za schopnosť prenášať informácie. Tieto protokoly pomáhajú hostiteľom vykonávať úlohy a zároveň šetriť energiu. Vrstva správy napájania určuje, ako by mal uzol využívať napájanie. Napríklad, uzol môže vypnúť prijímač po prijatí správy od jedného zo svojich susedov. To vám pomôže vyhnúť sa duplicitnej správe. Keď má uzol nízku kapacitu batérie, oznámi svojim susedom, že sa nemôže podieľať na smerovaní správ. Všetku zvyšnú energiu použije na zber údajov. Vrstva Mobility Control (MAC) určuje a registruje pohyb uzlov, takže vždy existuje cesta na prenos údajov do centrálneho uzla a uzly môžu určiť svojich susedov. A keďže uzol pozná svojich susedov, dokáže vyvážiť spotrebu energie spoluprácou s nimi. Správca úloh plánuje a naplánuje zhromažďovanie informácií pre každý región samostatne. Nie všetky uzly v rovnakej oblasti musia spúšťať úlohy sondovania súčasne. Výsledkom je, že niektoré uzly vykonávajú viac úloh ako iné v závislosti od ich kapacity. Všetky tieto vrstvy a moduly sú potrebné na to, aby uzly spolupracovali a snažili sa o maximálnu energetickú efektívnosť, optimalizovali trasu prenosu dát v sieti a tiež zdieľali svoje zdroje. Bez nich bude každý uzol fungovať samostatne. Z pohľadu celej senzorovej siete je efektívnejšie, ak uzly spolupracujú navzájom, čo pomáha predĺžiť životnosť samotných sietí. Pred diskusiou o potrebe zahrnúť moduly a riadiace vrstvy do protokolu zvážime tri existujúce práce na zásobníku protokolov, ktorý je znázornený na obrázku 3. Model WINS diskutovaný v zdroji, v ktorom sú uzly spojené v distribuovanej sieti a majú prístup na internet. Keďže veľký počet sieťových uzlov WINS je umiestnený v malej vzdialenosti od seba, multi-hop komunikácia znižuje spotrebu energie na minimum. Informácie o životnom prostredí prijaté uzlom sa postupne odosielajú do centrálneho uzla alebo brány WINS cez iné uzly, ako je znázornené na obrázku 2 pre uzly A, B, C, D a E. Brána WINS komunikuje s používateľom prostredníctvom bežných sieťových protokolov. ako je internet. Zásobník sieťových protokolov WINS pozostáva z aplikačnej vrstvy, sieťovej vrstvy, MAC vrstvy a fyzickej vrstvy. Inteligentné uzly (alebo zrnká prachu). Tieto uzly môžu byť pripevnené k predmetom alebo dokonca plávať vo vzduchu kvôli ich malej veľkosti a hmotnosti. Na optickú komunikáciu a zber dát využívajú technológiu MEMS. Prachové časti môžu mať solárne panely na dobíjanie počas dňa. Na komunikáciu s vysielačom optickej základňovej stanice alebo inou škvrnou prachu vyžadujú priamu viditeľnosť. Pri porovnaní architektúry prachovej siete s tou, ktorá je znázornená na obrázku 2, možno povedať, že inteligentné uzly zvyčajne komunikujú priamo s vysielačom základňovej stanice, ale je možná aj individuálna komunikácia. Iný prístup k vývoju protokolov a algoritmov pre senzorové siete je spôsobený požiadavkami fyzickej vrstvy. Protokoly a algoritmy musia byť navrhnuté podľa výberu fyzických komponentov, ako je typ mikroprocesorov a typ prijímačov. Tento prístup zdola nahor sa používa v modeli IAMPS a zohľadňuje aj závislosť aplikačnej vrstvy, sieťovej vrstvy, vrstvy MAC a fyzickej vrstvy od hostiteľského hardvéru. Uzly IAMPS interagujú s koncovým používateľom presne rovnakým spôsobom ako v architektúre znázornenej na obrázku 2. Rôzne schémy, napríklad delenie času (TDMA) resp. frekvenčné delenie kanály (FDMA) a binárna modulácia alebo M-modulácia sa porovnávajú v zdroji. Prístup zdola nahor znamená, že algoritmy uzla musia poznať hardvér a využívať možnosti mikroprocesorov a vysielačov na minimalizáciu spotreby energie. To môže viesť k vývoju rôznych návrhov uzlov. ALE rôzne prevedenia uzly povedú k rôznym typom senzorových sietí. Čo zase povedie k vývoju rôznych algoritmov pre ich prácu.

Literatúra

1. G.D. Alowd, J.P.G. Sterbenz, Záverečná správa z medziagentúrneho workshopu o výskumných otázkach pre inteligentné prostredia, IEEE Personal Communications (október 2000) 36–40.
2. J. Agre, L. Clare, Integrovaná architektúra pre kooperatívne snímacie siete, IEEE Computer Magazine (máj 2000) 106–108.
3. I.F. Akyildiz, W. Su, protokol rozšíreného smerovania (PAER) pre senzorové siete, Georgia Tech Technical Report, január 2002, predložený na publikovanie.
4. A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: nepriamy TCP pre mobilných hostiteľov, Zborník z 15. medzinárodnej konferencie o distribuovaných počítačových systémoch, Vancouver, BC, máj 1995, str. 136–143.
5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Mobilný pacient: bezdrôtové distribuované senzorové siete pre monitorovanie a starostlivosť o pacienta, Zborník 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17-21.
6. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Horné hranice životnosti senzorových sietí, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, Fínsko, jún 2001.
7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the Physical World, IEEE Personal Communications (október 2000) 10.–15.

Distribuované senzorové siete

Čo sú bezdrôtové senzorové siete?

Senzory a prijímacie zariadenie

Bezdrôtové senzorové siete sú postavené z uzlov tzv moty (mote) - malé autonómne zariadenia napájané z batérií a mikročipov s rádiovou komunikáciou na frekvencii - napríklad 2,4 GHz. Špeciálne softvér umožňuje mote organizovať sa do distribuovaných sietí, komunikovať medzi sebou, pýtať sa a vymieňať si údaje s najbližšími uzlami, ktorých vzdialenosť zvyčajne nepresahuje 100 metrov.

V anglickej literatúre sa takejto sieti hovorí bezdrôtová senzorová sieť(WSN) je bezdrôtová sieť pozostávajúca z geograficky distribuovaných autonómnych zariadení, ktoré využívajú senzory na spoločné monitorovanie fyzických alebo environmentálnych podmienok v rôznych oblastiach.

Dokážu merať parametre ako teplota, zvuk, vibrácie, tlak, pohyb predmetov či vzduchu. Vývoj bezdrôtových senzorových sietí bol pôvodne motivovaný vojenskými úlohami, ako je sledovanie bojiska. V súčasnosti sa bezdrôtové senzorové siete čoraz viac využívajú v mnohých oblastiach občianskeho života, vrátane priemyselného a environmentálneho monitorovania, zdravotníctva a riadenia pohybu objektov. Rozsah je stále širší.

Základné princípy práce

3-úrovňový sieťový diagram. 1. úroveň senzorov a brány. 2. úroveň servera. Tenký klient 3. úrovne

Každý uzol siete: mot vybavené rádiovým vysielačom/prijímačom alebo iným bezdrôtovým komunikačným zariadením, malým mikrokontrolérom a zdrojom energie, zvyčajne batériou. Môže byť použitý so solárnymi panelmi alebo inými alternatívnymi zdrojmi energie

Údaje zo vzdialených prvkov sa prenášajú cez sieť medzi najbližšími z uzla do uzla prostredníctvom rádiového kanála. Výsledkom je prenos dátového paketu z najbližšieho mote k bráne. Brána sa k serveru pripája spravidla káblom USB. Na serveri – zozbierané dáta sa spracúvajú, ukladajú a môžu byť prístupné cez WEB shell širokému okruhu používateľov.

Cena senzorového uzla sa pohybuje od stoviek dolárov po niekoľko centov, v závislosti od veľkosti senzorovej siete a jej zložitosti.

Hardvér a štandardy

Brána (2ks), pripojená k notebooku pomocou USB kábla. Notebook je pripojený k internetu cez UTP a funguje ako server

Senzorové zariadenia s rádiovou anténou

Hardvér bezdrôtového uzla a protokoly sieťovej interakcie medzi uzlami sú optimalizované na spotrebu energie, aby sa zabezpečila dlhá životnosť systému s autonómnymi zdrojmi napájania. V závislosti od režimu prevádzky môže životnosť uzla dosiahnuť niekoľko rokov.

Pre bezdrôtové senzorové siete je v súčasnosti buď ratifikovaných alebo vyvíjaných niekoľko štandardov. ZigBee je štandard pre veci ako priemyselné riadenie, vstavané snímanie, zber medicínskych údajov, automatizácia budov. Vývoj Zigbee uľahčuje veľké konzorcium priemyselných spoločností.

• WirelessHART je rozšírením protokolu HART pre priemyselnú automatizáciu. WirelessHART bol pridaný do všeobecného protokolu HART ako súčasť špecifikácie HART 7, ktorá bola schválená nadáciou HART Communications Foundation v júni 2007.
• 6lowpan je deklarovaný štandard pre sieťovú vrstvu, ale ešte nebol prijatý.
• ISA100 je ďalšou prácou v snahe vstúpiť do technológie WSN, ale je postavená širšie, aby zahŕňala spätná väzba kontrolu vo svojom odbore. Očakáva sa, že implementácia ISA100 na základe noriem ANSI bude dokončená do konca roka 2008.

WirelessHART, ISA100, ZigBee a všetky sú založené na rovnakom štandarde: IEEE 802.15.4 - 2005.

Bezdrôtový sieťový softvérový senzor

Operačný systém

Operačné systémy pre bezdrôtové senzorové siete sú menej zložité ako všeobecné operačné systémy kvôli obmedzeným zdrojom hardvér senzorová sieť. Z tohto dôvodu operačný systém nemusí obsahovať podporu pre používateľské rozhrania.

Hardvér bezdrôtovej senzorovej siete sa nelíši od tradičných vstavaných systémov, a preto je možné pre senzorové siete použiť vstavaný operačný systém

Vizualizačné aplikácie

Softvér na vizualizáciu a reportovanie výsledkov meraní MoteView v1.1

Dáta z bezdrôtových senzorových sietí sú zvyčajne uložené ako digitálne dáta v centrálnej základňovej stanici. Existuje mnoho štandardných programov, ako napríklad TosGUI MonSense, GNS, ktoré uľahčujú prezeranie týchto veľkých objemov údajov. Okrem toho Open Consortium (OGC) špecifikuje štandardy pre interoperabilitu a interoperabilitu kódovania metadát, ktoré umožnia komukoľvek monitorovať alebo ovládať sieť bezdrôtových senzorov v reálnom čase prostredníctvom webového prehliadača.

Na prácu s údajmi pochádzajúcimi z uzlov bezdrôtovej senzorovej siete sa používajú programy, ktoré uľahčujú prezeranie a vyhodnocovanie údajov. Jedným z takýchto programov je MoteView. Tento program vám umožňuje prezerať údaje v reálnom čase a analyzovať ich, vytvárať všetky druhy grafov, vydávať správy v rôznych sekciách.

Výhody používania

• Nie je potrebné klásť káble na napájanie a prenos dát;
• Nízke náklady na komponenty, inštaláciu, uvedenie do prevádzky a údržbu systému;
• Rýchle a jednoduché nasadenie siete;
• Spoľahlivosť a odolnosť voči poruchám celého systému ako celku v prípade zlyhania jednotlivých uzlov alebo komponentov;
• Možnosť implementácie a úpravy siete na akomkoľvek objekte bez zásahu do procesu fungovania samotných objektov
• Možnosť rýchlej a v prípade potreby aj skrytej montáže celého systému ako celku.

Každý senzor je veľký asi ako pivný uzáver (ale v budúcnosti by sa mohol zmenšiť stokrát) a obsahuje procesor, pamäť a rádiový vysielač. Takéto kryty môžu byť rozptýlené na akomkoľvek území a sami nadviažu vzájomnú komunikáciu, vytvoria jedinú bezdrôtovú sieť a začnú prenášať údaje do najbližšieho počítača.

V kombinácii v bezdrôtovej sieti môžu senzory sledovať parametre prostredia: pohyb, svetlo, teplotu, tlak, vlhkosť atď. Monitorovanie možno vykonávať na veľmi veľkej ploche, pretože senzory prenášajú informácie v reťazci od suseda k susedovi. Táto technológia im umožňuje pracovať roky (aj desaťročia) bez výmeny batérií. Senzorové siete sú univerzálne zmyslové orgány pre počítač a všetky fyzické objekty na svete vybavené senzormi dokáže počítač rozpoznať. V budúcnosti každý z miliárd senzorov dostane IP adresu a môžu dokonca vytvoriť niečo ako Globálnu sieť senzorov. O možnosti senzorových sietí sa doteraz zaujímala len armáda a priemysel. Podľa najnovšej správy ON World, špecialistu na prieskum trhu senzorových sietí, tento rok trh zažíva výrazné oživenie. Ďalšou významnou udalosťou tohto roka bolo vydanie prvého jednočipového systému ZigBee na svete (vyrobeného spoločnosťou Ember). Spomedzi veľkých amerických priemyselných spoločností, ktorých prieskum ON World uskutočnil, už asi 29 % používa senzorové siete a ďalších 40 % ich plánuje nasadiť do 18 mesiacov. V Amerike sa objavilo viac ako sto komerčných firiem, ktoré sa zaoberajú tvorbou a údržbou senzorových sietí.

Do konca tohto roka počet senzorov na planéte presiahne 1 milión Teraz rastie nielen počet sietí, ale aj ich veľkosť. Prvýkrát bolo vytvorených a úspešne prevádzkovaných niekoľko sietí s viac ako 1 000 uzlami, vrátane jednej pre 25 000 uzlov.

Zdroj: Web PLANET

Oblasť použitia

Aplikácií WSN je mnoho a sú rozmanité. Používajú sa v komerčných a priemyselných systémoch na monitorovanie údajov, ktoré je ťažké alebo drahé kontrolovať pomocou káblových snímačov. WSN je možné použiť v oblastiach, ktoré sú ťažko dostupné, kde môžu zostať dlhé roky (monitorovanie životného prostredia) bez potreby výmeny napájania. Môžu kontrolovať konanie narušiteľov chráneného objektu

WSN sa používa aj na monitorovanie, sledovanie a kontrolu. Tu sú niektoré aplikácie:

• Monitorovanie dymu a detekcia požiarov z veľkých lesov a rašelinísk
• Doplnkový zdroj informácií pre Krízové ​​strediská správy subjektov Federácie Ruskej federácie
• Seizmická detekcia potenciálneho napätia
• Vojenské pozorovania
• Akustická detekcia pohybu objektov v bezpečnostných systémoch.
• Ekologický monitoring priestoru a prostredia
• Monitorovanie priemyselných procesov, využitie v systémoch MES
• Lekársky monitoring

Automatizácia budov:

	monitorovanie teploty, prúdenia vzduchu, prítomnosti osôb a kontrola zariadení na udržanie mikroklímy;
	ovládanie osvetlenia;
	energetický manažment;
	zber odpočtov bytových meračov plynu, vody, elektriny a pod.;
	bezpečnostný a požiarny poplach;
	sledovanie stavu nosných konštrukcií budov a stavieb.

Priemyselná automatizácia:

	diaľkové ovládanie a diagnostika priemyselných zariadení;
	údržba zariadení podľa aktuálneho stavu (predikcia bezpečnostnej rezervy);
	monitorovanie výrobných procesov;