Області застосування. Бездротові сенсорні мережі (БСС) Реалізація передового виробництва на базі бездротових сенсорних мереж

Огляд сучасних бездротових технологій

архітектура сенсора

Сенсорний датчик складається з апаратної і програмної частини, як і будь-який інший телекомунікаційний вузол. У загальному випадку сенсор складається з наступних

підсистем: сприйняття, обробки даних, моніторингу, комунікаційної і джерела живлення (Малюнок 1.1).

Малюнок 1.1 - Загальна архітектура сенсора.

Підсистема сприйняття полягає, як правило, з аналогового пристрою, що знімає певну статистику і аналого-цифрового перетворювача. Підсистема обробки даних містить в собі центральний процесор і пам'ять, що дозволяють зберігати не тільки генеруються сенсором дані, але і службову інформацію, яка необхідна для коректного і повноцінного функціонування комунікаційної підсистеми. Підсистема моніторингу дозволяє сенсора збирати дані про навколишнє середовище, такі як вологість, температура, тиск, магнітне поле, хімічний аналіз повітря і т.д. Також сенсор може бути доповнений гіроскопом, акселерометром, що дає можливість для побудови системи позиціонування.

Прогрес в області бездротового зв'язку і мініатюризація мікросхем відкривають нові горизонти в інформаційно-комп'ютерних технологіях. Крім багатокрокових мереж існують більш складні протоколи маршрутизації, коли наступний вузол вибирається на основі аналізу його характеристик, наприклад, рівень енергії, надійність тощо. Ситуація ускладнюється у разі, коли вузли бездротової сенсорної мережі пересуваються - топологія мережі стає динамічною.

Для реалізації сенсора як телекомунікаційного пристрою малого розміру (не більше одного кубічного сантиметра) необхідно враховувати багато технічні аспекти. Частота центрального процесора повинна бути не менше 20МГц, обсяг оперативної пам'яті не менше 4 КБ, швидкість передачі не менше 20 Кбіт / с. Оптимізація апаратної частини дозволить знизити розміри сенсора, але спричинить за собою збільшення його ціни. Операційну систему (ОС) необхідно оптимізувати з урахуванням архітектури застосовуваного центрального процесора. Обмежені ресурси і малий розмір пам'яті стимулюють розміщення ОС в ПЗУ. В даний час широко поширена ОС з відкритим кодом Tiny OS, що дозволяє досить гнучко управляти сенсорами різних виробників. В області мережевої взаємодії, обмежений джерело живлення в сенсорах накладає суттєві обмеження на

використання радіотехнологій, які можуть бути застосовані в сенсорних мережах. Також слід зазначити, що обмежена продуктивність центрального процесора не дозволяє застосування стандартних протоколів маршрутизації IP-мереж

- висока складність розрахунку алгоритму оптимального шляху перевантажить центральний процесор. На сьогоднішній день розроблено велику кількість спеціальних протоколів маршрутизації для сенсорних мереж.

Розробка технології передачі даних в сенсорних мережах є однією з найважливіших задач при побудові сенсорної мережі, так як її специфічні архітектурні та системні характеристики накладають ціле безліч жорстких обмежень, серед яких слід підкреслити наступні:

Обмежені запаси енергії, через що радіус дії обмежений;

Обмежена продуктивність процесора;

Одночасне функціонування великої кількості вузлів на обмеженому просторі;

Рівнозначність вузлів, архітектура «клієнт-сервер» не може бути застосована у зв'язку з характерною для неї затримками;

Функціонування в неліцензованому спектрі частот;

Низька вартість.

Нині розробка сенсорних мереж будується на стандарті IEEE 802.15.4 Zigbee, про який я упомяналось вище. Додатково зазначу, що альянсом Zigbee передбачається, що радіодоступ стандарту ZigBee буде застосовуватися в таких додатках, як моніторинг, автоматизація виробництва, сенсори, безпеку, контроль, побутова техніка та багато іншого. Таким чином, додатки сенсорних мереж можна розділити на кілька основних категорій:

Безпека, надзвичайні ситуації та військові операції;

Медицина і здоров'я;

Погода, навколишнє середовище та сільське господарство;

Фабрики, заводи, будинки, будівлі;

Транспортні системи і автомобілі.

Розгляну випадки конкретного застосування сенсорних мереж в перерахованих вище категоріях. Сенсорні мережі можуть, як мінімум, використовуватися в наступних сценаріях.

Застосування сенсорних мереж

Беспорводние сенсорні мережі мають унікальні характеристики легкого розгортання, самоорганізації та відмовостійкості. З'явившись як нова парадигма збору інформації, бездротові сенсорні мережі були використані в широких цілях пов'язаних з охороною здоров'я, контроль навколишнього середовища, енергії, безпеки харчових продуктів і виробництва.

Протягом останніх декількох років, було багато передумов того, що сенсорні мережі стануть реальними. Було створено кілька прототипів сенсорних нодов, включаючи Motes в Berkeley, uAMPS в MIT (в Массачусетському технологічному інституті), і GNOMES в Rice. Елементарними функціями сенсорних мереж є позиціонування, виявлення, стеження і виявлення. Крім військових застосувань, також були цивільні застосування, засновані на елементарних функціях, які можна розділити на контроль довкілля, спостереження за навколишнім середовищем, охорони здоров'я та інших комерційних

додатків. В добавок, Sibley недавно створили мобільний датчик, названий як Robomote, він обладнаний коліщатками і здатний переміщатися по полю.

Як одна з перших спроб використання сенсорних мереж для цивільного застосування, Berkeley and Intel Research Laboratory використовували сенсорну мережу Моті для контролю показань штормів на Великих островах Duck, штат Мен влітку 2002 року. Дві треті сенсорних датчиків були встановлені біля берегів Мен збору необхідної (корисної) інформації в реальному часі у всесвітню путину (інтернет). Система працювала більше 4 місяців і постачала даними

Протягом 2 місяців, після того як вчені залишили острів через погані погодні умови (взимку). Ця програма моніторингу довкілля являє собою важливий клас додатків сенсорних мереж. Найважливіше, що мережеві сенсори здатні збирати інформацію в небезпечних умовах, несприятливих для людей. В ході моніторингових досліджень були розглянуті критерії дизайну, включаючи дизайн створення, створення сенсорної системи з можливістю віддаленого доступу і управління даними. Були зроблені численні спроби для досягнення вимог, що призвело до розвитку системи набору сенсорних датчиків (set of prototype sensor network systems). Сенсорна система, яка використовується Berkeley and Intel Research Laboratory, хоч і примітивна, але була ефективна в зборі цікавих даних навколишнього середовища і забезпечила вчених важливою інформацією.

Сенсорні мережі знайшли застосування в сфері спостереження та передбачення (припущення). Живий приклад подібного застосування є система Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT), розроблена Національною Службою Погоди з бездротовою мережею сенсорів. Забезпечені метеорологічними / гідрологічними сенсорними пристроями, сенсори в даних умовах зазвичай вимірюють кілька властивостей місцевої погоди, таких як рівень води, температуру, вітер. Дані передаються через пряму лінію радіопередачі (line-of-sight radio communication) через сенсори на базовій станції. Модель Прогнозу Повеней була пристосована для обробки даних і видачі автоматичного попередження. Система забезпечує важливу інформацію про опади та рівні води в реальному часі для оцінки можливості потенційного повені в будь-якій точці країни. Справжня (поточна) система ALERT встановлена \u200b\u200bпо всьому західному узбережжю США і використовується для попередження повеней в Каліфорнії і Арізоні.

Останнім часом, системи сенсорів інтенсивно використовуються в сфері охорони здоров'я, що застосовуються пацієнтами і лікарями для відстеження та моніторингу рівня глюкози, детекторів раку і навіть штучних органів. Вчені припускають можливість імплантування біомедичних сенсорів в людське тіло для різних цілей. Ці сенсори передають інформацію на зовнішню комп'ютерну систему через бездротовий інтерфейс. Кілька біомедичних сенсорів об'єднані в систему додатків для визначення діагнозу і лікування хвороби. Біомедичні сенсори віщують більш просунутий рівень медичної допомоги.

Головною відмінністю бездротових сенсорних мереж від традиційних комп'ютерних і телефонних мереж є відсутність постійної інфраструктури, яка належить певного оператора або провайдера. Кожен термінал в сенсорної мережі має можливість функціонувати не тільки як кінцевий пристрій, але, так, само як і транзитний вузол, як показано на рисунку 1.2.

Малюнок 1.2 - Приклад підключення сенсорів мережі

Максим Сергієвський

Новітні технології бездротового зв'язку і прогрес в області виробництва мікросхем дозволили протягом останніх кількох років перейти до практичної розробки та впровадження нового класу розподілених комунікаційних систем - сенсорних мереж.

Бездротові сенсорні мережі (wireless sensor networks) складаються з мініатюрних обчислювально-комунікаційних пристроїв - марнотратів ( від англ. motes - пилинки), або сенсорів. Мот являє собою плату розміром звичайно не більше одного кубічного дюйма. На платі розміщуються процесор, пам'ять - флеш і оперативна, цифроаналогові і аналого-цифрові перетворювачі, радіочастотний приймач, джерело живлення і датчики. Датчики можуть бути найрізноманітнішими; вони підключаються через цифрові і аналогові коннектори. Частіше за інших використовуються датчики температури, тиску, вологості, освітленості, вібрації, рідше - магнітоелектричні, хімічні (наприклад, що вимірюють вміст CO, CO2), звукові і деякі інші. Набір застосовуваних датчиків залежить від функцій, які виконуються бездротовими сенсорними мережами. Харчування марнотратника здійснюється від невеликої батареї. Моти використовуються тільки для збору, первинної обробки та передачі сенсорних даних. Зовнішній вигляд марнотратників, що випускаються різними виробниками, наведено на рис. 1.

Основна функціональна обробка даних, зібраних мотами, здійснюється на вузлі, або шлюзі, який являє собою досить потужний комп'ютер. Але для того, щоб обробити дані, їх потрібно спочатку отримати. Для цієї мети вузол обов'язково оснащується антеною. Але в будь-якому випадку доступними для вузла виявляються тільки моти, що знаходяться досить близько від нього; іншими словами, вузол не отримує інформацію безпосередньо від кожного марнотратника. Проблема отримання сенсорної інформації, яка збирається мотами, вирішується таким чином. Моти можуть обмінюватися між собою інформацією за допомогою приймачів, що працюють в радіодіапазоні. Це, по-перше, сенсорна інформація, прочитується з датчиків, а по-друге, інформація про стан пристроїв і результати процесу передачі даних. Інформація передається від одних марнотратів іншим по ланцюжку, і в підсумку найближчі до шлюзу моти скидають йому всю акумульовану інформацію. Якщо частина марнотратів виходить з ладу, робота сенсорної мережі після реконфігурації повинна продовжуватися. Але в цьому випадку, природно, зменшується число джерел інформації.

Для виконання функцій на кожен марнотрат встановлюється спеціалізована операційна система. В даний час в більшості бездротових сенсорних мереж використовується TinyOS - ОС, розроблена в Університеті Берклі. TinyOS відноситься до програмного забезпечення з відкритим кодом; воно є за адресою: www.tinyos.net. TinyOS - це керована подіями операційна система реального часу, розрахована на роботу в умовах обмежених обчислювальних ресурсів. Ця ОС дозволяє мотам автоматично встановлювати зв'язки з сусідами і формувати сенсорну мережу заданої топології. Останній реліз TinyOS 2.0 з'явився в 2006 році.

Найважливішим фактором при роботі бездротових сенсорних мереж є обмежена ємність батарей, що встановлюються на марнотрати. Слід враховувати, що замінити батареї найчастіше неможливо. У зв'язку з цим необхідно виконувати на мотах тільки найпростішу первинну обробку, орієнтовану на зменшення обсягу інформації, що передається, і, що найголовніше, мінімізувати число циклів прийому і передачі даних. Для вирішення цього завдання розроблені спеціальні комунікаційні протоколи, найбільш відомими з яких є протоколи альянсу ZigBee. Даний альянс (сайт www.zigbee.org) був створений в 2002 році саме для координації робіт в області бездротових сенсорних мереж. До нього увійшли найбільші розробники апаратних і програмних засобів: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI та багато інших (всього більше 200 членів). Корпорація Intel в альянс не входить, хоча і підтримує його діяльність.

В принципі, для вироблення стандарту, в тому числі стека протоколів для бездротових сенсорних мереж, ZigBee використовував розроблений раніше стандарт IEEE 802.15.4, який описує фізичний рівень і рівень доступу до середовища для бездротових мереж передачі даних на невеликі відстані (до 75 м) з низьким енергоспоживанням, але з високим ступенем надійності. Деякі характеристики радіопередачі даних для стандарту IEEE 802.15.4 наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики радіопередачі даних для IEEE 802.15.4

На даний момент ZigBee розробив єдиний в цій області стандарт, який підкріплений наявністю виробництва повністю сумісних апаратних і програмних продуктів. Протоколи ZigBee дозволяють пристроям перебувати в сплячому режимі б пробільшу частину часу, що значно подовжує термін служби батареї.

Очевидно, що розробити схеми обміну даними між сотнями і навіть тисячами марнотратів не так-то просто. Поряд з іншим необхідно врахувати той факт, що сенсорні мережі працюють в неліцензованих частотних діапазонах, тому в ряді випадків можуть виникати перешкоди, створювані сторонніми джерелами радіосигналів. Бажано також уникати повторної передачі одних і тих же даних, а крім того, враховувати, що через недостатню енергоємності і зовнішніх впливів марнотрати будуть виходити з ладу назавжди або на якийсь час. У всіх таких випадках схеми обміну даними повинні модифікуватися. Оскільки однією з найважливіших функцій TinyOS є автоматичний вибір схеми організації мережі і маршрутів передачі даних, бездротові сенсорні мережі по суті є самоналагоджувальна.

Найчастіше мот повинен мати можливість самостійно визначити своє місце розташування, по крайней мере по відношенню до того іншому моту, якому він буде передавати дані. Тобто спочатку відбувається ідентифікація всіх марнотратників, а потім вже формується схема маршрутизації. Взагалі все марнотрати - пристрої стандарту ZigBee - за рівнем складності розбиваються на три класи. Вищий з них - координатор - управляє роботою мережі, зберігає дані про її топології та служить шлюзом для передачі даних, що збираються всією бездротовою сенсорною мережею, для подальшої обробки. У сенсорних мережах зазвичай використовується один координатор. Середній по складності марнотрат є маршрутизатором, тобто може приймати і передавати дані, а також визначати напрямки передачі. І нарешті, найпростіший мот може лише передавати дані найближчому маршрутизатору. Таким чином, виходить, що стандарт ZigBee підтримує мережу з кластерної архітектурою (рис. 2). Кластер утворюють маршрутизатор і найпростіші моти, у яких він запитує сенсорні дані. Маршрутизатор кластерів ретранслюють дані один одному, і в кінцевому рахунку дані передаються координаторові. Координатор зазвичай має зв'язок з IP-мережею, куди і прямують дані для остаточної обробки.

У Росії теж проводяться розробки, пов'язані зі створенням бездротових сенсорних мереж. Так, компанія «Високотехнологічні системи» пропонує свою апаратно-програмну платформу MeshLogic для побудови бездротових сенсорних мереж (сайт www.meshlogic.ru). Основною відмінністю цієї платформи від ZigBee є орієнтація на побудову тимчасових пористих мереж (рис. 3). У таких мережах функціональні можливості кожного марнотратника однакові. Можливість самоорганізації і самовідновлення мереж комірчастої топології дозволяє в разі виходу частини марнотратів з ладу спонтанно формувати нову структуру мережі. Правда, в будь-якому випадку потрібен центральний функціональний вузол, який приймає і обробляє всі дані, або шлюз для передачі даних на обробку вузла. Спонтанно створювані мережі часто називають латинським терміном Ad Hoc, що означає «для конкретного випадку».

У мережах MeshLogic кожен ласун може виконувати ретрансляцію пакетів, тобто за своїми функціями нагадує маршрутизатор ZigBee. Мережі MeshLogic є в повній мірі самоорганізуемой: ніякого вузла-координатора не передбачено. Як радіочастотних приймачів в MeshLogic можуть використовуватися різні пристрої, зокрема Cypress WirelessUSB, які так само, як і пристрої стандарту ZigBee, працюють в діапазоні частот 2,4 ... 2,4835 ГГц. Слід зазначити, що для платформи MeshLogic існують тільки нижні рівні стека протоколів. Вважається, що верхні рівні, зокрема мережевий і прикладної, будуть створюватися під конкретні програми. Конфігурації і основні параметри двох марнотратів MeshLogic і одного марнотратника стандарту ZigBee наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Основні характеристики марнотратів різних виробників

Відзначимо, що інтегрованих сенсорних датчиків на цих платах немає.

Зазначимо, що в першу чергу відрізняє бездротові сенсорні мережі від звичайних обчислювальних (проводових та безпроводових) мереж:

• повна відсутність яких би то ні було кабелів - електричних, комунікаційних і т.д .;
• можливість компактного розміщення або навіть інтеграції марнотратів в об'єкти навколишнього середовища;
• надійність як окремих елементів, так і, що більш важливо, всієї системи в цілому; в ряді випадків мережа може функціонувати при справності тільки 10-20% сенсорів (марнотратів);
• відсутність необхідності в персоналі для монтажу і технічного обслуговування.

Сенсорні мережі можуть бути використані в багатьох прикладних областях. Бездротові сенсорні мережі - це нова перспективна технологія, і всі пов'язані з нею проекти в основному знаходяться в стадії розробки. Зазначимо основні області застосування даної технології:

• системи оборони і забезпечення безпеки;
• контроль навколишнього середовища;
• моніторинг промислового обладнання;
• охоронні системи;
• моніторинг стану сільськогосподарських угідь;
• управління енергопостачанням;
• контроль систем вентиляції, кондиціонування і освітлення;
• пожежна сигналізація;
• складський облік;
• стеження за транспортуванням вантажів;
• моніторинг фізіологічного стану людини;
• контроль персоналу.

З чималого числа прикладів використання бездротових сенсорних мереж виділимо два. Найбільш відомим є, мабуть, розгортання мережі на борту нафтового танкера компанії ВР. Там за допомогою мережі, побудованої на основі обладнання Intel, здійснювався моніторинг стану судна з метою організації його профілактичного обслуговування. Компанія BP проаналізувала, чи може сенсорна мережа працювати на борту судна в умовах екстремальних температур, високої вібрації та значний рівень радіочастотних перешкод, наявних в деяких приміщеннях судна. Експеримент пройшов успішно, кілька разів автоматично здійснювалися реконфігурація і відновлення працездатності мережі.

Прикладом ще одного реалізованого пілотного проекту є розгортання сенсорної мережі на базі військово-повітряних сил США у Флориді. Система продемонструвала хороші можливості по розпізнаванню різних металевих об'єктів, в тому числі рухомих. Застосування сенсорної мережі дозволило виявляти проникнення людей і автомобілів в контрольовану зону і відслідковувати їх переміщення. Для вирішення цих завдань використовувалися моти, оснащені магнітоелектричними і температурними датчиками. В даний час масштаби проекту розширюються, і бездротова сенсорна мережа встановлюється вже на полігоні розміром 10 000x500 м. Відповідне прикладне програмне забезпечення розробляється кількома американськими університетами.

Вже близький той день, коли сотні мільйонів напівпровідникових сенсорів будуть інтегруватися в усі, що тільки можливо, починаючи від брелока на ключі і закінчуючи дитячим візком. І всі вони будуть в змозі не тільки виступати в ролі інтелектуальних датчиків, а й виконувати первинну обробку інформації, а також взаємодіяти один з одним, утворюючи єдину бездротову сенсорну мережу. При цьому такі датчики практично не будуть споживати електроенергію, так як вбудованих мініатюрних акумуляторів буде вистачати на кілька років, тобто на весь термін роботи сенсорів. Це буде концептуально новий тип комп'ютерної системи, що функціонує за допомогою бездротової сенсорної мережі. Таку мережу прийнято називати Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Термін Ad-hoc запозичений з сучасних бездротових мереж, що діють, наприклад, в стандарті IEEE 802.11b. Такі бездротові мережі мають два режими взаємодії: режим Infrastructure і Ad-hoc. У режимі Infrastructure вузли мережі взаємодіють один з одним не безпосередньо, а через точку доступу (Access Point), яка виконує в бездротової мережі роль своєрідного концентратора (аналогічно тому, як це відбувається в традиційних кабельних мережах). У режимі Ad-hoc, який також називається Peer-to-Peer ( «точка-точка»), станції безпосередньо взаємодіють один з одним. Відповідно і в бездротових сенсорних мережах режим Ad-hoc означає, що всі сенсори безпосередньо взаємодіють один з одним, створюючи своєрідну стільникову мережу

Бездротові сенсорні мережі - це своєрідний крок на шляху переходу в наступну епоху - коли комп'ютери будуть безпосередньо з'єднані з фізичним світом і зможуть вгадувати бажання користувачів, а також приймати за них рішення.
Давайте трохи помріємо, що принесуть нам такі сенсорні мережі в майбутньому. Уявіть собі дитячі ліжечка, котрі слухають дихання немовлят; браслети, що стежать за станом пацієнтів в клініці; детектори диму, які можуть не тільки в разі потреби викликати пожежників, а й заздалегідь проінформують їх про вогнище загоряння і ступеня складності пожежі. Електронні пристрої зможуть розпізнавати один одного, джерела живлення будуть нагадувати про те, що їм необхідно «підкріпитися».

Уявіть сотні тисяч сенсорних датчиків, об'єднаних в загальну мережу в лісі. В такому лісі просто неможливо буде заблукати, оскільки пересування людини буде фіксуватися, і аналізуватися датчиками. Інший приклад - датчики в поле, налаштовані на контроль за станом ґрунту і в залежності від мінливих умов регулюють полив і кількість внесених добрив.
Не менш корисними будуть сенсорні мережі на дорогах. Спілкуючись один з одним, вони зможуть регулювати потік машин. Це ж мрія будь-якого водія - дороги без пробок! Такі мережі зможуть справлятися з цим завданням значно ефективніше, ніж будь-яке відомство. проблема контролю
правопорушень на дорогах вирішиться при цьому сама собою.

Використання сенсорних мереж для управління електропостачанням дозволить досягти неймовірної економії електроенергії. Уявіть собі таку керуючу мережу у вас в квартирі. Відстежуючи ваше місцезнаходження, датчики зможуть всюди вимикати за вами світло і включати його в міру необхідності. Ну а якщо використовувати такі мережі для контролю освітлення вулиць і доріг, то проблема нестачі електрики зникне сама собою. Для того, щоб сенсорні мережі стали реальністю завтрашнього дня, дослідження в цьому напрямку ведуться вже сьогодні. І лідером в цій області є корпорація Intel, яка підтримує всі передові комп'ютерні технології майбутнього. Особливу увагу, приділяючи розробці бездротових багато вузлових сенсорних мереж, здатних до самостійного автоматичного формування та налаштування в міру необхідності. Реалізація цієї технології дозволить розгорнути мережу недорогих, але при цьому вельми складних напівпровідникових сенсорних пристроїв, які зможуть самостійно встановлювати зв'язок один з одним, доповідаючи про ті чи інші зміни в навколишньому середовищі. Наприклад, сенсор Mica оснащується 128 кілобайтами програмою флеш-пам'яті, 256 кілобайтами флеш-пам'яті для зберігання даних і радіопередавачем, що працює на частоті 900 МГц.
Деякі з цих пристроїв працюють під управлінням операційної системи
TinyOS, код цієї операційної системи є відкритим і складається всього з
8.5 КБ.

Такі пристрої знайдуть застосування в принципово нових областях, наприклад в розробці інтелектуальних предметів одягу, підключених ковдр, які будуть стежити за станом здоров'я новонародженого і повідомляти найважливіші показники його життєдіяльності, інтелектуальних фермерських господарств, в яких напівпровідникові датчики, встановлені в грунті, займуться управлінням іригаційної
системою і внесенням добрив. Дослідженням сенсорних мереж в корпорації Intel займається
знаменита дослідницька лабораторія Intel Berkeley Research laboratory, розташована в штаті Каліфорнія. Існуючі сьогодні експериментальні сенсорні мережі лише частково задовольняють вищевикладеним вимогам. Так, на сьогоднішній день мережі складаються тільки з сотень сенсорів з обмеженою зоною покриття і виконують лише чітко визначені завдання. Вони здатні передавати лише певний тип інформації від одного датчика до іншого і тільки в заданій смузі пропускання. Споживання енергії також можна назвати мізерно малим
- заряду батареї вистачає всього на кілька днів. Існуючі сенсорні датчики поки ще досить інертні, а про високу надійність і непомітності в експлуатації (хоча б через розміри) і мови не йде. Ну і, звичайно ж, такі сенсори коштують досить дорого, так що мережа, що складається із сотні сенсорів, обходиться недешево. Але треба пам'ятати, що мова йде про експериментальні мережах і про розвиток технології майбутнього. У той же час експериментальні сенсорні мережі вже зараз приносять користь. Одна з таких сенсорних мереж, створена спільними зусиллями дослідницької лабораторії Intel Berkeley, інститутом Атлантики і Каліфорнійським університетом, діє на Великому качиному острові (Great Duck Island) в штаті Мен.

Завдання цієї мережі - вивчення мікросередовища проживання різних біологічних організмів що населяють острів.
Будь-яке людське втручання (навіть з метою вивчення) іноді надмірно,
ось тут-то і приходять на виручку сенсорні мережі, що дозволяють без безпосередньої участі людини збирати всі необхідну інформацію.

Сенсорна мережу використовує в якості вузлових елементів дві плати. На першій платі розташовані температурний датчик, датчики вологості і барометричного тиску і інфрачервоний датчик. На другий платі знаходяться мікропроцесор (частота 4 МГц), оперативна пам'ять об'ємом 1 Кбайт, флеш-пам'ять для зберігання програм і даних, джерело живлення (дві батарейки типорозміру АА) і радіопередавач /
приймач, що працює на частоті 900 МГц. Сенсори дозволяють реєструвати всю необхідну інформацію і передавати її в базу даних головного комп'ютера. Всі датчики попередньо проходять ретельне тестування - плату з датчиками занурюють у воду надвоє діб і стежать за її функціональністю. Всі сенсорні вузли утворюють єдину бездротову мережу і здатні обмінюватися інформацією. При цьому передача інформації від віддаленого вузла мережі до шлюзу (Gateway Sensor) відбувається по ланцюжку, тобто від одного вузла мережі до іншого, що дозволяє створювати велику зону покриття.

Через шлюз інформація досягає головного комп'ютера. Шлюз використовує спрямовану антену, що дозволяє збільшити відстань передачі до 300 м. З головного комп'ютера інформація за допомогою супутникового зв'язку передається через Інтернет в дослідницький центр, розташований в Каліфорнії.

Не менш активно співробітники лабораторії працюють над прецизійної біологією, створенням биочипов. Крім сенсорного сприйняття світу твердих речей, досліджується можливість "відчувати" рідкі середовища і біологічні, що розвиваються об'єкти. Подібні дослідження відкривають колосальні перспективи для медичних і фармацевтичних розробок, здійснення хімічних процесів і виготовлення біологічних препаратів. Оскільки головне призначення сенсорних мереж - сприйняття і передача корисної інформації, фахівці лабораторії Intel в Берклі зайняті розробкою методики об'єднання сенсорів з предметами, моніторинг яких ставиться їм в обов'язок, а також досліджують можливість створення «актуаторов» - пристроїв на основі сенсорів, які дозволяють впливати на ситуацію, а не тільки реєструвати її стан. Сенсорні мережі очевидним чином корисні для військових додатків, одна з можливих варіацій мереж проходила "бойові" випробування в Афганістані, де збройні сили США розмістили кілька сот сенсорів з метою відстеження пересувань бойової техніки супротивника. Однак про впровадження
реальних мереж в наше життя говорити рано, мережа вразлива в відмовостійкості. Атакою в сенсорної мережі, що призводить до відмови в обслуговуванні (Denial of Service - DoS), є будь-яка подія, яка зменшує або ліквідує можливість мережі виконувати очікувану від неї функцію. Автори пропонують засновувати протоколи сенсорних мереж на багаторівневій архітектурі, що може зашкодити ефективності мережі, але підвищить її надійність. Обговорюються види DoS-атак, типові для кожного рівня, і прийнятні методи захисту. Таким чином, вже сьогодні, незважаючи на недосконалість і поки ще досить вузьке коло використання, сенсорні мережі знаходять застосування в науці, а в подальшому і в житті.

Використовувалися матеріали з сайтів:

Історія і сфера використання

Одним з перших прототипів сенсорної мережі можна вважати систему СОСУС , Призначену для виявлення та ідентифікації підводних човнів. Технології бездротових сенсорних мереж стали активно розвиватися порівняно недавно - в середині 90-х років. Однак лише на початку XXI століття розвиток мікроелектроніки дозволило виробляти для таких пристроїв досить дешеву елементну базу. Сучасні бездротові мережі в основному базуються на стандарті ZigBee . Чимала кількість галузей і сегментів ринку (виробництво, різні види транспорту, забезпечення життєдіяльності, охорона), готових для впровадження сенсорних мереж, і ця кількість постійно збільшується. Тенденція зумовлена \u200b\u200bускладненням технологічних процесів, розвитком виробництва, розширюються потребами приватних осіб в сегментах безпеки, контролю ресурсів і використання товаро-матеріальних цінностей. З розвитком напівпровідникових технологій з'являються нові практичні завдання і теоретичні проблеми, пов'язані з застосуваннями сенсорних мереж в промисловості, житлово-комунальному комплексі, домашніх господарствах. Використання недорогих бездротових сенсорних пристроїв контролю параметрів відкриває нові області для застосування систем телеметрії і контролю, такі як:

• Своєчасне виявлення можливих відмов виконавчих механізмів, з контролю таких параметрів, як вібрація, температура, тиск і т. П .;
• Контроль доступу в режимі реального часу до віддалених систем об'єкта моніторингу;
• Автоматизація інспекції та технічного обслуговування промислових активів;
• Управління комерційними активами;
• Застосування як компоненти в енерго- і ресурсозберігаючих технологій;
• Контроль еко-параметрів навколишнього середовища.

Слід зазначити, що незважаючи на тривалу історію сенсорних мереж, концепція побудови сенсорної мережі остаточно не оформилася і не висловилася в певні програмно-апаратні (платформні) рішення. Реалізація сенсорних мереж на поточному етапі багато в чому залежить від конкретних вимог індустріальної завдання. Архітектура, програмно-апаратна реалізація знаходиться на етапі інтенсивного формування технології, що звертає увагу розробників з метою пошуку технологічної ніші майбутніх виробників.

технології

Бездротові сенсорні мережі (WSN) складаються з мініатюрних обчислювальних пристроїв - марнотратів, забезпечених сенсорами (датчиками температури, тиску, освітленості, рівня вібрації, розташування і т. П.) І прийомопередавачами сигналів, які працюють в заданому радіодіапазоні. Гнучка архітектура, зниження витрат при монтажі виділяють бездротові мережі інтелектуальних датчиків серед інших бездротових і дротових інтерфейсів передачі даних, особливо коли мова йде про велику кількість з'єднаних між собою пристроїв, сенсорна мережа дозволяє підключати до 65000 пристроїв. Постійне зниження вартості бездротових рішень, підвищення їх експлуатаційних параметрів дозволяють поступово переорієнтуватися з провідних рішень в системах збору телеметричних даних, засобів дистанційної діагностики, обміну інформацією. «Сенсорна мережу» є сьогодні усталеним терміном (англ. Sensor Networks), Що позначає розподілену, самоорганізується, стійку до відмови окремих елементів мережу з необслуговуваних і які не потребують спеціальної установки пристроїв. Кожен вузол сенсорної мережі може містити різні датчики для контролю зовнішнього середовища, мікрокомп'ютер і радіопріемопередатчік. Це дозволяє пристрою проводити вимірювання, самостійно проводити початкову обробку даних і підтримувати зв'язок із зовнішнім інформаційною системою.

Технологія ретранслюється ближнього радіозв'язку 802.15.4 / ZigBee , Відома як «Сенсорні мережі» (англ. WSN - Wireless Sensor Network), Є одним із сучасних напрямків розвитку систем, що самоорганізуються відмовостійких розподілених систем спостереження та управління ресурсами і процесами. Сьогодні технологія бездротових сенсорних мереж, є єдиною бездротовою технологією, за допомогою якої можна вирішити завдання моніторингу та контролю, які критичні до часу роботи датчиків. Об'єднані в бездротову сенсорну мережу датчики утворюють територіально-розподілену систему, що самоорганізується збору, обробки і передачі інформації. Основною областю застосування є контроль і моніторинг Реальні показники можуть відрізнятися фізичних середовищ і об'єктів.

• радіотракт;
• процесорний модуль;
• елемент живлення;
• різні датчики.

Типовий вузол може бути представлений трьома типами пристроїв:

• Мережевий координатор (FFD - Fully Function Device);
  • здійснює глобальну координацію, організацію та установку параметрів мережі;
  • найбільш складний з трьох типів пристроїв, вимагає найбільший обсяг пам'яті і джерело живлення;

• Пристрій з повним набором функцій (FFD - Fully Function Device);
  • підтримка 802.15.4;
  • додаткова пам'ять і енергоспоживання дозволяє виконувати роль координатора мережі;
  • підтримка всіх типів топологій ( «точка-точка», «зірка», «дерево», «чарункова мережа»);
  • здатність виконувати роль координатора мережі;
  • здатність звертатися до інших пристроїв в мережі;
• (RFD - Reduced Function Device);
  • підтримує обмежений набір функцій 802.15.4;
  • підтримка топології «точка-точка», «зірка»;
  • не виконує функції координатора;
  • звертається до координатора мережі і маршрутизатора;

компанії розробники

На ринку представлені компанії різних типів:

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 року.

Дивитися що таке "Бездротові сенсорні мережі" в інших словниках:

- (інші назви: бездротові ad hoc мережі, бездротові динамічні мережі) децентралізовані бездротові мережі, які не мають постійної структури. Клієнтські пристрої з'єднуються на льоту, утворюючи собою мережу. Кожен вузол мережі намагається переслати ... ... Вікіпедія

Цю сторінку пропонується перейменувати в Бездротова самоорганізована мережу. Пояснення причин і обговорення на сторінці Вікіпедія: До перейменування / 1 грудня 2012 року Можливо, її поточний назва не відповідає нормам сучасного ... ... Вікіпедія

Бездротові ad hoc мережі децентралізовані бездротові мережі, які не мають постійної структури. Клієнтські пристрої з'єднуються на льоту, утворюючи собою мережу. Кожен вузол мережі намагається переслати дані призначені інших вузлів. При цьому ... ... Вікіпедія

Бездротові ad hoc мережі децентралізовані бездротові мережі, які не мають постійної структури. Клієнтські пристрої з'єднуються на льоту, утворюючи собою мережу. Кожен вузол мережі намагається переслати дані призначені інших вузлів. При цьому ... ... Вікіпедія

Архітектура типової бездротової сенсорної мережі Бездротова сенсорна мережу розподілена, що самоорганізується мережу безлічі датчиків (сенсорів) і виконавчих пристроїв, об'єднаних між собою за допомогою радіоканалу. Область ... ... Вікіпедія

Для поліпшення цієї статті бажано ?: Переробити оформлення відповідно до правил написання статей. Перевірити статтю на граматичні та орфографічні помилки. Виправити статтю згідно з ... Вікіпедія

Телеметрія, телевимірювання (від ін. Грец. Τῆλε «далеко» + μέτρεω «вимірюю») сукупність технологій, що дозволяє виробляти вилучені вимірювання і збір інформації для надання оператору або користувачеві, складова частина ... ... Вікіпедія

Надширокосмугові (Сніп) сигнали радіосигнали (СВЧ сигнали) з «надвеликої» шириною смуги частот. Застосовуються для надширокосмугових радіолокації і надширокосмугових радіозв'язку. Зміст 1 Визначення 2 Регулювання ... Вікіпедія

Перший Відкритий Протокол бездротової мережі передачі даних, розроблений для цілей автоматизації будівель і управління розподіленими об'єктами. One Net може бути використаний з безліччю існуючих приймачів (трансиверів) і ... ... Вікіпедія