Oblasti použitia. Bezdrôtové senzorové siete (BSS) Implementácia pokrokovej výroby založenej na bezdrôtových senzorových sieťach

Prehľad moderných bezdrôtových technológií

Architektúra snímača

Dotykový senzor sa skladá z hardvéru a softvéru, ako každý iný telekomunikačný uzol. Všeobecne sa snímač skladá z nasledujúcich prvkov

subsystémy: vnímanie, spracovanie údajov, monitorovanie, komunikácia a napájanie (obrázok 1.1).

Obrázok 1.1 - Všeobecná architektúra snímača.

Subsystém vnímania sa spravidla skladá z analógového zariadenia, ktoré zaznamenáva určité štatistické údaje, a z analógovo-digitálneho prevodníka. Subsystém spracovania údajov obsahuje centrálny procesor a pamäť, ktoré umožňujú ukladanie nielen údajov generovaných snímačom, ale aj servisných informácií potrebných pre správne a úplné fungovanie komunikačného subsystému. Monitorovací subsystém umožňuje senzoru zhromažďovať údaje o prostredí, ako je vlhkosť, teplota, tlak, magnetické pole, chemická analýza vzduchu atď. Senzor môže byť tiež doplnený gyroskopom, akcelerometrom, ktorý umožňuje zostavenie pozičného systému.

Pokrok v bezdrôtovej komunikácii a miniaturizácii mikroobvodov otvára nové obzory v informačnej a počítačovej technológii. Okrem viacskokových sietí existujú aj zložitejšie smerovacie protokoly, keď sa ďalší uzol vyberie na základe analýzy jeho charakteristík, napríklad úrovne energie, spoľahlivosti a podobne. Situácia sa komplikuje, keď sa uzly bezdrôtovej siete senzorov pohybujú - topológia siete sa stáva dynamickou.

Pri implementácii snímača ako malého telekomunikačného zariadenia (nie viac ako jeden kubický centimeter) je potrebné zohľadniť veľa technických aspektov. Frekvencia centrálneho procesora musí byť minimálne 20 MHz, veľkosť pamäte RAM je najmenej 4 KB a prenosová rýchlosť je minimálne 20 Kbps. Optimalizácia hardvéru zmenší veľkosť snímača, ale spôsobí zvýšenie jeho ceny. Operačný systém (OS) musí byť optimalizovaný pre architektúru použitého CPU. Obmedzené zdroje a malá veľkosť pamäte stimulujú umiestnenie OS v ROM. V súčasnosti je rozšírený otvorený OS Tiny OS, ktorý umožňuje dosť flexibilné ovládanie senzorov od rôznych výrobcov. V oblasti sietí predstavuje obmedzené napájanie senzorov značné obmedzenia

využívanie rádiových technológií, ktoré možno uplatniť v senzorových sieťach. Je tiež potrebné poznamenať, že obmedzený výkon centrálneho procesora neumožňuje použitie štandardných smerovacích protokolov IP.

- veľká zložitosť výpočtu algoritmu optimálnej cesty preťaží centrálny procesor. K dnešnému dňu bolo vyvinuté veľké množstvo špeciálnych smerovacích protokolov pre senzorové siete.

Vývoj technológie prenosu dát v senzorových sieťach je jednou z najdôležitejších úloh pri výstavbe senzorickej siete, pretože jej špecifické architektonické a systémové vlastnosti ukladajú celý rad prísnych obmedzení, medzi ktorými je potrebné zdôrazniť nasledujúce:

Obmedzené energetické rezervy, kvôli ktorým je rozsah obmedzený;

Obmedzený výkon procesora;

Simultánna prevádzka veľkého počtu uzlov v obmedzenom priestore;

Ekvivalencia uzlov, architektúra klient-server nie je použiteľná z dôvodu inherentných oneskorení;

Prevádzka v nelicencovanom frekvenčnom spektre;

Nízke náklady.

V súčasnosti je vývoj senzorových sietí založený na štandarde IEEE 802.15.4 Zigbee, ktorý som spomínal vyššie. Okrem toho poznamenávam, že aliancia Zigbee predpokladá, že rádiový prístup ZigBee sa bude používať v aplikáciách, ako sú monitorovanie, priemyselná automatizácia, senzory, zabezpečenie, riadenie, domáce spotrebiče a oveľa viac. Sieťové aplikácie senzorov možno teda rozdeliť do niekoľkých hlavných kategórií:

Bezpečnosť, mimoriadne situácie a vojenské operácie;

Medicína a zdravie;

Počasie, životné prostredie a poľnohospodárstvo;

Továrne, továrne, domy, budovy;

Dopravné systémy a automobily.

Zvážim prípady konkrétneho použitia senzorových sietí vo vyššie uvedených kategóriách. Sieť senzorov je možné použiť minimálne v nasledujúcich scenároch.

Aplikácia senzorových sietí

Bezdrôtové senzorové siete majú jedinečné vlastnosti, ako je ľahké nasadenie, samoorganizácia a odolnosť. Bezdrôtové senzorové siete, ktoré sa javia ako nová paradigma zhromažďovania informácií, sa používajú pre širokú škálu aplikácií týkajúcich sa zdravia, kontroly životného prostredia, energetiky, bezpečnosti potravín a výroby.

Za posledných pár rokov existovalo veľa predpokladov na to, aby sa senzorické siete stali skutočnými. Bolo postavených niekoľko prototypov senzorových uzlov, vrátane Motes v Berkeley, uAMPS v MIT (na MIT) a GNOMES v Rice. Základné funkcie senzorových sietí sú určovanie polohy, detekcia, sledovanie a detekcia. Okrem vojenských aplikácií existujú aj civilné aplikácie založené na základných funkciách, ktoré možno rozdeliť na monitorovanie biotopov, monitorovanie životného prostredia, zdravotnú starostlivosť a ďalšie komerčné

aplikácie. Spoločnosť Sibley navyše nedávno vytvorila mobilný senzor s názvom Robomote, ktorý je vybavený kolesami a dokáže sa pohybovať po poli.

Ako jeden z prvých pokusov o použitie sietí senzorov na civilné použitie použili Berkeley a Intel Research Laboratory sieť senzorov Mote na monitorovanie údajov o búrkach na Veľkom ostrove Duck v štáte Maine v lete 2002. Dve tretiny snímačov senzorov boli nainštalované pri pobreží štátu Maine a zhromažďovali potrebné (užitočné) informácie v reálnom čase o svete Putin (internet). Systém fungoval viac ako 4 mesiace a poskytoval údaje

Po dobu 2 mesiacov po tom, čo vedci opustili ostrov kvôli zlým poveternostným podmienkam (v zime). Táto aplikácia na monitorovanie biotopov je dôležitou triedou sieťových aplikácií senzorov. Najdôležitejšie je, že sieťové senzory sú schopné zhromažďovať informácie v nebezpečných prostrediach, ktoré sú nepriaznivé pre človeka. Počas monitorovacích štúdií boli zohľadnené kritériá návrhu, vrátane tvorby návrhu, vytvorenia senzorického systému s možnosťou vzdialeného prístupu a správy dát. Uskutočnilo sa mnoho pokusov o splnenie týchto požiadaviek, čo viedlo k vývoju sady prototypov sieťových systémov senzorov. Senzorový systém používaný Berkeley a Intel Research Laboratory bol primitívny, ale efektívny pri zhromažďovaní zaujímavých údajov o životnom prostredí a poskytoval vedcom dôležité informácie.

Senzorové siete našli uplatnenie v oblasti pozorovania a predikcie (dohady). Živým príkladom takejto aplikácie je systém ALERT (Automated Local Evaluation in Real-Time) vyvinutý Národnou meteorologickou službou s bezdrôtovou sieťou senzorov. Senzory vybavené meteorologickými / hydrologickými snímacími zariadeniami v týchto podmienkach zvyčajne merajú niekoľko vlastností miestneho počasia, ako napríklad hladinu vody, teplotu, vietor. Dáta sa prenášajú priamou rádiovou komunikáciou prostredníctvom senzorov na základňovej stanici. Model predpovede povodne bol upravený tak, aby spracovával údaje a vydával automatické varovania. Systém poskytuje informácie o dôležitých zrážkach a hladine vody v reálnom čase, aby bolo možné vyhodnotiť potenciál povodní kdekoľvek v krajine. Súčasný (súčasný) systém ALERT je nainštalovaný na západnom pobreží USA a slúži na prevenciu povodní v Kalifornii a Arizone.

V poslednom čase sa v zdravotníckom priemysle vo veľkej miere používajú senzorické systémy, ktoré používajú pacienti a lekári na sledovanie a sledovanie hladín glukózy, detektorov rakoviny a dokonca aj umelých orgánov. Vedci navrhujú možnosť implantácie biomedicínskych senzorov do ľudského tela na rôzne účely. Tieto snímače prenášajú informácie do externého počítačového systému prostredníctvom bezdrôtového rozhrania. Niekoľko biomedicínskych senzorov je kombinovaných do systému aplikácií na stanovenie diagnózy a liečby chorôb. Biomedicínske senzory ohlasujú pokročilejšiu úroveň lekárskej starostlivosti.

Hlavným rozdielom medzi bezdrôtovými senzorovými sieťami a tradičnými počítačovými a telefónnymi sieťami je absencia stálej infraštruktúry, ktorá patrí konkrétnemu operátorovi alebo poskytovateľovi. Každý užívateľský terminál v sieti senzorov má schopnosť fungovať nielen ako koncové zariadenie, ale aj ako tranzitný uzol, ako je to znázornené na obrázku 1.2.

Obrázok 1.2 - Príklad pripojenia sieťových senzorov

Maxim Sergievsky

Najnovšie bezdrôtové komunikačné technológie a pokrok vo výrobe mikroobvodov umožnili za posledných pár rokov prejsť k praktickému vývoju a implementácii novej triedy distribuovaných komunikačných systémov - senzorových sietí.

Bezdrôtové senzorové siete (bezdrôtové senzorové siete) pozostávajú z miniatúrnych výpočtových a komunikačných zariadení - mots ( z angličtiny moty - prachové častice), alebo senzory. Mote je doska, ktorá zvyčajne nemá viac ako jeden kubický palec. Doska obsahuje procesor, pamäť - flash a prevádzkové, digitálno-analógové a analógovo-digitálne prevodníky, vysokofrekvenčný vysielač / prijímač, napájací zdroj a snímače. Senzory môžu byť veľmi rozmanité; sú pripojené cez digitálne a analógové konektory. Častejšie ako iné sa používajú snímače teploty, tlaku, vlhkosti, svetla, vibrácií, menej často - magnetoelektrické, chemické (napríklad meranie obsahu CO, CO2), zvukové a niektoré ďalšie. Sada použitých snímačov závisí od funkcií vykonávaných bezdrôtovými sieťami snímačov. Motor je napájaný malou batériou. Moty sa používajú iba na zber, primárne spracovanie a prenos senzorických údajov. Vzhľad robotov vyrábaných rôznymi výrobcami je znázornený na obr. 1.

Hlavné funkčné spracovanie údajov zhromaždených motívmi sa vykonáva v uzle alebo bráne, čo je dosť výkonný počítač. Ale aby ste mohli údaje spracovať, musíte ich najskôr získať. Na tento účel musí byť uzol vybavený anténou. Ale v každom prípade sú uzlu prístupné iba také motívy, ktoré sú k nemu dostatočne blízko; inými slovami, uzol nedostáva informácie priamo od každého mote. Problém získavania senzorických informácií zhromaždených motami sa rieši nasledovne. Motes si môžu navzájom vymieňať informácie pomocou vysokofrekvenčných vysielačov / prijímačov. Toto sú po prvé senzorické informácie načítané zo senzorov a po druhé informácie o stave zariadení a výsledkoch procesu prenosu údajov. Informácie sa prenášajú z niektorých motívov do iných pozdĺž reťazca a vo výsledku tak motívy najbližšie k bráne zahodia všetky nahromadené informácie. Ak niektoré z motívov zlyhajú, mala by sieť senzorov pokračovať v činnosti aj po prekonfigurovaní. Ale v takom prípade samozrejme počet informačných zdrojov klesá.

Na vykonávanie týchto funkcií je na každom motore nainštalovaný špecializovaný operačný systém. Väčšina bezdrôtových senzorových sietí dnes používa TinyOS, OS vyvinutý na univerzite v Berkeley. TinyOS je softvér s otvoreným zdrojovým kódom; je k dispozícii na www.tinyos.net. TinyOS je operačný systém v reálnom čase riadený udalosťami, ktorý je navrhnutý tak, aby fungoval s obmedzenými výpočtovými prostriedkami. Tento OS umožňuje motom automaticky nadviazať spojenie so susedmi a vytvoriť sieť senzorov danej topológie. Posledné vydanie TinyOS 2.0 sa objavilo v roku 2006.

Najdôležitejším faktorom pri vytváraní sietí bezdrôtových senzorov je obmedzená kapacita batérií inštalovaných v obvodoch. Je potrebné mať na pamäti, že je obvykle nemožné vymeniť batérie. V tejto súvislosti je potrebné vykonať na mottoch iba najjednoduchšie primárne spracovanie zamerané na zníženie množstva prenášaných informácií a čo je najdôležitejšie, minimalizovať počet cyklov prijímania a prenosu údajov. Na vyriešenie tohto problému boli vyvinuté špeciálne komunikačné protokoly, z ktorých najznámejšie sú protokoly aliancie ZigBee. Táto aliancia (webová stránka www.zigbee.org) bola vytvorená v roku 2002 špeciálne za účelom koordinácie práce v oblasti bezdrôtových senzorových sietí. Zahŕňa najväčších vývojárov hardvéru a softvéru: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI a mnoho ďalších (spolu viac ako 200 členov). Intel nie je členom aliancie, aj keď podporuje jej aktivity.

V zásade pri vývoji štandardu vrátane protokolu pre bezdrôtové senzorové siete použil ZigBee predtým vyvinutý štandard IEEE 802.15.4, ktorý popisuje fyzickú vrstvu a úroveň prístupu k médiu pre bezdrôtové siete na prenos údajov na krátke vzdialenosti (do 75 m) s nízka spotreba energie, ale s vysokou mierou spoľahlivosti. Niektoré charakteristiky rádiového dátového prenosu pre štandard IEEE 802.15.4 sú uvedené v tabuľke. 1.

Tabuľka 1. Charakteristiky rádiového prenosu IEEE 802.15.4

V súčasnosti spoločnosť ZigBee vyvinula jediný štandard v tejto oblasti, ktorý je podporovaný dostupnosťou výroby plne kompatibilných hardvérových a softvérových produktov. Protokoly ZigBee umožňujú hibernácii zariadení b oväčšinu času, čo výrazne predlžuje výdrž batérie.

Je zrejmé, že nie je také ľahké vyvinúť schémy výmeny údajov medzi stovkami až tisíckami motov. Okrem iného je potrebné vziať do úvahy skutočnosť, že senzorové siete pracujú v nelicencovaných frekvenčných pásmach, preto v niektorých prípadoch môže dôjsť k rušeniu spôsobenému cudzími zdrojmi rádiových signálov. Taktiež je vhodné vyhnúť sa opakovanému prenosu tých istých údajov a navyše počítať s tým, že v dôsledku nedostatočnej energetickej náročnosti a vonkajších vplyvov budú motívy zlyhávať navždy alebo na nejaký čas. Vo všetkých takýchto prípadoch sa musia zmeniť komunikačné schémy. Pretože jednou z najdôležitejších funkcií TinyOS je automatický výber rozloženia siete a prenosových ciest dát, bezdrôtové senzorové siete majú v podstate samokonfiguráciu.

Dieťa by malo byť najčastejšie schopné nezávisle určiť svoju polohu, minimálne vo vzťahu k druhému mote, ktorému bude vysielať údaje. To znamená, že najskôr sa identifikujú všetky motívy a potom sa vytvorí schéma smerovania. Všeobecne sú všetky motívy - zariadenia štandardu ZigBee - rozdelené do troch tried podľa úrovne zložitosti. Najvyšší z nich - koordinátor - riadi prevádzku siete, ukladá údaje o jej topológii a slúži ako brána na prenos údajov zhromaždených celou sieťou bezdrôtových senzorov na ďalšie spracovanie. Senzorové siete zvyčajne používajú jedného koordinátora. Mottom strednej zložitosti je smerovač, to znamená, že dokáže prijímať a prenášať údaje, ako aj určovať smer prenosu. Nakoniec, najjednoduchšie moto dokáže prenášať údaje iba na najbližší smerovač. Ukazuje sa teda, že štandard ZigBee podporuje sieť s klastrovou architektúrou (obr. 2). Klaster je tvorený routerom a najjednoduchšími motívmi, od ktorých požaduje senzorické údaje. Klastrové smerovače si navzájom odovzdávajú údaje a nakoniec sa údaje odovzdajú koordinátorovi. Koordinátor má zvyčajne prepojenie na sieť IP, kde sú údaje odosielané na konečné spracovanie.

V Rusku sa taktiež realizuje vývoj v oblasti vytvárania bezdrôtových senzorových sietí. Spoločnosť High-Tech Systems teda ponúka svoju hardvérovú a softvérovú platformu MeshLogic na budovanie bezdrôtových sietí senzorov (webová stránka www.meshlogic.ru). Hlavným rozdielom medzi touto platformou a ZigBee je jej zameranie na budovanie sietí typu peer-to-peer (obr. 3). V takýchto sieťach je funkčnosť každého mote rovnaká. Možnosť samoorganizácie a samoliečenia sietí topológie sietí umožňuje v prípade časti prevádzkových motívov spontánne vytvoriť novú štruktúru siete. Je pravda, že v každom prípade potrebujete centrálnu funkčnú jednotku, ktorá prijíma a spracúva všetky údaje, alebo bránu na prenos údajov do spracovateľskej jednotky. Spontánne vytvorené siete sa často nazývajú latinský výraz Ad Hoc, čo znamená „pre konkrétny prípad“.

V sieťach MeshLogic môže každý ústredňa vykonávať paketové relé, ktoré je funkciou podobné smerovaču ZigBee. Siete MeshLogic sú úplne samoorganizujúce sa: neposkytuje sa žiadny uzol koordinátora. Ako rádiofrekvenčné vysielače a prijímače v MeshLogic možno použiť rôzne zariadenia, najmä Cypress WirelessUSB, ktoré rovnako ako zariadenia ZigBee pracujú vo frekvenčnom rozsahu 2,4 ... 2,4835 GHz. Je potrebné poznamenať, že pre platformu MeshLogic existujú iba spodné vrstvy zásobníka protokolov. Verí sa, že vyššie úrovne, najmä sieťová a aplikačná úroveň, budú vytvorené pre konkrétne aplikácie. Konfigurácia a základné parametre dvoch motívov MeshLogic a jedného mote ZigBee sú uvedené v tabuľke. 2.

Tabuľka 2. Hlavné charakteristiky motov od rôznych výrobcov

Upozorňujeme, že na týchto doskách nie sú integrované dotykové senzory.

Poďme poukázať na to, čo v prvom rade odlišuje bezdrôtové senzorové siete od bežných počítačových (drôtových a bezdrôtových) sietí:

• úplná absencia akýchkoľvek káblov - elektrických, komunikačných atď.;
• možnosť kompaktného umiestnenia alebo dokonca integrácie motov do environmentálnych objektov;
• spoľahlivosť oboch jednotlivých prvkov, a čo je dôležitejšie, celého systému ako celku; v niektorých prípadoch môže sieť fungovať, ak je v prevádzke iba 10 - 20% senzorov (motov);
• pre inštaláciu a údržbu nie je potrebný personál.

Sieť senzorov je možné použiť v mnohých aplikačných oblastiach. Bezdrôtové senzorové siete sú sľubnou novou technológiou a všetky súvisiace projekty sú väčšinou vo vývoji. Uveďme hlavné oblasti použitia tejto technológie:

• obranné systémy a bezpečnosť;
• kontrola životného prostredia;
• monitorovanie priemyselných zariadení;
• bezpečnostné systémy;
• monitorovanie stavu poľnohospodárskej pôdy;
• správa napájania;
• ovládanie ventilačných, klimatizačných a osvetľovacích systémov;
• požiarny hlásič;
• kontrola zásob;
• sledovanie prepravy nákladu;
• sledovanie fyziologického stavu osoby;
• personálna kontrola.

Z pomerne veľkého počtu príkladov použitia bezdrôtových senzorových sietí vyberieme dva. Najznámejšie je asi rozmiestnenie siete na palube ropného tankera BP. Tam sa pomocou siete vybudovanej na základe vybavenia Intel monitoroval stav plavidla s cieľom organizovať jeho preventívnu údržbu. Spoločnosť BP analyzovala, či môže sieť snímačov fungovať na palube lode pri extrémnych teplotách, vysokých vibráciách a značnej miere vysokofrekvenčného rušenia, ktoré sa vyskytujú v niektorých oblastiach lode. Experiment bol úspešný a sieť bola niekoľkokrát prekonfigurovaná a obnovená automaticky.

Príkladom iného pilotného projektu, ktorý sa realizoval, je nasadenie siete senzorov na základni leteckých síl USA na Floride. Systém preukázal dobrú schopnosť rozpoznávať rôzne kovové predmety vrátane tých pohybujúcich sa. Využitie senzorovej siete umožnilo detekovať prienik ľudí a automobilov do kontrolovaného pásma a sledovať ich pohyb. Na riešenie týchto problémov sme použili motory vybavené magnetoelektrickými a teplotnými senzormi. V súčasnosti sa rozsah projektu rozširuje a bezdrôtová senzorická sieť sa už inštaluje na testovacom mieste s rozmermi 10 000 x 500 m. Zodpovedajúci aplikačný softvér vyvíja niekoľko amerických univerzít.

Už sa blíži deň, keď budú stovky miliónov polovodičových senzorov integrované do všetkého, čo je možné, od prívesku na kľúče až po detský kočík. A všetky budú schopné fungovať nielen ako inteligentné snímače, ale aj ako primárne spracovávať informácie a vzájomne interagovať a vytvárať tak jedinú sieť bezdrôtových senzorov. Takéto senzory zároveň prakticky nebudú spotrebovávať elektrinu, pretože vstavané miniatúrne batérie vystačia na niekoľko rokov, teda na celú životnosť senzorov. Pôjde o koncepčne nový typ počítačového systému pracujúceho pomocou bezdrôtovej siete senzorov. Táto sieť sa zvyčajne nazýva Ad-hoc bezdrôtové senzorové siete. Termín Ad-hoc je prevzatý z moderných bezdrôtových sietí, ako je napríklad štandard IEEE 802.11b. Tieto bezdrôtové siete majú dva komunikačné režimy: režim Infraštruktúra a režim Ad-hoc. V režime Infraštruktúra uzly siete navzájom neinteragujú priamo, ale prostredníctvom prístupového bodu, ktorý funguje ako akýsi rozbočovač v bezdrôtovej sieti (podobne ako to býva v tradičných káblových sieťach). V režime Ad-hoc, nazývanom tiež Peer-to-Peer, stanice navzájom komunikujú priamo. Podľa toho v bezdrôtových senzorových sieťach režim Ad-hoc znamená, že všetky senzory navzájom priamo interagujú a vytvárajú akúsi celulárnu sieť.

Bezdrôtové senzorové siete sú akýmsi krokom k ďalšej ére - keď budú počítače priamo spojené s fyzickým svetom a budú schopné uhádnuť želania používateľov a tiež za ne prijímať rozhodnutia.
Snívajme trochu o tom, čo nám takéto senzorové siete prinesú v budúcnosti. Predstavte si, že postieľky počúvajú dýchanie detí; náramky, ktoré monitorujú stav pacientov na klinike; detektory dymu, ktoré môžu v prípade potreby nielen privolať hasičov, ale vopred ich informovať aj o zdroji požiaru a stupni zložitosti požiaru. Elektronické zariadenia sa budú vedieť navzájom rozpoznať, zdroje napájania im pripomenú, že sa musia „občerstviť“.

Predstavte si státisíce senzorov senzorov prepojených v lese. V takomto lese bude jednoducho nemožné sa stratiť, pretože pohyb človeka bude zaznamenaný a analyzovaný senzormi. Ďalším príkladom sú snímače v teréne, vyladené na sledovanie stavu pôdy a v závislosti od meniacich sa podmienok regulujú zavlažovanie a množstvo aplikovaného hnojiva.
Sieťové senzory na cestách budú rovnako užitočné. Vďaka vzájomnej komunikácii budú môcť regulovať tok automobilov. Toto je sen každého vodiča - cesty bez dopravných zápch! Takéto siete budú schopné zvládnuť túto úlohu oveľa efektívnejšie ako ktorákoľvek agentúra. Problém s ovládaním
priestupky na cestách vyrieši sama.

Použitím senzorových sietí na správu napájania sa dosiahne neuveriteľná úspora energie. Predstavte si takúto riadiacu sieť vo vašom byte. Sledovaním vašej polohy budú senzory schopné vypnúť svetlo za vami a zapnúť ho podľa potreby. Ak teda takéto siete používate na riadenie osvetlenia ulíc a ciest, potom problém s nedostatkom elektriny sám zmizne. Aby sa senzorové siete stali realitou zajtrajška, výskum v tomto smere už prebieha. A lídrom v tejto oblasti je spoločnosť Intel Corporation, ktorá podporuje všetky pokročilé výpočtové technológie budúcnosti. Osobitná pozornosť sa venuje vývoju bezdrôtových viacuzlových senzorových sietí, ktoré sú schopné autotvorby a automatickej konfigurácie podľa potreby. Implementácia tejto technológie umožní nasadenie siete lacných, ale zároveň veľmi zložitých polovodičových senzorových zariadení, ktoré budú schopné navzájom nezávisle nadviazať komunikáciu a informovať o určitých zmenách v prostredí. Napríklad senzor Mica je dodávaný so 128 kilobajtmi softvéru na flash pamäť, 256 kilobajtmi flash pamäte na ukladanie dát a rádiovým vysielačom 900 MHz.
Niektoré z týchto zariadení používajú operačný systém
TinyOS, kód tohto operačného systému je open source a skladá sa zo všetkého
8,5 kB.

Takéto zariadenia nájdu uplatnenie v zásadne nových oblastiach, napríklad pri vývoji inteligentných odevov, pripojených prikrývok, ktoré budú monitorovať zdravie novorodenca a hlásiť najdôležitejšie ukazovatele jeho životných funkcií, inteligentné farmy, v ktorých budú zavlažovanie riadiť polovodičové snímače nainštalované v pôde.
systém a hnojenie. Výskum senzorových sietí v spoločnosti Intel Corporation
slávne výskumné laboratórium Intel Berkeley Research, ktoré sa nachádza v Kalifornii. Experimentálne senzorové siete, ktoré dnes existujú, vyššie uvedené požiadavky uspokojujú iba čiastočne. Takže dnes siete pozostávajú iba zo stoviek senzorov s obmedzenou oblasťou pokrytia a vykonávajú iba presne definované úlohy. Sú schopné prenášať iba určitý typ informácií z jedného snímača na druhý a iba v danej šírke pásma. Nezanedbateľná je aj spotreba energie
- batéria vydrží iba niekoľko dní. Existujúce snímače sú stále dosť inertné a nie je možné pochybovať o vysokej spoľahlivosti a neviditeľnosti v prevádzke (prinajmenšom kvôli ich veľkosti). A samozrejme, také snímače sú dosť drahé, takže sieť stoviek senzorov nie je lacná. Musíme si však uvedomiť, že hovoríme o experimentálnych sieťach a vývoji technológie budúcnosti. Zároveň experimentálne siete senzorov už poskytujú výhody. Jedna takáto sieť senzorov, ktorú spoločne vytvorili Intel Berkeley Research Laboratory, Atlantický inštitút a Kalifornská univerzita, funguje na ostrove Great Duck Island v štáte Maine.

Účelom tejto siete je štúdium mikroprostredia rôznych biologických organizmov, ktoré obývajú ostrov.
Akýkoľvek ľudský zásah (aj za účelom učenia sa) je niekedy zbytočný,
To je miesto, kde prichádzajú na pomoc senzorové siete, ktoré umožňujú zhromažďovať všetky potrebné informácie bez priamej ľudskej účasti.

Sieť senzorov používa ako uzly dve dosky. Prvá doska obsahuje teplotný snímač, snímače vlhkosti a barometrického tlaku a infračervený snímač. Druhá doska obsahuje mikroprocesor (4 MHz), 1 KB RAM, flash pamäť na ukladanie programov a dát, napájací zdroj (dve AA batérie) a rádiový vysielač /
prijímač pracujúci na 900 MHz. Senzory vám umožňujú zaregistrovať všetky potrebné informácie a preniesť ich do databázy hostiteľského počítača. Všetky senzory sú vopred dôkladne otestované - doska so senzormi je ponorená na dva dni do vody a sleduje jej funkčnosť. Všetky uzly senzorov tvoria jednu bezdrôtovú sieť a sú schopné výmeny informácií. V takom prípade sa prenos informácií zo vzdialeného uzla siete do brány (Gateway Sensor) uskutočňuje pozdĺž reťazca, to znamená z jedného sieťového uzla do druhého, čo umožňuje vytvoriť veľkú oblasť pokrytia.

Informácie sa k hostiteľskému počítaču dostávajú cez bránu. Brána používa smerovú anténu, ktorá umožňuje zväčšiť prenosovú vzdialenosť až na 300 m. Z hostiteľského počítača sa informácie prenášajú cez satelit cez internet do výskumného centra v Kalifornii.

Pracovníci laboratória nemenej aktívne pracujú na precíznej biológii a tvorbe biočipov. Okrem zmyslového vnímania sveta pevných vecí sa skúma možnosť „cítiť“ tekuté médiá a biologické, vyvíjajúce sa objekty. Takýto výskum otvára obrovské vyhliadky na lekársky a farmaceutický vývoj, implementáciu chemických procesov a výrobu biologických liekov. Pretože hlavným účelom senzorových sietí je vnímať a prenášať užitočné informácie, špecialisti laboratória Intel v Berkeley sa zaoberajú vývojom metódy kombinovania senzorov s objektmi, ktoré sú zodpovední za monitorovanie, a takisto skúmajú možnosť vytvorenia „aktuátorov“ - zariadení založených na senzoroch, ktoré umožňujú situáciu, a nielen zaregistrovať jej stav. Sieť senzorov je zjavne užitočná pre vojenské aplikácie, jednou z možných variácií sietí bol „bojový“ testovaný v Afganistane, kde americká armáda nasadila niekoľko stoviek senzorov na sledovanie pohybu nepriateľskej vojenskej techniky. Avšak na úvod
Je príliš skoro na to, aby sme v našom živote povedali o skutočných sieťach, ktoré sú citlivé na odolnosť voči chybám. Útokom DoS (Denial of Service) v sieti senzorov je každá udalosť, ktorá znižuje alebo eliminuje schopnosť siete vykonávať zamýšľanú funkciu. Autori navrhujú založiť sieťové protokoly senzorov na vrstvenej architektúre, ktorá môže poškodiť efektivitu siete, ale zvýšiť jej spoľahlivosť. Diskutuje sa o typoch DoS útokov, ktoré sú typické pre každú vrstvu, a o prijateľných spôsoboch ochrany. Preto aj dnes, napriek nedokonalosti a stále dosť úzkemu rozsahu použitia, sa senzorické siete používajú vo vede aj v neskoršom živote.

Boli použité materiály z lokalít:

História a rozsah použitia

Za jeden z prvých prototypov siete senzorov možno považovať systém SOSUS určené na detekciu a identifikáciu ponoriek. Technológia bezdrôtových senzorových sietí sa začala aktívne rozvíjať pomerne nedávno - v polovici 90. rokov. Avšak až na začiatku XXI storočia vývoj mikroelektroniky umožnil vyrobiť celkom lacnú základňu prvkov pre tieto zariadenia. Moderné bezdrôtové siete sú založené hlavne na štandarde ZigBee ... Značný počet priemyselných a trhových segmentov (výroba, rôzne druhy dopravy, podpora života, bezpečnosť), pripravený na implementáciu senzorových sietí, a tento počet neustále rastie. Tento trend je spôsobený zvyšujúcou sa zložitosťou technologických procesov, rozvojom výroby, rozširujúcimi sa potrebami jednotlivcov v segmentoch bezpečnosti, kontroly zdrojov a využívania zásob. S vývojom polovodičových technológií sa objavujú nové praktické úlohy a teoretické problémy spojené s aplikáciou senzorových sietí v priemysle, bývaní a komunálnych službách a domácnostiach. Použitie lacných bezdrôtových senzorových zariadení na riadenie parametrov otvára nové oblasti pre telemetrické a riadiace systémy, ako napríklad:

• Včasná identifikácia možných porúch akčných členov monitorovaním parametrov, ako sú vibrácie, teplota, tlak atď.
• Kontrola prístupu v reálnom čase k vzdialeným systémom monitorovacieho objektu;
• Automatizácia kontroly a údržby priemyselného majetku;
• Správa komerčných aktív;
• Aplikácia ako súčasť technológií na úsporu energie a zdrojov;
• Kontrola ekologických parametrov životného prostredia.

Je potrebné poznamenať, že napriek dlhej histórii senzorových sietí sa koncepcia budovania senzorickej siete nakoniec nedostala do formy a nebola vyjadrená v určitých softvérových a hardvérových (platformových) riešeniach. Implementácia senzorových sietí v súčasnej fáze do značnej miery závisí od konkrétnych požiadaviek priemyselnej úlohy. Implementácia architektúry, softvéru a hardvéru je vo fáze intenzívneho formovania technológie, ktorá upriamuje pozornosť vývojárov na hľadanie technologického priestoru pre budúcich výrobcov.

Technológie

Bezdrôtové senzorové siete (WSN) pozostávajú z miniatúrnych výpočtových zariadení - mots, vybavených senzormi (senzory teploty, tlaku, osvetlenia, úrovne vibrácií, polohy atď.) A vysielačov a prijímačov signálu pracujúcich v danom rádiovom rozsahu. Flexibilná architektúra, znížené náklady na inštaláciu odlišujú bezdrôtové siete inteligentných senzorov od iných bezdrôtových a drôtových komunikačných rozhraní, najmä pokiaľ ide o veľký počet vzájomne prepojených zariadení, senzorová sieť umožňuje pripojiť až 65 000 zariadení. Neustále znižovanie nákladov na bezdrôtové riešenia a zvyšovanie ich prevádzkových parametrov nám umožňuje postupne sa preorientovať z káblových riešení na systémy na zber telemetrických údajov, prostriedky vzdialenej diagnostiky a výmeny informácií. „Sieť senzorov“ je v dnešnej dobe zaužívaným pojmom (angl. Sieť senzorov), označujúce distribuovanú, samoorganizujúcu sa, odolnú voči zlyhaniu jednotlivých prvkov sieť bezobslužných zariadení, ktoré nevyžadujú špeciálnu inštaláciu. Každý uzol senzorovej siete môže obsahovať rôzne senzory na monitorovanie vonkajšieho prostredia, mikropočítač a rádiový prijímač. To umožňuje zariadeniu merať, nezávisle vykonávať počiatočné spracovanie údajov a udržiavať komunikáciu s externým informačným systémom.

Technológia relé krátkeho dosahu 802.15.4 / ZigBee , známe ako „Senzorové siete“ (angl. WSN - bezdrôtová senzorová sieť), je jedným z moderných smerov vývoja samoorganizujúcich sa voči poruchám odolných distribuovaných systémov na monitorovanie a správu zdrojov a procesov. Sieťová technológia bezdrôtových senzorov je dnes jedinou bezdrôtovou technológiou, ktorú je možné použiť na riešenie úloh monitorovania a riadenia, ktoré sú rozhodujúce pre prevádzkovú dobu senzorov. Senzory spojené do bezdrôtovej siete senzorov tvoria geograficky distribuovaný samoorganizujúci sa systém na zhromažďovanie, spracovanie a prenos informácií. Hlavnou oblasťou použitia je kontrola a sledovanie nameraných parametrov fyzických médií a objektov.

• rádiová cesta;
• procesorový modul;
• batéria;
• rôzne senzory.

Typický uzol môžu predstavovať tri typy zariadení:

• Sieťový koordinátor (FFD - plne funkčné zariadenie);
  • vykonáva globálnu koordináciu, organizáciu a nastavenie sieťových parametrov;
  • najkomplexnejší z troch typov zariadení, ktorý vyžaduje najviac pamäte a napájania;

• Plne funkčné zariadenie (FFD);
  • podpora 802.15.4;
  • ďalšia pamäť a spotreba energie vám umožňujú pôsobiť ako sieťový koordinátor;
  • podpora všetkých typov topológií („bod-bod“, „hviezda“, „strom“, „sieť“);
  • schopnosť pôsobiť ako koordinátor siete;
  • schopnosť prístupu k iným zariadeniam v sieti;
• (RFD - zariadenie so zníženou funkciou);
  • podporuje obmedzenú sadu funkcií 802.15.4;
  • podpora topológií „point-to-point“, „star“;
  • nekoná ako koordinátor;
  • kontaktuje koordinátora siete a smerovač;

Developerské spoločnosti

Na trhu sú zastúpené spoločnosti rôznych typov:

Poznámky

Wikimedia Foundation. 2010.

Pozrite sa, čo sú „bezdrôtové senzorové siete“ v iných slovníkoch:

- (iné názvy: bezdrôtové siete ad hoc, bezdrôtové dynamické siete) decentralizované bezdrôtové siete, ktoré nemajú stálu štruktúru. Klientske zariadenia sú za chodu pripojené do siete. Každý hostiteľ sa snaží poslať ďalej ... ... Wikipedia

Navrhuje sa premenovať túto stránku na Bezdrôtová samoorganizujúca sa sieť. Vysvetlenie dôvodov a diskusia na stránke Wikipedia: Smerom k premenovaniu / 1. decembra 2012. Možno, že jej súčasný názov nezodpovedá normám moderných ... ... Wikipedia

Bezdrôtové siete ad hoc sú decentralizované bezdrôtové siete, ktoré nemajú trvalú štruktúru. Klientske zariadenia sú za chodu pripojené a vytvárajú sieť. Každý uzol v sieti sa pokúša poslať údaje určené pre ďalšie uzly. Zároveň ... ... Wikipedia

Bezdrôtové siete ad hoc sú decentralizované bezdrôtové siete, ktoré nemajú trvalú štruktúru. Klientske zariadenia sú za chodu pripojené a vytvárajú sieť. Každý uzol v sieti sa pokúša poslať údaje určené pre ďalšie uzly. Zároveň ... ... Wikipedia

Architektúra typickej bezdrôtovej siete senzorov Bezdrôtová sieť senzorov je distribuovaná samoorganizujúca sa sieť mnohých senzorov (senzorov) a akčných členov prepojených prostredníctvom rádiového kanálu. Región ... ... Wikipedia

Je žiaduce vylepšiť tento článok?: Prepracovať dizajn v súlade s pravidlami pre písanie článkov. V článku nájdete gramatické a pravopisné chyby. Správny článok podľa ... Wikipedia

Telemetria, telemetria (z iného gréckeho τῆλε „far“ + μέτρεω „I measure“) sada technológií, ktorá umožňuje, aby operátorovi alebo používateľovi boli poskytované vzdialené merania a zber informácií, neoddeliteľná súčasť ... ... Wikipedia

Ultraširokopásmové signály (UWB) Rádiové signály (mikrovlnné signály) s „mimoriadne veľkou“ šírkou pásma. Používajú sa na ultraširokopásmový radar a ultraširokopásmovú rádiovú komunikáciu. Obsah 1 Definícia 2 Nariadenie ... Wikipedia

Prvý otvorený bezdrôtový dátový sieťový protokol vyvinutý pre automatizáciu budov a distribuovanú správu zariadení. One Net je možné použiť s mnohými existujúcimi vysielačmi a prijímačmi (vysielačmi) a ... ... Wikipedia