Нові пристрої в сфері бездротових сенсорних мереж. Левжінскій А.С. Реалізація передового виробництва на базі бездротових сенсорних мереж

Переваги технологій бездротових сенсорних мереж можуть бути ефективно використані для вирішення різних прикладних задач, пов'язаних з розподіленим збором, аналізом і передачею інформації.

Автоматизація будівель

У деяких додатках автоматизації будівель використання традиційних провідних систем передачі даних недоцільно з економічних причин.

Наприклад, потрібно впровадити нову або розширити існуючу систему в експлуатується будівлі. У цьому випадку застосування бездротових рішень є найбільш прийнятним варіантом, тому що не вимагається проведененіе додаткових монтажних робіт з порушенням внутрішнього оздоблення приміщень, практично не заподіюються незручності співробітникам або мешканцям будинку і т.д. В результаті значно знижується вартість впровадження системи.

Іншим прикладом можуть бути офісні будівлі з вільним плануванням, для яких неможливо вказати точні місця установки датчиків на етапі проектування і будівництва. При цьому планування офісів може багаторазово змінюватися в процесі функціонування будівлі, отже, витрати часу і коштів на переконфігурацію системи повинні бути мінімальні, що може бути досягнуто застосуванням бездротових рішень.

На додаток можна навести такі приклади систем на базі бездротових сенсорних мереж:

• моніторинг температури, витрати повітря, присутності людей і управління обладнанням опалення, вентиляції та кондиціонування з метою підтримки мікроклімату;
• управління освітленням;
• управління енергопостачанням;
• збір свідчень квартирних лічильників газу, води, електроенергії і т.д .;
• моніторинг стану несучих конструкцій будівель і споруд.

промислова автоматизація

До теперішнього часу широке використання бездротового зв'язку в області промислової автоматизації стримувалося низькою надійністю радіоканалів в порівнянні з дротяними з'єднаннями в важких умовах промислової експлуатації, але бездротові сенсорні мережі кардинальним чином змінюють ситуацію, що склалася, тому що за своєю природою стійкі до різного роду збурень (наприклад, фізичне пошкодження вузла, поява перешкоди, зміна перешкод і т.д.). Більш того, в деяких умовах бездротова сенсорна мережа може забезпечити навіть більшу надійність, ніж дротова система зв'язку.

Рішення на основі бездротових сенсорних мереж в повній мірі відповідають пропонованим з боку промисловості вимогам:

• відмовостійкість;
• масштабованість;
• адаптованість до умов експлуатації;
• енергетична ефективність;
• врахування специфіки прикладної задачі;
• економічна рентабельність.

Технології бездротових сенсорних мереж можуть знайти застосування в таких завданнях промислової автоматизації:

• дистанційний контроль і діагностика промислового обладнання;
• технічне обслуговування обладнання по поточному стану (прогнозування запасу надійності);
• моніторинг виробничих процесів;
• телеметрія для досліджень і випробувань.

інші додатки

Унікальні особливості і відмінності бездротових сенсорних мереж від традиційних дротяних і бездротових систем передачі даних роблять їх застосування ефективним в самих різних областях. наприклад:

• безпека і оборона:
  • контроль за переміщенням людей та техніки;
  • засоби оперативного зв'язку і розвідки;
  • контроль периметра і віддалене спостереження;
  • допомога в проведенні рятувальних операцій;
  • моніторинг майна і цінностей;
  • охоронно-пожежна сигналізація;
• моніторинг навколишнього середовища:
  • моніторинг забруднень;
  • сільське господарство;
• охорону здоров'я:
  • моніторинг фізіологічного стану пацієнтів;
  • контроль місця розташування і оповіщення медичного персоналу.

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 ​​ускладненням 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

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:

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.

Бездротові сенсорні мережі: огляд

Акулдіз І.Ф.

Переклад з англійської: Левжінскій А.С.

анотація

Стаття описує концепції сенсорних мереж, реалізація яких стала можлива в результаті об'єднання міктроелектро-механічних систем, бездротового зв'язку і цифрової електроніки. Вивчено завдання і потенціал сенсорних мереж, зроблено огляд фактів впливають на їх розробку. Також розглянута архітектура побудови сенсорних мереж, розроблені алгоритми і протоколи для кожного шару архітектури. У статті досліджено питання про реалізацію сенсорних мереж.

1. Введення

Останні досягнення в області технологій мікро-електро-механічних систем (MEMS), бездротового зв'язку і цифрової електроніки дозволили створювати недорогі, малопотужні, багатофункціональні марнотрати (вузли), вони невеликі і «спілкуються» безпосередньо один з одним. Сенсорних мережі заснованих на спільній роботі великого числа крихітних вузлів, які складаються з модулів збору і обробки даних, передавача. Такі мережі має значні переваги перед набором традиційних датчиків. Ось дві ключові особливості традиційних датчиків: Датчики можуть бути розташовані далеко від спостережуваного явища. При такому підході потрібно багато датчиків, які використовують деякі складні методи, щоб виділити цілі з шуму.
Можна розгорнути кілька датчиків, які виконують тільки збір даних. Ретельно розробити позиції датчиків і топологію. Вони передаватимуть спостереження в центральні вузли, де і буде виконуються збір і обробка даних.
Сенсорна мережа складається з великого числа вузлів (марнотратів), які густо розташовані близько до спостережуваного явища. Положення марнотратів не потрібно попередньо розраховувати. Це дозволяє випадковим чином розташовувати їх у важкодоступних місцевостях або використовувати для операцій з надання допомоги, які вимагають швидкого реагування. З іншого боку, це означає, що мережеві протоколи і алгоритми роботи марнотратів повинні мати можливість самоорганізації. Ще однією унікальною особливістю сенсорних мереж є спільна роботи окремих вузлів. Моти оснащені процесором. Тому замість передачі вихідних даних, вони можуть їх обробляти, виконуючи прості обчислення і передавати далі тільки необхідні і частково оброблені дані. Описані вище особливості забезпечують широкий спектр застосування сенсорних мереж. Такі мережі можна застосовувати в охороні здоров'я, для військових потреб і безпеки. Наприклад, фізіологічні дані про пацієнта може контролюватися віддалено лікарем. Це зручно як для пацієнта, так і дозволяє лікарю зрозуміти його поточний стан. Сенсорні мережі можуть бути використані для виявлення сторонніх хімічних агентів в повітрі і воді. Вони можуть допомогти визначити тип, концентрацію і розташування забруднювачів. По суті, сенсорні мережі дозволяють краще зрозуміти навколишнє середовище. Ми припускаємо, що в майбутньому, бездротові сенсорні мережі будуть невід'ємною частиною нашого життя, більш, ніж сучасних персональних комп'ютери. Реалізація цих та інших проектів, які потребують використання бездротових сенсорних мереж, вимагають спеціальних методів. Багато протоколи і алгоритми були розроблені для традиційних бездротових тимчасових мереж, тому вони не дуже добре підходить для унікальних особливостей і вимог сенсорних мереж. Наведемо відмінності сенсорних і тимчасових мереж: Кількість вузлів сенсорної мережі може бути на кілька порядків вище, ніж вузлів в тимчасової мережі.
Вузли щільно розташовані.
Вузли схильні до збоїв.
Топологія сенсорних мереж може часто змінюватися
Вузли в основному використовують широкомовні повідомлення, в той час як більшість тимчасових мереж засновані на зв'язку "точка-точка".
Вузли обмежені в харчуванні, обчислювальних потужностях, і пам'яті.
Вузли не можуть мати глобальний ідентифікаційний номер (ІН) через велику кількість накладних витрат і великої кількості датчиків.
Так як вузли в мережі розташовані щільно, сусідні вузли можуть виявитися дуже близько один до одного. Отже, multi-hop зв'язку в сенсорних мережах будуть споживати менше енергії, ніж прямі зв'язки. Крім того, можна використовувати низьку потужність сигналу передачі даних, що корисно в прихованих спостереженнях. Multi-hop зв'язку можуть ефективно долати певні труднощі при поширенні сигналу на далекі відстані в бездротового зв'язку. Одним з найбільш важливих обмежень для вузлів є мале споживання енергії. Моти мають обмежені джерела енергії. Отже, в той час як традиційні мережі спрямовані на досягнення високої якості сигналу, мережеві протоколи марнотратів повинні зосередитися головним чином на збереження енергії. Вони повинні володіти механізмами, які дають користувачеві можливість продовження часу життя марнотратника за державний кошт або зниження пропускної здатності, або збільшення часу затримки передачі даних. Багато дослідників в даний час беруть участь в розробці схем, які виконують ці вимоги. У даній статті ми зробимо огляд протоколів і алгоритмів, існуючих в даний час для сенсорних мереж. Наша мета - надати краще розуміння поточних питань наукових досліджень в цій області. Ми також спробуємо дослідити обмеження, що накладаються на розробку, і виявити інструменти, які можна використовувати для вирішення завдань проектування. Стаття організована так: у другому розділі, ми опишемо потенціалу і корисність сенсорних мереж. У розділі 3 ми обговоримо фактори, які впливають на проектування таких мережі. Докладне дослідження існуючих методик в цій галузі розглянемо в розділі 4. І підіб'ємо підсумки в 5 розділі.

2. Застосування бездротових сенсорних мереж

Сенсорні мережі можуть складатися з різних типів датчиків, наприклад сейсмічних, датчиків визначення магнітного поля, теплових, інфрачервоних, акустичних, які в змозі здійснювати найрізноманітніші вимірювання умов навколишнього середовища. Наприклад, такі як:
температура,
вологість,
автомобільний рух,
стан блискавки,
тиск,
склад грунту,
рівень шуму,
наявність або відсутність деяких об'єктів,
механічне навантаження
динамічні характеристики, такі як швидкість, напрямок і розмір об'єкта.
Моти можуть використовуватися для безперервного зондування, виявлення та ідентифікації подій. Концепція мікро зондування і бездротове з'єднання обіцяють багато нових областей застосування для таких мереж. Ми класифікували їх за основними напрямками: військове застосування, дослідження навколишнього середовища, охорону здоров'я, використання в будинках та інших комерційних областях. Але можна розширити цю класифікацію і додати більше категорій, наприклад дослідження космічного простору, хімічна обробка і ліквідації наслідків стихійних лих.

2.1. військове застосування

Бездротові сенсорні мережі можуть бути невід'ємною частиною військового управління, зв'язку, розвідки, спостереження і систем орієнтування (C4ISRT). Швидке розгортання, самоорганізації і відмовостійкість - це характеристики сенсорних мереж, які роблять їх перспективним інструментом для вирішення поставлених завдань. Оскільки сенсорні мережі можу бути засновані на щільному розгортанні одноразових і дешевих вузлів, то знищення деяких з них під час військових дій не вплине на військову операцію так, як знищення традиційних датчик. Тому використання сенсорних мереж краще підходить для битв. Перерахуємо ще деякі способи застосування таких мереж: моніторинг озброєння і боєприпасів дружніх сил, спостереження за боєм; орієнтація на місцевості; оцінка збитку від битв; виявлення ядерних, біологічних і хімічних атак. Моніторинг дружніх сили, озброєння і боєприпасів: лідери і командири можуть постійно контролювати стан своїх військ, стан і наявність обладнання та боєприпасів на поле бою за допомогою сенсорних мереж. До кожного транспортного засобу, обладнання та важливим боєприпасів можуть бути прикріплені датчики, які повідомляють їх статус. Ці дані збирається разом в ключових вузлах, і направляються керівникам. Дані також можуть бути переадресовані на верхні рівні ієрархії командування для об'єднання з даними з інших частин. Спостереження бою: критичні ділянки, шляхи, маршрути і протоки можуть бути швидко покриті сенсорними мережами для вивчення діяльності сил супротивника. Під час операцій або після розробки нових планів сенсорні мережі можуть бути розгорнуті в будь-який час для спостереження за боєм. Розвідка сил противника і місцевості: Сенсорні мережі можуть бути розгорнуті на критичних територіях, і можуть бути зібрані в перебігу декількох хвилин цінні, докладні і своєчасні дані про силах противника і місцевості, перш ніж ворог зможе їх перехопити. Орієнтація: сенсорні мережі можуть бути використані в системах наведення інтелектуальних боєприпасів. Оцінка збитку після бою: безпосередньо перед або після нападу, сенсорні мережі можуть бути розгорнуті в цільової області для збору даних про оцінку збитку. Виявлення ядерних, біологічних і хімічних атак: при застосуванні хімічної або біологічної зброї, використання якого близька до нуля, важливе значення матиме своєчасне і точне визначення хімічних агентів. Можуть бути використані сенсорні мережі в якості систем попередження хімічних або біологічних атак і дані зібрані в короткі терміни допоможуть різко зменшити кількість жертв. Також можна використовувати сенсорні мережі для докладної розвідки, після виявлення таких атак. Наприклад, можна здійснювати розвідку в разі радіаційних заражень не піддаючи людей радіації.

2.2. екологічне застосування

Деякі з напрямків в екології, де застосовують сенсорні мереж: відстеження руху птахів, дрібних тварин і комах; моніторинг стану навколишнього середовища, з метою виявлення її впливу на сільськогосподарські культури і худоби; зрошення; широкомасштабний моніторингу землі і дослідження планет; хімічне / біологічне виявлення; виявлення лісових пожеж; метеорологічні або геофізичні дослідження; виявлення повеней; і дослідження забруднення. Виявлення лісових пожеж: оскільки марнотрати можуть бути стратегічно і щільно розгорнуті в лісі, то вони можуть ретранслювати точне походження вогню до того, як пожежа стане неконтрольованим. Мільйони датчик можуть бути розгорнуті на постійній основі. Вони можуть бути оснащені сонячними батареї, т.к вузли можуть бути залишені без нагляду на місяці і навіть роки. Моти працюватимуть спільно для виконання завдань розподіленого зондування і подолання перешкод, таких як дерева і скелі, які блокують роботу дротяних датчиків. Відображення біо стану навколишнього середовища: вимагає складних підходів до інтеграції інформації в тимчасових і просторових масштабах. Прогрес в області технології дистанційного зондування та автоматизований збір даних, дозволили значно знизити витрати на дослідження. Перевага даних мереж в тому, що вузли можуть бути з'єднані з Інтернетом, який дозволяє віддаленим користувачам здійснювати контроль, моніторинг і спостереження за навколишнім середовищем. Хоча супутникові та бортові датчики є корисними в спостереженні за великою різноманітністю, наприклад, просторової складності видів домінуючих рослин, вони не дозволяють спостерігати за дрібними елементами, які складає більшу частину екосистеми. В результаті виникає потреба в розгортанні на місцях вузлів безпровідних сенсорних мереж. Одним із прикладів застосування це складання біологічної карти навколишнього середовища в заповіднику в Південній Каліфорнії. Три ділянки покриті мережею, в кожній з яких по 25-100 вузлів, які використовуються для постійного спостереження за станом навколишнього середовища. Виявлення повеней: прикладом виявлення повеней є система оповіщення в США. Кілька типів датчиків, розміщених в системі оповіщення, визначають рівень опадів, рівень води і погоду. Науково-дослідні проекти, такі як COUGAR Device Database Project в Корнельському університеті і проект DataSpace в Університеті Rutgers, вивчають різні підходи до взаємодії з окремими вузлами в мережі для отримання знімків і довго зібраних даних. Сільське господарство: перевагою сенсорних мереж також є можливість контролювати рівень пестицидів у воді, рівень ерозії грунту і рівень забруднення повітря в режимі реального часу.

2.3. Застосування в медицині

Одним із застосувань в медицині є пристрої для інвалідів; моніторинг пацієнтів; діагностика; моніторинг використання медикаментів у лікарнях; збір фізіологічних даних людини; і моніторингу лікарів і пацієнтів в лікарнях. Моніторинг фізіологічного стану людини: фізіологічні дані, зібрані сенсорними мережами можуть зберігатися протягом тривалого періоду часу і можуть використовуватися для медичного дослідження. Встановлені вузли мережі можуть також відстежувати рухи літніх людей і, наприклад, попереджати падіння. Ці вузли невеликі і забезпечують пацієнтові велику свободу пересування, в той же час дозволяють лікарям виявити симптоми хвороби заздалегідь. Крім того, вони сприяють забезпеченню більш комфортного життя для пацієнтів в порівнянні з лікуванням в лікарні. Для перевірки можливості такої системи на факультеті медицини Grenoble-France був створений "Здоровий розумний будинок" ". . Моніторинг лікарів і пацієнтів в лікарні: кожен пацієнт має невеликий і легкий вузол мережі. Кожен вузол має свою конкретну задачу. Наприклад, один може стежити за серцевим ритмом, в той час як інший знімає показання кров'яного тиску. Лікарі можуть також мати такий вузол, він дозволить іншим лікарям знайти їх в лікарні. Моніторинг медикаментів у лікарнях: Вузли можуть бути приєднані до ліків, тоді шанси видачі неправильного ліки, можуть бути зведені до мінімуму. Так, пацієнти матимуть вузли, які визначають їх алергію і необхідні ліки. Комп'ютеризовані системи, як описано в показали, що вони можуть допомогти звести до мінімуму побічні ефекти від помилкової видачі препаратів.

2.4. Застосування в будинку

Автоматизація будинку: смарт-вузли можуть бути інтегровані в побутові прилади, наприклад в пилососи, мікрохвильові печі, холодильники і відеомагнітофони. Вони можуть взаємодіяти один з одним і з зовнішньою мережею через Інтернет або супутник. Це дозволить кінцевим користувачам легко управляти пристроями будинку як локально, так і віддалено. Розумне середовище: дизайн смарт-середовища може мати два різних підходи, тобто, орієнтованого на людину або на технології. У разі першого підходу, смарт-середовище має адаптуватися до потреб кінцевих користувачів з точки зору взаємодії з ними. Для технологічно-зосереджених систем повинні бути розроблені нові апаратні технологій, мережеві рішень, і проміжні додатки. Приклади того, як вузли можуть бути використані для створення смарт-середовища описана в. Вузли можуть бути вбудовані в меблі і техніку, вони можуть спілкуватися один з одним і сервером кімнати. Сервер кімнати може також спілкуватися з іншими серверами кімнат, щоб дізнатися про послуги, які вони можуть запропонувати, наприклад, друк, сканування і робота з факсом. Ці сервера і сенсорні вузли можуть бути інтегровані в існуючі вбудовані пристрої і складати самоорганізуються, саморегулюючі і адаптивні системи, засновані на моделі теорії управління, як описано в роботі.

3. Фактори, що впливають на розробку моделей сенсорних мереж.

Розробка сенсорних мереж залежить від багатьох факторів, які включають в себе відмовостійкість, масштабованість, витрат виробництва, вид операційного середовища, топологію сенсорної мережі, апаратні обмеження, модель передачі інформації і споживання енергії. Ці фактори розглядаються багатьма дослідниками. Однак ні в одному з цих досліджень повністю не враховані всі фактори, які впливають на розробку мереж. Вони важливі, оскільки служать в якості орієнтира для розробки протоколу або алгоритмів роботи сенсорних мереж. Крім того, ці фактори можуть бути використані для порівняння різних моделей.

3.1. відмовостійкість

Деякі вузли можуть вийти з ладу через відсутність енергії, фізичних ушкоджень або стороннього втручання. Відмова вузла не повинен вплинути на роботу сенсорної мережі. Це питання надійності та відмовостійкості. Відмовостійкість - здатність підтримувати функціональність сенсорної мережі без збоїв при виходу з ладу вузла. Надійність Rk (t) або відмовостійкості вузла моделюється в за допомогою розподілу Пуассона для визначення вірогідності відсутності несправності вузла в період часу (0; t) Варто звернути увагу на те, що протоколи і алгоритми можуть бути орієнтовані на рівень відмовостійкості, необхідний для побудови сенсорних мереж . Якщо середовище, в якій вузли розміщені мало схильна до втручань, то протоколи можуть бути менш отакзоустоічівимі. Наприклад, якщо вузли впроваджуються в будинок, щоб стежити за вологістю і рівнем температури, вимоги до відмовостійкості може бути низьким, оскільки такого роду сенсорні мережі не можуть вийти з ладу і «шум» навколишнього середовища не впливає на їх роботу. З іншого боку, якщо вузли використовуються на поле бою для спостереження, то відмовостійкість повинна бути високою, оскільки спостереження є критично важливими і вузли можуть бути знищені під час військових дій. В результаті, рівень відмовостійкості залежить від застосування сенсорних мереж і моделі повинні бути розроблені з урахуванням цього.

3.2. масштабованість

Кількість вузлів розгорнутих для вивчення явища може бути порядку сотень або тисяч. В залежності від програми, число може досягати екстремальних значень (мільйонів). Нові моделі повинні бути в змозі працювати з цим числом вузлів. Вони також повинні використовувати високу щільність сенсорних мереж, яка може варіюватися від декількох вузлів до декількох сотень на ділянці, який може бути менше 10 м в діаметрі. Щільність може бути розрахована відповідно до,

3.3. Витрати на виробництво

Так як сенсорні мережі складаються з великої кількості вузлів, то вартість одного вузла повинна бути такою, щоб виправдати загальну вартість мережі. Якщо вартість мережі вище, ніж розгортання традиційних датчиків, то вона не економічно виправдана. В результаті, вартість кожного вузла повинна бути низькою. Зараз вартість вузла з використанням Bluetooth-передавача менше 10 $. Ціна на PicoNode в районі 1 $. Отже, вартість вузла сенсорної мережі повинна бути набагато менше, ніж 1 $ для економічної виправданості їх використання. Вартість Bluetooth-вузла, який вважається найдешевшим пристроєм, в 10 разів вище, ніж середні ціни на вузли сенсорної мережі. Зверніть увагу, що вузол також має деякі додаткові модулі, такі як модуль збору даних і модуль обробки даних (описано в розділі 3.4.) Крім того вони можуть бути обладнані системою визначення місцезнаходження або силовим генератором в залежності від застосування сенсорних мереж. В результаті вартість вузла - складне питання, з огляду на кількість функціональних можливостей навіть при ціна менше 1 $.

3.4. апаратні особливості

Вузол сенсорних мереж складаються з чотирьох основних компонентів, як показано на рис. 1: блок збору даних, блок обробки, передавач і блок живлення. Наявність додаткових модулів залежить від застосування мереж, наприклад, можуть бути модулі визначення місцезнаходження, силовий генератор і мобилизатор (MAC). Модуль збору даних, як правило, складаються з двох частин: датчики і аналого-цифровий перетворювачів (АЦП). Аналоговий сигнал, що генерується датчиком на основі спостережуваного явища, перетворюється в цифровий сигнал за допомогою АЦП, а потім подається в блок обробки. Модуль обробки, який використовує інтегровану пам'ять, управляє процедурами, які дозволяють спільно з іншими вузлами виконувати поставлені завдання спостереження. Блок передавача (трансивер) з'єднує вузол з мережею. Одним з найбільш важливих компонентів вузла є блок живлення. Блок живлення може мати можливість підзарядки, наприклад, використовуючи сонячні батареї.

Більшості вузлів, що передають дані і збирають дані, необхідно знати своє місце розташування з високою точністю. Тому в загальну схему включений модуль визначення місця розташування. Іноді може знадобитися мобилизатор, який при необхідності переміщує вузол, коли це необхідно для виконання поставлених завдань. Всі ці модулі, можливо, буде потрібно розмістити в корпус розміром із сірникову коробку. Розмір вузла може бути менше кубічного сантиметра і досить легким, щоб залишатися в повітрі. Крім розміру, є деякі інші жорсткі обмеження для вузлів. Вони повинні :
споживають дуже мало енергії,
працювати з великою кількістю вузлів на малих відстанях,
мати низьку вартість виробництва
бути автономними і працювати без нагляду,
адаптуватися до навколишнього середовища.
Оскільки вузли можуть бути недоступними, життя сенсорної мережі залежить від харчування окремих вузлів. Харчування обмежений ресурс і з-з а обмежень за розміром. Наприклад, загальний запас енергії смарт-вузла становить близько 1 Дж. Для бездротової інтегрованої мережі датчиків (WINS) середній рівень заряду, для забезпечення тривалого часу роботи повинен бути менше 30 LA. Можливо, продовжити термін служби сенсорних мереж використовуючи заряджати батареї, наприклад, отримуючи енергію з навколишнього середовища. Сонячні батареї - яскравий приклад використання підзарядки. Модуль передачі даних вузла може бути пасивним або активним оптичним пристроєм, як в смарт-вузлі або радіочастотним (RF) передавачем. Для радіочастотної передачі потрібен модуль модуляції, який використовує певну смугу пропускання, модуль фільтрація, демодуляція, що робить їх більш складними і дорогими. Крім того, можливі втрати при передачі даних між двома вузлами через те, що антени розташовано близько до землі. Проте, радіозв'язок є кращою в більшості існуючих проектів сенсорних мереж, так як частот передачі даних низькі (як правило, менше 1 Гц), а частота циклів передачі висока через малі відстаней. Ці характеристики дозволяють використовувати низькі радіочастоти. Однак, проектування енергоефективних і низькочастотних радіопередавачів і раніше є технічно складним завданням, а існуючі технології, які використовуються при виробництві Bluetooth пристрої, не є достатньо ефективним для сенсорних мереж, оскільки споживають багато енергії. Хоча в даний процесори постійно зменшують свої габарити і збільшують потужність, обробка та зберігання даних вузлом і раніше є його слабким місцем. Наприклад, модуль обробки смарт-вузла складається з процесора 4 МГц Atmel AVR8535, мікроконтролера з 8 Кбайт для інструкцій, флеш-пам'яті, 512 байт RAM і 512 байт EEPROM. У цьому модулі, який має 3500 байт під ОС і 4500 байт вільної пам'яті під код, використовується операційна система TinyOS. Модуль обробки іншого прототипу вузла lAMPS має процесор SA-1110 з частотою 59-206 МГц. На вузлах IAMPS використовується багатопотокова операційна система L-OS. Більшість завдань збору даних вимагають знань позиції вузла. Оскільки вузли, як правило, розташовуються випадковим чином і без нагляду, вони повинні кооперуватися з допомогою системи визначення місця розташування. Позиціонування використовується в багатьох протоколах маршрутизації сенсорних мереж (докладніше в розділі 4). Деякі пропонують, щоб кожен вузол мав модуль системи глобального позиціонування (GPS), який працює з точністю до 5 метрів. У роботі стверджується, що оснащення всіх вузлів GPS не обов'язково для роботи сенсорних мереж. Є альтернативний підхід, де тільки деякі вузли використовують GPS і допомагають іншим вузлам, визначити своє становище на місцевості.

3.5. топологія мережі

Наявність того факту, що вузлів можуть стати недоступними і схильні до частих збої, роблять обслуговування мережі складним завданням. Від сотні до декількох тисяч вузлів можуть бути розміщені на території сенсорної мережі. Вони розгортаються за десяток метрів одна від одної. Щільність розташування вузлів може бути і вище, ніж 20 вузлів на метр кубічний. Щільне розташування безлічі вузлів вимагає ретельного обслуговування мережі. Ми розглянемо питання, пов'язані з обслуговуванням і зміною топології мережі в три етапи:

3.5.1. Попереднє розгортання і саме розгортання вузлів може полягати в масовому розкид вузлів або установці кожного окремо. Вони можуть бути розгорнуті:

Розкидом з літака,
за допомогою приміщення в ракету або снаряд
викинуті за допомогою катапульти (наприклад, з корабля і т.д.),
розміщення на заводі
кожен вузол розміщений окремо людиною або роботом.
Незважаючи на те, що величезна кількість датчиків і їх автоматичне розгортання зазвичай виключає розміщення їх відповідно до ретельно розробленого плану, схеми для початкового розгортання повинні:
скорочувати витрати на монтаж,
усувати необхідність в будь-якої попередньої організації та попередньому плануванні,
підвищувати гнучкість розміщення,
сприяти самоорганізації та відмовостійкості.

3.5.2. Фаза після розгортання мережі

Після розгортання мережі, зміна її топології пов'язано зі зміною характеристик вузлів. Перерахуємо їх:
становище,
доступність (через перешкоди, шуму, що рухаються перешкод, і т.д.),
заряду батареї,
несправності
зміна поставлених завдань.
Вузли можуть бути розгорнуті статично. Однак, відмова пристроїв є звичайним явищем в зв'язку з розрядкою батареї або знищення. Можливі сенсорні мережі з високою рухливістю вузлів. Крім того, вузли та мережі виконують різні завдання і можуть бути піддані навмисним перешкод. Таким чином, структура сенсорної мережі схильна до частих змін після розгортання.

3.5.3. Фаза розгортання додаткових вузлів

Додаткові вузли можуть бути додані в будь-який момент для заміни несправних вузлів або в зв'язку зі зміною завдань. Додавання новихузлов створює необхідність реорганізації мережі. Боротьба з частими змінами в топології тимчасової мережі, яка містить безліч вузлів і має дуже жорсткі обмеження по енергоспоживанню, вимагає спеціальних протоколів маршрутизації. Це питання докладніше розглянуто в розділі 4.

3.6. Довкілля

Вузли щільно розташовуються дуже близько або безпосередньо всередині спостережуваного явища. Таким чином, вони працюють без нагляду у віддалених географічних районах. Вони можуть працювати
на жвавих перехрестях,
всередині великих машин,
на дні океану,
всередині торнадо,
на поверхні океану під час торнадо,
в біологічно і хімічно забруднених областях
в поле бою,
в будинку або великий будинок,
на найбільшому складі,
прикріпленими до тварин,
прикріпленими до швидко рухаються транспортним засобам
в каналізації або річці разом з потоком води.
Цей список дає уявлення про те, за яких умов вузли можуть працювати. Вони можуть працювати під високим тиском на дні океану, в суворих умовах, серед сміття або в поле бою, при екстремальних температурах, наприклад в соплі двигуна літака або в арктичних регіонах, в дуже галасливих місцях, де багато перешкод.

3.7. Способи передачі даних

У сенсорної мережі multi-hop, вузли спілкуються за допомогою бездротового зв'язку. Зв'язок може здійснюватися за допомогою радіо, інфрачервоний порт або оптичних носіїв. Для того щоб глобально використовувати ці способи середовище передачі повинна бути доступна в усьому світі. Один з варіантів радіозв'язку є використання промислових, наукових і медичних смуг (ISM), які доступні без ліцензій в більшості країн. Деякі види частот, які можуть бути використані, описані в міжнародний таблиця частот, що міститься в статті S5 про регламент радіозв'язку (том 1). Деякі з цих частот, вже використовуються в бездротової телефонії та бездротових локальних мережах (WLAN). Для сенсорних мереж малого розміру і низької вартості, підсилювач сигналу не потрібно. Згідно, апаратні обмеження і знаходження компромісу між ефективністю антени і споживанням енергії накладають певні обмеження на вибір частоти передачі в діапазоні надвисоких частот. Вони також пропонують використання частоти 433 МГц ISM в Європі і 915 МГц ISM в Північній Америці. Можливі моделі передавачів для цих двох зон розглядаються в. Основними перевагами використання радіо частот ISM є широкий спектр частот і доступність по всьому світу. Вони не прив'язані до конкретного стандарту, тим самим дають велику свободу для реалізації енергозберігаючих стратегій в сенсорних мережах. З іншого боку, існують різні правила і обмеження, такі як різні закони і перешкоди від існуючих додатків. Ці смуги частот також називають нерегульованими частотами. Більшість з сучасного обладнання для вузлів грунтується на використанні радіопередавачів. Бездротові вузли IAMPS, описаної в, використовує Bluetooth-сумісні передавачі з частотою 2,4 ГГц і мають інтегрований синтезатор частоти. Пристрій малопотужних вузлів описано в роботі, вони використовує один канал радіопередачі, який працює на частоті 916МГц. В архітектурі WINS також використовується радіозв'язок. Інший можливий спосіб зв'язку в сенсорних мережах є ІК-порт. ІК-зв'язок доступна без ліцензії і захищена від перешкод електричних приладів. ІК-передавачі дешевше і простіше у виробництві. Багато хто з сьогоднішніх ноутбуків, КПК і мобільних телефонів використовують ІК-інтерфейс для передачі даних. Основним недоліком такого зв'язку, це вимога прямої видимості між відправником і отримувачем. Це робить ІК-зв'язок небажаної для використання в сенсорних мережах через середовища передачі. Цікавий спосіб передачі використовують смарт-узил, які є модулями автоматичного моніторингу та обробки даних. Вони використовують для передачі оптичне середовище. Є дві схеми передачі, пасивна з використанням corner-cube retroreflector (CCR) і активна з використанням лазерного діода і керованих дзеркал (розглянуто в). У першому випадку не потрібно інтегрований джерело світла, для передачі сигналу використовується конфігурації з трьох дзеркал (CCR). Активний метод використовує лазерний діод і систему активної лазерної зв'язку, для відправки світлових променів передбачуваному приймача. Незвичайні вимоги до застосування сенсорних мереж роблять вибір середовища передачі складною. Наприклад, морські додатки вимагають використання водному середовищі передачі. Тут потрібно використовувати довгохвильові випромінювання, які можуть проникати крізь поверхні води. У важкодоступній місцевості або на поле бою можуть виникнути помилки і більше перешкоди. Крім того може виявитися що, антени вузлів не володіють потрібною висотою і потужністю випромінювання для зв'язку з іншими пристроями. Отже, вибір середовища передачi повинні супроводжуватися надійними схемами модуляції і кодування, що залежати від характеристик передавального каналу.

3.8. потужність споживання

Бездротовий вузол, будучи мікроелектронним пристроєм, може бути оснащений тільки обмеженим джерелом живлення (

3.8.1. зв'язок

Вузол витрачає максимум енергії на зв'язок, яка передбачає як передачу, так і прийом даних. Можна сказати, що для зв'язку на невеликі відстані з малою потужністю випромінювання передача і прийом вимагають приблизно однакової кількості енергії. Синтезатори частот, осцилятори управління напругою, фази блокування (PLL) і підсилювачі потужності, все це вимагає енергії, ресурси якої обмежені. Важливо, що при цьому ми не розглядаємо тільки активну потужність, також розглядається і споживання електроенергії при запуску передавачів. Запуск передавача займає частки секунди, тому при цьому споживається мізерно мала кількість енергії. Це значення можна порівняти з часом блокування PLL. Однак, при зменшенні переданого пакета, потужність запуску починає домінувати в споживанні енергії. У підсумку, неефективно постійно включати і вимикати передавач, тому що велика частина енергії піде саме на це. В даний час радіопередавачі з низьким енергоспоживанням мають стандартні значення Pt і Pr на рівні 20 дБм і Pout близький до 0 дБм. Зверніть увагу, що PicoRadio спрямоване на Pc становить -20 дБм. Дизайн малогабаритних, недорогих, передавачів обговорюється в джерелі. Грунтуючись на їх результатах, автори даної статті, з огляду на бюджет і оцінки енергоспоживання вважають, що значення Pt і Pr повинні бути щонайменше на порядок менше, ніж значення, наведені вище.

3.8.2. Обробка даних

Витрата енергії при обробці даних значно менше в порівнянні з передачею даних. Приклад, описаний в роботі фактично ілюструє цю невідповідність. Грунтуючись на теорії Релея, що при передачі чверть потужності втрачається, можна зробити висновок про те, що витрата енергії на передачу 1 КБ на відстань 100 м буде приблизно такою ж, що і на виконання 3 мільйонів інструкцій зі швидкістю 100 мільйонів інструкцій у секунду (MIPS ) / W процесором. Отже, локальна обробка даних має вирішальне значення для мінімізації споживання енергії в multi-hop сенсорної мережі. Тому вузли повинні мати вбудовані обчислювальні можливості і бути здатними взаємодіяти з оточенням. Обмеження вартості і розміру призведе нас до вибору напівпровідників (CMOS) в якості основної технологи для мікропроцесорів. На жаль, вони має обмеження на ефективність використання енергії. CMOS вимагає енергії кожен раз при зміні стану. Енергія, необхідна на зміну станів, пропорційна частоті перемикань, ємності (залежить від площі) і коливань напруги. Отже, зменшення напруги живлення є ефективним засобом зниження споживання енергії в активному стані. Динамічне масштабування напруги розглянуте в, прагне адаптувати харчування і частоту процесора відповідно до робочого навантаження. Коли на мікропроцесор знижується обчислювальна навантаження, просте скорочення частоти дає лінійне зменшення споживаної енергії, однак, зменшення робочої напруги дає нам квадратичне зниження енерговитрат. З іншого боку не буде використовуватися вся можлива продуктивність процесора. Це дасть результат, якщо взяти до уваги те, що пікова продуктивність потрібно не завжди і тому, робоча напруга і частота процесора може бути динамічно адаптована до вимог обробки. У автори пропонують схеми передбачення робочого навантаження, заснованої на адаптивної обробки існуючих профілів навантаження і на аналізі кількох уже створених схем. Інші стратегії зниження потужності процесора обговорюються в. Слід зазначити, що можуть використовуватися додаткові схеми для кодування і декодування даних. Інтегральні схеми також можуть використовуватися в деяких випадках. У всіх цих сценаріях, структура сенсорної мережі, алгоритми роботи та протоколи залежать від відповідних енерговитрат.

4. Архітектура сенсорних мереж

Вузли, як правило, розташовані випадковим чином по всій території спостереження. Кожен з них може здійснювати збір даних і знає маршрут передачі даних назад в центральний вузол, кінцевому користувачеві. Дані передаються за допомогою multi-hop архітектурі мережі. Центральний вузол може спілкуватися з менеджером завдань через Інтернет або супутник. Стек протоколів, який використовується центральним вузлом і всіма іншими вузлами, наведено на рис. 3. Стек протоколів включають в себе інформацію про потужності і інформації про маршрути, містить дані про мережевих протоколах, допомагає ефективно спілкуватися посредствам бездротової середовища, і сприяє спільній роботі вузлів. Стек протоколів складається з рівня додатків, транспортного рівня, мережевого рівня, канального рівня, фізичного рівня, шару управління живленням, шару управління мобільністю і шару планування завдань. Залежно від завдань зі збору даних, різні види прикладного програмного забезпечення можуть бути побудовані на рівні додатків. транспортний рівень допомагає підтримувати потік даних, якщо це потрібно. Мережевий рівень забезпечує маршрутизацію даних, наданих транспортним рівнем. Оскільки середовище має сторонні шуми і вузли можуть бути переміщені, протокол MAC повинен мінімізувати виникнення колізій при передачі даних між сусідніми вузлами. Фізичний рівень відповідає за можливість передачі інформації. Ці протоколи допомагають вузлів виконувати завдання при економії електроенергії. Шар управління живленням визначає, як вузол повинен використовувати енергію. Наприклад, вузол може відключити приймач після отримання повідомлення від одного зі своїх сусідів. Це допоможе уникнути отримання дубліката повідомлення. Крім того, коли вузол має низький заряд батареї він передає своїм сусідам інформацію про те, що не може брати участь в маршрутизації повідомлень. Всю решту енергію він буде використовувати для збору даних. Шар управління мобільністю (MAC) визначає і реєструє пересування вузлів, тому завжди існує маршрут для передачі даних в центральний вузол і вузли можуть визначати своїх сусідів. А знаючи своїх сусідів вузол може збалансувати енергоспоживання працюючи спільно з ними. Менеджер завдань планує і складає розкладу збору інформації для кожного регіону окремо. Не всі вузли в одному регіоні необхідні для виконання завдань зондування в один і той же час. Як результат, деякі вузли виконують більше завдань, ніж інші, це залежить від їх потужності. Ці всі верстви і модулі необхідні для того щоб вузли працювали разом і прагнули до максимальної енергоефективності, оптимізації маршруту передачі даних в мережі, а також спільно використовували ресурси один одного. Без них, кожен вузол буде працювати індивідуально. З точки зору всієї сенсорної мережі ефективніше, якщо вузли будуть працювати спільно один з одним, що сприяє продовженню часу життя самої мереж. Перш ніж обговорювати необхідність включення в протокол модулів і верств управління, ми розглянемо три існуючих роботи, присвячених стеку протоколів, який показаний на малюнку 3. Модель WINS, розглянута в джерелі, в якій вузли об'єднані в розподілену мережі і маю доступ в Інтернет. Так як велика кількість вузлів мережі WINS розташовані на малій відстані один від одного, то multi-hop зв'язку зводять споживання енергії до мінімуму. Отримані вузлом відомості про навколишнє середовище послідовно прямують до центрального вузол або шлюз WINS через інші вузли так, як це показано на рис 2 для вузлів A, B, C, D і Е. Шлюз WINS спілкується з користувачем через звичайні мережеві протоколи, такі як Інтернет . Стек протоколів мережі WINS складається з рівня додатків, мережевого рівень, MAC-шару, і фізичного рівня. Смарт-вузли (або пилинки). Дані вузли, можуть бути приєднані до об'єктів або навіть парити в повітрі завдяки їх невеликим розміром і вагою. Вони використовують технологію MEMS для оптичного зв'язку і збору даних. Пилинки можуть мати сонячні батареї для підзарядки протягом дня. Вони вимагають прямої видимості для зв'язку з оптичним передавачем базова станція або інший порошинки. Порівнюючи архітектуру мережі з порошинами з представленої на малюнку 2, можна сказати, що смарт-вузли, як правило, безпосередньо пов'язується з передавачем базової станції, але зв'язок один до оному також можлива. При іншому підході до розробки протоколів і алгоритмів для сенсорних мереж обумовлений вимогами фізичного рівня. Протоколи і алгоритми повинні бути розроблені відповідно до вибору фізичних компонентів, таких як тип мікропроцесорів, і тип приймачів. Такий підхід ( «знизу вгору») використовується в моделі IAMPS і також розглядає залежність рівня додатків, мережевого рівня, MAC-шару, і фізичного рівня від апаратної начинки вузла. Вузли IAMPS точно також взаємодіють з кінцевим користувачем, як і в архітектурі показаної на малюнку 2. Різні схеми, наприклад, з тимчасовим поділом каналів (TDMA) або з частотним поділом каналів (FDMA) і бінарної модуляцією або М-модуляції порівнюються в джерелі. Підхід «знизу вгору» позначає, що алгоритми вузла повинен знати апаратні засоби і використовувати можливості мікропроцесорів і передавачів для мінімізації споживання енергії. Це може привести до розробки різних конструкцій вузла. А різні конструкції вузлів приведуть до різних типів сенсорних мереж. Що в свою чергу призведе до розробки різних алгоритмів їх роботи.

література

1. G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on the interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) 36-40.
2. J. Agre, L. Clare, An integrated architecture for cooperative sensing networks, IEEE Computer Magazine (May 2000) 106-108.
3. I.F. Akyildiz, W. Su, A power aware enhanced routing (PAER) protocol for sensor networks, Georgia Tech Technical Report, January 2002 submitted for publication.
4. A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP for mobile hosts, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995 року, pp. 136-143.
5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, The mobile patient: wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000., pp. 17-21.
6. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on the lifetime of sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC'01, Helsinki, Finland, June 2001.
7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the physical world, IEEE Personal Communications (October 2000) 10-15.