Distribuerade sensornätverk. Tillämpning av sensornätverk. Historia och omfattning

Fördelarna med trådlösa sensornätverksteknologier kan effektivt användas för att lösa olika tillämpade problem relaterade till distribuerad insamling, analys och överföring av information.

Byggnadsautomation

I vissa byggnadsautomatiseringstillämpningar är det inte möjligt att använda traditionella trådbundna kommunikationssystem av ekonomiska skäl.

Det krävs till exempel att införa ett nytt eller utöka ett befintligt system i en driftbyggnad. I det här fallet är användningen av trådlösa lösningar det mest acceptabla alternativet, eftersom. inget ytterligare installationsarbete krävs med en kränkning av inredningen av lokalerna, praktiskt taget inga olägenheter orsakas för anställda eller boende i byggnaden etc. Som ett resultat minskar kostnaden för att implementera systemet avsevärt.

Ett annat exempel skulle vara kontorsbyggnader i öppen planlösning där det inte är möjligt att ange exakta placeringar av sensorer i design- och byggskedet. Samtidigt kan kontorslayouten ändras många gånger under driften av byggnaden, därför bör tiden och kostnaden för att omkonfigurera systemet vara minimal, vilket kan uppnås genom att använda trådlösa lösningar.

Dessutom kan följande exempel på system baserade på trådlösa sensornätverk ges:

övervakning av temperatur, luftflöde, närvaro av människor och kontroll av värme-, ventilations- och luftkonditioneringsutrustning för att upprätthålla mikroklimatet;
belysningskontroll;
energihushållning;
insamling av avläsningar från lägenhetsmätare för gas, vatten, elektricitet, etc.;
övervakning av tillståndet för bärande konstruktioner av byggnader och konstruktioner.

industriell automation

Hittills har den utbredda användningen av trådlös kommunikation inom området industriell automation begränsats av den dåliga tillförlitligheten hos radiolänkar jämfört med trådbundna anslutningar i tuffa industriella miljöer, men trådlösa sensornätverk förändrar situationen dramatiskt, pga. i sig resistent mot olika typer av störningar (till exempel fysisk skada på noden, uppkomsten av störningar, förändrade hinder, etc.). Dessutom, under vissa förhållanden, kan ett trådlöst sensornätverk ge ännu större tillförlitlighet än ett trådbundet kommunikationssystem.

Lösningar baserade på trådlösa sensornätverk uppfyller till fullo branschens krav:

feltolerans;
skalbarhet;
anpassningsförmåga till driftsförhållanden;
energieffektivitet;
med hänsyn till detaljerna för den tillämpade uppgiften;
ekonomisk lönsamhet.

Trådlösa sensornätverkstekniker kan användas i följande industriella automationsuppgifter:

fjärrkontroll och diagnostik av industriell utrustning;
underhåll av utrustning enligt nuvarande tillstånd (förutsägelse av säkerhetsmarginalen);
övervakning av produktionsprocesser;
telemetri för forskning och testning.

Andra applikationer

De unika egenskaperna och skillnaderna hos trådlösa sensornätverk från traditionella trådbundna och trådlösa dataöverföringssystem gör deras tillämpning effektiv inom en mängd olika områden. Till exempel:

säkerhet och försvar:
- kontroll över förflyttning av människor och utrustning;
- medel operativ kommunikation och intelligens;
- omkretskontroll och fjärrövervakning;
- hjälp vid räddningsoperationer;
- övervakning av egendom och värdesaker;
- säkerhet och brandlarm;
miljöövervakning:
- övervakning av föroreningar;
- Lantbruk;
sjukvård:
- övervakning av det fysiologiska tillståndet hos patienter;
- platskontroll och underrättelse av sjukvårdspersonal.

Dagen närmar sig då hundratals miljoner halvledarsensorer kommer att integreras i allt som är möjligt, från en nyckelbricka till en barnvagn. Och alla kommer inte bara att kunna fungera som intelligenta sensorer, utan också utföra den primära behandlingen av information, samt interagera med varandra och bilda ett enda trådlöst sensornätverk. Samtidigt kommer sådana sensorer praktiskt taget inte att förbruka elektricitet, eftersom de inbyggda miniatyrbatterierna kommer att hålla i flera år, det vill säga under sensorernas hela livslängd. Det kommer att vara konceptuellt ny typ datorsystem fungerar med ett trådlöst sensornätverk. Ett sådant nätverk kallas Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Termen Ad-hoc är lånad från moderna trådlösa nätverk, som IEEE 802.11b-standarden. Sådana trådlösa nätverk har två interaktionslägen: Infrastrukturläge och Ad-hoc. I infrastrukturläge interagerar nätverksnoder inte direkt med varandra, utan genom en åtkomstpunkt, som fungerar trådlöst nätverk rollen som en sorts koncentrator (liknande hur det händer i traditionella kabelnät). I Ad-hoc-läge, även kallat Peer-to-Peer, kommunicerar stationer direkt med varandra. Följaktligen innebär Ad-hoc-läget i trådlösa sensornätverk att alla sensorer direkt interagerar med varandra och skapar ett slags mobilnätverk.

Trådlösa sensornätverk är ett slags steg mot nästa era - när datorer kommer att vara direkt kopplade till den fysiska världen och kommer att kunna gissa användarnas önskemål, samt fatta beslut åt dem.
Låt oss drömma lite om vad sådana sensornätverk kommer att ge oss i framtiden. Föreställ dig spjälsängar som lyssnar på bebisar andas; armband som övervakar tillståndet hos patienter på kliniken; rökdetektorer, som inte bara kan ringa brandmän vid behov, utan också informera dem i förväg om brandkällan och graden av komplexitet i branden. Elektroniska enheter kommer att kunna känna igen varandra, strömkällor kommer att påminnas om att de måste "matas upp".

Föreställ dig hundratusentals beröringssensorer integrerade i gemensamt nätverk i skogen. I en sådan skog kommer det helt enkelt att vara omöjligt att gå vilse, eftersom en persons rörelse kommer att registreras och analyseras av sensorer. Ett annat exempel är sensorer i fält, inställda för att övervaka markens tillstånd och, beroende på ändrade förhållanden, reglera vattningen och mängden gödningsmedel som tillförs.
Inte mindre användbara kommer att vara sensornätverk på vägarna. Genom att kommunicera med varandra kommer de att kunna reglera flödet av bilar. Detta är drömmen för alla förare - vägar utan trafikstockningar! Sådana nätverk kommer att kunna hantera denna uppgift mycket mer effektivt än någon byrå. Kontrollproblem
förseelser på vägarna kommer att lösas av sig självt.

Användningen av sensornätverk för energihantering kommer att uppnå otroliga energibesparingar. Föreställ dig ett sådant kontrollnätverk i din lägenhet. Genom att spåra din plats kommer sensorer att kunna släcka lamporna bakom dig överallt och tända dem efter behov. Tja, om du använder sådana nätverk för att kontrollera belysningen av gator och vägar, kommer problemet med brist på el att försvinna av sig själv. För att sensornätverk ska bli morgondagens verklighet pågår redan forskning i denna riktning. Och ledaren inom detta område är Intel Corporation, som stödjer alla framtidens avancerade datortekniker. Särskild uppmärksamhet, som ägnar sig åt utvecklingen av trådlösa multinodala sensornätverk som kan självautomatiskt bildas och konfigureras efter behov. Implementeringen av denna teknik kommer att göra det möjligt att distribuera ett nätverk av billiga, men samtidigt mycket komplexa halvledarsensorenheter som oberoende kan etablera kommunikation med varandra och rapportera om vissa förändringar i miljön. Till exempel är Mica-sensorn utrustad med 128 kilobyte flashminnesprogramvara, 256 kilobyte flashminne för datalagring och en radiosändare som arbetar med en frekvens på 900 MHz.
Vissa av dessa enheter kör ett operativsystem
TinyOS, koden för detta operativsystem är öppen källkod och består av bara
8,5 Kb.

Sådana enheter kommer att hitta tillämpningar inom revolutionerande nya områden, såsom utvecklingen av smarta plagg, anslutna filtar som kommer att övervaka hälsan hos en nyfödd och rapportera vitala tecken på hans liv, smarta gårdar, där halvledarsensorer installerade i jorden kommer att styra bevattning
system och befruktning. Sensornätverksforskning hos Intel är
berömt forskningslaboratorium Intel Berkeley Research laboratory, beläget i Kalifornien. De experimentella sensornätverk som finns idag uppfyller endast delvis ovanstående krav. Så hittills består nätverk av endast hundratals sensorer med ett begränsat täckningsområde och utför endast väldefinierade uppgifter. De kan bara överföra en viss typ av information från en sensor till en annan och endast inom en given bandbredd. Energiförbrukningen är inte heller försumbar
- batteriladdning tillräckligt för bara några dagar. Befintliga touchsensorer är fortfarande ganska inerta, och hög tillförlitlighet och smygdrift (åtminstone på grund av deras storlek) är uteslutet. Och naturligtvis är sådana sensorer ganska dyra, så att ett nätverk bestående av hundratals sensorer inte är billigt. Men vi måste komma ihåg att vi pratar om experimentella nätverk och utvecklingen av framtidens teknik. Samtidigt gör experimentella sensornätverk redan skillnad. Ett sådant sensornätverk, utvecklat gemensamt av Intel Berkeley Research Laboratory, Institute of the Atlantic och University of California, verkar på Great Duck Island i Maine.

Uppgiften för detta nätverk är att studera mikrohabitatet för olika biologiska organismer som bor på ön.
Varje mänsklig intervention (även i syfte att lära) är ibland onödig,
det är här sensornätverk kommer till undsättning, så att du kan samla in all nödvändig information utan direkt deltagande av en person.

Sensornätverket använder två kort som nodelement. Det första kortet innehåller en temperatursensor, luftfuktighets- och barometertrycksensorer och en infraröd sensor. Det andra kortet innehåller en mikroprocessor (frekvens 4 MHz), Bagge 1KB, flashminne för lagring av program och data, strömförsörjning (två AA-batterier) och radiosändare/
mottagare som arbetar på 900 MHz. Sensorer låter dig registrera all nödvändig information och överföra den till värddatordatabasen. Alla sensorer är noggrant testade i förväg - tavlan med sensorer sänks ned i vatten i två dagar och dess funktion övervakas. Alla sensornoder bildar ett enda trådlöst nätverk och kan utbyta information. I det här fallet sker överföringen av information från en fjärrnätverksnod till gatewayen (Gateway Sensor) i en kedja, det vill säga från en nätverksnod till en annan, vilket gör att du kan skapa ett stort täckningsområde.

Genom gatewayen når informationen huvuddatorn. Gatewayen använder en riktad antenn, vilket gör det möjligt att öka överföringsavståndet upp till 300 m. Från huvuddatorn sänds information via satellit via Internet till ett forskningscenter beläget i Kalifornien.

Laboratoriepersonalen arbetar inte mindre aktivt med precisionsbiologi och skapandet av biochips. Förutom sensorisk uppfattning om de fasta tingens värld, undersöks möjligheten att "känna" flytande media och biologiska, utvecklande föremål. Sådan forskning öppnar enorma möjligheter för medicinsk och farmaceutisk utveckling, implementering av kemiska processer och tillverkning av biologiska läkemedel. Eftersom huvudsyftet med sensornätverk är uppfattningen och överföringen av användbar information, utvecklar specialister vid Intel Berkeley-laboratoriet en metod för att kombinera sensorer med objekt som de är ansvariga för att övervaka, och undersöker också möjligheten att skapa "ställdon" - enheter baserade på sensorer som låter dig påverka situationen och inte bara registrera dess tillstånd. Sensornätverk är uppenbarligen användbara för militära tillämpningar, en möjlig variant av nätverket var "strid" som testades i Afghanistan, där den amerikanska militären satte in flera hundra sensorer för att spåra fiendens militärutrustnings rörelser. Dock om genomförandet
verkliga nätverk i våra liv för tidigt att säga, nätverket är sårbart för feltolerans. En överbelastningsattack (DoS) på ett sensornätverk är varje händelse som minskar eller eliminerar nätverkets förmåga att utföra sin förväntade funktion. Författarna föreslår att basera sensornätverksprotokoll på en skiktad arkitektur, vilket kan skada nätverkets effektivitet, men öka dess tillförlitlighet. Typerna av DoS-attacker som är typiska för varje nivå och acceptabla skyddsmetoder diskuteras. Så även idag, trots ofullkomligheten och fortfarande ganska smalt användningsområde, används sensornätverk inom vetenskapen och senare i livet.

Webbplatser som används:

Trådlösa sensornätverk: en översikt

Akuldiz I.F.

Översättning från engelska: Levzhinsky A.S.

anteckning

Artikeln beskriver begreppen sensornätverk, vars implementering har blivit möjlig som ett resultat av kombinationen av mikroelektromekaniska system, trådlös kommunikation och digital elektronik. Sensornätverkens uppgifter och potential studeras, en genomgång av fakta som påverkar deras utveckling görs. Arkitekturen för att bygga sensornätverk, de utvecklade algoritmerna och protokollen för varje lager av arkitekturen beaktas också. Artikeln utforskar frågor om implementeringen av sensornätverk.

1. Introduktion

De senaste framstegen inom mikroelektro-mekaniska system (MEMS) teknologier, trådlös kommunikation och digital elektronik har gjort det möjligt att skapa billiga, lågeffekts, multifunktionella motes (noder), de är små och "pratar" direkt med varandra . Sensornätverk baserade på samarbete ett stort antal små noder som består av moduler för insamling och bearbetning av data, en sändare. Ett sådant nätverk har betydande fördelar jämfört med en uppsättning traditionella sensorer. Här är två nyckelfunktioner traditionella sensorer: Sensorer kan placeras långt från det observerade fenomenet. Detta tillvägagångssätt kräver många sensorer, som används av vissa komplexa metoder för att få mål att sticka ut från bruset.
Du kan distribuera flera sensorer som bara samlar in data. Designa noggrant sensorpositioner och topologi. De kommer att överföra observationer till de centrala noderna, där datainsamling och bearbetning kommer att utföras.
Sensornätverket består av ett stort antal noder (motes), som är tätt placerade nära det observerade fenomenet. Motsarnas position behöver inte förberäknas. Detta gör att de kan placeras slumpmässigt i svåråtkomliga områden eller användas för hjälpinsatser som kräver snabb respons. Å andra sidan betyder detta att nätverksprotokoll och mot-algoritmer måste vara självorganiserande. En annan unik egenskap hos sensornätverk är samarbetet mellan enskilda noder. Motes är utrustade med en processor. Istället för att vidarebefordra originaldata kan de därför bearbeta det genom att utföra enkla beräkningar och bara skicka vidare nödvändiga och delvis bearbetade data. De ovan beskrivna funktionerna tillhandahåller ett brett utbud av applikationer för sensornätverk. Sådana nätverk kan användas inom sjukvård, militär och säkerhet. Till exempel kan fysiologiska data om en patient övervakas på distans av en läkare. Detta är bekvämt både för patienten och låter läkaren förstå hans nuvarande tillstånd. Sensornätverk kan användas för att upptäcka främmande kemiska ämnen i luft och vatten. De kan hjälpa till att bestämma typen, koncentrationen och placeringen av föroreningar. I huvudsak möjliggör sensornätverk en bättre förståelse av miljön. Vi räknar med att trådlösa sensornätverk i framtiden kommer att vara en integrerad del av våra liv, mer än dagens persondatorer. Genomförandet av dessa och andra projekt som kräver användning av trådlösa sensornätverk kräver speciella metoder. Många protokoll och algoritmer har utvecklats för traditionella trådlösa ad hoc-nätverk, så de är inte väl lämpade för de unika egenskaperna och kraven hos sensornätverk. Här är skillnaderna mellan sensor- och peer-to-peer-nätverk: Antalet noder i ett sensornätverk kan vara flera storleksordningar högre än noder i ett peer-to-peer-nätverk.
Noderna är tätt placerade.
Noder är benägna att misslyckas.
Topologin för sensornätverk kan ändras ofta
Noder använder i första hand broadcast-meddelanden, medan de flesta peer-to-peer-nätverk är baserade på punkt-till-punkt-kommunikation.
Noder är begränsade i kraft, processorkraft och minne.
Noder kan inte ha ett globalt identifieringsnummer (ID) på grund av den stora mängden overhead och det stora antalet sensorer.
Eftersom noderna i nätverket är tätt packade kan angränsande noder vara mycket nära varandra. Därför kommer flerhoppsanslutningar i sensornätverk att förbruka mindre ström än direktanslutningar. Dessutom kan en låg datasignaleffekt användas, vilket är användbart vid hemlig övervakning. Multi-hop-kommunikation kan effektivt övervinna några av svårigheterna med signalutbredning över långa avstånd i trådlös kommunikation. En av de viktigaste begränsningarna för noder är låg strömförbrukning. Motes har begränsade energikällor. Så, medan traditionella nätverk syftar till att uppnå Hög kvalitet signal bör motes nätverksprotokoll främst fokusera på energibesparing. De bör ha mekanismer som ger användaren möjlighet att förlänga motorns livslängd genom att antingen minska bandbredd, eller öka fördröjningstiden för dataöverföring. Många forskare är för närvarande involverade i utvecklingen av kretsar som uppfyller dessa krav. I den här artikeln kommer vi att granska de protokoll och algoritmer som för närvarande finns för sensornätverk. Vårt mål är att ge en bättre förståelse för aktuella forskningsfrågor inom detta område. Vi kommer också att försöka utforska designbegränsningarna och identifiera verktyg som kan användas för att lösa designproblem. Artikeln är organiserad så här: i det andra avsnittet beskriver vi potentialen och användbarheten av sensornätverk. I avsnitt 3 diskuterar vi de faktorer som påverkar utformningen av sådana nätverk. En detaljerad studie av befintliga metoder inom detta område kommer att behandlas i avsnitt 4. Och vi kommer att sammanfatta i avsnitt 5.

2. Tillämpning av trådlösa sensornätverk

Sensornätverk kan vara sammansatta av olika typer av sensorer, såsom seismiska, magnetiska fält, termiska, infraröda, akustiska, som kan utföra en mängd olika mätningar av miljöförhållanden. Till exempel, som:
temperatur,
fuktighet,
biltrafik,
blixt tillstånd,
tryck,
markens sammansättning,
ljudnivå,
närvaron eller frånvaron av vissa föremål,
mekanisk belastning
dynamiska egenskaper som objektets hastighet, riktning och storlek.
Motes kan användas för kontinuerlig sondering, händelsedetektering och identifiering. Begreppet mikroavkänning och trådlös anslutning lovar många nya applikationer för sådana nätverk. Vi har kategoriserat dem efter huvudområdena: militära tillämpningar, miljöforskning, hälsovård, användning i hem och andra kommersiella områden. Men det är möjligt att utöka denna klassificering och lägga till fler kategorier, såsom rymdutforskning, kemisk bearbetning och katastrofhjälp.

2.1. Militär ansökan

Trådlösa sensornätverk kan vara en integrerad del av militära kommando-, kommunikations-, underrättelse-, övervaknings- och orienteringssystem (C4ISRT). Snabb distribution, självorganisering och feltolerans är egenskaper hos sensornätverk som gör dem till ett lovande verktyg för att lösa problem. Eftersom sensornätverk kan baseras på en tät utplacering av engångsnoder och billiga noder, kommer att förstöra några av dem under fientligheter inte att påverka den militära operationen på samma sätt som att förstöra traditionella sensorer. Därför är användningen av sensornätverk bättre lämpad för strider. Vi listar några fler sätt att använda sådana nätverk: övervakning av vapen och ammunition från vänliga styrkor, observation av striden; orientering på marken; bedömning av stridsskador; upptäckt av nukleära, biologiska och kemiska attacker. Övervakning av vänliga styrkor, vapen och ammunition: ledare och befälhavare kan ständigt övervaka statusen för sina trupper, tillståndet och tillgängligheten av utrustning och ammunition på slagfältet med hjälp av sensornätverk. Varje fordon, utrustning och viktig ammunition kan ha sensorer kopplade för att rapportera sin status. Dessa data samlas ihop vid nyckelnoder och skickas till ledarna. Data kan också vidarebefordras till övre nivåerna kommandohierarkier att kombinera med data från andra delar. Stridsobservationer: Kritiska områden, stigar, rutter och sund kan snabbt täckas med sensornätverk för att studera fientliga styrkor. Under operationer eller efter att nya planer har tagits fram kan sensornätverk när som helst sättas in för att övervaka strid. Fiendens styrka och terrängspaning: Sensornätverk kan sättas in i kritiska områden och värdefull, detaljerad och aktuell data om fiendens styrkor och terräng kan samlas in inom några minuter innan fienden kan fånga upp den. Orientering: sensornätverk kan användas i smarta ammunitionsledningssystem. Skadebedömning efter strid: Strax före eller efter en attack kan sensornätverk distribueras till målområdet för att samla in skadebedömningsdata. Detektering av nukleära, biologiska och kemiska attacker: Vid användning av kemiska eller biologiska vapen, vars användning är nära noll, är det viktigt att ha snabb och korrekt identifiering av kemiska medel. Sensornätverk kan användas som varningssystem för kemiska eller biologiska attacker och data som samlas in kort tid bidra till att drastiskt minska antalet offer. Det är också möjligt att använda sensornätverk för detaljerad spaning efter att sådana attacker har upptäckts. Det är till exempel möjligt att utföra spaning vid strålkontamination utan att utsätta människor för strålning.

2.2. Miljöapplikation

Några av de områden inom ekologi där sensornätverk används är: spåra fåglars, smådjurs och insekters rörelser; övervakning av miljöns tillstånd för att identifiera dess inverkan på grödor och boskap; bevattning; storskalig jordövervakning och planetarisk utforskning; kemisk / biologisk detektion; upptäckt av skogsbränder; meteorologisk eller geofysisk forskning; upptäckt av översvämningar; och föroreningsforskning. Detektering av vildbrand: Eftersom motes kan placeras strategiskt och tätt utplacerade i en skog, kan de vidarebefordra det exakta ursprunget till en brand innan branden blir utom kontroll. Miljontals sensorer kan sättas in på permanent basis. De kan utrustas med solpaneler, eftersom noderna kan lämnas obevakade i månader eller till och med år. Motes kommer att arbeta tillsammans för att utföra distribuerade avkänningsuppgifter och övervinna hinder som träd och stenar som blockerar trådbundna sensorer. Kartläggning av miljöns biotillstånd: Kräver komplexa tillvägagångssätt för att integrera information över tids- och rumsskalor. Framsteg inom fjärranalysteknik och automatiserad datainsamling har kraftigt minskat forskningskostnaderna. Fördelen med dessa nätverk är att noder kan anslutas till Internet, vilket tillåter fjärranvändare kontrollera, övervaka och observera miljön. Även om satellit- och luftburna sensorer är användbara för att observera den stora mångfalden, såsom rumslig komplexitet, hos dominerande växtarter, tillåter de inte observation små element, som utgör majoriteten av ekosystemet. Som ett resultat finns det ett behov av att distribuera trådlösa sensornätverksnoder i fält. Ett exempel på en tillämpning är den biologiska kartläggningen av miljön i ett reservat i södra Kalifornien. Tre platser täcks av ett nätverk, som var och en har 25-100 noder, som används för kontinuerlig övervakning av miljöns tillstånd. Översvämningsdetektering: Ett exempel på översvämningsdetektering är högtalarsystemet i USA. Flera typer av sensorer placerade i varningssystemet bestämmer nivån på nederbörd, vattennivå och väder. Forskningsprojekt som COUGAR Device Database Project vid Cornell University och DataSpace Project vid Rutgers University undersöker olika tillvägagångssätt för att interagera med enskilda noder i ett nätverk för att få ögonblicksbilder och långtidsdata. Jordbruk: Fördelen med sensornätverk är också möjligheten att övervaka nivåer av bekämpningsmedel i vatten, jorderosionsnivåer och luftföroreningsnivåer i realtid.

2.3. Tillämpning inom medicin

En tillämpning inom medicin är i apparater för funktionshindrade; patientövervakning; diagnostik; övervakning av användningen av läkemedel på sjukhus; insamling av mänskliga fysiologiska data; och övervaka läkare och patienter på sjukhus. Övervakning av människans fysiologiska tillstånd: fysiologiska data som samlas in av sensornätverk kan lagras under lång tid och kan användas för medicinsk forskning. Installerade nätverksnoder kan också spåra äldres rörelser och till exempel förhindra fall. Dessa noder är små och ger patienten större rörelsefrihet, samtidigt som läkare kan identifiera symptomen på sjukdomen i förväg. Dessutom bidrar de till ett bekvämare liv för patienterna jämfört med sjukhusvård. För att testa genomförbarheten av ett sådant system skapade Grenoble-Frankrike medicinska fakulteten "Hälsosam smart hus"". . Övervakning av läkare och patienter på sjukhuset: varje patient har en liten och lätt nätverksnod. Varje nod har sin egen specifika uppgift. Till exempel kan en övervaka din hjärtfrekvens medan en annan mäter ditt blodtryck. Läkare kan också ha en sådan nod, det gör att andra läkare kan hitta dem på sjukhuset. Övervakning av läkemedel på sjukhus: Noder kan fästas på läkemedel, då kan chanserna att ta ut fel medicin minimeras. Så patienter kommer att ha noder som bestämmer deras allergier och nödvändiga mediciner. Datoriserade system som beskrivs i har visat att de kan hjälpa till att minimera biverkningarna av felaktig dispensering av läkemedel.

2.4. Ansökan hemma

Hemautomation: smarta noder kan integreras i hushållsapparater som dammsugare, mikrovågor, kylskåp och videobandspelare . De kan kommunicera med varandra och med ett externt nätverk via Internet eller satellit. Detta gör det möjligt för slutanvändare att enkelt hantera enheter hemma både lokalt och på distans. Smart miljö: Smart miljödesign kan ha två olika tillvägagångssätt, det vill säga mänskligt eller teknikcentrerat. När det gäller det första tillvägagångssättet måste den smarta miljön anpassa sig till slutanvändarnas behov när det gäller interaktion med dem. För teknikcentrerade system måste ny hårdvaruteknik, nätverkslösningar och mellanliggande applikationer utvecklas. Exempel på hur noder kan användas för att skapa en smart miljö beskrivs i . Noderna kan byggas in i möbler och vitvaror, de kan kommunicera med varandra och rumsservern. Rumsservern kan också kommunicera med andra rumsservrar för att lära sig om de tjänster de kan erbjuda, såsom utskrift, skanning och fax. Dessa servrar och sensornoder kan integreras i befintliga inbäddade enheter och utgör självorganiserande, självreglerande och adaptiva system baserade på den styrteorimodell som beskrivs i .

3. Faktorer som påverkar utvecklingen av sensornätverksmodeller.

Utvecklingen av sensornätverk beror på många faktorer, som inkluderar feltolerans, skalbarhet, produktionskostnader, typ av driftsmiljö, sensornätverkstopologi, hårdvarubegränsningar, informationsöverföringsmodell och strömförbrukning. Dessa faktorer övervägs av många forskare. Ingen av dessa studier tar dock helt hänsyn till alla faktorer som påverkar nätverksdesign. De är viktiga eftersom de fungerar som en riktlinje för utvecklingen av ett protokoll eller algoritmer för driften av sensornätverk. Dessutom kan dessa faktorer användas för att jämföra olika modeller.

3.1. feltolerans

Vissa noder kan misslyckas på grund av brist på ström, fysisk skada eller tredje parts interferens. Nodfel bör inte påverka driften av sensornätverket. Detta är en fråga om tillförlitlighet och feltolerans. Feltolerans - förmågan att upprätthålla funktionaliteten hos sensornätverket utan fel när en nod misslyckas. Tillförlitlighet Rk(t) eller nodfelstolerans modelleras genom att använda en Poisson-fördelning för att bestämma sannolikheten för inget nodfel under tidsperioden (0; t) Det är värt att notera att protokoll och algoritmer kan orienteras efter feltoleransnivån krävs för att bygga sensornätverk. Om miljön där noderna är placerade är mindre benägna att störa, kan protokollen vara mindre feltoleranta. Till exempel, om noder introduceras i ett hem för att övervaka luftfuktighet och temperaturnivåer, kan kraven på feltolerans vara låga, eftersom sådana sensornätverk inte kan misslyckas och omgivningens "brus" inte påverkar deras funktion. Å andra sidan, om noderna används på slagfältet för övervakning, bör feltoleransen vara hög, eftersom övervakning är kritisk och noderna kan förstöras under fientligheter. Som ett resultat beror nivån på feltoleransen på tillämpningen av sensornätverk och modeller måste utvecklas med detta i åtanke.

3.2. Skalbarhet

Antalet noder som används för att studera fenomenet kan vara i storleksordningen hundratals eller tusentals. Beroende på applikationen kan antalet nå extrema värden (miljoner). Nya modeller ska kunna hantera detta antal noder. De behöver också använda en hög täthet av sensornätverk, som kan sträcka sig från några få noder till flera hundra i ett område som kan vara mindre än 10 m i diameter. Densiteten kan beräknas enligt ,

3.3. Produktionskostnader

Eftersom sensornätverk består av ett stort antal noder måste kostnaden per nod vara sådan att den motiverar den totala kostnaden för nätverket. Om kostnaden för nätverket är högre än användningen av traditionella sensorer, är det inte ekonomiskt lönsamt. Som ett resultat måste kostnaden för varje nod vara låg. Nu är kostnaden för en nod som använder en Bluetooth-sändare mindre än $10. Priset för PicoNode är runt $1. Därför bör kostnaden för en sensornätverksnod vara mycket mindre än $1 för den ekonomiska motiveringen av deras användning. Kostnaden för en Bluetooth-nod, som anses vara en billig enhet, är 10 gånger högre än genomsnittspriset för sensornätverksnoder. Observera att noden även har några ytterligare moduler såsom en datainsamlingsmodul och en databearbetningsmodul (beskrivs i avsnitt 3.4.) Dessutom kan de utrustas med ett positioneringssystem eller en kraftgenerator, beroende på applikationen av sensorn nätverk. Som ett resultat är kostnaden för en nod en komplex fråga, givet antalet funktionalitetäven om priset är mindre än $1.

3.4. Hårdvarufunktioner

En sensornätverksnod består av fyra huvudkomponenter, som visas i fig. 1: datainsamlingsenhet, bearbetningsenhet, sändare och strömförsörjning. Förekomsten av ytterligare moduler beror på nätverksapplikationen, till exempel kan det finnas lokaliseringsmoduler, en kraftgenerator och en mobiliserare (MAC). Datainsamlingsmodulen består vanligtvis av två delar: sensorer och analog-till-digitalomvandlare (ADC). Den analoga signal som genereras av sensorn baserat på det observerade fenomenet omvandlas till digital signal med hjälp av ADC:n och matas sedan in i bearbetningsenheten. Bearbetningsmodulen, som använder det integrerade minnet, hanterar de procedurer som gör det möjligt att tillsammans med andra noder utföra de tilldelade övervakningsuppgifterna. Sändarenheten (transceivern) ansluter noden till nätverket. En av de viktigaste komponenterna i noden är strömförsörjningen. Strömförsörjningen kan vara uppladdningsbar, till exempel med hjälp av solpaneler.

De flesta noder som överför data och samlar in data behöver veta sin plats med hög noggrannhet. Därför, i allmän ordning platsmodulen aktiverad. Ibland kan man behöva en mobiliserare som vid behov flyttar noden när det är nödvändigt för att slutföra uppgifterna. Alla dessa moduler kan behöva inrymmas i en tändsticksaskstorlek. Knutstorleken kan vara mindre än en kubikcentimeter och tillräckligt lätt för att hålla sig i luften. Förutom storlek finns det några andra hårda gränser för noder. De måste :
förbrukar väldigt lite energi
arbeta med ett stort antal noder på korta avstånd,
har en låg produktionskostnad
vara självständig och arbeta utan tillsyn,
anpassa sig till miljön.
Eftersom noder kan bli otillgängliga beror sensornätverkets livslängd på kraften hos enskilda noder. Mat är en begränsad resurs och på grund av storleksbegränsningar. Till exempel är den totala energilagringen för en smart nod i storleksordningen 1 J. För WINS (Wireless Integrated Sensor Network) bör den genomsnittliga laddningsnivån vara mindre än 30 LA för att säkerställa lång körtid. Det är möjligt att förlänga livslängden på sensornätverk genom att använda uppladdningsbara batterier, till exempel genom att hämta energi från omgivningen. Solpaneler är ett utmärkt exempel på användningen av laddning. Nodkommunikationsmodul kan vara passiv eller aktiv optisk anordning som en smart nod eller en radiofrekvenssändare (RF). RF-överföring behöver en moduleringsmodul som använder en viss bandbredd, en filtreringsmodul, en demoduleringsmodul, vilket gör dem mer komplexa och dyra. Dessutom kan det bli förlust i dataöverföring mellan två noder på grund av att antennerna är placerade nära marken. Emellertid föredras radiokommunikation i de flesta existerande sensornätverkskonstruktioner eftersom datahastigheterna är låga (typiskt mindre än 1 Hz) och överföringscykelhastigheterna är höga på grund av korta avstånd. Dessa egenskaper tillåter användning av låga radiofrekvenser. Utformningen av energieffektiva och lågfrekventa radiosändare är dock fortfarande en teknisk utmaning, och den befintliga tekniken som används i produktionen Bluetooth-enheter, är inte tillräckligt effektiv för sensornätverk eftersom den förbrukar mycket energi. Även om processorer ständigt krymper i storlek och ökar i kraft, är bearbetningen och lagringen av data av noden fortfarande dess svaga punkt. Till exempel består den smarta nodbearbetningsmodulen av en 4 MHz Atmel AVR8535-processor, en mikrokontroller med 8 KB för instruktioner, flashminne, 512 byte RAM och 512 byte EEPROM. Denna modul, som har 3500 byte för OS och 4500 byte ledigt minne för kod, använder operativ system TinyOS. Bearbetningsmodulen för en annan lAMPS-nodprototyp har en 59-206 MHz SA-1110-processor. IAMPS-noder använder ett multitrådat operativsystem. L-OS-system. De flesta datainsamlingsuppgifter kräver kunskap om nodens position. Eftersom noderna vanligtvis är placerade slumpmässigt och utan övervakning måste de samarbeta med hjälp av ett positioneringssystem. Platsbestämning används i många routingprotokoll för sensornätverk (mer information i avsnitt 4). Vissa har föreslagit att varje nod ska ha en GPS-modul (Global Positioning System) som fungerar till inom 5 meter. Tidningen hävdar att det inte är nödvändigt att utrusta alla noder med GPS för driften av sensornätverk. Det finns ett alternativt tillvägagångssätt där endast vissa noder använder GPS och hjälper andra noder att bestämma sin position på marken.

3.5. Nätverks topologi

Det faktum att noder kan bli otillgängliga och utsatta för frekventa fel gör nätverksunderhåll till en utmanande uppgift. Från hundratals till flera tusen noder kan placeras på sensornätverkets territorium. De sätter ut tio meter från varandra. Densiteten av knop kan vara högre än 20 knop per kubikmeter. Det täta arrangemanget av många noder kräver noggrant underhåll av nätverket. Vi kommer att täcka frågor relaterade till att underhålla och ändra nätverkets topologi i tre steg:

3.5.1. Förutsättningen och utplaceringen av själva noderna kan bestå i massspridning av noderna eller installation av var och en separat. De kan distribueras:

Utspridda från ett flygplan,
genom att placeras i en raket eller projektil
kastas med hjälp av en katapult (till exempel från ett fartyg, etc.),
placering i fabriken
varje nod placeras individuellt av en människa eller en robot.
Även om det stora antalet sensorer och deras automatiserade driftsättning vanligtvis utesluter att de placeras enligt en noggrant utformad plan, bör initiala utbyggnadsscheman:
minska installationskostnaderna
eliminera behovet av någon tidigare organisation och förhandsplanering,
öka placeringsflexibiliteten,
främja självorganisering och feltolerans.

3.5.2. Fas efter nätverksinstallation

Efter att nätverket har distribuerats är förändringen i dess topologi associerad med en förändring i nodernas egenskaper. Låt oss lista dem:
placera,
tillgänglighet (på grund av störningar, buller, rörliga hinder, etc.),
batteriladdning,
funktionsfel
byta uppgifter.
Noder kan distribueras statiskt. Det är dock vanligt med enhetsfel på grund av att batteriet laddas ur eller förstörs. Sensornätverk med hög nodmobilitet är möjliga. Dessutom utför noder och nätverk olika uppgifter och kan utsättas för avsiktlig störning. Således är strukturen hos sensornätverket benägen för frekventa förändringar efter utplacering.

3.5.3. Ytterligare nodinstallationsfas

Ytterligare noder kan läggas till när som helst för att ersätta felaktiga noder eller på grund av ändrade uppgifter. Att lägga till nya noder skapar ett behov av att omorganisera nätverket. Att hantera frekventa förändringar i topologin i ett peer-to-peer-nätverk som innehåller många noder och har mycket snäva effektgränser kräver speciella routingprotokoll. Denna fråga diskuteras mer ingående i avsnitt 4.

3.6. Miljö

Noderna är tätt placerade mycket nära eller direkt inom det observerade fenomenet. De verkar alltså utan tillsyn i avlägsna geografiska områden. De kan jobba
vid trafikerade korsningar
inuti stora maskiner,
på havets botten
inuti en tornado
på havets yta under en tornado,
i biologiskt och kemiskt förorenade områden
på slagfältet
i ett hus eller en stor byggnad,
i ett stort lager
knuten till djur
fäst vid snabbrörlig fordon
i ett avlopp eller en flod tillsammans med vattenflödet.
Den här listan ger en uppfattning om villkoren under vilka noder kan fungera. De kan arbeta under högt tryck på havsbotten, i tuffa miljöer, bland skräp eller på slagfältet, i extrema temperaturer, som i munstycket på en flygmotor eller i arktiska områden, på mycket bullriga platser där det finns mycket interferens.

3.7. Dataöverföringsmetoder

I ett multi-hop sensornätverk kommunicerar noder trådlöst. Kommunikation kan ske via radio, infraröd eller optisk media. För att kunna använda dessa metoder globalt måste överföringsmediet vara tillgängligt över hela världen. Ett alternativ för radiokommunikation är att använda banden Industrial, Scientific and Medical (ISM), som är tillgängliga utan licens i de flesta länder. Några av de frekvenser som kan användas beskrivs i den internationella frekvenstabellen som finns i artikel S5 om radioreglementet (volym 1). Vissa av dessa frekvenser används redan i trådlös telefoni och trådlösa lokala nätverk (WLAN). För sensornätverk av liten storlek och låg kostnad krävs ingen signalförstärkare. Enligt , hårdvarubegränsningar och att hitta en kompromiss mellan antenneffektivitet och strömförbrukning medför vissa begränsningar för valet av sändningsfrekvens i området mikrovågsfrekvenser. De erbjuder även 433 MHz ISM i Europa och 915 MHz ISM i Nordamerika. Möjliga modeller sändare för dessa två zoner är täckta av . De främsta fördelarna med att använda ISM-radiofrekvenser är det breda spektrumet av frekvenser och global tillgänglighet. De är inte bundna till en specifik standard, vilket ger större frihet att implementera energibesparande strategier i sensornätverk. Å andra sidan finns det olika regler och begränsningar, såsom olika lagar och störningar från befintliga applikationer. Dessa frekvensband kallas även oreglerade frekvenser. Det mesta av dagens nodutrustning bygger på användningen av radiosändare. De trådlösa noderna hos IAMPS, som beskrivs i , använder Bluetooth-aktiverade 2,4 GHz-sändare och har en integrerad frekvenssyntes. Enheten med lågeffektnoder beskrivs i arbetet, de använder en radioöverföringskanal, som fungerar med en frekvens på 916 MHz. WINS-arkitekturen använder också radio. Annan möjligt sätt kommunikation i sensornätverk är infraröd. IR-kommunikation är tillgänglig utan licens och är immun mot elektriska störningar. IR-sändare är billigare och enklare att tillverka. Många av dagens bärbara datorer, handdatorer och mobiltelefoner använder ett IR-gränssnitt för dataöverföring. Den största nackdelen med sådan kommunikation är kravet på direkt synlighet mellan avsändaren och mottagaren. Detta gör IR-kommunikation oönskad för användning i sensornätverk på grund av överföringsmediet. En intressant överföringsmetod är att använda smarta noder, som är moduler för automatisk övervakning och databehandling. De använder ett optiskt medium för överföring. Det finns två överföringsscheman, passiva med en hörnkub-retroreflektor (CCR) och aktiva med en laserdiod och styrda speglar (diskuteras i ). I det första fallet krävs inte en integrerad ljuskälla, en konfiguration med tre spegel (CCR) används för signalöverföring. Den aktiva metoden använder en laserdiod och en aktiv laserkommunikation, för att skicka ljusstrålar till den avsedda mottagaren. De ovanliga tillämpningskraven för sensornätverk gör valet av överföringsmedium svårt. Till exempel kräver marina tillämpningar användningen av ett akvatiskt transmissionsmedium. Här behöver du använda långvågig strålning, som kan penetrera vattenytan. I svår terräng eller på slagfältet kan fel och mer störningar uppstå. Dessutom kan det visa sig att nodantennerna inte har den nödvändiga höjden och strålningseffekten för kommunikation med andra enheter. Därför måste valet av överföringsmedium åtföljas av tillförlitliga modulerings- och kodningsscheman, som beror på överföringskanalens egenskaper.

3.8. Energiförbrukning

Den trådlösa noden, som är en mikroelektronisk enhet, kan endast utrustas med en begränsad strömförsörjning (

3.8.1. Förbindelse

En nod lägger sin maximala energi på kommunikation, vilket innebär både sändning och mottagning av data. Man kan säga att för att kommunicera korta avstånd med låg sändningseffekt kräver sändning och mottagning ungefär samma mängd energi. Frekvenssynthesizers, spänningsstyrda oscillatorer, fasblockering (PLL) och effektförstärkare kräver alla energi, vilket är begränsat. Det är viktigt att vi i det här fallet inte bara tar hänsyn till aktiv effekt, utan också förbrukningen av el när vi startar sändare. Att starta upp sändaren tar en bråkdel av en sekund, så den förbrukar försumbara mängder ström. Detta värde kan jämföras med PLL-låstiden. Men när det överförda paketet minskar, börjar starteffekten dominera effektförbrukningen. Som ett resultat är det ineffektivt att ständigt slå på och av sändaren, eftersom det mesta av energin kommer att läggas på detta. För närvarande har lågeffektsradiosändare standard Pt- och Pr-värden på 20 dBm och Pout nära 0 dBm. Observera att PicoRadio riktad till PC är -20dBm. Utformningen av små, billiga sändare diskuteras i källan. Baserat på deras resultat tror författarna till denna artikel, med tanke på budget- och energiuppskattningar, att värdena för Pt och Pr bör vara minst en storleksordning mindre än värdena ovan.

3.8.2. Databehandling

Energiförbrukningen för databehandling är mycket mindre jämfört med dataöverföring. Exemplet som beskrivs i tidningen illustrerar faktiskt denna avvikelse. Baserat på Rayleighs teori om att en fjärdedel av strömmen går förlorad vid sändning kan vi dra slutsatsen att energiförbrukningen för att sända 1 KB över ett avstånd på 100 m blir ungefär densamma som att utföra 3 miljoner instruktioner i en takt av 100 miljoner instruktioner per sekund (MIPS )/W av processorn. Därför är lokal databehandling avgörande för att minimera strömförbrukningen i ett sensornätverk med flera hopp. Därför måste noder ha inbyggda beräkningsmöjligheter och kunna interagera med omgivningen. Kostnads- och storleksbegränsningar kommer att leda till att vi väljer halvledare (CMOS) som huvudteknik för mikroprocessorer. Tyvärr har de gränser för energieffektivitet. CMOS kräver ström varje gång den ändrar tillstånd. Energi som krävs för att ändra tillstånd, proportionell mot kopplingsfrekvens, kapacitans (beroende på area) och spänningsfluktuationer. Därför är minskning av matningsspänningen ett effektivt sätt att minska strömförbrukningen i aktivt tillstånd. Dynamisk spänningsskalning, diskuterad i , försöker anpassa processorns effekt och frekvens efter arbetsbelastningen. När bearbetningsbelastningen på mikroprocessorn reduceras ger en enkel minskning av frekvensen en linjär minskning av strömförbrukningen, men en minskning av driftspänningen ger oss en kvadratisk minskning av strömkostnaderna. Å andra sidan kommer inte all möjlig processorprestanda att användas. Detta kommer att ge resultatet om vi tar hänsyn till att toppprestanda inte alltid krävs och därför, Driftspänning och processorfrekvensen kan anpassas dynamiskt till behandlingskrav. Författarna föreslår arbetsbelastningsförutsägelsescheman baserade på adaptiv bearbetning av befintliga belastningsprofiler och på analys av flera redan skapade scheman. Andra strategier för att minska processorkraften diskuteras i . Det bör noteras att ytterligare scheman för kodning och avkodning av data kan användas. Integrerade kretsar kan också användas i vissa fall. I alla dessa scenarier beror strukturen på sensornätverket, driftalgoritmer och protokoll på respektive energikostnader.

4. Arkitektur av sensornätverk

Noderna är vanligtvis placerade slumpmässigt i hela observationsområdet. Var och en av dem kan samla in data och känner till vägen för dataöverföring tillbaka till den centrala noden, slutanvändaren. Data överförs med hjälp av en multi-hop nätverksarkitektur. Den centrala noden kan kommunicera med uppgiftshanteraren via Internet eller satellit. Protokollstacken som används av den centrala noden och alla andra noder visas i fig. 3. Protokollstacken innehåller energiinformation och ruttinformation, innehåller nätverksprotokollinformation, hjälper till att kommunicera effektivt över den trådlösa miljön och främjar nodsamarbete. Protokollstacken består av ett applikationslager, ett transportlager, ett nätverkslager, ett datalänklager, ett fysiskt lager, ett energihanteringslager, ett mobilitetshanteringslager och ett aktivitetsschemaläggningslager. Beroende på uppgiften att samla in data, olika sorter applicerad programvara kan byggas på applikationslagret. transportlagret hjälper till att hålla dataflödet vid behov. Nätverkslagret hanterar dirigeringen av data som tillhandahålls av transportlagret. Eftersom miljön är bullrig och noder kan flyttas måste MAC-protokollet minimera förekomsten av kollisioner vid överföring av data mellan angränsande noder. Det fysiska lagret ansvarar för möjligheten att överföra information. Dessa protokoll hjälper värdar att utföra uppgifter samtidigt som de sparar ström. Strömhanteringslagret bestämmer hur en nod ska använda ström. Till exempel kan en nod stänga av en mottagare efter att ha tagit emot ett meddelande från en av dess grannar. Detta hjälper dig att undvika att få ett duplicerat meddelande. Dessutom, när en nod har låg batterinivå, kommunicerar den till sina grannar att den inte kan delta i meddelandedirigering. Den kommer att använda all återstående energi för att samla in data. MAC-skiktet (Mobility Control) upptäcker och registrerar nodernas rörelse, så det finns alltid en väg för dataöverföring till den centrala noden och noder kan bestämma sina grannar. Och genom att känna till sina grannar kan noden balansera strömförbrukningen genom att arbeta tillsammans med dem. Aktivitetshanteraren planerar och schemalägger insamlingen av information för varje region separat. Alla noder i samma region är inte skyldiga att köra sonderingsuppgifter samtidigt. Som ett resultat utför vissa noder fler uppgifter än andra, beroende på deras kapacitet. Alla dessa lager och moduler är nödvändiga för att noderna ska fungera tillsammans och sträva efter maximal energieffektivitet, optimera dataöverföringsvägen i nätverket och även dela varandras resurser. Utan dem kommer varje nod att fungera individuellt. Ur hela sensornätverkets synvinkel är det mer effektivt om noderna samverkar med varandra, vilket bidrar till att förlänga livslängden på själva nätverken. Innan vi diskuterar behovet av att inkludera moduler och kontrolllager i protokollet kommer vi att överväga tre befintliga arbeten på protokollstacken, vilket visas i figur 3. WINS-modellen som diskuteras i källan, där noder är anslutna i ett distribuerat nätverk och har tillgång till Internet. Eftersom ett stort antal WINS-nätverksnoder är belägna på ett litet avstånd från varandra, reducerar multi-hop-kommunikation strömförbrukningen till ett minimum. Miljöinformationen som tas emot av en nod skickas sekventiellt till den centrala noden eller WINS-gatewayen genom andra noder, som visas i figur 2 för noderna A, B, C, D och E. WINS-gatewayen kommunicerar med användaren genom vanliga nätverksprotokoll som Internet. WINS-nätverksprotokollstacken består av applikationslagret, nätverkslagret, MAC-lagret och det fysiska lagret. Smarta noder (eller dammfläckar). Dessa noder kan fästas på föremål eller till och med flyta i luften på grund av deras ringa storlek och vikt. De använder MEMS-teknik för optisk kommunikation och datainsamling. Damm motes kan ha solpaneler att ladda under dagen. De kräver en siktlinje för att kommunicera med en optisk basstationssändare eller annan dammfläck. Om man jämför dammnätverkets arkitektur med den som visas i figur 2 kan man säga att smarta noder vanligtvis kommunicerar direkt med basstationens sändare, men en-till-en-kommunikation är också möjlig. Ett annat tillvägagångssätt för utvecklingen av protokoll och algoritmer för sensornätverk beror på det fysiska lagrets krav. Protokoll och algoritmer måste utformas efter valet av fysiska komponenter såsom typen av mikroprocessorer och typen av mottagare. Detta nedifrån-och-upp-tillvägagångssätt används i IAMPS-modellen och tar även hänsyn till beroendet av applikationslagret, nätverkslagret, MAC-lagret och det fysiska lagret på värdhårdvaran. IAMPS-noderna interagerar med slutanvändaren på exakt samma sätt som i arkitekturen som visas i figur 2. Olika scheman, såsom tidsdelningsdelning (TDMA) eller frekvensdelningsdelning (FDMA) och binär modulering eller M-modulation, jämförs i källan. Bottom-up-metoden innebär att nodens algoritmer måste känna till hårdvaran och använda kapaciteten hos mikroprocessorer och sändare för att minimera strömförbrukningen. Detta kan leda till utvecklingen av olika noddesigner. Och olika noddesigner kommer att leda till olika typer av sensornätverk. Vilket i sin tur kommer att leda till utveckling av olika algoritmer för deras arbete.

Litteratur

G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Slutrapport om interagency workshop om forskningsfrågor för smarta miljöer, IEEE Personal Communications (oktober 2000) 36–40.
J. Agre, L. Clare, En integrerad arkitektur för kooperativa avkänningsnätverk, IEEE Computer Magazine (maj 2000) 106–108.
OM. Akyildiz, W. Su, PAER-protokoll (power aware enhanced routing) för sensornätverk, Georgia Technical Report, januari 2002, inlämnad för publicering.
A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirekt TCP för mobila värdar, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, maj 1995, s. 136–143.
P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Den mobila patienten: trådlösa distribuerade sensornätverk för patientövervakning och vård, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on the lifetime of sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsingfors, Finland, juni 2001.
P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the Physical World, IEEE Personal Communications (oktober 2000) 10–15.

Arkitektur för ett typiskt trådlöst sensornätverk

Trådlöst sensornätverkär ett distribuerat, självorganiserande nätverk av många sensorer (sensorer) och ställdon, sammankopplade via en radiokanal. Dessutom kan täckningsområdet för ett sådant nätverk variera från flera meter till flera kilometer på grund av möjligheten att vidarebefordra meddelanden från ett element till ett annat.

Historia och omfattning

En av de första prototyperna av sensornätverket kan betraktas som SOSUS-systemet, designat för att upptäcka och identifiera ubåtar. Teknik för trådlösa sensornätverk började utvecklas aktivt relativt nyligen - i mitten av 1990-talet. Men först i början av 2000-talet gjorde utvecklingen av mikroelektronik det möjligt att producera en ganska billig elementbas för sådana enheter. Moderna trådlösa nätverk är huvudsakligen baserade på ZigBee-standarden. Ett stort antal industrier och marknadssegment (tillverkning, olika transportsätt, livsuppehållande, säkerhet) är redo för implementering av sensornätverk, och detta antal ökar ständigt. Trenden drivs av ökande komplexitet tekniska processer, utvecklingen av produktionen, de växande behoven hos individer inom segmenten säkerhet, resurskontroll och användning av lager. Med utvecklingen av halvledarteknologier uppstår nya praktiska uppgifter och teoretiska problem relaterade till tillämpningarna av sensornätverk inom industri, bostäder och kommunala tjänster och hushåll. Användningen av billiga trådlösa sensorstyrenheter öppnar nya områden för tillämpningen av telemetri och kontrollsystem, såsom:

Snabb upptäckt av möjliga fel på ställdon, för att kontrollera sådana parametrar som vibrationer, temperatur, tryck, etc.;
Realtidsåtkomstkontroll till fjärrsystem för det övervakade objektet;
- säkerställa skyddet av museivärden
- redovisning av utställningar
- automatisk översyn av utställningar
Inspektionsautomation och Underhåll industriella tillgångar;
Förvaltning av kommersiella tillgångar;
Tillämpning som komponenter i energi- och resurssparande teknologier;
Kontroll av ekologiska parametrar i miljön

Det bör noteras att trots sensornätverkens långa historia har konceptet att bygga ett sensornätverk inte äntligen tagit form och inte uttryckts i vissa mjukvaru- och hårdvarulösningar (plattformar). Implementeringen av sensornätverk i det aktuella skedet beror till stor del på de specifika kraven för den industriella uppgiften. Implementeringen av arkitektur, mjukvara och hårdvara befinner sig i ett skede av intensiv teknikbildning, vilket drar till sig utvecklarnas uppmärksamhet för att söka efter en teknisk nisch för framtida tillverkare.

Teknologier

Trådlösa sensornätverk (WSN) består av datorenheter i miniatyr - motes, utrustade med sensorer (sensorer för temperatur, tryck, ljus, vibrationsnivå, plats, etc.) och signalsändtagare som arbetar inom ett givet radioområde. Flexibel arkitektur, minskade installationskostnader skiljer trådlösa smarta sensornätverk från andra trådlösa och trådbundna dataöverföringsgränssnitt, speciellt när det kommer till ett stort antal sammankopplade enheter låter sensornätverket dig ansluta upp till 65 000 enheter. Den ständiga minskningen av kostnaden för trådlösa lösningar, ökningen av deras driftsparametrar gör det möjligt att gradvis omorientera från trådbundna lösningar i system för insamling av telemetridata, fjärrdiagnostik och informationsutbyte. "Sensoriskt nätverk" är idag ett väletablerat begrepp. Sensornätverk), som betecknar en distribuerad, självorganiserande, feltolerant enskilda element ett nätverk av obevakade enheter som inte kräver speciell installation. Varje sensornätverksnod kan innehålla olika sensorer för miljökontroll, mikrodator och radiosändtagare. Detta gör att enheten kan utföra mätningar, självständigt utföra initial databehandling och upprätthålla kommunikation med ett externt informationssystem.

802.15.4/ZigBee vidarebefordrad kortdistansradioteknik, känd som "Sensor Networks" WSN - Wireless Sensor Network), är en av de moderna riktningarna i utvecklingen av självorganiserande feltoleranta distribuerade system för övervakning och hantering av resurser och processer. Idag är trådlös sensornätverksteknik den enda trådlös teknik, med vilken du kan lösa uppgifterna med övervakning och kontroll, som är avgörande för sensorernas drifttid. Sensorerna kombinerade till ett trådlöst sensornätverk bildar ett territoriellt distribuerat självorganiserande system för insamling, bearbetning och överföring av information. Det huvudsakliga applikationsområdet är kontroll och övervakning av de uppmätta parametrarna för fysiska medier och objekt.

Den antagna IEEE 802.15.4-standarden beskriver åtkomstkontroll till trådlös kanal och fysiskt lager för trådlös låghastighet personliga nätverk, det vill säga de två nedre skikten enligt OSI-nätverksmodellen. Den "klassiska" sensornätverksarkitekturen är baserad på en typisk nod som inkluderar, exempel på en typisk RC2200AT-SPPIO-nod:

radioväg;
processormodul;
batteri;
olika sensorer.

En typisk nod kan representeras av tre typer av enheter:

Nätverkskoordinator (FFD - Fully Function Device);
- utför global koordinering, organisation och inställning av nätverksparametrar;
- den mest komplexa av de tre enhetstyperna, som kräver mest minne och strömförsörjning;

Enhet med en komplett uppsättning funktioner (FFD - Fully Function Device);
- stöd för 802.15.4;
- extra minne och strömförbrukning gör att du kan fungera som nätverkskoordinator;
- stöd för alla typer av topologier ("punkt-till-punkt", "stjärna", "träd", "nätverk");
- förmågan att fungera som nätverkskoordinator;
- möjligheten att komma åt andra enheter i nätverket;
(RFD - Reduced Function Device);
- stöder en begränsad uppsättning 802.15.4-funktioner;
- stöd för punkt-till-punkt, stjärntopologier;
- fungerar inte som samordnare;
- ringer nätverkskoordinatorn och routern;

Anteckningar

1 2 3 Ragozin DV Modellering av synkroniserade sensornätverk. Programmeringsproblem. 2008. Nr 2-3. Specialnummer - 721-729 sid.
Baranova E. IEEE 802.15.4 och dess mjukvarutillägg ZigBee. // Telemultimedia, 8 maj 2008.
Levis P., Madden S., Polastre J. och dr. "TinyOS: Ett operativsystem för trådlösa sensornätverk" // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (red.) // In Ambient Intelligence. - New York, NY: Springer-Verlag, 2005. - 374 sid.
Algoritmiska accepter för trådlösa sensornätverk. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislaw Kubiak, Eds. – Polen, Wrozlaw: Springer, 2007.
Intelligenta system baserade på sensornätverk. - www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf // Institutet för finmekanik och datorteknik uppkallad efter A.I. S.A. Lebedev RAN, 2009.
Helt färdiga ZigBee-moduler från RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // Komponenter och teknologier.
ZigBee/802.15.4-protokollstack på Freescale Semiconductor-plattformen - www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt, 2004

ladda ner
Detta abstrakt bygger på

Historia och omfattning

En av de första prototyperna av sensornätverket kan betraktas som SOSUS-systemet, designat för att upptäcka och identifiera ubåtar. Teknik för trådlösa sensornätverk började utvecklas aktivt relativt nyligen - i mitten av 1990-talet. Men först i början av 2000-talet gjorde utvecklingen av mikroelektronik det möjligt att producera en ganska billig elementbas för sådana enheter. Moderna trådlösa nätverk är huvudsakligen baserade på ZigBee-standarden. Ett stort antal industrier och marknadssegment (tillverkning, olika transportsätt, livsuppehållande, säkerhet) är redo för implementering av sensornätverk, och detta antal ökar ständigt. Trenden beror på komplikationen av tekniska processer, utvecklingen av produktionen, de växande behoven hos individer inom segmenten säkerhet, resurskontroll och användning av lager. Med utvecklingen av halvledarteknologier uppstår nya praktiska uppgifter och teoretiska problem relaterade till tillämpningarna av sensornätverk inom industri, bostäder och kommunala tjänster och hushåll. Användningen av billiga trådlösa sensorstyrenheter öppnar nya områden för tillämpningen av telemetri och kontrollsystem, såsom:

Snabb upptäckt av möjliga fel på ställdon, för att kontrollera sådana parametrar som vibrationer, temperatur, tryck, etc.;
Realtidsåtkomstkontroll till fjärrsystem för det övervakade objektet;
Automatisering av inspektion och underhåll av industriella tillgångar;
Förvaltning av kommersiella tillgångar;
Tillämpning som komponenter i energi- och resurssparande teknologier;
Kontroll av miljöns ekoparametrar.

Teknologier

Trådlösa sensornätverk (WSN) består av datorenheter i miniatyr - motes, utrustade med sensorer (sensorer för temperatur, tryck, ljus, vibrationsnivå, plats, etc.) och signalsändtagare som arbetar inom ett givet radioområde. Flexibel arkitektur, minskade installationskostnader skiljer trådlösa smarta sensornätverk från andra trådlösa och trådbundna dataöverföringsgränssnitt, speciellt när det kommer till ett stort antal sammankopplade enheter låter sensornätverket dig ansluta upp till 65 000 enheter. Den ständiga minskningen av kostnaden för trådlösa lösningar, ökningen av deras driftsparametrar gör det möjligt att gradvis omorientera från trådbundna lösningar i system för insamling av telemetridata, fjärrdiagnostik och informationsutbyte. "Sensoriskt nätverk" är idag ett väletablerat begrepp. Sensornätverk), som betecknar ett distribuerat, självorganiserande, feltolerant nätverk av individuella element från obevakade och som inte kräver någon speciell installation av enheter. Varje nod i sensornätverket kan innehålla olika sensorer för övervakning av den yttre miljön, en mikrodator och en radiosändtagare. Detta gör att enheten kan utföra mätningar, självständigt utföra initial databehandling och upprätthålla kommunikation med ett externt informationssystem.

802.15.4/ZigBee förmedlad kortdistansradioteknik, känd som "Sensor Networks" (eng. WSN - Wireless Sensor Network), är en av de moderna riktningarna i utvecklingen av självorganiserande feltoleranta distribuerade system för övervakning och hantering av resurser och processer. Idag är trådlös sensornätverksteknik den enda trådlösa tekniken som kan lösa de övervaknings- och kontrolluppgifter som är kritiska för sensorernas drifttid. Sensorerna kombinerade till ett trådlöst sensornätverk bildar ett territoriellt distribuerat självorganiserande system för insamling, bearbetning och överföring av information. Det huvudsakliga applikationsområdet är kontroll och övervakning av de uppmätta parametrarna för fysiska medier och objekt.

radioväg;
processormodul;
batteri;
olika sensorer.

En typisk nod kan representeras av tre typer av enheter:

Nätverkskoordinator (FFD - Fully Function Device);
- utför global koordinering, organisation och inställning av nätverksparametrar;
- den mest komplexa av de tre enhetstyperna, som kräver mest minne och strömförsörjning;

Enhet med en komplett uppsättning funktioner (FFD - Fully Function Device);
- stöd för 802.15.4;
- extra minne och strömförbrukning gör att du kan fungera som nätverkskoordinator;
- stöd för alla typer av topologier ("punkt-till-punkt", "stjärna", "träd", "nätverk");
- förmågan att fungera som nätverkskoordinator;
- möjligheten att komma åt andra enheter i nätverket;
(RFD - Reduced Function Device);
- stöder en begränsad uppsättning 802.15.4-funktioner;
- stöd för punkt-till-punkt, stjärntopologier;
- fungerar inte som samordnare;
- ringer nätverkskoordinatorn och routern;

Företag utvecklare

Det finns olika typer av företag på marknaden:

Anteckningar

Wikimedia Foundation. 2010 .

Se vad "Wireless Sensor Networks" är i andra ordböcker:

- (andra namn: trådlösa ad hoc-nätverk, trådlösa dynamiska nätverk) decentraliserade trådlösa nätverk som inte har en permanent struktur. Klientenheter ansluts i farten och bildar ett nätverk. Varje nätverksnod försöker vidarebefordra ... ... Wikipedia

Denna sida föreslås byta namn till trådlöst ad hoc-nätverk. Förklaring av skäl och diskussion på Wikipedia-sidan: Döps om / 1 december 2012. Kanske uppfyller dess nuvarande namn inte standarden för den moderna ... ... Wikipedia

Trådlösa ad hoc-nätverk är decentraliserade trådlösa nätverk som inte har en permanent struktur. Klientenheter ansluts i farten och bildar ett nätverk. Varje nod i nätverket försöker vidarebefordra data som är avsedda för andra noder. Samtidigt ... ... Wikipedia

Arkitekturen för ett typiskt trådlöst sensornätverk Ett trådlöst sensornätverk är ett distribuerat, självorganiserande nätverk av många sensorer (sensorer) och ställdon, sammankopplade via en radiokanal. Region ... ... Wikipedia

Vill du förbättra den här artikeln?: Omarbeta designen i enlighet med reglerna för att skriva artiklar. Kontrollera artikeln för grammatiska och stavfel. Rätta artikeln enligt ... Wikipedia

Telemetri, telemetri (från andra grekiska τῆλε "fjärr" + μέτρεω "mäta") en uppsättning teknologier som tillåter fjärrmätningar och insamling av information som kan tillhandahållas till operatören eller användaren, en integrerad del ... ... Wikipedia

Ultra wideband (UWB)-signaler är radiosignaler (UHF-signaler) med "extra stor" bandbredd. De används för ultrabredbandsradar och. Innehåll 1 Definition 2 Reglering ... Wikipedia

Det första Open Wireless Network Protocol designat för byggnadsautomation och distribuerad anläggningshantering. One Net kan användas med många befintliga transceivrar (transceivers) och ... ... Wikipedia