Bezdrôtová senzorová sieťová architektúra a jej aplikácie

Bezdrôtová senzorová sieťová architektúra a jej aplikácie

V súčasnosti WSN (bezdrôtová sieť senzorov) je najštandardnejšia služba používaná v komerčných a priemyselných aplikáciách z dôvodu technického vývoja v procesoroch, komunikácii a nízkej spotrebe energie zabudovaných počítačových zariadení. Architektúra siete bezdrôtových senzorov je postavená na uzloch, ktoré sa používajú na pozorovanie okolia, ako je teplota, vlhkosť, tlak, poloha, vibrácie, zvuk atď. Tieto uzly sa dajú použiť v rôznych aplikáciách v reálnom čase na vykonávanie rôznych úloh, ako napríklad inteligentná detekcia, objav susedných uzlov, spracovanie a ukladanie údajov, zber údajov, sledovanie cieľov, monitorovanie a riadenie, synchronizácia, lokalizácia uzlov a efektívne smerovanie medzi základňovou stanicou a uzlami. V súčasnosti sa WSN začínajú organizovať v zdokonalenom kroku. Nie je nepríjemné očakávať, že o 10 až 15 rokov bude svet chránený sieťami WSN, ktoré do nich vstupujú cez internet. To sa dá merať tak, že sa internet stáva fyzickým n / w. Táto technológia je vzrušujúca s nekonečným potenciálom pre mnoho aplikačných oblastí, ako sú medicína, životné prostredie, doprava, armáda, zábava, obrana vlasti, krízové ​​riadenie a tiež inteligentné priestory.

Čo je bezdrôtová senzorová sieť?

Bezdrôtové pripojenie Sieť senzorov je jeden druh bezdrôtovej siete ktorá zahŕňa veľké množstvo cirkulujúcich, samostatne riadených, minútových zariadení s nízkym výkonom s názvom uzly senzorov nazývaných motes. Tieto siete určite pokrývajú obrovské množstvo priestorovo distribuovaných, malých, na batériu napájaných, zabudovaných zariadení, ktoré sú zapojené do siete na starostlivé zhromažďovanie, spracovanie a prenos údajov operátorom a ktoré riadia výpočtové a spracovateľské schopnosti. Uzly sú malé počítače, ktoré spoločne vytvárajú siete.




Bezdrôtová senzorová sieť

Bezdrôtová senzorová sieť



Uzol snímača je multifunkčné a energeticky efektívne bezdrôtové zariadenie. Aplikácia motívov v priemysle je veľmi rozšírená. Zbierka uzlov senzorov zhromažďuje údaje z okolia s cieľom dosiahnuť konkrétne ciele aplikácie. Komunikáciu medzi motívmi je možné uskutočňovať navzájom pomocou vysielačov a prijímačov. V bezdrôtovej senzorovej sieti môže byť počet motívov rádovo stovky až tisíce. Na rozdiel od senzorov n / ws budú mať siete Ad Hoc menej uzlov bez akejkoľvek štruktúry.

Bezdrôtová senzorová sieťová architektúra

Najbežnejšia bezdrôtová senzorová sieťová architektúra sa riadi modelom architektúry OSI. Architektúra WSN obsahuje päť vrstiev a tri krížové vrstvy. Väčšinou vyžadujeme senzor n / w, ktorý vyžaduje päť vrstiev, konkrétne aplikačnú, transportnú, n / w, dátovú linku a fyzickú vrstvu. Tri krížové roviny sú menovite správa napájania, správa mobility a správa úloh. Tieto vrstvy WSN sa používajú na dosiahnutie n / w a na to, aby senzory spolupracovali, aby sa zvýšila úplná účinnosť siete. Postupujte podľa nižšie uvedeného odkazu Typy bezdrôtových senzorových sietí a topológie WSN



Typy architektúr WSN

Architektúra používaná vo WSN je architektúra senzorovej siete. Tento druh architektúry je použiteľný na rôznych miestach, ako sú nemocnice, školy, cesty, budovy, rovnako ako sa používa v rôznych aplikáciách, ako je správa zabezpečenia, správa katastrof a krízové ​​riadenie atď. V bezdrôtových senzoroch sa používajú dva typy architektúr. siete, ktoré zahŕňajú nasledujúce. Existujú 2 typy architektúr bezdrôtových senzorov: Layered Network Architecture a Clustered Architecture. Ďalej sú vysvetlené nasledovne.

  • Vrstvená sieťová architektúra
  • Klastrovaná sieťová architektúra

Vrstvená sieťová architektúra

Tento druh siete využíva stovky uzlov senzorov aj základnú stanicu. Tu je možné usporiadať sieťové uzly do koncentrických vrstiev. Skladá sa z piatich vrstiev a 3 krížových vrstiev, ktoré obsahujú nasledujúce.


Päť vrstiev v architektúre je:



  • Aplikačná vrstva
  • Transportná vrstva
  • Sieťová vrstva
  • Vrstva dátového spojenia
  • Fyzická vrstva

Tri priečne vrstvy zahŕňajú:

  • Rovina riadenia napájania
  • Rovina riadenia mobility
  • Rovina riadenia úloh

Tieto tri priečne vrstvy sa používajú hlavne na riadenie siete a na to, aby senzory fungovali ako jedna, aby sa zvýšila celková efektivita siete. Vyššie uvedených päť vrstiev WSN je diskutovaných nižšie.

Bezdrôtová senzorová sieťová architektúra

Bezdrôtová senzorová sieťová architektúra

Aplikačná vrstva

Aplikačná vrstva je zodpovedná za správu prenosu a ponúka softvér pre množstvo aplikácií, ktoré prevádzajú údaje v jasnej forme na nájdenie pozitívnych informácií. Sieť senzorov usporiadaná do mnohých aplikácií v rôznych oblastiach, ako sú poľnohospodárstvo, armáda, životné prostredie, medicína atď.

Transportná vrstva

Funkciou transportnej vrstvy je zabezpečiť zamedzenie preťaženia a spoľahlivosť tam, kde je veľa protokolov určených na ponúkanie tejto funkcie buď praktické na protiprúde. Tieto protokoly používajú odlišné mechanizmy na rozpoznávanie a zotavenie strát. Transportná vrstva je presne potrebná, keď sa plánuje kontaktovanie iných sietí so systémom.

Zabezpečenie spoľahlivého zotavenia zo straty je energeticky efektívnejšie a to je jeden z hlavných dôvodov, prečo TCP nie je vhodný pre WSN. Všeobecne je možné transportné vrstvy rozdeliť na paketové, eventové. V transportnej vrstve sú niektoré populárne protokoly, konkrétne STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol a PSFQ (pump slow fetch quick).

Sieťová vrstva

Hlavnou funkciou sieťovej vrstvy je smerovanie, má veľa úloh založených na aplikácii, ale v skutočnosti sú hlavné úlohy v úspore energie, čiastočnej pamäti, vyrovnávacích pamätiach a snímačoch nemajú univerzálne ID a musia byť samoorganizovaný.

Jednoduchá myšlienka smerovacieho protokolu je vysvetliť spoľahlivý pruh a nadbytočné pruhy podľa presvedčivej stupnice nazývanej metrika, ktorá sa líši od protokolu k protokolu. Pre túto sieťovú vrstvu existuje veľa existujúcich protokolov, ktoré je možné rozdeliť na ploché smerovanie a hierarchické smerovanie alebo ich možno rozdeliť na časové, dotazové a udalosti.

Vrstva dátového spojenia

Vrstva dátového spojenia je zodpovedná za multiplexovanie detekcie dátových rámcov, dátových tokov, MAC a kontroly chýb, potvrdenie spoľahlivosti point-point (alebo) point- multipoint.

Fyzická vrstva

Fyzická vrstva poskytuje hranu na prenos prúdu bitov nad fyzické médium. Táto vrstva je zodpovedná za výber frekvencie, generovanie nosnej frekvencie, detekciu signálu, moduláciu a šifrovanie údajov. IEEE 802.15.4 sa navrhuje ako typický pre konkrétne oblasti s nízkou rýchlosťou a bezdrôtové senzorové siete s nízkymi nákladmi, spotrebou energie, hustotou a rozsahom komunikácie na zlepšenie životnosti batérie. CSMA / CA sa používa na podporu topológie hviezdnych a podobných aplikácií. Existuje niekoľko verzií IEEE 802.15.4.V.

Hlavnými výhodami použitia tohto druhu architektúry vo WSN je to, že každý uzol zahŕňa iba prenosy s nízkou spotrebou energie do susedných uzlov na menšiu vzdialenosť, kvôli čomu je v porovnaní s inými druhmi architektúry senzorových sietí nízke využitie energie. Tento druh siete je škálovateľný a zahŕňa vysokú odolnosť proti chybám.

Klastrovaná sieťová architektúra

V tomto druhu architektúry sa samostatne uzly snímača pridávajú do skupín známych ako klastre, ktoré závisia od protokolu „Leach Protocol“, pretože používa klastre. Pojem „vylúhovací protokol“ znamená „nízkoenergetická adaptívna klastrová hierarchia“. Medzi hlavné vlastnosti tohto protokolu patria hlavne nasledujúce.

Klastrovaná sieťová architektúra

Klastrovaná sieťová architektúra

  • Toto je klastrová architektúra dvojstupňovej hierarchie.
  • Tento distribuovaný algoritmus sa používa na usporiadanie uzlov snímača do skupín známych ako klastre.
  • V každom klastri, ktorý je tvorený osobitne, vytvoria hlavné uzly klastra plány TDMA (Time-division multiple access).
  • Využíva koncept Data Fusion, aby bola sieť energeticky efektívna.

Tento druh sieťovej architektúry sa extrémne využíva kvôli vlastnosti fúzie dát. V každom klastri môže každý uzol interagovať cez hlavu klastra a získať údaje. Všetky zhluky budú zdieľať svoje zhromaždené údaje smerom k základňovej stanici. Vytvorenie klastra, ako aj výber jeho hlavy v každom klastri, je nezávislou aj autonómnou distribuovanou metódou.

Dizajnové problémy architektúry bezdrôtových senzorových sietí

Problémy s dizajnom architektúry bezdrôtových senzorových sietí zahŕňajú hlavne nasledujúce.

  • Spotreba energie
  • Lokalizácia
  • Pokrytie
  • Hodiny
  • Výpočet
  • Výrobné náklady
  • Dizajn hardvéru
  • Kvalita služby

Spotreba energie

Vo WSN je spotreba energie jedným z hlavných problémov. Ako zdroj energie sa batéria používa vybavením uzlami snímača. Sieť senzorov je usporiadaná v nebezpečných situáciách, takže je komplikované meniť inak nabíjať batérie. Spotreba energie závisí hlavne od operácií uzlov senzora, ako je komunikácia, snímanie a spracovanie údajov. Počas celej komunikácie je spotreba energie veľmi vysoká. Spotrebe energie sa dá zabrániť v každej vrstve pomocou efektívnych smerovacích protokolov.

Lokalizácia

Pre prevádzku siete je základným, ako aj kritickým problémom, lokalizácia senzora. Uzly senzorov sú teda usporiadané ad hoc, takže nevedia o svojej polohe. Obtiažnosť určenia fyzickej polohy senzora po jeho usporiadaní sa nazýva lokalizácia. Tento problém je možné vyriešiť pomocou GPS, majákových uzlov, lokalizácie na základe vzdialenosti.

Pokrytie

Uzly senzorov v bezdrôtovej sieti senzorov využívajú algoritmus pokrytia na detekciu údajov a prenášajú ich na potopenie prostredníctvom smerovacieho algoritmu. Aby sa pokryla celá sieť, mali by sa zvoliť uzly snímačov. Tam sa odporúčajú účinné metódy, ako sú algoritmy najmenšej a najvyššej expozičnej cesty, ako aj návrhový protokol pokrytia.

Hodiny

Vo WSN je synchronizácia hodín vážnou službou. Hlavnou funkciou tejto synchronizácie je ponúknuť bežný časový rámec pre uzly miestnych hodín v senzorových sieťach. Tieto hodiny musia byť synchronizované v rámci niektorých aplikácií, ako je napríklad sledovanie a sledovanie.

Výpočet

Výpočet je možné definovať ako súčet údajov, ktoré pokračujú každým uzlom. Hlavným problémom pri výpočte je, že musí znižovať využitie zdrojov. Ak je životnosť základňovej stanice nebezpečnejšia, potom sa spracovanie údajov dokončí v každom uzle pred prenosom údajov smerom k základňovej stanici. Ak máme v každom uzle nejaké zdroje, potom by sa celý výpočet mal vykonať pri umývadle.

Výrobné náklady

Vo WSN je usporiadaný veľký počet uzlov senzora. Takže ak je cena jedného uzla veľmi vysoká, potom bude vysoká aj celková cena za sieť. Cena každého uzla senzora musí byť nakoniec nižšia. Cena každého uzla senzora v bezdrôtovej sieti senzorov je teda náročným problémom.

Dizajn hardvéru

Pri navrhovaní hardvéru akejkoľvek siete senzorov, napríklad riadenia napájania, musia byť mikrokontroléry a komunikačné jednotky energeticky účinné. Jeho dizajn je možné urobiť tak, aby využíval nízkoenergetický materiál.

Kvalita služby

Kvalita služieb alebo QoS nie je nič iné ako, dáta musia byť distribuované včas. Pretože niektoré aplikácie založené na senzoroch v reálnom čase závisia hlavne od času. Pokiaľ teda dáta nie sú distribuované včas smerom k prijímaču, stanú sa zbytočnými. Vo WSN existujú rôzne typy problémov s QoS, napríklad topológia siete, ktorá sa môže často meniť, rovnako ako nepresný môže byť stav prístupu k informáciám použitým na smerovanie.

Štruktúra bezdrôtovej senzorovej siete

Štruktúra WSN obsahuje hlavne rôzne topológie používané pre rádiokomunikačné siete ako hviezda, mriežka a hybridná hviezda. Tieto topológie sú stručne diskutované nižšie.

Hviezdna sieť

Komunikačná topológia ako hviezdna sieť sa používa všade tam, kde iba základňová stanica môže vysielať alebo prijímať správy do vzdialených uzlov. Existuje niekoľko uzlov, ktoré nie sú oprávnené navzájom si prenášať správy. Medzi výhody tejto siete patrí hlavne jednoduchosť, schopná udržať využitie energie vzdialených uzlov na minime.

Umožňuje tiež komunikáciu s menšou latenciou medzi základňovou stanicou aj vzdialeným uzlom. Hlavnou nevýhodou tejto siete je, že základňová stanica by mala byť v dosahu rádia pre všetky samostatné uzly. Nie je robustný ako iné siete, pretože závisí od jedného uzla, ktorý so sieťou zaobchádza.

Mesh Network

Tento druh siete umožňuje prenos údajov z jedného uzla do druhého v rámci siete, ktorá je v rozsahu rádiového prenosu. Ak uzol potrebuje vyslať správu do iného uzla a ten je mimo rádiového komunikačného rozsahu, potom môže na odoslanie správy smerom k preferovanému uzlu využiť uzol ako medzičlánok.

Hlavnou výhodou sieťovej siete je škálovateľnosť a nadbytočnosť. Keď jednotlivý uzol prestane pracovať, vzdialený uzol môže konverzovať s akýmkoľvek iným typom uzla v rozsahu a potom správu preposlať smerom k preferovanému miestu. Rozsah siete navyše nie je automaticky obmedzený rozsahom medzi jednotlivými uzlami, ktorý je možné rozšíriť jednoduchým pridaním niekoľkých uzlov do systému.

Hlavnou nevýhodou tohto typu siete je využitie energie pre sieťové uzly, ktoré vykonávajú komunikáciu, ako napríklad multi-hop, sú zvyčajne vyššie ako iné uzly, ktoré nemajú túto kapacitu na časté obmedzenie životnosti batérie. Navyše, keď sa počet komunikačných chmeľov zvyšuje smerom k cieľu, potom sa tiež zvýši čas potrebný na odoslanie správy, najmä ak je nevyhnutný nízkonapäťový proces uzlov.

Sieť hybridných hviezd - sietí

Hybrid medzi dvoma sieťami, ako je hviezda a sieť, poskytuje silnú a flexibilnú komunikačnú sieť pri zachovaní minimálnej spotreby energie uzlov bezdrôtových senzorov. V tomto druhu topológie siete nesmú uzly snímača s menším výkonom prenášať správy.
To umožňuje udržiavať najmenšie využitie energie.

Ale iné sieťové uzly sú povolené s funkciou multi-hop tým, že im umožňujú prenášať správy z jedného uzla do druhého v sieti. Uzly s multi-hopovou kapacitou majú zvyčajne vysoký výkon a sú často zapojené do elektrickej siete. Toto je implementovaná topológia prostredníctvom pripravovaného štandardného sieťového prepojenia s názvom ZigBee.

Štruktúra uzla bezdrôtového snímača

Komponenty používané na výrobu uzla bezdrôtového snímača sú rôzne jednotky, ako je snímanie, spracovanie, vysielač / prijímač a napájanie. Zahŕňa tiež ďalšie komponenty, ktoré závisia od aplikácie, ako je generátor energie, systém na zisťovanie polohy a mobilizátor. Spravidla obsahujú snímacie jednotky dve podjednotky, menovite ADC, ako aj snímače. Tu senzory generujú analógové signály, ktoré je možné pomocou ADC meniť na digitálne signály, ktoré potom vysiela do procesnej jednotky.

Všeobecne môže byť táto jednotka spojená cez malú úložnú jednotku na zvládnutie akcií, ktoré zabezpečia, aby uzol snímača pracoval s ostatnými uzlami na dosiahnutie pridelených úloh snímania. Uzol snímača je možné pripojiť k sieti pomocou vysielacej a prijímacej jednotky. V uzle senzora je jednou zo základných súčastí senzorový uzol. Pohonné jednotky sú podporované jednotkami zachytávajúcimi energiu, ako sú solárne články, zatiaľ čo ostatné podjednotky závisia od aplikácie.

Vyššie je uvedený funkčný blokový diagram bezdrôtových snímacích uzlov. Tieto moduly poskytujú všestrannú platformu pre riešenie požiadaviek širokého spektra aplikácií. Napríklad na základe usporiadaných snímačov je možné vykonať výmenu bloku na úpravu signálu. To umožňuje používať rôzne senzory spolu s uzlom bezdrôtového snímania. Rovnako je možné vymeniť rádiové spojenie za konkrétnu aplikáciu.

Charakteristiky bezdrôtovej senzorovej siete

Medzi vlastnosti WSN patria nasledujúce.

  • Spotreba limitov napájania pre uzly s batériami
  • Kapacita na riešenie zlyhaní uzlov
  • Určitá mobilita uzlov a heterogenita uzlov
  • Škálovateľnosť vo veľkom rozsahu distribúcie
  • Schopnosť zabezpečiť prísne environmentálne podmienky
  • Jednoduché použitie
  • Cross-layer dizajn

Výhody bezdrôtových senzorových sietí

Medzi výhody WSN patria nasledujúce

  • Sieťové usporiadanie je možné uskutočniť bez nehnuteľnej infraštruktúry.
  • Apt pre nedosiahnuteľné miesta, ako sú hory, nad morom, vidiecke oblasti a hlboké lesy.
  • Flexibilné, ak existuje príležitostná situácia, keď je potrebná ďalšia pracovná stanica.
  • Realizačné ceny sú lacné.
  • Vyhýba sa dostatočnému zapojeniu.
  • Môže to poskytnúť ubytovanie novým zariadeniam kedykoľvek.
  • Môže sa otvoriť pomocou centralizovaného monitorovania.

Bezdrôtové senzorové sieťové aplikácie

Bezdrôtové senzorové siete môžu obsahovať množstvo rôznych typov senzorov, ako sú nízka vzorkovacia frekvencia, seizmické, magnetické, tepelné, vizuálne, infračervené, radarové a akustické, ktoré sú chytré na sledovanie širokej škály okolitých situácií. Uzly snímačov sa používajú na neustále snímanie, identifikáciu udalostí, detekciu udalostí a lokálnu kontrolu akčných členov. Medzi aplikácie bezdrôtových senzorových sietí patria hlavne oblasti zdravia, armády, životného prostredia, domácnosti a ďalšie komerčné oblasti.

Aplikácie sWSN

Aplikácia WSN

  • Vojenské aplikácie
  • Aplikácie na zdravie
  • Environmentálne aplikácie
  • Domáce aplikácie
  • Komerčné aplikácie
  • Monitorovanie oblasti
  • Monitorovanie zdravotnej starostlivosti
  • Snímanie životného prostredia / Zeme
  • Monitorovanie znečistenia ovzdušia
  • Detekcia lesného požiaru
  • Detekcia zosuvov pôdy
  • Monitorovanie kvality vody
  • Priemyselný monitoring

Toto je teda všetko o tom, čo je bezdrôtová senzorová sieť , bezdrôtová senzorická sieťová architektúra, charakteristiky a aplikácie. Dúfame, že ste tento pojem lepšie pochopili. Ďalej akékoľvek otázky alebo informácie o nápady na projekty bezdrôtových senzorových sietí , prosím, poskytnite svoje cenné návrhy komentárom v sekcii komentárov nižšie. Tu je otázka pre vás, aké sú rôzne typy bezdrôtových senzorových sietí?