Síťová architektura bezdrátových senzorů a její aplikace

V současné době, WSN (bezdrátová síť senzorů) je nejstandardnější služba používaná v komerčních a průmyslových aplikacích kvůli technickému vývoji v oblasti procesorů, komunikace a nízké spotřeby vestavěných výpočetních zařízení. Síťová architektura bezdrátových senzorů je postavena na uzlech, které se používají k pozorování okolí, jako je teplota, vlhkost, tlak, poloha, vibrace, zvuk atd. Tyto uzly lze použít v různých aplikacích v reálném čase k provádění různých úkolů, jako je inteligentní detekce, objev sousedních uzlů, zpracování a ukládání dat, sběr dat, sledování cílů, monitorování a ovládání, synchronizace, lokalizace uzlů a efektivní směrování mezi základnovou stanicí a uzly. V současné době se WSN začínají organizovat v rozšířeném kroku. Není nepříjemné očekávat, že za 10 až 15 let bude svět chráněn WSN, které do nich vstoupí přes internet. To lze měřit jako internet, který se stává fyzickým n / w. Tato technologie je vzrušující s nekonečným potenciálem pro mnoho aplikačních oblastí, jako je lékařství, životní prostředí, doprava, armáda, zábava, obrana vlasti, krizový management a také inteligentní prostory.

Co je bezdrátová senzorová síť?

Bezdrátové připojení Síť senzorů je jeden druh bezdrátové sítě který zahrnuje velké množství cirkulujících, samořízených, minutových zařízení s nízkým výkonem, pojmenovaných uzly senzoru zvané motes. Tyto sítě rozhodně pokrývají obrovské množství prostorově distribuovaných, malých, bateriových, vestavěných zařízení, která jsou zapojena do sítě, aby pečlivě shromažďovala, zpracovávala a přenášela data operátorům, a ovládala možnosti výpočtu a zpracování. Uzly jsou malé počítače, které společně vytvářejí sítě.

Bezdrátová senzorová síť

Uzel senzoru je multifunkční a energeticky úsporné bezdrátové zařízení. Aplikace motes v průmyslu jsou velmi rozšířené. Kolekce uzlů senzorů shromažďuje data z okolí, aby dosáhla konkrétních cílů aplikace. Komunikace mezi pohyby může být prováděna navzájem pomocí transceiverů. V bezdrátové síti senzorů může být počet motů řádově stovky až tisíce. Na rozdíl od senzorů n / ws budou mít sítě Ad Hoc méně uzlů bez jakékoli struktury.

Síťová architektura bezdrátových senzorů

Nejběžnější bezdrátová síťová architektura senzorů se řídí modelem architektury OSI. Architektura WSN zahrnuje pět vrstev a tři příčné vrstvy. Většinou v senzoru n / w požadujeme pět vrstev, a to aplikaci, transport, n / w, datový spoj a fyzickou vrstvu. Tři příčné roviny jsou jmenovitě správa napájení, správa mobility a správa úkolů. Tyto vrstvy WSN se používají k dosažení n / w a k tomu, aby senzory spolupracovaly, aby se zvýšila úplná účinnost sítě. Postupujte podle níže uvedeného odkazu pro Typy bezdrátových senzorových sítí a topologie WSN

Typy architektur WSN

Architektura používaná v WSN je síťová architektura senzorů. Tento druh architektury je použitelný na různých místech, jako jsou nemocnice, školy, silnice, budovy, a také se používá v různých aplikacích, jako je správa zabezpečení, správa katastrof a krizový management atd. V bezdrátových senzorech se používají dva typy architektur sítě, které zahrnují následující. Existují 2 typy architektur bezdrátových senzorů: Layered Network Architecture a Clustered Architecture. Níže jsou vysvětleny níže.

• Vrstvená síťová architektura
• Clusterovaná síťová architektura

Vrstvená síťová architektura

Tento druh sítě využívá stovky uzlů senzoru i základnovou stanici. Zde lze uspořádání síťových uzlů provést do soustředných vrstev. Skládá se z pěti vrstev a 3 příčných vrstev, které zahrnují následující.

Pět vrstev v architektuře je:

• Aplikační vrstva
• Transportní vrstva
• Síťová vrstva
• Vrstva datového spojení
• Fyzická vrstva

Tři příčné vrstvy zahrnují následující:

• Rovina řízení spotřeby
• Rovina řízení mobility
• Rovina správy úkolů

Tyto tři příčné vrstvy se používají hlavně k řízení sítě a také k tomu, aby senzory fungovaly jako jedna, aby se zvýšila celková účinnost sítě. Výše zmíněných pět vrstev WSN je popsáno níže.

Síťová architektura bezdrátových senzorů

Aplikační vrstva

Aplikační vrstva je odpovědná za správu provozu a nabízí software pro mnoho aplikací, které převádějí data v jasné formě a hledají pozitivní informace. Senzorové sítě uspořádané v mnoha aplikacích v různých oblastech, jako je zemědělství, armáda, životní prostředí, lékařství atd.

Transportní vrstva

Funkcí transportní vrstvy je zajistit vyhýbání se přetížení a spolehlivost tam, kde mnoho protokolů, které mají tuto funkci nabízet, je na upstream praktické. Tyto protokoly používají odlišné mechanismy pro rozpoznávání ztrát a obnovu ztrát. Transportní vrstva je přesně nutná, když se plánuje kontaktování jiných sítí se systémem.

Zajištění spolehlivého obnovení ztráty je energeticky účinnější a to je jeden z hlavních důvodů, proč TCP není vhodný pro WSN. Obecně lze transportní vrstvy rozdělit na paketové, událostní. V transportní vrstvě jsou některé populární protokoly, jmenovitě STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol a PSFQ (pump slow fetch quick).

Síťová vrstva

Hlavní funkcí síťové vrstvy je směrování, má spoustu úkolů založených na aplikaci, ale ve skutečnosti jsou hlavní úkoly v úspoře energie, částečná paměť, vyrovnávací paměti a senzor nemají univerzální ID a musí být sebeorganizovaný.

Jednoduchá myšlenka směrovacího protokolu je vysvětlit spolehlivý pruh a redundantní pruhy podle přesvědčivé stupnice zvané metrika, která se liší protokol od protokolu. Existuje mnoho stávajících protokolů pro tuto síťovou vrstvu, lze je rozdělit na ploché směrování a hierarchické směrování nebo je lze rozdělit na časově řízené, řízené dotazem a řízené událostmi.

Vrstva datového spojení

Vrstva datového spoje odpovídá za multiplexování detekce datových rámců, datových toků, MAC a kontroly chyb, potvrzuje spolehlivost point-point (nebo) point- multipoint.

Fyzická vrstva

Fyzická vrstva poskytuje hranu pro přenos proudu bitů nad fyzickým médiem. Tato vrstva je zodpovědná za výběr frekvence, generování nosné frekvence, detekci signálu, modulaci a šifrování dat. IEEE 802.15.4 se navrhuje jako typický pro konkrétní oblasti s nízkou rychlostí a bezdrátové sítě senzorů s nízkými náklady, spotřebou energie, hustotou a rozsahem komunikace pro zlepšení životnosti baterie. CSMA / CA se používá k podpoře topologie hvězd a peer to peer. Existuje několik verzí IEEE 802.15.4.V.

Hlavní výhody použití tohoto druhu architektury ve WSN spočívají v tom, že každý uzel zahrnuje jednoduše přenosy na menší vzdálenost a nízkou spotřebu energie do sousedních uzlů, díky čemuž je nízké využití energie ve srovnání s jinými druhy architektury senzorových sítí. Tento druh sítě je škálovatelný a zahrnuje vysokou odolnost proti chybám.

Clusterovaná síťová architektura

V tomto druhu architektury se samostatně uzly senzorů přidávají do skupin známých jako klastry, které jsou závislé na protokolu „Leach Protocol“, protože používá klastry. Pojem „protokol Leach“ znamená „nízkoenergetická adaptivní klastrová hierarchie“. Mezi hlavní vlastnosti tohoto protokolu patří zejména následující.

Clusterovaná síťová architektura

• Jedná se o dvoustupňovou hierarchickou klastrovou architekturu.
• Tento distribuovaný algoritmus se používá k uspořádání uzlů senzoru do skupin, známých jako klastry.
• V každém klastru, který je vytvořen samostatně, vytvoří hlavní uzly klastru plány TDMA (Time-division multiple access).
• Využívá koncept Data Fusion, aby byla síť energeticky efektivní.

Tento druh síťové architektury se extrémně používá kvůli vlastnosti fúze dat. V každém klastru může každý uzel interagovat přes hlavu klastru a získat data. Všechny klastry budou sdílet svá shromážděná data směrem k základnové stanici. Vytvoření klastru, stejně jako jeho výběr hlavy v každém klastru, je nezávislou i autonomní distribuovanou metodou.

Návrhové problémy architektury bezdrátové sítě senzorů

Konstrukční problémy architektury bezdrátové sítě senzorů zahrnují hlavně následující.

• Spotřeba energie
• Lokalizace
• Dosah
• Hodiny
• Výpočet
• Cena výroby
• Návrh hardwaru
• Kvalita služeb

Spotřeba energie

Ve WSN je spotřeba energie jedním z hlavních problémů. Jako zdroj energie se baterie používá vybavením uzly snímače. Síť senzorů je uspořádána v nebezpečných situacích, takže se při výměně, jinak dobíjení baterií, stává komplikovaným. Spotřeba energie závisí hlavně na operacích uzlů senzoru, jako je komunikace, snímání a zpracování dat. Během komunikace je spotřeba energie velmi vysoká. Spotřebě energie lze tedy zabránit v každé vrstvě pomocí efektivních směrovacích protokolů.

Lokalizace

Pro provoz sítě je základním i kritickým problémem lokalizace senzorů. Uzly senzorů jsou tedy uspořádány ad hoc, takže nevědí o své poloze. Obtížnost určení fyzické polohy senzoru, jakmile jsou uspořádány, se označuje jako lokalizace. Tuto obtíž lze vyřešit pomocí GPS, majákových uzlů, lokalizace na základě blízkosti.

Dosah

Uzly senzorů v bezdrátové síti senzorů využívají algoritmus pokrytí pro detekci dat a jejich přenos k potopení prostřednictvím směrovacího algoritmu. Pro pokrytí celé sítě by měly být vybrány uzly senzorů. Tam se doporučují účinné metody, jako jsou algoritmy cesty s nejmenší a nejvyšší expozicí, stejně jako protokol návrhu pokrytí.

Hodiny

Ve WSN je synchronizace hodin seriózní službou. Hlavní funkcí této synchronizace je nabídnout běžný časový rámec pro uzly místních hodin v senzorových sítích. Tyto hodiny musí být synchronizovány v rámci některých aplikací, jako je monitorování a sledování.

Výpočet

Výpočet lze definovat jako součet dat, který pokračuje každým uzlem. Hlavním problémem při výpočtu je, že musí omezit využití zdrojů. Pokud je životnost základnové stanice nebezpečnější, bude zpracování dat dokončeno v každém uzlu před přenosem dat směrem k základnové stanici. Pokud máme v každém uzlu nějaké zdroje, měl by být celý výpočet proveden v jímce.

Cena výroby

Ve WSN je uspořádán velký počet uzlů senzoru. Pokud je tedy cena jednoho uzlu velmi vysoká, bude také vysoká celková cena sítě. Cena každého uzlu senzoru musí být nakonec nižší. Cena každého uzlu senzoru v bezdrátové síti senzorů je tedy náročný problém.

Hardware design

Při navrhování hardwaru jakékoli sítě senzorů, jako je řízení napájení, musí být mikrokontrolér a komunikační jednotka energeticky efektivní. Jeho design lze provést takovým způsobem, že využívá nízkoenergetický.

Kvalita služeb

Kvalita služby nebo QoS není nic jiného než, data musí být distribuována včas. Protože některé aplikace založené na senzorech v reálném čase závisí hlavně na čase. Pokud tedy data nejsou distribuována včas k přijímači, data se stanou zbytečnými. Ve WSN existují různé typy problémů s QoS, jako je topologie sítě, která se může často měnit, stejně jako nepřesný může být přístupný stav informací použitých pro směrování.

Struktura bezdrátové senzorové sítě

Struktura WSN zahrnuje hlavně různé topologie používané pro rádiové komunikační sítě, jako je hvězda, síť a hybridní hvězda. Tyto topologie jsou stručně popsány níže.

Hvězdná síť

Komunikační topologie jako hvězdná síť se používá všude tam, kde pouze základnová stanice může vysílat nebo přijímat zprávy do vzdálených uzlů. Existuje řada uzlů, které si navzájem nemohou přenášet zprávy. Mezi výhody této sítě patří hlavně jednoduchost, schopná udržet energetické využití vzdálených uzlů na minimu.

Umožňuje také komunikaci s menší latencí mezi základnovou stanicí i vzdáleným uzlem. Hlavní nevýhodou této sítě je, že základnová stanice by měla být v dosahu rádia pro všechny samostatné uzly. Není robustní jako ostatní sítě, protože závisí na jediném uzlu, který bude síť zpracovávat.

Síťová síť

Tento druh sítě umožňuje přenos dat z jednoho uzlu do druhého v rámci sítě, která je v dosahu rádiového přenosu. Pokud uzel potřebuje vyslat zprávu do jiného uzlu a ten je mimo dosah rádiové komunikace, pak může využít uzel jako prostředník k odeslání zprávy směrem k upřednostňovanému uzlu.

Hlavní výhodou síťové sítě je škálovatelnost i redundance. Když jednotlivý uzel přestane fungovat, vzdálený uzel může konverzovat s jakýmkoli jiným typem uzlu v rozsahu a poté předá zprávu směrem k preferovanému umístění. Rozsah sítě navíc není automaticky omezen rozsahem mezi jednotlivými uzly, který lze rozšířit jednoduše přidáním několika uzlů do systému.

Hlavní nevýhodou tohoto druhu sítě je využití energie pro síťové uzly, které provádějí komunikaci, jako je multi-hop, jsou obvykle vyšší než u ostatních uzlů, které nemají tuto schopnost často omezovat životnost baterie. Navíc, když se počet komunikačních přeskoků zvýší směrem k cíli, zvýší se také čas potřebný k odeslání zprávy, zvláště pokud je nutný nízkoenergetický proces uzlů.

Hybridní hvězda - síťová síť

Hybrid mezi těmito dvěma sítěmi, jako je hvězda a síť, poskytuje silnou a flexibilní komunikační síť při zachování minimální spotřeby energie uzlů bezdrátových senzorů. V tomto druhu topologie sítě nemohou uzly senzoru s menším výkonem přenášet zprávy.
To umožňuje udržovat co nejmenší využití energie.

Ale jiné síťové uzly jsou povoleny s možností multi-hopu tím, že jim umožňují přenášet zprávy z jednoho uzlu do druhého v síti. Uzly s víceskokovou kapacitou mají obvykle vysoký výkon a jsou často zapojeny do síťového vedení. Toto je implementovaná topologie prostřednictvím připravovaného standardního síťového připojení zvaného ZigBee.

Struktura uzlu bezdrátového senzoru

Komponenty používané k výrobě uzlu bezdrátového senzoru jsou různé jednotky, jako je snímání, zpracování, transceiver a napájení. Zahrnuje také další komponenty, které závisí na aplikaci, jako je generátor energie, systém pro určování polohy a mobilizátor. Senzorové jednotky obecně zahrnují dvě podjednotky, jmenovitě ADC a senzory. Zde senzory generují analogové signály, které lze pomocí ADC změnit na digitální signály a poté je vyslat do procesní jednotky.

Obecně lze tuto jednotku přidružit prostřednictvím malé úložné jednotky, která zvládne akce, aby uzel senzoru pracoval s ostatními uzly k dosažení přidělených úkolů snímání. Uzel senzoru lze připojit k síti pomocí transceiverové jednotky. V uzlu senzoru je jednou ze základních komponent uzel senzoru. Pohonné jednotky jsou podporovány jednotkami úklidu energie, jako jsou solární články, zatímco ostatní podjednotky závisí na aplikaci.

Funkční blokové schéma uzlů bezdrátového snímání je uvedeno výše. Tyto moduly poskytují všestrannou platformu pro řešení požadavků širokých aplikací. Například na základě senzorů, které mají být uspořádány, lze provést výměnu bloku pro úpravu signálu. To umožňuje používat různé senzory spolu s uzlem bezdrátového snímání. Podobně lze rádiové spojení vyměnit za specifikovanou aplikaci.

Vlastnosti bezdrátové senzorové sítě

Mezi vlastnosti WSN patří následující.

• Spotřeba limitů napájení pro uzly s bateriemi
• Kapacita pro zpracování poruch uzlů
• Určitá mobilita uzlů a heterogenita uzlů
• Škálovatelnost ve velkém rozsahu distribuce
• Schopnost zajistit přísné podmínky prostředí
• Jednoduché použití
• Cross-layer design

Výhody bezdrátových senzorových sítí

Mezi výhody WSN patří následující

• Uspořádání sítě lze provádět bez nepohyblivé infrastruktury.
• Vyzkoušejte nepřístupná místa, jako jsou hory, moře, venkovské oblasti a hluboké lesy.
• Flexibilní, pokud existuje příležitostná situace, kdy je vyžadována další pracovní stanice.
• Prováděcí ceny jsou levné.
• Vyhýbá se spoustě kabelů.
• Může poskytnout ubytování pro nová zařízení kdykoli.
• Lze jej otevřít pomocí centralizovaného monitorování.

Bezdrátové senzorové síťové aplikace

Bezdrátové senzorové sítě mohou zahrnovat řadu různých typů senzorů, jako je nízká vzorkovací frekvence, seismická, magnetická, tepelná, vizuální, infračervená, radarová a akustická, která jsou chytrá pro monitorování široké škály okolních situací. Uzly senzorů se používají pro konstantní snímání, ID událostí, detekci událostí a místní ovládání akčních členů. Aplikace bezdrátových senzorových sítí zahrnují hlavně zdravotní, vojenské, ekologické, domácí a další komerční oblasti.

Aplikace WSN

• Vojenské aplikace
• Aplikace pro zdraví
• Environmentální aplikace
• Domácí aplikace
• Komerční aplikace
• Monitorování oblasti
• Monitorování zdravotní péče
• Snímání prostředí / Země
• Monitorování znečištění ovzduší
• Detekce lesního požáru
• Detekce sesuvů půdy
• Monitorování kvality vody
• Průmyslové monitorování

Jedná se tedy o to, co je bezdrátová senzorová síť , architektura, charakteristiky a aplikace bezdrátové sítě senzorů. Doufáme, že jste lépe porozuměli tomuto konceptu. Dále jakékoli dotazy nebo vědět o nápady na projekty bezdrátových senzorových sítí , uveďte své cenné návrhy komentářem v sekci komentářů níže. Zde je otázka pro vás, jaké jsou různé typy bezdrátových senzorových sítí?