Architektura sieci bezprzewodowych czujników i jej zastosowania

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Obecnie, WSN (bezprzewodowa sieć czujników) jest najbardziej standardową usługą wykorzystywaną w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych, ze względu na jej techniczny rozwój w procesorze, komunikacji i niskim poborze mocy przez wbudowane urządzenia komputerowe. Architektura sieci czujników bezprzewodowych jest zbudowana z węzłów, które służą do obserwacji otoczenia, takiego jak temperatura, wilgotność, ciśnienie, położenie, wibracje, dźwięk itp. Węzły te mogą być używane w różnych aplikacjach czasu rzeczywistego do wykonywania różnych zadań, takich jak inteligentne wykrywanie, wykrywanie sąsiednich węzłów, przetwarzanie i przechowywanie danych, gromadzenie danych, śledzenie celów, monitorowanie i sterowanie, synchronizacja, lokalizacja węzłów i efektywne trasowanie między stacją bazową a węzłami. Obecnie WSN zaczynają być organizowane w rozszerzony sposób. Nie jest niezręcznie oczekiwać, że za 10-15 lat świat będzie chroniony przez WSN z dostępem do nich przez Internet. Można to zmierzyć, gdy Internet staje się fizycznym n / w. Ta technologia jest ekscytująca i ma nieskończony potencjał w wielu obszarach zastosowań, takich jak medycyna, ochrona środowiska, transport, wojsko, rozrywka, obrona ojczyzny, zarządzanie kryzysowe, a także inteligentne przestrzenie.

Co to jest bezprzewodowa sieć czujników?

Bezprzewodowy Sensor Network to jedyny rodzaj sieci bezprzewodowej który obejmuje dużą liczbę krążących, samosterujących, niewielkich urządzeń o niskim poborze mocy zwanych węzłami czujnikowymi zwanymi pyłkami. Sieci te z pewnością obejmują ogromną liczbę rozproszonych przestrzennie, niewielkich, zasilanych bateryjnie urządzeń wbudowanych, które są połączone w sieć w celu starannego gromadzenia, przetwarzania i przesyłania danych do operatorów, a także kontrolują możliwości obliczeniowe i przetwarzania. Węzły to małe komputery, które wspólnie tworzą sieci.




Bezprzewodowa sieć czujników

Bezprzewodowa sieć czujników

Węzeł sensoryczny to wielofunkcyjne, energooszczędne urządzenie bezprzewodowe. Zastosowania pyłków w przemyśle są szeroko rozpowszechnione. Zbiór węzłów czujnikowych gromadzi dane z otoczenia, aby osiągnąć określone cele aplikacji. Komunikacja między motywami może odbywać się między sobą za pomocą transceiverów. W bezprzewodowej sieci czujników liczba pyłków może być rzędu setek, a nawet tysięcy. W przeciwieństwie do sensorów n / ws, sieci Ad Hoc będą miały mniej węzłów bez żadnej struktury.



Architektura sieci bezprzewodowych czujników

Najpopularniejsza architektura sieci czujników bezprzewodowych jest zgodna z modelem architektury OSI. Architektura WSN obejmuje pięć warstw i trzy warstwy poprzeczne. Głównie w czujnikach n / w, potrzebujemy pięciu warstw, a mianowicie aplikacji, transportu, n / w, łącza danych i warstwy fizycznej. Trzy płaszczyzny krzyżowe to zarządzanie energią, zarządzanie mobilnością i zarządzanie zadaniami. Te warstwy WSN są używane do realizacji n / w i zmuszenia czujników do współpracy w celu podniesienia całkowitej wydajności sieci. Proszę skorzystać z poniższego linku dla Rodzaje bezprzewodowych sieci czujników i topologie WSN

Typy architektur WSN

Architektura używana w WSN to architektura sieci czujników. Ten rodzaj architektury ma zastosowanie w różnych miejscach, takich jak szpitale, szkoły, drogi, budynki, a także jest używany w różnych zastosowaniach, takich jak zarządzanie bezpieczeństwem, zarządzanie katastrofami i zarządzanie kryzysowe itp. Istnieją dwa rodzaje architektur stosowanych w czujnikach bezprzewodowych. sieci, które obejmują: Istnieją 2 typy architektur czujników bezprzewodowych: warstwowa architektura sieci i architektura klastrowa. Zostały one wyjaśnione poniżej.

  • Architektura sieci warstwowej
  • Architektura sieci klastrowej

Architektura sieci warstwowej

Ten rodzaj sieci wykorzystuje setki węzłów sensorowych, a także stację bazową. Tutaj rozmieszczenie węzłów sieci można wykonać w koncentrycznych warstwach. Składa się z pięciu warstw, a także 3 warstw poprzecznych, które obejmują następujące.


Pięć warstw architektury to:

  • Warstwa aplikacji
  • Warstwa transportowa
  • Warstwa sieci
  • Warstwa łącza danych
  • Warstwa fizyczna

Trzy warstwy poprzeczne obejmują:

  • Płaszczyzna zarządzania energią
  • Płaszczyzna zarządzania mobilnością
  • Płaszczyzna zarządzania zadaniami

Te trzy warstwy krzyżowe są używane głównie do sterowania siecią, a także do sprawiania, aby czujniki działały jako jedna w celu zwiększenia ogólnej wydajności sieci. Wspomniane powyżej pięć warstw WSN omówiono poniżej.

Architektura sieci bezprzewodowych czujników

Architektura sieci bezprzewodowych czujników

Warstwa aplikacji

Warstwa aplikacji jest odpowiedzialna za zarządzanie ruchem i oferuje oprogramowanie dla wielu aplikacji, które konwertują dane w przejrzystej formie, aby znaleźć pozytywne informacje. Sieci czujników rozmieszczone w wielu zastosowaniach w różnych dziedzinach, takich jak rolnictwo, wojsko, ochrona środowiska, medycyna itp.

Warstwa transportowa

Zadaniem warstwy transportowej jest unikanie zatorów i niezawodność, gdy wiele protokołów, które mają oferować tę funkcję, jest praktycznych w sieci nadrzędnej. Protokoły te wykorzystują odmienne mechanizmy rozpoznawania i odzyskiwania strat. Warstwa transportowa jest dokładnie potrzebna, gdy planowane jest połączenie systemu z innymi sieciami.

Zapewnienie niezawodnego odzyskiwania strat jest bardziej energooszczędne i jest to jeden z głównych powodów, dla których TCP nie nadaje się do WSN. Ogólnie warstwy transportowe można podzielić na sterowane pakietami i sterowane zdarzeniami. Istnieje kilka popularnych protokołów w warstwie transportowej, a mianowicie STCP (Protokół sterowania transmisją czujnika), PORT (Protokół transportu zorientowanego cenowo i PSFQ (szybkie pobieranie pompy).

Warstwa sieci

Główną funkcją warstwy sieciowej jest routing, ma wiele zadań opartych na aplikacji, ale tak naprawdę główne zadania dotyczą oszczędzania energii, częściowej pamięci, buforów i czujnika nie mają uniwersalnego identyfikatora i muszą być samoorganizującym się.

Prostą ideą protokołu routingu jest wyjaśnienie niezawodnego toru i redundantnych pasów zgodnie z przekonującą skalą zwaną metryką, która różni się w zależności od protokołu. Istnieje wiele istniejących protokołów dla tej warstwy sieci, można je podzielić na routing płaski i hierarchiczny lub podzielić na sterowane czasem, zapytania i zdarzenia.

Warstwa łącza danych

Warstwa łącza danych jest odpowiedzialna za multipleksowanie wykrywania ramek danych, strumieni danych, MAC i kontroli błędów, potwierdzając niezawodność punkt-punkt (lub) punkt-wielopunkt.

Warstwa fizyczna

Warstwa fizyczna zapewnia krawędź do przesyłania strumienia bitów powyżej fizycznego nośnika. Warstwa ta jest odpowiedzialna za wybór częstotliwości, generowanie częstotliwości nośnej, wykrywanie sygnału, modulację i szyfrowanie danych. IEEE 802.15.4 jest sugerowany jako typowy dla niektórych obszarów o niskiej szybkości i bezprzewodowych sieci czujników z niskim kosztem, zużyciem energii, gęstością, zasięgiem komunikacji w celu wydłużenia żywotności baterii. CSMA / CA jest używany do obsługi topologii typu gwiazda i każdy z każdym. Istnieje kilka wersji IEEE 802.15.4.V.

Głównymi korzyściami wynikającymi z zastosowania tego rodzaju architektury w WSN jest to, że każdy węzeł prowadzi po prostu transmisję na mniejszą odległość i małą moc do sąsiednich węzłów, dzięki czemu wykorzystanie mocy jest niskie w porównaniu z innymi rodzajami architektury sieci czujników. Ten rodzaj sieci jest skalowalny, a także charakteryzuje się wysoką odpornością na uszkodzenia.

Architektura sieci klastrowej

W tego rodzaju architekturze osobne węzły czujników łączą się w grupy zwane klastrami, które zależą od „protokołu wymywania”, ponieważ używa on klastrów. Termin „Leach Protocol” oznacza „Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy”. Główne właściwości tego protokołu obejmują głównie poniższe.

Architektura sieci klastrowej

Architektura sieci klastrowej

  • Jest to dwuwarstwowa architektura klastrowania hierarchii.
  • Ten rozproszony algorytm służy do rozmieszczania węzłów czujników w grupy zwane klastrami.
  • W każdym klastrze, który jest tworzony oddzielnie, węzły główne klastra utworzą plany TDMA (wielodostęp z podziałem czasu).
  • Wykorzystuje koncepcję Data Fusion, aby uczynić sieć energooszczędną.

Ten rodzaj architektury sieciowej jest niezwykle wykorzystywany ze względu na właściwość łączenia danych. W każdym klastrze każdy węzeł może wchodzić w interakcje przez głowę klastra, aby uzyskać dane. Wszystkie klastry będą udostępniać zebrane dane w kierunku stacji bazowej. Utworzenie klastra, a także wybór jego głowy w każdym klastrze, jest metodą niezależną i autonomiczną rozproszoną.

Zagadnienia projektowe architektury bezprzewodowej sieci czujnikowej

Zagadnienia projektowe dotyczące architektury sieci czujników bezprzewodowych obejmują głównie następujące zagadnienia.

  • Zużycie energii
  • Lokalizacja
  • Pokrycie
  • Zegary
  • Obliczenie
  • Koszt produkcji
  • Projektowanie sprzętu
  • Jakość usługi

Zużycie energii

W WSN zużycie energii jest jednym z głównych problemów. Jako źródło energii bateria jest używana przez wyposażenie w węzły czujnikowe. Sieć czujników jest rozmieszczona w niebezpiecznych sytuacjach, więc wymiana akumulatorów w innym przypadku jest skomplikowana. Zużycie energii zależy głównie od operacji węzłów czujników, takich jak komunikacja, wykrywanie i przetwarzanie danych. Podczas całej komunikacji zużycie energii jest bardzo wysokie. Dzięki temu można uniknąć zużycia energii na każdej warstwie, stosując wydajne protokoły routingu.

Lokalizacja

Podstawowym, ale i krytycznym problemem dla funkcjonowania sieci jest lokalizacja czujników. Dlatego węzły czujników są rozmieszczane ad hoc, więc nie wiedzą o swojej lokalizacji. Trudność w określeniu fizycznej lokalizacji czujnika po ich rozmieszczeniu nazywana jest lokalizacją. Trudność tę można rozwiązać za pomocą GPS, węzłów nawigacyjnych, lokalizacji opartej na bliskości.

Pokrycie

Węzły czujników w bezprzewodowej sieci czujników wykorzystują algorytm pokrycia do wykrywania danych, a także przesyłają je do pobierania przez algorytm routingu. Aby objąć całą sieć, należy wybrać węzły czujników. Zalecane są efektywne metody, takie jak algorytmy najmniejszej i najwyższej ścieżki narażenia oraz protokół projektowania pokrycia.

Zegary

W WSN synchronizacja zegarów to poważna usługa. Główną funkcją tej synchronizacji jest oferowanie zwykłej skali czasowej dla węzłów lokalnych zegarów w sieciach czujników. Te zegary muszą być zsynchronizowane w niektórych aplikacjach, takich jak monitorowanie i śledzenie.

Obliczenie

Obliczenia można zdefiniować jako sumę danych przechodzących przez każdy węzeł. Głównym problemem związanym z obliczeniami jest to, że muszą one ograniczać wykorzystanie zasobów. Jeśli żywotność stacji bazowej jest bardziej niebezpieczna, wówczas przetwarzanie danych zostanie zakończone w każdym węźle przed przesłaniem danych w kierunku stacji bazowej. W każdym węźle, jeśli mamy jakieś zasoby, to całe obliczenia powinny być wykonane w ujściu.

Koszt produkcji

W WSN rozmieszczona jest duża liczba węzłów czujnikowych. Jeśli więc cena pojedynczego węzła jest bardzo wysoka, to ogólna cena sieci również będzie wysoka. Ostatecznie cena każdego węzła czujnikowego musi być niższa. Tak więc cena każdego węzła czujnika w bezprzewodowej sieci czujników jest wymagającym problemem.

Projektowanie sprzętu

Podczas projektowania sprzętu dowolnej sieci czujników, takiego jak sterowanie zasilaniem, mikrokontroler i jednostka komunikacyjna muszą być energooszczędne. Jego konstrukcja może być wykonana w taki sposób, aby zużywała mało energii.

Jakość usługi

Jakość usług lub QoS to nic innego, jak dane muszą być rozłożone w czasie. Ponieważ niektóre aplikacje oparte na czujnikach czasu rzeczywistego zależą głównie od czasu. Jeśli więc dane nie zostaną rozesłane na czas do odbiorcy, staną się bezużyteczne. W sieciach WSN występują różne rodzaje problemów związanych z jakością usług, takie jak topologia sieci, która może się często zmieniać, a stan dostępności informacji wykorzystywanych do routingu może być nieprecyzyjny.

Struktura bezprzewodowej sieci sensorowej

Struktura WSN obejmuje głównie różne topologie używane w sieciach komunikacji radiowej, takie jak gwiazda, siatka i gwiazda hybrydowa. Te topologie omówiono pokrótce poniżej.

Star Network

Topologia komunikacji, taka jak sieć gwiazdowa, jest używana wszędzie tam, gdzie tylko stacja bazowa może przesyłać lub odbierać wiadomości do odległych węzłów. Dostępnych jest wiele węzłów, które nie mogą przesyłać sobie wiadomości. Zalety tej sieci to przede wszystkim prostota, zdolna do utrzymywania wykorzystania mocy zdalnych węzłów na minimalnym poziomie.

Pozwala także na komunikację z mniejszymi opóźnieniami między stacją bazową, jak i węzłem zdalnym. Główną wadą tej sieci jest to, że stacja bazowa powinna znajdować się w zasięgu radiowym dla wszystkich oddzielnych węzłów. Nie jest tak solidna jak inne sieci, ponieważ jest zależna od jednego węzła do obsługi sieci.

Siatka stacji

Ten rodzaj sieci umożliwia transmisję danych z jednego węzła do drugiego w ramach sieci znajdującej się w zasięgu transmisji radiowej. Jeśli węzeł musi przesłać wiadomość do innego węzła, który jest poza zasięgiem komunikacji radiowej, może wykorzystać węzeł jako pośrednik do wysłania wiadomości w kierunku preferowanego węzła.

Główną zaletą sieci kratowej jest skalowalność oraz nadmiarowość. Gdy pojedynczy węzeł przestaje działać, węzeł zdalny może nawiązać połączenie z dowolnym innym typem węzła w zasięgu, a następnie przekazać wiadomość w kierunku preferowanej lokalizacji. Ponadto zasięg sieci nie jest automatycznie ograniczany przez zasięg między pojedynczymi węzłami, który można rozszerzyć, po prostu dodając kilka węzłów do systemu.

Główną wadą tego rodzaju sieci jest wykorzystanie energii przez węzły sieciowe, które wykonują komunikację, na przykład multi-hop, są zwykle wyższe niż w przypadku innych węzłów, które nie mają zdolności częstego ograniczania żywotności baterii. Ponadto, gdy liczba przeskoków komunikacyjnych wzrasta w kierunku celu, czas potrzebny do wysłania wiadomości również wzrośnie, zwłaszcza jeśli konieczny jest proces niskiego poboru mocy przez węzły.

Hybrid Star - Mesh Network

Hybryda między dwoma sieciami, takimi jak gwiazda i siatka, zapewnia silną i elastyczną sieć komunikacyjną, jednocześnie utrzymując zużycie energii przez węzły czujników bezprzewodowych na minimalnym poziomie. W tego rodzaju topologii sieci węzły czujników o mniejszej mocy nie mogą przesyłać komunikatów.
Pozwala to na utrzymanie najmniejszego wykorzystania mocy.

Jednak inne węzły sieci mogą mieć możliwość wykonywania wielu przeskoków, umożliwiając im przesyłanie wiadomości z jednego węzła do drugiego w sieci. Zwykle węzły o pojemności multi-hop mają dużą moc i są często podłączane do linii zasilającej. Jest to topologia zaimplementowana w nadchodzącej standardowej sieci kratowej o nazwie ZigBee.

Struktura bezprzewodowego węzła sensorowego

Komponenty użyte do stworzenia bezprzewodowego węzła czujnikowego to różne jednostki, takie jak wykrywanie, przetwarzanie, nadajnik-odbiornik i moc. Zawiera również dodatkowe komponenty zależne od aplikacji, takie jak generator prądu, system wyszukiwania lokalizacji i mobilizator. Ogólnie rzecz biorąc, zespoły czujnikowe obejmują dwie podjednostki, a mianowicie przetworniki ADC oraz czujniki. Tutaj czujniki generują sygnały analogowe, które za pomocą ADC można zamienić na sygnały cyfrowe, a następnie przesłać je do jednostki przetwarzającej.

Ogólnie rzecz biorąc, jednostka ta może być połączona z małą jednostką pamięci w celu obsługi działań, które powodują, że węzeł czujnikowy współpracuje z innymi węzłami w celu wykonania przydzielonych zadań wykrywania. Węzeł czujnikowy można podłączyć do sieci za pomocą modułu nadawczo-odbiorczego. W węźle czujnikowym jednym z podstawowych elementów jest węzeł czujnikowy. Jednostki mocy są obsługiwane przez jednostki odbierające moc, takie jak ogniwa słoneczne, podczas gdy inne podjednostki zależą od aplikacji.

Schemat bloku funkcjonalnego bezprzewodowych węzłów czujnikowych przedstawiono powyżej. Moduły te zapewniają wszechstronną platformę do sprostania wymaganiom wielu aplikacji. Na przykład, w oparciu o czujniki, które mają być rozmieszczone, można dokonać wymiany bloku kondycjonowania sygnału. Pozwala to na użycie różnych czujników wraz z bezprzewodowym węzłem czujnikowym. Podobnie można wymienić łącze radiowe na określoną aplikację.

Charakterystyka bezprzewodowej sieci czujników

Cechy WSN są następujące.

  • Zużycie limitów mocy dla węzłów z bateriami
  • Zdolność do obsługi awarii węzłów
  • Pewna mobilność węzłów i niejednorodność węzłów
  • Skalowalność do dużej skali dystrybucji
  • Możliwość zapewnienia surowych warunków środowiskowych
  • Prosty w użyciu
  • Projekt wielowarstwowy

Zalety bezprzewodowych sieci sensorowych

Zalety WSN są następujące

  • Układy sieciowe można przeprowadzić bez infrastruktury nieruchomej.
  • Idealny do niedostępnych miejsc, takich jak góry, morze, obszary wiejskie i głębokie lasy.
  • Elastyczny w przypadkowej sytuacji, gdy wymagana jest dodatkowa stacja robocza.
  • Ceny wykonania są niedrogie.
  • Pozwala uniknąć dużej ilości okablowania.
  • W dowolnym momencie może zapewnić miejsce dla nowych urządzeń.
  • Można go otworzyć za pomocą scentralizowanego monitorowania.

Aplikacje bezprzewodowej sieci czujników

Bezprzewodowe sieci czujników mogą zawierać wiele różnych typów czujników, takich jak niska częstotliwość próbkowania, sejsmiczne, magnetyczne, termiczne, wizualne, podczerwone, radarowe i akustyczne, które są sprytne do monitorowania szerokiego zakresu sytuacji otoczenia. Węzły czujników są używane do ciągłego wykrywania, identyfikowania zdarzeń, wykrywania zdarzeń i lokalnego sterowania siłownikami. Zastosowania sieci czujników bezprzewodowych obejmują głównie obszary zdrowotne, wojskowe, środowiskowe, domowe i inne obszary komercyjne.

Aplikacje sWSN

Aplikacja WSN

  • Aplikacje wojskowe
  • Aplikacje zdrowotne
  • Aplikacje środowiskowe
  • Aplikacje domowe
  • Aplikacje komercyjne
  • Monitorowanie obszaru
  • Monitorowanie opieki zdrowotnej
  • Wyczucia środowiskowe / ziemskie
  • Monitoring zanieczyszczenia powietrza
  • Wykrywanie pożarów lasów
  • Wykrywanie osuwisk
  • Monitoring jakości wody
  • Monitoring przemysłowy

Tak więc chodzi o to, co jest bezprzewodowa sieć czujników , architektura, charakterystyka i zastosowania bezprzewodowej sieci czujników. Mamy nadzieję, że masz gorące lepsze zrozumienie tej koncepcji. Ponadto wszelkie pytania lub informacje pomysły na projekt bezprzewodowej sieci czujników , podaj cenne sugestie, komentując w sekcji komentarzy poniżej. Oto pytanie do Ciebie, jakie są rodzaje sieci czujników bezprzewodowych?