Vezeték nélküli szenzorhálózatok. Érzékszervi hálózatok: az emberiség jövője

Előzmények és felhasználási kör

Az érzékelőhálózat egyik első prototípusának tekinthető a SOSUS rendszer, amelyet tengeralattjárók észlelésére és azonosítására terveztek. A vezeték nélküli szenzorhálózatok technológiája viszonylag nemrégiben - a 90-es évek közepén - kezdett aktívan fejlődni. A mikroelektronika fejlődése azonban csak a XXI. század elején tette lehetővé az ilyen eszközök meglehetősen olcsó elemalapjának előállítását. A modern vezeték nélküli hálózatok főként a ZigBee szabványon alapulnak. Jelentős számú iparág és piaci szegmens (gyártás, különféle szállítási módok, életfenntartás, biztonság) készen áll a szenzorhálózatok megvalósítására, és ez a szám folyamatosan növekszik. A tendenciát a bonyodalmak vezérlik technológiai folyamatok, a termelés fejlesztése, az egyének bővülő igényei a biztonsági szegmensekben, az erőforrás-ellenőrzés és a készlethasználat. A félvezető-technológiák fejlődésével új gyakorlati és elméleti problémák jelennek meg a szenzorhálózatok iparban, lakás- és kommunális szolgáltatásokban, valamint háztartásokban történő alkalmazásával kapcsolatban. Az olcsó vezeték nélküli érzékelő eszközök használata a paraméterek szabályozására új területeket nyit meg a telemetriai és vezérlőrendszerek alkalmazásában, mint például:

• Időben történő azonosítás lehetséges kudarcok aktuátorok olyan paraméterek szabályozására, mint a rezgés, hőmérséklet, nyomás stb.;
• Valós idejű hozzáférés-vezérlés a megfigyelő objektum távoli rendszereihez;
• Az ellenőrzés automatizálása és Karbantartás ipari eszközök;
• Kereskedelmi vagyonkezelés;
• Alkalmazás elemként energia- és erőforrás-takarékos technológiákban;
• A környezet ökoparamétereinek ellenőrzése.

Megjegyzendő, hogy a szenzorhálózatok hosszú története ellenére a szenzorhálózat kiépítésének koncepciója nem öltött végre formát, és nem fejeződött ki konkrét szoftveres és hardveres (platform) megoldásokban. A szenzorhálózatok megvalósítása a jelenlegi szakaszban nagymértékben függ az ipari feladat konkrét követelményeitől. Az architektúra, a szoftver és a hardver megvalósítása a technológia intenzív formálódási szakaszában van, ami felhívja a fejlesztők figyelmét, hogy technológiai rést találjanak a jövő gyártói számára.

Technológiák

A vezeték nélküli szenzorhálózatok (WSN) miniatűr számítástechnikai eszközökből állnak, amelyek érzékelőkkel (hőmérséklet-, nyomás-, megvilágítás-, rezgésszint-, hely- stb. érzékelőkkel) és adott rádiótartományban működő jeladó-vevőkkel vannak felszerelve. A rugalmas architektúra, a csökkentett telepítési költségek megkülönböztetik az intelligens érzékelők vezeték nélküli hálózatait a többi vezeték nélküli és vezetékes adatinterfésztől, különösen, ha nagyszámú összekapcsolt eszközről van szó, az érzékelőhálózat akár 65 000 eszköz csatlakoztatását teszi lehetővé. A vezeték nélküli megoldások költségének folyamatos csökkenése, működési paramétereik növekedése lehetővé teszi, hogy a vezetékes megoldásokról fokozatosan áttérjünk a telemetriai adatok gyűjtésére, távdiagnosztikai eszközökre és információcserére szolgáló rendszerekre. Az „érzékelő hálózat” ma jól bevált kifejezés (eng. Szenzorhálózatok), elosztott, önszerveződő, kudarcnak ellenálló egyedi elemek felügyelet nélküli eszközök hálózata, amelyek nem igényelnek speciális telepítést. A szenzorhálózat minden csomópontja tartalmazhat különféle érzékelőket a külső környezet figyelésére, mikroszámítógépet és rádió adó-vevőt. Ez lehetővé teszi a készülék számára a mérések elvégzését, a kezdeti adatfeldolgozás önálló végrehajtását és a kommunikációt egy külső információs rendszerrel.

802.15.4 / ZigBee rövid hatótávolságú relé technológia, az érzékelő hálózatok néven ismert. WSN – Vezeték nélküli érzékelőhálózat), az önszerveződő hibatűrő képesség fejlesztésének egyik modern iránya elosztott rendszerek az erőforrások és folyamatok nyomon követése és kezelése. Napjainkban a vezeték nélküli szenzorhálózatok technológiája az egyetlen olyan vezeték nélküli technológia, amellyel megoldható a szenzorok működési ideje szempontjából kritikus felügyeleti és vezérlési feladatok. A vezeték nélküli szenzorhálózattá egyesített érzékelők földrajzilag elosztott önszerveződő rendszert alkotnak az információk gyűjtésére, feldolgozására és továbbítására. A fő alkalmazási terület a mért paraméterek ellenőrzése és monitorozása fizikai környezetekés tárgyakat.

• rádióút;
• processzor modul;
• akkumulátor;
• különféle érzékelők.

Egy tipikus csomópont háromféle eszközzel ábrázolható:

• Hálózati Koordinátor (FFD – Fully Function Device);
  • globális koordinációt, szervezést, hálózati paraméterek beállítását végzi;
  • a három eszköztípus közül a legösszetettebb, a legtöbb memóriát és tápegységet igénylő;

• Teljesen működőképes eszköz (FFD);
  • 802.15.4 támogatása;
  • a további memória és energiafogyasztás lehetővé teszi, hogy hálózati koordinátorként működjön;
  • minden típusú topológia támogatása (pont-pont, csillag, fa, háló);
  • a hálózati koordinátori tevékenység képessége;
  • a hálózat más eszközeinek elérése;
• (RFD – csökkentett funkciójú eszköz);
  • Támogatja a 802.15.4 funkciók korlátozott készletét;
  • „pont-pont”, „csillag” topológiák támogatása;
  • nem jár el koordinátorként;
  • felveszi a kapcsolatot a hálózati koordinátorral és az útválasztóval;

Fejlesztő cégek

Különböző típusú cégek képviseltetik magukat a piacon:

Jegyzetek (szerkesztés)

Wikimédia Alapítvány. 2010.

Nézze meg, mik azok a „Vezeték nélküli érzékelőhálózatok” más szótárakban:

- (más nevek: vezeték nélküli ad hoc hálózatok, vezeték nélküli dinamikus hálózatok) decentralizált vezeték nélküli hálózatok, amelyek nem rendelkeznek állandó szerkezettel. A klienseszközök menet közben csatlakoznak hálózatot alkotva. Minden házigazda megpróbálja továbbítani a ... ... Wikipédiát

Javasoljuk az oldal átnevezését Vezeték nélküli önszerveződő hálózatra. Az okok magyarázata és vita a Wikipédia oldalán: Átnevezés felé / 2012. december 1. Talán a jelenlegi elnevezése nem felel meg a modern ... ... Wikipédia normáinak

A vezeték nélküli ad hoc hálózatok decentralizált vezeték nélküli hálózatok, amelyek nem rendelkeznek állandó szerkezettel. A klienseszközök menet közben csatlakoznak hálózatot alkotva. A hálózat minden csomópontja megpróbálja továbbítani a többi csomópontnak szánt adatokat. Ugyanakkor ... ... Wikipédia

A vezeték nélküli ad hoc hálózatok decentralizált vezeték nélküli hálózatok, amelyek nem rendelkeznek állandó szerkezettel. A klienseszközök menet közben csatlakoznak hálózatot alkotva. A hálózat minden csomópontja megpróbálja továbbítani a többi csomópontnak szánt adatokat. Ugyanakkor ... ... Wikipédia

Egy tipikus vezeték nélküli szenzorhálózat felépítése A vezeték nélküli szenzorhálózat egy elosztott, önszerveződő hálózat számos érzékelőből (érzékelőből) és aktuátorból, amelyek rádiócsatornán keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Régió ... ... Wikipédia

Kívánatos-e ennek a cikknek a javítása?: Tervezze újra a tervet a cikkírás szabályai szerint. Nézze meg a cikket a nyelvtani és helyesírási hibákért. Javítsa ki a cikket a ... Wikipédia szerint

Telemetria, telemetria (más görög τῆλε "távol" + μέτρεω "mérem") olyan technológiák összessége, amelyek lehetővé teszik a távoli méréseket és az információgyűjtést a kezelő vagy a felhasználó számára, a ... ... Wikipédia szerves része.

Ultra-széles sávú (UWB) jelek Rádiójelek (mikrohullámú jelek) "extra nagy" sávszélességgel. Ultraszéles sávú radar- és ultraszéles sávú rádiókommunikációra használják. Tartalom 1 Definíció 2 Szabályozás ... Wikipédia

Az első nyílt vezeték nélküli adathálózati protokoll az épületautomatizáláshoz és az elosztott létesítménymenedzsmenthez. Az One Net számos meglévő adó-vevővel (adó-vevővel) és ... ... Wikipédia-val használható

Már közeleg a nap, amikor a kulcstartótól a babakocsiig mindenbe beépítenek több százmillió félvezető érzékelőt, ami csak lehetséges. És mindegyik képes lesz nemcsak intelligens szenzorként működni, hanem elsődleges információfeldolgozást is végezni, valamint kölcsönhatásba léphet egymással, egyetlen vezeték nélküli szenzorhálózatot alkotva. Ugyanakkor az ilyen érzékelők gyakorlatilag nem fogyasztanak áramot, mivel a beépített miniatűr akkumulátorok több évig tartanak, vagyis az érzékelők teljes élettartama alatt. Elvileg új típus lesz számítógépes rendszer vezeték nélküli szenzorhálózat használatával működik. Ezt a hálózatot általában Ad-hoc Wireless Sensor Networknek nevezik. Az Ad-hoc kifejezést a modern vezeték nélküli hálózatokból kölcsönözték, mint például az IEEE 802.11b szabvány. Ezeknek a vezeték nélküli hálózatoknak két kommunikációs módja van: infrastruktúra mód és ad-hoc mód. Infrastruktúra módban a hálózat csomópontjai nem közvetlenül, hanem az Access Pointon keresztül lépnek kapcsolatba egymással, ami egyfajta hubként működik a vezeték nélküli hálózatban (hasonlóan a hagyományos kábelhálózatokhoz). Ad-hoc módban, más néven Peer-to-Peer, az állomások közvetlenül kommunikálnak egymással. Ennek megfelelően a vezeték nélküli szenzorhálózatokban az Ad-hoc mód azt jelenti, hogy az összes érzékelő közvetlenül kölcsönhatásba lép egymással, egyfajta mobilhálózatot hozva létre.

A vezeték nélküli szenzorhálózatok egyfajta lépést jelentenek a következő korszakba való átmenet felé – amikor a számítógépek közvetlenül kapcsolódnak a fizikai világhoz, és képesek lesznek kitalálni a felhasználók vágyait, és döntéseket is hozni helyettük.
Álmodjunk egy kicsit arról, mit hoznak nekünk a jövőben az ilyen szenzorhálózatok. Képzeld el, hogy a kiságyak a csecsemők lélegzését hallgatják; karkötők, amelyek figyelemmel kísérik a betegek állapotát a klinikán; füstérzékelőket, amelyek nem csak szükség esetén hívhatják a tűzoltókat, hanem előzetesen tájékoztatják őket a tűz forrásáról és a tűz bonyolultsági fokáról. Elektronikus eszközök képesek lesznek felismerni egymást, az élelmiszerforrások emlékeztetik őket arra, hogy "frissülniük" kell.

Képzeljen el több százezer szenzort, amelyek hálózatba kapcsolódnak egy erdőben. Egy ilyen erdőben egyszerűen lehetetlen eltévedni, mivel az ember mozgását érzékelők rögzítik és elemzik. Egy másik példa a szántóföldi érzékelők, amelyek a talaj állapotának figyelésére vannak hangolva, és a változó körülményektől függően szabályozzák az öntözést és a kijuttatott műtrágya mennyiségét.
A szenzorhálózatok az utakon ugyanilyen hasznosak lesznek. Egymással kommunikálva képesek lesznek szabályozni az autók áramlását. Ez minden vezető álma – utak forgalmi dugók nélkül! Az ilyen hálózatok sokkal hatékonyabban képesek megbirkózni ezzel a feladattal, mint bármely ügynökség. Vezérlési probléma
az utakon elkövetett szabálysértések magától megoldódnak.

Szenzorhálózatok használatával az áramellátás kezeléséhez hihetetlen energiamegtakarítás érhető el. Képzeljen el egy ilyen vezérlőhálózatot a lakásában. A tartózkodási hely nyomon követésével az érzékelők képesek lesznek lekapcsolni a mögötted lévő lámpát, és szükség szerint bekapcsolni. Nos, ha ilyen hálózatokat használ az utcák és utak világításának szabályozására, akkor az áramhiány problémája önmagában eltűnik. Annak érdekében, hogy a szenzorhálózatok a holnap valóságává váljanak, már folynak ilyen irányú kutatások. Ezen a területen pedig az Intel Corporation a vezető, amely a jövő összes fejlett számítási technológiáját támogatja. Különös figyelmet fordítanak a vezeték nélküli többcsomópontos szenzorhálózatok fejlesztésére, amelyek képesek önformálódni és szükség szerint automatikusan konfigurálni. Ennek a technológiának a megvalósítása lehetővé teszi egy olcsó, de ugyanakkor nagyon összetett félvezető érzékelő eszközök hálózatának kiépítését, amelyek egymástól függetlenül képesek kommunikációt létesíteni egymással, jelentést készítve a környezet bizonyos változásairól. A Mica szenzorhoz például 128 kilobájt flash memória szoftver, 256 kilobájt adattároláshoz szükséges flash memória és 900 MHz-es rádióadó tartozik.
Ezen eszközök némelyike ​​operációs rendszert futtat
TinyOS, ennek az operációs rendszernek a kódja nyílt forráskódú, és mindenből áll
8,5 Kb.

Az ilyen eszközök alapvetően új területeken találnak majd alkalmazást, például az intelligens ruhadarabok fejlesztésében, az újszülött egészségi állapotát figyelő, létfontosságú funkcióinak legfontosabb mutatóit jelző csatlakoztatott takarók fejlesztésében, az okosfarmok, amelyekben félvezető érzékelőket telepítettek a a talaj fogja kezelni az öntözést
rendszer és a trágyázás. Az Intel Corporation szenzorhálózati kutatása
a híres Intel Berkeley kutatólaboratórium Kaliforniában. A ma létező kísérleti szenzorhálózatok csak részben felelnek meg a fenti követelményeknek. Így ma a hálózatok csak több száz érzékelőből állnak, korlátozott lefedettséggel, és csak jól meghatározott feladatokat látnak el. Csak egy bizonyos típusú információt képesek továbbítani egyik érzékelőtől a másikhoz, és csak egy adott sávszélességen. Az energiafogyasztás sem elhanyagolható.
- Az akkumulátor csak néhány napig bírja. A meglévő szenzorok még elég inertek, és szó sincs nagy megbízhatóságról és működés közbeni láthatatlanságról (legalábbis a méret miatt). És persze az ilyen érzékelők meglehetősen drágák, így a több száz érzékelőből álló hálózat nem olcsó. De emlékeznünk kell arra, hogy kísérleti hálózatokról és a jövő technológiájának fejlesztéséről beszélünk. Ugyanakkor a kísérleti szenzorhálózatok már most is előnyöket nyújtanak. Az Intel Berkeley Research Laboratory, az Atlantic Institute és a University of California által közösen létrehozott szenzorhálózat a maine-i Great Duck Islanden működik.

A hálózat célja a szigeten élő különféle biológiai élőlények mikroélőhelyeinek tanulmányozása.
Bármilyen emberi beavatkozás (még tanulási célból is) néha szükségtelen,
Itt jönnek a segítségre a szenzorhálózatok, amelyek lehetővé teszik az összes szükséges információ összegyűjtését közvetlen emberi részvétel nélkül.

A szenzorhálózat két táblát használ csomóponti elemként. Az első tábla hőmérséklet-érzékelőt, páratartalom- és légnyomás-érzékelőket, valamint infravörös érzékelőt tartalmaz. A második kártya mikroprocesszort tartalmaz (4 MHz-es frekvencia), RAM 1KB kapacitás, flash memória programok és adatok tárolására, tápegység (két AA elem) és rádió adó /
900 MHz frekvencián működő vevő. Az érzékelők lehetővé teszik az összes szükséges információ regisztrálását és átvitelét a gazdaszámítógép adatbázisába. Minden érzékelőt előzetesen alaposan tesztelnek - az érzékelőkkel ellátott táblát két napra vízbe merítik, és figyelik a működését. Minden érzékelő csomópont egyetlen vezeték nélküli hálózatot alkot, és képes információt cserélni. Ebben az esetben az információk átvitele egy távoli hálózati csomópontról egy átjáróra (Gateway Sensor) egy lánc mentén történik, azaz egyik hálózati csomópontról a másikra, ami lehetővé teszi nagy lefedettségi terület létrehozását.

Az információ az átjárón keresztül jut el a gazdaszámítógéphez. Az átjáró irányított antennát használ, amely lehetővé teszi az átviteli távolság 300 m-re történő növelését.A fogadó számítógéptől az információ műholdon keresztül, az interneten keresztül egy kaliforniai kutatóközpontba kerül.

A laboratórium munkatársai nem kevésbé aktívan dolgoznak a precíziós biológián és a biochipek létrehozásán. A szilárd dolgok világának érzékszervi érzékelése mellett vizsgálják a folyékony közegek és a biológiai, fejlődő tárgyak "megérezésének" lehetőségét. Az ilyen kutatások óriási távlatokat nyitnak az orvosi és gyógyszerészeti fejlesztés, a kémiai folyamatok megvalósítása és a biológiai gyógyszerek gyártása előtt. Mivel a szenzorhálózatok fő célja az érzékelés és az átvitel hasznos információ, Az Intel Berkeley labor szakemberei módszert fejlesztenek ki az érzékelők és a megfigyelésükért felelős objektumok kombinálására, és vizsgálják az „aktuátorok” létrehozásának lehetőségét is – olyan szenzorokon alapuló eszközöket, amelyek lehetővé teszik a helyzet befolyásolását, és nem csak az állapot regisztrálását. . A szenzorhálózatok nyilvánvalóan hasznosak katonai alkalmazásokban, a hálózatok egyik lehetséges változatát Afganisztánban tesztelték "harcban", ahol az amerikai hadsereg több száz érzékelőt telepített az ellenséges katonai felszerelések mozgásának követésére. A bevezetőről azonban
Valódi hálózatokról még korai beszélni az életünkben, a hálózat ki van téve a hibatűrésnek. Szolgáltatásmegtagadási (DoS) támadás egy szenzorhálózat ellen minden olyan esemény, amely csökkenti vagy megszünteti a hálózat azon képességét, hogy teljesítse a kívánt funkciót. A szerzők azt javasolják, hogy a szenzorhálózati protokollokat réteges architektúrára alapozzák, ami ronthatja a hálózat hatékonyságát, de növeli annak megbízhatóságát. Megbeszéljük az egyes rétegekre jellemző DoS támadások típusait és az elfogadható védelmi módszereket. Így a szenzorhálózatokat a tökéletlenség és még mindig meglehetősen szűk felhasználási kör ellenére ma is alkalmazzák a tudományban, majd az életben is.

A következő webhelyekről származó anyagokat használtuk fel:

Maxim Szergijevszkij

Legújabb technológiák vezeték nélküliés a mikroáramkörök gyártása terén elért haladás az elmúlt néhány évben lehetővé tette az elosztott kommunikációs rendszerek új osztályának – az érzékelőhálózatoknak – gyakorlati fejlesztését és megvalósítását.

A vezeték nélküli szenzorhálózatok (vezeték nélküli szenzorhálózatok) miniatűr számítástechnikai és kommunikációs eszközökből állnak - mots ( angolról porszemcsék), vagy érzékelők. A mote egy tábla, amelynek mérete általában nem nagyobb, mint egy köbhüvelyk. Az alaplap processzort, memóriát - flash és működőképes, digitális-analóg és analóg-digitális átalakítókat, rádiófrekvenciás adó-vevőt, tápegységet és érzékelőket tartalmaz. Az érzékelők nagyon sokfélék lehetnek; digitális és analóg csatlakozókon keresztül csatlakoznak. Másoknál gyakrabban használnak hőmérséklet-, nyomás-, páratartalom-, fény-, rezgésérzékelőket, ritkábban - magnetoelektromos, kémiai (például CO-, CO2-tartalom mérése), hang- és néhány más érzékelőt. A használt érzékelőkészlet a vezeték nélküli szenzorhálózatok által végzett funkcióktól függ. A mot egy kis elemmel működik. A motes csak az érzékszervi adatok gyűjtésére, elsődleges feldolgozására és továbbítására szolgál. Megjelenésábrán láthatók a különböző gyártók által gyártott robotok. 1.

A motes által gyűjtött adatok fő funkcionális feldolgozása a csomópontban vagy átjáróban történik, amely egy meglehetősen erős számítógép. De az adatok feldolgozásához először meg kell szereznie azokat. Ebből a célból a csomópontot antennával kell felszerelni. De mindenesetre csak a hozzá elég közel eső részek érhetők el a csomópont számára; más szóval, a csomópont nem kap közvetlenül információt minden egyes ponttól. A mots által gyűjtött érzékszervi információ megszerzésének problémáját a következőképpen oldjuk meg. A Motes rádiófrekvenciás adó-vevők segítségével információt cserélhet egymással. Ez egyrészt az érzékelőkből kiolvasott szenzoros információ, másrészt az eszközök állapotáról és az adatátviteli folyamat eredményeiről szóló információ. Az információ továbbításra kerül egyes részektől a lánc többi részéhez, és ennek eredményeként az átjáróhoz legközelebbi részek eldobják az összes felhalmozott információt. Ha néhány mote meghibásodik, az érzékelőhálózatnak tovább kell működnie az újrakonfigurálás után. De ebben az esetben természetesen csökken az információforrások száma.

A funkciók végrehajtásához minden motorra speciális operációs rendszer van telepítve. Manapság a legtöbb vezeték nélküli szenzorhálózat a TinyOS-t, a Berkeley Egyetemen fejlesztett operációs rendszert használja. A TinyOS szoftverre utal nyílt forráskód; a www.tinyos.net oldalon érhető el. A TinyOS egy eseményvezérelt valós idejű operációs rendszer, amelyet korlátozott számítási erőforrások melletti működésre terveztek. Ez az operációs rendszer lehetővé teszi a mote-ok számára, hogy automatikusan kapcsolatot létesítsenek a szomszédokkal, és egy adott topológiájú szenzorhálózatot alkossanak. A TinyOS 2.0 utolsó kiadása 2006-ban jelent meg.

A vezeték nélküli szenzorhálózatok legfontosabb tényezője a moteba beépített akkumulátorok korlátozott kapacitása. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy az elemek cseréje gyakran nem lehetséges. Ebben a tekintetben csak a legegyszerűbb elsődleges feldolgozást kell végrehajtani, amely a továbbított információ mennyiségének csökkentésére irányul, és ami a legfontosabb, az adatok fogadásának és továbbításának ciklusainak minimalizálása. A probléma megoldására speciális kommunikációs protokollokat fejlesztettek ki, amelyek közül a leghíresebbek a ZigBee szövetség protokolljai. Ezt a szövetséget (www.zigbee.org weboldal) 2002-ben hozták létre, kifejezetten a vezeték nélküli szenzorhálózatok területén végzett munka koordinálására. Magában foglalja a legnagyobb hardver- és szoftver eszközök: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI és még sokan mások (összesen több mint 200 tag). Az Intel nem tagja a szövetségnek, bár támogatja tevékenységét.

A ZigBee elvileg egy szabvány kifejlesztéséhez, beleértve a vezeték nélküli szenzorhálózatok protokoll veremét, a korábban kifejlesztett IEEE szabvány 802.15.4, amely a kis hatótávolságú vezeték nélküli adathálózatok fizikai és média hozzáférési rétegét írja le (legfeljebb 75 m), alacsony energiafogyasztással, de nagy megbízhatósággal. Az IEEE 802.15.4 szabvány rádiós adatátvitelének néhány jellemzőjét a táblázat tartalmazza. 1.

1. táblázat: Az IEEE 802.15.4 szabvány szerinti rádiós adatátvitel jellemzői

Tovább Ebben a pillanatban A ZigBee ezen a területen fejlesztette ki az egyetlen szabványt, amelyet a teljesen kompatibilis hardverek és hardverek gyártásának rendelkezésre állása támogat. szoftver termékek... A ZigBee protokollok lehetővé teszik az eszközök hibernálását b O legtöbbször, ami jelentősen meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát.

Nyilvánvaló, hogy nem olyan egyszerű adatcsere-sémákat kidolgozni több száz, sőt több ezer mot között. Figyelembe kell venni többek között azt a tényt is, hogy a szenzorhálózatok nem engedélyezett frekvenciatartományokban működnek, ezért esetenként idegen rádiójel-források által okozott interferencia is előfordulhat. Ugyanazon adatok ismételt továbbítását is célszerű elkerülni, és ezen felül figyelembe venni, hogy az elégtelen energiaintenzitás és a külső hatások miatt a mote örökre vagy egy ideig meghibásodik. Minden ilyen esetben módosítani kell a kommunikációs sémákat. Mivel a TinyOS egyik legfontosabb funkciója a hálózati elrendezés és az adatátviteli útvonalak automatikus kiválasztása, a vezeték nélküli szenzorhálózatok alapvetően önkonfigurálóak.

Leggyakrabban egy motenak képesnek kell lennie arra, hogy függetlenül határozza meg a helyét, legalábbis ahhoz a másik motehoz képest, amelyhez adatokat továbbít. Ez azt jelenti, hogy először az összes motet azonosítják, majd létrehoznak egy útválasztási sémát. Általánosságban elmondható, hogy az összes mote - a ZigBee szabványú eszköz - három osztályba van osztva a bonyolultsági szint szerint. Közülük a legmagasabb – a koordinátor – irányítja a hálózat működését, tárolja a topológiájáról szóló adatokat, és átjáróként szolgál a teljes vezeték nélküli szenzorhálózat által gyűjtött adatok további feldolgozásra továbbításához. A szenzorhálózatokban általában egy koordinátort használnak. A közepes bonyolultságú moto egy router, azaz képes adatokat fogadni és továbbítani, valamint meghatározni az átvitel irányát. Végül a legegyszerűbb eszköz csak a legközelebbi útválasztónak tud adatot továbbítani. Így kiderül, hogy a ZigBee szabvány fürt architektúrájú hálózatot támogat (2. ábra). A klasztert egy router és a legegyszerűbb részek alkotják, amelyektől szenzoros adatokat kér. A fürtútválasztók adatokat továbbítanak egymásnak, és végül az adatokat a koordinátornak továbbítják. A koordinátornak általában van kapcsolata az IP hálózattal, ahol az adatokat végső feldolgozásra küldik.

Oroszországban vezeték nélküli szenzorhálózatok létrehozásával kapcsolatos fejlesztések is zajlanak. Így a High-Tech Systems cég a MeshLogic hardver- és szoftverplatformját kínálja vezeték nélküli szenzorhálózatok kiépítéséhez (www.meshlogic.ru webhely). A fő különbség a platform és a ZigBee között az, hogy a peer-to-peer mesh hálózatok kiépítésére összpontosít (3. ábra). Az ilyen hálózatokban funkcionalitás minden mota ugyanaz. A mesh topológiájú hálózatok önszerveződésének és öngyógyításának lehetősége lehetővé teszi, hogy a moteok egy részének meghibásodása esetén spontán módon új hálózati struktúra alakuljon ki. Igaz, mindenesetre szükség van egy központi funkcionális egységre, amely fogadja és feldolgozza az összes adatot, vagy egy átjáróra, amely az adatokat továbbítja a feldolgozó egységhez. A spontán módon létrehozott hálózatokat gyakran a latin Ad Hoc kifejezésnek nevezik, ami azt jelenti, hogy „egy konkrét esetre”.

A MeshLogic hálózatokban minden modul képes csomagtovábbítást végrehajtani, amely funkciója hasonló a ZigBee útválasztóhoz. A MeshLogic hálók teljesen önszerveződőek: nincs koordinátor csomópont. RF adó-vevőként a MeshLogicban használhatók különféle eszközök, különösen a Cypress WirelessUSB, amely a ZigBee eszközökhöz hasonlóan a 2,4 ... 2,4835 GHz-es frekvenciatartományban működik. Meg kell jegyezni, hogy a MeshLogic platformhoz csak a protokollverem alsó rétegei léteznek. Úgy tartják, hogy felsőbb szintek, különösen a hálózat és az alkalmazás, meghatározott alkalmazásokhoz jön létre. Két MeshLogic és egy ZigBee mote konfigurációja és alapvető paraméterei a táblázatban láthatók. 2.

2. táblázat Különböző gyártók motjai főbb jellemzői

Vegye figyelembe, hogy ezeken a kártyákon nincsenek integrált érintésérzékelők.

Mutassuk meg először is, hogy mi különbözteti meg a vezeték nélküli szenzorhálózatokat a hagyományos számítástechnikai (vezetékes és vezeték nélküli) hálózatoktól:

• kábelek teljes hiánya - elektromos, kommunikációs stb .;
• a mottok kompakt elhelyezésének vagy akár integrálásának lehetősége a környezeti tárgyakba;
• mind az egyes elemek, mind pedig – ami még fontosabb – a teljes rendszer egészének megbízhatósága; bizonyos esetekben a hálózat akkor tud működni, ha az érzékelőknek (motoknak) csak 10-20%-a működik megfelelően;
• nincs szükség személyzetre a telepítéshez és karbantartáshoz.

Az érzékelőhálózatok számos alkalmazási területen használhatók. A vezeték nélküli szenzorhálózatok újak ígéretes technológia, és az összes kapcsolódó projekt többnyire fejlesztés alatt áll. Jelöljük meg ennek a technológiának a fő alkalmazási területeit:

• védelmi rendszerek és biztonság;
• környezetvédelmi ellenőrzés;
• ipari berendezések felügyelete;
• biztonsági rendszerek;
• a mezőgazdasági területek állapotának nyomon követése;
• tápellátás menedzsment;
• szellőző-, légkondicionáló- és világítási rendszerek vezérlése;
• tűzjelző;
• leltár kezelés;
• áruszállítás nyomon követése;
• a személy fiziológiai állapotának nyomon követése;
• személyi ellenőrzés.

A vezeték nélküli szenzorhálózatok használatára vonatkozó meglehetősen nagy számú példa közül kettőt különítünk el. A leghíresebb talán a hálózat telepítése egy BP olajszállító tartályhajó fedélzetén. Ott egy Intel berendezésekre épülő hálózat segítségével figyelték a hajó állapotát a megelőző karbantartás megszervezése érdekében. A BP elemezte, hogy a szenzorhálózat képes-e működni a hajók fedélzetén a szélsőséges hőmérsékleten, magas vibrációban és a hajó egyes részein észlelt jelentős rádiófrekvenciás interferencia mellett. A kísérlet sikeres volt, többször automatikusan megtörtént az újrakonfigurálás és a hálózat működőképességének visszaállítása.

Egy másik végrehajtott kísérleti projektre példa az érzékelőhálózat telepítése az Egyesült Államok légierejének floridai bázisán. A rendszer bemutatta jó lehetőségeket különböző fémtárgyak felismerésére, beleértve a mozgó tárgyakat is. A szenzorhálózat használata lehetővé tette az emberek, autók behatolását az ellenőrzött területre, mozgásuk nyomon követését. E problémák megoldására mágneselektromos és hőmérséklet-érzékelőkkel felszerelt moteokat használtak. Jelenleg a projekt hatóköre bővül, a vezeték nélküli szenzorhálózat telepítése már folyamatban van egy 10 000x500 m-es tesztterületen, a megfelelő alkalmazási szoftvert több amerikai egyetem is fejleszti.

A vezeték nélküli szenzorhálózati technológiák előnyei hatékonyan használhatók fel az információk elosztott gyűjtésével, elemzésével és továbbításával kapcsolatos különféle alkalmazott problémák megoldására.

Épületautomatizálás

Egyes épületautomatizálási alkalmazásokban a hagyományos vezetékes adatátviteli rendszerek alkalmazása gazdasági okokból nem praktikus.

Például újat kell végrehajtania vagy bővítenie kell a meglévő rendszertüzemeltetett épületben. Ebben az esetben a vezeték nélküli megoldások alkalmazása a legelfogadhatóbb lehetőség, mert nincs szükség további szerelési munkákra a helyiségek belső dekorációjának megsértésével, gyakorlatilag nem okoznak kellemetlenségeket az épületben dolgozóknak vagy lakóknak stb. Ennek eredményeként a rendszer bevezetésének költsége jelentősen csökken.

Egy másik példa az ingyenes tervezésű irodaházak, amelyeknél a tervezési és kivitelezési szakaszban nem lehet pontosan meghatározni az érzékelők helyét. Ugyanakkor az irodák elrendezése sokszor változtatható az épület üzemeltetése során, ezért a rendszer újrakonfigurálására fordított idő és pénz minimális legyen, ami vezeték nélküli megoldások alkalmazásával érhető el.

Ezenkívül a következő példák a vezeték nélküli szenzorhálózatokon alapuló rendszerekre említhetők:

• a hőmérséklet, a levegőfogyasztás, az emberek jelenléte és a fűtő-, szellőző- és légkondicionáló berendezések ellenőrzése a mikroklíma fenntartása érdekében;
• világításvezérlés;
• tápellátás menedzsment;
• leolvasások gyűjtése a lakásmérőkről gáz-, víz-, villany- stb .;
• épületek, építmények tartószerkezeteinek állapotának ellenőrzése.

Ipari automatizálás

Eddig a vezeték nélküli kommunikáció széles körű elterjedését az ipari automatizálás területén visszafogta a rádiócsatornák alacsony megbízhatósága a vezetékes kapcsolatokhoz képest zord ipari körülmények között, de a vezeték nélküli szenzorhálózatok alapvetően megváltoztatják a helyzetet, hiszen természetüknél fogva ellenállóak a különféle zavarokkal szemben (például a csomópont fizikai károsodása, interferencia megjelenése, akadályok változása stb.). Ezenkívül bizonyos feltételek mellett a vezeték nélküli szenzorhálózat még nagyobb megbízhatóságot is nyújthat, mint egy vezetékes kommunikációs rendszer.

A vezeték nélküli szenzorhálózatokon alapuló megoldások teljes mértékben megfelelnek az iparági követelményeknek:

• hibatűrés;
• méretezhetőség;
• a működési feltételekhez való alkalmazkodás;
• energiahatékonyság;
• figyelembe véve az alkalmazott probléma sajátosságait;
• gazdasági jövedelmezőség.

A vezeték nélküli szenzorhálózati technológiák a következő ipari automatizálási feladatokban használhatók:

• ipari berendezések távvezérlése és diagnosztikája;
• berendezések karbantartása jelen állapot(a biztonsági ráhagyás előrejelzése);
• gyártási folyamatok nyomon követése;
• telemetria kutatáshoz és teszteléshez.

Egyéb alkalmazások

A vezeték nélküli szenzorhálózatok egyedi tulajdonságai és különbségei a hagyományos vezetékes és vezeték nélküli adatátviteli rendszerektől a legkülönfélébb területeken teszik hatékonyvá a használatukat. Például:

• biztonság és védelem:
  • az emberek és berendezések mozgásának ellenőrzése;
  • alapok operatív kommunikációés intelligencia;
  • kerület ellenőrzése és távfelügyelet;
  • segítségnyújtás a mentési műveletek végrehajtásában;
  • ingatlanok és értékek megfigyelése;
  • biztonsági és tűzjelző;
• környezeti megfigyelés:
  • szennyezés ellenőrzése;
  • Mezőgazdaság;
• egészségügyi ellátás:
  • a betegek élettani állapotának monitorozása;
  • helymeghatározás és az egészségügyi személyzet értesítése.

Elosztott szenzorhálózatok

Mik azok a vezeték nélküli szenzorhálózatok?

Érzékelők és vett készülék

A vezeték nélküli szenzorhálózatok az úgynevezett csomópontokból épülnek fel motes (mote) - akkumulátorokkal és mikrochipekkel táplált kis önálló eszközök rádiókommunikációs frekvencián - például 2,4 GHz. A speciális szoftver lehetővé teszi a mot-ok számára, hogy elosztott hálózatokba szervezzék magukat, kommunikáljanak egymással, lekérdezzenek és adatokat cseréljenek a legközelebbi csomópontokkal, amelyek távolsága általában nem haladja meg a 100 métert.

Az angol nyelvű irodalomban az ilyen hálózatot ún vezeték nélküli szenzorhálózat(WSN) egy vezeték nélküli hálózat, amely földrajzilag elosztott autonóm eszközökből áll, amelyek érzékelők segítségével közösen figyelik a fizikai vagy környezeti feltételeket a különböző területeken.

Olyan paramétereket mérhetnek, mint a hőmérséklet, hang, rezgés, nyomás, tárgyak vagy levegő mozgása. A vezeték nélküli szenzorhálózatok fejlesztését eredetileg katonai feladatok motiválták, például a csatatér megfigyelése. A vezeték nélküli szenzorhálózatokat ma már egyre gyakrabban használják a polgári élet számos területén, beleértve az ipari és környezeti megfigyelést, az egészségügyi ellátást és a tárgyak mozgásának vezérlését. Az alkalmazási terület egyre szélesebb.

A munka alapelvei

3 szintű hálózati diagram. Szenzorok és átjáró 1. szintje. A szerver 2. szintje. 3. szintű vékony kliens

A hálózat minden csomópontja: mot rádió adó-vevővel vagy más vezeték nélküli kommunikációs eszközzel, kis mikrokontrollerrel és áramforrással, általában akkumulátorral felszerelt. Napelemek vagy más alternatív energiaforrások használata lehetséges

A távoli elemekből származó adatok a hálózaton keresztül, csomóponttól csomópontig a legközelebbiek között, rádiócsatornán keresztül továbbíthatók. Ennek eredményeként az adatcsomag a legközelebbi mobiltól az átjáróhoz kerül továbbításra. Az átjáró általában USB-kábellel csatlakozik a szerverhez. A szerveren - az összegyűjtött adatok feldolgozása, tárolása és a WEB shell-en keresztül sok felhasználó számára elérhető.

Egy szenzorcsomópont költsége több száz dollártól néhány centig terjed, az érzékelőhálózat méretétől és összetettségétől függően.

Hardver és szabványok

Átjáró (2db), USB kábellel laptophoz csatlakoztatva. A laptop UTP-n keresztül kapcsolódik az internethez, és szerverként működik

Érzékelők rádióantennával

Vezeték nélküli csomópont hardver és protokollok hálózatépítés A csomópontok között az energiafogyasztásra van optimalizálva, hogy biztosítsa a rendszer hosszú élettartamát autonóm tápegységekkel. Az üzemmódtól függően a csomópont élettartama több évet is elérhet.

Jelenleg számos szabványt ratifikálnak, vagy fejlesztés alatt állnak a vezeték nélküli szenzorhálózatok számára. A ZigBee egy szabvány, amelyet olyan dolgok használatára terveztek, mint az ipari vezérlés, beágyazott érzékelés, orvosi adatgyűjtés, épületautomatizálás. A Zigbee fejlődését ipari vállalatok nagy konzorciuma segíti elő.

• A WirelessHART a HART protokoll kiterjesztése az ipari automatizáláshoz. A WirelessHART hozzáadásra került a közös HART protokollhoz a HART 7 specifikáció részeként, amelyet a HART Communications Foundation hagyott jóvá 2007 júniusában.
• A 6lowpan a megadott szabvány a hálózati réteghez, de még nem fogadták el.
• Az ISA100 egy újabb munka a WSN technológiába való belépésre, de szélesebb körben készült, hogy magában foglalja Visszacsatolás ellenőrzést a területükön. Az ANSI szabványokon alapuló ISA100 megvalósítása a tervek szerint 2008 végére fejeződik be.

WirelessHART, ISA100, ZigBee, és mindegyik ugyanazon a szabványon alapul: IEEE 802.15.4 - 2005.

Vezeték nélküli érzékelő hálózati szoftver

Operációs rendszer

A vezeték nélküli szenzorhálózatok operációs rendszerei a korlátozott erőforrások miatt kevésbé bonyolultak, mint az általános operációs rendszerek hardver szenzorhálózat. Emiatt, operációs rendszer nem szükséges engedélyezni a felhasználói felületek támogatását.

A vezeték nélküli szenzorhálózat hardvere nem különbözik a hagyományos beágyazott rendszerektől, ezért a beágyazott operációs rendszer használható érzékelőhálózatokhoz

Vizualizációs alkalmazások

Mérési eredmények vizualizációs és jelentéskészítő szoftver MoteView v1.1

A vezeték nélküli szenzorhálózatokból származó adatokat általában digitális adatként tárolják egy központi bázisállomáson. Rengeteg van szabványos programok mint például a TosGUI MonSense, GNS, ami megkönnyíti a nagy mennyiségű adat megtekintését. Ezenkívül az Open Consortium (OGC) szabványokat határoz meg a kódoló metaadatok interoperabilitására és interoperabilitására vonatkozóan, lehetővé téve bárki számára, hogy a webböngészőn keresztül valós időben figyelje vagy vezérelje a vezeték nélküli szenzorhálózatot.

A vezeték nélküli szenzorhálózat csomópontjairól érkező adatokkal való munkavégzés érdekében programokat használnak, amelyek megkönnyítik az adatok megtekintését és kiértékelését. Az egyik ilyen program a MoteView. Ez a program lehetővé teszi az adatok valós idejű megtekintését és elemzését, mindenféle grafikon felépítését, jelentések kiadását különböző szakaszokban.

A használat előnyei

• Nincs szükség kábelek lefektetésére az áramellátáshoz és az adatátvitelhez;
• Az alkatrészek alacsony költsége, a rendszer telepítése, üzembe helyezése és karbantartása;
• Gyors és egyszerű hálózati telepítés;
• A teljes rendszer egészének megbízhatósága és hibatűrése az egyes csomópontok vagy alkatrészek meghibásodása esetén;
• Lehetőség a hálózat megvalósítására és módosítására bármely létesítményben anélkül, hogy maguknak a létesítményeknek a működését zavarnák
• Lehetőség a teljes rendszer egészének gyors és szükség esetén rejtett telepítésére.

Mindegyik érzékelő akkora, mint egy söröskupak (de a jövőben akár százszorosára is csökkenthető), és processzort, memóriát és rádióadót tartalmaz. Az ilyen burkolatok bármely területen szétszórhatók, és maguk is kapcsolatot létesítenek egymással, egyetlen vezeték nélküli hálózatot alkotnak, és megkezdik az adatok továbbítását a legközelebbi számítógépre.

Vezeték nélküli hálózatba kapcsolva a szenzorok nyomon követhetik a környezeti paramétereket: mozgást, fényt, hőmérsékletet, nyomást, páratartalmat stb. A monitorozás nagyon nagy területen végezhető, mivel a szenzorok láncon továbbítják az információkat a szomszédtól a szomszédig. A technológia lehetővé teszi, hogy évekig (akár évtizedekig) működjenek elemcsere nélkül. Az érzékelőhálózatok univerzális érzékszervek a számítógép számára, és a világ összes érzékelővel felszerelt fizikai objektuma felismerhető a számítógép által. A jövőben a több milliárd érzékelő mindegyike kap egy IP-címet, és akár egy globális szenzorhálózatot is alkothatnak. A szenzorhálózatok képességei iránt egyelőre csak a katonaság és az ipar érdeklődik. A szenzorhálózatok piacának kutatására szakosodott ON World legfrissebb jelentése szerint a piac virágzik idén. Az idei év másik kiemelkedő eseménye a világ első egylapkás ZigBee rendszerének bevezetése volt (gyártó az Ember). Az ON World által megkérdezett nagy amerikai ipari vállalatok 29%-a már használ szenzorhálózatokat, további 40%-uk pedig 18 hónapon belül tervezi ezek telepítését. Amerikában több mint száz kereskedelmi cég jelent meg, amelyek szenzorhálózatok létrehozásával és karbantartásával foglalkoznak.

Az idei év végére a szenzorok száma a bolygón meghaladja az 1 milliót.Most már nem csak a hálózatok száma nő, hanem a méretük is. Első alkalommal több mint 1000 csomópontból álló hálózatok jöttek létre és működtek sikeresen, köztük egy 25 ezer csomópontra kiterjedő hálózat.

Forrás: Web PLANET

Alkalmazások

A WSN alkalmazásai sokrétűek és változatosak. Kereskedelmi és ipari rendszerekben használják olyan adatok monitorozására, amelyek vezetékes érzékelőkkel történő monitorozása nehéz vagy költséges. A WSN-ek nehezen hozzáférhető helyeken használhatók, ahol sok évig megmaradhatnak (környezetfigyelés), anélkül, hogy tápegységeket kellene cserélni. Ellenőrizhetik a védett objektum megsértőinek cselekedeteit

A WSN-t megfigyelésre, nyomon követésre és vezérlésre is használják. Íme néhány alkalmazás:

• Füstfigyelés és tűzérzékelés nagy erdőkből és tőzeges területekről
• Kiegészítő információforrás az Orosz Föderációt alkotó jogalanyok igazgatási válságközpontjai számára
• A potenciális feszültség szeizmikus kimutatása
• Katonai megfigyelések
• Objektum mozgásának akusztikus érzékelése biztonsági rendszerekben.
• A tér és a környezet környezeti monitorozása
• Ipari folyamatok monitorozása, felhasználás MES rendszerekben
• Orvosi megfigyelés

Épületautomatizálás:

	a hőmérséklet, a légáramlás, az emberek jelenlétének ellenőrzése és a mikroklíma fenntartását szolgáló berendezések ellenőrzése;
	világításvezérlés;
	tápellátás menedzsment;
	leolvasások gyűjtése a lakásmérőkről gáz-, víz-, villany- stb .;
	biztonsági és tűzjelző;
	épületek, építmények tartószerkezeteinek állapotának ellenőrzése.

Ipari automatizálás:

	ipari berendezések távvezérlése és diagnosztikája;
	berendezések karbantartása az aktuális állapotnak megfelelően (biztonsági ráhagyás előrejelzése);
	gyártási folyamatok nyomon követése;