Bezprzewodowe sieci czujników. Sieci sensoryczne: przyszłość ludzkości

Historia i zakres użytkowania

Za jeden z pierwszych prototypów sieci czujników można uznać system SOSUS, przeznaczony do wykrywania i identyfikacji okrętów podwodnych. Technologia bezprzewodowych sieci czujników zaczęła aktywnie rozwijać się stosunkowo niedawno - w połowie lat 90-tych. Jednak dopiero na początku XXI wieku rozwój mikroelektroniki umożliwił wyprodukowanie dość taniej bazy elementów do takich urządzeń. Nowoczesne sieci bezprzewodowe opierają się głównie na standardzie ZigBee. Spora liczba branż i segmentów rynku (produkcja, różne rodzaje transportu, podtrzymywanie życia, bezpieczeństwo) jest gotowych na wdrożenie sieci sensorowych, a liczba ta stale rośnie. Trend jest napędzany przez komplikacje procesy technologiczne, rozwój produkcji, rosnące potrzeby jednostek w segmentach bezpieczeństwa, kontroli zasobów i wykorzystania zapasów. Wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowych pojawiają się nowe problemy praktyczne i teoretyczne związane z zastosowaniem sieci sensorowych w przemyśle, mieszkalnictwie i usługach komunalnych oraz gospodarstwach domowych. Zastosowanie niedrogich czujników bezprzewodowych do kontroli parametrów otwiera nowe obszary zastosowań telemetrii i systemów sterowania, takich jak:

• Terminowa identyfikacja możliwe awarie siłowniki do kontroli parametrów takich jak wibracje, temperatura, ciśnienie itp.;
• Kontrola dostępu w czasie rzeczywistym do zdalnych systemów obiektu monitoringu;
• Automatyzacja inspekcji i Utrzymanie aktywa przemysłowe;
• Zarządzanie aktywami komercyjnymi;
• Zastosowanie jako komponenty w technologiach oszczędzania energii i zasobów;
• Kontrola eko-parametrów środowiska.

Należy zauważyć, że pomimo długiej historii sieci sensorowych koncepcja budowy sieci sensorowej nie nabrała ostatecznego kształtu i nie znalazła wyrazu w konkretnych rozwiązaniach programowych i sprzętowych (platformowych). Wdrożenie sieci sensorowych na obecnym etapie w dużej mierze zależy od specyficznych wymagań zadania przemysłowego. Wdrożenie architektury, oprogramowania i sprzętu jest na etapie intensywnego kształtowania technologii, co zwraca uwagę programistów w celu znalezienia niszy technologicznej dla przyszłych producentów.

Technologie

Bezprzewodowe sieci czujników (WSN) składają się z miniaturowych urządzeń obliczeniowych - motów, wyposażonych w czujniki (czujniki temperatury, ciśnienia, oświetlenia, poziomu drgań, lokalizacji itp.) oraz nadajniki-odbiorniki sygnału pracujące w zadanym zasięgu radiowym. Elastyczna architektura, obniżone koszty instalacji, odróżniają bezprzewodowe sieci inteligentnych czujników od innych bezprzewodowych i przewodowych interfejsów danych, zwłaszcza jeśli chodzi o dużą liczbę połączonych ze sobą urządzeń, sieć czujników pozwala na podłączenie nawet 65 000 urządzeń. Ciągły spadek kosztów rozwiązań bezprzewodowych, wzrost ich parametrów pracy pozwalają nam stopniowo przestawiać się z rozwiązań przewodowych na systemy zbierania danych telemetrycznych, środki zdalnej diagnostyki i wymiany informacji. „Sieć czujników” to dziś dobrze ugruntowany termin (pol. Sieci czujników), oznaczający rozproszony, samoorganizujący się, odporny na awarie poszczególne elementy sieć bezobsługowych urządzeń, które nie wymagają specjalnej instalacji. Każdy węzeł sieci czujników może zawierać różne czujniki do monitorowania środowiska zewnętrznego, mikrokomputer i nadajnik-odbiornik radiowy. Dzięki temu urządzenie może dokonywać pomiarów, samodzielnie przeprowadzać wstępne przetwarzanie danych oraz utrzymywać komunikację z zewnętrznym systemem informatycznym.

802.15.4 / ZigBee technologia przekaźników bliskiego zasięgu znana jako Sensor Networks. WSN — bezprzewodowa sieć czujników), jest jednym z nowoczesnych kierunków rozwoju samoorganizującej się, odpornej na awarie systemy rozproszone monitorowanie i zarządzanie zasobami i procesami. Obecnie technologia bezprzewodowych sieci czujników jest jedyną technologią bezprzewodową, którą można wykorzystać do rozwiązywania zadań związanych z monitorowaniem i sterowaniem, które mają krytyczne znaczenie dla czasu działania czujników. Czujniki połączone w bezprzewodową sieć czujników tworzą rozproszony geograficznie samoorganizujący się system gromadzenia, przetwarzania i przesyłania informacji. Głównym obszarem zastosowania jest kontrola i monitorowanie mierzonych parametrów środowiska fizyczne i przedmioty.

• ścieżka radiowa;
• moduł procesora;
• bateria;
• różne czujniki.

Typowy węzeł może być reprezentowany przez trzy typy urządzeń:

• Koordynator sieci (FFD – w pełni funkcjonalne urządzenie);
  • prowadzi globalną koordynację, organizację i ustalanie parametrów sieci;
  • najbardziej złożony z trzech typów urządzeń, wymagający największej ilości pamięci i zasilania;

• W pełni funkcjonalne urządzenie (FFD);
  • wsparcie dla 802.15.4;
  • dodatkowa pamięć i zużycie energii pozwala pełnić rolę koordynatora sieci;
  • obsługa wszystkich typów topologii (punkt-punkt, gwiazda, drzewo, siatka);
  • umiejętność pełnienia funkcji koordynatora sieci;
  • możliwość dostępu do innych urządzeń w sieci;
• (RFD – urządzenie o ograniczonej funkcjonalności);
  • Obsługuje ograniczony zestaw funkcji 802.15.4;
  • obsługa topologii „punkt-punkt”, „gwiazda”;
  • nie pełni funkcji koordynatora;
  • kontaktuje się z koordynatorem sieci i routerem;

Firmy deweloperskie

Na rynku reprezentowane są firmy różnego typu:

Notatki (edytuj)

Fundacja Wikimedia. 2010.

Zobacz, co „Sieci czujników bezprzewodowych” znajdują się w innych słownikach:

- (inne nazwy: bezprzewodowe sieci ad hoc, bezprzewodowe sieci dynamiczne) zdecentralizowane sieci bezprzewodowe, które nie mają stałej struktury. Urządzenia klienckie łączą się w locie, tworząc sieć. Każdy gospodarz stara się przekazać ... ... Wikipedia

Proponuje się zmianę nazwy tej strony na Bezprzewodową sieć samoorganizującą się. Wyjaśnienie przyczyn i dyskusja na stronie Wikipedii: W stronę zmiany nazwy / 1 grudnia 2012 r. Być może jego obecna nazwa nie odpowiada normom współczesnego ... ... Wikipedii

Bezprzewodowe sieci ad hoc to zdecentralizowane sieci bezprzewodowe, które nie mają stałej struktury. Urządzenia klienckie łączą się w locie, tworząc sieć. Każdy węzeł w sieci próbuje przekazać dane przeznaczone dla innych węzłów. Jednocześnie ... ... Wikipedia

Bezprzewodowe sieci ad hoc to zdecentralizowane sieci bezprzewodowe, które nie mają stałej struktury. Urządzenia klienckie łączą się w locie, tworząc sieć. Każdy węzeł w sieci próbuje przekazać dane przeznaczone dla innych węzłów. Jednocześnie ... ... Wikipedia

Architektura typowej bezprzewodowej sieci czujników Bezprzewodowa sieć czujników to rozproszona, samoorganizująca się sieć wielu czujników (czujników) i elementów wykonawczych połączonych ze sobą za pomocą kanału radiowego. Region ... ... Wikipedia

Czy pożądane jest ulepszenie tego artykułu?: Przeprojektuj projekt zgodnie z zasadami pisania artykułów. Sprawdź artykuł pod kątem błędów gramatycznych i ortograficznych. Popraw artykuł zgodnie z ... Wikipedia

Telemetria, telemetria (z innego greckiego τῆλε „daleko” + μέτρεω „mierzę”) zestaw technologii pozwalających na zdalne pomiary i zbieranie informacji dostarczanych operatorowi lub użytkownikowi, integralna część ... ... Wikipedii

Sygnały ultraszerokopasmowe (UWB) Sygnały radiowe (sygnały mikrofalowe) o „bardzo dużej” szerokości pasma. Wykorzystywane są w ultraszerokopasmowych radarach i ultraszerokopasmowej komunikacji radiowej. Treść 1 Definicja 2 Rozporządzenie ... Wikipedia

Pierwszy otwarty protokół bezprzewodowej sieci danych opracowany z myślą o automatyzacji budynków i rozproszonym zarządzaniu obiektami. Jedna sieć może być używana z wieloma istniejącymi urządzeniami nadawczo-odbiorczymi (nadajnikami) i ... ... Wikipedia

Zbliża się już dzień, w którym setki milionów czujników półprzewodnikowych zostanie zintegrowanych ze wszystkim, co jest możliwe, od breloka do wózka dziecięcego. A wszystkie z nich będą mogły nie tylko pełnić funkcję inteligentnych czujników, ale także przetwarzać podstawowe informacje, a także współdziałać ze sobą, tworząc jedną bezprzewodową sieć czujników. Jednocześnie takie czujniki praktycznie nie zużywają energii elektrycznej, ponieważ wbudowane miniaturowe baterie wystarczą na kilka lat, czyli przez cały okres eksploatacji czujników. Będzie to koncepcyjnie nowy typ system komputerowy działający z wykorzystaniem bezprzewodowej sieci czujników. Sieć ta jest powszechnie nazywana bezprzewodowymi sieciami czujników Ad-hoc. Termin Ad-hoc jest zapożyczony z nowoczesnych sieci bezprzewodowych, takich jak standard IEEE 802.11b. Te sieci bezprzewodowe mają dwa tryby komunikacji: tryb infrastruktury i tryb Ad-hoc. W trybie Infrastructure węzły sieci nie oddziałują ze sobą bezpośrednio, ale poprzez Access Point, który pełni rolę swoistego huba w sieci bezprzewodowej (podobnie jak to ma miejsce w tradycyjnych sieciach kablowych). W trybie Ad-hoc, zwanym również Peer-to-Peer, stacje komunikują się bezpośrednio ze sobą. W związku z tym w bezprzewodowych sieciach czujników tryb Ad-hoc oznacza, że ​​wszystkie czujniki bezpośrednio oddziałują ze sobą, tworząc rodzaj sieci komórkowej

Bezprzewodowe sieci czujników to swoisty krok w kierunku przejścia do następnej ery - kiedy komputery będą bezpośrednio połączone ze światem fizycznym i będą mogły odgadywać pragnienia użytkowników, a także podejmować za nich decyzje.
Pomarzmy trochę o tym, co takie sieci sensoryczne przyniosą nam w przyszłości. Wyobraź sobie łóżeczka słuchające oddychania niemowląt; bransoletki monitorujące stan pacjentów w klinice; czujki dymu, które w razie potrzeby mogą nie tylko wezwać strażaków, ale także poinformować ich z wyprzedzeniem o źródle pożaru i stopniu skomplikowania pożaru. Urządzenia elektryczne będą potrafili się rozpoznawać, źródła pożywienia będą im przypominać, że muszą się „odświeżyć”.

Wyobraź sobie setki tysięcy czujników połączonych w sieć w lesie. W takim lesie po prostu nie da się zgubić, ponieważ ruch człowieka będzie rejestrowany i analizowany przez czujniki. Innym przykładem są czujniki w terenie, dostrojone do monitorowania stanu gleby i, w zależności od zmieniających się warunków, regulacji nawadniania i ilości stosowanego nawozu.
Równie przydatne będą sieci czujników na drogach. Komunikując się ze sobą, będą mogli regulować przepływ samochodów. To marzenie każdego kierowcy - drogi bez korków! Takie sieci będą w stanie poradzić sobie z tym zadaniem znacznie skuteczniej niż jakakolwiek agencja. Problem z kontrolą
wykroczenia na drogach zostaną rozwiązane samodzielnie.

Wykorzystanie sieci czujników do zarządzania zasilaniem pozwoli na osiągnięcie niesamowitych oszczędności energii. Wyobraź sobie taką sieć kontrolną w swoim mieszkaniu. Śledząc Twoją lokalizację, czujniki będą mogły wyłączyć światło za Tobą i włączyć je w razie potrzeby. Otóż, jeśli użyjesz takich sieci do sterowania oświetleniem ulic i dróg, to problem braku prądu zniknie sam. Aby sieci czujników stały się rzeczywistością jutra, badania w tym kierunku są już w toku. Liderem w tej dziedzinie jest firma Intel Corporation, która obsługuje wszystkie zaawansowane technologie obliczeniowe przyszłości. Szczególną uwagę zwraca się na rozwój bezprzewodowych wielowęzłowych sieci czujników, zdolnych do samodzielnego tworzenia i automatycznej konfiguracji w razie potrzeby. Wdrożenie tej technologii pozwoli na wdrożenie sieci niedrogich, ale jednocześnie bardzo złożonych czujników półprzewodnikowych, które mogą samodzielnie nawiązywać ze sobą komunikację, informując o pewnych zmianach w środowisku. Na przykład czujnik Mica jest wyposażony w 128 kilobajtów oprogramowania pamięci flash, 256 kilobajtów pamięci flash do przechowywania danych i nadajnik radiowy 900 MHz.
Na niektórych z tych urządzeń działa system operacyjny
TinyOS, kod tego systemu operacyjnego jest open source i składa się ze wszystkiego
8,5 KB.

Takie urządzenia znajdą zastosowanie w zupełnie nowych obszarach, na przykład w rozwoju inteligentnej odzieży, podłączonych koców, które będą monitorować stan zdrowia noworodka i raportować o najważniejszych wskaźnikach jego funkcji życiowych, inteligentnych farmach, w których czujniki półprzewodnikowe są zainstalowane w gleba poradzi sobie z nawadnianiem
system i nawożenie. Badania sieci czujników w Intel Corporation są
słynne laboratorium Intel Berkeley Research zlokalizowane w Kalifornii. Istniejące obecnie eksperymentalne sieci czujników tylko częściowo spełniają powyższe wymagania. Tak więc dzisiejsze sieci składają się z zaledwie setek czujników o ograniczonym zasięgu i wykonują tylko dobrze zdefiniowane zadania. Są w stanie przesyłać tylko określony rodzaj informacji z jednego czujnika do drugiego i tylko w określonym paśmie. Zużycie energii również nie jest bez znaczenia.
- Bateria wystarcza tylko na kilka dni. Istniejące czujniki sensorowe są nadal dość obojętne i nie ma mowy o wysokiej niezawodności i niewidoczności w działaniu (przynajmniej ze względu na rozmiar). No i oczywiście takie czujniki są dość drogie, więc sieć setek czujników nie jest tania. Ale musimy pamiętać, że mówimy o sieciach eksperymentalnych i rozwoju technologii przyszłości. Jednocześnie eksperymentalne sieci czujników już przynoszą korzyści. Jedna z takich sieci czujników, stworzona wspólnie przez Intel Berkeley Research Laboratory, Atlantic Institute i University of California, działa na Great Duck Island w Maine.

Celem tej sieci jest badanie mikrośrodowiska różnych organizmów biologicznych zamieszkujących wyspę.
Każda interwencja człowieka (nawet w celu uczenia się) jest czasem niepotrzebna,
Tu na ratunek przychodzą sieci sensorowe, które pozwalają na zbieranie wszystkich niezbędnych informacji bez bezpośredniego udziału człowieka.

Sieć czujników wykorzystuje dwie płytki jako elementy węzłowe. Pierwsza płytka zawiera czujnik temperatury, wilgotności i ciśnienia barometrycznego oraz czujnik podczerwieni. Druga płytka zawiera mikroprocesor (częstotliwość 4 MHz), Baran Pojemność 1KB, pamięć flash do przechowywania programów i danych, zasilanie (dwie baterie AA) i nadajnik radiowy /
odbiornik pracujący na częstotliwości 900 MHz. Czujniki umożliwiają rejestrację wszystkich niezbędnych informacji i przeniesienie ich do bazy danych komputera hosta. Wszystkie czujniki są wcześniej dokładnie testowane - płytkę z czujnikami zanurza się na dwa dni w wodzie i monitoruje jej działanie. Wszystkie węzły czujnikowe tworzą jedną sieć bezprzewodową i są w stanie wymieniać informacje. W takim przypadku transfer informacji ze zdalnego węzła sieci do bramy (Gateway Sensor) odbywa się wzdłuż łańcucha, czyli od jednego węzła sieci do drugiego, co pozwala na stworzenie dużego obszaru zasięgu.

Informacje docierają do komputera hosta przez bramę. Bramka wykorzystuje antenę kierunkową, co pozwala na zwiększenie zasięgu transmisji do 300 m. Z komputera-hosta informacje są przesyłane drogą satelitarną przez Internet do ośrodka badawczego zlokalizowanego w Kalifornii.

Pracownicy laboratorium nie mniej aktywnie pracują nad biologią precyzyjną i tworzeniem biochipów. Oprócz zmysłowej percepcji świata ciał stałych, badana jest możliwość „odczuwania” płynnych mediów i biologicznych, rozwijających się obiektów. Takie badania otwierają ogromne perspektywy rozwoju medycyny i farmacji, wdrażania procesów chemicznych i produkcji leków biologicznych. Ponieważ głównym celem sieci czujników jest percepcja i transmisja przydatna informacja Specjaliści z laboratorium Intel Berkeley opracowują metodę łączenia czujników z obiektami, za które odpowiadają za monitorowanie, a także badają możliwość stworzenia „aktuatorów” – urządzeń opartych na czujnikach, które pozwalają wpływać na sytuację, a nie tylko rejestrować jej stan . Sieci czujników są oczywiście przydatne do zastosowań wojskowych, jedną z możliwych odmian sieci była „walka” testowana w Afganistanie, gdzie armia amerykańska rozmieściła kilkaset czujników w celu śledzenia ruchów sprzętu wojskowego wroga. Jednak na wstępie
Jest za wcześnie, aby powiedzieć, że prawdziwe sieci w naszym życiu są podatne na uszkodzenia. Atak typu Denial of Service (DoS) na sieć czujników to każde zdarzenie, które ogranicza lub eliminuje zdolność sieci do wykonywania zamierzonej funkcji. Autorzy proponują oparcie protokołów sieci czujników na architekturze warstwowej, co może obniżyć wydajność sieci, ale zwiększyć jej niezawodność. Omówiono typy ataków DoS typowe dla każdej warstwy oraz dopuszczalne metody ochrony. Tak więc nawet dzisiaj, pomimo niedoskonałości i wciąż dość wąskiego zakresu zastosowań, sieci sensorowe są wykorzystywane w nauce, a później w życiu.

Wykorzystano materiały ze stron:

Maksym Siergiewski

Najnowsze technologie bezprzewodowy a postęp w dziedzinie produkcji mikroukładów pozwolił w ciągu ostatnich kilku lat przejść do praktycznego opracowywania i wdrażania nowej klasy rozproszonych systemów komunikacyjnych – sieci sensorowych.

Bezprzewodowe sieci czujników (bezprzewodowe sieci czujników) składają się z miniaturowych urządzeń obliczeniowych i komunikacyjnych - motów ( z angielskiego drobinki - cząsteczki kurzu) lub czujniki. Mote to tablica zwykle nie większa niż jeden cal sześcienny. Płytka zawiera procesor, pamięć flash i operacyjną, przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowo-cyfrowe, nadajnik-odbiornik częstotliwości radiowych, zasilacz i czujniki. Czujniki mogą być bardzo różnorodne; są połączone za pomocą złączy cyfrowych i analogowych. Częściej niż inne stosuje się czujniki temperatury, ciśnienia, wilgotności, światła, wibracji, rzadziej - magnetoelektryczne, chemiczne (na przykład mierzące zawartość CO, CO2), dźwiękowe i inne. Zestaw użytych czujników zależy od funkcji realizowanych przez bezprzewodowe sieci czujników. Mokot zasilany jest małą baterią. Moty są wykorzystywane wyłącznie do zbierania, pierwotnego przetwarzania i przesyłania danych sensorycznych. Wygląd zewnętrzny boty różnych producentów pokazano na ryc. 1.

Główne funkcjonalne przetwarzanie danych gromadzonych przez motty odbywa się w węźle lub bramie, która jest dość potężnym komputerem. Aby jednak przetworzyć dane, musisz je najpierw zdobyć. W tym celu węzeł musi być wyposażony w antenę. Ale w każdym razie tylko molekuły, które są wystarczająco blisko niego, są dostępne dla węzła; innymi słowy, węzeł nie otrzymuje informacji bezpośrednio od każdego motka. Problem uzyskiwania informacji sensorycznych gromadzonych przez motły jest rozwiązany w następujący sposób. Moty mogą wymieniać między sobą informacje za pomocą nadajników-odbiorników częstotliwości radiowych. Jest to po pierwsze informacja sensoryczna odczytana z czujników, a po drugie informacja o stanie urządzeń i wynikach procesu przesyłania danych. Informacje są przesyłane z niektórych motków do innych wzdłuż łańcucha, w wyniku czego motety znajdujące się najbliżej bramy odrzucają do niej wszystkie zgromadzone informacje. Jeśli niektóre sygnały zawiodą, sieć czujników powinna nadal działać po rekonfiguracji. Ale w tym przypadku naturalnie zmniejsza się liczba źródeł informacji.

Aby wykonać te funkcje, na każdym silniku zainstalowany jest specjalistyczny system operacyjny. Większość bezprzewodowych sieci czujników używa obecnie TinyOS, systemu operacyjnego opracowanego na Uniwersytecie Berkeley. TinyOS odnosi się do oprogramowania z otwarte źródło; jest dostępny na www.tinyos.net. TinyOS to sterowany zdarzeniami system operacyjny czasu rzeczywistego, zaprojektowany do działania przy ograniczonych zasobach obliczeniowych. Ten system operacyjny umożliwia robotom automatyczne nawiązywanie połączeń z sąsiadami i tworzenie sieci czujników o danej topologii. Ostatnie wydanie TinyOS 2.0 pojawiło się w 2006 roku.

Najważniejszym czynnikiem w bezprzewodowej sieci czujników jest ograniczona pojemność baterii zainstalowanych w motkach. Należy pamiętać, że często wymiana baterii nie jest możliwa. W związku z tym konieczne jest przeprowadzanie na większości tylko najprostszego przetwarzania pierwotnego, ukierunkowanego na zmniejszenie ilości przesyłanych informacji, a co najważniejsze, na zminimalizowanie liczby cykli odbierania i przesyłania danych. Aby rozwiązać ten problem, opracowano specjalne protokoły komunikacyjne, z których najbardziej znanymi są protokoły sojuszu ZigBee. Ten sojusz (strona internetowa www.zigbee.org) został utworzony w 2002 roku specjalnie w celu koordynowania prac w dziedzinie bezprzewodowych sieci czujników. Obejmuje największych producentów sprzętu i narzędzia programowe: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI i wiele innych (łącznie ponad 200 członków). Intel nie jest członkiem sojuszu, chociaż wspiera jego działania.

W zasadzie do opracowania standardu, w tym stosu protokołów dla sieci czujników bezprzewodowych, ZigBee wykorzystał wcześniej opracowany Standard IEEE 802.15.4, który opisuje warstwę fizyczną i dostęp do mediów dla bezprzewodowych sieci danych krótkiego zasięgu (do 75 m) o niskim zużyciu energii, ale o wysokim stopniu niezawodności. Niektóre charakterystyki radiowej transmisji danych dla standardu IEEE 802.15.4 podano w tabeli. 1.

Tabela 1. Charakterystyka transmisji radiowej danych dla IEEE 802.15.4

Na ten moment ZigBee opracował jedyny standard w tej dziedzinie, za czym stoi dostępność do produkcji w pełni kompatybilnego sprzętu i produkty oprogramowania... Protokoły ZigBee umożliwiają urządzeniom hibernację b O przez większość czasu, co znacznie wydłuża żywotność baterii.

Oczywiste jest, że nie jest łatwo opracować schematy wymiany danych między setkami, a nawet tysiącami motów. Między innymi należy wziąć pod uwagę fakt, że sieci czujników działają w nielicencjonowanych zakresach częstotliwości, dlatego w niektórych przypadkach mogą wystąpić zakłócenia spowodowane zewnętrznymi źródłami sygnałów radiowych. Wskazane jest również unikanie wielokrotnego przesyłania tych samych danych, a dodatkowo należy wziąć pod uwagę, że ze względu na niewystarczającą energochłonność i wpływy zewnętrzne, drobiny ulegną awarii na zawsze lub przez pewien czas. We wszystkich takich przypadkach schematy komunikacji muszą zostać zmodyfikowane. Ponieważ jedną z najważniejszych funkcji TinyOS jest automatyczny wybór układu sieci i tras przesyłania danych, bezprzewodowe sieci czujników zasadniczo konfigurują się samoczynnie.

Najczęściej motta powinna być w stanie samodzielnie określić swoje położenie, przynajmniej w stosunku do drugiego motta, do którego będzie przesyłać dane. Oznacza to, że najpierw identyfikowane są wszystkie motty, a następnie tworzony jest schemat routingu. Ogólnie wszystkie motety - urządzenia w standardzie ZigBee - są podzielone na trzy klasy w zależności od poziomu złożoności. Najwyższy z nich – koordynator – zarządza pracą sieci, przechowuje dane o jej topologii i służy jako brama do przesyłania danych zebranych przez całą bezprzewodową sieć sensorową do dalszego przetwarzania. W sieciach sensorowych zwykle używany jest jeden koordynator. Moto o średniej złożoności to router, czyli może odbierać i przesyłać dane, a także określać kierunek transmisji. Wreszcie najprostszy mote może przesyłać dane tylko do najbliższego routera. Okazuje się więc, że standard ZigBee obsługuje sieć o architekturze klastrowej (rys. 2). Klaster składa się z routera i najprostszych fragmentów, z których żąda danych sensorycznych. Routery klastrowe przekazują sobie dane, a ostatecznie dane są przekazywane do koordynatora. Koordynator zazwyczaj ma połączenie z siecią IP, skąd przesyłane są dane do ostatecznego przetworzenia.

W Rosji trwają również wydarzenia związane z tworzeniem bezprzewodowych sieci czujników. Tym samym firma High-Tech Systems oferuje swoją platformę sprzętowo-programową MeshLogic do budowy bezprzewodowych sieci czujnikowych (strona internetowa www.meshlogic.ru). Główną różnicą między tą platformą a ZigBee jest skupienie się na budowaniu sieci typu peer-to-peer mesh (rys. 3). W takich sieciach funkcjonalność każda mota jest taka sama. Możliwość samoorganizacji i samonaprawiania sieci o topologii mesh pozwala, w przypadku awarii części motków, spontanicznie utworzyć nową strukturę sieci. To prawda, że ​​w każdym przypadku potrzebujesz centralnej jednostki funkcjonalnej, która odbiera i przetwarza wszystkie dane, lub bramy do przesyłania danych do jednostki przetwarzającej. Spontanicznie tworzone sieci są często nazywane łacińskim terminem Ad Hoc, co oznacza „dla konkretnego przypadku”.

W sieciach MeshLogic każdy mote może wykonywać przekazywanie pakietów, co jest podobne w działaniu do routera ZigBee. Siatki MeshLogic są w pełni samoorganizujące się: nie ma węzła koordynującego. Ponieważ można używać transceiverów RF w MeshLogic różne urządzenia, w szczególności Cypress WirelessUSB, które podobnie jak urządzenia ZigBee pracują w paśmie częstotliwości 2,4...2,4835 GHz. Należy zauważyć, że dla platformy MeshLogic istnieją tylko niższe warstwy stosu protokołów. Uważa się, że górne poziomy, w szczególności sieć i aplikacja, będą tworzone dla konkretnych aplikacji. Konfiguracje i podstawowe parametry dwóch motków MeshLogic i jednego motka ZigBee przedstawiono w tabeli. 2.

Tabela 2. Główne cechy moli różnych producentów

Zauważ, że na tych płytach nie ma zintegrowanych czujników dotykowych.

Zwróćmy uwagę, co przede wszystkim odróżnia bezprzewodowe sieci sensorowe od konwencjonalnych sieci obliczeniowych (przewodowych i bezprzewodowych):

• całkowity brak jakichkolwiek kabli - elektrycznych, komunikacyjnych itp .;
• możliwość kompaktowego rozmieszczenia lub nawet integracji motek w obiektach środowiskowych;
• niezawodność zarówno poszczególnych elementów, jak i, co ważniejsze, całego systemu jako całości; w niektórych przypadkach sieć może działać, jeśli tylko 10-20% czujników (mots) jest w dobrym stanie;
• nie potrzeba personelu do instalacji i konserwacji.

Sieci czujników mogą być wykorzystywane w wielu obszarach zastosowań. Bezprzewodowe sieci czujników są nowe obiecująca technologia, a wszystkie powiązane projekty są w większości w fazie rozwoju. Wskażmy główne obszary zastosowania tej technologii:

• systemy obronne i bezpieczeństwo;
• kontrola środowiska;
• monitorowanie urządzeń przemysłowych;
• systemy ochrony;
• monitoring stanu gruntów rolnych;
• zarządzanie zasilaniem;
• sterowanie systemami wentylacji, klimatyzacji i oświetlenia;
• alarm przeciwpożarowy;
• kontrola ekwipunku;
• śledzenie transportu towarów;
• monitorowanie stanu fizjologicznego osoby;
• kontrola personelu.

Z dość dużej liczby przykładów wykorzystania bezprzewodowych sieci sensorowych wyróżnimy dwa. Najbardziej znanym jest być może rozmieszczenie sieci na pokładzie tankowca BP. Tam za pomocą sieci zbudowanej w oparciu o sprzęt Intela monitorowano stan jednostki w celu zorganizowania jej konserwacji prewencyjnej. Firma BP przeanalizowała, czy sieć czujników może działać na pokładzie statku w ekstremalnych temperaturach, wysokich wibracjach i znacznych poziomach zakłóceń częstotliwości radiowych występujących w niektórych obszarach statku. Eksperyment zakończył się sukcesem, kilkakrotnie rekonfiguracja i przywrócenie działania sieci odbywały się automatycznie.

Przykładem innego projektu pilotażowego, który został zrealizowany, jest rozmieszczenie sieci czujników w bazie sił powietrznych USA na Florydzie. Zademonstrowany system dobre okazje rozpoznawać różne metalowe przedmioty, w tym ruchome. Zastosowanie sieci czujników umożliwiło wykrycie wnikania ludzi i samochodów do kontrolowanego obszaru oraz śledzenie ich ruchów. Do rozwiązania tych problemów wykorzystano molekuły wyposażone w czujniki magnetoelektryczne i temperatury. Obecnie zakres projektu rozszerza się, a bezprzewodowa sieć czujników jest już instalowana na poligonie testowym o wymiarach 10 000 x 500 m. Odpowiednie oprogramowanie aplikacyjne jest opracowywane przez kilka amerykańskich uniwersytetów.

Zalety technologii bezprzewodowych sieci czujnikowych można skutecznie wykorzystać do rozwiązywania różnych problemów aplikacyjnych związanych z rozproszonym gromadzeniem, analizą i przesyłaniem informacji.

Automatyka budynkowa

W niektórych aplikacjach automatyki budynkowej stosowanie tradycyjnych przewodowych systemów transmisji danych jest niepraktyczne ze względów ekonomicznych.

Na przykład musisz wdrożyć nowy lub rozszerzyć istniejący system w eksploatowanym budynku. W tym przypadku zastosowanie rozwiązań bezprzewodowych jest najbardziej akceptowalną opcją, ponieważ nie są wymagane żadne dodatkowe prace instalacyjne naruszające wystrój wnętrz lokalu, praktycznie nie powodują niedogodności dla pracowników, mieszkańców budynku itp. W efekcie znacznie obniża się koszt wdrożenia systemu.

Innym przykładem mogą być biurowce ze swobodnym planowaniem, dla których nie da się określić dokładnej lokalizacji czujników na etapie projektowania i budowy. Jednocześnie układ biur może wielokrotnie zmieniać się w trakcie eksploatacji budynku, dlatego czas i pieniądze poświęcone na rekonfigurację systemu powinny być minimalne, co można osiągnąć stosując rozwiązania bezprzewodowe.

Dodatkowo można przytoczyć następujące przykłady systemów opartych na bezprzewodowych sieciach sensorowych:

• monitoring temperatury, zużycia powietrza, obecności ludzi oraz sterowanie urządzeniami grzewczymi, wentylacyjnymi i klimatyzacyjnymi w celu utrzymania mikroklimatu;
• sterowanie oświetleniem;
• zarządzanie zasilaniem;
• zbieranie odczytów z liczników mieszkań dla gazu, wody, prądu itp .;
• monitorowanie stanu konstrukcji nośnych budynków i budowli.

Automatyka przemysłowa

Do tej pory szerokie zastosowanie komunikacji bezprzewodowej w dziedzinie automatyki przemysłowej ograniczała niska niezawodność kanałów radiowych w porównaniu z połączeniami przewodowymi w trudnych warunkach przemysłowych, ale bezprzewodowe sieci czujników zasadniczo zmieniają sytuację, ponieważ ze swej natury są odporne na różnego rodzaju zakłócenia (np. fizyczne uszkodzenie węzła, pojawienie się zakłóceń, zmiany przeszkód itp.). Co więcej, w pewnych warunkach bezprzewodowa sieć czujników może zapewnić jeszcze większą niezawodność niż przewodowy system komunikacyjny.

Rozwiązania oparte na bezprzewodowych sieciach sensorowych w pełni spełniają wymagania branżowe:

• odporność na uszkodzenia;
• skalowalność;
• przystosowanie do warunków pracy;
• efektywności energetycznej;
• uwzględnienie specyfiki zastosowanego problemu;
• opłacalność ekonomiczna.

Technologie bezprzewodowych sieci czujnikowych mogą być wykorzystywane w następujących zadaniach automatyki przemysłowej:

• zdalne sterowanie i diagnostyka urządzeń przemysłowych;
• konserwacja sprzętu stan obecny(prognozowanie marginesu bezpieczeństwa);
• monitorowanie procesów produkcyjnych;
• telemetria do badań i testów.

Inne aplikacje

Unikalne cechy i różnice między bezprzewodowymi sieciami czujników a tradycyjnymi przewodowymi i bezprzewodowymi systemami transmisji danych sprawiają, że ich zastosowanie jest efektywne w wielu różnych obszarach. Na przykład:

• bezpieczeństwo i obrona:
  • kontrola ruchu ludzi i sprzętu;
  • fundusze komunikacja operacyjna i inteligencja;
  • kontrola obwodowa i zdalne monitorowanie;
  • pomoc w prowadzeniu akcji ratowniczej;
  • monitorowanie mienia i kosztowności;
  • alarm bezpieczeństwa i przeciwpożarowy;
• monitoring środowiska:
  • monitorowanie zanieczyszczeń;
  • Rolnictwo;
• opieka zdrowotna:
  • monitorowanie stanu fizjologicznego pacjentów;
  • kontrola lokalizacji i powiadamianie personelu medycznego.

Rozproszone sieci czujników

Co to są bezprzewodowe sieci czujników?

Czujniki i odebrane urządzenie

Sieci czujników bezprzewodowych są zbudowane z węzłów zwanych motty (pyłek) - małe samodzielne urządzenia zasilane bateriami i mikroprocesorami z komunikacją radiową na częstotliwości - np. 2,4 GHz. Specjalne oprogramowanie pozwala motom organizować się w rozproszone sieci, komunikować się ze sobą, odpytywać i wymieniać dane z najbliższymi węzłami, których odległość zwykle nie przekracza 100 metrów.

W literaturze anglojęzycznej taka sieć nazywa się sieć czujników bezprzewodowych(WSN) to sieć bezprzewodowa składająca się z geograficznie rozproszonych autonomicznych urządzeń, które wykorzystują czujniki do wspólnego monitorowania warunków fizycznych lub środowiskowych w różnych obszarach.

Mogą mierzyć takie parametry jak temperatura, dźwięk, wibracje, ciśnienie, ruch obiektów czy powietrza. Rozwój bezprzewodowych sieci czujników był pierwotnie motywowany zadaniami wojskowymi, takimi jak monitorowanie pola bitwy. Bezprzewodowe sieci czujników są obecnie coraz częściej wykorzystywane w wielu dziedzinach życia cywilnego, w tym w monitoringu przemysłowym i środowiskowym, opiece zdrowotnej i kontroli ruchu obiektów. Pole zastosowań staje się coraz szersze.

Podstawowe zasady pracy

3-poziomowy schemat sieci. I poziom czujników i bramki. 2 poziom serwera. Cienki klient trzeciego poziomu

Każdy węzeł w sieci: mot wyposażony w nadajnik-odbiornik radiowy lub inne urządzenie do komunikacji bezprzewodowej, mały mikrokontroler i źródło zasilania, zwykle baterię. Możliwe jest wykorzystanie paneli słonecznych lub innych alternatywnych źródeł energii

Dane z odległych elementów są przesyłane przez sieć pomiędzy najbliższymi z węzła do węzła za pośrednictwem kanału radiowego. W rezultacie pakiet danych jest przesyłany z najbliższego telefonu komórkowego do bramki. Brama jest połączona z reguły kablem USB z serwerem. Na serwerze - zebrane dane są przetwarzane, przechowywane i mogą być udostępniane poprzez powłokę WEB szerokiemu gronu użytkowników.

Koszt węzła czujnika waha się od setek dolarów do kilku centów, w zależności od wielkości sieci czujników i jej złożoności.

Sprzęt i standardy

Gateway (2szt), podłączany do laptopa kablem USB. Laptop jest podłączony do Internetu przez UTP i pełni rolę serwera

Czujniki z anteną radiową

Sprzęt i protokoły węzła bezprzewodowego sieci między węzłami są zoptymalizowane pod kątem zużycia energii, aby zapewnić długą żywotność systemu z autonomicznymi zasilaczami. W zależności od trybu pracy żywotność węzła może sięgać kilku lat.

Szereg norm jest obecnie ratyfikowanych lub opracowywanych dla bezprzewodowych sieci czujników. ZigBee to standard zaprojektowany do wykorzystania takich rzeczy, jak sterowanie przemysłowe, wbudowane wykrywanie, zbieranie danych medycznych, automatyzacja budynków. Rozwój Zigbee ułatwia duże konsorcjum firm przemysłowych.

• WirelessHART jest rozszerzeniem protokołu HART dla automatyki przemysłowej. WirelessHART został dodany do wspólnego protokołu HART jako część specyfikacji HART 7, która została zatwierdzona przez HART Communications Foundation w czerwcu 2007 roku.
• 6lowpan jest standardem dla warstwy sieciowej, ale nie został jeszcze przyjęty.
• ISA100 to kolejna praca mająca na celu wprowadzenie technologii WSN, ale jest zbudowana szerzej, aby uwzględnić sprzężenie zwrotne kontroli na swoim obszarze. Wdrożenie ISA100 w oparciu o standardy ANSI ma zakończyć się do końca 2008 roku.

WirelessHART, ISA100, ZigBee i wszystkie są oparte na tym samym standardzie: IEEE 802.15.4 - 2005.

Oprogramowanie sieci czujników bezprzewodowych

System operacyjny

Systemy operacyjne dla bezprzewodowych sieci czujników są mniej złożone niż ogólne systemy operacyjne ze względu na ograniczone zasoby w sprzęt komputerowy sieć czujników. Z tego powodu, system operacyjny brak konieczności włączania obsługi interfejsów użytkownika.

Sprzęt sieci bezprzewodowej czujników nie różni się od tradycyjnych systemów wbudowanych, dlatego wbudowany system operacyjny może być używany w sieciach czujników

Aplikacje do wizualizacji

Oprogramowanie do wizualizacji wyników pomiarów i generowania raportów MoteView v1.1

Dane z bezprzewodowych sieci czujników są zwykle przechowywane jako dane cyfrowe w centralnej stacji bazowej. Jest tego dużo programy standardowe takich jak TosGUI MonSense, GNS, ułatwiając przeglądanie tych dużych ilości danych. Ponadto Open Consortium (OGC) określa standardy interoperacyjności i interoperacyjności kodowania metadanych, które umożliwią każdej osobie monitorowanie lub sterowanie bezprzewodową siecią czujników w czasie rzeczywistym za pośrednictwem przeglądarki internetowej.

Do pracy z danymi pochodzącymi z węzłów bezprzewodowej sieci czujników wykorzystywane są programy ułatwiające przeglądanie i ocenę danych. Jednym z tych programów jest MoteView. Program ten pozwala na przeglądanie danych w czasie rzeczywistym i ich analizę, budowanie różnego rodzaju wykresów, generowanie raportów w różnych sekcjach.

Korzyści z używania

• Brak konieczności układania kabli do zasilania i transmisji danych;
• Niski koszt komponentów, instalacji, uruchomienia i utrzymania systemu;
• Szybkie i łatwe wdrażanie sieci;
• Niezawodność i odporność na awarie całego systemu jako całości w przypadku awarii poszczególnych węzłów lub komponentów;
• Możliwość wdrożenia i modyfikacji sieci w dowolnym obiekcie bez ingerencji w pracę samych obiektów
• Możliwość szybkiego i w razie potrzeby ukrytego montażu całego systemu jako całości.

Każdy czujnik ma rozmiar nasadki do piwa (ale w przyszłości może ulec zmniejszeniu o setki) i zawiera procesor, pamięć i nadajnik radiowy. Takie osłony mogą być rozproszone na dowolnym terytorium, a one same nawiążą ze sobą komunikację, utworzą jedną sieć bezprzewodową i zaczną przesyłać dane do najbliższego komputera.

Połączone w sieć bezprzewodową czujniki mogą śledzić parametry otoczenia: ruch, światło, temperaturę, ciśnienie, wilgotność itp. Monitoring może odbywać się na bardzo dużym obszarze, ponieważ czujniki przesyłają informacje w łańcuchu od sąsiada do sąsiada. Technologia pozwala im pracować przez lata (nawet dekady) bez wymiany baterii. Sieci czujników są uniwersalnymi zmysłami dla komputera, a wszystkie fizyczne obiekty na świecie, które są wyposażone w czujniki, mogą być rozpoznawane przez komputer. W przyszłości każdy z miliardów czujników otrzyma adres IP i mogą nawet utworzyć coś w rodzaju globalnej sieci czujników. Jak dotąd możliwościami sieci sensorowych interesuje się tylko wojsko i przemysł. Rynek kwitnie w tym roku, wynika z najnowszego raportu firmy ON World, która specjalizuje się w badaniu rynku sieci czujników. Kolejną atrakcją tego roku było wprowadzenie na rynek pierwszego na świecie jednoukładowego systemu ZigBee (wyprodukowanego przez Ember). Wśród dużych amerykańskich firm przemysłowych ankietowanych przez ON World około 29% korzysta już z sieci czujników, a kolejne 40% planuje wdrożyć je w ciągu 18 miesięcy. W Ameryce pojawiło się ponad sto firm komercyjnych, które zajmują się tworzeniem i utrzymaniem sieci czujników.

Do końca tego roku liczba czujników na planecie przekroczy 1 mln. Teraz rośnie nie tylko liczba sieci, ale także ich wielkość. Po raz pierwszy stworzono i pomyślnie eksploatowano kilka sieci liczących ponad 1000 węzłów, w tym jedną na 25 tys. węzłów.

Źródło: Sieć PLANET

Aplikacje

Zastosowania WSN są liczne i zróżnicowane. Są wykorzystywane w systemach komercyjnych i przemysłowych do monitorowania danych, których monitorowanie za pomocą czujników przewodowych jest trudne lub kosztowne. Sieci WSN mogą być używane w trudno dostępnych miejscach, gdzie mogą pozostawać przez wiele lat (monitorowanie środowiska) bez konieczności wymiany zasilaczy. Mogą kontrolować działania naruszycieli chronionego obiektu

WSN służy również do monitorowania, śledzenia i kontroli. Oto kilka aplikacji:

• Monitoring dymu i wykrywanie pożarów z dużych lasów i torfowisk
• Dodatkowe źródło informacji dla Centrów Kryzysowych Administracji podmiotów Federacji Rosyjskiej”
• Sejsmiczna detekcja potencjalnego napięcia
• obserwacje wojskowe
• Akustyczna detekcja ruchu obiektów w systemach bezpieczeństwa.
• Monitoring środowiskowy przestrzeni i środowiska
• Monitorowanie procesów przemysłowych, zastosowanie w systemach MES
• Monitorowanie medyczne

Automatyka budynkowa:

	monitorowanie temperatury, przepływu powietrza, obecności ludzi oraz sterowanie sprzętem do utrzymania mikroklimatu;
	sterowanie oświetleniem;
	zarządzanie zasilaniem;
	zbieranie odczytów z liczników mieszkań dla gazu, wody, prądu itp .;
	alarm bezpieczeństwa i przeciwpożarowy;
	monitorowanie stanu konstrukcji nośnych budynków i budowli.

Automatyka przemysłowa:

	zdalne sterowanie i diagnostyka urządzeń przemysłowych;
	utrzymanie sprzętu zgodnie z aktualnym stanem (prognozowanie marginesu bezpieczeństwa);
	monitorowanie procesów produkcyjnych;