Trådlösa sensornätverk. Sensoriska nätverk: mänsklighetens framtid

Historik och användningsområde

En av de första prototyperna av sensornätverket kan betraktas som SOSUS-systemet, designat för att upptäcka och identifiera ubåtar. Tekniken för trådlösa sensornätverk började aktivt utvecklas relativt nyligen - i mitten av 90-talet. Men först i början av XXI-talet gjorde utvecklingen av mikroelektronik det möjligt att producera en ganska billig elementbas för sådana enheter. Moderna trådlösa nätverk är huvudsakligen baserade på ZigBee-standarden. Ett stort antal industrier och marknadssegment (tillverkning, olika typer av transporter, livsuppehållande, säkerhet), redo för implementering av sensornätverk, och detta antal ökar ständigt. Trenden drivs av komplikationer tekniska processer, utvecklingen av produktionen, de växande behoven hos individer inom säkerhetssegmenten, resurskontroll och användning av inventarier. Med utvecklingen av halvledarteknologier uppstår nya praktiska problem och teoretiska problem förknippade med tillämpningen av sensornätverk inom industri, bostäder och kommunala tjänster och hushåll. Användningen av billiga trådlösa sensorenheter för parameterstyrning öppnar nya områden för tillämpningen av telemetri och styrsystem, såsom:

• Snabb identifiering möjliga misslyckanden ställdon för att styra parametrar som vibration, temperatur, tryck, etc.;
• Tillträdeskontroll i realtid till fjärrsystem för övervakningsobjektet;
• Automatisering av besiktning och Underhåll industriella tillgångar;
• Förvaltning av kommersiella tillgångar;
• Tillämpning som komponenter i energi- och resursbesparande teknologier;
• Kontroll av miljöns ekoparametrar.

Det bör noteras att trots sensornätverkens långa historia har konceptet att bygga ett sensornätverk inte äntligen tagit form och har inte uttryckts i vissa mjukvaru- och hårdvarulösningar (plattformar). Implementeringen av sensornätverk i det aktuella skedet beror till stor del på de specifika kraven för den industriella uppgiften. Implementeringen av arkitektur, mjukvara och hårdvara befinner sig i ett skede av intensiv teknikbildning, vilket drar till sig utvecklarnas uppmärksamhet för att hitta en teknisk nisch för framtida tillverkare.

Teknologier

Trådlösa sensornätverk (WSN) består av miniatyrberäkningsenheter - mots, utrustade med sensorer (sensorer för temperatur, tryck, belysning, vibrationsnivå, plats, etc.) och signalsändtagare som arbetar inom ett givet radioområde. Flexibel arkitektur, minskade installationskostnader skiljer de trådlösa nätverken av smarta sensorer från andra trådlösa och trådbundna kommunikationsgränssnitt, speciellt när det kommer till ett stort antal sammankopplade enheter låter sensornätverket dig ansluta upp till 65 000 enheter. Den konstanta minskningen av kostnaderna för trådlösa lösningar, en ökning av deras driftsparametrar gör att vi gradvis kan omorientera oss från trådbundna lösningar till system för insamling av telemetridata, medel för fjärrdiagnostik och informationsutbyte. "Sensornätverket" är ett väletablerat begrepp idag (eng. Sensornätverk), som betecknar en distribuerad, självorganiserande, motståndskraftig mot misslyckande enskilda element ett nätverk av obevakade enheter som inte kräver speciell installation. Varje nod i sensornätverket kan innehålla olika sensorer för övervakning av den yttre miljön, en mikrodator och en radiosändtagare. Detta gör att enheten kan utföra mätningar, självständigt utföra initial databehandling och upprätthålla kommunikation med ett externt informationssystem.

802.15.4 / ZigBee kortdistansreläteknik känd som Sensor Networks. WSN - Wireless Sensor Network), är en av de moderna riktningarna för utvecklingen av självorganiserande feltolerant distribuerade systemövervaka och hantera resurser och processer. Idag är tekniken för trådlösa sensornätverk den enda trådlösa tekniken som kan användas för att lösa övervaknings- och kontrolluppgifter som är kritiska för sensorernas drifttid. Sensorerna kombinerade till ett trådlöst sensornätverk bildar ett geografiskt fördelat självorganiserande system för insamling, bearbetning och överföring av information. Det huvudsakliga användningsområdet är styrning och övervakning av uppmätta parametrar fysiska miljöer och föremål.

• radioväg;
• processormodul;
• batteri;
• olika sensorer.

En typisk nod kan representeras av tre typer av enheter:

• Nätverkskoordinator (FFD - Fullt fungerande enhet);
  • utför global koordinering, organisation och inställning av nätverksparametrar;
  • den mest komplexa av de tre enhetstyperna, som kräver mest minne och strömförsörjning;

• Fullt funktionell enhet (FFD);
  • stöd för 802.15.4;
  • extra minne och strömförbrukning gör att du kan fungera som nätverkskoordinator;
  • stöd för alla typer av topologier (punkt-till-punkt, stjärna, träd, mesh);
  • förmågan att fungera som nätverkskoordinator;
  • möjligheten att komma åt andra enheter i nätverket;
• (RFD - Reduced Function Device);
  • Stöder en begränsad uppsättning 802.15.4-funktioner;
  • stöd för topologier "punkt-till-punkt", "stjärna";
  • fungerar inte som samordnare;
  • kontaktar nätverkskoordinatorn och routern;

Utvecklare företag

Företag av olika slag finns representerade på marknaden:

Anteckningar (redigera)

Wikimedia Foundation. 2010.

Se vad "Trådlösa sensornätverk" är i andra ordböcker:

- (andra namn: trådlösa ad hoc-nätverk, trådlösa dynamiska nätverk) decentraliserade trådlösa nätverk som inte har en permanent struktur. Klientenheter ansluter i farten för att bilda ett nätverk. Varje värd försöker vidarebefordra ... ... Wikipedia

Det föreslås att den här sidan byter namn till Wireless Self-Organizing Network. Förklaring av skälen och diskussionen på Wikipedia-sidan: Mot att döpa om / 1 december 2012. Kanske motsvarar dess nuvarande namn inte normerna för modern ... ... Wikipedia

Trådlösa ad hoc-nätverk är decentraliserade trådlösa nätverk som inte har en permanent struktur. Klientenheter ansluter i farten för att bilda ett nätverk. Varje nod i nätverket försöker vidarebefordra data som är avsedda för andra noder. Samtidigt ... ... Wikipedia

Trådlösa ad hoc-nätverk är decentraliserade trådlösa nätverk som inte har en permanent struktur. Klientenheter ansluter i farten för att bilda ett nätverk. Varje nod i nätverket försöker vidarebefordra data som är avsedda för andra noder. Samtidigt ... ... Wikipedia

Arkitektur för ett typiskt trådlöst sensornätverk Ett trådlöst sensornätverk är ett distribuerat, självorganiserande nätverk av många sensorer (sensorer) och ställdon som är sammankopplade med hjälp av en radiokanal. Region ... ... Wikipedia

För att förbättra den här artikeln, är det önskvärt?: Gör om designen i enlighet med reglerna för att skriva artiklar. Kontrollera artikeln för grammatik och stavfel. Rätta artikeln enligt ... Wikipedia

Telemetri, telemetri (från annan grekisk τῆλε "fjärr" + μέτρεω "jag mäter") en uppsättning teknologier som tillåter fjärrmätningar och insamling av information som kan tillhandahållas operatören eller användaren, en integrerad del av ... ... Wikipedia

Ultrabredbandssignaler (UWB) Radiosignaler (mikrovågssignaler) med en "extra stor" bandbredd. De används för ultrabredbandsradar och. Innehåll 1 Definition 2 Reglering ... Wikipedia

Det första Open Wireless Data Network Protocol utvecklat för byggnadsautomation och distribuerad anläggningshantering. One Net kan användas med många befintliga transceivrar (transceivers) och ... ... Wikipedia

Dagen är redan nära då hundratals miljoner halvledarsensorer kommer att integreras i allt som är möjligt, från en nyckelbricka till en barnvagn. Och alla av dem kommer inte bara att kunna fungera som intelligenta sensorer, utan också utföra primär informationsbehandling, samt interagera med varandra och bilda ett enda trådlöst sensornätverk. Samtidigt kommer sådana sensorer praktiskt taget inte att förbruka elektricitet, eftersom de inbyggda miniatyrbatterierna kommer att hålla i flera år, det vill säga under sensorernas hela livslängd. Det kommer att vara en konceptuellt ny typ datorsystem fungerar med ett trådlöst sensornätverk. Detta nätverk kallas vanligtvis Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Termen Ad-hoc är lånad från moderna trådlösa nätverk, som IEEE 802.11b-standarden. Dessa trådlösa nätverk har två kommunikationslägen: Infrastrukturläge och Ad-hoc-läge. I läget Infrastructure interagerar nätverkets noder inte direkt med varandra, utan genom Access Point, som fungerar som ett slags nav i det trådlösa nätverket (liknande hur det går till i traditionella kabelnät). I Ad-hoc-läge, även kallat Peer-to-Peer, kommunicerar stationer direkt med varandra. Följaktligen, i trådlösa sensornätverk innebär Ad-hoc-läget att alla sensorer direkt interagerar med varandra och skapar ett slags mobilnätverk

Trådlösa sensornätverk är ett slags steg mot övergången till nästa era – när datorer kommer att vara direkt kopplade till den fysiska världen och kommer att kunna gissa användarnas önskemål och även fatta beslut åt dem.
Låt oss drömma lite om vad sådana sensornätverk kommer att ge oss i framtiden. Föreställ dig spjälsängar som lyssnar på bebisar som andas; armband som övervakar tillståndet hos patienter på kliniken; rökdetektorer, som inte bara kan ringa brandmän vid behov, utan också informera dem i förväg om brandkällan och graden av komplexitet i branden. Elektroniska apparater kommer att kunna känna igen varandra, matkällor kommer att påminna dem om att de behöver "uppfräscha".

Föreställ dig hundratusentals sensorsensorer sammankopplade i en skog. I en sådan skog kommer det helt enkelt att vara omöjligt att gå vilse, eftersom en persons rörelse kommer att registreras och analyseras av sensorer. Ett annat exempel är sensorer i fält, inställda för att övervaka markens tillstånd och, beroende på förändrade förhållanden, reglera bevattning och mängden gödselmedel som tillförs.
Sensornätverk på vägarna kommer att vara lika användbara. Genom att kommunicera med varandra kommer de att kunna reglera flödet av bilar. Detta är drömmen för alla förare - vägar utan trafikstockningar! Sådana nätverk kommer att kunna hantera denna uppgift mycket mer effektivt än någon byrå. Kontrollproblem
förseelser på vägarna kommer att lösas av sig själv.

Användningen av sensornätverk för energihantering kommer att uppnå otroliga energibesparingar. Föreställ dig ett sådant kontrollnätverk i din lägenhet. Genom att spåra din plats kommer sensorer att kunna stänga av ljuset bakom dig och tända det efter behov. Tja, om du använder sådana nätverk för att kontrollera belysningen av gator och vägar, kommer problemet med brist på el att försvinna av sig själv. För att sensornätverk ska bli morgondagens verklighet bedrivs forskning i denna riktning idag. Och ledaren på detta område är Intel Corporation, som stöder alla framtidens avancerade datortekniker. Särskild uppmärksamhet ägnas åt utvecklingen av trådlösa multinodala sensornätverk, som kan självautomatiskt bildas och konfigureras efter behov. Implementeringen av denna teknik kommer att tillåta att distribuera ett nätverk av billiga, men samtidigt mycket komplexa halvledarsensorenheter som kommer att kunna etablera kommunikation med varandra oberoende och rapportera om vissa förändringar i miljön. Till exempel kommer Mica-sensorn med 128 kilobyte flashminnesprogramvara, 256 kilobyte flashminne för datalagring och en 900 MHz radiosändare.
Vissa av dessa enheter kör ett operativsystem
TinyOS, koden för detta operativsystem är öppen källkod och består av allt
8,5 Kb.

Sådana enheter kommer att hitta tillämpning på helt nya områden, till exempel i utvecklingen av smarta plagg, anslutna filtar som kommer att övervaka den nyfödda hälsan och rapportera de viktigaste indikatorerna för hans vitala funktioner, smarta gårdar där halvledarsensorer installeras i mark kommer att klara bevattningen
system och befruktning. Sensornätverksforskning vid Intel Corporation är
det berömda Intel Berkeley Research-laboratoriet i Kalifornien. Experimentella sensornätverk som existerar idag uppfyller endast delvis ovanstående krav. Så idag består nätverk endast av hundratals sensorer med ett begränsat täckningsområde och utför endast väldefinierade uppgifter. De kan bara överföra en viss typ av information från en sensor till en annan och endast inom en given bandbredd. Energiförbrukningen är inte heller försumbar.
– Batteriet räcker bara i några dagar. De befintliga sensorsensorerna är fortfarande ganska inerta, och det är inte fråga om hög tillförlitlighet och osynlighet i drift (åtminstone på grund av storleken). Och, naturligtvis, sådana sensorer är ganska dyra, så ett nätverk med hundratals sensorer är inte billigt. Men vi måste komma ihåg att vi pratar om experimentella nätverk och utvecklingen av framtidens teknik. Samtidigt ger experimentella sensornätverk redan fördelar. Ett sådant sensornätverk, skapat gemensamt av Intel Berkeley Research Laboratory, Atlantic Institute och University of California, verkar på Great Duck Island i Maine.

Syftet med detta nätverk är att studera mikromiljön för olika biologiska organismer som lever på ön.
Varje mänskligt ingripande (även i syfte att lära sig) är ibland onödigt,
Det är här sensornätverk kommer till undsättning, vilket tillåter att utan direkt mänskligt deltagande samla in all nödvändig information.

Sensornätverket använder två kort som nodelement. Det första kortet innehåller en temperatursensor, luftfuktighets- och barometertrycksensorer samt en infraröd sensor. Det andra kortet innehåller en mikroprocessor (frekvens 4 MHz), Bagge 1KB kapacitet, flashminne för lagring av program och data, strömförsörjning (två AA-batterier) och radiosändare /
en mottagare som arbetar med en frekvens på 900 MHz. Sensorer låter dig registrera all nödvändig information och överföra den till värddatorns databas. Alla sensorer testas noggrant i förväg - tavlan med sensorer är nedsänkt i vatten i två dagar och övervakar dess funktionalitet. Alla sensornoder bildar ett enda trådlöst nätverk och kan utbyta information. Samtidigt sker överföringen av information från en fjärrnätverksnod till en gateway (Gateway Sensor) längs en kedja, det vill säga från en nätverksnod till en annan, vilket gör att du kan skapa ett stort täckningsområde.

Informationen når värddatorn via gatewayen. Gatewayen använder en riktad antenn, vilket gör att överföringsavståndet kan ökas upp till 300 m. Från värddatorn sänds information via satellit över Internet till ett forskningscenter beläget i Kalifornien.

Laboratoriepersonalen arbetar inte mindre aktivt med precisionsbiologi och skapandet av biochips. Förutom sensorisk uppfattning om de fasta tingens värld, undersöks möjligheten att "känna" flytande media och biologiska, utvecklande föremål. Sådan forskning öppnar enorma möjligheter för medicinsk och farmaceutisk utveckling, implementering av kemiska processer och tillverkning av biologiska produkter. Eftersom det huvudsakliga syftet med sensornätverk är perception och överföring användbar information, Intel Berkeleys labbspecialister utvecklar en metod för att kombinera sensorer med objekt som de är ansvariga för att övervaka, och undersöker också möjligheten att skapa "aktuatorer" - enheter baserade på sensorer som låter dig påverka en situation, och inte bara registrera dess tillstånd . Sensornätverk är uppenbarligen användbara för militära tillämpningar, en av de möjliga varianterna av nätverken testades "strid" i Afghanistan, där den amerikanska militären har utplacerat flera hundra sensorer för att spåra rörelser av fiendens militärutrustning. Dock på inledningen
Det är för tidigt att säga riktiga nätverk i vårt liv, nätverket är sårbart för feltolerans. En DoS-attack (Denial of Service) på ett sensornätverk är varje händelse som minskar eller eliminerar nätverkets förmåga att utföra sin avsedda funktion. Författarna föreslår att basera sensornätverksprotokoll på en skiktad arkitektur, vilket kan skada nätverkets effektivitet, men öka dess tillförlitlighet. De typer av DoS-attacker som är typiska för varje lager och de acceptabla skyddsmetoderna diskuteras. Så även idag, trots ofullkomligheten och fortfarande ett ganska smalt användningsområde, används sensornätverk inom vetenskapen och senare i livet.

Material från webbplatser användes:

Maxim Sergievsky

Nyaste teknikerna trådlös och framsteg inom området för mikrokretsproduktion har gjort det möjligt att under de senaste åren gå över till den praktiska utvecklingen och implementeringen av en ny klass av distribuerade kommunikationssystem - sensornätverk.

Trådlösa sensornätverk (trådlösa sensornätverk) består av miniatyrdator- och kommunikationsenheter - mots ( från engelska motes - dammpartiklar), eller sensorer. En mote är en bräda som vanligtvis inte är större än en kubiktum. Kortet innehåller en processor, minne - flash och drift, digital-till-analog och analog-till-digital-omvandlare, en radiofrekvenssändtagare, en strömkälla och sensorer. Sensorer kan vara mycket olika; de är anslutna via digitala och analoga kontakter. Oftare än andra används temperatur, tryck, fuktighet, ljus, vibrationssensorer, mindre ofta - magnetoelektriska, kemiska (till exempel mätning av innehållet av CO, CO2), ljud och några andra. Uppsättningen av sensorer som används beror på de funktioner som utförs av trådlösa sensornätverk. Moten drivs av ett litet batteri. Motes används endast för insamling, primär bearbetning och överföring av sensoriska data. Utseende bots tillverkade av olika tillverkare visas i fig. 1.

Den huvudsakliga funktionella behandlingen av data som samlas in av motes utförs vid noden, eller gatewayen, som är en ganska kraftfull dator. Men för att kunna behandla uppgifterna måste du först skaffa den. För detta ändamål måste noden vara utrustad med en antenn. Men i vilket fall som helst, bara motes som är tillräckligt nära den är tillgängliga för noden; med andra ord, noden tar inte emot information direkt från varje mote. Problemet med att få sensorisk information insamlad av mots löses enligt följande. Motes kan utbyta information med varandra med hjälp av radiofrekvenssändtagare. Detta är för det första sensorisk information som läses från sensorer, och för det andra information om enheters tillstånd och resultaten av dataöverföringsprocessen. Information överförs från vissa motes till andra längs kedjan, och som ett resultat av detta kastar motes närmast gatewayen all ackumulerad information till den. Om några av moten misslyckas, bör sensornätverket fortsätta att fungera efter omkonfigurering. Men i det här fallet minskar naturligtvis antalet informationskällor.

För att utföra funktionerna är ett specialiserat operativsystem installerat på varje motor. De flesta trådlösa sensornätverk använder idag TinyOS, ett operativsystem som utvecklats vid University of Berkeley. TinyOS hänvisar till programvara med öppen källa; den finns på www.tinyos.net. TinyOS är ett händelsestyrt realtidsoperativsystem designat för att fungera under begränsade datorresurser. Detta operativsystem tillåter motes att automatiskt upprätta förbindelser med grannar och bilda ett sensornätverk av en given topologi. Den senaste versionen av TinyOS 2.0 kom 2006.

Den viktigaste faktorn i trådlösa sensornätverk är den begränsade kapaciteten hos batterierna installerade i motes. Man bör komma ihåg att det ofta inte är möjligt att byta batterier. I detta avseende är det nödvändigt att utföra på mots endast den enklaste primära behandlingen, fokuserad på att minska mängden överförd information, och, viktigast av allt, att minimera antalet cykler för att ta emot och överföra data. För att lösa detta problem har speciella kommunikationsprotokoll utvecklats, varav de mest kända är protokollen från ZigBee-alliansen. Denna allians (webbplats www.zigbee.org) skapades 2002 specifikt för att samordna arbetet inom området trådlösa sensornätverk. Det inkluderar de största utvecklarna av hårdvara och mjukvaruverktyg: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI och många andra (över 200 medlemmar totalt). Intel är inte medlem i alliansen, även om det stödjer dess aktiviteter.

I princip, för att utveckla en standard, inklusive en protokollstack för trådlösa sensornätverk, använde ZigBee den tidigare utvecklade IEEE standard 802.15.4, som beskriver det fysiska och medieåtkomstskiktet för trådlösa datanätverk med kort räckvidd (upp till 75 m) med låg strömförbrukning, men med hög grad av tillförlitlighet. Vissa egenskaper för radiodataöverföring för IEEE 802.15.4-standarden ges i tabellen. 1.

Tabell 1. Karakteristika för radioöverföring av data för IEEE 802.15.4

På det här ögonblicket ZigBee har utvecklat den enda standarden inom detta område, som backas upp av tillgången på produktion av fullt kompatibel hårdvara och mjukvaruprodukter... ZigBee-protokoll tillåter enheter att gå i viloläge O för det mesta, vilket avsevärt förlänger batteritiden.

Det är uppenbart att det inte är så lätt att utveckla system för datautbyte mellan hundratals och till och med tusentals mots. Bland annat är det nödvändigt att ta hänsyn till det faktum att sensornätverk fungerar i olicensierade frekvensområden, därför kan i vissa fall störningar orsakade av främmande källor för radiosignaler uppstå. Det är också tillrådligt att undvika upprepad överföring av samma data, och dessutom ta hänsyn till att på grund av otillräcklig energiintensitet och yttre påverkan kommer motes att misslyckas för alltid eller under en tid. I alla sådana fall måste kommunikationsscheman modifieras. Eftersom en av de viktigaste funktionerna i TinyOS är det automatiska valet av nätverkslayout och dataöverföringsvägar, är trådlösa sensornätverk i huvudsak självkonfigurerande.

Oftast bör en mote självständigt kunna bestämma sin plats, åtminstone i förhållande till den andra mote som den kommer att överföra data till. Det vill säga, först identifieras alla motes, och sedan bildas ett routingschema. I allmänhet är alla motes - enheter av ZigBee-standarden - indelade i tre klasser efter komplexitetsnivån. Den högsta av dem - koordinatorn - hanterar driften av nätverket, lagrar data om dess topologi och fungerar som en gateway för att överföra data som samlas in av hela det trådlösa sensornätverket för vidare bearbetning. I sensornätverk används vanligtvis en koordinator. En moto av medelhög komplexitet är en router, det vill säga den kan ta emot och överföra data, samt bestämma överföringsriktningen. Slutligen kan den enklaste moten bara överföra data till närmaste router. Således visar det sig att ZigBee-standarden stöder ett nätverk med en klusterarkitektur (Fig. 2). Klustret bildas av en router och de enklaste motes från vilka den begär sensorisk data. Klusterroutrar vidarebefordrar data till varandra, och i slutändan skickas data till koordinatorn. Samordnaren har vanligtvis en koppling till IP-nätet, dit data skickas för slutbehandling.

I Ryssland genomförs också utvecklingar relaterad till skapandet av trådlösa sensornätverk. Således erbjuder High-Tech Systems företaget sin hårdvaru- och mjukvaruplattform MeshLogic för att bygga trådlösa sensornätverk (webbplats www.meshlogic.ru). Den största skillnaden mellan denna plattform och ZigBee är dess fokus på att bygga peer-to-peer mesh-nätverk (Fig. 3). I sådana nätverk funktionalitet varje mota är densamma. Möjligheten till självorganisering och självläkning av mesh-topologinätverk tillåter, i händelse av att en del av motes misslyckas, att spontant bilda en ny nätverksstruktur. Det är sant att du i alla fall behöver en central funktionell enhet som tar emot och bearbetar all data, eller en gateway för att överföra data till bearbetningsenheten. Spontant skapade nätverk kallas ofta för den latinska termen Ad Hoc, som betyder "för ett specifikt fall".

I MeshLogic-nätverk kan varje mote utföra paketrelä, vilket i sin funktion liknar en ZigBee-router. MeshLogic-nät är helt självorganiserande: ingen koordinatornod tillhandahålls. Som RF-sändtagare i MeshLogic kan användas olika enheter, i synnerhet Cypress WirelessUSB, som, liksom ZigBee-enheter, arbetar i frekvensområdet 2,4 ... 2,4835 GHz. Det bör noteras att endast de lägre lagren av protokollstacken finns för MeshLogic-plattformen. Man tror att övre nivåerna, särskilt nätverk och applikationer, kommer att skapas för specifika applikationer. Konfigurationerna och grundläggande parametrar för två MeshLogic-motes och en ZigBee-mote visas i tabell. 2.

Tabell 2. Huvudegenskaper hos mots från olika tillverkare

Observera att det inte finns några integrerade touchsensorer på dessa kort.

Låt oss påpeka vad som först och främst skiljer trådlösa sensornätverk från konventionella datornätverk (trådbundna och trådlösa):

• fullständig frånvaro av några kablar - elektriska, kommunikation, etc .;
• möjligheten till kompakt placering eller till och med integrering av mots i miljöobjekt;
• tillförlitligheten för både enskilda element och, ännu viktigare, hela systemet som helhet; i vissa fall kan nätverket fungera om endast 10-20 % av sensorerna (mots) är i gott skick;
• inget behov av personal för installation och underhåll.

Sensornätverk kan användas i många applikationsområden. Trådlösa sensornätverk är nytt lovande teknik, och alla relaterade projekt är mestadels under utveckling. Låt oss ange de huvudsakliga tillämpningsområdena för denna teknik:

• försvarssystem och säkerhet;
• miljökontroll;
• övervakning av industriell utrustning;
• säkerhetssystem;
• övervakning av tillståndet för jordbruksmark;
• hantering av strömförsörjning;
• kontroll av ventilation, luftkonditionering och belysningssystem;
• brandlarm;
• lagerstyrning;
• spåra transport av varor;
• övervakning av det fysiologiska tillståndet hos en person;
• personalkontroll.

Av ett ganska stort antal exempel på användning av trådlösa sensornätverk kommer vi att peka ut två. Det mest kända är kanske utbyggnaden av nätverket ombord på en oljetanker från BP. Där, med hjälp av ett nätverk byggt på Intel-utrustning, övervakades fartygets tillstånd för att organisera dess förebyggande underhåll. BP analyserade om sensornätverket kunde fungera ombord på ett fartyg i de extrema temperaturer, höga vibrationer och betydande nivåer av radiofrekvensstörningar som finns i vissa delar av fartyget. Experimentet var framgångsrikt, flera gånger utfördes omkonfigureringen och återställningen av nätverksdriften automatiskt.

Ett exempel på ett annat pilotprojekt som har genomförts är utplaceringen av ett sensornätverk vid en US Air Force-bas i Florida. Systemet demonstrerade goda möjligheter att känna igen olika metallföremål, inklusive rörliga. Användningen av sensornätverket gjorde det möjligt att upptäcka penetration av människor och bilar i det kontrollerade området och spåra deras rörelser. För att lösa dessa problem användes motes utrustade med magnetoelektriska och temperatursensorer. För närvarande utökas projektets omfattning och ett trådlöst sensornätverk installeras redan på en testplats på 10 000 x 500 m. Motsvarande applikationsmjukvara utvecklas av flera amerikanska universitet.

Fördelarna med trådlösa sensornätverksteknologier kan effektivt användas för att lösa olika tillämpade problem relaterade till distribuerad insamling, analys och överföring av information.

Byggnadsautomation

I vissa byggnadsautomatiseringstillämpningar är användningen av traditionella trådbundna dataöverföringssystem opraktisk av ekonomiska skäl.

Till exempel behöver du implementera en ny eller utöka det befintliga systemet i en driven byggnad. I det här fallet är användningen av trådlösa lösningar det mest acceptabla alternativet, eftersom inget ytterligare installationsarbete krävs i strid med lokalens inredning, praktiskt taget inga olägenheter orsakas för anställda eller boende i byggnaden etc. Som ett resultat reduceras kostnaden för systemimplementering avsevärt.

Ett annat exempel skulle vara kontorsbyggnader med fri planering, för vilka det är omöjligt att specificera den exakta placeringen av sensorerna under design- och byggfasen. Samtidigt kan kontorslayouten ändras många gånger under driften av byggnaden, därför bör tiden och pengarna som spenderas på att omkonfigurera systemet vara minimala, vilket kan uppnås genom att använda trådlösa lösningar.

Dessutom kan följande exempel på system baserade på trådlösa sensornätverk nämnas:

• övervakning av temperatur, luftförbrukning, närvaro av människor och kontroll av värme-, ventilations- och luftkonditioneringsutrustning för att upprätthålla ett mikroklimat;
• belysningskontroll;
• hantering av strömförsörjning;
• insamling av avläsningar från lägenhetsmätare för gas, vatten, elektricitet, etc .;
• övervakning av tillståndet hos de bärande konstruktionerna i byggnader och konstruktioner.

Industriell automation

Hittills har den utbredda användningen av trådlös kommunikation inom området industriell automation begränsats av den låga tillförlitligheten hos radiokanaler jämfört med trådbundna anslutningar under svåra industriella förhållanden, men trådlösa sensornätverk förändrar situationen i grunden, eftersom till sin natur är de resistenta mot olika typer av störningar (till exempel fysisk skada på noden, uppkomsten av störningar, förändringar i hinder, etc.). Dessutom, under vissa förhållanden, kan ett trådlöst sensornätverk ge ännu större tillförlitlighet än ett trådbundet kommunikationssystem.

Lösningar baserade på trådlösa sensornätverk uppfyller till fullo industrikrav:

• feltolerans;
• skalbarhet;
• anpassningsförmåga till driftsförhållanden;
• energieffektivitet;
• med hänsyn till detaljerna i det tillämpade problemet;
• ekonomisk lönsamhet.

Trådlösa sensornätverkstekniker kan användas i följande industriella automationsuppgifter:

• fjärrkontroll och diagnostik av industriell utrustning;
• underhåll av utrustning nuvarande tillstånd(förutsäga säkerhetsmarginalen);
• övervakning av produktionsprocesser;
• telemetri för forskning och testning.

Andra applikationer

De unika egenskaperna och skillnaderna hos trådlösa sensornätverk från traditionella trådbundna och trådlösa dataöverföringssystem gör att de kan användas på en mängd olika områden. Till exempel:

• säkerhet och försvar:
  • kontroll över förflyttning av människor och utrustning;
  • medel operativ kommunikation och intelligens;
  • omkretskontroll och fjärrövervakning;
  • hjälp med att genomföra räddningsoperationer;
  • övervakning av egendom och värdesaker;
  • säkerhet och brandlarm;
• miljöövervakning:
  • övervakning av föroreningar;
  • Lantbruk;
• sjukvård:
  • övervakning av patienters fysiologiska tillstånd;
  • platskontroll och underrättelse av medicinsk personal.

Distribuerade sensornätverk

Vad är trådlösa sensornätverk?

Sensorer och mottagen enhet

Trådlösa sensornätverk är byggda från noder som kallas motes (smolk) - små fristående enheter som drivs av batterier och mikrochips med radiokommunikation vid en frekvens - till exempel 2,4 GHz. Särskild programvara tillåter mots att organisera sig i distribuerade nätverk, kommunicera med varandra, polla och utbyta data med de närmaste noderna, vars avstånd vanligtvis inte överstiger 100 meter.

I engelskspråkig litteratur kallas ett sådant nätverk trådlöst sensornätverk(WSN) är ett trådlöst nätverk som består av geografiskt distribuerade autonoma enheter som använder sensorer för att gemensamt övervaka fysiska eller miljömässiga förhållanden i olika områden.

De kan mäta parametrar som temperatur, ljud, vibrationer, tryck, rörelse av föremål eller luft. Utvecklingen av trådlösa sensornätverk motiverades ursprungligen av militära uppgifter, som att övervaka slagfältet. Trådlösa sensornätverk används nu alltmer inom många områden av det civila livet, inklusive industri- och miljöövervakning, hälsovård och kontroll av objektrörelser. Användningsområdet blir bredare.

Grundläggande principer för arbetet

3-nivå nätverksdiagram. 1:a nivån av sensorer och gateway. 2:a nivån på servern. 3:e nivån tunn klient

Varje nod i nätverket: mot utrustad med en radiosändtagare eller annan trådlös kommunikationsenhet, en liten mikrokontroller och en strömkälla, vanligtvis ett batteri. Användning av solpaneler eller andra alternativa energikällor är möjlig

Data från avlägsna element sänds över nätverket mellan de närmaste från nod till nod, via en radiokanal. Som ett resultat sänds datapaketet från närmaste mobil till gatewayen. Gatewayen ansluts som regel med en USB-kabel till servern. På servern - den insamlade informationen bearbetas, lagras och kan nås via WEB-skalet för ett stort antal användare.

Kostnaden för en sensornod varierar från hundratals dollar till några få cent, beroende på storleken på sensornätverket och dess komplexitet.

Hårdvara och standarder

Gateway (2st), ansluten till en bärbar dator med en USB-kabel. Den bärbara datorn är ansluten till Internet via UTP och fungerar som en server

Sensorer med radioantenn

Hårdvara och protokoll för trådlös nod nätverk mellan noderna är optimerade för energiförbrukning för att säkerställa en lång systemlivslängd med autonoma strömförsörjningar. Beroende på driftläge kan nodens livslängd uppgå till flera år.

Ett antal standarder är för närvarande antingen ratificerade eller under utveckling för trådlösa sensornätverk. ZigBee är en standard designad för användning av saker som industriell kontroll, inbyggd avkänning, medicinsk datainsamling, byggnadsautomation. Utvecklingen av Zigbee underlättas av ett stort konsortium av industriföretag.

• WirelessHART är en förlängning av HART-protokollet för industriell automation. WirelessHART lades till det gemensamma HART-protokollet som en del av HART 7-specifikationen, som godkändes av HART Communications Foundation i juni 2007.
• 6lowpan är den angivna standarden för nätverkslagret, men den har inte antagits ännu.
• ISA100 är ett annat verk i ett försök att komma in i WSN-teknik, men är byggt bredare för att inkludera respons kontroll i sitt område. Implementeringen av ISA100 baserat på ANSI-standarder är planerad att slutföras i slutet av år 2008.

WirelessHART, ISA100, ZigBee, och de är alla baserade på samma standard: IEEE 802.15.4 - 2005.

Nätverksprogramvara för trådlös sensor

Operativ system

Operativsystem för trådlösa sensornätverk är mindre komplexa än generiska operativsystem på grund av begränsade resurser i hårdvara sensornätverk. På grund av detta, operativ system inget behov av att aktivera stöd för användargränssnitt.

Hårdvara för trådlöst sensornätverk skiljer sig inte från traditionella inbyggda system, och därför kan ett inbäddat operativsystem användas för sensornätverk

Visualiseringsapplikationer

Mjukvara för visualisering av mätresultat och rapportgenerering MoteView v1.1

Data från trådlösa sensornätverk lagras vanligtvis som digital data i en central basstation. Det är mycket standardprogram såsom TosGUI MonSense, GNS, vilket gör det lättare att se dessa stora mängder data. Dessutom specificerar Open Consortium (OGC) standarder för interoperabilitet och interoperabilitet för metadatakodning, vilket gör det möjligt för alla personer att övervaka eller kontrollera ett trådlöst sensornätverk i realtid via webbläsaren.

För att arbeta med data som kommer från noderna i det trådlösa sensornätverket används program för att underlätta visning och utvärdering av data. Ett av dessa program är MoteView. Detta program låter dig se data i realtid och analysera dem, bygga alla möjliga grafer, utfärda rapporter i olika sektioner.

Fördelar med att använda

• Inget behov av att dra kablar för strömförsörjning och dataöverföring;
• Låg kostnad för komponenter, installation, driftsättning och underhåll av systemet;
• Snabb och enkel nätverksinstallation;
• Tillförlitlighet och feltolerans för hela systemet som helhet i händelse av fel på enskilda noder eller komponenter;
• Möjligheten att implementera och modifiera nätverket vid vilken anläggning som helst utan att störa driften av själva anläggningarna
• Möjlighet till snabb och vid behov dold installation av hela systemet som helhet.

Varje sensor är lika stor som en öllock (men kan reduceras med en faktor hundra i framtiden) och innehåller en processor, ett minne och en radiosändare. Sådana omslag kan vara utspridda på vilket territorium som helst, och de kommer själva att upprätta kommunikation med varandra, bilda ett enda trådlöst nätverk och börja överföra data till närmaste dator.

Uppkopplade i ett trådlöst nätverk kan sensorer spåra miljöparametrar: rörelse, ljus, temperatur, tryck, fuktighet etc. Övervakning kan utföras över ett mycket stort område, eftersom sensorer överför information längs en kedja från granne till granne. Tekniken gör att de kan arbeta i åratal (även årtionden) utan att byta batterier. Sensornätverk är universella sinnen för en dator, och alla fysiska föremål i världen som är utrustade med sensorer kan kännas igen av en dator. I framtiden kommer var och en av de miljarder sensorerna att få en IP-adress, och de kan till och med bilda något som liknar ett globalt sensornätverk. Hittills är bara militären och industrin intresserade av sensornätverkens kapacitet. Marknaden blomstrar i år, enligt den senaste rapporten från ON World, som specialiserat sig på att undersöka marknaden för sensornätverk. En annan höjdpunkt i år var lanseringen av världens första single-chip ZigBee-system (tillverkat av Ember). Bland stora amerikanska industriföretag som undersökts av ON World använder cirka 29 % redan sensornätverk, och ytterligare 40 % planerar att distribuera dem inom 18 månader. I Amerika har mer än hundra kommersiella företag dykt upp som är engagerade i att skapa och underhålla sensornätverk.

I slutet av detta år kommer antalet sensorer på planeten att överstiga 1 miljon. Nu växer inte bara antalet nätverk utan också deras storlek. För första gången skapades flera nätverk med mer än 1000 noder och drivs framgångsrikt, inklusive ett för 25 tusen noder.

Källa: Web PLANET

Ansökningar

Tillämpningarna av WSN är många och varierande. De används i kommersiella och industriella system för att övervaka data som är svåra eller dyra att övervaka med hjälp av trådbundna sensorer. WSN:er kan användas i svåråtkomliga områden där de kan ligga kvar i många år (miljöövervakning) utan att strömförsörjningen behöver bytas ut. De kan kontrollera handlingar av överträdare av det skyddade objektet

WSN används också för övervakning, spårning och kontroll. Här är några applikationer:

• Rökövervakning och branddetektering från stora skogar och torvmarker
• Ytterligare informationskälla för kriscentra för administrationen av ryska federationens ingående enheter
• Seismisk detektering av potentiell spänning
• Militära observationer
• Akustisk detektering av objektrörelser i säkerhetssystem.
• Miljöövervakning av utrymme och miljö
• Övervakning av industriella processer, användning i MES-system
• Medicinsk övervakning

Byggnadsautomation:

	övervakning av temperatur, luftflöde, närvaro av människor och kontroll av utrustning för att upprätthålla ett mikroklimat;
	belysningskontroll;
	hantering av strömförsörjning;
	insamling av avläsningar från lägenhetsmätare för gas, vatten, elektricitet, etc .;
	säkerhet och brandlarm;
	övervakning av tillståndet hos de bärande konstruktionerna i byggnader och konstruktioner.

Industriell automation:

	fjärrkontroll och diagnostik av industriell utrustning;
	underhåll av utrustning enligt det aktuella tillståndet (förutsäga säkerhetsmarginalen);
	övervakning av produktionsprocesser;