Kablosuz sensör ağları. Duyu ağları: insanlığın geleceği

Kullanım tarihi ve kapsamı

Sensör ağının ilk prototiplerinden biri, denizaltıları tespit etmek ve tanımlamak için tasarlanmış SOSUS sistemi olarak kabul edilebilir. Kablosuz sensör ağlarının teknolojisi, nispeten yakın zamanda - 90'ların ortalarında - aktif olarak gelişmeye başladı. Bununla birlikte, sadece XXI yüzyılın başında, mikroelektroniklerin gelişimi, bu tür cihazlar için oldukça ucuz bir eleman tabanı üretmeyi mümkün kıldı. Modern kablosuz ağlar temel olarak ZigBee standardına dayanmaktadır. Sensör ağlarının uygulanmasına hazır önemli sayıda endüstri ve pazar segmenti (imalat, çeşitli ulaşım türleri, yaşam desteği, güvenlik) ve bu sayı sürekli artıyor. Trend, komplikasyon tarafından yönlendiriliyor teknolojik süreçler, üretimin gelişmesi, güvenlik segmentlerinde bireylerin genişleyen ihtiyaçları, kaynak kontrolü ve envanter kullanımı. Yarı iletken teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte, sensör ağlarının endüstride, konut ve toplumsal hizmetlerde ve evlerde uygulanmasıyla ilgili yeni pratik problemler ve teorik problemler ortaya çıkıyor. Parametre kontrolü için ucuz kablosuz sensör cihazlarının kullanılması, telemetri ve kontrol sistemlerinin uygulanması için aşağıdakiler gibi yeni alanlar açar:

• zamanında tanımlama olası arızalar titreşim, sıcaklık, basınç vb. parametreleri kontrol etmek için aktüatörler;
• İzleme nesnesinin uzak sistemlerine gerçek zamanlı erişim kontrolü;
• Denetim otomasyonu ve Bakım onarım endüstriyel varlıklar;
• Ticari varlık yönetimi;
• Enerji ve kaynak tasarrufu teknolojilerinde bileşen olarak uygulama;
• Çevrenin eko-parametrelerinin kontrolü.

Algılayıcı ağların uzun geçmişine rağmen, algılayıcı ağ oluşturma kavramının nihai olarak şekillenmediğini ve belirli yazılım ve donanım (platform) çözümlerinde ifade edilmediğini belirtmek gerekir. Mevcut aşamada sensör ağlarının uygulanması, büyük ölçüde endüstriyel görevin özel gereksinimlerine bağlıdır. Mimari, yazılım ve donanım uygulaması, gelecekteki üreticiler için teknolojik bir niş bulmak için geliştiricilerin dikkatini çeken yoğun bir teknoloji oluşumu aşamasındadır.

teknolojiler

Kablosuz sensör ağları (WSN), sensörlerle (sıcaklık, basınç, aydınlatma, titreşim seviyesi, konum vb. için sensörler) donatılmış minyatür bilgi işlem cihazlarından ve belirli bir radyo aralığında çalışan sinyal alıcı-vericilerinden oluşur. Esnek mimari, düşük kurulum maliyetleri, akıllı sensörlerin kablosuz ağlarını diğer kablosuz ve kablolu iletişim arayüzlerinden ayırır, özellikle çok sayıda birbirine bağlı cihaz söz konusu olduğunda, sensör ağı 65.000 cihaza kadar bağlanmanıza izin verir. Kablosuz çözümlerin maliyetindeki sürekli düşüş, operasyonel parametrelerindeki artış, kendimizi kademeli olarak kablolu çözümlerden telemetri verilerini toplama sistemlerine, uzaktan teşhis araçlarına ve bilgi alışverişine yönlendirmemize olanak tanır. "Sensör ağı" bugün iyi bilinen bir terimdir (İng. Sensör Ağları), dağılmış, kendi kendini organize eden, başarısızlığa dayanıklı bireysel elemanlarözel kurulum gerektirmeyen gözetimsiz cihazlardan oluşan bir ağ. Sensör ağının her düğümü, dış ortamı, bir mikro bilgisayarı ve bir radyo alıcı-vericisini izlemek için çeşitli sensörler içerebilir. Bu, cihazın ölçüm yapmasına, bağımsız olarak ilk veri işlemesini gerçekleştirmesine ve harici bir bilgi sistemi ile iletişimi sürdürmesine olanak tanır.

802.15.4 / ZigBee Sensör Ağları olarak bilinen kısa menzilli röle teknolojisi. WSN - Kablosuz Sensör Ağı), kendi kendini organize eden hataya dayanıklı gelişimin modern yönlerinden biridir. dağıtılmış sistemler kaynakları ve süreçleri izlemek ve yönetmek. Günümüzde kablosuz sensör ağları teknolojisi, sensörlerin çalışma süresi için kritik olan izleme ve kontrol görevlerini çözmek için kullanılabilecek tek kablosuz teknolojidir. Kablosuz bir sensör ağında birleştirilen sensörler, bilgi toplamak, işlemek ve iletmek için coğrafi olarak dağıtılmış kendi kendini organize eden bir sistem oluşturur. Ana uygulama alanı, ölçülen parametrelerin kontrolü ve izlenmesidir. fiziksel ortamlar ve nesneler.

• radyo yolu;
• işlemci modülü;
• pil;
• çeşitli sensörler.

Tipik bir düğüm, üç tür aygıtla temsil edilebilir:

• Ağ Koordinatörü (FFD - Tam İşlevli Cihaz);
  • küresel koordinasyon, organizasyon ve ağ parametrelerinin ayarlanmasını gerçekleştirir;
  • en fazla bellek ve güç kaynağı gerektiren üç cihaz türünün en karmaşıkı;

• Tam İşlevli Cihaz (FFD);
  • 802.15.4 desteği;
  • ek bellek ve güç tüketimi, bir ağ koordinatörü olarak hareket etmenizi sağlar;
  • her tür topoloji için destek (noktadan noktaya, yıldız, ağaç, ağ);
  • ağ koordinatörü olarak hareket etme yeteneği;
  • ağdaki diğer cihazlara erişme yeteneği;
• (RFD - Azaltılmış İşlevli Cihaz);
  • Sınırlı bir dizi 802.15.4 özelliğini destekler;
  • "noktadan noktaya", "yıldız" topolojileri için destek;
  • koordinatör olarak hareket etmez;
  • ağ koordinatörü ve yönlendirici ile iletişim kurar;

geliştiriciler şirketleri

Piyasada çeşitli türlerdeki şirketler temsil edilmektedir:

Notlar (düzenle)

Wikimedia Vakfı. 2010.

Diğer sözlüklerde "Kablosuz sensör ağları" nın neler olduğunu görün:

- (diğer adlar: kablosuz ad hoc ağlar, kablosuz dinamik ağlar) kalıcı bir yapıya sahip olmayan merkezi olmayan kablosuz ağlar. İstemci cihazlar bir ağ oluşturmak için anında bağlanır. Her ev sahibi iletmeye çalışır ... ... Wikipedia

Bu sayfanın Kablosuz Kendi Kendini Düzenleyen Ağ olarak yeniden adlandırılması önerilir. Nedenlerinin açıklaması ve Wikipedia sayfasındaki tartışma: Yeniden adlandırmaya doğru / 1 Aralık 2012. Belki de şu anki adı modern ... ... Wikipedia'nın normlarına uymuyor.

Kablosuz ad hoc ağlar, kalıcı bir yapıya sahip olmayan merkezi olmayan kablosuz ağlardır. İstemci cihazlar bir ağ oluşturmak için anında bağlanır. Ağdaki her düğüm, diğer düğümlere yönelik verileri iletmeye çalışır. Aynı zamanda ... ... Vikipedi

Kablosuz ad hoc ağlar, kalıcı bir yapıya sahip olmayan merkezi olmayan kablosuz ağlardır. İstemci cihazlar bir ağ oluşturmak için anında bağlanır. Ağdaki her düğüm, diğer düğümlere yönelik verileri iletmeye çalışır. Aynı zamanda ... ... Vikipedi

Tipik bir kablosuz sensör ağının mimarisi Bir kablosuz sensör ağı, bir radyo kanalı aracılığıyla birbirine bağlanan birçok sensör (sensör) ve aktüatörden oluşan dağıtılmış, kendi kendini organize eden bir ağdır. Bölge ... ... Vikipedi

Bu makaleyi geliştirmek isteniyor mu?: Tasarımı, makale yazma kurallarına uygun olarak yeniden tasarlayın. Makalede dil bilgisi ve yazım hataları olup olmadığını kontrol edin. Makaleyi ... Wikipedia'ya göre düzeltin

Telemetri, telemetri (diğer Yunanca τῆλε "uzak" + μέτρεω "ölçüyorum"), operatöre veya kullanıcıya uzaktan ölçüm yapılmasına ve bilgi toplanmasına izin veren bir dizi teknoloji, ayrılmaz bir parçası ... ... Wikipedia

Ultra geniş bant (UWB) sinyalleri "ekstra geniş" bant genişliğine sahip radyo sinyalleri (mikrodalga sinyalleri). Ultra geniş bant radar ve ultra geniş bant radyo iletişimi için kullanılırlar. İçerik 1 Tanım 2 Yönetmelik ... Wikipedia

Bina otomasyonu ve dağıtılmış tesis yönetimi için geliştirilmiş ilk Açık Kablosuz Veri Ağı Protokolü. Bir Net birçok mevcut alıcı-verici (alıcı-verici) ile kullanılabilir ve ... ... Wikipedia

Yüz milyonlarca yarı iletken sensörün, anahtarlıktan bebek arabasına kadar mümkün olan her şeye entegre edileceği gün yaklaşıyor. Ve hepsi sadece akıllı sensörler olarak hareket etmekle kalmayacak, aynı zamanda birincil bilgi işlemeyi gerçekleştirebilecek ve birbirleriyle etkileşime girerek tek bir kablosuz sensör ağı oluşturabilecekler. Aynı zamanda, bu tür sensörler, yerleşik minyatür piller birkaç yıl, yani sensörlerin tüm ömrü boyunca dayanacağından, pratik olarak elektrik tüketmez. Kavramsal olarak yeni bir tür olacak bilgisayar sistemi kablosuz sensör ağı kullanarak çalışır. Bu ağ genel olarak Ad-hoc Kablosuz Sensör Ağları olarak adlandırılır. Ad-hoc terimi, IEEE 802.11b standardı gibi modern kablosuz ağlardan ödünç alınmıştır. Bu kablosuz ağların iki iletişim modu vardır: Altyapı modu ve Ad-hoc modu. Altyapı modunda, ağın düğümleri birbirleriyle doğrudan değil, kablosuz ağda bir tür hub görevi gören Erişim Noktası aracılığıyla (geleneksel kablo ağlarında olduğu gibi) etkileşime girer. Eşler Arası olarak da adlandırılan Ad-hoc modunda, istasyonlar doğrudan birbirleriyle iletişim kurar. Buna göre, kablosuz sensör ağlarında, Ad-hoc modu, tüm sensörlerin doğrudan birbirleriyle etkileşime girerek bir tür hücresel ağ oluşturması anlamına gelir.

Kablosuz sensör ağları, bilgisayarların doğrudan fiziksel dünyaya bağlanacağı ve kullanıcıların isteklerini tahmin edebilecekleri ve onlar için kararlar alabilecekleri bir sonraki çağa geçiş için bir tür adımdır.
Bu tür sensör ağlarının gelecekte bize neler getireceğini biraz hayal edelim. Bebeklerin nefes alışını dinleyen beşikleri hayal edin; klinikte hastaların durumunu izleyen bilezikler; sadece gerektiğinde itfaiyecileri arayamayan, aynı zamanda yangının kaynağı ve yangının karmaşıklık derecesi hakkında onları önceden bilgilendiren duman dedektörleri. Elektronik aletler birbirlerini tanıyacak, besin kaynakları onlara "tazelenmeleri" gerektiğini hatırlatacaktır.

Bir ormanda birbirine bağlanmış yüz binlerce sensör sensörünü hayal edin. Böyle bir ormanda, bir kişinin hareketi sensörler tarafından kaydedileceği ve analiz edileceği için kaybolmak imkansız olacaktır. Diğer bir örnek ise tarladaki, toprağın durumunu izlemek ve değişen koşullara bağlı olarak sulamayı ve uygulanan gübre miktarını düzenlemek üzere ayarlanmış sensörlerdir.
Yollardaki sensör ağları da bir o kadar faydalı olacaktır. Birbirleriyle iletişim kurarak arabaların akışını düzenleyebilecekler. Bu, herhangi bir sürücünün hayalidir - trafik sıkışıklığı olmayan yollar! Bu tür ağlar, bu görevle herhangi bir kurumdan çok daha verimli bir şekilde başa çıkabilecektir. Kontrol sorunu
Yollardaki suçlar kendiliğinden çözülecek.

Güç kaynağını yönetmek için sensör ağlarının kullanılması inanılmaz enerji tasarrufu sağlayacaktır. Dairenizde böyle bir kontrol ağı hayal edin. Sensörler, konumunuzu takip ederek arkanızdaki ışığı kapatabilecek ve gerektiğinde açabilecek. Peki, sokakların ve yolların aydınlatmasını kontrol etmek için bu tür ağları kullanırsanız, elektrik eksikliği sorunu kendiliğinden ortadan kalkacaktır. Algılayıcı ağların yarının bir gerçeği haline gelmesi için şimdiden bu yönde araştırmalar yapılıyor. Ve bu alandaki lider, geleceğin tüm gelişmiş bilgi işlem teknolojilerini destekleyen Intel Corporation'dır. Gerektiğinde kendi kendine oluşabilen ve otomatik konfigürasyon yapabilen kablosuz çok düğümlü sensör ağlarının geliştirilmesine özellikle dikkat edilir. Bu teknolojinin uygulanması, çevredeki belirli değişiklikleri rapor ederek birbirleriyle bağımsız olarak iletişim kurabilecek, ucuz, ancak aynı zamanda çok karmaşık yarı iletken sensör cihazlarının bir ağının kurulmasına izin verecektir. Örneğin, Mika sensörü 128 kilobayt flash bellek yazılımı, veri depolama için 256 kilobayt flash bellek ve 900 MHz radyo vericisi ile birlikte gelir.
Bu cihazlardan bazıları bir işletim sistemi çalıştırıyor
TinyOS, bu işletim sisteminin kodu açık kaynak kodludur ve her şeyden oluşur.
8.5 Kb.

Bu tür cihazlar, temel olarak yeni alanlarda uygulama bulacaktır, örneğin akıllı giysiler, yenidoğanın sağlığını izleyecek ve hayati işlevlerinin en önemli göstergelerini bildirecek bağlı battaniyeler, yarı iletken sensörlerin yüklü olduğu akıllı çiftlikler. toprak sulamayı yönetecek
sistem ve gübreleme. Intel Corporation'daki sensör ağları araştırması
Kaliforniya'da bulunan ünlü Intel Berkeley Araştırma laboratuvarı. Bugün mevcut olan deneysel sensör ağları, yukarıdaki gereksinimleri yalnızca kısmen karşılamaktadır. Bu nedenle, bugün ağlar sınırlı bir kapsama alanına sahip yalnızca yüzlerce sensörden oluşur ve yalnızca iyi tanımlanmış görevleri yerine getirir. Bir sensörden diğerine yalnızca belirli türde bilgileri ve yalnızca belirli bir bant genişliğinde iletebilirler. Enerji tüketimi de göz ardı edilemez.
- Pil yalnızca birkaç gün dayanır. Mevcut sensör sensörleri hala oldukça durağandır ve operasyonda (en azından boyutundan dolayı) yüksek güvenilirlik ve görünmezlik söz konusu değildir. Ve elbette, bu tür sensörler oldukça pahalıdır, bu nedenle yüzlerce sensörden oluşan bir ağ ucuz değildir. Ancak deneysel ağlardan ve geleceğin teknolojisinin geliştirilmesinden bahsettiğimizi unutmamalıyız. Aynı zamanda, deneysel sensör ağları şimdiden faydalar sağlıyor. Intel Berkeley Araştırma Laboratuvarı, Atlantik Enstitüsü ve California Üniversitesi tarafından ortaklaşa oluşturulan böyle bir sensör ağı, Maine'deki Great Duck Adası'nda faaliyet gösteriyor.

Bu ağın amacı, adada yaşayan çeşitli biyolojik organizmaların mikro habitatını incelemektir.
Herhangi bir insan müdahalesi (öğrenme amacıyla bile) bazen gereksizdir,
Bu, doğrudan insan katılımı olmadan gerekli tüm bilgilerin toplanmasına izin veren sensör ağlarının kurtarmaya geldiği yerdir.

Sensör ağı, düğüm elemanları olarak iki kart kullanır. İlk kart bir sıcaklık sensörü, nem ve barometrik basınç sensörleri ve bir kızılötesi sensör içerir. İkinci kart bir mikroişlemci içerir (frekans 4 MHz), Veri deposu 1KB kapasite, programları ve verileri depolamak için flash bellek, güç kaynağı (iki AA pil) ve radyo vericisi /
900 MHz frekansında çalışan bir alıcı. Sensörler, gerekli tüm bilgileri kaydetmenize ve ana bilgisayarın veritabanına aktarmanıza izin verir. Tüm sensörler önceden kapsamlı bir şekilde test edilir - sensörlü kart iki gün boyunca suya batırılır ve işlevselliğini izler. Tüm sensör düğümleri tek bir kablosuz ağ oluşturur ve bilgi alışverişi yapabilir. Bu durumda, uzak bir ağ düğümünden bir ağ geçidine (Ağ Geçidi Sensörü) bilgi aktarımı, bir zincir boyunca, yani bir ağ düğümünden diğerine geniş bir kapsama alanı oluşturmanıza izin verir.

Bilgi ağ geçidi aracılığıyla ana bilgisayara ulaşır. Ağ geçidi, iletim mesafesinin 300 m'ye kadar artırılmasına izin veren yönlü bir anten kullanır.Ana bilgisayardan, bilgiler uydu aracılığıyla İnternet üzerinden California'da bulunan bir araştırma merkezine iletilir.

Laboratuar personeli, hassas biyoloji ve biyoçiplerin oluşturulması üzerinde daha az aktif olarak çalışmaktadır. Katı nesneler dünyasının duyusal algısına ek olarak, sıvı ortamları ve biyolojik, gelişen nesneleri "hissetme" olasılığı araştırılmaktadır. Bu tür araştırmalar, tıbbi ve farmasötik gelişim, kimyasal süreçlerin uygulanması ve biyolojik ilaçların üretimi için muazzam beklentiler yaratıyor. Algılayıcı ağların temel amacı algılama ve iletim olduğundan kullanışlı bilgi, Intel Berkeley laboratuvar uzmanları, sensörleri izlemekten sorumlu oldukları nesnelerle birleştirmek için bir yöntem geliştiriyor ve aynı zamanda "aktüatörler" - bir durumu etkilemenize ve yalnızca durumunu kaydetmenize izin vermeyen sensörlere dayalı cihazlar - yaratma olasılığını araştırıyorlar. . Sensör ağları askeri uygulamalar için açıkça yararlıdır, ağların olası varyasyonlarından biri, ABD ordusunun düşman askeri teçhizatının hareketlerini izlemek için birkaç yüz sensör yerleştirdiği Afganistan'da "savaş" test edildi. Ancak tanıtımda
Hayatımızdaki gerçek ağları söylemek için çok erken, ağ hata toleransına karşı savunmasızdır. Bir sensör ağına yapılan Hizmet Reddi (DoS) saldırısı, ağın amaçlanan işlevini yerine getirme yeteneğini azaltan veya ortadan kaldıran herhangi bir olaydır. Yazarlar, sensör ağı protokollerini, ağın verimliliğine zarar verebilecek, ancak güvenilirliğini artırabilecek katmanlı bir mimariye dayandırmayı önermektedir. Her katman için tipik olan DoS saldırı türleri ve kabul edilebilir koruma yöntemleri tartışılmıştır. Bu nedenle, bugün bile, kusurlarına ve hala oldukça dar bir kullanım yelpazesine rağmen, sensör ağları bilimde ve daha sonra yaşamda kullanılmaktadır.

Sitelerdeki malzemeler kullanıldı:

Maksim Sergievski

En yeni teknolojiler kablosuz ve mikro devre üretimi alanındaki ilerleme, son birkaç yılda yeni bir dağıtılmış iletişim sistemleri sınıfının - sensör ağlarının pratik olarak geliştirilmesine ve uygulanmasına izin verdi.

Kablosuz sensör ağları (kablosuz sensör ağları) minyatür bilgi işlem ve iletişim cihazlarından oluşur - mots ( İngilizceden zerreler - toz parçacıkları) veya sensörler. Mote, genellikle bir inç küpten daha büyük olmayan bir tahtadır. Kart bir işlemci, bellek - flaş ve operasyonel, dijitalden analoğa ve analogdan dijitale dönüştürücüler, bir radyo frekansı alıcı-vericisi, bir güç kaynağı ve sensörler içerir. Sensörler çok çeşitli olabilir; dijital ve analog konektörler aracılığıyla bağlanırlar. Diğerlerinden daha sık, sıcaklık, basınç, nem, ışık, titreşim sensörleri kullanılır, daha az sıklıkla - manyetoelektrik, kimyasal (örneğin, CO, CO2 içeriğini ölçmek), ses ve diğerleri. Kullanılan sensör seti, kablosuz sensör ağları tarafından gerçekleştirilen işlevlere bağlıdır. Mot, küçük bir pil ile çalışır. Motes yalnızca duyusal verilerin toplanması, birincil işlenmesi ve iletimi için kullanılır. Dış görünüşÇeşitli üreticiler tarafından üretilen botlar Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.

Motes tarafından toplanan verilerin ana işlevsel işlenmesi, oldukça güçlü bir bilgisayar olan düğümde veya ağ geçidinde gerçekleştirilir. Ancak verileri işlemek için önce onu almanız gerekir. Bu amaçla, düğüm bir antenle donatılmalıdır. Ancak her durumda, düğüme yalnızca yeterince yakın olan parçacıklara erişilebilir; diğer bir deyişle, düğüm her bir zerreden doğrudan bilgi almaz. Mots tarafından toplanan duyusal bilgilerin elde edilmesi sorunu aşağıdaki gibi çözülür. Motes, radyo frekansı alıcı-vericilerini kullanarak birbirleriyle bilgi alışverişinde bulunabilir. Bu, ilk olarak, sensörlerden okunan duyusal bilgiler ve ikinci olarak, cihazların durumu ve veri aktarım sürecinin sonuçları hakkında bilgidir. Bilgi, zincir boyunca bazı parçacıklardan diğerlerine iletilir ve sonuç olarak, ağ geçidine en yakın olan parçacıklar, birikmiş tüm bilgileri ona atar. Motlardan bazıları başarısız olursa, sensör ağı yeniden yapılandırıldıktan sonra çalışmaya devam etmelidir. Ancak bu durumda doğal olarak bilgi kaynaklarının sayısı azalır.

İşlevleri gerçekleştirmek için her motora özel bir işletim sistemi kurulur. Günümüzde çoğu kablosuz sensör ağı, Berkeley Üniversitesi'nde geliştirilen bir işletim sistemi olan TinyOS'u kullanır. TinyOS ile yazılım anlamına gelir açık kaynak; www.tinyos.net adresinde mevcuttur. TinyOS, sınırlı bilgi işlem kaynakları altında çalışmak üzere tasarlanmış, olaya dayalı gerçek zamanlı bir işletim sistemidir. Bu işletim sistemi, motes'ların komşularla otomatik olarak bağlantı kurmasına ve belirli bir topolojinin bir sensör ağı oluşturmasına izin verir. TinyOS 2.0'ın son sürümü 2006'da geldi.

Kablosuz sensör ağlarında en önemli faktör, motlara takılan pillerin sınırlı kapasitesidir. Pilleri değiştirmenin çoğu zaman mümkün olmadığı akılda tutulmalıdır. Bu bağlamda, iletilen bilgi miktarını azaltmaya odaklanan ve en önemlisi, veri alma ve iletme döngülerinin sayısını en aza indirmeye odaklanan yalnızca en basit birincil işlemi gerçekleştirmek gerekir. Bu sorunu çözmek için en ünlüsü ZigBee ittifakının protokolleri olan özel iletişim protokolleri geliştirilmiştir. Bu ittifak (www.zigbee.org web sitesi) 2002 yılında özellikle kablosuz sensör ağları alanındaki çalışmaları koordine etmek için kuruldu. En büyük donanım geliştiricilerini içerir ve yazılım araçları: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI ve diğerleri (toplamda 200'den fazla üye). Intel, faaliyetlerini desteklemesine rağmen ittifakın bir üyesi değildir.

Prensip olarak, kablosuz sensör ağları için bir protokol yığını da dahil olmak üzere bir standart geliştirmek için ZigBee, daha önce geliştirilen IEEE standardı 802.15.4, düşük güç tüketimine sahip, ancak yüksek derecede güvenilirliğe sahip kısa menzilli kablosuz veri ağları (75 m'ye kadar) için fiziksel ve medya erişim katmanını açıklar. IEEE 802.15.4 standardı için radyo veri iletiminin bazı özellikleri tabloda verilmiştir. 1.

Tablo 1. IEEE 802.15.4 için verilerin radyo iletiminin özellikleri

Frekans bandı, MHz	lisansa ihtiyacım var mı	Coğrafi bölge	Veri aktarım hızı, Kbps	Kanal Sayısı

Açık şu an ZigBee, tam uyumlu donanım üretiminin mevcudiyeti ile desteklenen bu alandaki tek standardı geliştirmiştir. yazılım ürünleri... ZigBee protokolleri, cihazların hazırda bekletme moduna geçmesine izin verir. Öçoğu zaman pil ömrünü önemli ölçüde uzatır.

Yüzlerce hatta binlerce mot arasında veri alışverişi şemaları geliştirmenin o kadar kolay olmadığı açıktır. Diğer şeylerin yanı sıra, sensör ağlarının lisanssız frekans aralıklarında çalıştığı gerçeğini hesaba katmak gerekir, bu nedenle bazı durumlarda yabancı radyo sinyali kaynaklarının neden olduğu parazit meydana gelebilir. Aynı verilerin tekrar tekrar iletilmesinden kaçınmanız ve ayrıca yetersiz enerji yoğunluğu ve dış etkilerden dolayı zerrelerin sonsuza kadar veya bir süreliğine başarısız olacağını hesaba katmanız da tavsiye edilir. Tüm bu durumlarda, iletişim şemaları değiştirilmelidir. TinyOS'un en önemli işlevlerinden biri ağ düzeninin ve veri aktarım yollarının otomatik olarak seçilmesi olduğundan, kablosuz sensör ağları esasen kendi kendini yapılandırır.

Çoğu zaman, bir mote, en azından veri ileteceği diğer mote ile ilgili olarak, konumunu bağımsız olarak belirleyebilmelidir. Yani, önce tüm parçacıklar tanımlanır ve ardından bir yönlendirme şeması oluşturulur. Genel olarak, tüm motlar - ZigBee standardının cihazları - karmaşıklık düzeyine göre üç sınıfa ayrılır. Bunların en yükseği - koordinatör - ağın çalışmasını yönetir, topolojisiyle ilgili verileri depolar ve daha sonraki işlemler için tüm kablosuz sensör ağı tarafından toplanan verileri iletmek için bir ağ geçidi görevi görür. Algılayıcı ağlarda genellikle bir koordinatör kullanılır. Orta karmaşıklığın bir motoru bir yönlendiricidir, yani veri alabilir ve iletebilir ve ayrıca iletim yönünü belirleyebilir. Son olarak, en basit hareket yalnızca en yakın yönlendiriciye veri iletebilir. Böylece ZigBee standardının küme mimarisine sahip bir ağı desteklediği ortaya çıkıyor (Şekil 2). Küme, bir yönlendirici ve duyusal verileri talep ettiği en basit hareketlerden oluşur. Küme yönlendiricileri verileri birbirine iletir ve sonuçta veriler koordinatöre iletilir. Koordinatörün genellikle, verilerin son işleme için gönderildiği IP ağıyla bir bağlantısı vardır.

Rusya'da kablosuz sensör ağlarının oluşturulmasıyla ilgili gelişmeler de yapılıyor. Bu nedenle, High-Tech Systems şirketi, kablosuz sensör ağları oluşturmak için donanım ve yazılım platformu MeshLogic'i sunar (www.meshlogic.ru web sitesi). Bu platform ile ZigBee arasındaki temel fark, eşler arası ağ ağları oluşturmaya odaklanmasıdır (Şekil 3). Bu tür ağlarda işlevsellik her mota aynıdır. Örgü topolojisi ağlarının kendi kendini organize etme ve kendi kendini iyileştirme olasılığı, motların bir kısmının başarısız olması durumunda, kendiliğinden yeni bir ağ yapısı oluşturmasına izin verir. Doğru, her durumda, tüm verileri alan ve işleyen merkezi bir işlevsel birime veya işlem birimine veri aktarmak için bir ağ geçidine ihtiyacınız var. Kendiliğinden oluşturulan ağlara genellikle "belirli bir durum için" anlamına gelen Latince Ad Hoc terimi denir.

MeshLogic ağlarında, her bir mote, fonksiyon olarak bir ZigBee yönlendiricisine benzeyen paket aktarımı gerçekleştirebilir. MeshLogic ağları tamamen kendi kendini düzenler: hiçbir koordinatör düğümü sağlanmaz. MeshLogic'teki RF alıcı-vericileri kullanılabildiğinden çeşitli cihazlar, özellikle ZigBee cihazları gibi 2.4 ... 2.4835 GHz frekans aralığında çalışan Cypress WirelessUSB. MeshLogic platformu için protokol yığınının yalnızca alt katmanlarının mevcut olduğuna dikkat edilmelidir. olduğuna inanılıyor üst seviyeler, özellikle ağ ve uygulama, belirli uygulamalar için oluşturulacaktır. İki MeshLogic mote ve bir ZigBee mote konfigürasyonları ve temel parametreleri Tablo'da gösterilmektedir. 2.

Tablo 2. Farklı üreticilerin motlarının ana özellikleri

Seçenekler
mikrodenetleyici
İşlemci	Texas Instruments MSP430
saat frekansı	32.768 kHz - 8 MHz
Veri deposu
flaş bellek
alıcı-verici
		Cypress WirelessUSBTM LP
Frekans aralığı	2400-2483,5 MHz		2400-2483,5 MHz
Baud hızı		15.625 - 250 kbps
çıkış gücü	-24 ila 0 dBm	-35 ila 4 dBm	-28 ila 3 dBm
Duyarlılık
			1 veya 2 cips
Harici arayüzler
	12 bit, 7 kanal		10-bit, 3 kanal
Dijital arayüzler	I2C / SPI / UART / USB		I2C / SPI / UART / IRQ / JTAG
Diğer parametreler
Besleme gerilimi	0,9 ila 6,5V		1,8 - 3,6 V
Sıcaklık aralığı	-40 ila 85 ° C	0 ila 70 ° C	0 ila 85 ° C

Bu kartlarda entegre dokunmatik sensör olmadığını unutmayın.

Öncelikle kablosuz sensör ağlarını geleneksel bilgi işlem (kablolu ve kablosuz) ağlardan ayıran şeyin ne olduğunu belirtelim:

• herhangi bir kablonun tamamen yokluğu - elektrik, iletişim vb.;
• motların çevre nesnelerine kompakt yerleştirme ve hatta entegrasyonu olasılığı;
• hem bireysel unsurların hem de daha da önemlisi tüm sistemin bir bütün olarak güvenilirliği; bazı durumlarda, sensörlerin (mots) yalnızca %10-20'si iyi çalışır durumdaysa ağ çalışabilir;
• kurulum ve bakım için personele gerek yoktur.

Sensör ağları birçok uygulama alanında kullanılabilir. Kablosuz sensör ağları yeni gelecek vaat eden teknoloji ve ilgili tüm projeler çoğunlukla geliştirme aşamasındadır. Bu teknolojinin ana uygulama alanlarını belirtelim:

• savunma sistemleri ve güvenlik;
• çevresel kontrol;
• endüstriyel ekipmanın izlenmesi;
• güvenlik sistemi;
• tarım arazilerinin durumunun izlenmesi;
• güç kaynağı yönetimi;
• havalandırma, klima ve aydınlatma sistemlerinin kontrolü;
• yangın alarmı;
• stok kontrolü;
• malların nakliyesini takip etmek;
• bir kişinin fizyolojik durumunun izlenmesi;
• personel kontrolü.

Kablosuz sensör ağlarının kullanımına ilişkin oldukça fazla sayıda örnekten ikisini seçeceğiz. En ünlüsü belki de ağın bir BP petrol tankerinde konuşlandırılmasıdır. Orada, Intel ekipmanı temelinde inşa edilmiş bir ağ kullanılarak, önleyici bakımını organize etmek için geminin durumu izlendi. BP, sensör ağının bir gemide aşırı sıcaklıklarda, yüksek titreşimde ve geminin bazı bölgelerinde bulunan önemli düzeyde radyo frekansı parazitinde çalışıp çalışamayacağını analiz etti. Deney başarılı oldu, birkaç kez ağ çalışabilirliğinin yeniden yapılandırılması ve geri yüklenmesi otomatik olarak gerçekleştirildi.

Gerçekleştirilen başka bir pilot proje örneği, Florida'daki bir ABD Hava Kuvvetleri üssünde bir sensör ağının konuşlandırılmasıdır. Sistem gösterdi iyi fırsatlar hareketli olanlar da dahil olmak üzere çeşitli metal nesneleri tanımak için. Sensör ağının kullanılması, insanların ve arabaların kontrollü alana girişini tespit etmeyi ve hareketlerini takip etmeyi mümkün kıldı. Bu sorunları çözmek için manyetoelektrik ve sıcaklık sensörleriyle donatılmış motlar kullanıldı. Şu anda, projenin kapsamı genişliyor ve 10.000x500 m'lik bir test sahasında bir kablosuz sensör ağı kuruluyor.İlgili uygulama yazılımı birkaç Amerikan üniversitesi tarafından geliştiriliyor.

Kablosuz algılayıcı ağ teknolojilerinin avantajları, bilginin dağıtılmış toplanması, analizi ve iletimi ile ilgili çeşitli uygulamalı problemleri çözmek için etkin bir şekilde kullanılabilir.

Bina otomasyonu

Bazı bina otomasyonu uygulamalarında geleneksel kablolu veri iletim sistemlerinin kullanılması ekonomik nedenlerden dolayı pratik değildir.

Örneğin, yeni bir uygulama uygulamanız veya genişletmeniz gerekir. mevcut sistem işletilen bir binada. Bu durumda, kablosuz çözümlerin kullanılması en kabul edilebilir seçenektir, çünkü tesislerin iç dekorasyonuna aykırı olarak ek kurulum çalışması gerekmez, çalışanlara veya bina sakinlerine pratikte hiçbir rahatsızlık verilmez. Sonuç olarak, sistem uygulama maliyeti önemli ölçüde azalır.

Başka bir örnek, tasarım ve inşaat aşamasında sensörlerin tam yerini belirlemenin imkansız olduğu serbest planlamaya sahip ofis binaları olabilir. Aynı zamanda, binanın işletimi sırasında ofislerin düzeni birçok kez değiştirilebilir, bu nedenle, sistemi yeniden yapılandırmak için harcanan zaman ve para, kablosuz çözümler kullanılarak elde edilebilecek minimum düzeyde olmalıdır.

Ek olarak, kablosuz sensör ağlarına dayalı aşağıdaki sistem örnekleri verilebilir:

• mikro iklimi korumak için sıcaklığın, hava tüketiminin, insanların varlığının ve ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme ekipmanının kontrolünün izlenmesi;
• aydınlatma kontrolü;
• güç kaynağı yönetimi;
• gaz, su, elektrik vb. için apartman sayaçlarından okumaların toplanması;
• bina ve yapıların taşıyıcı yapılarının durumunun izlenmesi.

Endüstriyel Otomasyon

Şimdiye kadar, endüstriyel otomasyon alanında kablosuz iletişimin yaygın kullanımı, zorlu endüstriyel koşullarda kablolu bağlantılara kıyasla radyo kanallarının düşük güvenilirliği nedeniyle kısıtlandı, ancak kablosuz sensör ağları durumu temelden değiştiriyor, çünkü doğaları gereği, çeşitli rahatsızlıklara karşı dirençlidirler (örneğin, düğüme fiziksel hasar, girişimin görünümü, engellerdeki değişiklikler vb.). Ayrıca, bazı koşullar altında, kablosuz bir sensör ağı, kablolu bir iletişim sisteminden daha fazla güvenilirlik sağlayabilir.

Kablosuz sensör ağlarına dayalı çözümler, endüstri gereksinimlerini tam olarak karşılar:

• hata toleransı;
• ölçeklenebilirlik;
• çalışma koşullarına uyarlanabilirlik;
• enerji verimliliği;
• uygulanan sorunun özelliklerini dikkate alarak;
• ekonomik karlılık.

Kablosuz sensör ağ teknolojileri aşağıdaki endüstriyel otomasyon görevlerinde kullanılabilir:

• endüstriyel ekipmanın uzaktan kontrolü ve teşhisi;
• ekipman bakımı şu anki durum(güvenlik marjını tahmin etmek);
• üretim süreçlerinin izlenmesi;
• araştırma ve test için telemetri.

Diğer uygulamalar

Kablosuz algılayıcı ağların geleneksel kablolu ve kablosuz veri iletim sistemlerinden benzersiz özellikleri ve farklılıkları, kullanımlarını çok çeşitli alanlarda etkili kılmaktadır. Örneğin:

• güvenlik ve savunma:
  • insanların ve ekipmanın hareketi üzerinde kontrol;
  • para kaynağı operasyonel iletişim ve zeka;
  • çevre kontrolü ve uzaktan izleme;
  • kurtarma operasyonlarının yürütülmesinde yardım;
  • mülk ve değerli eşyaların izlenmesi;
  • güvenlik ve yangın alarmı;
• çevresel izleme:
  • kirlilik izleme;
  • Tarım;
• sağlık hizmeti:
  • hastaların fizyolojik durumunun izlenmesi;
  • sağlık personelinin konum kontrolü ve bildirimi.

Dağıtılmış sensör ağları

Kablosuz algılayıcı ağlar nelerdir?

Sensörler ve alınan cihaz

Kablosuz sensör ağları, adı verilen düğümlerden oluşturulur. zerrecikler (zerre) - bir frekansta radyo iletişimine sahip piller ve mikroçiplerle çalışan küçük bağımsız cihazlar - örneğin, 2,4 GHz. Özel yazılım, motların kendilerini dağıtılmış ağlar halinde organize etmelerine, birbirleriyle iletişim kurmalarına, mesafeleri genellikle 100 metreyi geçmeyen en yakın düğümlerle yoklama ve veri alışverişi yapmalarına olanak tanır.

İngiliz dili literatüründe böyle bir ağa denir kablosuz sensör ağı(WSN), farklı alanlardaki fiziksel veya çevresel koşulları ortaklaşa izlemek için sensörler kullanan, coğrafi olarak dağıtılmış otonom cihazlardan oluşan bir kablosuz ağdır.

Sıcaklık, ses, titreşim, basınç, nesnelerin veya havanın hareketi gibi parametreleri ölçebilirler. Kablosuz algılayıcı ağların gelişimi, başlangıçta savaş alanını izlemek gibi askeri görevlerle motive edildi. Kablosuz sensör ağları artık endüstriyel ve çevresel izleme, sağlık ve nesne hareketi kontrolü dahil olmak üzere sivil yaşamın birçok alanında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Uygulama alanı genişliyor.

Temel çalışma prensipleri

3 seviyeli ağ şeması. 1. seviye sensörler ve ağ geçidi. 2. seviye sunucu. 3. seviye ince istemci

Ağdaki her düğüm: mot bir radyo alıcı-vericisi veya başka bir kablosuz iletişim cihazı, küçük bir mikro denetleyici ve genellikle bir pil olan bir güç kaynağı ile donatılmış. Güneş panelleri veya diğer alternatif enerji kaynaklarının kullanımı mümkündür

Uzak öğelerden gelen veriler, bir radyo kanalı aracılığıyla düğümden düğüme en yakın olanlar arasında ağ üzerinden iletilir. Sonuç olarak, veri paketi en yakın cep telefonundan ağ geçidine iletilir. Ağ geçidi, kural olarak, sunucuya bir USB kablosuyla bağlanır. Sunucuda - toplanan veriler işlenir, saklanır ve WEB kabuğu aracılığıyla çok sayıda kullanıcıya erişilebilir.

Bir algılayıcı düğümün maliyeti, algılayıcı ağının boyutuna ve karmaşıklığına bağlı olarak yüzlerce dolardan birkaç kuruşa kadar değişir.

Donanım ve standartlar

Ağ geçidi (2 adet), bir USB kablosuyla dizüstü bilgisayara bağlı. Dizüstü bilgisayar UTP üzerinden İnternete bağlanır ve sunucu görevi görür

Radyo antenli sensörler

Kablosuz düğüm donanımı ve protokolleri ağ oluşturma düğümler arasında, otonom güç kaynakları ile uzun bir sistem ömrü sağlamak için enerji tüketimi için optimize edilmiştir. Çalışma moduna bağlı olarak, düğümün ömrü birkaç yıla ulaşabilir.

Şu anda kablosuz sensör ağları için bir dizi standart onaylanmıştır veya geliştirilmektedir. ZigBee, endüstriyel kontrol, gömülü algılama, tıbbi veri toplama, bina otomasyonu gibi şeylerin kullanımı için tasarlanmış bir standarttır. Zigbee'nin gelişimi, büyük bir sanayi şirketleri konsorsiyumu tarafından kolaylaştırılmaktadır.

• WirelessHART, endüstriyel otomasyon için HART protokolünün bir uzantısıdır. WirelessHART, Haziran 2007'de HART Communications Foundation tarafından onaylanan HART 7 spesifikasyonunun bir parçası olarak ortak HART protokolüne eklendi.
• 6lowpan, ağ katmanı için belirtilen standarttır, ancak henüz benimsenmemiştir.
• ISA100, WSN teknolojisine girme girişiminde bulunan başka bir çalışmadır, ancak geri bildirim kendi alanlarında kontrol. ANSI standartlarına dayalı ISA100 uygulamasının 2008 yılı sonuna kadar tamamlanması planlanıyor.

WirelessHART, ISA100, ZigBee ve hepsi aynı standardı temel alır: IEEE 802.15.4 - 2005.

Kablosuz Sensör Ağı Yazılımı

İşletim sistemi

Kablosuz sensör ağları için işletim sistemleri, sınırlı kaynaklar nedeniyle genel işletim sistemlerinden daha az karmaşıktır. donanım sensör ağı. Bu nedenle, işletim sistemi kullanıcı arayüzleri için desteği etkinleştirmeye gerek yoktur.

Kablosuz sensör ağ donanımı, geleneksel gömülü sistemlerden farklı değildir ve bu nedenle sensör ağları için gömülü bir işletim sistemi kullanılabilir.

Görselleştirme Uygulamaları

Ölçüm sonuçları görselleştirme ve rapor oluşturma yazılımı MoteView v1.1

Kablosuz sensör ağlarından gelen veriler tipik olarak merkezi bir baz istasyonunda dijital veriler olarak depolanır. çok var standart programlar TosGUI MonSense, GNS gibi, bu büyük miktarda veriyi görüntülemeyi kolaylaştırır. Ek olarak, Açık Konsorsiyum (OGC), kodlama meta verilerinin birlikte çalışabilirliği ve birlikte çalışabilirliği için standartları belirleyerek, herkesin Web Tarayıcısı aracılığıyla bir kablosuz sensör ağını gerçek zamanlı olarak izlemesine veya kontrol etmesine olanak tanır.

Kablosuz algılayıcı ağ düğümlerinden gelen verilerle çalışmak için, verilerin görüntülenmesini ve değerlendirilmesini kolaylaştıran programlar kullanılmaktadır. Bu programlardan biri MoteView. Bu program, verileri gerçek zamanlı olarak görüntülemenize ve analiz etmenize, her türlü grafiği oluşturmanıza, çeşitli bölümlerde raporlar yayınlamanıza olanak tanır.

kullanmanın faydaları

• Güç kaynağı ve veri iletimi için kablo döşemeye gerek yok;
• Düşük bileşen maliyeti, sistemin kurulumu, devreye alınması ve bakımı;
• Hızlı ve kolay ağ dağıtımı;
• Tek tek düğümlerin veya bileşenlerin arızalanması durumunda tüm sistemin bir bütün olarak güvenilirliği ve hata toleransı;
• Tesislerin çalışmasına müdahale etmeden herhangi bir tesiste ağı uygulama ve değiştirme yeteneği
• Tüm sistemin bir bütün olarak hızlı ve gerekirse gizli kurulum imkanı.

Her sensör bir bira kapağı büyüklüğündedir (ancak gelecekte yüzlerce kat küçültülebilir) ve bir işlemci, bellek ve radyo vericisi içerir. Bu tür kapaklar herhangi bir bölgeye dağılabilir ve birbirleriyle iletişim kurarlar, tek bir kablosuz ağ oluştururlar ve en yakın bilgisayara veri iletmeye başlarlar.

Kablosuz bir ağa bağlanan sensörler, çevresel parametreleri takip edebilir: hareket, ışık, sıcaklık, basınç, nem vb. İzleme çok geniş bir alanda gerçekleştirilebilir, çünkü sensörler komşudan komşuya bir zincir boyunca bilgi iletir. Teknoloji, pilleri değiştirmeden yıllarca (hatta onlarca yıl) çalışmalarına izin verir. Sensör ağları bir bilgisayar için evrensel duyulardır ve dünyadaki sensörlerle donatılmış tüm fiziksel nesneler bir bilgisayar tarafından tanınabilir. Gelecekte, milyarlarca sensörün her biri bir IP adresi alacak ve hatta Küresel Sensör Ağı gibi bir şey oluşturabilirler. Şimdiye kadar, sensör ağlarının yetenekleriyle yalnızca askeriye ve endüstri ilgilendi. Sensör ağı pazarını araştırma konusunda uzmanlaşmış ON World'ün en son raporuna göre pazar bu yıl patlama yaşıyor. Bu yılki bir diğer önemli nokta, dünyanın ilk tek çipli ZigBee sisteminin (Ember tarafından üretilen) piyasaya sürülmesiydi. ON World tarafından araştırılan büyük ABD sanayi şirketleri arasında, yaklaşık %29'u halihazırda sensör ağları kullanıyor ve bir diğer %40'ı da bunları 18 ay içinde devreye almayı planlıyor. Amerika'da, sensör ağlarının oluşturulması ve bakımıyla uğraşan yüzden fazla ticari firma ortaya çıktı.

Bu yılın sonunda, gezegendeki sensör sayısı 1 milyonu aşacak.Artık sadece ağların sayısı değil, boyutları da artıyor. İlk kez, 1000'den fazla düğümden oluşan birkaç ağ oluşturuldu ve 25 bin düğüm için bir tane de dahil olmak üzere başarıyla çalıştırıldı.

Kaynak: Web PLANET

Uygulamalar

WSN uygulamaları çok ve çeşitlidir. Kablolu sensörler kullanılarak izlenmesi zor veya pahalı olan verileri izlemek için ticari ve endüstriyel sistemlerde kullanılırlar. WSN'ler, güç kaynaklarını değiştirmeye gerek kalmadan uzun yıllar kalabilecekleri (çevresel izleme) ulaşılması zor alanlarda kullanılabilir. Korunan nesneyi ihlal edenlerin eylemlerini kontrol edebilirler.

WSN ayrıca izleme, izleme ve kontrol için kullanılır. İşte bazı uygulamalar:

• Büyük ormanlardan ve turbalıklardan duman izleme ve yangın algılama
• Rusya Federasyonu'nun kurucu kuruluşlarının Yönetim Kriz Merkezleri için ek bilgi kaynağı
• Potansiyel gerilimin sismik tespiti
• askeri gözlemler
• Güvenlik sistemlerinde nesne hareketinin akustik tespiti.
• Alan ve çevrenin çevresel olarak izlenmesi
• Endüstriyel süreçlerin izlenmesi, MES sistemlerinde kullanılması
• Tıbbi izleme

Bina otomasyonu:

	bir mikro iklimi korumak için sıcaklığın, hava akışının, insanların varlığının ve ekipmanın kontrolünün izlenmesi;
	aydınlatma kontrolü;
	güç kaynağı yönetimi;
	gaz, su, elektrik vb. için apartman sayaçlarından okumaların toplanması;
	güvenlik ve yangın alarmı;
	bina ve yapıların taşıyıcı yapılarının durumunun izlenmesi.

Endüstriyel Otomasyon:

	endüstriyel ekipmanın uzaktan kontrolü ve teşhisi;
	ekipmanın mevcut duruma göre bakımı (güvenlik marjının tahmin edilmesi);
	üretim süreçlerinin izlenmesi;