• Актуальність WSN
• Постановка завдання
• Технологія WSN
• Топологія
• Емулятори
• Емулятор TOSSIM
• Метод візуалізації графа за допомогою фізичних аналогій.
• Специфікація модуля візуалізації
• Висновок
• Література

Бездротові сенсорні мережі у відмінності від звичайних обчислювальних (провідних і бездротових) мереж мають масу переваг:

• повна відсутність яких б то ні було кабелів — електричних, комунікаційних і т.д.;
• можливість компактного розміщення або навіть інтеграції марнотратів в об'єкти навколишнього середовища;
• надійність як окремих елементів, так і, що більш важливо, усієї системи в цілому; у ряді випадків мережа може функціонувати при справності тільки 10-20% сенсорів (марнотратів);
• відсутність необхідності в персоналі для монтажу й технічного обслуговування.

Сенсорні мережі можуть бути використані в багатьох прикладних областях. Бездротові сенсорні мережі — це нова перспективна технологія, і всі пов'язані з нею проекти в основному перебувають у стадії розробки. Надамо основні області застосування даної технології:

• системи оборони й забезпечення безпеки;
• контроль навколишнього середовища;
• моніторинг промислового встаткування;
• охоронні системи;
• моніторинг стану сільськогосподарських угідь;
• керування енергопостачанням;
• контроль систем вентиляції, кондиціювання й освітлення;
• пожежна сигналізація;
• складський облік;
• спостереження за транспортуванням вантажів;

Реальний приклад використання WSN - бездротова система моніторингу стану будівельних конструкцій, розроблена російською компанією methlogic в 2010 році. Система забезпечує збір, реєстрацію й відображення показань від безлічі датчиків, установлених на різних елементах конструкцій для контролю їх напружено-деформованого стану й структурної цілісності.

З метою економії засобів на доробку й виправлення вже впроваджених бездротових сенсорних мереж їх проробляють з використанням емулятора, для визначення проблем, вузьких місць. Для значного полегшення аналізу майбутньої системи інформацію емуляції роботи мережі необхідно визуалізувати. Завданням роботи є створення програми, яка на базі емулятора TOSSIM змоделює бездротову сенсорну мережу, відобразить граф мережі і її роботу у реальному часі з дотриманням норм і критеріїв. Структурна схема візуалізатора зображена на мал. 1.

Рисунок 1 - Структурна схема візуалізатора

Бездротові сенсорні мережі (wireless sensor networks) складаються з мініатюрних обчислювально-комунікаційних обладнань — мотів ( від англ. motes — порошини), або сенсорів. Мот являє собою плату розміром зазвичай не більш одного кубічного дюйма. На платі розміщаються процесор, пам'ять — флэш і оперативна, цифроаналогові й аналого-цифрові перетворювачі, радіочастотний прийомопередавач, джерело живлення й датчики, які підключаються через цифрові й аналогові конектори (частіше інших використовуються датчики температури, тиску, вологості, освітленості, вібрації). Набір застосовуваних датчиків залежить від функцій, що виконуються бездротовими сенсорними мережами. Живлення мота здійснюється від невеликої батареї. Моти використовуються тільки для збору, первинної обробки й передачі сенсорних даних. Головна функціональна обробка даних, що збираються мотами, здійснюється на вузлі, або шлюзі, який являє собою потужний комп'ютер. Для одержання даних вузол оснащується антеною. Але доступними для вузла виявляються тільки моти, що перебувають досить близько від нього; інакше кажучи, вузол не одержує інформацію безпосередньо від кожного мота. Проблема одержання сенсорної інформації, що збирається мотами, вирішується в такий спосіб. Моти можуть обмінюватися між собою інформацією за допомогою прийомопередавачів, що працюють у радіодіапазоні. Це, по-перше, сенсорна інформація, зчитувана з датчиків, а по-друге, інформація про стан обладнань і результати процесу передачі даних. Інформація передається від одних мотів іншим за ланцюжком, і в підсумку найближчі до шлюзу моти передають йому всю акумульовану інформацію. Якщо частина мотів виходить із ладу, робота сенсорної мережі після реконфігураціі повинна тривати. Але в цьому випадку, природно, зменшується число джерел інформації. Для виконання функцій на кожний мот встановлюється спеціалізована операційна система. У цей час використовується ОС Tinyos, розроблена в Університеті Берклі.

Протокол Zigbee був спеціально розроблений для мінімізації споживання електроенергії мотами. Тому на мотах проводиться тільки первинна обробка, орієнтована на зменшення обсягу переданої інформації.

Для вироблення стандарту, у тому числі стека протоколів для бездротових сенсорних мереж, Zigbee використовував розроблений раніше стандарт IEEE 802.15.4, який описує фізичний рівень і рівень доступу до середовища для бездротових мереж передачі даних на невеликі відстані (до 75 м) з низьким енергоспоживанням, але з високим ступенем надійності. Деякі характеристики радіопередачі даних для стандарту IEEE 802.15.4 наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 - Характеристики радіопередачі даних для IEEE 802.15.4

Смуга частот, МГц	чи потрібна ліцензія	Географічний регіон	Швидкість, Кбіт/с	Число каналів
868,3	Немає	Європа	20	1
902-928	Немає	Америка	40	1-10
868,3	Немає	Увесь світ	250	11-26

На початку роботи відбувається ідентифікація всіх мотів, а потім вже формується схема маршрутизації. Взагалі всі моти в стандарті Zigbee за рівнем складності розбиваються на три класи. Перший і вищий з них — координатор — управляє роботою мережі, зберігає дані про її топологію й слугує шлюзом для передачі даних, що збираються всією бездротовою сенсорною мережею, для подальшої обробки. У сенсорних мережах, як правило, використовується один координатор. До наступного класу належать моти маршрутизатори, вони приймають і передають дані, а також можуть визначати напрямок передачі. І нарешті, найпростіший мот може лише передавати дані найближчому маршрутизатору. Таким чином, виходить, що стандарт Zigbee підтримує мережа із кластерною архітектурою. Кластер утворюють маршрутизатор і найпростіші моти, у яких він запитує сенсорні дані. Маршрутизатори кластерів ретранслюють дані один одному, і в остаточному підсумку дані передаються координаторові. Координатор звичайно має зв'язок з Ip-Мережею, куди й направляються дані для остаточної обробки. На сучасному етапі розвитку в протоколі Zigbee окремо моти-маршрутизатори й найпростіші моти в більшості випадків об'єднані в один, який виконує одночасно обидві функції. Приклад такої топології зображено на малюнку 2.

Рисунок 2 - Топологія мережі WSN

Існує кілька емуляторів, за допомогою яких можна моделювати бездротові сенсорні мережі. Найбільш відомими є NS2 і TOSSIM. Розглянемо ключові особливості кожного з них.

NS2 є універсальним і може бути використаний для моделювання як провідних, так і бездротових мереж. Він моделює роботу на мережному рівні й не може моделювати поведінку додатків, тому не зовсім підходить для сенсорних мереж.

У теж час TOSSIM емітує роботу мережі на рівні бітів і безпосередньо пов'язаний з Tinyos. TOSSIM був розроблений спеціально для моделюванні тільки бездротових сенсорних мереж

TOSSIM і NS2 фокусуються на різних аспектах роботи мережі й мають різну архітектуру. Найбільш придатним для реалізації поставленого завдання є TOSSIM, тому його розглянемо докладніше.

Для розробки й тестування роботи мереж використовується емулятор TOSSIM. Емулятор дозволяє виконувати той же код, що й реальні сенсорні вузли.

TOSSIM використовує дуже просту, але неймовірно потужну модель бездротової мережі. Мережа представляється у вигляді графа, у якому кожна вершина — бездротової вузол і кожній дузі між вузлами поставлене у відповідність деяке значення — імовірність помилки. Кожний вузол має локальну змінну, куди заноситься те, що ухвалюється їм по радіоканалу.

Tinyos має компонентну архітектуру, яка при правильному компонуванні забезпечує мінімальний розмір коду, що дуже важливо для сенсорних устроїв, які мають строгі обмеження за обсягом пам'яті. Бібліотека компонентів Tinyos включає мережеві протоколи, драйвери сенсорів і утиліти одержання й збору інформації, які можуть бути вдосконалені в клієнтських додатках. Реалізована в Tinyos модель подій, що дає можливість управляти живленням на низькому рівні, що дозволяє заощаджувати енергоспоживання. Tinyos перенесена більш ніж на дюжину апаратних платформ і численні сенсорні обладнання.

Як і в більшості інших ОС, в Tinyos основним керуючим механізмом є подія. Подія сигналізує про одержання показань сенсора, про вступ пакета даних по бездротовому зв'язку, про спрацьовування таймера або про завершення обчислень. Обробка апаратної події лежить в основі всіх операцій в Tinyos. Таким чином, основне завдання TOSSIM — емуляція подій для БСМ, моти якої працюють під керуванням Tinyos. TOSSIM встановлюється на звичайний ПК разом з набором інструментальних засобів, необхідних для створення, компіляції, установки й налагодження додатків для БСМ. Робота із цими інструментами здійснюється за допомогою командного інтерфейсу, характерного для ОС UNIX.

Загальні характеристики емулятора TOSSIM:

• масштабованість — емулятор може моделювати роботу як окремих мотів, так і величезних мереж, що полягають із декількох тисяч вузлів;
• повнота — емулятор у стані моделювати різні схеми взаємодії елементів БСМ, причому не тільки алгоритми й мережні протоколи, але й мінливу структуру сенсорної мережі;
• точність — емулятор може представляти поведінку мережі з необхідною точністю. Визначення точного часу настання подій важливо як для аналізу, так і для тестування додатків для БСМ;
• вірогідність — емулятор реалізує адекватний перехід від моделюемого до реального середовища виконання додатка, надаючи розробнику можливість тестувати код, який призначений для реального встаткування.

До складу емулятора TOSSIM входять наступні елементи:

• засіб вбудовування самого тестуемого додатка Tinyos у структуру емулятора;
• черга подій;
• набір програмних компонентів, які заміняють відповідні апаратні компоненти реальних марнотратів;
• механізми опису моделей радіоканалів і аналого-цифрових перетворювачів (ADC);
• засобу зв'язку, що надають можливість зовнішнім програмам взаємодіяти з емулятором.

Структуру мережі можна представити у вигляді ненаправленого графа, до того ж розташування мотів таке, що мережа має мінімальна кількість перетинань. Його можна визуалізувати за допомогою алгоритму малювання графів на основі фізичних аналогій. Головною перевагою такого методу малювання графа те, що він дає в підсумку гарне відображення графа. У більшості випадків він будує симетричні зображення графів.

Метод полягає в тому, що граф розглядається як система тіл із силами взаємодії між ними. Вершини графа вважають тілами, а ребра пружинами. У такому випадку алгоритм знаходить конфігурацію тіл з локальною мінімальною енергією – так звану конфігурацію рівноваги сил, у якій кожне тіло займає таку позицію, що сума всіх сил, прикладених до тіла, дорівнює нулю. Ідея схематично зображено на малюнку 3.

Малюнок 3 - Ідея методу фізичних аналогій

Модуль візуалізації розробляється на мові Java і буде сполучений із програмою емуляції TOSSIM. При запуску емуляції програма буде по відомій топології створювати граф мережі й визуалізувати його. У процесі роботи емулятора будуть перехоплюватися повідомлення, що генеруються TOSSIM а також прослуховуватися порти, які використовуються для емуляції радіопередачі пакетів. На підставі цих даних буде відображатися на графові переміщення пакетів і інформування про події, що відбуваються на кожному марнотратові. Також інформація про події буде виводитися в текстовому форматі з можливістю фільтра по категорії, що цікавить.

Перспективність розвитку бездротових сенсорних мереж очевидна. Вже зараз у багатьох галузях починають використовувати WSN. Це і моніторинг екології, авто трафіку, моніторинг погоди. З вдосконаленням технологій і ускладнення різних виробництв потреба в бездротових сенсорних мережах буде тільки рости. Але перш ніж впроваджувати мережі їх необхідно ретельно протестувати, тому й потрібен хороший емулятор з чіткою візуалізацією роботи майбутньої мережі.

1. Kufmann M., Wagner D. Drawing Graphs. Methods and Models // Berlin Heidelberg - 2001, 325 c.
2. Касьянов В.Н., Евстигнеев В.А. Графы в программировании: обработка визуализация, применение // С-П. - 2003, 1104 с.
3. Levis P. TOSSIM: Accurate and Scalable Simulation of Entire TinyOS Applications // 2009, 23 с.
4. Maneesh Varshney. Detailed Models for Sensor Network Simulations and their Impact on Network Performance // L-A. – 2006, 10 c
5. Levis P. TOSSIM System Description // Los Angeles – 2009, 43 с.
6. Karl H. and Willig A. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. // John Wiley & Sons - 2005
7. Сергиевский М. Беспроводные сенсорные сети. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.compress.ru/Article.aspx?id=17950
8. Карабуто А. Сенсорные сети. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://offline.computerra.ru/2004/553/35459/
9. Баскаков С. и Оганов В. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogic. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.meshlogic.ru/data/Meshlogic.pdf
10. Официальный сайт TinyOS. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.tinyos.net/special/mission

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2010 Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.