• Актуальность WSN
• Постановка задачи
• Технология WSN
• Топология
• Эмуляторы
• Эмулятор TOSSIM
• Метод визуализации графа с помощью физических аналогий.
• Спецификация модуля визуализации
• Заключение
• Литература

Беспроводные сенсорные сети в отличии от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей имеют массу преимуществ:

• полное отсутствие каких бы то ни было кабелей — электрических, коммуникационных и т.д.;
• возможность компактного размещения или даже интеграции мотов в объекты окружающей среды;
• надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (мотов);
• отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.

Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Беспроводные сенсорные сети — это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:

• системы обороны и обеспечение безопасности;
• контроль окружающей среды;
• мониторинг промышленного оборудования;
• охранные системы;
• мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
• управление энергоснабжением;
• контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;
• пожарная сигнализация;
• складской учет;
• слежение за транспортировкой грузов;
• мониторинг физиологического состояния человека;
• контроль персонала.

Реальный пример использования WSN - беспроводная система мониторинга состояния строительных конструкций, разработанная российской компанией methlogic в 2010 году. Система обеспечивает сбор, регистрацию и отображение показаний от множества датчиков, установленных на различных элементах конструкций для контроля их напряженно-деформированного состояния и структурной целостности.

В целях экономии средств на доработку и исправления уже внедренных беспроводных сенсорных сетей их прорабатываю с использованием эмулятора, для определения проблем, узких мест. Для значительного облегчения анализа будущей системы информацию эмуляции работы сети необходимо визуализировать. Задачей работы является создание программы, которая на базе эмулятора TOSSIM смоделирует беспроводную сенсорную сеть, отобразила граф сети и ее работу в реальном времени с соблюдением норм и критериев. Структурная схема визуализатора изображена на рис. 1.

Рисунок 1 - Структурная схема визуализатора

Технология WSN Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств — мотов (от англ. motes — пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память — флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики, которые подключаются через цифровые и аналоговые коннекторы (чаще других используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации). Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных. Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой мощный компьютер.

Для получения данные узел оснащается антенной. Но доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации. Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в используется ОС TinyOS, разработанная в Университете Беркли.

Протокол ZigBee был специально разработан для минимизации потребления электроэнергии мотами. Поэтому на мотах производится только первичная обработка, ориентированная на уменьшение объема передаваемой информации.

Для выработки стандарта, в том числе стека протоколов для беспроводных сенсорных сетей, ZigBee использовал разработанный ранее стандарт IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных на небольшие расстояния (до 75 м) с низким энергопотреблением, но с высокой степенью надежности. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены в таблице 1.

Полоса частот, МГц	Нужна ли лицензия	Географический регион	Скорость передачи данных, Кбит/с	Число каналов
868,3	Нет	Европа	20	1
902-928	Нет	Америка	40	1-10
868,3	Нет	Весь мир	250	11-26

В начале работы происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты в стандарте ZigBee по уровню сложности разбиваются на три класса. Первый и высший из них — координатор — управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях, как правило, используется один координатор. К следующему классу относятся моты маршрутизаторы, они принимают и передают данные, а также могут определять направление передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой. Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки. На современном этапе развития в протоколе ZigBee отдельно моты-маршрутизаторы и простейшие моты в большинстве случаев объединены в один, который выполняет одновременно обе функции. Пример такой топологии изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Топология сети WSN

Существует несколько эмуляторов, с помощью которых можно моделировать беспроводные сенсорные сети. Наиболее известными являются NS2 и TOSSIM. Рассмотрим ключевые особенности каждого из них.

NS2 является универсальным и может быть использован для моделирования как проводных, так и беспроводных сетей. Он моделирует работу на сетевом уровне и не может моделирует поведение приложений, поэтому не совсем подходит для сенсорных сетей.

В тоже время TOSSIM эмитирует работу сети на уровне битов и непосредственно связан с TinyOS. TOSSIM был разработан специально для моделировании только беспроводных сенсорных сетей.

TOSSIM и NS2 фокусируются на различных аспектах работы сети и имеют различную архитектуру. Наиболее подходящим для реализации поставленной задачи является TOSSIM, поэтому его рассмотрим подробнее.

Для разработки и тестирования работы сетей используется эмулятор TOSSIM. Эмулятор позволяет выполнять тот же код, что и реальные сенсорные узлы.

TOSSIM использует очень простую, но невероятно мощную модель беспроводной сети. Сеть представляется в виде графа, в котором каждая вершина — беспроводной узел и каждой дуге между узлами поставлено в соответствие некоторое значение — вероятность ошибки. Каждый узел имеет локальную переменную, куда заносится то, что принимается им по радиоканалу.

TinyOS имеет компонентную архитектуру, при правильной компоновке обеспечивающую минимальный размер кода, что очень важно для сенсорных устройств, которые имеют строгие ограничения по объему памяти. Библиотека компонентов TinyOS включает сетевые протоколы, драйверы сенсоров и утилиты получения и сбора информации, которые могут быть усовершенствованы в клиентских приложениях. Реализованная в TinyOS событийная модель дает возможность управлять питанием на низком уровне, что позволяет экономить энергопотреб¬ление. TinyOS перенесена более чем на дюжину аппаратных платформ и многочисленные сенсорные устройства.

Как и в большинстве других ОС, в TinyOS основным управляющим механизмом является событие. Событие сигнализирует о получении показаний сенсора, о поступлении пакета данных по беспроводной связи, о срабатывании таймера или о завершении вычислений. Обработка аппаратного события лежит в основе всех операций в TinyOS. Таким образом, основная задача TOSSIM — эмуляция событий для БСС, моты которой работают под управлением TinyOS. TOSSIM устанавливается на обычный ПК вместе с набором инструментальных средств, необходимых для создания, компиляции, установки и отладки приложений для БСС. Работа с этими инструментами осуществляется с помощью командного интерфейса, характерного для ОС UNIX.

Общие характеристики эмулятора TOSSIM:

• масштабируемость — эмулятор может моделировать работу как отдельных мотов, так и огромных сетей, состоящих из нескольких тысяч узлов;
• полнота — эмулятор в состоянии моделировать различные схемы взаимодействия элементов БСС, причем не только алгоритмы и сетевые протоколы, но и изменяющуюся структуру сенсорной сети;
• точность — эмулятор может представлять поведение сети с необходимой точностью. Определение точного времени наступления событий важно как для анализа, так и для тестирования приложений для БСС;
• достоверность — эмулятор реализует адекватный переход от моделируемой к реальной среде выполнения приложения, предоставляя разработчику возможность тестировать код, который предназначен для реального оборудования.

В состав эмулятора TOSSIM входят следующие элементы:

• средство встраивания самого тестируемого приложения TinyOS в структуру эмулятора;
• очередь событий;
• набор программных компонентов, которые заменяют соответствующие аппаратные компоненты реальных мотов;
• механизмы описания моделей радиоканалов и аналого-цифровых преобразователей (ADC);
• средства связи, предоставляющие возможность внешним программам взаимодействовать с эмулятором.

Структура сети можно представить в виде ненаправленного графа, к тому же расположение мотов таково, что сеть имеет минимально количество пересечений. Его можно визуализировать с помощью алгоритма рисования графов на основе физических аналогий. Главным преимуществом такого метода рисования графа то, что он дает в итоге хорошее отображение графа. В большинстве случаев он строит симметричные изображения графов.

Метод заключается в том, что граф рассматривается как система тел с силами взаимодействия между ними. Вершины графа считают телами, а ребра пружинами. В таком случае алгоритм находит конфигурацию тел с локальной минимальной энергией – так называемую конфигурацию равновесия сил, в которой каждое тело занимает такую позицию, что сумма всех сил, приложенных к телу, равна нулю. Идея схематически изображена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема работы алгоритма

Модуль визуализации разрабаываеся на языке Java и будет сопряжен с программой эмуляции TOSSIM. При запуске эмуляции программа будет по известной топологии создавать граф сети и визуализировать его. В процессе работы эмулятора будут перехватываться сообщения генерируемые TOSSIM а также прослушиваться порты, которые используются для эмуляции радиопередачи пакетов. На основании этих данных будет отображаться на графе перемещение пакетов и информирование о событиях происходящих на каждом моте. Также информация о события будет выводиться в текстовом формате с возможностью фильтра по интересующей категории.

Перспективность развития беспроводных сенсорных сетей очевидна. Уже сейчас во многих отраслях начинают использовать WSN. Это и мониторинг экологии, авто трафика, мониторинг погоды. С совершенствованием технологий и осложнения различных производств потребность в беспроводных сенсорных сетях будет только расти. Но прежде чем внедрять сети их необходимо тщательно протестировать, поэтому и нужен хороший эмулятор с четкой визуализацией работы будущей сети.

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 написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.