Библиотека - Р.М.Алгулиев, д.т.н., Т.X.Фаталиев, Б.С.Агаев, Т.С.Алиев - Сенсорные сети: состояние, решения и перспективы

Сенсорные сети: состояние, решения и перспективы

Авторы: Р.М.Алгулиев, д.т.н., Т.X.Фаталиев, Б.С.Агаев, Т.С.Алиев

Описание: Проведен анализ состояния, проблем и путей создания и применения сенсорных сетей, считающихся на сегоднящий день одной из актуальных и перспективных технологий. Дана обобщенная структурная схема сенсорных сетей, приведена классификация областей применения и показаны перспективы развития.

Источник: Системы подвижной радиосвязи

Многие века человечество старалось собирать и управлять информацией о процессах, происходящих в обществе и природе. Ранее это проводилось примитивными способами и занимало много времени. С развитием науки и техники уменьшилось время изучения анализа процессов и принятия управленческих решений по полученным результатам. Начиная с середины XX века быстрое развитие компьютерных, затем информационных технологий дало возможность человеку управлять не только общественными, но и природными процессами. Такие природные процессы, как резкое изменение климата, землетрясения, загрязнение окружающей среды, радиационная опасность и др., вынудили человека управлять природными процессами, не ограничиваясь управлением только общественными процессами. Все это приводило к появлению новых технологий, к числу которых относятся сенсорные сети (СС).

Ключевым элементом СС являются сенсоры, которые регистрируют изменения определен-ных параметров, например температуры, давле-ния влажности воздуха, звука, магнитных полей, радиации и т. п. Применявшиеся в про мышленности первые сенсоры из-за их больших размеров были малоэффективными. Успехи микроэлектроники позволяют в настоящее время интегрировать на одном кристалле разнородные технологии [1]. В результате стала возможной интеграция микропроцессора с радиомодемом, что обеспечивает технологическую возможность реализации на одном кристалле разного рода сетевых протоколов.

Малые размеры элементов цифровой радиосвязи и наличие возможностей их сетевого взаимодействия привели к появлению целого спектра новых направлений применения средств управления и наблюдения за пространственно распределенными объектами. Эти дешевые, маломощные коммуникационные устройства располагаются в непосредственной близости к местам протекания физических процессов, собирают и обрабатывают информацию, обмениваются ею и координируют свои действия. Если сочетать эти возможности с технологиями Internet, то можно получить инструмент, обеспечивающий точное представление о событиях реального мира.

Сенсорная сеть (Sensor Network) является сегодня устоявшимся термином, обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных элементов сеть миниатюрных электронных устройств, обменивающихся информацией по беспроводной связи, не обслуживаемых и не требующих специальной установки.

Существующие проблемы

Как и в других начинаниях, здесь тоже есть свои проблемы. Чтобы понять эти проблемы, надо для начала четко сформулировать основные критерии СС будущего [2]:

это должна быть беспроводная сеть, состоящая из тысяч сенсоров (узлов сети) с любой зоной покрытия и выполняющая любые возложенные на нее задачи;
входящие в сеть сенсоры должны самоорганизовываться в беспроводную сеть, способную передавать произвольную информацию между двумя любыми сенсорами сети, причем с требуемой скоростью передачи; потреблять ничтожно малое количество энергии, чтобы работать на протяжении нескольких лет без замены батареек; очень быстро реагировать; быть очень незаметными и высоконадежными в эксплуатации; иметь низкую стоимость.

Cуществующие кспериментальные СС лишь отчасти удовлетворяют изложенным выше требованиям. Так, на сегодняшний день сети состоят только из сотен сенсоров с ограниченной зоной покрытия и выполняют лишь четко определенные задачи. Они способны передавать лишь определенный тип информации от одного датчика к другому и только в заданной полосе пропускания.

Потребление энергии также нельзя назвать малым — заряда батареи хватает всего на несколько дней. К сожалению, технологии энергопитания и хранения данных развиваются не так быстро. Кроме совершенствования источников энергопитания и сокращения энергопотребления аппаратуры исследования в этой области включает сбор энергии из окружающей среды, разработку более эффективных алгоритмов управления энергопотреблением и методов оптимизации использования батарей. Особо важны исследования методов определения степени заряженности батарей или их оставшейся энергии. В СС, кроме того, для продления времени жизни сети можно применять протоколы, позволяющие использовать энергию, оставшуюся в узлах, для вычисления оптимальных коммуникационных маршрутов.

Существующие сенсорные датчики пока еще не достаточно инертны, а о высокой надежности и незаметности их в эксплуатации (хотя бы из-за размеров) и речь не идет. Ну и, конечно же, такие сенсоры стоят достаточно дорого, так что сеть, состоящая из сотни сенсоров, обходится недешево..

Состояние решения проблем и структура сенсорных сетей

из передовых компьютерных сетевых технологий, которая может привести к формированию оцениваемого в миллиарды долларов. Разработка технологии первоначально проводилась несолькими университетами. Самыми успешными оказались исследования профессора Университета в Беркли штата Калифорния Кристофера Пистера, привлекшие внимание DARPA (Управления перспективных разработок МО) [3]. Идея сетей с уникальными свойствами и датчиками вызвала интерес компаний, входящих в альянс ZigBee- консорциума, образованного фирмами Ember, Freescale Semiconductor, Honeywell, Invensys, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips Electronics и Samsung в целях реализации на основе открытого стандарта беспроводных сетей мониторинга и управления с малой потребляемой мощностью.

В действительности разрабатывать и производить сенсоры для каждой конкретной сети — занятие слишком дорогое. Решение этой и похожих проблем хорошо известно. Как и для любой другой сетевой технологии, оно заключается в стандартизации. В качестве стандарта беспро- водных СС разработан стандарт IEEE 802.15/ (ZigBee) [4]. Этот стандарт ориентирован главным образом на использование в качестве средства связи между автономными приборами и оборудованием. Стандарт IEEE 802.15.4 определяет спецификации физического слоя (Physicc layer protocol — PHY) и протокол управление доступом (Media Access Control — MAC), предлагая поддержку различных топологий сетей.

Схемы сетевой маршрутизации должны обеспечивать сохранение энергии и кратчайшие задержки, укладывающиеся в гарантированный временной интервал, а наличие нескольких маршрутов к каждому узлу в сетях ZigBee позволит исключить возможность сбоя в одной точке Ключевые функции PHY включают в себя контроль за энергией и качеством звеньев, а также оценку каналов для более успешного взаимодействия с сетями других беспроводных операторов. MAC определяет автоматическое подтверждение получения пакетов, обеспечивает возможность передачи данных в определенные временные интервалы и поддерживает 128-битные функции безопасности AES [5]. Если в пределах досягаемости ZigBee-устройств окажется оборудование Wi-Fi или Bluetooth, их канал могут быть использованы как туннель для трафика ZigBee.

Стандарт IEEE 802.15.4 предусматривает небольшую дальность действия (около 10 м) и пропускную способность канала до 250 кбит/с. Передача на этой скорости ведется в диапазоне 2,4 ГГц. Небольшая мощность и скорость обусловлены малыми энергоресурсами связываемых устройств. Доступны также диапазоны 858 МГц (20 кбит/с) и 902-928 МГц (40 кбит/с). Данный стандарт, активно продвигаемой организацией Альянс ZigBee, заполнит вакуум в спектре беспроводных сетевых технологий, поскольку он предлагает разработчикам возможность создавать недорогие продукты с очень низким потреблением мощности и чрезвычайно гибкими функциями поддержки беспроводных сетей. Говоря о прграммном обеспечении СС, можно назвать два продукта — операционную систему TinyOS и базу данных TinyDB, результат совместного проекта корпорации Intel и Университета Беркли[6]. TinyOS — это операционная система с открытым кодом, которая помимо всего прочего позволяет датчикам и СС генерировать потоки обобщенной информации в соответствии с различными схемами классификации данных. Тонкая настройка программного обеспечения позволит исключить передачу больших потоков необработанных данных и ограничиться доставкой обобщенной информации, например содержащий сигналы тревоги и предупреждения. Это, в свою очередь, будет способствовать существенной экономии энергии. Ряд исследовательских центров уже разрабатывает энергосберегающие алгоритмы информационных запросов к датчикам, регламентирующие сбор и передачу данных в зависимости от степени их полезности.

Исследовательская лаборатория корпорации Intel в калифорнийском Университете в Беркли(США) своего рода центром исследования СС, координирующим усилия академического сообщества и индустрии. Свою главную цель лаборатория видит в создании упомянутой выше беспроводной интегрированной вычислительной платформы- сенсора с низким энергопотреблением и ведет работу по трем основным направлениям: разработка гибкой и открытой операционный системы; создание сетевых технологий, обеспечивающих самоорганизацию сетей из сенсоров; разработка востребованных приложений для ad hoc-сетей. Перевод словосочетания ad hoc — специальный, созданный для данной цели — довольно точно отражает суть СС, которые создаются каждый раз заново для решения конкретных задач и мгновенно после их выполнения распадаются на отдельные элементы, готовые образовать новые сети, как только в том возникнет необходимость [7].

Специалисты лаборатории уже располагают прототипом такой платформы, которая предоставляет исследователям возможность поиска эффективных путей использования ad hoc-сенсоров. Пока еще достаточно большие устройства — площадь сенсора-прототипа составляет 5-6 см2, о исследователи из Беркли надеются, что в ближайшем будущем им удастся разместить сенсор в объеме, равном 1 мм2 . Поскольку главное предназначение СС — восприятие и передача полезной информации, специалисты лаборатории в Беркли заняты разработкой методики объеденения сенсоров с предметами, мониторинг которых вменяются им в обязанность, а также исследуют возможность создания актуаторов — устройств на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только регистрировать ее состояние.

Индивидуальные устройства беспроводной СС обладают такими ограниченными ресурсами, как скорость обработки данных, объем памяти, пропускная способность коммуникаций. Необходимо совместно использовать эти ограниченные возможности для достижения мощного суммарного эффекта. Для экономии энергии большая часть компонентов сенсорных устройств почти всегда находится в выключенном состоянии, поэтому возможны различные вариации в связности сети с учетом реальной возможности отказов устройств по причине сложных природных условий эксплуатации [8].

Принято считать, что СС базируются на технологиях из трех разных исследовательских областей: сенсорное восприятие, коммуникации и компьютерная обработка [9]. В области СС для охраны окружающей среды важным дополнительным компонентом является знание особенностей окружающей среды, в частности температуры, давления, уровня вибрации и т. п. Кроме того, на разработку механизмов коммуникации и обеспечения безопасности сильно влияет специфика сбора и интерпретации данных.

Выполнялось несколько проектов. В рамках проекта FloodNet разрабатывалась интеллектуальная СС, обеспечивающая уточненные предупреждения наводнений. Планируется распространение мониторинга в более удаленные и неблагоприятные районы. Проект GlacsWeb посвящен разработке системы мониторинга ледниковой среды [10]. Проект GlacsWeb ориентирован на исследование деформаций ложа ледников, влияющих на их движение. СС состоит из сенсорных узлов, каждый из которых связан радиоканалом только со своей базовой станцией, и они передают накопленные данные серверу СС, используя радиорелейную связь, а в случае ее сбоя — в глобальную систему мобильных коммуникаций. Сервер обрабатывает данные и публикует их в Web.

В системе оперативного обнаружения устройств рассеивания радиации речь идет о так называемых: грязных бомбах, потенциально похищенных террористами. Такая бомба не может повлечь значительных разрушений, но может вызвать существенное радиоактивное заражение местности. Предлагается использовать комбинации с имеющимися средствами дешевые переносные устройства, которые могут обнаруживать наличие радиации в движущемся транспорте. Идея состоит в том, что каждый узел системы снабжается такими устройствами, подключенному к одному портативному компьютеру. С двух сторон автомагистрали выстраивается несколько узлов. Каждый узел автоматически включается при приближении автомашины (вследствие вибрации), оценивает уровень радиации и передает результаты следующему узлу. Последовательное уточнение результатов обеспечивает необходимую точность и компенсирует малую мощность этих устройств. В перспективе планируется расширить изложенный подход для обеспечения возможности распознавания химического и биологического оружия.

Другая система предназначена для точного обнаружения местоположения снайпера в городских условиях. Наиболее успешные существующие подходы к установлению координат стрелков основаны на акустических измерениях, однако в городских условиях традиционные системы работают недостаточно точно. Здесь достигнут прогресс по двум направлениям. Во-первых, разработан усовершенствованный алгоритм, классифицирующий полученные от сенсоров дан- ные и устраняющий шумы. Во-вторых, разработана архитектура СС, в которой используются традиционные дешевые аппаратные средства и стандартная операционная система с добавлением специальной акустической карты. Сенсоры могут быть расставлены в предопределенных позициях или случайным образом. Испытания прототипа системы продемонстрировали точность ее результатов в пределах одного метра и реактивность в течение менее двух секунд.

В проекте WiseNet целью является создание платформы для реализации СС с минимальным энергопотреблением узлов. Требуется, чтобы узел мог автономно функционировать нескольких лет от обычной батарейки. Для снижения энергопотребления большая часть аппаратуры узлов находится в спящем состояние. При передаче данных от одного узла к другому приемопередатчики обоих узлов должны находится в активном состоянии — при коммуникации узлов повышается энергопотребление не только по причине непосредственной передачи данных, но и в связи с потребностью активизации узлов. Основными компонентами WiseNet являются оригинальный энергосберегающей радиоприемопередатчик и учитывающей особенности этой аппаратуры протокол беспроводной связи WiseMac. Одна из основных идей состоит в том, что поведение каждого узла (т.е. частота его пробуждений) зависит от наблюдаемого им поведения соседних узлов. По утверждению авторов, их решение понижает энергопотребление в 100 раз по сравнению с другими используемыми подходами.

Одной из существующих технологий являются беспроводные ячеистые сети (Wireless Mesh Networks), которые имеют распределенную архитектуру и используют ретрансляционные методы передачи информации посредством множества транзитных узлов, являющихся одно временно и точками доступа [11, 12]. Будучи самоорганизующимися, они сами выбирают наилучший маршрут в обход поврежденных узлов и перегруженных каналов. Полагают, что именно ячеистая архитектура ляжет в основу будущих беспроводных сетей.

Представленные в работе [3] беспроводные сенсорные узлы малой площади содержат датчики, фиксирующие изменения температуры, давления, влажности, уровня освещенности, звука и магнитного поля; источник питания; устройства обработки и передачи данных, а также программные сетевые средства и прикладные программы, объединенные в единую кремниевую платформу. Сбор и хранение данных не имеют смысла, если их нельзя передать заинтересованным пользователям. Самые популярные системы передачи — высокочастотные и оптические, каждая со своими достоинствами и недостатками. В случае высокочастотной передачи сетевые узлы содержат микропроцессор и трансивер, объединенные с датчиками, антенной и источником питания (рис. 1).

Рис.1 Функциональная схема прототипа узла СС

Все сенсорные узлы образуют единую беспроводную сеть и способны обмениваться информацией. При этом передача информации от удаленного узла сети к шлюзу происходит по цепочке, т. е. от одного узла сети к другому, что позволяет создавать большую зону покрытия.

Через шлюз информация достигает главного компьютера. С главного компьютера информация с помощью спутниковой связи передается через Internet в исследовательский центр.

Области применения

Возможности использования СС простираются практически во все сферы деятельности человечества. В качестве наиболее очевидных областей применения СС эксперты называют пылинки-сенсоры, разбросанные с самолетов над большими лесными массивами, в зависимости от заданных параметров могут отслеживать либо возникновение лесных пожаров, либо маршрут заблудившейся туристической группы, передавая в диспетчерский центр по самоорганизованной беспроводный сети доскональный мониторинг состояния зеленого океана. СС могут следить за созреванием урожая, информируя фермеров о необходимости полива всходов, за состояниям климата в производственных и общественных помещениях и т.д.

СС могут сыграть большую роль в обеспечении радиационной безопасности [13]. Разместив сенсоры в почве вблизи радиационных объектов и проведя измерения с определенным периодом (например, каждую минуту или час), можно организовать оперативный контроль за радиационным состоянием.

Сенсорные сети, примененные в сейсмологии, могли бы дать оперативную информацию о землетрясений.

В метеорологии сенсоры могут следить за состоянием климата (атмосферное давление, температура, влажность воздуха, скорость ветра, магнитные поля и др.). Сейчас для каждого работника метеорологической службы, проводящего измерения нужны пункты и коммуникации. Если иметь в виду, что эти пункты будут разбросаны по всей стране, то это потребует очень больших затрат. Кроме того, время тоже имеет большое значение. Для регистрации, набора и передачи параметров у работника пункта будет уходить немало времени.

Не менее полезными будут СС на дорогах. Общаясь друг с другом, они смогут регулировать поток машин. Это же мечта любого водителя — дороги без пробок. Такие сети смогут справляться с этой задачей значительно эффективнее, чем автоинспекторы. Проблема контроля правонарушений на дорогах решится при этом сама собой.

Крайне многообещающе применение сенсоров в медицине — это мониторинг сердечного ритма, измерение кровяного давления и ряда других жизненно важных показателей для автоматического предупреждения врачей и оказания в случае необходимости неотложной помощи, облегчение жизни больным и престарелым людям, улучшение комфортности обычной жизни [14].

О возможностях использования СС можно было бы рассказывать еще очень долго, но все равно мы не можем полностью охватить все области их применения. Однако наиболее перспективные области применения СС можно классифицировать следующим образом:

Системные безопасности — коммерческие спешности (контроль периметров, определения вторжения, удаленное наблюдение); мониторинг персонала; охрана ценностей и произведений исскуства; домашние системы безопасности; системы пожарной сигнализации.

Системы мониторинга и контроля окружающей среды — мониторинг состояния окружающей среды (влажность, температура, состав воздуха/почвы/воды, давление, магнитный фон); мониторинг загрязнения окружающей среды; миграция животных, насекомых.

Системы електроэнергии — управление энергоснабжением; контроль кондиционирования, вентиляции, отопления, освещения; ретрансляторы для счетчиков газа, воды, электроэнергии.

Чрезвычайные ситуации &mdash оповещение о стихийных бедствиях: лесные пожары, оползни и т. п.; спасение людей при чрезвычайных ситуациях.

Здравоохранение — физиологический мониторинг (сердечный ритм, кровяное давление, температура, уровень стресса и другие параметры жизнедеятельности); неотложная помощь; мониторинг персонала.

Направления развития

Сегодня можно сказать, что СС — именно тот элемент, который позволит Internet выйти на следующий, качественно новый, этап своего развития. Ведь сенсорные сети, подключенные к Internet, позволят в перспективе каждому сенсору получить IP-адрес и сформировать глобальную СС (рис. 2).

Рис.2 Структурная схема глобальной СС

В последнее время появилась идея создания из мобильных телефонов распределенный СС, следящей за уровнем загрязнения атмосферы [15]. Такая сеть сможет моментально обнаружить источник биологической атаки, утечку вредных веществ и позволит своевременно реагировать на подобного рода угрозы. Проект по созданию такой сети в настоящее время ведут ученые из калифорнийского Университета в Беркли.

Сейчас перед разработчиками стоит задача создать эффективную структуру сбора и хранения данных, а также разработать сами сенсоры для интеграции в мобильные телефоны. В будущем можно интегрировать в мобильные телефоны гораздо более сложные сенсоры, способные обнаруживать множество химических и биологических веществ, а также определять уровень радиации. СС такого типа способна эффективно предотвращать возможные террористические атаки с применением биологического оружия.

В перспективе большую роль будет играть фактор инфраструктуры реального времени (RTI), которая будет управлять сенсорными сетями и использовать архитектуру, управляемую текущими событиями. На базе RTI будут построены так называемые тера-архитектуры будущего, способные принимать, хранить и обрабатывать триллионы различных операций, данные, поступающие со всех подсоединенных к сети устройств.

Заключение

С развитием вычислительной техники и средств связи наступила эра беспроводных сетей и распределенных вычислений. Пройдет еще несколько лет — и беспроводные технологии свяжут между собой огромные количество цифровых устройств, превратив Информационные Технологии во всепроницающую и вездесущую силу эпохи Информационного Общества.

Как известно, Internet в основном используется для выполнения коммуникационных функций между людьми, с другой стороны, — для их информационного спроса. Правда, в последнее время на основе Internet появились и приложения таких областей, как e-banking, e-commerce, дистанционное образование и т.п. Однако независимо от появления новых областей приложения Internet всегда находится в контакте с людьми. Другими словами, люди с помощью клавиатуры компьютеров и средств ввода-вывода мультимедийной информации, подключенных к Internet, выполняют информационный обмен. Однако в СС посредством микрокомпьютеров ведется обмен не информацией между людьми, а обмен полученных в ходе измерения и преобразования параметров природно-физических процессов или передача их на центральный блок, разработанный для различных целей.

Реализация СС на основе Internet добавит возможность последнему быть в контакте не только с людьми, но одновременно и с природой. Это означает, что человек уже получает возможность контролировать, вести мониторинг и, самое главное, управлять всеми природными процессами на Земле, в обширном географическом пространстве.

Список литературы

Зубинский А. Распыленная разумность // Компьютерно Обозрение. 2003. № 8. С. 73—74.
Пахомов С. Беспроводные сенсорные сети: миф или ре альность? // Компьютер Пресс. 2002. № 10. С. 47—49
Майская В. Беспроводные сенсорные сети. Малые сис темы — большие баксы // Электроника: Наука, Технс логия, Бизнес. 2005. № 2. С. 18—22.
Стандарты и технологии (беспроводные системы) / Электронные компоненты. 2003. № 5. С. 79—83.
Demirkol I., Ersoy С. and Alagoz F. MAC protocols for wire less sensor networks: a survey // IEEE Communicator Magazine. April 2006. V. 44. N 4. P. 115—121.
Intel Exploratory Research, http://www.intel.com/researcl 2006.
W. Jie, Stojmenovic I. Ad hoc networks // IEEE Compute Society. February 2004. V. 37. N 2. P. 29—31.
Raghunathan V., Ganeriwal S. and Srivastava M. Emergin techniques for long lived wireless sensor networks // IEE] Communications Magazine. April 2006. V. 44. N 4. P. 108-114.
Culler D., Estrin D. and Srivastava M. Overview of senso networks // IEEE Computer Society. August 2004. V. 31 N 8. P. 41—49.
Martinez K., Hart Jane K. and Onq. R. Environmental sen sor networks // IEEE Computer Society. August 2004. V. 37 N 8. P. 50—56.
Бараш Л. Ячеистые сети — следующий шаг в разаитии беспроводных технологий // Компьютерное Обозрение. 2004. № 3. С. 50-52
Бараш Л. Многообразие стандартов беспроводных технологий // Компьютерное Обозрение. 2003. № 10. С. 61-62
Brennan Sean M., Mielke Angela M., Torney David C. and Maccabe Arthur B. Radiation detection with distributed sensor networks // IEEE Computer Society. August 2004. V. 37. N 8. P. 57—59.
Carmen C. Y. Poon, Yuan-Ting Zhang and Shu-Di Bao. A novel biometrics method to secure wireless body area sensor networks for telemedicine and m-health // IEEE
Communications Magazine. April 2006. V. 44. N 4. P. 73—81.

Ученые превратят сотовые сети в сенсорные. http://celler.ru/news/2005/08/15/5305.html. Август 2005

Назад в библиотеку