Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Особливості мобільних сенсорних мереж
- 3. Архітектура сенсорних мереж
- 4. Стандарти бездротового зв'язку
- 5. Моделювання
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Новітні технології бездротового зв'язку і прогрес в області виробництва мікросхем дозволили протягом останніх кількох років перейти до практичної розробки та впровадження нового класу розподілених комунікаційних систем – сенсорних мереж.
Бездротові сенсорні мережі (wireless sensor networks – WSN) складаються з мініатюрних обчислювально–комунікаційних пристроїв – мотів, або сенсорів [1]. Мот являє собою плату розміром звичайно не більше одного кубічного дюйма. На платі розміщуються процесор, пам'ять – флеш і оперативна, цифроаналогові і аналого–цифрові перетворювачі, радіочастотний приймач, джерело живлення і датчики.
Рисунок 1 — Зовнішній вигляд мота
1. Актуальність теми
З досить великого числа прикладів використання бездротових сенсорних мереж виділимо два. Найбільш відомим є, мабуть, розгортання мережі на борту нафтового танкера компанії ВР [1]. Там за допомогою мережі, побудованої на основі обладнання Intel, здійснювався моніторинг стану судна з метою організації його профілактичного обслуговування. Компанія BP проаналізувала, чи може сенсорна мережу працювати на борту судна в умовах екстремальних температур, високої вібрації і значного рівня радіочастотних перешкод, наявних в деяких приміщеннях судна. Експеримент пройшов успішно, кілька разів автоматично здійснювалися реконфигурация і відновлення працездатності мережі.
Прикладом ще одного реалізованого пілотного проекту є розгортання сенсорної мережі на базі військово – повітряних сил США у Флориді [1]. Система продемонструвала хороші можливості по розпізнаванню різних металевих об'єктів, у тому числі рухомих. Застосування сенсорної мережі дозволило виявляти проникнення людей і автомобілів в контрольовану зону і відстежувати їх переміщення. Для вирішення цих завдань використовувалися моти, оснащені магнітоелектричними і температурними датчиками. Відповідне прикладне програмне забезпечення розробляється кількома американськими університетами.
Актуальність досліджень бездротових сенсорних мереж очевидна. Вже зараз у багатьох галузях їх починають використовувати. Це і моніторинг екології, авто трафіку, 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 і потрібно проводити дослідження в цій області.
2. Особливості мобільних сенсорних мереж
Мобільні сенсорні мережі, на відміну від звичайних обчислювальних (провідних і бездротових) мереж, мають масу переваг: [2]
• повна відсутність яких би то не 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, всієї системи в цілому; в ряді випадків мережа може функціонувати при справності тільки 10–20% сенсорів;
• відсутність необхідності в персоналі для монтажу та технічного обслуговування.
Сенсорні мережі можуть бути використані в багатьох прикладних областях. Вони можуть складатися з різних типів датчиків, наприклад сейсмічних, датчиків визначення магнітного поля, теплових, інфрачервоних, акустичних, які в змозі здійснювати найрізноманітніші вимірювання умов навколишнього середовища. Бездротові сенсорні мережі – це нова перспективна технологія, і всі пов'язані з нею проекти в основному знаходяться в стадії розробки. Зазначимо основні області застосування даної технології:
• системи оборони та забезпечення безпеки;
• контроль навколишнього середовища;
• моніторинг промислового обладнання;
• охоронні системи;
• моніторинг стану сільськогосподарських угідь;
• управління енергопостачанням;
• контроль систем вентиляції, кондиціонування і освітлення;
• пожежна сигналізація;
• складський облік;
• стеження за транспортуванням вантажів;
• моніторинг фізіологічного стану людини;
• контроль персоналу.
Сенсори можуть використовуватися для безперервного зондування, виявлення та ідентифікації подій. Концепція мікро зондування та бездротове з'єднання обіцяють багато нових областей застосування для таких мереж [3].
3. Архітектура сенсорних мереж
Вузли, як правило, розташовані випадковим чином по всій території спостереження. Кожен з них може здійснювати збір даних і знає маршрут передачі даних назад в центральний вузол, кінцевому користувачеві за найкоротшим маршрутом. Приклад розрахунку маршруту показаний на рисунку 2 [4].
Рис.2 Приклад розрахунку маршруту (49 кадрів, 100 мс затримка, 7 повторів, розмір 150 Кбайт)
Дані передаються за допомогою multi–hop архітектури мережі. Стек протоколів включає в себе інформацію про потужність і інформацію про маршрути, містить дані про мережеві протоколи, допомагає ефективно спілкуватися бездротовому середовищу, і сприяє спільній роботі вузлів. Стек протоколів складається з рівня додатків, транспортного рівня, мережевого рівня, канального рівня, фізичного рівня, шару управління живленням, шару управління мобільністю і шару планування завдань (Рис. 3) [3].
Рис.3 Стек протоколів
Залежно від завдань по збору даних, різні види прикладного програмного забезпечення можуть бути побудовані на рівні додатків. Транспортний рівень допомагає підтримувати потік даних, якщо це потрібно. Мережевий рівень забезпечує маршрутизацію даних, наданих транспортним рівнем. Оскільки середовище має сторонні шуми і вузли можуть бути переміщені, протокол MAC повинен мінімізувати виникнення колізій при передачі даних між сусідніми вузлами. Фізичний рівень відповідає за можливість передачі інформації. Ці протоколи допомагають вузлам виконувати завдання при економії електроенергії. Шар управління живленням визначає, як вузол повинен використовувати енергію. Наприклад, вузол може відключити приймач після отримання повідомлення від одного зі своїх сусідів. Це допоможе уникнути отримання дубліката повідомлення. Крім того, коли вузол має низький заряд батареї, він передає своїм сусідам інформацію про те, що не може брати участь у маршрутизації повідомлень. Всю решту енергії він буде використовувати для збору даних. Шар управління мобільністю (MAC) визначає і реєструє пересування вузлів, тому завжди існує маршрут для передачі даних в центральний вузол і вузли можуть визначати своїх сусідів. А знаючи своїх сусідів, вузол може збалансувати енергоспоживання, працюючи спільно з ними. Менеджер завдань планує і складає розклад збору інформації для кожного регіону окремо. Не всі вузли в одному регіоні необхідні для виконання завдань зондування в один і той же час. Як результат, деякі вузли виконують більше завдань, ніж інші, це залежить від їх потужності. Всі ці шари і модулі необхідні для того щоб вузли працювали разом і прагнули до максимальної енергоефективності, оптимізації маршруту передачі даних у мережі, а також спільно використовували ресурси один одного. Без них кожен вузол буде працювати індивідуально. З точки зору всієї сенсорної мережі ефективніше, якщо вузли працюватимуть спільно один з одним, що сприяє продовженню часу життя самої мережі [5].
4. Стандарти бездротового зв'язку
Серед найбільш відомих бездротових технологій можна виділити: Wi–Fi, Wi–Max, Bluetooth, Wireless USB і відносно нову технологію – ZigBee, яка спочатку розроблялася з орієнтацією на промислові застосування.
Кожна з цих технологій має свої унікальні характеристики, які визначають відповідні області застосування. Спробуємо сформулювати вимоги, яким повинна задовольняти технологія зв'язку для її успішного застосування в промисловості [6]. Припустимо, є якийсь промисловий об'єкт, що складається з декількох насосних електроприводів, пристроїв збору інформації з різних технологічних датчиків, наприклад, датчиків тиску, температури, витрати, у тому числі встановлених віддалено, операторського пульта і диспетчерського пункту. Управління насосами проводиться з операторського пульта, а в диспетчерському пункті проводиться безперервний моніторинг системи.
Зрозуміло, що оптимальним варіантом з точки зору простоти і зручності було б об'єднання всіх пристроїв, що беруть участь в обміні інформацією, в єдину інформаційну мережу, що працює в одному стандарті. Оскільки на промисловому об'єкті можуть бути встановлені пристрої різної складності і, відповідно, вартості, то програмно–апаратний комплекс, що забезпечує доступ кожного пристрою в інформаційну мережу, повинен бути досить дешевим. Також технологія зв'язку повинна забезпечувати необхідну дальність і швидкість зв'язку. А якщо взяти до уваги те, що промислова установка може бути доповнена новими вузлами (наприклад, ще одним насосом або пристроєм збору інформації), то від технології зв'язку потрібна можливість масштабування. Ну і, звичайно ж, комунікаційна технологія повинна забезпечувати надійність і безпеку передачі інформації [7]. Розглянутий випадок є типовим прикладом розподіленої системи управління, де кожен з вузлів, будучи інтелектуальним, виконує свою локальну задачу автоматизації, а зв'язки між вузлами є "слабкими" – в основному по мережі передаються команди оперативного управління та зміни установок регульованих змінних, повідомлення про стан обладнання і технологічного процесу. Кожен вузол, наприклад, на базі перетворювача частоти має власні канали зв'язку з технологічними датчиками, і необхідність в передачі великих потоків даних відсутня.
Аналіз бездротових технологій показує, що високошвидкісні технології Wi–Fi, Wi–Max, Bluetooth, Wireless USB призначені в першу чергу для обслуговування комп'ютерної периферії і пристроїв мультимедіа. Вони оптимізовані для передачі великих обсягів інформації на високих швидкостях, працюють в основному по топології "точка–точка" або "зірка" і малопридатні для реалізації складних розгалужених промислових мереж з великою кількістю вузлів. Технологія ZigBee має достатньо скромні показники швидкості передачі даних і відстані між вузлами, але володіє наступними важливими, з точки зору застосування в промисловості, перевагами [8,9]:
- Вона орієнтована на переважне використання в системах розподіленого мульти–мікропроцесорного керування зі збором інформації з інтелектуальних датчиків, де питання мінімізації енергоспоживання і процесорних ресурсів є визначальними.
- Надає можливість організації самостійно конфігуруючих мереж зі складною топологією, в яких маршрут повідомлення автоматично визначається не тільки числом справних або вмикання/вимикання на поточний момент пристроїв (вузлів), але і якістю зв'язку між ними, яке автоматично визначається на апаратному рівні.
- Забезпечує масштабованість – автоматичне введення в роботу вузла або групи вузлів відразу після початку живлення.
- Гарантує високу надійність мережі за рахунок вибору альтернативного маршруту передачі повідомлень при відключеннях/збоях в окремих вузлах.
- Підтримує вбудовані апаратні механізми шифрації повідомлень AES–128, виключаючи можливість несанкціонованого доступу в мережу.
5. Моделювання
В ході проведеної роботи було зроблено моделювання декількох сенсорних мереж у середовищі NS2 (Network Simulator 2). Основні параметри сценаріїв представлені на рисунку 4.
Рис.4 Основні параметри сценаріїв моделювання.
У підсумку були побудовані сенсорні мережі на базі двох топологій: зірка і дерево [10]. Результати отримані в NAM візуалізаторі показані на рисунку 5.
Рис.5 Результати моделювання.
Висновки
З розвитком обчислювальної техніки та засобів зв'язку настала ера бездротових мереж і розподілених обчислень. Мине ще кілька років і бездротові технології зв'яжуть між собою величезну кількість цифрових пристроїв, перетворивши інформаційні технології у всепроникну і всюдисущу силу епохи інформаційного суспільства.
У ході магістерської роботи будуть проведені більш глибокі дослідження мобільних сенсорних мереж з використанням паралельних моделюючих середовищ. Це допоможе в короткі терміни проаналізувати дані отримані від моделювання великих сенсорних мереж, що складаються з тисяч вузлів.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Перелік посилань
- Сергиевский М. Беспроводные сенсорные сети [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://compress.ru/....
- Judith B. Cardell Introduction to Wireless Sensor Networks [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.science.smith.edu/~jcardell/...
- Akyildiz I.F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Wireless sensor networks: a survey [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://citeseer.ist.psu.edu/...
- Lewis F.L. Wireless Sensor Networks [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://210.32.200.159/....
- Mark A. Perillo, Wendi B. Heinzelman Wireless Sensor Network Protocols [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.ece.rochester.edu/....
- Незнамов Ю. Перспективы использования беспроводных ZigBee–интерфейсов в электроприводе [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.russianelectronics.ru/....
- Bilel Nefzi, Ye–Qiong Song PERFORMANCE ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF ZIGBEE ROUTING PROTOCOL [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://hal.inria.fr/...
- Talipov E. Sensor network 802.15.4 AODV simulation [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://elmurod.net/...
- David Gascon Understanding 802.15.4 [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.sensor-networks.org/...
- Zheng J. 802.15.4 and ZigBee Routing Simulation at Samsung/CUNY [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.ait.upct.es/...