Беспроводные сенсорные сети

Введение

Беспроводная сенсорная сеть (БСС) состоит из сенсорных узлов, которые плотно развернуты, где каждый узел имеет датчик, процессор, передатчик и приемник. Эти узлы представляют собой недорогие маломощные и многофункциональные устройства для выполнения различных задач зондирования. Сенсорные узлы развернуты по всей области для мониторинга определенных событий (Например, температуры) в реальных условиях. БСС в основном работают в открытой и неуправляемой зоне. Предполагается, что они будут играть важную роль в различных областях, например, военное наблюдение, мониторинг лесных пожаров, мониторинг безопасности зданий и управление производственными процессами. Большинству приложений требуется более точный процесс локализации для узлов, чтобы получить их координаты внутри сети.

Эта область исследований открывает новые горизонты алгоритмов и методов оптимизации лучшей оценки местоположения для сенсорных узлов в различных областях (например, в помещении, на улице). Фактически, аспекты отслеживания целей и локализации имеют очень важное соотношение всех научных публикаций БСС.

Применение беспроводных сенсорных сетей

Важность использования БСС растет с каждым годом. Это непосредственно связано с увеличением потребности контроля, наблюдения, измерений и решения многих других задач эксплуатации в таких областях как промышленность, медицина, коммерция, наука, быт. Наиболее известные области применения БСС:

Военная техника

Для применения в военных целях требуется хорошо оснащенный и надежный беспроводной датчик, который может выдержать особые условия эксплуатации (например, повышенная температура, влажность и прочее) при этом иметь компактный размер и конструкцию, не привлекающую внимания противника.

Особое внимание в военной сфере следует уделять мониторингу появления неисправностей для своевременного их устранения.

Возможность использования беспроводных датчиков в военной области варьируется от мониторинга транспортных средств (дружественных или противоборствующих), мониторинг возможных угроз и многих других целей с плотной топологией для сбора более надежных данных.

Медицинская техника

В настоящее время беспроводные датчики являются востребованными в медицине для упрощения взаимосвязи между пациентом и системой мониторинга. Также есть функции, которые выполняются с помощью медицинских датчиков, таких как контроль заболеваний и введение препаратов. Для улучшения дистанционного мониторинга жизненно важных показаний пациента повышают чувствительность датчика.

Экологические программы

БСС может быть использована для измерения нескольких параметров окружающей среды, таких как температура, влажность, давление, интенсивность света, и характеристика почвы. Она также используется для отслеживания, контроля за движением и поведением животных, птиц и других существ.

В большинстве случаев сенсорные узлы прикреплены к движущимся существам или плотно размещены внутри целевой среды. Некоторые функции требуют контролируемости датчика для его управления. Экологические применение требует длительной автономной работы с протоколами передачи данных для наблюдения и контроля в труднодоступных местах обитания объекта исследования.

Бытовая техника:

Активное использование БСС не могло не затронуть человека в повседневной жизни. Управление домом / оргтехникой при помощи пульта дистанционного управления, который дает возможность внутри целевой области изменять параметры устройств путем прямой связи между пользователем и устройствами, при помощи сети Интернет или спутниковой связи. Для интерактивности между бытовой техникой и пользователем требуется искусственный интеллект, который с помощью сенсорных узлов развивает свои реакции на адаптируется к потребностям пользователя.

Аппаратная архитектура

Сенсорные узлы являются основой БСС и на ряду с системами управления, как и другие электрические устройства, состоит из двух основных областей: программная платформа и аппаратная архитектура. Программная платформа состоит в основном из операционной системы, которая управляет сенсорным узлом. Это связано с процедурами и алгоритмами методов измерений, которые будут загружены в каждый сенсорный узел. С другой стороны, аппаратная архитектура должна поддерживать процедуры измерения.

Блок-схема архитектуры сенсорного узла представлена на рис 1. Каждый беспроводный узел содержит: Источник питания, датчик, блок обработки, и часть приемопередатчика:

А. Источник питания

Размещение источника питания главным образом зависит от протяжности области сбора данных. Питание считается основным блоком для датчика, а также питает другие единицы для выполнения своих функций [1]. Срок службы сенсорного узла зависит от его источника питания. Для максимизации производительности электроэнергии разрабатываются методы минимизации скорости потока данных между узлами. Усовершенствование использованием различных материалов, применяемых в блоках питания, уравновешивает затраты на производительность (например, никель-кадмиевых, литий-ионный).

B. Датчик

В БСС определяются функцией, которая измеряется сенсорной частью датчика внутри ее узлов (например, температуры, дыма, влажности ...). Сенсорная часть внутри узлов преобразует физическое событие, необходимое для измерения, в значимые данные, которые должны быть обработаны и сохранены. [2]. Датчики разделяются по типу выходного сигнала: аналоговые и цифровые. Блоки датчиков должны иметь минимальный размер и минимальное потребление энергии.

C. Блок обработки

Блок обработки отвечает за обработку данных, полученных или переданных приемопередатчиком, а также за управление данными, полученными сенсорной частью.

Этот объект содержит три основных компоненты: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), центральный процессор (CPU) и память.

В некоторых системах АЦП считается частью сенсорного блока, но фактически он выполняет задачу предварительной обработки, заключающуюся в преобразовании сигнала в цифровой формат.

Процессор отвечает за управление функциональностью внутри узла датчика с несколькими формами аппаратного и программное обеспечения: FPGA, ASICS. Процессор может быть заменен в некоторых узлах с микроконтроллерами, которые ниже, в потреблении энергии.

Память хранения является входной / выходной частью, которая контролирует поток данных, которые должны быть сохранены или обработаны. Память может быть: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое хранит данные для отправки и не сохраняет их при перезапуске узла, и постоянная память, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое сохраняет операционную систему и основной алгоритм работы.

D. Приемопередатчик

Он имеет двойную функцию: передачи и отправки сигналов между узлами, узлом и маяком или узлом и базой управления.

В этой части используется в основном промышленно-научный-медицинский (ISM) диапазон частот, который является бесплатным для пользовательских приложений и может использоваться повторно во всем мире. Независимо от используемой технологии и режима работы приемопередатчика, работа передатчика должна быть оптимизирована для снижения энергопотребления за счет улучшения аппаратного обеспечения или сокращения времени передачи.

Тенденции развития БСС.

• Разработка новых методов, которые рационализируют использование GPS, поскольку оно не энергоэффективно и стоит дорого для аппаратного обеспечения с низкой производительностью внутри помещений (проблемы распространения на линии прямой видимости).
• Минимизация ошибок для повышения точности оценки местоположения сенсорного узла, что включает использование математических и геометрических соотношений и разработку новых методов измерения (может быть гибридной методикой между старыми методиками).
• Мобильность сенсорных узлов в некоторых приложениях может изменить топологию сети, что приводит к новой области исследований, которая может отслеживать изменения и сохранять оценку местоположения.
• Усовершенствования плотности топологии сети для уменьшения количества якорей / маяков, необходимых для оценки хорошего покрытия для всех других узлов датчиков.
• 3D-локализация по-прежнему представляет интерес для некоторых исследователей, так как большинство исследований концентрируется на плоскостях поверхности, которые могут быть неэффективны для моделирования в реальном мире.
• Новая реализация оборудования приведет к уменьшению стоимости при более высокой энергоэффективности, особенно для высокоточных методов в категории на основе диапазона, которая также включает увеличение производительности (более длительное время автономной работы, более высокая скорость обработки, больше памяти и минимизация размера аппаратного обеспечения узла датчика).
• Угрозы безопасности и атаки подвергаются дополнительным исследованиям, чтобы улучшить существующие схемы защиты и разработать более защищенные протоколы с мощными алгоритмами обнаружения. В дополнение к ранее упомянутой области исследований есть много новых тенденций и точек зрения на проблему локализации, одной из этих тенденций является использование анализа социальных сетей (АСС). АСС рассматривает любую сеть как набор отношений между игроками (в нашем случае это сенсорные узлы) и связи (связи между узлами). Эта область является многообещающей и имеет место во многих исследованиях не только в области электрических коммуникаций, она включает в себя метрики измерений между узлами, которые должны быть доступны с несколькими схемами размещения для добавления узлов датчиков. АСС основывается главным образом на графической теории, которая дает новые аспекты для эффективной работы с БСС.

Список использованной литературы

1. R. Manzoor, «Energy efficient localization in wireless sensor network using noisy measurements» M.S. thesis, Jan. 2010.
2. F. Hu and X. Cao, Wireless sensor networks: principles and practice, 1st ed., FL, USA: Auerbach Publications, 2010.