أجهزة جديدة في مجال شبكات الاستشعار اللاسلكية. مجالات الاستخدام. مبادئ العمل الأساسية

مكسيم سيرجيفسكي

أحدث التقنيات اتصالات لاسلكيةوأتاح التقدم في مجال تصنيع الرقائق الدقيقة إمكانية الانتقال إلى التطوير العملي وتنفيذ فئة جديدة من أنظمة الاتصالات الموزعة - شبكات الاستشعار.

تتكون شبكات الاستشعار اللاسلكية من أجهزة حوسبة واتصالات مصغرة - motes ( من الانجليزية. motes - جزيئات الغبار) ، أو أجهزة الاستشعار. المحرك هو لوحة لا يزيد حجمها عادة عن بوصة مكعبة واحدة. تحتوي اللوحة على معالج ، وذاكرة فلاش وذاكرة الوصول العشوائي ، ومحولات رقمية إلى تمثيلية ومن تناظرية إلى رقمية ، وجهاز إرسال واستقبال RF ، ومصدر طاقة ، وأجهزة استشعار. يمكن أن تكون أجهزة الاستشعار متنوعة للغاية ؛ أنها متصلة عبر موصلات رقمية وتناظرية. في كثير من الأحيان ، يتم استخدام مستشعرات درجة الحرارة والضغط والرطوبة والضوء والاهتزاز ، في كثير من الأحيان - المغناطيسية الكهربائية والكيميائية (على سبيل المثال ، قياس محتوى ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون) والصوت وبعض الآخرين. تعتمد مجموعة المستشعرات المستخدمة على الوظائف التي تؤديها شبكات الاستشعار اللاسلكية. المحرك يعمل ببطارية صغيرة. تُستخدم الذرات فقط لجمع البيانات الحسية ومعالجتها مسبقًا ونقلها. مظهريتم عرض المحركات التي تنتجها جهات تصنيع مختلفة في الشكل. 1.

يتم تنفيذ المعالجة الوظيفية الرئيسية للبيانات التي تم جمعها بواسطة motes عند العقدة ، أو البوابة ، وهو أمر كافٍ كمبيوتر قوي. ولكن من أجل معالجة البيانات ، يجب أولاً استلامها. لهذا الغرض ، يجب أن تكون العقدة مجهزة بهوائي. ولكن في أي حال ، تتوفر للعقدة فقط القارات القريبة بدرجة كافية منها ؛ بمعنى آخر ، لا تتلقى العقدة المعلومات مباشرة من كل ذرة. يتم حل مشكلة الحصول على المعلومات الحسية التي تم جمعها بواسطة الذرات على النحو التالي. يمكن أن تتبادل Motes المعلومات مع بعضها البعض باستخدام أجهزة الإرسال والاستقبال العاملة في نطاق الراديو. هذه ، أولاً ، المعلومات الحسية المقروءة من أجهزة الاستشعار ، وثانياً ، معلومات حول حالة الأجهزة ونتائج عملية نقل البيانات. تنتقل المعلومات من ذرة إلى أخرى على طول السلسلة ، ونتيجة لذلك ، فإن القواطع الأقرب إلى البوابة تفرغ جميع المعلومات المتراكمة إليها. إذا فشل جزء من الموتات ، فيجب أن يستمر تشغيل شبكة المستشعرات بعد إعادة التكوين. لكن في هذه الحالة ، بطبيعة الحال ، يتناقص عدد مصادر المعلومات.

لأداء الوظائف ، يتم تثبيت نظام تشغيل متخصص على كل محرك. حاليًا ، تستخدم معظم شبكات الاستشعار اللاسلكية نظام TinyOS ، وهو نظام تشغيل تم تطويره في جامعة بيركلي. يشير TinyOS إلى البرامج ذات الامتداد المصدر المفتوح؛ كان متوفرا على: www.tinyos.net. TinyOS هو نظام تشغيل في الوقت الفعلي يحركه الأحداث ومصمم للعمل مع موارد الحوسبة المحدودة. يسمح نظام التشغيل هذا للمفاتيح بإنشاء اتصالات مع الجيران تلقائيًا وتشكيل شبكة استشعار لطوبولوجيا معينة. ظهر الإصدار الأخير من TinyOS 2.0 في عام 2006.

العامل الأكثر أهمية في تشغيل شبكات الاستشعار اللاسلكية هو السعة المحدودة للبطاريات المثبتة على المحركات. يرجى ملاحظة أن البطاريات غالبًا لا يمكن استبدالها. في هذا الصدد ، من الضروري إجراء أبسط معالجة أولية فقط على الموتات ، بهدف تقليل كمية المعلومات المرسلة ، والأهم من ذلك ، تقليل عدد دورات استقبال البيانات وإرسالها. لحل هذه المشكلة ، تم تطوير بروتوكولات اتصال خاصة ، وأشهرها بروتوكولات تحالف ZigBee. تم إنشاء هذا التحالف (الموقع الإلكتروني www.zigbee.org) في عام 2002 خصيصًا لتنسيق العمل في مجال شبكات الاستشعار اللاسلكية. يضم أكبر مطوري الأجهزة و أدوات البرمجيات: Philips و Ember و Samsung و IBM و Motorola و Freescale Semiconductor و Texas Instruments و NEC و LG و OKI وغيرها الكثير (أكثر من 200 عضو في المجموع). شركة إنتل ليست مدرجة في التحالف ، على الرغم من أنها تدعم أنشطتها.

من حيث المبدأ ، لتطوير معيار ، بما في ذلك مجموعة بروتوكولات لشبكات الاستشعار اللاسلكية ، استخدم ZigBee معيار IEEE 802.15.4 المطور مسبقًا ، والذي يصف الطبقة المادية وطبقة الوصول إلى الوسائط لشبكات البيانات اللاسلكية على مسافات قصيرة(حتى 75 مترًا) مع استهلاك منخفض للطاقة ، ولكن بدرجة عالية من الموثوقية. ترد بعض خصائص نقل البيانات الراديوية لمعيار IEEE 802.15.4 في الجدول. 1.

الجدول 1. الخصائص الراديوية للمعطيات لـ IEEE 802.15.4

على هذه اللحظةطورت ZigBee المعيار الوحيد في هذا المجال ، والذي تم دعمه من خلال إنتاج أجهزة وبرامج متوافقة تمامًا. تسمح بروتوكولات ZigBee للأجهزة بالنوم ب افي معظم الأوقات ، يطيل عمر البطارية بشكل كبير.

من الواضح أنه ليس من السهل تطوير مخططات تبادل البيانات بين المئات بل وحتى الآلاف من الموتات. من بين أمور أخرى ، من الضروري مراعاة حقيقة أن شبكات الاستشعار تعمل في غير مرخصة نطاقات الترددلذلك ، في بعض الحالات ، قد يكون هناك تداخل ناتج عن مصادر خارجية للإشارات الراديوية. من المستحسن أيضًا تجنب إعادة إرسال نفس البيانات ، بالإضافة إلى مراعاة أنه بسبب عدم كفاية استهلاك الطاقة والتأثيرات الخارجية ، ستفشل المقتنيات إلى الأبد أو لبعض الوقت. في جميع هذه الحالات ، يجب تعديل أنظمة الاتصال. نظرًا لأن أحد أهم ميزات TinyOS هو الاختيار التلقائي لمخططات الشبكات ومسارات البيانات ، فإن شبكات الاستشعار اللاسلكية هي في الأساس ذاتية التكوين.

في أغلب الأحيان ، يجب أن تكون القذرة قادرة على تحديد موقعها ، على الأقل فيما يتعلق بالذرة الأخرى التي ستنقل إليها البيانات. أي ، أولاً يتم تحديد جميع القواطع ، ثم يتم تشكيل مخطط التوجيه بالفعل. بشكل عام ، يتم تقسيم جميع الموتات - أجهزة ZigBee القياسية - إلى ثلاث فئات وفقًا لمستوى التعقيد. أعلىهم - المنسق - يدير تشغيل الشبكة ، ويخزن البيانات حول هيكلها ويعمل كبوابة لنقل البيانات التي تم جمعها بواسطة شبكة الاستشعار اللاسلكية بأكملها لمزيد من المعالجة. عادة ما تستخدم شبكات الاستشعار منسق واحد. متوسط ​​التعقيد هو جهاز التوجيه ، أي يمكنه استقبال البيانات ونقلها ، وكذلك تحديد اتجاه الإرسال. وأخيرًا ، يمكن لأبسط ذرة نقل البيانات فقط إلى أقرب جهاز توجيه. وهكذا ، اتضح أن معيار ZigBee يدعم شبكة ذات بنية عنقود (الشكل 2). تتكون الكتلة بواسطة جهاز توجيه وأبسط جزيئات تطلب منها بيانات حسية. تقوم أجهزة التوجيه العنقودية بترحيل البيانات إلى بعضها البعض ، وفي النهاية يتم إرسال البيانات إلى المنسق. عادة ما يكون للمنسق اتصال بشبكة IP ، حيث يتم إرسال البيانات للمعالجة النهائية.

في روسيا ، يجري أيضًا تنفيذ تطورات تتعلق بإنشاء شبكات استشعار لاسلكية. وبالتالي ، تقدم شركة High-Tech Systems منصة أجهزة وبرمجيات MeshLogic الخاصة بها لبناء شبكات استشعار لاسلكية (موقع الويب www.meshlogic.ru). يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هذه المنصة و ZigBee في تركيزها على بناء شبكات شبكة نظير إلى نظير (الشكل 3). في مثل هذه الشبكات وظائفكل موت هي نفسها. تتيح إمكانية التنظيم الذاتي والشفاء الذاتي لشبكات الهيكل الشبكي ، في حالة فشل بعض الموتات ، تكوين بنية شبكة جديدة تلقائيًا. صحيح ، على أي حال ، مركزية عقدة وظيفية، الذي يستقبل ويعالج جميع البيانات ، أو بوابة لنقل البيانات إلى العقدة للمعالجة. غالبًا ما يُشار إلى الشبكات التي تم إنشاؤها تلقائيًا بالمصطلح اللاتيني Ad Hoc ، والذي يعني "مناسبة معينة".

في شبكات MeshLogic ، يمكن لكل ذرة تنفيذ ترحيل الحزمة ، أي أنها تشبه في وظائفها جهاز توجيه ZigBee. شبكات MeshLogic ذاتية التنظيم بالكامل: لم يتم توفير عقدة منسقة. يمكن استخدام أجهزة الإرسال والاستقبال RF في MeshLogic أجهزة مختلفة، ولا سيما Cypress WirelessUSB ، التي تعمل ، مثل أجهزة ZigBee القياسية ، في نطاق تردد 2.4 ... 2.4835 جيجاهرتز. وتجدر الإشارة إلى أن الطبقات السفلية من مكدس البروتوكول موجودة فقط لمنصة MeshLogic. ويعتقد أن المستويات العليا، على وجه الخصوص الشبكة والمطبقة ، سيتم إنشاؤها لتطبيقات محددة. يتم عرض التكوينات والمعلمات الرئيسية لمحركين MeshLogic ومحرك ZigBee القياسي في الجدول. 2.

الجدول 2. الخصائص الرئيسية للمحركات من مختلف الصانعين

لاحظ أنه لا توجد مستشعرات لمس مدمجة في هذه اللوحات.

نشير إلى ما يميز شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل أساسي عن شبكات الحوسبة التقليدية (السلكية واللاسلكية):

• الغياب التام لأي نوع من الكابلات - الكهربائية ، والاتصالات ، وما إلى ذلك ؛
• إمكانية التنسيب المضغوط أو حتى دمج الموتات في الكائنات البيئية ؛
• موثوقية كل من العناصر الفردية ، والأهم من ذلك ، النظام بأكمله ؛ في بعض الحالات ، يمكن للشبكة أن تعمل مع 10-20٪ فقط من أجهزة الاستشعار (موتس) في حالة عمل جيدة ؛
• لا حاجة للموظفين للتركيب والصيانة.

يمكن استخدام شبكات الاستشعار في العديد من مجالات التطبيق. شبكات الاستشعار اللاسلكية هي تقنية جديدة واعدة وجميع المشاريع ذات الصلة هي في الغالب قيد التطوير. نشير إلى المجالات الرئيسية لتطبيق هذه التكنولوجيا:

• أنظمة الدفاع والأمن.
• تحكم بيئي؛
• مراقبة المعدات الصناعية
• انظمة حماية;
• مراقبة حالة الأراضي الزراعية ؛
• إدارة الطاقة؛
• التحكم في أنظمة التهوية وتكييف الهواء والإضاءة ؛
• إنذار حريق؛
• مراقبة المخزون؛
• تتبع نقل البضائع ؛
• مراقبة الحالة الفسيولوجية للشخص ؛
• مراقبة الموظفين.

من بين عدد كبير إلى حد ما من الأمثلة على استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية ، قمنا بتمييز اثنين. ولعل أشهرها هو نشر الشبكة على متن ناقلة نفط BP. هناك ، باستخدام شبكة مبنية على أساس معدات إنتل ، تمت مراقبة حالة السفينة من أجل تنظيم الصيانة الوقائية لها. قامت BP بتحليل ما إذا كانت شبكة المستشعرات يمكن أن تعمل على متن السفينة في درجات الحرارة القصوى والاهتزاز العالي والمستويات الكبيرة من تداخل التردد اللاسلكي الموجود في مناطق معينة من السفينة. نجحت التجربة ، وأعيد تكوين الشبكة واستعادتها تلقائيًا عدة مرات.

مثال على مشروع تجريبي آخر مكتمل هو نشر شبكة استشعار في قاعدة للقوات الجوية الأمريكية في فلوريدا. أظهر النظام قدرة جيدة على التعرف على الأجسام المعدنية المختلفة ، بما في ذلك الأجسام المتحركة. مكّن استخدام شبكة الاستشعار من اكتشاف تغلغل الأشخاص والسيارات في المنطقة الخاضعة للرقابة وتتبع تحركاتهم. لحل هذه المشاكل ، تم استخدام محركات مجهزة بأجهزة استشعار درجة الحرارة والكهرباء المغناطيسية. يتوسع نطاق المشروع حاليًا ويتم بالفعل تثبيت شبكة المستشعرات اللاسلكية على موقع اختبار بمساحة 10000 × 500 م. برمجةتم تطويره من قبل العديد من الجامعات الأمريكية.

تعتمد جميع مجالات الحياة تقريبًا في القرن الحادي والعشرين على تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT). يتم تبادل البيانات ليس فقط من قبل الناس ، ولكن أيضًا من خلال جميع أنواع الأنظمة الذكية ، هاتف خليويالأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة الصراف الآلي وأجهزة الاستشعار. ما لا يقل عن 5 مليارات جهاز متصل بالفعل بإنترنت الأشياء. عمل أي مجمعات كبيرة - شركات الصناعة والطاقة والزراعة ، مراكز التسوقوالمتاحف والمكاتب والمباني السكنية - يرتبط بالمراقبة المستمرة للوضع على أراضيهم. تقوم المستشعرات الحساسة في الوقت الفعلي بمراقبة صحة المعدات وتنظيم تفاعل الأجهزة مع بعضها البعض والتحذير من الحاجة إلى استبدالها أو من حالات الطوارئ. مع أحجام البيانات المتزايدة بسرعة ، ملف بسيط و طريقة ملائمةتبادلها بين الأجهزة ومراكز معالجة المعلومات.

النسخة المطبوعة:

تُظهر شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs ، وشبكات الاستشعار اللاسلكية) ، التي تتكون من أجهزة استشعار لاسلكية وأجهزة تحكم وقادرة على التنظيم الذاتي باستخدام خوارزميات ذكية ، آفاقًا واسعة النطاق لمراقبة صحة الإنسان ، وحالة البيئة ، وعمل الإنتاج والنقل أنظمة المحاسبة لمختلف الموارد وغيرها. يعرض هذا العدد من النشرة الاتجاهات التكنولوجية في مجال FSN المتعلقة بتوفير وظيفة دائمةأجهزة الاستشعار اللاسلكية وتطبيقاتها في مجالين من مجالات الاقتصاد الحديث - التصنيع المتقدم والطاقة الذكية (الشبكة الذكية).

أجهزة لمس ذاتية التحميل

لتطوير شبكات الاستشعار اللاسلكية ، من المهم حل مشكلة إمدادات الطاقة الخاصة بهم. هناك اتجاه واعد يتمثل في إنشاء أجهزة مستقلة متينة مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة - محولة من مصادر خارجية.

يمكن ، على سبيل المثال ، تشغيل أجهزة اللمس اللاسلكية بواسطة طاقة الراديو المرسلة إليها من جهاز إرسال (مثل أجهزة تحديد ترددات الراديو (RFID) أو البطاقات الذكية بدون تلامس). يستخدم الجهاز هذه الطاقة لإعادة شحن المستشعر ولتوليد إشارة استجابة بمعلومات حول الحالة الحالية للكائن المتحكم فيه.

هناك طريقة أخرى وهي التحويل السلبي للطاقة من البيئة الخارجية (تجميع الطاقة): الطاقة الشمسية (خارج المبنى في طقس صافٍ إلى حد ما) ، والطاقة الحرارية ، وطاقة الاهتزاز الميكانيكية (من الأجهزة التي تعمل في مكان قريب - آلات التجميع ، والناقلات ، وما إلى ذلك) ، وطاقة الاهتزاز من المستشعر نفسه (في حالة الأجهزة القابلة للارتداء) ، انبعاثات الراديو الخلفية من الأجهزة الكهربائية المحيطة (بما في ذلك Wi-Fi).

تحقيق إنتاج متقدم يعتمد على شبكات الاستشعار اللاسلكية

إن الاستخدام غير الرشيد للموارد والقدرات الإنتاجية ، وتوليد كميات كبيرة من النفايات الملوثة ، وعدم وجود مراقبة مستمرة لحالة المرافق في الشركات - هذه وغيرها من مشاكل الصناعة الحديثة تحفز الانتقال إلى نموذج تصنيع متقدم. يتميز باستخدام مواد جديدة وتقنيات صديقة للبيئة (التقنيات الخضراء) ، فضلاً عن الاستخدام الواسع لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات والأنظمة الذكية ، ولا سيما الروبوتات وشبكات الاستشعار اللاسلكية.

شبكات الاستشعار اللاسلكية الصناعية (IBSS ، شبكات الاستشعار اللاسلكية الصناعية) - أهم عامل في تنفيذ الإنتاج المتقدم. مجموعة من أجهزة الاستشعار اللاسلكية المترابطة و نظم المعلومات، التي تعالج البيانات من أجهزة الاستشعار وتتفاعل مع الكائنات الخاضعة للرقابة باستخدام أجهزة التحكم. يستجيب مثل هذا النظام الآلي لأي تغييرات في المؤشرات في المؤسسة ، ويخطر الموظفين بالحوادث والمشكلات ، ويحلل كفاءة استخدام المعدات ، ويقيم مستوى التلوث البيئي وكمية النفايات المتولدة.

شبكات "ذكية"

المشكلة العالمية للاستخدام غير الرشيد للكهرباء ذات أهمية خاصة بالنسبة لروسيا. تؤدي التكاليف المرتفعة لتوليد الكهرباء إلى زيادة تكلفة الإنتاج ، مما يضع عبئًا مضاعفًا على المستهلك النهائي. لتحسين كفاءة وموثوقية أنظمة الطاقة ، تتجه العديد من البلدان نحو مفهوم شبكات الطاقة "الذكية" (الشبكة الذكية).

تدير هذه الشبكة في الوقت الفعلي جميع مصادر التوليد المتصلة بها ، والشبكات الرئيسية وشبكات التوزيع والأشياء التي تستهلك الكهرباء. لإدارة الشبكة "الذكية" ، يتم استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية التي تتحكم في حجم إنتاج الطاقة واستهلاك الطاقة في أقسامها المختلفة. بمساعدة أنظمة المعلومات ، يتم حساب التوزيع الأمثل للطاقة في الشبكة ، ويتم إجراء التنبؤات لفصول وفترات مختلفة من اليوم ، ويتم مزامنة توليد الطاقة وإيصالها ، ومراقبة سلامة خطوط الكهرباء. لزيادة كفاءة شبكة الطاقة ، يتم إيقاف تشغيل عناصرها غير الحرجة لفترة النشاط المنخفض.

يتم رصد الاتجاهات التكنولوجية العالمية من قبل معهد البحوث الإحصائية واقتصاديات المعرفة المدرسة الثانويةالاقتصاد () كجزء من برنامج HSE للبحوث الأساسية.

تم استخدام المصادر التالية في إعداد حرف الاتجاه: توقعات التطور العلمي والتكنولوجي للاتحاد الروسي حتى عام 2030(prognoz2030.hse.ru) ، مواد المجلات العلمية "البصيرة"(foresight-journal.hse.ru) ، البيانات شبكة العلم, يدور في مدارو idc.com و marketandmarkets.com و wintergreenresearch.com و greentechmedia.com و greenpatrol.ru وما إلى ذلك.

يمكن استخدام مزايا تقنيات شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل فعال لحل المشكلات التطبيقية المختلفة المتعلقة بالتجميع الموزع وتحليل ونقل المعلومات.

التشغيل الآلي للمبنى

في بعض تطبيقات أتمتة المباني ، لا يكون استخدام أنظمة الاتصال السلكية التقليدية ممكنًا لأسباب اقتصادية.

على سبيل المثال ، يلزم إدخال نظام جديد أو توسيع نظام موجود في مبنى عامل. في هذه الحالة ، يعد استخدام الحلول اللاسلكية هو الخيار الأكثر قبولًا ، لأن. لا يلزم أي أعمال تركيب إضافية مع انتهاك الديكور الداخلي للمبنى ، عمليًا لا يوجد أي إزعاج للموظفين أو المقيمين في المبنى ، إلخ. نتيجة لذلك ، يتم تقليل تكلفة تنفيذ النظام بشكل كبير.

ومن الأمثلة الأخرى مباني المكاتب ذات المخطط المفتوح التي لا يمكن تحديد مواقع أجهزة الاستشعار فيها بدقة في مرحلة التصميم والبناء. في الوقت نفسه ، يمكن أن يتغير تخطيط المكاتب عدة مرات أثناء تشغيل المبنى ، وبالتالي ، يجب أن يكون الوقت والتكلفة اللذين يتم إنفاقهما على إعادة تكوين النظام في حده الأدنى ، وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام الحلول اللاسلكية.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعطاء الأمثلة التالية للأنظمة القائمة على شبكات الاستشعار اللاسلكية:

• مراقبة درجة الحرارة وتدفق الهواء ووجود الأشخاص والتحكم في معدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء من أجل الحفاظ على المناخ المحلي ؛
• التحكم بالإضاءة؛
• إدارة الطاقة؛
• جمع القراءات من عدادات الشقة للغاز والماء والكهرباء وما إلى ذلك ؛
• مراقبة حالة الهياكل الحاملة للمباني والمنشآت.

الأتمتة الصناعية

حتى الآن ، تم تقييد الاستخدام الواسع النطاق للاتصالات اللاسلكية في مجال الأتمتة الصناعية بسبب ضعف موثوقية الروابط اللاسلكية مقارنة بالتوصيلات السلكية في البيئات الصناعية القاسية ، لكن شبكات الاستشعار اللاسلكية تعمل على تغيير الوضع بشكل كبير ، بسبب. مقاومة بطبيعتها لأنواع مختلفة من الاضطرابات (على سبيل المثال ، الأضرار الماديةالعقدة ، وظهور التداخل ، وتغيير العوائق ، وما إلى ذلك). علاوة على ذلك ، في ظل بعض الظروف ، يمكن أن توفر شبكة المستشعرات اللاسلكية موثوقية أكبر من نظام الاتصال السلكي.

الحلول القائمة على شبكات الاستشعار اللاسلكية تلبي تمامًا متطلبات الصناعة:

• التسامح مع الخطأ؛
• قابلية التوسع؛
• القدرة على التكيف مع ظروف التشغيل ؛
• كفاءة الطاقة
• مع مراعاة خصوصيات المهمة المطبقة ؛
• الربحية الاقتصادية.

يمكن استخدام تقنيات شبكات الاستشعار اللاسلكية في مهام الأتمتة الصناعية التالية:

• التحكم عن بعد وتشخيص المعدات الصناعية ؛
• صيانة المعدات الوضع الحالي(التنبؤ بهامش الأمان) ؛
• مراقبة عمليات الإنتاج ؛
• القياس عن بعد للبحث والاختبار.

تطبيقات أخرى

تجعل الميزات والاختلافات الفريدة لشبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية من أنظمة نقل البيانات السلكية واللاسلكية التقليدية تطبيقهم فعالاً في مجموعة متنوعة من المجالات. على سبيل المثال:

• الأمن والدفاع:
  • السيطرة على حركة الناس والمعدات ؛
  • وسائل الاتصالات والاستخبارات العملياتية ؛
  • التحكم في المحيط والمراقبة عن بعد ؛
  • المساعدة في عمليات الإنقاذ ؛
  • مراقبة الممتلكات والأشياء الثمينة ؛
  • الأمن وإنذار الحريق.
• المراقبة البيئية:
  • مراقبة التلوث؛
  • زراعة؛
• الرعاىة الصحية:
  • مراقبة الحالة الفسيولوجية للمرضى ؛
  • مراقبة الموقع وإخطار الطاقم الطبي.

بنية شبكة استشعار لاسلكية نموذجية

شبكة استشعار لاسلكيهي شبكة موزعة ذاتية التنظيم من العديد من أجهزة الاستشعار (أجهزة الاستشعار) والمشغلات ، مترابطة عبر قناة راديو. علاوة على ذلك ، يمكن أن تتراوح مساحة تغطية هذه الشبكة من عدة أمتار إلى عدة كيلومترات بسبب القدرة على ترحيل الرسائل من عنصر إلى آخر.

يمكن اعتبار أحد النماذج الأولية لشبكة المستشعرات هو نظام SOSUS ، المصمم لاكتشاف الغواصات والتعرف عليها. بدأت تقنيات شبكات الاستشعار اللاسلكية في التطور بنشاط مؤخرًا نسبيًا - في منتصف التسعينيات. ومع ذلك ، في بداية القرن الحادي والعشرين فقط ، أتاح تطوير الإلكترونيات الدقيقة إنتاج أجهزة رخيصة جدًا لمثل هذه الأجهزة. قاعدة العنصر. تعتمد الشبكات اللاسلكية الحديثة بشكل أساسي على معيار ZigBee. عدد كبير من الصناعات وقطاعات السوق (التصنيع ، أنواع مختلفةالنقل ، ودعم الحياة ، والأمن) جاهز لتنفيذ شبكات الاستشعار ، وهذا الرقم في تزايد مستمر. الاتجاه مدفوع بزيادة التعقيد العمليات التكنولوجية، وتطوير الإنتاج ، وتوسيع احتياجات الأفراد في قطاعات الأمن ، ومراقبة الموارد واستخدام المخزون. مع تطور تقنيات أشباه الموصلات ، تظهر المهام العملية الجديدة والمشاكل النظرية المتعلقة بتطبيقات شبكات الاستشعار في الصناعة والإسكان والخدمات المجتمعية والأسر. يفتح استخدام أجهزة التحكم في المستشعر اللاسلكي منخفضة التكلفة مجالات جديدة لتطبيق القياس عن بعد وأنظمة التحكم ، مثل:

• الكشف في الوقت المناسب عن الأعطال المحتملة للمشغلات ، للتحكم في معلمات مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك ؛
• التحكم في الوصول في الوقت الحقيقي للأنظمة البعيدة للكائن المراقب ؛
  • ضمان حماية القيم المتحفية
  • محاسبة المعروضات
  • المراجعة التلقائية للمعارض
• أتمتة التفتيش على الأصول الصناعية وصيانتها ؛
• إدارة الأصول التجارية ؛
• التطبيق كمكونات في تقنيات توفير الطاقة والموارد ؛
• التحكم في البارامترات البيئية للبيئة

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من التاريخ الطويل لشبكات الاستشعار ، فإن مفهوم بناء شبكة أجهزة الاستشعار لم يتخذ شكلًا نهائيًا ولم يتم التعبير عنه في بعض حلول البرامج والأجهزة (النظام الأساسي). يعتمد تنفيذ شبكات الاستشعار في المرحلة الحالية إلى حد كبير على المتطلبات المحددة للمهمة الصناعية. إن الهندسة المعمارية والبرامج والأجهزة في مرحلة التكوين التكنولوجي المكثف ، والذي يلفت انتباه المطورين من أجل البحث عن مكانة تكنولوجية للمصنعين في المستقبل.

التقنيات

تتكون شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSN) من أجهزة حوسبة مصغرة - موتات ، مزودة بأجهزة استشعار (مستشعرات لدرجة الحرارة والضغط والضوء ومستوى الاهتزاز والموقع وما إلى ذلك) وأجهزة إرسال واستقبال للإشارة تعمل في نطاق راديو معين. تميز البنية المرنة وتكاليف التثبيت المنخفضة شبكات المستشعرات اللاسلكية الذكية عن واجهات نقل البيانات اللاسلكية والسلكية الأخرى ، خاصة عندما يتعلق الأمر بعدد كبير من الأجهزة المترابطة ، تتيح لك شبكة المستشعرات توصيل ما يصل إلى 65000 جهاز. إن الانخفاض المستمر في تكلفة الحلول اللاسلكية ، والزيادة في معلماتها التشغيلية تجعل من الممكن إعادة التوجيه تدريجيًا من الحلول السلكية في أنظمة جمع بيانات القياس عن بُعد والتشخيص عن بُعد وتبادل المعلومات. "الشبكة الحسية" مصطلح راسخ اليوم. شبكات الاستشعار) ، للدلالة على شبكة موزعة وذاتية التنظيم ومتسامحة مع الأخطاء من عناصر فردية من غير مراقب ولا تتطلب تثبيتًا خاصًا للأجهزة. يمكن أن تحتوي كل عقدة شبكة استشعار أجهزة استشعار مختلفةللتحكم البيئي والحاسوب الصغير وجهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي. يسمح هذا للجهاز بأخذ القياسات والقيام بمعالجة البيانات الأولية بشكل مستقل والحفاظ على الاتصال بنظام معلومات خارجي.

قام 802.15.4 / ZigBee بنقل تقنية الراديو قصير المدى ، والمعروفة باسم "شبكات الاستشعار" WSN - شبكة الاستشعار اللاسلكية) ، هو أحد الاتجاهات الحديثة في تطوير الأنظمة الموزعة ذاتية التنظيم والمتسامحة مع الأخطاء لمراقبة وإدارة الموارد والعمليات. اليوم ، تعد تقنية شبكة المستشعرات اللاسلكية هي التقنية اللاسلكية الوحيدة التي يمكنها حل مهام المراقبة والتحكم الحاسمة لوقت تشغيل أجهزة الاستشعار. تشكل المستشعرات المدمجة في شبكة استشعار لاسلكية نظامًا ذاتي التنظيم موزع إقليمياً لجمع المعلومات ومعالجتها ونقلها. المجال الرئيسي للتطبيق هو التحكم في المعلمات المقاسة للوسائط المادية والأشياء ومراقبتها.

يصف المعيار المعتمد IEEE 802.15.4 التحكم في الوصول إلى القناة اللاسلكية والطبقة المادية لشبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية منخفضة السرعة ، أي الطبقتان السفليتان وفقًا لـ نموذج الشبكة OSI. تعتمد بنية شبكة المستشعر "الكلاسيكية" على عقدة نموذجية تتضمن ، مثالاً لعقدة نموذجية RC2200AT-SPPIO:

• مسار الراديو
• وحدة المعالج
• بطارية؛
• أجهزة استشعار مختلفة.

يمكن تمثيل العقدة النموذجية بثلاثة أنواع من الأجهزة:

• منسق الشبكة (FFD - جهاز يعمل بكامل طاقته) ؛
  • يقوم بالتنسيق والتنظيم ووضع معايير الشبكة على الصعيد العالمي ؛
  • أكثر أنواع الأجهزة الثلاثة تعقيدًا ، والتي تتطلب قدرًا كبيرًا من الذاكرة وإمدادات الطاقة ؛

• الجهاز مع طقم كاملوظائف (FFD - جهاز يعمل بكامل طاقته) ؛
  • دعم 802.15.4 ؛
  • تسمح لك الذاكرة الإضافية واستهلاك الطاقة بالعمل كمنسق شبكة ؛
  • دعم لجميع أنواع الهياكل ("نقطة إلى نقطة" ، "نجمة" ، "شجرة" ، "شبكة متداخلة") ؛
  • القدرة على العمل كمنسق شبكة ؛
  • القدرة على الوصول إلى الأجهزة الأخرى على الشبكة ؛
• (RFD - جهاز وظيفي منخفض) ؛
  • يدعم مجموعة محدودة من ميزات 802.15.4 ؛
  • دعم طبولوجيا من نقطة إلى نقطة ونجمة ؛
  • لا يعمل كمنسق ؛
  • يستدعي منسق الشبكة والموجه ؛

ملحوظات

1. 1 2 3 Ragozin DV نمذجة شبكات الاستشعار المتزامنة. مشاكل البرمجة. 2008. رقم 2-3. عدد خاص - 721-729 ص.
2. Baranova E. IEEE 802.15.4 وبرنامجها الإضافي ZigBee. // Telemultimedia ، 8 مايو 2008.
3. ليفيس ب. ، مادن س. ، بوليستر ج. ود. "TinyOS: نظام تشغيل لشبكات الاستشعار اللاسلكية" // W. Weber ، J.M. رباعى ، إ. آرتس (محرران) // في الذكاء المحيط. - نيويورك ، نيويورك: Springer-Verlag ، 2005. - 374 صفحة.
4. تقبل الخوارزمية لشبكات الاستشعار اللاسلكية. // Miroslaw Kutulowski، Jacek Cichon، Przemislaw Kubiak، Eds. - بولندا ، Wrozlaw: Springer ، 2007.
5. أنظمة ذكية تعتمد على شبكات الاستشعار. - www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf // معهد الميكانيكا الدقيقة و علوم الكمبيوترهم. م. ليبيديف ران ، 2009.
6. وحدات ZigBee مكتملة بالكامل من RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // المكونات والتقنيات.
7. مكدس بروتوكول ZigBee / 802.15.4 على منصة Freescale لأشباه الموصلات - www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt ، 2004

نظرة عامة على الحديث التقنيات اللاسلكية

هندسة الاستشعار

يتكون مستشعر اللمس من أجهزة وبرامج ، مثل أي عقدة اتصالات أخرى. بشكل عام ، يتكون المستشعر مما يلي

الأنظمة الفرعية: الإدراك ومعالجة البيانات والمراقبة والاتصالات وإمدادات الطاقة (الشكل 1.1).

الشكل 1.1 - العمارة العامة لجهاز الاستشعار.

يتكون نظام الإدراك الفرعي عادةً من جهاز تمثيلي يلتقط إحصائيات معينة ومحول تناظري إلى رقمي. يحتوي النظام الفرعي لمعالجة البيانات على معالج مركزي وذاكرة تسمح بتخزين ليس فقط البيانات التي تم إنشاؤها بواسطة المستشعر ، ولكن أيضًا معلومات الخدمة الضرورية للتشغيل الصحيح والكامل لنظام الاتصال الفرعي. يسمح نظام المراقبة الفرعي لجهاز الاستشعار بجمع البيانات البيئية مثل الرطوبة ودرجة الحرارة والضغط والمجال المغناطيسي وكيمياء الهواء وما إلى ذلك. أيضًا ، يمكن استكمال المستشعر بجيروسكوب ، مقياس تسارع ، مما يجعل من الممكن بناء نظام تحديد المواقع.

التقدم في مجال الاتصالات اللاسلكية وتصغير الدوائر الدقيقة يفتح آفاقًا جديدة في تقنيات المعلومات والحاسوب. بالإضافة إلى شبكات القفزات المتعددة ، هناك بروتوكولات توجيه أكثر تعقيدًا حيث يتم تحديد العقدة التالية بناءً على تحليل خصائصها ، مثل مستوى الطاقة والموثوقية وما شابه. يصبح الموقف أكثر تعقيدًا عندما تتحرك عُقد شبكة المستشعر اللاسلكي - يصبح هيكل الشبكة ديناميكيًا.

لتنفيذ المستشعر كجهاز اتصالات صغير الحجم (لا يزيد عن سنتيمتر مكعب واحد) ، يجب مراعاة العديد من الجوانب الفنية. يجب أن يكون تردد المعالج المركزي 20 ميجا هرتز على الأقل ، الحجم ذاكرة الوصول العشوائيلا تقل عن 4 كيلو بايت ، معدل نقل لا يقل عن 20 كيلو بايت في الثانية. سيؤدي تحسين الأجهزة إلى تقليل حجم المستشعر ، ولكنه سيستلزم زيادة في سعره. نظام التشغيل(OS) يجب أن يكون الأمثل لهيكل وحدة المعالجة المركزية المستخدمة. تشجع الموارد المحدودة وصغر حجم الذاكرة وضع نظام التشغيل في ذاكرة القراءة فقط. حاليًا ، Tiny OS هو نظام تشغيل مفتوح المصدر يسمح بالتحكم المرن في أجهزة الاستشعار. مختلف الشركات المصنعة. في مجال الشبكات ، يفرض الإمداد المحدود للطاقة في المستشعرات قيودًا كبيرة على

استخدام تقنيات الراديو التي يمكن تطبيقها في شبكات الاستشعار. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن الأداء المحدود للمعالج المركزي لا يسمح باستخدام بروتوكولات التوجيه القياسية لشبكات IP.

- التعقيد الكبير لحساب خوارزمية المسار الأمثل سيؤدي إلى زيادة التحميل على وحدة المعالجة المركزية. حتى الآن ، تم تطوير عدد كبير من بروتوكولات التوجيه الخاصة لشبكات الاستشعار.

يعد تطوير تقنية نقل البيانات في شبكات الاستشعار من أهم المهام في بناء شبكة الاستشعار ، نظرًا لخصائصها المعمارية و خصائص النظامفرض عددًا من القيود الصارمة ، من بينها ما ينبغي التأكيد عليه:

احتياطيات محدودة من الطاقة ، بسبب محدودية النطاق ؛

أداء المعالج المحدود ؛

التشغيل المتزامن لعدد كبير من العقد في مساحة محدودة ؛

معادلة العقد ، لا تنطبق بنية العميل-الخادم بسبب التأخيرات المميزة ؛

التشغيل في الطيف الترددي غير المرخص ؛

تكلفة منخفضة.

حاليًا ، يعتمد تطوير شبكات الاستشعار على معيار IEEE 802.15.4 Zigbee ، الذي ذكرته أعلاه. بالإضافة إلى ذلك ، ألاحظ أن Zigbee Alliance يفترض أن الوصول اللاسلكي ZigBee سيتم استخدامه في تطبيقات مثل المراقبة ، وأتمتة المصنع ، وأجهزة الاستشعار ، والأمن ، والتحكم ، الأجهزةوأكثر بكثير. وبالتالي ، يمكن تقسيم تطبيقات شبكة الاستشعار إلى عدة فئات رئيسية:

الأمن وحالات الطوارئ والعمليات العسكرية ؛

الطب والصحة؛

الطقس والبيئة والزراعة ؛

المصانع والنباتات والمنازل والمباني.

أنظمة النقل والمركبات.

سأنظر في حالات التطبيق المحدد لشبكات الاستشعار في الفئات المذكورة أعلاه. يمكن استخدام شبكات الاستشعار ، كحد أدنى ، في السيناريوهات التالية.

تطبيق شبكات الاستشعار

تتميز شبكات الاستشعار اللاسلكية بخصائص فريدة تتمثل في سهولة النشر والتنظيم الذاتي والتسامح مع الأخطاء. ظهرت كنموذج جديد لجمع المعلومات ، فقد تم استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية لمجموعة واسعة من الأغراض المتعلقة بالصحة والمراقبة البيئية والطاقة وسلامة الأغذية والإنتاج.

على مدى السنوات القليلة الماضية ، كان هناك العديد من المتطلبات الأساسية لكي تصبح شبكات الاستشعار حقيقة. تم إنشاء العديد من نماذج عقدة الاستشعار ، بما في ذلك Motes في Berkeley ، و uAMPS في MIT (في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) ، و GNOMES في رايس. تتمثل الوظائف الأساسية لشبكات الاستشعار في تحديد المواقع والكشف والتتبع والكشف. بالإضافة إلى التطبيقات العسكرية ، كانت هناك أيضًا تطبيقات مدنية تعتمد على الوظائف الأولية ، والتي يمكن تقسيمها إلى مراقبة بيئية ، ومراقبة بيئية ، ورعاية صحية ، وأخرى تجارية

التطبيقات. بالإضافة إلى ذلك ، ابتكر Sibley مؤخرًا مستشعرًا متحركًا يسمى Robomote ، وهو مزود بعجلات وقادر على التحرك في جميع أنحاء الميدان.

كواحدة من المحاولات الأولى لاستخدام شبكات الاستشعار للتطبيقات المدنية ، استخدمت بيركلي ومختبر أبحاث إنتل شبكة مستشعرات Mote لمراقبة قراءات العاصفة في جزر Great Duck ، مين في صيف عام 2002. تم تركيب ثلثي أجهزة الاستشعار قبالة سواحل ولاية ماين لجمع المعلومات الضرورية (المفيدة) في الوقت الفعلي على شبكة الويب العالمية (الإنترنت). عمل النظام لأكثر من 4 أشهر وقام بتوفير البيانات

لمدة شهرين بعد مغادرة العلماء الجزيرة بسبب سوء الأحوال الجوية (في الشتاء). يعد تطبيق مراقبة الموائل فئة مهمة من تطبيقات شبكة الاستشعار. الأهم من ذلك ، أن مستشعرات الشبكة قادرة على جمع المعلومات في بيئات خطرة غير مواتية للناس. في سياق دراسات المراقبة ، تم النظر في معايير التصميم ، بما في ذلك تصميم وإنشاء وإنشاء نظام استشعار مع إمكانية الوصول عن بعد وإدارة البيانات. تم إجراء العديد من المحاولات لتحقيق المتطلبات ، مما أدى إلى تطوير مجموعة من أنظمة شبكات الاستشعار النموذجية. كان نظام الاستشعار المستخدم في بيركلي ومختبر إنتل للأبحاث ، على الرغم من كونه بدائيًا ، فعالًا في جمع البيانات البيئية المثيرة للاهتمام وزود العلماء بمعلومات مهمة.

وجدت شبكات الاستشعار تطبيقات في مجال المراقبة والتنبؤ (التخمين). مثال حي على هذا التطبيق هو نظام التقييم المحلي الآلي في الوقت الفعلي (ALERT) الذي طورته خدمة الطقس الوطنية مع شبكة لاسلكيةمجسات. مجهزة بالأرصاد الجوية / الهيدرولوجية أجهزة اللمس، عادة ما تقيس أجهزة الاستشعار في هذه الظروف عدة خصائص للطقس المحلي ، مثل مستوى الماء ودرجة الحرارة والرياح. يتم إرسال البيانات عبر ارتباط لاسلكي مباشر (اتصال لاسلكي بخط البصر) عبر أجهزة استشعار في المحطة الأساسية. تم تكييف نموذج التنبؤ بالفيضانات لمعالجة البيانات وإصدار تحذيرات تلقائية. يوفر النظام معلومات مهمةهطول الأمطار ومستويات المياه في الوقت الحقيقي لتقييم احتمالية حدوث فيضانات محتملة في أي مكان في البلاد. يتم تثبيت نظام التنبيه الحالي (الحالي) في جميع أنحاء الساحل الغربي للولايات المتحدة ويستخدم للتحذير من الفيضانات في ولايتي كاليفورنيا وأريزونا.

مؤخرا، تستخدم أنظمة الاستشعار بكثافة في الرعاية الصحية ، ويستخدمها المرضى والأطباء لتتبع ومراقبة مستويات الجلوكوز ، وأجهزة الكشف عن السرطان ، وحتى الأعضاء الاصطناعية. يقترح العلماء إمكانية زرع أجهزة استشعار طبية في جسم الإنسان لأغراض مختلفة. تنقل هذه المستشعرات المعلومات إلى جهة خارجية نظام الكمبيوترعبر الواجهة اللاسلكية. يتم دمج العديد من أجهزة الاستشعار الطبية الحيوية في نظام من التطبيقات لتحديد تشخيص المرض وعلاجه. تبشر المستشعرات الطبية الحيوية بمستوى أكثر تقدمًا من الرعاية الطبية.

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين شبكات الاستشعار اللاسلكية وشبكات الكمبيوتر والهاتف التقليدية في عدم وجود بنية تحتية دائمة تنتمي إلى مشغل أو مزود معين. كل طرف مستخدم في شبكة المستشعر لديه القدرة على العمل ليس فقط كجهاز نهائي ، ولكن أيضًا كعقدة عبور ، كما هو موضح في الشكل 1.2.

الشكل 1.2 - مثال لتوصيل مستشعرات الشبكة