Neue Geräte im Bereich drahtloser Sensornetzwerke. Einsatzgebiete. Grundlegende Funktionsprinzipien

Maxim Sergievsky

Neueste Technologien Kabellose Kommunikation und Fortschritte auf dem Gebiet der Herstellung von Mikroschaltungen haben es in den letzten Jahren ermöglicht, mit der praktischen Entwicklung und Implementierung einer neuen Klasse verteilter Kommunikationssysteme – Sensornetzwerken – fortzufahren.

Drahtlose Sensornetzwerke bestehen aus Miniatur-Computer- und Kommunikationsgeräten – Motes ( aus dem Englischen Partikel (Staubkörner) oder Sensoren. Ein Mote ist ein Brett, das normalerweise nicht größer als ein Kubikzoll ist. Auf der Platine sind ein Prozessor, Flash- und RAM-Speicher, Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler, ein Hochfrequenz-Transceiver, ein Netzteil und Sensoren untergebracht. Sensoren können sehr vielfältig sein; Der Anschluss erfolgt über digitale und analoge Anschlüsse. Die am häufigsten verwendeten Sensoren sind Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Beleuchtung, Vibration, seltener magnetoelektrisch, chemisch (z. B. Messung des CO-, CO2-Gehalts), Schall und einige andere. Der Satz der verwendeten Sensoren hängt von den Funktionen ab, die drahtlose Sensornetzwerke erfüllen. Das Motorrad wird von einer kleinen Batterie angetrieben. Partikel dienen ausschließlich der Erfassung, Primärverarbeitung und Übertragung sensorischer Daten. Aussehen Mots verschiedener Hersteller sind in Abb. dargestellt. 1.

Die Hauptfunktionsverarbeitung der von Motes gesammelten Daten erfolgt auf einem Knoten oder Gateway, bei dem es sich um einen fairen Knoten handelt leistungsstarker Computer. Doch um die Daten verarbeiten zu können, müssen diese zunächst empfangen werden. Hierzu muss das Gerät mit einer Antenne ausgestattet sein. Aber in jedem Fall sind für den Knoten nur Partikel zugänglich, die ihm nahe genug sind; Mit anderen Worten: Der Knoten erhält Informationen nicht direkt von jedem Knoten. Das Problem, von Partikeln gesammelte sensorische Informationen zu erhalten, wird wie folgt gelöst. Mithilfe von Funk-Transceivern können Partikel Informationen untereinander austauschen. Dabei handelt es sich zum einen um sensorische Informationen, die von Sensoren ausgelesen werden, zum anderen um Informationen über den Zustand von Geräten und die Ergebnisse des Datenübertragungsprozesses. Informationen werden entlang der Kette von einem Knoten zum anderen übertragen, und als Folge davon geben die Knoten, die dem Gateway am nächsten sind, alle angesammelten Informationen an ihn ab. Wenn einige der Motes ausfallen, sollte der Betrieb des Sensornetzwerks nach der Neukonfiguration fortgesetzt werden. Aber in diesem Fall nimmt natürlich die Zahl der Informationsquellen ab.

Um Funktionen auszuführen, ist auf jedem Mote ein spezielles Betriebssystem installiert. Derzeit verwenden die meisten drahtlosen Sensornetzwerke TinyOS, ein an der Berkeley University entwickeltes Betriebssystem. TinyOS bezeichnet Software mit Open Source; Es ist verfügbar unter: www.tinyos.net. TinyOS ist ein ereignisgesteuertes Echtzeitbetriebssystem, das für den Einsatz in ressourcenbeschränkten Umgebungen entwickelt wurde. Dieses Betriebssystem ermöglicht es Motes, automatisch Verbindungen mit Nachbarn herzustellen und ein Sensornetzwerk einer bestimmten Topologie zu bilden. Die neueste Version, TinyOS 2.0, erschien 2006.

Der wichtigste Faktor beim Betrieb drahtloser Sensornetzwerke ist die begrenzte Kapazität der auf den Partikeln installierten Batterien. Bitte beachten Sie, dass es oft nicht möglich ist, Batterien auszutauschen. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, nur die einfachste Primärverarbeitung an den Motiven durchzuführen, um die Menge der übertragenen Informationen zu reduzieren und vor allem die Anzahl der Zyklen des Datenempfangs und der Datenübertragung zu minimieren. Um dieses Problem zu lösen, wurden spezielle Kommunikationsprotokolle entwickelt, von denen das bekannteste die Protokolle der ZigBee-Allianz sind. Diese Allianz (Website www.zigbee.org) wurde 2002 speziell zur Koordinierung der Arbeit im Bereich drahtloser Sensornetzwerke gegründet. Es umfasst die größten Entwickler von Hardware und Software: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI und viele andere (insgesamt mehr als 200 Mitglieder). Die Intel Corporation ist kein Mitglied der Allianz, unterstützt jedoch deren Aktivitäten.

Grundsätzlich nutzte ZigBee für die Entwicklung des Standards inklusive des Protokollstacks für drahtlose Sensornetzwerke den zuvor entwickelten Standard IEEE 802.15.4, der die physikalische Schicht und die Medienzugriffsschicht für drahtlose Datennetzwerke beschreibt kurze Distanzen(bis zu 75 m) mit geringem Stromverbrauch, aber hoher Zuverlässigkeit. Einige Eigenschaften der Funkdatenübertragung für den IEEE 802.15.4-Standard sind in der Tabelle aufgeführt. 1.

Tabelle 1. Eigenschaften der Funkdatenübertragung für IEEE 802.15.4

An dieser Moment ZigBee hat den einzigen Standard in diesem Bereich entwickelt, der durch die Verfügbarkeit vollständig kompatibler Hardware- und Softwareprodukte unterstützt wird. ZigBee-Protokolle ermöglichen es Geräten, in den Ruhezustand zu wechseln. b Ö die meiste Zeit, was die Akkulaufzeit deutlich verlängert.

Offensichtlich ist es nicht so einfach, Datenaustauschschemata zwischen Hunderten oder sogar Tausenden von Partikeln zu entwickeln. Dabei ist unter anderem zu berücksichtigen, dass Sensornetzwerke ohne Lizenz betrieben werden Frequenzbereiche Daher kann es in manchen Fällen zu Störungen durch fremde Funksignalquellen kommen. Es ist außerdem ratsam, eine wiederholte Übertragung derselben Daten zu vermeiden und darüber hinaus zu berücksichtigen, dass aufgrund eines unzureichenden Energieverbrauchs u. a äußere Einflüsse Die Motoren fallen dauerhaft oder für einige Zeit aus. In all diesen Fällen müssen die Kommunikationsschemata geändert werden. Da eine der wichtigsten Funktionen von TinyOS die automatische Auswahl des Netzwerkdesigns und der Datenpfade ist, konfigurieren sich drahtlose Sensornetzwerke im Wesentlichen selbst.

Meistens muss ein Partikel in der Lage sein, seinen eigenen Standort zu bestimmen, zumindest im Verhältnis zu dem anderen Partikel, an den er Daten überträgt. Das heißt, zunächst werden alle Motes identifiziert und dann ein Routing-Schema erstellt. Generell werden alle Motes – Geräte des ZigBee-Standards – je nach Komplexitätsgrad in drei Klassen eingeteilt. Der höchste von ihnen – der Koordinator – verwaltet den Betrieb des Netzwerks, speichert Daten über seine Topologie und dient als Gateway für die Übertragung der vom gesamten drahtlosen Sensornetzwerk gesammelten Daten zur weiteren Verarbeitung. Sensornetzwerke verwenden normalerweise einen einzigen Koordinator. Der durchschnittliche Komplexitätsmotor ist ein Router, das heißt, er kann Daten empfangen und übertragen sowie Übertragungsrichtungen bestimmen. Schließlich kann der einfachste Mote nur Daten an den nächstgelegenen Router übertragen. Somit stellt sich heraus, dass der ZigBee-Standard ein Netzwerk mit Cluster-Architektur unterstützt (Abb. 2). Der Cluster besteht aus einem Router und den einfachsten Knoten, von denen er sensorische Daten anfordert. Cluster-Router leiten Daten untereinander weiter und schließlich werden die Daten an den Koordinator übertragen. Der Koordinator verfügt in der Regel über eine Verbindung zum IP-Netzwerk, wohin die Daten zur endgültigen Verarbeitung gesendet werden.

Auch in Russland sind Entwicklungen im Zusammenhang mit der Schaffung drahtloser Sensornetzwerke im Gange. So bietet das Unternehmen High-Tech Systems seine Hardware- und Softwareplattform MeshLogic zum Aufbau drahtloser Sensornetzwerke an (Website www.meshlogic.ru). Der Hauptunterschied zwischen dieser Plattform und ZigBee besteht darin, dass sie sich auf den Aufbau von Peer-to-Peer-Mesh-Netzwerken konzentriert (Abb. 3). In solchen Netzwerken Funktionalität Jeder Motor ist gleich. Die Möglichkeit der Selbstorganisation und Selbstheilung von Netzwerken mit Mesh-Topologie ermöglicht es, bei Ausfall einiger Motoren spontan eine neue Netzwerkstruktur zu bilden. Stimmt, auf jeden Fall eine Zentrale funktionale Einheit, der alle Daten empfängt und verarbeitet, oder ein Gateway zur Übermittlung der Daten an den Knoten zur Verarbeitung. Spontan gegründete Netzwerke werden oft mit dem lateinischen Begriff Ad Hoc bezeichnet, was „für einen bestimmten Anlass“ bedeutet.

In MeshLogic-Netzwerken kann jeder Mote eine Paketweiterleitung durchführen, d. h. seine Funktionen ähneln einem ZigBee-Router. MeshLogic-Netzwerke sind vollständig selbstorganisierend: Es gibt keinen Koordinatorknoten. Kann als HF-Transceiver in MeshLogic verwendet werden verschiedene Geräte, insbesondere Cypress WirelessUSB, die wie ZigBee-Standardgeräte im Frequenzbereich 2,4 ... 2,4835 GHz arbeiten. Es ist zu beachten, dass für die MeshLogic-Plattform nur die unteren Schichten des Protokollstapels existieren. Es wird angenommen, dass oberen Ebenen Für spezifische Anwendungen werden insbesondere Netzwerk- und Anwendungsprogramme erstellt. Die Konfigurationen und Hauptparameter von zwei MeshLogic-Motes und einem ZigBee-Standard-Mote sind in der Tabelle aufgeführt. 2.

Tabelle 2. Hauptmerkmale von Motoren verschiedener Hersteller

Beachten Sie, dass auf diesen Platinen keine integrierten Berührungssensoren vorhanden sind.

Lassen Sie uns zeigen, was drahtlose Sensornetzwerke in erster Linie von herkömmlichen (kabelgebundenen und drahtlosen) Computernetzwerken unterscheidet:

• völliges Fehlen jeglicher Kabel – Elektrik, Kommunikation usw.;
• die Möglichkeit einer kompakten Platzierung oder sogar Integration von Motoren in Umgebungsobjekte;
• Zuverlässigkeit sowohl einzelner Elemente als auch, was noch wichtiger ist, des gesamten Systems als Ganzes; in manchen Fällen kann das Netzwerk funktionieren, wenn nur 10–20 % der Sensoren (Motes) funktionieren;
• Kein Personalbedarf für Installation und Wartung.

Sensornetzwerke können in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Drahtlose Sensornetzwerke sind eine neue vielversprechende Technologie und alle damit verbundenen Projekte befinden sich größtenteils im Entwicklungsstadium. Wir geben die Hauptanwendungsbereiche dieser Technologie an:

• Verteidigungssysteme und Sicherheit;
• Umweltkontrolle;
• Überwachung von Industrieanlagen;
• Sicherheitssysteme;
• Überwachung des Zustands landwirtschaftlicher Flächen;
• Energiemanagement;
• Steuerung von Lüftungs-, Klima- und Beleuchtungssystemen;
• Feueralarm;
• Bestandskontrolle;
• Verfolgung des Frachttransports;
• Überwachung des physiologischen Zustands einer Person;
• Personalkontrolle.

Aus einer Vielzahl von Beispielen für den Einsatz drahtloser Sensornetzwerke heben wir zwei hervor. Am bekanntesten ist vielleicht der Einsatz des Netzwerks an Bord eines Öltankers durch BP. Dort wurde mithilfe eines auf Intel-Geräten aufgebauten Netzwerks der Zustand des Schiffes überwacht, um dessen vorbeugende Wartung zu organisieren. BP untersuchte, ob das Sensornetzwerk an Bord eines Schiffes unter extremen Temperaturen, starken Vibrationen und erheblichen Funkfrequenzstörungen in einigen Bereichen des Schiffes funktionieren könnte. Das Experiment war erfolgreich; das Netzwerk wurde mehrmals automatisch neu konfiguriert und wiederhergestellt.

Ein Beispiel für ein weiteres abgeschlossenes Pilotprojekt ist der Einsatz eines Sensornetzwerks auf dem US-Luftwaffenstützpunkt in Florida. Das System zeigte gute Fähigkeiten bei der Erkennung verschiedener Metallobjekte, auch beweglicher. Durch den Einsatz eines Sensornetzwerks war es möglich, das Eindringen von Personen und Fahrzeugen in den Kontrollbereich zu erkennen und deren Bewegungen zu verfolgen. Um diese Probleme zu lösen, wurden Motoren verwendet, die mit magnetoelektrischen Sensoren und Temperatursensoren ausgestattet waren. Derzeit wird der Umfang des Projekts erweitert und auf einem 10.000 x 500 m großen Gelände ein drahtloses Sensornetzwerk installiert. Relevante Anwendungen Software wird von mehreren amerikanischen Universitäten entwickelt.

Nahezu alle Lebensbereiche des 21. Jahrhunderts sind auf Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) angewiesen. Daten werden nicht nur von Menschen, sondern auch von verschiedensten intelligenten Systemen ausgetauscht, Handys, tragbare Geräte, Geldautomaten, Sensoren. Mindestens 5 Milliarden Geräte sind bereits mit dem Internet der Dinge verbunden. Betrieb aller großen Komplexe - Industrie-, Energie-, Agrarunternehmen, Einkaufszentren, Museen, Büros, Wohngebäude - erfordert eine ständige Überwachung der Situation auf ihrem Territorium. Empfindliche Sensoren überwachen den Zustand der Geräte in Echtzeit, organisieren die Interaktion der Geräte untereinander und warnen vor einem notwendigen Austausch oder vor Notsituationen. Bei schnell wachsenden Datenmengen ist es einfach und einfach bequeme Weise deren Austausch zwischen Geräten und Informationsverarbeitungszentren.

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Drahtlose Sensornetzwerke (WSNs, Wireless Sensor Networks), bestehend aus drahtlosen Sensoren und Steuergeräten und in der Lage, sich mithilfe intelligenter Algorithmen selbst zu organisieren, zeigen groß angelegte Perspektiven für den Einsatz bei der Überwachung der menschlichen Gesundheit, des Zustands der Umwelt und der Funktionsweise der Produktion und Transportsysteme sowie die Abrechnung verschiedener Ressourcen usw. In dieser Ausgabe des Newsletters werden technologische Trends im Bereich WSN im Zusammenhang mit der Bereitstellung vorgestellt Festanstellung drahtlose Sensoren und ihre Anwendung in zwei Bereichen der modernen Wirtschaft – fortschrittliche Fertigung und intelligente Energie (Smart Grid).

Selbstaufladende Touch-Geräte

Für die Entwicklung drahtloser Sensornetzwerke ist es wichtig, das Problem ihrer Stromversorgung zu lösen. Ein vielversprechender Trend ist die Schaffung langlebiger autonomer Geräte mit minimalem Energieverbrauch – umgewandelt aus externen Quellen.

Drahtlose Sensorgeräte können beispielsweise durch Funkenergie betrieben werden, die von einem Sender an sie gesendet wird (ähnlich wie RFID-Geräte (Radio Frequency Identification) oder kontaktlose Smartcards). Diese Energie wird vom Gerät sowohl zum Aufladen des Sensors als auch zur Erzeugung eines Antwortsignals mit Informationen über den aktuellen Zustand des überwachten Objekts verwendet.

Eine andere Methode ist die passive Umwandlung von Energie aus der äußeren Umgebung (Energy Harvesting): Solarenergie (außerhalb des Raums bei relativ klarem Wetter), thermische Energie, mechanische Vibrationsenergie (von Geräten in der Nähe – Montagemaschinen, Förderbänder usw.), Vibrationsenergie der Sensor selbst (bei tragbaren Geräten), Hintergrundfunkemissionen von umliegenden Elektrogeräten (einschließlich WLAN).

Implementierung einer fortschrittlichen Fertigung auf Basis drahtloser Sensornetzwerke

Der irrationale Einsatz von Ressourcen und Produktionskapazitäten, die Entstehung großer Mengen umweltschädlicher Abfälle, das Fehlen einer ständigen Überwachung des Zustands der Anlagen in Unternehmen – diese und andere Probleme der modernen Industrie regen den Übergang zu einem fortschrittlichen Fertigungsmodell an. Sie zeichnet sich durch den Einsatz neuer Materialien und umweltfreundlicher Technologien (grüne Technologien) sowie den weit verbreiteten Einsatz von IKT und intelligenten Systemen, insbesondere Robotik und drahtlosen Sensornetzwerken, aus.

Industrielle drahtlose Sensornetzwerke (IWSS, Industrial Wireless Sensor Networks) sind der wichtigste Faktor bei der Umsetzung fortschrittlicher Fertigung. Zur Verwaltung und Überwachung des Zustands von Objekten im Unternehmen (Ausrüstung, Förderbänder, Montagegeräte, Reaktoren) wird eine Reihe miteinander verbundener drahtloser Sensoren und verwendet Informationssysteme, die Daten von Sensoren verarbeiten und über Steuergeräte mit kontrollierten Objekten interagieren. Ein solches automatisiertes System reagiert auf alle Indikatorenänderungen im Unternehmen, benachrichtigt das Personal über Unfälle und Problemsituationen, analysiert die Effizienz des Geräteeinsatzes, bewertet den Grad der Umweltverschmutzung und die Menge des erzeugten Abfalls.

Smart Grids

Das globale Problem des irrationalen Stromverbrauchs ist für Russland besonders relevant. Hohe Kosten für die Stromerzeugung verteuern die Produktion, wodurch der Endverbraucher doppelt belastet wird. Um die Effizienz und Zuverlässigkeit von Energiesystemen zu verbessern, setzen viele Länder auf das Konzept intelligenter Netze.

Ein solches Netzwerk steuert in Echtzeit alle damit verbundenen Erzeugungsquellen, Übertragungs- und Verteilungsnetze und Einrichtungen, die Strom verbrauchen. Zur Verwaltung eines intelligenten Energienetzes werden drahtlose Sensornetzwerke eingesetzt, die das Volumen der Energieproduktion und des Energieverbrauchs in den verschiedenen Abschnitten überwachen. Mit Hilfe von Informationssystemen wird die optimale Energieverteilung im Netz berechnet, Prognosen für verschiedene Jahreszeiten und Tageszeiten erstellt, Energieproduktion und -lieferung synchronisiert und die Sicherheit von Stromleitungen überwacht. Um die Effizienz des Stromnetzes zu verbessern, werden seine unkritischen Elemente in Zeiten geringer Aktivität abgeschaltet.

Die Überwachung globaler Technologietrends erfolgt durch das Institut für statistische Forschung und Wissensökonomie Weiterführende Schule Wirtschaftswissenschaften () im Rahmen des Grundlagenforschungsprogramms der National Research University Higher School of Economics.

Bei der Erstellung des Trendletters wurden folgende Quellen genutzt: Prognose der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung der Russischen Föderation bis 2030(prognoz2030.hse.ru), Materialien für wissenschaftliche Zeitschriften "Voraussicht"(foresight-journal.hse.ru), Daten Wissenschaftsnetz, Orbit, idc.com,marketsandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru usw.

Die Vorteile drahtloser Sensornetzwerktechnologien können effektiv genutzt werden, um verschiedene Anwendungsprobleme im Zusammenhang mit der verteilten Sammlung, Analyse und Übertragung von Informationen zu lösen.

Gebäudeautomation

In einigen Anwendungen der Gebäudeautomation ist der Einsatz herkömmlicher kabelgebundener Datenübertragungssysteme aus wirtschaftlichen Gründen nicht praktikabel.

Beispielsweise müssen Sie in einem bestehenden Gebäude ein neues System implementieren oder ein bestehendes System erweitern. In diesem Fall ist der Einsatz drahtloser Lösungen die akzeptabelste Option, denn Es sind keine zusätzlichen Installationsarbeiten erforderlich, um die Innenausstattung der Räumlichkeiten zu stören, es entstehen praktisch keine Unannehmlichkeiten für Mitarbeiter oder Bewohner des Gebäudes usw. Dadurch werden die Kosten für die Implementierung des Systems deutlich reduziert.

Ein weiteres Beispiel wären Großraumbürogebäude, bei denen es nicht möglich ist, die genauen Sensorstandorte während der Entwurfs- und Bauphase festzulegen. Gleichzeitig kann sich die Anordnung von Büros während des Betriebs des Gebäudes mehrfach ändern, daher sollte der Zeit- und Kostenaufwand für die Neukonfiguration des Systems minimal sein, was durch den Einsatz drahtloser Lösungen erreicht werden kann.

Darüber hinaus können folgende Beispiele für Systeme auf Basis drahtloser Sensornetzwerke genannt werden:

• Überwachung von Temperatur, Luftstrom, Belegung und Steuerung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen zur Aufrechterhaltung des Mikroklimas;
• Lichtsteuerung;
• Energiemanagement;
• Erfassung von Messwerten von Haushaltszählern für Gas, Wasser, Strom usw.;
• Überwachung des Zustands tragender Strukturen von Gebäuden und Bauwerken.

Industrielle Automatisierung

Bisher wurde der weit verbreitete Einsatz drahtloser Kommunikation im Bereich der industriellen Automatisierung durch die geringe Zuverlässigkeit von Funkkanälen im Vergleich zu kabelgebundenen Verbindungen in rauen Industrieumgebungen behindert, doch drahtlose Sensornetzwerke verändern die aktuelle Situation radikal, denn von Natur aus resistent gegen verschiedene Arten von Störungen (z. B. physische Beschädigung des Knotens, Auftreten von Störungen, Veränderungen bei Hindernissen usw.). Darüber hinaus kann ein drahtloses Sensornetzwerk unter bestimmten Bedingungen eine sogar größere Zuverlässigkeit bieten als ein kabelgebundenes Kommunikationssystem.

Auf drahtlosen Sensornetzwerken basierende Lösungen erfüllen die Anforderungen der Industrie vollständig:

• Fehlertoleranz;
• Skalierbarkeit;
• Anpassungsfähigkeit an Betriebsbedingungen;
• Energieeffizienz;
• unter Berücksichtigung der Besonderheiten der gestellten Aufgabe;
• wirtschaftliche Rentabilität.

Drahtlose Sensornetzwerktechnologien können bei folgenden industriellen Automatisierungsaufgaben Anwendung finden:

• Fernsteuerung und Diagnose von Industrieanlagen;
• Wartung der Ausrüstung aktuellen Zustand(Vorhersage der Sicherheitsmarge);
• Überwachung von Produktionsprozessen;
• Telemetrie für Forschung und Tests.

Andere Anwendungen

Die einzigartigen Eigenschaften und Unterschiede drahtloser Sensornetzwerke zu herkömmlichen drahtgebundenen und drahtlosen Datenübertragungssystemen machen ihren Einsatz in den unterschiedlichsten Bereichen effektiv. Zum Beispiel:

• Sicherheit und Verteidigung:
  • Kontrolle über die Bewegung von Personen und Ausrüstung;
  • Mittel zur operativen Kommunikation und Aufklärung;
  • Perimeterkontrolle und Fernüberwachung;
  • Hilfe bei Rettungseinsätzen;
  • Überwachung von Eigentum und Wertgegenständen;
  • Sicherheits- und Feuermeldesystem;
• Umweltüberwachung:
  • Überwachung der Umweltverschmutzung;
  • Landwirtschaft;
• Gesundheitspflege:
  • Überwachung des physiologischen Zustands von Patienten;
  • Standortkontrolle und Benachrichtigung des medizinischen Personals.

Architektur eines typischen drahtlosen Sensornetzwerks

Drahtloses Sensornetzwerk ist ein verteiltes, selbstorganisierendes Netzwerk aus vielen Sensoren (Sensoren) und Aktoren, die über einen Funkkanal miteinander verbunden sind. Darüber hinaus kann der Abdeckungsbereich eines solchen Netzwerks aufgrund der Möglichkeit, Nachrichten von einem Element an ein anderes weiterzuleiten, zwischen mehreren Metern und mehreren Kilometern liegen.

Als einer der ersten Prototypen eines Sensornetzwerks kann das SOSUS-System zur Erkennung und Identifizierung von U-Booten angesehen werden. Drahtlose Sensornetzwerktechnologien begannen sich erst vor relativ kurzer Zeit – Mitte der 90er Jahre – aktiv zu entwickeln. Doch erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts ermöglichte die Entwicklung der Mikroelektronik die Herstellung ausreichend kostengünstiger Materialien für solche Geräte. Elementbasis. Moderne drahtlose Netzwerke basieren überwiegend auf dem ZigBee-Standard. Eine beträchtliche Anzahl von Branchen und Marktsegmenten (Fertigung, Verschiedene Arten Transport, Lebenserhaltung, Sicherheit), bereit für die Implementierung von Sensornetzwerken, und diese Zahl nimmt kontinuierlich zu. Der Trend wird durch zunehmende Komplexität vorangetrieben technologische Prozesse, die Entwicklung der Produktion, die wachsenden Bedürfnisse des Einzelnen in den Bereichen Sicherheit, Ressourcenkontrolle und Bestandsnutzung. Mit der Entwicklung der Halbleitertechnologien ergeben sich neue praktische Aufgaben und theoretische Probleme im Zusammenhang mit der Anwendung von Sensornetzwerken in der Industrie, im Wohnungs- und Kommunalwesen sowie in Haushalten. Der Einsatz kostengünstiger drahtloser sensorbasierter Parameterüberwachungsgeräte eröffnet neue Einsatzgebiete für Telemetrie- und Steuerungssysteme, wie zum Beispiel:

• Rechtzeitige Erkennung möglicher Ausfälle von Aktoren durch Überwachung von Parametern wie Vibration, Temperatur, Druck usw.;
• Echtzeit-Zugriffskontrolle auf entfernte Systeme des Überwachungsobjekts;
  • Gewährleistung des Schutzes von Museumswertgegenständen
  • Führen von Aufzeichnungen über Ausstellungsstücke
  • automatische Prüfung von Exponaten
• Automatisierung der Inspektion und Wartung von Industrieanlagen;
• Kommerzielle Vermögensverwaltung;
• Einsatz als Komponenten in energie- und ressourcenschonenden Technologien;
• Überwachung von Umweltparametern

Es ist zu beachten, dass das Konzept des Aufbaus eines Sensornetzwerks trotz der langen Geschichte der Sensornetzwerke noch nicht endgültig Gestalt angenommen hat und noch nicht in konkreten Software- und Hardwarelösungen (Plattformlösungen) zum Ausdruck gekommen ist. Die Umsetzung von Sensornetzwerken hängt zum jetzigen Zeitpunkt maßgeblich von den spezifischen Anforderungen der industriellen Aufgabenstellung ab. Die Architektur-, Software- und Hardware-Implementierung befindet sich in der Phase der intensiven Technologiebildung, die die Aufmerksamkeit der Entwickler auf sich zieht, um eine technologische Nische für zukünftige Hersteller zu finden.

Technologien

Drahtlose Sensornetzwerke (WSNs) bestehen aus Miniaturcomputergeräten – Motes, die mit Sensoren (Temperatur, Druck, Licht, Vibrationspegel, Standortsensoren usw.) und Signaltransceivern ausgestattet sind, die in einem bestimmten Funkbereich arbeiten. Flexible Architektur und reduzierte Installationskosten zeichnen drahtlose Netzwerke intelligenter Sensoren von anderen drahtlosen und kabelgebundenen Datenübertragungsschnittstellen aus, insbesondere wenn es um eine große Anzahl miteinander verbundener Geräte geht; ein Sensornetzwerk ermöglicht den Anschluss von bis zu 65.000 Geräten. Die ständige Senkung der Kosten drahtloser Lösungen und die Erhöhung ihrer Betriebsparameter ermöglichen eine schrittweise Umorientierung von kabelgebundenen Lösungen hin zu Systemen zur Erfassung telemetrischer Daten, zur Ferndiagnose und zum Informationsaustausch. „Sensornetzwerk“ ist heute ein etablierter Begriff. Sensornetzwerke), bezeichnet ein verteiltes, selbstorganisierendes, gegen den Ausfall einzelner Elemente resistentes Netzwerk wartungsfreier Geräte, die keiner besonderen Installation bedürfen. Jeder Sensornetzwerkknoten kann enthalten verschiedene Sensoren zur Überwachung der äußeren Umgebung, einen Mikrocomputer und einen Funk-Transceiver. Dadurch kann das Gerät Messungen durchführen, die erste Datenverarbeitung selbstständig durchführen und die Kommunikation mit einem externen Informationssystem aufrechterhalten.

802.15.4/ZigBee verbreitete eine Funktechnologie mit kurzer Reichweite, bekannt als Sensor Networks. WSN – Drahtloses Sensornetzwerk) ist einer der modernen Trends in der Entwicklung selbstorganisierender fehlertoleranter verteilter Systeme zur Überwachung und Verwaltung von Ressourcen und Prozessen. Heute ist die drahtlose Sensornetzwerktechnologie die einzige drahtlose Technologie, mit der Überwachungs- und Steuerungsaufgaben gelöst werden können, die für die Betriebszeit von Sensoren entscheidend sind. In ein drahtloses Sensornetzwerk eingebundene Sensoren bilden ein geografisch verteiltes, selbstorganisierendes System zur Sammlung, Verarbeitung und Übermittlung von Informationen. Das Hauptanwendungsgebiet ist die Steuerung und Überwachung gemessener Parameter physikalischer Umgebungen und Objekte.

Der akzeptierte Standard IEEE 802.15.4 beschreibt die drahtlose Kanalzugriffskontrolle und die physikalische Schicht für drahtlose Personal Area Networks mit niedriger Geschwindigkeit, also die beiden unteren Schichten gemäß Netzwerkmodell OSI. Die „klassische“ Sensornetzwerkarchitektur basiert auf einem typischen Knoten, der ein Beispiel eines typischen RC2200AT-SPPIO-Knotens enthält:

• Funkweg;
• Prozessormodul;
• Batterie;
• verschiedene Sensoren.

Ein typischer Knoten kann durch drei Arten von Geräten dargestellt werden:

• Netzwerkkoordinator (FFD – Fully Function Device);
  • führt die globale Koordination, Organisation und Installation von Netzwerkparametern durch;
  • der komplexeste der drei Gerätetypen, der den größten Speicher- und Stromversorgungsbedarf hat;

• Gerät mit vollständiger Satz Funktionen (FFD – Fully Function Device);
  • 802.15.4-Unterstützung;
  • Durch zusätzlichen Speicher- und Stromverbrauch können Sie als Netzwerkkoordinator fungieren.
  • Unterstützung aller Arten von Topologien („Punkt-zu-Punkt“, „Stern“, „Baum“, „Mesh-Netzwerk“);
  • Fähigkeit, als Netzwerkkoordinator zu fungieren;
  • die Möglichkeit, auf andere Geräte im Netzwerk zuzugreifen;
• (RFD – Gerät mit reduzierter Funktion);
  • unterstützt begrenzte 802.15.4-Funktionen;
  • Unterstützung für Punkt-zu-Punkt- und Sterntopologien;
  • fungiert nicht als Koordinator;
  • kontaktiert den Netzwerkkoordinator und den Router;

Anmerkungen

1. 1 2 3 Ragozin D.V.. Modellierung synchronisierter Sensornetzwerke. Programmierprobleme. 2008. Nr. 2-3. Sonderausgabe – 721-729 S.
2. Baranova E. IEEE 802.15.4 und sein Software-Add-on ZigBee. // Telemultimedia, 8. Mai 2008.
3. Levis P., Madden S., Polastre J. und Dr. „TinyOS: Ein Betriebssystem für drahtlose Sensornetzwerke“ // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (Hrsg.) // In Ambient Intelligence. – New York, NY: Springer-Verlag, 2005. – 374 S.
4. Algoritmische Überlegungen zu drahtlosen Sensornetzwerken. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislaw Kubiak, Hrsg. – Polen, Breslau: Springer, 2007.
5. Intelligente Systeme basierend auf Sensornetzwerken. - www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf // Institut für Feinmechanik und Computertechnologie ihnen. S.A. Lebedev RAS, 2009.
6. Vollständig fertiggestellte ZigBee-Module von RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // Komponenten und Technologien.
7. ZigBee/802.15.4-Protokollstapel auf der Freescale Semiconductor-Plattform – www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt, 2004

Rückblick auf moderne drahtlose Technologien

Sensorarchitektur

Ein Berührungssensor besteht wie jeder andere Telekommunikationsknoten aus Hardware und Software. Im Allgemeinen besteht der Sensor aus Folgendem

Subsysteme: Wahrnehmung, Datenverarbeitung, Überwachung, Kommunikation und Stromversorgung (Abbildung 1.1).

Abbildung 1.1 – Allgemeine Architektur des Sensors.

Das Wahrnehmungssubsystem besteht in der Regel aus einem analogen Gerät, das bestimmte Statistiken erfasst, und einem Analog-Digital-Wandler. Das Datenverarbeitungssubsystem enthält einen Zentralprozessor und einen Speicher, die nicht nur die Speicherung der vom Sensor generierten Daten, sondern auch der Serviceinformationen ermöglichen, die für das korrekte und vollständige Funktionieren des Kommunikationssubsystems erforderlich sind. Das Überwachungssubsystem ermöglicht es dem Sensor, Umgebungsdaten wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Druck, Magnetfeld, luftchemische Analyse usw. zu erfassen. Der Sensor kann auch mit einem Gyroskop und einem Beschleunigungsmesser ergänzt werden, was den Aufbau eines Positionierungssystems ermöglicht.

Fortschritte auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation und der Miniaturisierung von Mikroschaltungen eröffnen neue Horizonte in der Informations- und Computertechnologie. Zusätzlich zu Multi-Hop-Netzwerken gibt es komplexere Routing-Protokolle, bei denen der nächste Knoten auf der Grundlage einer Analyse seiner Eigenschaften ausgewählt wird, beispielsweise Energieniveau, Zuverlässigkeit und dergleichen. Komplizierter wird die Situation, wenn sich die Knoten eines drahtlosen Sensornetzwerks bewegen – die Netzwerktopologie wird dynamisch.

Um einen Sensor als kleines Telekommunikationsgerät (nicht größer als ein Kubikzentimeter) umzusetzen, müssen viele technische Aspekte berücksichtigt werden. Die CPU-Frequenz muss mindestens 20 MHz betragen, Lautstärke Arbeitsspeicher mindestens 4 KB, Übertragungsgeschwindigkeit mindestens 20 Kbps. Durch die Optimierung der Hardware wird die Größe des Sensors verringert, sein Preis steigt jedoch. Betriebssystem(OS) muss unter Berücksichtigung der Architektur des verwendeten Zentralprozessors optimiert werden. Begrenzte Ressourcen und geringe Speichergröße ermutigen dazu, das Betriebssystem im ROM zu platzieren. Derzeit ist Tiny OS ein weit verbreitetes Open-Source-Betriebssystem, das eine flexible Steuerung von Sensoren ermöglicht. verschiedene Hersteller. Im Bereich der Vernetzung bringt die begrenzte Stromversorgung in Sensoren erhebliche Einschränkungen mit sich

der Einsatz von Funktechnologien, die in Sensornetzwerken eingesetzt werden können. Es ist auch zu beachten, dass die begrenzte Leistung des Zentralprozessors die Verwendung standardmäßiger IP-Netzwerk-Routing-Protokolle nicht zulässt

– Die hohe Komplexität der Berechnung des optimalen Pfadalgorithmus führt zu einer Überlastung des Zentralprozessors. Bisher wurde eine Vielzahl spezieller Routing-Protokolle für Sensornetzwerke entwickelt.

Die Entwicklung der Datenübertragungstechnik in Sensornetzwerken ist eine der wichtigsten Aufgaben beim Aufbau eines Sensornetzwerks, da dessen spezifische Architektur und Systemeigenschaften eine ganze Reihe strenger Beschränkungen vorsehen, von denen folgende hervorzuheben sind:

Begrenzte Energiereserven, wodurch die Reichweite begrenzt ist;

Begrenzte Prozessorleistung;

Gleichzeitiger Betrieb einer großen Anzahl von Knoten auf begrenztem Raum;

Äquivalente Knoten, Client-Server-Architektur ist aufgrund ihrer charakteristischen Verzögerungen nicht anwendbar;

Betrieb in einem nicht lizenzierten Frequenzspektrum;

Niedrige Kosten.

Derzeit basiert die Entwicklung von Sensornetzwerken auf dem oben erwähnten IEEE 802.15.4 Zigbee-Standard. Darüber hinaus stelle ich fest, dass die Zigbee-Allianz davon ausgeht, dass der Funkzugang des ZigBee-Standards in Anwendungen wie Überwachung, Produktionsautomatisierung, Sensorik, Sicherheit, Steuerung, Haushaltsgeräte und vieles mehr. Daher können Sensornetzwerkanwendungen in mehrere Hauptkategorien unterteilt werden:

Sicherheit, Notfälle und Militäreinsätze;

Medizin und Gesundheit;

Wetter, Umwelt und Landwirtschaft;

Fabriken, Fabriken, Häuser, Gebäude;

Transportsysteme und Autos.

Ich werde Fälle spezifischer Anwendungen von Sensornetzwerken in den oben genannten Kategorien betrachten. Sensornetzwerke können mindestens in den folgenden Szenarien eingesetzt werden.

Anwendung von Sensornetzwerken

Drahtlose Sensornetzwerke zeichnen sich durch einfache Bereitstellung, Selbstorganisation und Fehlertoleranz aus. Als neues Paradigma für die Informationserfassung werden drahtlose Sensornetzwerke für breite Anwendungen in den Bereichen Gesundheit, Umweltkontrolle, Energie, Lebensmittelsicherheit und Fertigung eingesetzt.

In den letzten Jahren gab es viele Anzeichen dafür, dass Sensornetzwerke Realität werden. Es wurden mehrere Sensorknoten-Prototypen erstellt, darunter Motes in Berkeley, uAMPS am MIT und GNOMES in Rice. Die elementaren Funktionen von Sensornetzwerken sind Positionierung, Erfassung, Verfolgung und Erkennung. Neben militärischen Anwendungen gibt es auch zivile Anwendungen, die auf elementaren Funktionen basieren, die in Habitatkontrolle, Umweltüberwachung, Gesundheitsfürsorge und andere kommerzielle Anwendungen unterteilt werden können

Anwendungen. Darüber hinaus hat Sibley kürzlich einen mobilen Sensor namens Robomote entwickelt, der mit Rädern ausgestattet ist und sich auf dem Feld bewegen kann.

Bei einem der ersten Versuche, Sensornetzwerke für zivile Anwendungen zu nutzen, nutzten Berkeley und das Intel Research Laboratory im Sommer 2002 das Mote-Sensornetzwerk zur Überwachung der Sturmwerte auf den Great Duck Islands, Maine. Zwei Drittel der Sensoren wurden vor der Küste von Maine installiert und sammeln die notwendigen (nützlichen) Informationen in Echtzeit im World Wide Web (Internet). Das System funktionierte mehr als 4 Monate und lieferte Daten

Für 2 Monate, nachdem die Wissenschaftler die Insel aufgrund schlechter Wetterbedingungen (Winter) verlassen hatten. Diese Habitatüberwachungsanwendung stellt eine wichtige Klasse von Sensornetzwerkanwendungen dar. Am wichtigsten ist, dass Netzwerksensoren in der Lage sind, Informationen in gefährlichen Umgebungen zu sammeln, die für Menschen unwirtlich sind. Bei den Überwachungsstudien wurden Designkriterien berücksichtigt, darunter die Designerstellung, die Schaffung eines Sensorsystems mit der Möglichkeit des Fernzugriffs und die Datenverwaltung. Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Anforderungen zu erfüllen, was zur Entwicklung einer Reihe von Prototypen von Sensornetzwerksystemen führte. Das von Berkeley und dem Intel Research Laboratory verwendete Sensorsystem war zwar primitiv, erwies sich jedoch als wirksam bei der Erfassung interessanter Umweltdaten und der Bereitstellung wichtiger Informationen für Wissenschaftler.

Sensornetzwerke finden Anwendung in den Bereichen Beobachtung und Vorhersage (Raten). Ein lebendiges Beispiel für eine solche Anwendung ist das vom National Weather Service mit entwickelte System Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT). drahtloses Netzwerk Sensoren. Ausgestattet mit meteorologischen/hydrologischen Touch-Geräte Sensoren in einer bestimmten Umgebung messen typischerweise verschiedene Eigenschaften des lokalen Wetters wie Wasserstand, Temperatur und Wind. Die Daten werden per Funkkommunikation mit Sichtkontakt über Sensoren an der Basisstation übertragen. Das Hochwasservorhersagemodell wurde angepasst, um die Daten zu verarbeiten und automatische Warnungen auszugeben. Das System bietet wichtige Informationen Niederschlags- und Wasserstände in Echtzeit, um die Möglichkeit möglicher Überschwemmungen überall im Land einzuschätzen. Das derzeitige (aktuelle) ALERT-System ist an der gesamten Westküste der Vereinigten Staaten installiert und wird für Hochwasserwarnungen in Kalifornien und Arizona eingesetzt.

In letzter Zeit Sensorsysteme werden in der Gesundheitsbranche häufig eingesetzt und von Patienten und Ärzten zur Glukoseverfolgung und -überwachung, zur Krebserkennung und sogar zur Herstellung künstlicher Organe eingesetzt. Wissenschaftler schlagen die Möglichkeit vor, biomedizinische Sensoren für verschiedene Zwecke in den menschlichen Körper zu implantieren. Diese Sensoren übermitteln Informationen nach außen Computersystemüber drahtlose Schnittstelle. Mehrere biomedizinische Sensoren werden in ein Anwendungssystem integriert, um die Diagnose und Behandlung von Krankheiten zu bestimmen. Biomedizinische Sensoren läuten ein höheres Niveau der medizinischen Versorgung ein.

Der Hauptunterschied zwischen drahtlosen Sensornetzwerken und herkömmlichen Computer- und Telefonnetzwerken besteht im Fehlen einer dauerhaften Infrastruktur, die einem bestimmten Betreiber oder Anbieter gehört. Jedes Benutzerterminal in einem Sensornetzwerk kann nicht nur als Endgerät, sondern auch als Transitknoten fungieren, wie in Abbildung 1.2 dargestellt.

Abbildung 1.2 – Beispiel für den Anschluss von Netzwerksensoren