Novi uređaji u području bežičnih senzorskih mreža. Područja upotrebe. Osnovni principi rada

Maksim Sergijevski

Najnovije tehnologije bežična komunikacija i napredak u području proizvodnje mikrosklopova omogućili su, tijekom posljednjih nekoliko godina, prelazak na praktični razvoj i implementaciju nove klase distribuiranih komunikacijskih sustava - senzorskih mreža.

Bežične senzorske mreže sastoje se od minijaturnih računalnih i komunikacijskih uređaja - mote ( s engleskog mrvice - čestice prašine), ili senzori. Mote je daska koja obično nije veća od jednog kubičnog inča. Ploča sadrži procesor, flash i RAM memoriju, digitalno-analogne i analogno-digitalne pretvarače, radiofrekvencijski primopredajnik, napajanje i senzore. Senzori mogu biti vrlo raznoliki; spajaju se preko digitalnih i analognih konektora. Najčešće korišteni senzori su temperatura, tlak, vlažnost, osvjetljenje, vibracije, rjeđe - magnetoelektrični, kemijski (na primjer, mjerenje sadržaja CO, CO2), zvuk i neki drugi. Skup korištenih senzora ovisi o funkcijama koje obavljaju mreže bežičnih senzora. Moto se napaja pomoću male baterije. Mote se koriste samo za prikupljanje, primarnu obradu i prijenos senzorskih podataka. Izgled motke koje proizvode različiti proizvođači prikazane su na sl. 1.

Glavna funkcionalna obrada podataka prikupljenih motovima provodi se na čvoru ili pristupniku, koji je prilično moćno računalo. Ali da bi se obradili podaci, prvo moraju biti primljeni. U tu svrhu jedinica mora biti opremljena antenom. Ali u svakom slučaju, čvoru su dostupne samo mrvice koje su mu dovoljno blizu; drugim riječima, čvor ne prima informacije izravno od svakog mrlja. Problem dobivanja senzornih informacija prikupljenih mrljama rješava se na sljedeći način. Mote mogu međusobno razmjenjivati ​​informacije pomoću radio primopredajnika. To su, prvo, senzorne informacije očitane sa senzora, a drugo, informacije o stanju uređaja i rezultatima procesa prijenosa podataka. Informacije se prenose s jednog mrlja na drugi duž lanca, i kao rezultat toga, mrlje najbliže pristupniku ispuštaju sve akumulirane informacije na njega. Ako neka od čestica otkaže, rad mreže senzora nakon rekonfiguracije treba nastaviti. Ali u ovom slučaju, naravno, smanjuje se broj izvora informacija.

Za obavljanje funkcija, specijalizirani operativni sustav instaliran je na svakom motu. Trenutačno većina bežičnih senzorskih mreža koristi TinyOS, OS razvijen na Sveučilištu Berkeley. TinyOS se odnosi na softver sa otvoreni izvor; dostupan je na: www.tinyos.net. TinyOS je operativni sustav u stvarnom vremenu vođen događajima, dizajniran za rad u okruženjima s ograničenim resursima. Ovaj OS omogućuje motovima da automatski uspostave veze sa susjedima i formiraju senzorsku mrežu zadane topologije. Posljednje izdanje, TinyOS 2.0, pojavilo se 2006.

Najvažniji čimbenik u radu bežičnih senzorskih mreža je ograničeni kapacitet baterija instaliranih na motkama. Imajte na umu da je često nemoguće zamijeniti baterije. U tom smislu, potrebno je izvršiti samo najjednostavniju primarnu obradu na komadićima, usmjerenu na smanjenje količine prenesenih informacija i, što je najvažnije, minimiziranje broja ciklusa prijema i prijenosa podataka. Za rješavanje ovog problema razvijeni su posebni komunikacijski protokoli od kojih su najpoznatiji protokoli ZigBee alijanse. Ovaj savez (web stranica www.zigbee.org) stvoren je 2002. godine posebno za koordinaciju rada na području bežičnih senzorskih mreža. Uključuje najveće programere hardvera i softver: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI i mnogi drugi (ukupno više od 200 članova). Intel Corporation nije član saveza, iako podržava njegove aktivnosti.

U načelu, za razvoj standarda, uključujući hrpu protokola za bežične mreže senzora, ZigBee je koristio prethodno razvijeni standard IEEE 802.15.4, koji opisuje fizički sloj i sloj pristupa medijima za bežične podatkovne mreže na kratke udaljenosti(do 75 m) s malom potrošnjom energije, ali s visokim stupnjem pouzdanosti. Neke karakteristike radijskog prijenosa podataka za standard IEEE 802.15.4 dane su u tablici. 1.

Tablica 1. Karakteristike radijskog prijenosa podataka za IEEE 802.15.4

Na ovaj trenutak ZigBee je razvio jedini standard u ovom području, koji je podržan dostupnošću potpuno kompatibilnih hardverskih i softverskih proizvoda. ZigBee protokoli omogućuju uređajima da spavaju b O većinu vremena, što značajno produljuje trajanje baterije.

Očito, nije tako lako razviti sheme razmjene podataka između stotina, pa čak i tisuća moteova. Uz ostalo, potrebno je uzeti u obzir i činjenicu da senzorske mreže rade bez dozvole frekvencijski rasponi, stoga u nekim slučajevima može doći do smetnji od vanjskih izvora radio signala. Također je preporučljivo izbjegavati ponavljanje prijenosa istih podataka, a uz to uzeti u obzir da zbog nedovoljne potrošnje energije i vanjski utjecaji motori će otkazati trajno ili neko vrijeme. U svim takvim slučajevima komunikacijske sheme moraju se modificirati. Budući da je jedna od najvažnijih značajki TinyOS-a automatski odabir dizajna mreže i putova podataka, bežične mreže senzora u biti se same konfiguriraju.

Najčešće, trun mora biti u stanju odrediti vlastitu lokaciju, barem u odnosu na drugi trun kojem će prenositi podatke. To jest, prvo se identificiraju svi moteovi, a zatim se formira shema usmjeravanja. Općenito, svi motovi - uređaji ZigBee standarda - podijeljeni su u tri klase prema razini složenosti. Najviši od njih - koordinator - upravlja radom mreže, pohranjuje podatke o njezinoj topologiji i služi kao pristupnik za prijenos podataka prikupljenih cijelom bežičnom senzorskom mrežom na daljnju obradu. Senzorske mreže obično koriste jednog koordinatora. Moto prosječne složenosti je usmjerivač, odnosno može primati i slati podatke, kao i određivati ​​smjerove prijenosa. Konačno, najjednostavniji mote može samo prenijeti podatke do najbližeg usmjerivača. Dakle, ispada da ZigBee standard podržava mrežu s arhitekturom klastera (slika 2). Klaster se sastoji od usmjerivača i najjednostavnijih čestica od kojih traži senzorske podatke. Usmjerivači klastera međusobno prosljeđuju podatke, a na kraju se podaci prenose koordinatoru. Koordinator obično ima vezu s IP mrežom, gdje se podaci šalju na konačnu obradu.

U Rusiji su također u tijeku razvoji vezani uz stvaranje bežičnih senzorskih mreža. Tako tvrtka High-Tech Systems nudi svoju hardversku i softversku platformu MeshLogic za izgradnju bežičnih senzorskih mreža (web stranica www.meshlogic.ru). Glavna razlika između ove platforme i ZigBeea je njezin fokus na izgradnju peer-to-peer mesh mreža (slika 3). U takvim mrežama funkcionalnost svaki motor je isti. Mogućnost samoorganizacije i samoiscjeljivanja mrežnih topoloških mreža omogućuje, u slučaju kvara nekih motora, spontano formiranje nove mrežne strukture. Istina, u svakom slučaju središnja funkcionalna jedinica, koji prima i obrađuje sve podatke, ili gateway za prijenos podataka do čvora na obradu. Spontano stvorene mreže često se nazivaju latinskim pojmom Ad Hoc, što znači "za određenu priliku".

U MeshLogic mrežama svaki mote može obavljati packet relaying, odnosno njegove funkcije podsjećaju na ZigBee router. MeshLogic mreže su potpuno samoorganizirajuće: nema koordinatorskog čvora. Mogu se koristiti kao RF primopredajnici u MeshLogicu razne uređaje, posebice Cypress WirelessUSB, koji, poput standardnih ZigBee uređaja, rade u frekvencijskom rasponu 2,4... 2,4835 GHz. Treba napomenuti da za MeshLogic platformu postoje samo niži slojevi protokola. Vjeruje se da gornje razine, posebice mrežni i aplikacijski, bit će kreirani za specifične aplikacije. Konfiguracije i glavni parametri dvaju MeshLogic motea i jednog ZigBee standardnog motea prikazani su u tablici. 2.

Tablica 2. Glavne karakteristike motora raznih proizvođača

Imajte na umu da na ovim pločama nema integriranih senzora za dodir.

Naznačimo što prvenstveno razlikuje bežične senzorske mreže od konvencionalnih računalnih (žičanih i bežičnih) mreža:

• potpuno odsustvo bilo kakvih kabela - električnih, komunikacijskih itd.;
• mogućnost kompaktnog postavljanja ili čak integracije motora u okolišne objekte;
• pouzdanost pojedinačnih elemenata i, što je još važnije, cijelog sustava u cjelini; u nekim slučajevima mreža može funkcionirati kada radi samo 10-20% senzora (motova);
• nema potrebe za osobljem za instalaciju i održavanje.

Mreže senzora mogu se koristiti u mnogim područjima primjene. Bežične senzorske mreže nova su obećavajuća tehnologija i svi povezani projekti uglavnom su u fazi razvoja. Navodimo glavna područja primjene ove tehnologije:

• obrambeni sustavi i sigurnost;
• kontrola okoliša;
• nadzor industrijske opreme;
• sigurnosni sustavi;
• praćenje stanja poljoprivrednog zemljišta;
• upravljanje energijom;
• upravljanje sustavima ventilacije, klimatizacije i rasvjete;
• protupožarni alarm;
• upravljanje zalihama;
• praćenje prijevoza tereta;
• praćenje fiziološkog stanja osobe;
• kontrola osoblja.

Od prilično velikog broja primjera korištenja bežičnih senzorskih mreža, izdvojit ćemo dva. Možda najpoznatije je postavljanje mreže na tanker za naftu od strane BP-a. Tamo se putem mreže izgrađene na Intelovoj opremi pratilo stanje plovila kako bi se organiziralo njegovo preventivno održavanje. BP je procijenio može li mreža senzora raditi na brodu u uvjetima ekstremnih temperatura, visokih vibracija i značajnih razina radiofrekvencijskih smetnji koje se nalaze u nekim dijelovima broda. Eksperiment je bio uspješan; mreža je automatski rekonfigurirana i vraćena nekoliko puta.

Primjer još jednog dovršenog pilot projekta je postavljanje mreže senzora u bazi američkog ratnog zrakoplovstva na Floridi. Sustav je pokazao dobre sposobnosti za prepoznavanje raznih metalnih predmeta, uključujući one u pokretu. Korištenjem senzorske mreže omogućeno je detektiranje upada ljudi i vozila u kontrolirani prostor te praćenje njihovog kretanja. Za rješavanje ovih problema korišteni su motori opremljeni magnetoelektričnim i temperaturnim senzorima. Trenutno se opseg projekta proširuje, te se postavlja bežična senzorska mreža na lokaciji dimenzija 10.000x500 m. Relevantne aplikacije softver razvija nekoliko američkih sveučilišta.

Gotovo sva područja života u 21. stoljeću ovise o informacijskim i komunikacijskim tehnologijama (ICT). Podatke ne razmjenjuju samo ljudi, već i sve vrste inteligentnih sustava, Mobiteli, nosivi uređaji, bankomati, senzori. Najmanje 5 milijardi uređaja već je povezano s Internetom stvari. Rad bilo kojih velikih kompleksa - industrijskih, energetskih, poljoprivrednih poduzeća, trgovački centri, muzeji, uredi, stambene zgrade - uključuje stalno praćenje situacije na njihovom teritoriju. Osjetljivi senzori prate stanje opreme u stvarnom vremenu, organiziraju međusobnu interakciju uređaja i upozoravaju na potrebu njihove zamjene ili hitne situacije. Uz brzo rastuće količine podataka, jednostavno i prikladan način razmjenjujući ih između uređaja i centara za obradu informacija.

Verzija za ispis:

Bežične senzorske mreže (WSNs, Wireless Sensor Networks), koje se sastoje od bežičnih senzora i upravljačkih uređaja i sposobne su se samoorganizirati korištenjem inteligentnih algoritama, pokazuju velike izglede za korištenje u praćenju zdravlja ljudi, stanja okoliša, funkcioniranja proizvodnje i transportnih sustava, te računovodstva za razne resurse itd. Ovaj broj biltena predstavlja tehnološke trendove u području WSN-a vezane uz pružanje stalni posao bežični senzori i njihova primjena u dva područja suvremenog gospodarstva – naprednoj proizvodnji i pametnoj energiji (smart grid).

Samopunjivi uređaji na dodir

Za razvoj bežičnih senzorskih mreža važno je riješiti problem njihovog napajanja. Obećavajući trend je stvaranje izdržljivih autonomnih uređaja s minimalnom potrošnjom energije - pretvorenih iz vanjskih izvora.

Bežični senzorski uređaji mogu se, primjerice, napajati radio energijom koju im šalje neka vrsta odašiljača (slično uređajima za radiofrekvencijsku identifikaciju (RFID) ili beskontaktnim pametnim karticama). Ovu energiju uređaj koristi kako za ponovno punjenje senzora tako i za generiranje signala odgovora s informacijama o trenutnom stanju kontroliranog objekta.

Druga metoda je pasivna pretvorba energije iz vanjskog okruženja (energija žetve): solarne (izvan prostorije pri prilično vedrom vremenu), toplinske, mehaničke vibracijske energije (od obližnjih uređaja - strojeva za montažu, transportera itd.), vibracijske energije samog senzora (u slučaju nosivih uređaja), pozadinske radijske emisije okolnih električnih uređaja (uključujući Wi-Fi).

Implementacija napredne proizvodnje temeljene na bežičnim senzorskim mrežama

Neracionalno korištenje resursa i proizvodnih kapaciteta, stvaranje velikih količina otpada koji zagađuje okoliš, nedostatak stalnog praćenja stanja pogona u poduzećima - ovi i drugi problemi moderne industrije potiču prijelaz na napredni model proizvodnje. Karakterizira ga uporaba novih materijala i ekološki prihvatljivih tehnologija (zelene tehnologije), kao i raširena uporaba ICT-a i inteligentnih sustava, posebice robotike i bežičnih senzorskih mreža.

Industrijske bežične senzorske mreže (IWSS, Industrial Wireless Sensor Networks) najvažniji su čimbenik u implementaciji napredne proizvodnje. Za upravljanje i praćenje stanja objekata u poduzeću (oprema, transporteri, uređaji za montažu, reaktori), skup međusobno povezanih bežičnih senzora i informacijski sustavi, koji obrađuju podatke sa senzora i komuniciraju s kontroliranim objektima pomoću kontrolnih uređaja. Takav automatizirani sustav reagira na sve promjene pokazatelja u poduzeću, obavještava osoblje o nesrećama i problemskim situacijama, analizira učinkovitost korištenja opreme, procjenjuje razinu onečišćenja okoliša i količinu proizvedenog otpada.

Pametne mreže

Globalni problem neracionalnog korištenja električne energije posebno je relevantan za Rusiju. Visoki troškovi proizvodnje električne energije povećavaju troškove proizvodnje, što dvostruko opterećuje krajnjeg potrošača. Kako bi se poboljšala učinkovitost i pouzdanost elektroenergetskih sustava, mnoge zemlje prelaze na koncept pametnih mreža.

Takva mreža u stvarnom vremenu kontrolira sve proizvodne izvore, prijenosne i distribucijske mreže te na nju priključene objekte koji troše električnu energiju. Za upravljanje pametnom energetskom mrežom koriste se bežične senzorske mreže koje prate količinu proizvodnje energije i potrošnju energije u njezinim različitim dijelovima. Uz pomoć informacijskih sustava izračunava se optimalna raspodjela energije u mreži, izrađuju se prognoze za različita godišnja doba i razdoblja dana, sinkronizira se proizvodnja i isporuka energije te prati sigurnost vodova. Kako bi se poboljšala učinkovitost električne mreže, njeni nekritični elementi se isključuju tijekom razdoblja smanjene aktivnosti.

Praćenje globalnih tehnoloških trendova provodi Zavod za statistička istraživanja i ekonomiku znanja Srednja škola Ekonomija () u okviru Programa temeljnih istraživanja Nacionalnog istraživačkog sveučilišta Visoka ekonomska škola.

U izradi trendlettera korišteni su sljedeći izvori: Prognoza znanstvenog i tehnološkog razvoja Ruske Federacije do 2030(prognoz2030.hse.ru), materijali znanstvenog časopisa "Predviđanje"(foresight-journal.hse.ru), podaci Web of Science, Orbita, idc.com, marketsandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru itd.

Prednosti tehnologija bežične senzorske mreže mogu se učinkovito koristiti za rješavanje raznih primijenjenih problema vezanih uz distribuirano prikupljanje, analizu i prijenos informacija.

Automatizacija zgrada

U nekim primjenama automatizacije zgrada, korištenje tradicionalnih žičanih sustava za prijenos podataka nije praktično iz ekonomskih razloga.

Na primjer, trebate implementirati novi ili proširiti postojeći sustav u postojećoj zgradi. U ovom slučaju, korištenje bežičnih rješenja je najprihvatljivija opcija, jer nisu potrebni dodatni instalacijski radovi koji bi poremetili unutarnje uređenje prostora, praktički se ne stvaraju nikakve neugodnosti zaposlenicima ili stanovnicima zgrade itd. Kao rezultat toga, troškovi implementacije sustava su značajno smanjeni.

Drugi primjer bile bi poslovne zgrade otvorenog plana gdje nije moguće odrediti točne lokacije senzora tijekom faze projektiranja i izgradnje. U isto vrijeme, raspored ureda može se promijeniti mnogo puta tijekom rada zgrade, stoga bi vrijeme i novac utrošen na rekonfiguraciju sustava trebali biti minimalni, što se može postići korištenjem bežičnih rješenja.

Osim toga, mogu se dati sljedeći primjeri sustava koji se temelje na bežičnim senzorskim mrežama:

• nadzor temperature, protoka zraka, popunjenosti i kontrole opreme za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju radi održavanja mikroklime;
• kontrola rasvjete;
• upravljanje energijom;
• prikupljanje očitanja stambenih brojila za plin, vodu, struju itd.;
• praćenje stanja nosivih konstrukcija zgrada i građevina.

Industrijska automatizacija

Do sada je raširena uporaba bežičnih komunikacija u području industrijske automatizacije bila spriječena niskom pouzdanošću radijskih kanala u usporedbi s žičanim vezama u teškim industrijskim okruženjima, no bežične senzorske mreže radikalno mijenjaju trenutnu situaciju, jer po svojoj prirodi otporni na različite vrste smetnji (primjerice, fizičko oštećenje čvora, pojavu smetnji, promjene prepreka itd.). Štoviše, u nekim uvjetima bežična senzorska mreža može pružiti čak i veću pouzdanost od žičanog komunikacijskog sustava.

Rješenja temeljena na bežičnim senzorskim mrežama u potpunosti zadovoljavaju zahtjeve industrije:

• tolerancija kvarova;
• skalabilnost;
• prilagodljivost radnim uvjetima;
• energetska učinkovitost;
• uzimajući u obzir specifičnosti primijenjenog zadatka;
• ekonomska isplativost.

Tehnologije bežične senzorske mreže mogu pronaći primjenu u sljedećim zadacima industrijske automatizacije:

• daljinsko upravljanje i dijagnostika industrijske opreme;
• održavanje opreme Trenutna država(predviđanje sigurnosne granice);
• praćenje proizvodnih procesa;
• telemetrija za istraživanje i testiranje.

Ostale aplikacije

Jedinstvene značajke i razlike bežičnih senzorskih mreža od tradicionalnih žičanih i bežičnih sustava prijenosa podataka čine njihovu upotrebu učinkovitom u širokom rasponu područja. Na primjer:

• sigurnost i obrana:
  • nadzor nad kretanjem ljudi i opreme;
  • sredstva operativne veze i izviđanja;
  • kontrola perimetra i daljinski nadzor;
  • pomoć u operacijama spašavanja;
  • praćenje imovine i dragocjenosti;
  • sigurnosni i protupožarni sustav;
• praćenje okoliša:
  • praćenje onečišćenja;
  • Poljoprivreda;
• zdravstvo:
  • praćenje fiziološkog stanja pacijenata;
  • kontrola lokacije i obavještavanje medicinskog osoblja.

Arhitektura tipične bežične senzorske mreže

Bežična senzorska mreža je distribuirana, samoorganizirajuća mreža mnogih senzora (senzora) i aktuatora međusobno povezanih preko radio kanala. Štoviše, područje pokrivenosti takve mreže može se kretati od nekoliko metara do nekoliko kilometara zbog mogućnosti prijenosa poruka s jednog elementa na drugi.

Jedan od prvih prototipova mreže senzora može se smatrati sustavom SOSUS, dizajniranim za otkrivanje i identifikaciju podmornica. Tehnologije bežične senzorske mreže počele su se aktivno razvijati relativno nedavno - sredinom 90-ih. Međutim, tek početkom 21. stoljeća razvoj mikroelektronike omogućio je proizvodnju dovoljno jeftinih materijala za takve uređaje. baza elemenata. Moderne bežične mreže uglavnom se temelje na ZigBee standardu. Značajan broj industrija i tržišnih segmenata (proizvodnja, različite vrste transport, održavanje života, sigurnost), spremni za implementaciju senzorskih mreža, a taj broj je u stalnom porastu. Trend je vođen sve većom složenošću tehnološki procesi, razvoj proizvodnje, sve veće potrebe pojedinaca u segmentima sigurnosti, kontrole resursa i korištenja zaliha. S razvojem poluvodičkih tehnologija pojavljuju se novi praktični zadaci i teorijski problemi vezani uz primjenu senzorskih mreža u industriji, stambeno-komunalnim djelatnostima i kućanstvima. Korištenje jeftinih bežičnih senzorskih uređaja za praćenje parametara otvara nova područja za korištenje telemetrije i sustava upravljanja, kao što su:

• Pravovremena identifikacija mogućih kvarova aktuatora praćenjem parametara kao što su vibracije, temperatura, tlak itd.;
• Kontrola pristupa udaljenim sustavima objekta nadzora u stvarnom vremenu;
  • osiguranje zaštite muzejskih dragocjenosti
  • vođenje evidencije izložaka
  • automatska revizija eksponata
• Automatizacija pregleda i održavanja industrijske imovine;
• Upravljanje komercijalnom imovinom;
• Primjena kao komponente u tehnologijama za uštedu energije i resursa;
• Praćenje okolišnih parametara okoliša

Treba napomenuti da usprkos dugoj povijesti senzorskih mreža, koncept izgradnje senzorske mreže nije konačno uobličen i nije izražen u konkretnim softverskim i hardverskim (platformskim) rješenjima. Implementacija senzorskih mreža u sadašnjoj fazi uvelike ovisi o specifičnim zahtjevima industrijskog zadatka. Arhitektura, programska i hardverska implementacija je u fazi intenzivnog tehnološkog formiranja, što skreće pozornost programera kako bi pronašli tehnološku nišu za buduće proizvođače.

Tehnologije

Bežične senzorske mreže (WSN) sastoje se od minijaturnih računalnih uređaja - moteva, opremljenih senzorima (temperatura, tlak, svjetlo, razina vibracija, senzori lokacije itd.) i primopredajnicima signala koji rade u zadanom radijskom rasponu. Fleksibilna arhitektura i smanjeni troškovi instalacije razlikuju bežične mreže pametnih senzora od drugih bežičnih i žičanih sučelja za prijenos podataka, posebno kada je riječ o velikom broju međusobno povezanih uređaja; mreža senzora omogućuje povezivanje do 65.000 uređaja. Stalno smanjenje troškova bežičnih rješenja i povećanje njihovih radnih parametara omogućuje postupnu preorijentaciju sa žičanih rješenja na sustave za prikupljanje telemetrijskih podataka, daljinsku dijagnostiku i razmjenu informacija. "Senzorska mreža" danas je uvriježeni pojam. Mreže senzora), označava distribuiranu, samoorganizirajuću, otpornu na kvar pojedinih elemenata mrežu uređaja bez održavanja koji ne zahtijevaju posebnu instalaciju. Svaki čvor senzorske mreže može sadržavati razni senzori za nadzor vanjskog okruženja, mikroračunalo i radio primopredajnik. To omogućuje uređaju da provodi mjerenja, samostalno provodi početnu obradu podataka i održava komunikaciju s vanjskim informacijskim sustavom.

802.15.4/ZigBee relejna radio tehnologija kratkog dometa poznata kao senzorske mreže. WSN - bežična senzorska mreža), jedan je od suvremenih trendova u razvoju samoorganizirajućih distribuiranih sustava otpornih na greške za nadzor i upravljanje resursima i procesima. Danas je tehnologija mreže bežičnih senzora jedina bežična tehnologija koja se može koristiti za rješavanje zadataka nadzora i upravljanja koji su ključni za vrijeme rada senzora. Senzori integrirani u bežičnu senzorsku mrežu tvore geografski distribuiran samoorganizirajući sustav za prikupljanje, obradu i prijenos informacija. Glavno područje primjene je kontrola i praćenje izmjerenih parametara fizičkih okruženja i objekata.

Prihvaćeni standard IEEE 802.15.4 opisuje kontrolu pristupa bežičnom kanalu i fizički sloj za bežične osobne mreže male brzine, odnosno dva niža sloja prema mrežni model OSI. „Klasična“ arhitektura senzorske mreže temelji se na tipičnom čvoru, koji uključuje primjer tipičnog RC2200AT-SPPIO čvora:

• radio staza;
• procesorski modul;
• baterija;
• razni senzori.

Tipični čvor može se predstaviti s tri vrste uređaja:

• Mrežni koordinator (FFD - Fully Function Device);
  • provodi globalnu koordinaciju, organizaciju i postavljanje mrežnih parametara;
  • najsloženiji od tri tipa uređaja, koji zahtijeva najveću količinu memorije i napajanja;

• Uređaj sa cijeli set funkcije (FFD - Fully Function Device);
  • 802.15.4 podrška;
  • dodatna memorija i potrošnja energije omogućuju vam da djelujete kao mrežni koordinator;
  • podrška za sve vrste topologija (“point-to-point”, “star”, “tree”, “mesh network”);
  • sposobnost djelovanja kao mrežni koordinator;
  • mogućnost pristupa drugim uređajima na mreži;
• (RFD - Reduced Function Device);
  • podržava ograničene značajke 802.15.4;
  • podrška za topologiju točka-točka i zvijezda;
  • ne obavlja funkciju koordinatora;
  • kontaktira mrežnog koordinatora i usmjerivača;

Bilješke

1. 1 2 3 Ragozin D.V.. Modeliranje sinkroniziranih senzorskih mreža. Problemi s programiranjem. 2008. broj 2-3. Posebno izdanje – 721-729 str.
2. Baranova E. IEEE 802.15.4 i njegov softverski dodatak ZigBee. // Telemultimedija, 08.05.2008.
3. Levis P., Madden S., Polastre J. i dr. “TinyOS: operativni sustav za bežične senzorske mreže” // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (ur.) // In Ambient Intelligence. – New York, NY: Springer-Verlag, 2005. – 374 str.
4. Algoritamska razmatranja bežičnih senzorskih mreža. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislav Kubiak, ur. – Poljska, Wrozlaw: Springer, 2007.
5. Inteligentni sustavi bazirani na senzorskim mrežama. - www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf // Institut za preciznu mehaniku i računalna tehnologija ih. S.A. Lebedev RAS, 2009.
6. Potpuno dovršeni ZigBee moduli tvrtke RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // Komponente i tehnologije.
7. ZigBee/802.15.4 protokol protokola na platformi Freescale Semiconductor - www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt, 2004.

Pregled modernog bežične tehnologije

Arhitektura senzora

Senzor dodira sastoji se od hardvera i softvera, kao i svaki drugi telekomunikacijski čvor. Općenito, senzor se sastoji od sljedećeg

podsustavi: percepcija, obrada podataka, nadzor, komunikacija i napajanje (Slika 1.1).

Slika 1.1 – Opća arhitektura senzora.

Podsustav percepcije sastoji se u pravilu od analognog uređaja koji uzima određene statistike i analogno-digitalnog pretvarača. Podsustav za obradu podataka sadrži središnji procesor i memoriju koji omogućuju pohranjivanje ne samo podataka koje generira senzor, već i servisnih informacija potrebnih za ispravno i potpuno funkcioniranje komunikacijskog podsustava. Podsustav nadzora omogućuje senzoru prikupljanje podataka o okolišu kao što su vlažnost, temperatura, tlak, magnetsko polje, kemijska analiza zraka itd. Senzor se također može nadopuniti žiroskopom i akcelerometrom, što omogućuje izgradnju sustava za pozicioniranje.

Napredak u području bežičnih komunikacija i minijaturizacija mikrosklopova otvara nove horizonte u informacijskim i računalnim tehnologijama. Osim multi-hop mreža, postoje i složeniji protokoli usmjeravanja gdje se sljedeći čvor bira na temelju analize njegovih karakteristika, primjerice razine energije, pouzdanosti i slično. Situacija postaje kompliciranija kada se čvorovi bežične senzorske mreže pomaknu – topologija mreže postaje dinamična.

Da bi se senzor implementirao kao mali telekomunikacijski uređaj (ne veći od jednog kubičnog centimetra), potrebno je uzeti u obzir mnoge tehničke aspekte. CPU frekvencija mora biti najmanje 20 MHz, volumen RAM memorija najmanje 4 KB, brzina prijenosa najmanje 20 Kbps. Optimizacija hardvera smanjit će veličinu senzora, ali će dovesti do povećanja njegove cijene. Operacijski sustav(OS) mora biti optimiziran uzimajući u obzir arhitekturu korištenog središnjeg procesora. Ograničeni resursi i mala veličina memorije potiču postavljanje OS-a u ROM. Trenutačno je Tiny OS široko korišten operativni sustav otvorenog koda koji omogućuje fleksibilnu kontrolu senzora. različitih proizvođača. U području umrežavanja, ograničeno napajanje senzora nameće značajna ograničenja

korištenje radijskih tehnologija koje se mogu koristiti u senzorskim mrežama. Također treba napomenuti da ograničena izvedba središnjeg procesora ne dopušta korištenje standardnih IP mrežnih protokola usmjeravanja

– velika složenost izračuna algoritma optimalnog puta će preopteretiti središnji procesor. Do danas je razvijen veliki broj posebnih protokola usmjeravanja za senzorske mreže.

Razvoj tehnologije prijenosa podataka u senzorskim mrežama jedan je od najvažnijih zadataka pri izgradnji senzorske mreže, budući da je njezina specifična arhitektura i karakteristike sustava nameću čitav niz strogih ograničenja, među kojima valja istaknuti sljedeće:

Ograničene rezerve energije, što znači da je domet ograničen;

Ograničene performanse procesora;

Istovremeni rad velikog broja čvorova u ograničenom prostoru;

Ekvivalencija čvorova, arhitektura klijent-poslužitelj nije primjenjiva zbog svojih karakterističnih kašnjenja;

Rad u nelicenciranom frekvencijskom spektru;

Niska cijena.

Trenutačno se razvoj senzorskih mreža temelji na standardu IEEE 802.15.4 Zigbee, koji sam gore spomenuo. Dodatno, napominjem da Zigbee savez pretpostavlja da će se radijski pristup ZigBee standarda koristiti u aplikacijama kao što su nadzor, automatizacija proizvodnje, senzori, sigurnost, kontrola, Uređaji i mnogo više. Stoga se aplikacije senzorske mreže mogu podijeliti u nekoliko glavnih kategorija:

Sigurnost, hitne situacije i vojne operacije;

Medicina i zdravlje;

Vrijeme, okoliš i poljoprivreda;

Tvornice, tvornice, kuće, zgrade;

Transportni sustavi i automobili.

Razmotrit ću slučajeve specifičnih primjena senzorskih mreža u gornjim kategorijama. Mreže senzora mogu se koristiti barem u sljedećim scenarijima.

Primjena senzorskih mreža

Bežične senzorske mreže imaju jedinstvene karakteristike jednostavne implementacije, samoorganizacije i tolerancije na pogreške. Pojavljujući se kao nova paradigma za prikupljanje informacija, bežične senzorske mreže korištene su za široke primjene vezane uz zdravlje, kontrolu okoliša, energiju, sigurnost hrane i proizvodnju.

Tijekom proteklih nekoliko godina bilo je mnogo naznaka da će mreže senzora postati stvarnost. Stvoreno je nekoliko prototipova senzorskih čvorova, uključujući Motes na Berkeleyju, uAMPS na MIT-u i GNOMES na Riceu. Osnovne funkcije senzorskih mreža su pozicioniranje, očitavanje, praćenje i detekcija. Osim vojnih primjena, postojale su i civilne primjene temeljene na elementarnim funkcijama, koje se mogu podijeliti na kontrolu staništa, nadzor okoliša, zdravstvenu skrb i druge komercijalne

aplikacije. Osim toga, Sibley je nedavno stvorio mobilni senzor nazvan Robomote, koji je opremljen kotačima i može se kretati po terenu.

U jednom od prvih pokušaja korištenja senzorskih mreža za civilne primjene, Berkeley i Intel Research Laboratory upotrijebili su senzorsku mrežu Mote za praćenje očitanja oluja na Great Duck Islands, Maine u ljeto 2002. godine. Dvije trećine senzora postavljeno je uz obalu Mainea, prikupljajući potrebne (korisne) informacije u stvarnom vremenu na svjetskoj mreži (Internet). Sustav je radio više od 4 mjeseca i davao podatke

Već 2 mjeseca nakon što su znanstvenici napustili otok zbog loših vremenskih uvjeta (zima). Ova aplikacija za praćenje staništa predstavlja važnu klasu aplikacija senzorske mreže. Što je najvažnije, mrežni senzori mogu prikupljati informacije u opasnim okruženjima koja su negostoljubiva za ljude. Tijekom studija praćenja razmatrani su kriteriji projektiranja, uključujući izradu projekta, izradu senzorskog sustava s mogućnošću daljinskog pristupa i upravljanje podacima. Učinjeni su brojni pokušaji da se ispune zahtjevi, što je dovelo do razvoja niza prototipa senzorskih mrežnih sustava. Sustav senzora koji su koristili Berkeley i Intel Research Laboratory, iako primitivan, bio je učinkovit u prikupljanju zanimljivih podataka o okolišu i pružanju važnih informacija znanstvenicima.

Mreže senzora pronašle su primjenu u područjima promatranja i predviđanja (pogađanja). Živi primjer takve primjene je sustav automatizirane lokalne procjene u stvarnom vremenu (ALERT) koji je razvila Nacionalna meteorološka služba s bežična mreža senzori. Opremljen meteorološkim/hidrološkim dodirni uređaji Senzori u određenom okruženju obično mjere nekoliko svojstava lokalnog vremena kao što su razina vode, temperatura, vjetar. Podaci se prenose radijskom komunikacijom unutar vidnog polja preko senzora na baznoj stanici. Model prognoze poplava prilagođen je za obradu podataka i izdavanje automatskih upozorenja. Sustav osigurava važna informacija oborine i razine vode u stvarnom vremenu kako bi se procijenila mogućnost potencijalnih poplava bilo gdje u zemlji. Sadašnji (trenutni) sustav ALERT instaliran je diljem Zapadne obale Sjedinjenih Država i koristi se za upozorenja na poplave u Kaliforniji i Arizoni.

U zadnje vrijeme, Senzorski sustavi intenzivno se koriste u zdravstvenoj industriji, koriste ih pacijenti i liječnici za praćenje i nadzor glukoze, detektore raka, pa čak i umjetne organe. Znanstvenici sugeriraju mogućnost ugradnje biomedicinskih senzora u ljudsko tijelo za različite svrhe. Ovi senzori prenose informacije vanjskim računalni sustav putem bežičnog sučelja. Nekoliko biomedicinskih senzora integrirano je u aplikacijski sustav za određivanje dijagnoze i liječenja bolesti. Biomedicinski senzori najavljuju napredniju razinu medicinske skrbi.

Glavna razlika između bežičnih senzorskih mreža i tradicionalnih računalnih i telefonskih mreža je nepostojanje stalne infrastrukture koja pripada određenom operateru ili davatelju usluga. Svaki korisnički terminal u senzorskoj mreži ima mogućnost funkcioniranja ne samo kao krajnji uređaj, već i kao tranzitni čvor, kao što je prikazano na slici 1.2.

Slika 1.2 – Primjer povezivanja mrežnih senzora