Нові пристрої у сфері бездротових сенсорних мереж. Області застосування. Основні засади роботи

Максим Сергієвський

Новітні технології бездротового зв'язкута прогрес у галузі виробництва мікросхем дозволили протягом останніх кількох років перейти до практичної розробки та впровадження нового класу розподілених комунікаційних систем – сенсорних мереж.

Бездротові сенсорні мережі (wireless sensor networks) складаються з мініатюрних обчислювально-комунікаційних пристроїв - мотов ( від англ. motes - порошинки), або сенсорів. Мот є плату розміром зазвичай трохи більше одного кубічного дюйма. На платі розміщуються процесор, пам'ять - флеш та оперативна, цифроаналогові та аналого-цифрові перетворювачі, радіочастотний приймач, джерело живлення та датчики. Датчики можуть бути найрізноманітнішими; вони підключаються через цифрові та аналогові конектори. Найчастіше використовуються датчики температури, тиску, вологості, освітленості, вібрації, рідше – магнітоелектричні, хімічні (наприклад, що вимірюють вміст CO, CO2), звукові та деякі інші. Набір застосовуваних датчиків залежить від функцій, що виконуються бездротовими сенсорними мережами. Живлення мота здійснюється від невеликої батареї. Моти використовуються тільки для збору, первинної обробки та передачі сенсорних даних. Зовнішній виглядмотів, що випускаються різними виробниками, наведено на рис. 1.

Основна функціональна обробка даних, що збираються мотами, здійснюється на вузлі, або шлюзі, який є достатньо потужний комп'ютер. Але для того, щоб опрацювати дані, їх потрібно спочатку отримати. З цією метою вузол обов'язково оснащується антеною. Але в будь-якому випадку доступними для вузла виявляються тільки моти, що знаходяться близько від нього; іншими словами, вузол не отримує інформацію безпосередньо від кожного мота. Проблема отримання сенсорної інформації, що збирається мотами, вирішується так. Моти можуть обмінюватися між собою інформацією за допомогою приймачів, що працюють у радіодіапазоні. Це, по-перше, сенсорна інформація, що зчитується з датчиків, а по-друге, інформація про стан пристроїв та результати процесу передачі даних. Інформація передається від одних мотів іншим ланцюжком, і в результаті найближчі до шлюзу моти скидають йому всю акумульовану інформацію. Якщо частина мотів виходить з ладу, робота сенсорної мережі після реконфігурації має тривати. Але в цьому випадку, звісно, ​​зменшується кількість джерел інформації.

Для виконання функцій на кожен мат встановлюється спеціалізована операційна система. В даний час у більшості бездротових сенсорних мереж використовується TinyOS – ОС, розроблена в Університеті Берклі. TinyOS відноситься до програмного забезпечення з відкритим кодом; воно доступне за адресою: www.tinyos.net. TinyOS – це керована подіями операційна система реального часу, розрахована на роботу в умовах обмежених обчислювальних ресурсів. Ця ОС дозволяє мотам автоматично встановлювати зв'язки із сусідами та формувати сенсорну мережу заданої топології. Останній реліз TinyOS 2.0 з'явився у 2006 році.

Найважливішим фактором під час роботи бездротових сенсорних мереж є обмежена ємність батарей, що встановлюються на моти. Слід враховувати, що замінити батареї найчастіше неможливо. У зв'язку з цим необхідно виконувати на мотах тільки найпростішу первинну обробку, орієнтовану на зменшення обсягу інформації, що передається, і, що найголовніше, мінімізувати число циклів прийому і передачі даних. Для вирішення цього завдання розроблено спеціальні комунікаційні протоколи, найвідомішими з яких є протоколи альянсу ZigBee. Цей альянс (сайт www.zigbee.org) був створений у 2002 році саме для координації робіт у галузі бездротових сенсорних мереж. До нього увійшли найбільші розробники апаратних та програмних засобів: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI та багато інших (всього понад 200 членів). Корпорація Intel до альянсу не входить, хоч і підтримує його діяльність.

В принципі, для вироблення стандарту, у тому числі стека протоколів для бездротових сенсорних мереж, ZigBee використовував розроблений раніше стандарт IEEE 802.15.4, який описує фізичний рівень та рівень доступу до середовища бездротових мереж передачі даних на невеликі відстані(До 75 м) з низьким енергоспоживанням, але з високим ступенем надійності. Деякі характеристики радіопередачі даних стандарту IEEE 802.15.4 наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики радіопередачі даних для IEEE 802.15.4

на Наразі ZigBee розробив єдиний у цій галузі стандарт, який підкріплений наявністю виробництва повністю сумісних апаратних та програмних продуктів. Протоколи ZigBee дозволяють пристроям перебувати в сплячому режимі. пробільшу частину часу, що значно подовжує термін служби батареї.

Очевидно, що розробити схеми обміну даними між сотнями і навіть тисячами мотів не так просто. Поряд з іншим необхідно врахувати той факт, що сенсорні мережі працюють у неліцензованих частотних діапазонахтому у ряді випадків можуть виникати перешкоди, створювані сторонніми джерелами радіосигналів. Бажано також уникати повторної передачі тих самих даних, а крім того, враховувати, що через недостатню енергоємність і зовнішні впливи моти виходитимуть з ладу назавжди або на якийсь час. У всіх таких випадках схеми обміну даними мають бути модифіковані. Оскільки однією з найважливіших функцій TinyOS є автоматичний вибір схеми організації мережі та маршрутів передачі даних, бездротові сенсорні мережі по суті самоналаштовуються.

Найчастіше мот повинен мати можливість самостійно визначити своє місцезнаходження, принаймні по відношенню до того моту, якому він буде передавати дані. Тобто спочатку відбувається ідентифікація всіх мотів, а потім формується схема маршрутизації. Взагалі всі моти – пристрої стандарту ZigBee – за рівнем складності розбиваються на три класи. Вищий з них - координатор - керує роботою мережі, зберігає дані про її топологію і служить шлюзом для передачі даних, що збираються всією бездротовою сенсорною мережею, для подальшої обробки. У сенсорних мережах зазвичай використовується координатор. Середній за складністю мот є маршрутизатором, тобто може приймати та передавати дані, а також визначати напрямки передачі. І нарешті, найпростіший мат може лише передавати дані найближчому маршрутизатору. Таким чином виходить, що стандарт ZigBee підтримує мережу з кластерною архітектурою (рис. 2). Кластер утворюють маршрутизатор та найпростіші моти, у яких він запитує сенсорні дані. Маршрутизатор кластерів ретранслюють дані один одному, і в кінцевому рахунку дані передаються координатору. Координатор зазвичай має зв'язок з IP-мережею, куди направляються дані для остаточної обробки.

У Росії також проводяться розробки, пов'язані зі створенням бездротових сенсорних мереж. Так, компанія "Високотехнологічні системи" пропонує свою апаратно-програмну платформу MeshLogic для побудови бездротових сенсорних мереж (сайт www.meshlogic.ru). Основною відмінністю цієї платформи від ZigBee є орієнтація на побудову однорангових мереж мереж (рис. 3). У таких мережах функціональні можливостікожного мота однакові. Можливість самоорганізації та самовідновлення мереж комірчастої топології дозволяє у разі виходу частини мотів з ладу спонтанно формувати нову структуру мережі. Щоправда, у будь-якому випадку необхідний центральний функціональний вузол, що приймає та обробляє всі дані, або шлюз для передачі даних на обробку вузлу. Спонтанні мережі часто називають латинським терміном Ad Hoc, що означає «для конкретного випадку».

У мережах MeshLogic кожен мот може виконувати ретрансляцію пакетів, тобто за своїми функціями нагадує маршрутизатор ZigBee. Мережі MeshLogic є повністю самоорганізованими: ніякого вузла-координатора не передбачено. Як радіочастотні приймачі в MeshLogic можуть використовуватися різні пристрої, зокрема Cypress WirelessUSB, які так само, як і пристрої стандарту ZigBee, працюють у діапазоні частот 2,4...2,4835 ГГц. Слід зазначити, що для платформи MeshLogic є лише нижні рівні стека протоколів. Вважається що верхні рівні, зокрема мережної та прикладної, створюватимуться під конкретні додатки. Конфігурації та основні параметри двох мотів MeshLogic та одного мота стандарту ZigBee наведено у табл. 2.

Таблиця 2. Основні характеристики мотів різних виробників

Зазначимо, що інтегрованих сенсорних датчиків цих платах немає.

Вкажемо, що насамперед відрізняє бездротові сенсорні мережі від звичайних обчислювальних (провідних та бездротових) мереж:

• повна відсутність будь-яких кабелів - електричних, комунікаційних тощо;
• можливість компактного розміщення або навіть інтеграції мотів до об'єктів навколишнього середовища;
• надійність як окремих елементів, і, що найважливіше, всієї системи загалом; у ряді випадків мережа може функціонувати при справності лише 10-20% сенсорів (мотів);
• відсутність необхідності у персоналі для монтажу та технічного обслуговування.

Сенсорні мережі можна використовувати у багатьох прикладних областях. Бездротові сенсорні мережі - це нова перспективна технологія, і всі пов'язані з нею проекти перебувають у стадії розробки. Вкажемо основні сфери застосування даної технології:

• системи оборони та забезпечення безпеки;
• контроль довкілля;
• моніторинг промислового обладнання;
• охоронні системи;
• моніторинг стану сільськогосподарських угідь;
• керування енергопостачанням;
• контроль систем вентиляції, кондиціювання та освітлення;
• пожежна сигналізація;
• складський облік;
• стеження за транспортуванням вантажів;
• моніторинг фізіологічного стану людини;
• Контроль персоналу.

Із досить великої кількості прикладів використання бездротових сенсорних мереж виділимо два. Найбільш відомим є, мабуть, розгортання мережі на борту нафтового танкера компанії ВР. Там за допомогою мережі, побудованої на основі обладнання Intel, здійснювався моніторинг стану судна з метою його профілактичного обслуговування. Компанія BP проаналізувала, чи може сенсорна мережа працювати на борту судна в умовах екстремальних температур, високої вібрації та значного рівня радіочастотних перешкод, наявних у деяких приміщеннях судна. Експеримент пройшов успішно, кілька разів автоматично здійснювалася реконфігурація та відновлення працездатності мережі.

Прикладом ще одного реалізованого пілотного проекту є розгортання сенсорної мережі на базі військово-повітряних сил США у Флориді. Система продемонструвала хороші можливості розпізнавання різних металевих об'єктів, у тому числі рухомих. Застосування сенсорної мережі дозволило виявляти проникнення людей та автомобілів у контрольовану зону та відстежувати їх переміщення. Для вирішення цих завдань використовувалися моти, оснащені магнітоелектричними та температурними датчиками. В даний час масштаби проекту розширюються, і бездротова сенсорна мережа встановлюється на полігоні розміром 10 000x500 м. Відповідне прикладне програмне забезпеченнярозробляється кількома американськими університетами.

Майже всі сфери життя в 21 столітті залежать від інформаційно-комунікаційних технологій (ІКТ). Даними обмінюються не тільки люди, а й усілякі інтелектуальні системи, мобільні телефони, пристрої, що носяться, банкомати, датчики. До «Інтернету речей» уже підключено щонайменше 5 млрд пристроїв. Функціонування будь-яких великих комплексів - підприємств промисловості, енергетики, сільського господарства, торгових центрів, музеїв, офісів, житлових будівель - пов'язано з постійним контролем ситуації на їхній території. Чутливі сенсори в режимі реального часу стежать за справністю обладнання, організацією взаємодії приладів між собою, попереджають про необхідність їх заміни або надзвичайні ситуації. При стрімко зростаючих обсягах даних необхідний простий і зручний спосібобміну ними між пристроями та центрами обробки інформації.

Версія для друку:

Безпроводові сенсорні мережі (БСС, Wireless Sensor Networks), що складаються з бездротових сенсорів і керуючих пристроїв і здатні до самоорганізації за допомогою інтелектуальних алгоритмів, демонструють масштабні перспективи використання контролю здоров'я людини, стану довкілля, функціонування виробничих і транспортних систем, обліку різних ресурсів та ін. У цьому випуску інформаційного бюлетеня представлені технологічні тренди в області БСС, пов'язані із забезпеченням постійної роботибездротових сенсорів та їх застосуванням у двох галузях сучасної економіки – передовому виробництві (advanced manufacturing) та «розумній» енергетиці (smart grid).

Самозарядні сенсорні пристрої

Для розвитку бездротових сенсорних мереж важливо вирішити проблему їхнього енергоживлення. Перспективним трендом є створення довговічних автономних пристроїв із мінімальним споживанням енергії – перетвореною із зовнішніх джерел.

Бездротові сенсорні пристрої можуть, наприклад, живитися від енергії радіосигналу, відправленого на них від будь-якого передавача (подібно до пристроїв радіочастотної ідентифікації (RFID) або безконтактних смарт-карт). Ця енергія використовується пристроєм як для підзарядки сенсора, так і для формування сигналу у відповідь з інформацією про поточний стан контрольованого об'єкта.

Інший спосіб - пасивне перетворення енергії із зовнішнього середовища (energy harvesting): сонячної (зовні приміщення за досить ясної погоди), теплової, енергії механічних вібрацій (від працюючих поруч приладів - складальних апаратів, конвеєрів тощо), енергії вібрацій самого сенсора (у випадку з пристроями, що носяться), фонових радіовипромінювань від навколишніх електроприладів (у тому числі Wi-Fi).

Реалізація передового виробництва з урахуванням бездротових сенсорних мереж

Нераціональне використання ресурсів і виробничих потужностей, вироблення великої кількості відходів, що забруднюють довкілля, відсутність постійного контролю стану об'єктів на підприємствах - ці та інші проблеми сучасної промисловості стимулюють перехід до моделі передового виробництва (advanced manufacturing). Для нього характерні використання нових матеріалів та екологічно безпечних технологій (green technologies), а також повсюдне застосування ІКТ та інтелектуальних систем, зокрема робототехніки та бездротових сенсорних мереж.

Індустріальні бездротові сенсорні мережі (ІБСС, Industrial Wireless Sensor Networks) – найважливіший чинник реалізації передового виробництва. Для управління та контролю стану об'єктів на підприємстві (обладнання, конвеєрів, складальних апаратів, реакторів) використовується набір взаємопов'язаних бездротових сенсорів та інформаційних систем, які обробляють дані з сенсорів та взаємодіють з контрольованими об'єктами за допомогою керуючих пристроїв. Така автоматизована система реагує на будь-які зміни показників на підприємстві, повідомляє персонал про аварії та проблемні ситуації, аналізує ефективність використання обладнання, оцінює рівень забруднення навколишнього середовища та обсяги вироблених відходів.

«Розумні» енергомережі

Глобальна проблема нераціонального використання електроенергії є особливо актуальною для Росії. Великі витрати на генерацію електроенергії збільшують собівартість виробництва, що лягає подвійним тягарем на кінцевого споживача. Для підвищення ефективності та надійності енергосистем багато країн переходять до концепції «розумних» енергомереж (smart grid).

Така мережа управляє в режимі реального часу всіма приєднаними до неї генеруючими джерелами, магістральними та розподільчими мережами та об'єктами, що споживають електроенергію. Для управління розумною енергомережею використовуються бездротові сенсорні мережі, які контролюють обсяги енерговиробництва та енергоспоживання на різних її ділянках. За допомогою інформаційних систем розраховується оптимальне розподілення енергії в мережі, будуються прогнози на різні сезони та періоди дня, синхронізуються вироблення енергії та її доставка, контролюється безпека ліній електропередач. Для підвищення ефективності енергомережі її некритичні елементи на час зниженої активності вимикаються.

Моніторинг глобальних технологічних трендів проводиться Інститутом статистичних досліджень та економіки знань Вищої школиекономіки () у рамках Програми фундаментальних досліджень НДУ ВШЕ.

Під час підготовки трендлеттера використовувалися такі джерела: Прогноз науково-технологічного розвитку РФ до 2030 року(prognoz2030.hse.ru), матеріали наукового журналу «Форсайт»(foresight-journal.hse.ru), дані Web of Science, Orbit, idc.com, marketsandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru та ін.

Переваги технологій бездротових сенсорних мереж можуть бути ефективно використані для вирішення різних прикладних завдань, пов'язаних із розподіленим збором, аналізом та передачею інформації.

Автоматизація будівель

У деяких додатках автоматизації будівель використання традиційних провідних систем передачі даних є недоцільним з економічних причин.

Наприклад, потрібно впровадити нову або розширити існуючу систему в будівлі, що експлуатується. І тут застосування бездротових рішень є найбільш прийнятним варіантом, т.к. не потрібне проведення додаткових монтажних робіт з порушенням внутрішнього оздоблення приміщень, практично не завдаються незручності співробітникам чи мешканцям будівлі тощо. Внаслідок цього значно знижується вартість впровадження системи.

Іншим прикладом можуть бути офісні будівлі з вільним плануванням, для яких неможливо вказати точні місця встановлення датчиків на етапі проектування та будівництва. При цьому планування офісів може багаторазово змінюватися в процесі функціонування будівлі, отже витрати часу і коштів на переконфігурацію системи повинні бути мінімальними, що може бути досягнуто застосуванням бездротових рішень.

На додаток можна навести такі приклади систем на основі бездротових сенсорних мереж:

• моніторинг температури, витрати повітря, присутності людей та управління обладнанням опалення, вентиляції та кондиціювання з метою підтримки мікроклімату;
• керування освітленням;
• керування енергопостачанням;
• збирання показань квартирних лічильників газу, води, електроенергії тощо;
• моніторинг стану несучих конструкцій будівель та споруд.

Промислова автоматизація

До нашого часу широке використання бездротового зв'язку у сфері промислової автоматизації стримувалося низькою надійністю радіоканалів проти проводовими з'єднаннями у важких умовах промислової експлуатації, але бездротові сенсорні мережі кардинальним чином змінюють ситуацію, т.к. за своєю природою стійкі до різноманітних збурень (наприклад, фізичне ушкодженнявузла, поява перешкоди, зміна перешкод тощо). Більш того, в деяких умовах бездротова сенсорна мережа може навіть забезпечити більшу надійність, ніж провідна система зв'язку.

Рішення на основі бездротових сенсорних мереж повною мірою відповідають вимогам, що пред'являються з боку промисловості:

• відмовостійкість;
• масштабованість;
• адаптованість до умов експлуатації;
• енергетична ефективність;
• облік специфіки прикладного завдання;
• економічна рентабельність

Технології бездротових сенсорних мереж можуть знайти застосування у наступних завданнях промислової автоматизації:

• дистанційний контроль та діагностика промислового обладнання;
• технічне обслуговування обладнання з поточним станом(Прогнозування запасу надійності);
• моніторинг виробничих процесів;
• телеметрія для досліджень та випробувань.

Інші програми

Унікальні особливості та відмінності бездротових сенсорних мереж від традиційних провідних та бездротових систем передачі даних роблять їх застосування ефективним у різних областях. Наприклад:

• безпека та оборона:
  • контроль за переміщенням людей та техніки;
  • засоби оперативного зв'язку та розвідки;
  • контроль периметра та віддалене спостереження;
  • допомога у проведенні рятувальних операцій;
  • моніторинг майна та цінностей;
  • охоронно-пожежна сигналізація;
• моніторинг довкілля:
  • моніторинг забруднень;
  • сільське господарство;
• охорона здоров'я:
  • моніторинг фізіологічного стану пацієнтів;
  • контроль розташування та оповіщення медичного персоналу.

Архітектура типової бездротової сенсорної мережі

Бездротова сенсорна мережа- це розподілена мережа безлічі датчиків (сенсорів) і виконавчих пристроїв, об'єднаних між собою за допомогою радіоканалу. Причому область покриття подібної мережі може становити від кількох метрів до кількох кілометрів за рахунок можливості ретрансляції повідомлень від одного елемента до іншого.

Одним із перших прототипів сенсорної мережі можна вважати систему СОСУС, призначену для виявлення та ідентифікації підводних човнів. Технології бездротових сенсорних мереж почали активно розвиватися порівняно недавно - у середині 90-х. Однак лише на початку XXI століття розвиток мікроелектроніки дозволив виробляти для таких пристроїв досить дешеву елементну базу. Сучасні бездротові мережі здебільшого базуються на стандарті ZigBee. Чимало галузей і сегментів ринку (виробництво, різні видитранспорту, забезпечення життєдіяльності, охорона), готових для впровадження сенсорних мереж, і ця кількість безперервно збільшується. Тенденція обумовлена ​​ускладненням технологічних процесів, розвитком виробництва, що розширюються потребами приватних осіб у сегментах безпеки, контролю ресурсів та використання товарно-матеріальних цінностей. З розвитком напівпровідникових технологій з'являються нові практичні завдання та теоретичні проблеми, пов'язані із застосуванням сенсорних мереж у промисловості, житлово-комунальному комплексі, домашніх господарствах. Використання недорогих сенсорних бездротових пристроїв контролю параметрів відкриває нові області для застосування систем телеметрії та контролю, такі як :

• Своєчасне виявлення можливих відмов виконавчих механізмів щодо контролю таких параметрів, як вібрація, температура, тиск тощо;
• контроль доступу в режимі реального часу до віддалених систем об'єкта моніторингу;
  • забезпечення охорони музейних цінностей
  • забезпечення обліку експонатів
  • автоматична ревізія експонатів
• Автоматизація інспекції та технічного обслуговування промислових активів;
• Управління комерційними активами;
• Застосування як компоненти в енерго- та ресурсозберігаючих технологій;
• Контролює екологічні параметри навколишнього середовища

Слід зазначити, що незважаючи на тривалу історію сенсорних мереж, концепція побудови сенсорної мережі остаточно не оформилася і не виразилася певними програмно-апаратними (платформними) рішеннями. p align="justify"> Реалізація сенсорних мереж на поточному етапі багато в чому залежить від конкретних вимог індустріальної задачі. Архітектура, програмно-апаратна реалізація знаходиться на етапі інтенсивного формування технології, що звертає увагу розробників з метою пошуку технологічної ніші майбутніх виробників.

Технології

Бездротові сенсорні мережі (WSN) складаються з мініатюрних обчислювальних пристроїв - мотів, забезпечених сенсорами (датчиками температури, тиску, освітленості, рівня вібрації, місця розташування тощо) та приймачами сигналів, що працюють у заданому радіодіапазоні. Гнучка архітектура, зниження витрат при монтажі виділяють бездротові мережі інтелектуальних датчиків серед інших бездротових та провідних інтерфейсів передачі даних, особливо коли йдеться про велику кількість з'єднаних між собою пристроїв, сенсорна мережа дозволяє підключати до 65000 пристроїв. Постійне зниження вартості бездротових рішень, підвищення їх експлуатаційних параметрів дозволяють поступово переорієнтуватися з провідних рішень у системах збирання телеметричних даних, засобів дистанційної діагностики, обміну інформацією. «Сенсорна мережа» є сьогодні усталеним терміном (англ. Sensor Networks), що позначає розподілену, самоорганізується, стійку до відмови окремих елементів мережу з необслуговуваних і не потребують спеціальної установки пристроїв. Кожен вузол сенсорної мережі може містити різні датчикидля контролю зовнішнього середовища, мікрокомп'ютер та радіоприймач. Це дозволяє пристрою проводити вимірювання, самостійно проводити початкову обробку даних та підтримувати зв'язок із зовнішньою інформаційною системою.

Технологія ближнього радіозв'язку, що ретранслюється 802.15.4/ZigBee, відома як «Сенсорні мережі» (англ. WSN - Wireless Sensor Network), є одним із сучасних напрямків розвитку самоорганізованих відмовостійких розподілених систем спостереження та управління ресурсами та процесами. Сьогодні технологія бездротових сенсорних мереж є єдиною бездротовою технологією, за допомогою якої можна вирішити завдання моніторингу та контролю, які критичні до часу роботи датчиків. Об'єднані в бездротову сенсорну мережу датчики утворюють територіально-розподілену систему збору, обробки і передачі інформації, що самоорганізується. Основною сферою застосування є контроль та моніторинг вимірюваних параметрів фізичних середовищ та об'єктів.

Прийнятий стандарт IEEE 802.15.4 описує контроль доступу до бездротового каналу та фізичний рівень для низькошвидкісних бездротових персональних мереж, тобто два нижні рівні мережевої моделі OSI. «Класична» архітектура сенсорної мережі заснована на типовому вузлі, який включає в себе приклад типового вузла RC2200AT-SPPIO :

• радіотракт;
• процесорний модуль;
• елемент живлення;
• різні датчики.

Типовий вузол може бути представлений трьома типами пристроїв:

• Мережевий координатор (FFD – Fully Function Device);
  • здійснює глобальну координацію, організацію та встановлення параметрів мережі;
  • найбільш складний із трьох типів пристроїв, що вимагає найбільший обсяг пам'яті та джерело живлення;

• Пристрій з повним наборомфункцій (FFD – Fully Function Device);
  • підтримка 802.15.4;
  • додаткова пам'ять та енергоспоживання дозволяє виконувати роль координатора мережі;
  • підтримка всіх типів топологій («крапка-крапка», «зірка», «дерево», «коміркова мережа»);
  • здатність виконувати роль координатора мережі;
  • здатність звертатися до інших пристроїв у мережі;
• (RFD – Reduced Function Device);
  • підтримує обмежений набір функцій 802.15.4;
  • підтримка топологій "точка-точка", "зірка";
  • не виконує функції координатора;
  • звертається до координатора мережі та маршрутизатора;

Примітки

1. 1 2 3 Рагозін Д.В.. Моделювання синхронізованих сенсорних мереж. Проблеми програмування. 2008. № 2-3. Спеціальний випуск – 721-729 с.
2. Баранова Є. IEEE 802.15.4 та його програмна надбудова ZigBee. // Телемультимедіа, 8 травня 2008 року.
3. Levis P., Madden S., Polastro J. and dr. “TinyOS: An operating system for wireless sensor networks” // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (Eds.) // In Ambient Intelligence. - New York, NY: Springer-Verlag, 2005. - 374 p.
4. Algoritmic Acpects of Wireless Sensor Networks. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislaw Kubiak, Eds. - Poland, Wrozlaw: Springer, 2007.
5. Інтелектуальні системи з урахуванням сенсорних мереж. - www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf // Інститут точної механіки та обчислювальної технікиім. С.А. Лебедєва РАН, 2009.
6. Цілком закінчені ZigBee-модулі компанії RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // Компоненти та технології.
7. Стек протоколів ZigBee/802.15.4 на платформі Freescale Semiconductor - www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt, 2004

Огляд сучасних бездротових технологій

Архітектура сенсора

Сенсорний датчик складається з апаратної та програмної частини, як і будь-який інший телекомунікаційний вузол. Загалом сенсор складається з наступних

підсистем: сприйняття, обробки даних, моніторингу, комунікаційної та джерела живлення (Малюнок 1.1).

Рисунок 1.1 – Загальна архітектура детектора.

Підсистема сприйняття складається, як правило, з аналогового пристрою, що знімає певну статистику та аналого-цифрового перетворювача. Підсистема обробки даних містить у собі центральний процесор і пам'ять, що дозволяють зберігати як генеровані сенсором дані, а й службову інформацію, необхідна коректного і повноцінного функціонування комунікаційної підсистеми. Підсистема моніторингу дозволяє сенсору збирати дані про довкілля, такі як вологість, температура, тиск, магнітне поле, хімічний аналіз повітря тощо. Також сенсор може бути доповнений гіроскопом, акселерометром, що дає можливість побудувати систему позиціонування.

Прогрес у галузі бездротового зв'язку та мініатюризація мікросхем відкривають нові горизонти в інформаційно-комп'ютерних технологіях. Крім багатокрокових мереж існують складніші протоколи маршрутизації, коли наступний вузол вибирається на основі аналізу його характеристик, наприклад, рівень енергії, надійність тощо. Ситуація ускладнюється у разі, коли вузли бездротової сенсорної мережі пересуваються – топологія мережі стає динамічною.

Для реалізації сенсора як телекомунікаційного пристрою малого розміру (не більше одного кубічного сантиметра) необхідно враховувати багато технічних аспектів. Частота центрального процесора має бути не менше 20МГц, об'єм оперативної пам'ятіщонайменше 4 КБ, швидкість передачі щонайменше 20 Кбіт/с. Оптимізація апаратної частини дозволить знизити розміри сенсора, але спричинить збільшення його ціни. Операційну систему(ОС) необхідно оптимізувати з урахуванням архітектури центрального процесора, що застосовується. Обмежені ресурси та малий розмір пам'яті стимулюють розміщення ОС у ПЗП. В даний час широко поширена ОС з відкритим кодом Tiny OS, що дозволяє гнучко управляти сенсорами різних виробників. У галузі мережевої взаємодії, обмежене джерело живлення в сенсорах накладає суттєві обмеження на

використання радіотехнологій, які можуть бути використані в сенсорних мережах. Також слід зазначити, що обмежена продуктивність центрального процесора не дозволяє застосування стандартних протоколів маршрутизації IP-мереж.

- Висока складність розрахунку алгоритму оптимального шляху перевантажить центральний процесор. На сьогоднішній день розроблено велику кількість спеціальних протоколів маршрутизації для сенсорних мереж.

Розробка технології передачі даних у сенсорних мережах є одним із найважливіших завдань при побудові сенсорної мережі, так як її специфічні архітектурні та системні характеристикинакладають безліч жорстких обмежень, серед яких слід підкреслити наступні:

Обмежені запаси енергії, через що радіус дії обмежений;

Обмежена продуктивність процесора;

Одночасне функціонування великої кількості вузлів на обмеженому просторі;

Рівнозначність вузлів, архітектура «клієнт-сервер» не застосовується у зв'язку з характерною нею затримками;

Функціонування в спектрі частот, що не ліцензується;

Низька вартість.

На даний час розробка сенсорних мереж будується на стандарті IEEE 802.15.4 Zigbee, про який я згадувала вище. Додатково зазначу, що альянсом Zigbee передбачається, що радіодоступ стандарту ZigBee буде застосовуватися в таких додатках, як моніторинг, автоматизація виробництва, сенсори, безпека, контроль, побутова технікаі багато іншого. Таким чином, програми сенсорних мереж можна розділити на кілька основних категорій:

Безпека, надзвичайні ситуації та військові операції;

Медицина та здоров'я;

Погода, навколишнє середовище та сільське господарство;

Фабрики, заводи, будинки, будинки;

Транспортні системи та автомобілі.

Розгляну випадки конкретного застосування сенсорних мереж у перерахованих вище категоріях. Сенсорні мережі можуть, як мінімум, використовуватись у таких сценаріях.

Застосування сенсорних мереж

Безпорводні сенсорні мережі мають унікальні характеристики легкого розгортання, самоорганізації та стійкості до відмов. З'явившись як нова парадигма збору інформації, бездротові сенсорні мережі були використані в широких цілях, пов'язаних з охороною здоров'я, контроль довкілля, енергії, безпеки харчових продуктів та виробництва.

Протягом останніх кількох років було багато передумов того, що сенсорні мережі стануть реальними. Було створено кілька прототипів сенсорних нодів, включаючи Motes у Berkeley, uAMPS у MIT (у Массачусетському технологічному інституті), та GNOMES у Rice. Елементарними функціями сенсорних мереж є позиціонування, виявлення, стеження та виявлення. Крім військових застосувань, також були цивільні застосування, засновані на елементарних функціях, які можна розділити на контроль довкілля, спостереження за довкіллям, охорони здоров'я та інших комерційних

додатків. На додаток, Sibley нещодавно створили мобільний датчик, названий як Robomote, він обладнаний коліщатками і здатний переміщатися по полю.

Як одну з перших спроб використання сенсорних мереж для цивільного застосування, Berkeley та Intel Research Laboratory використовували сенсорну мережу Моте для контролю показів штормів на Великих островах Duck, штат Мен влітку 2002 року. Дві третини сенсорних датчиків були встановлені біля берегів Мен збору необхідної (корисної) інформації в реальному часі у всесвітню путіну (інтернет). Система працювала більше 4 місяців і постачала дані

Протягом 2 місяців після того, як вчені покинули острів через погані погодні умови (взимку). Ця програма моніторингу довкілля є важливий клас додатків сенсорних мереж. Найважливіше те, що мережеві сенсори здатні збирати інформацію в небезпечних умовах, несприятливих для людей. У ході моніторингових досліджень було розглянуто критерії дизайну, включаючи дизайн створення, створення сенсорної системи з можливістю віддаленого доступу та управління даними. Були зроблені численні спроби досягнення вимог, що призвело до розвитку системи набору сенсорних датчиків (set of prototype sensor network systems). Сенсорна система, що використовується Berkeley and Intel Research Laboratory, хоч і примітивна, але була ефективна у збиранні цікавих даних довкілля та забезпечила вчених важливою інформацією.

Сенсорні мережі знайшли застосування у сфері спостереження та передбачення (припущення). Живим прикладом такого застосування є система Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT), розроблена Національною Службою Погоди з бездротовою мережеюсенсорів. Забезпечені метеорологічними/гідрологічними сенсорними пристроями, Сенсори в цих умовах зазвичай вимірюють кілька властивостей місцевої погоди, таких як рівень води, температуру, вітер. Дані передаються через пряму лінію радіопередачі через сенсори на базовій станції. Модель Прогнозу Повеней була пристосована для обробки даних та видачі автоматичного попередження. Система забезпечує важливу інформаціюпро опади та рівень води в реальному часі для оцінки можливості потенційної повені в будь-якій точці країни. Справжня (поточна) система ALERT встановлена ​​на всьому західному узбережжі США і використовується для попередження повеней у Каліфорнії та Аризоні.

Останнім часом, системи сенсорів інтенсивно використовуються у сфері охорони здоров'я, що застосовуються пацієнтами та лікарями для відстеження та моніторингу рівня глюкози, детекторів раку та навіть штучних органів. Вчені припускають можливість імплантування біомедичних сенсорів у людське тіло для різних цілей. Ці рецептори передають інформацію на зовнішню комп'ютерну системучерез бездротовий інтерфейс. Декілька біомедичних сенсорів об'єднані в систему додатків для визначення діагнозу та лікування хвороби. Біомедичні рецептори віщують більш просунутий рівень медичної допомоги.

Головною відмінністю бездротових сенсорних мереж від традиційних комп'ютерних та телефонних мереж є відсутність постійної інфраструктури, яка належить певному оператору чи провайдеру. Кожен термінал користувача в сенсорній мережі має можливість функціонувати не тільки як кінцевий пристрій, але, так само як і транзитний вузол, як показано на Рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 – Приклад підключення сенсорів мережі