Omrežna arhitektura brezžičnega senzorja in njegove aplikacije

Trenutno WSN (brezžično senzorsko omrežje) je najbolj standardna storitev, ki se uporablja v komercialnih in industrijskih aplikacijah, zaradi svojega tehničnega razvoja v procesorju, komunikaciji in nizki porabi vgrajenih računalniških naprav. Arhitektura omrežja brezžičnega senzorja je zgrajena z vozlišči, ki se uporabljajo za opazovanje okolice, kot so temperatura, vlaga, tlak, položaj, vibracije, zvok itd. Ta vozlišča se lahko uporabljajo v različnih aplikacijah v realnem času za izvajanje različnih nalog, kot so pametno zaznavanje, odkritje sosednjih vozlišč, obdelava in shranjevanje podatkov, zbiranje podatkov, sledenje ciljem, spremljanje in nadzor, sinhronizacija, lokalizacija vozlišč in učinkovito usmerjanje med bazno postajo in vozlišči. Trenutno se WSN-ji začenjajo organizirati v izboljšanih korakih. Ni nerodno pričakovati, da bo svet čez 10 do 15 let zaščiten z omrežji WSN z dostopom do njih prek interneta. To lahko izmerimo kot internet, ki postane fizična n / w. Ta tehnologija navdušuje z neskončnim potencialom na številnih področjih uporabe, kot so medicina, okolje, promet, vojska, zabava, domovinska obramba, krizno upravljanje in tudi pametni prostori.

Kaj je brezžično senzorsko omrežje?

Brezžični Sensor Network je ena vrsta brezžičnega omrežja ki vključuje veliko število krožnih, samodejno usmerjenih minutnih naprav z nizko močjo, imenovanih senzorska vozlišča, imenovana motes. Ta omrežja zagotovo pokrivajo ogromno prostorsko porazdeljenih, malo vgrajenih naprav, ki delujejo na baterije, ki so povezane v omrežje za skrbno zbiranje, obdelavo in prenos podatkov operaterjem, nadzoruje pa tudi zmožnosti računalništva in obdelave. Vozlišča so majhni računalniki, ki skupaj tvorijo mreže.

Brezžično omrežje senzorjev

Senzorsko vozlišče je večnamenska, energetsko učinkovita brezžična naprava. Uporabe motes v industriji so zelo razširjene. Zbirka vozlišč senzorjev zbira podatke iz okolice za doseganje specifičnih ciljev aplikacije. Komunikacijo med moti lahko opravimo med seboj s pomočjo oddajnikov. V brezžičnem senzorskem omrežju je lahko število zvokov okoli sto / celo tisoč. V nasprotju s senzorji n / ws bodo imela priložnostna omrežja manj vozlišč brez kakršne koli strukture.

Brezžična senzorska arhitektura omrežja

Najpogostejša omrežna arhitektura brezžičnega senzorja sledi modelu arhitekture OSI. Arhitektura WSN vključuje pet slojev in tri križne sloje. Večinoma v senzorju n / w potrebujemo pet slojev, in sicer aplikacijo, transport, n / w, podatkovno povezavo in fizični sloj. Tri navzkrižne ravni so namreč upravljanje moči, upravljanje mobilnosti in upravljanje nalog. Te plasti WSN se uporabljajo za doseganje n / w in senzorje, da delujejo skupaj, da bi povečali popolno učinkovitost omrežja. Prosimo, sledite spodnji povezavi za Vrste brezžičnih senzorskih omrežij in WSN topologije

Vrste arhitektur WSN

Arhitektura, ki se uporablja v WSN, je senzorska arhitektura omrežja. Tovrstna arhitektura je uporabna v različnih krajih, kot so bolnišnice, šole, ceste, zgradbe, pa tudi v različnih aplikacijah, kot so upravljanje varnosti, obvladovanje nesreč in krizno upravljanje itd. V brezžičnem senzorju se uporabljata dve vrsti arhitektur omrežja, ki vključujejo naslednje. Obstajata 2 vrsti arhitektur brezžičnih senzorjev: Arhitektura večplastne mreže in Arhitektura gruč. Ti so razloženi spodaj.

• Arhitektura večplastne mreže
• Gručena omrežna arhitektura

Arhitektura večplastne mreže

Tovrstno omrežje uporablja na stotine vozlišč senzorjev in bazne postaje. Tu lahko razporeditev omrežnih vozlišč izvedemo v koncentrične plasti. Sestavljen je iz petih slojev in treh križnih slojev, ki vključujejo naslednje.

Pet plasti v arhitekturi je:

• Sloj aplikacije
• Transportni sloj
• Omrežni sloj
• Sloj podatkovne povezave
• Fizična plast

Trije križni sloji vključujejo naslednje:

• Raven za upravljanje napajanja
• Raven upravljanja mobilnosti
• Raven upravljanja nalog

Ti trije navzkrižni sloji se v glavnem uporabljajo za nadzor omrežja in za delovanje senzorjev kot enega za povečanje splošne učinkovitosti omrežja. Zgoraj omenjenih pet plasti WSN je obravnavanih v nadaljevanju.

Brezžična senzorska arhitektura omrežja

Sloj aplikacije

Aplikacijski sloj je odgovoren za upravljanje prometa in ponuja programsko opremo za številne aplikacije, ki podatke pretvorijo v jasno obliko za iskanje pozitivnih informacij. Senzorska omrežja so razporejena v številne aplikacije na različnih področjih, kot so kmetijstvo, vojska, okolje, medicina itd.

Transportni sloj

Naloga transportnega sloja je zagotavljanje izogibanja zastojem in zanesljivosti, kjer je veliko protokolov, ki naj bi ponujali to funkcijo, praktično v zgornjem toku. Ti protokoli uporabljajo različne mehanizme za prepoznavanje in obnovo izgub. Transportni sloj je natančno potreben, kadar načrtujemo sistem za stik z drugimi omrežji.

Zagotavljanje zanesljive povrnitve izgub je energetsko učinkovitejše in to je eden glavnih razlogov, zakaj TCP ni primeren za omrežje WSN. Na splošno lahko transportne plasti ločimo na paketno vodene in dogodkovno vodene. V transportni plasti je nekaj priljubljenih protokolov, in sicer STCP (protokol za nadzor prenosa senzorjev), PORT (cenovno zanesljiv transportni protokol) in PSFQ (črpanje počasnega prenosa hitro).

Omrežni sloj

Glavna funkcija omrežne plasti je usmerjanje, ima veliko nalog, ki temeljijo na aplikaciji, dejansko pa so glavne naloge v varčevanju z energijo, delni pomnilnik, medpomnilniki in senzor nimajo univerzalnega ID-ja in jih je treba biti samoorganiziran.

Preprosta ideja protokola usmerjanja je razložiti zanesljiv pas in odvečne pasove v skladu s prepričljivo lestvico, imenovano metrika, ki se razlikuje od protokola do protokola. Za to omrežno plast obstaja veliko obstoječih protokolov, ki jih je mogoče ločiti na ravno usmerjanje in hierarhalno usmerjanje ali pa na časovno usmerjene, poizvedbene in dogodkovne.

Sloj podatkovne povezave

Plast podatkovne povezave je odgovorna za multipleksiranje zaznavanja podatkovnega okvira, podatkovnih tokov, MAC in nadzora napak, potrditev zanesljivosti točke - točke (ali) točke - več točk.

Fizična plast

Fizična plast zagotavlja rob za prenos toka bitov nad fizični medij. Ta plast je odgovorna za izbiro frekvence, generiranje nosilne frekvence, zaznavanje signala, modulacijo in šifriranje podatkov. IEEE 802.15.4 je predlagan kot tipičen za določena območja z nizko hitrostjo in brezžična senzorska omrežja z nizkimi stroški, porabo energije, gostoto in obsegom komunikacije za izboljšanje življenjske dobe baterije. CSMA / CA se uporablja za podporo topologiji zvezd in enakovrednih točk. Obstaja več različic IEEE 802.15.4.V.

Glavne prednosti uporabe tovrstne arhitekture v omrežju WSN so, da vsako vozlišče vključuje preprosto prenose z majhno močjo na sosednja vozlišča na manjše razdalje, zaradi česar je izkoriščenost energije v primerjavi z drugimi vrstami senzorske arhitekture nizka. Ta vrsta omrežja je razširljiva in vključuje visoko odpornost na napake.

Gručena omrežna arhitektura

V tej vrsti arhitekture se ločeno senzorska vozlišča dodajajo v skupine, znane kot grozdi, ki so odvisni od 'protokola Leach', ker uporablja grozde. Izraz „protokol Leach“ pomeni „Hierarhija prilagodljivega grozdenja z nizko energijo“. Glavne lastnosti tega protokola vključujejo predvsem naslednje.

Gručena omrežna arhitektura

• To je dvotirna hierarhična arhitektura grozdenja.
• Ta porazdeljeni algoritem se uporablja za razporeditev vozlišč senzorjev v skupine, znane kot grozdi.
• V vsaki gruči, ki je oblikovana ločeno, bodo glavna vozlišča gruče ustvarila načrte TDMA (večkratni dostop s časovno razdelitvijo).
• Uporablja koncept Data Fusion, da bo omrežje energetsko učinkovito.

Ta vrsta omrežne arhitekture je izjemno uporabljena zaradi lastnosti fuzije podatkov. V vsaki gruči lahko vsako vozlišče sodeluje prek glave gruče, da pridobi podatke. Vsi grozdi bodo zbrane podatke delili z bazno postajo. Oblikovanje grozda in njegova izbira glave v vsaki grozdi sta neodvisna in avtonomna porazdeljena metoda.

Vprašanja oblikovanja omrežne arhitekture brezžičnega senzorja

Vprašanja zasnove brezžične senzorske omrežne arhitekture vključujejo predvsem naslednje.

• Poraba energije
• Lokalizacija
• Pokritost
• Ure
• Računanje
• Stroški proizvodnje
• Oblikovanje strojne opreme
• Kakovost storitve

Poraba energije

V WSN je poraba energije eno glavnih vprašanj. Kot vir energije se baterija uporablja z opremljanjem s senzorskimi vozlišči. Omrežje senzorjev je razporejeno v nevarnih situacijah, zato je za zamenjavo baterij, ki se sicer polnijo, zapleteno. Poraba energije je v glavnem odvisna od delovanja vozlišč senzorjev, kot so komunikacija, zaznavanje in obdelava podatkov. Skozi komunikacijo je poraba energije zelo velika. Porabi energije se je torej mogoče izogniti na vseh plasteh z uporabo učinkovitih protokolov usmerjanja.

Lokalizacija

Za delovanje omrežja je osnovna in tudi kritična težava lokalizacija senzorja. Torej so vozlišča senzorjev razporejena priložnostno, tako da ne vedo o svoji lokaciji. Težave pri določanju fizične lokacije senzorja, ko so urejene, so znane kot lokalizacija. Te težave je mogoče rešiti z GPS-om, svetilniki, lokalizacijo glede na bližino.

Pokritost

Vozlišča senzorjev v brezžičnem senzorskem omrežju uporabljajo algoritem pokritosti za zaznavanje podatkov in jih posredujejo v algoritem usmerjanja. Za pokrivanje celotnega omrežja je treba izbrati vozlišča senzorjev. Tam se priporočajo učinkovite metode, kot so algoritmi poti najmanjše in najvišje izpostavljenosti ter protokol za zasnovo pokritosti.

Ure

V WSN je sinhronizacija ure resna storitev. Glavna naloga te sinhronizacije je ponuditi običajni časovni okvir za vozlišča lokalnih ur v senzorskih omrežjih. Te ure je treba sinhronizirati v nekaterih aplikacijah, kot sta spremljanje in sledenje.

Računanje

Izračun lahko definiramo kot vsoto podatkov, ki se nadaljuje skozi vsako vozlišče. Glavno vprašanje v računalništvu je, da mora zmanjšati porabo virov. Če je življenjska doba bazne postaje nevarnejša, se obdelava podatkov na vsakem vozlišču zaključi pred prenosom podatkov proti bazni postaji. Če imamo nekaj virov, je treba celoten izračun opraviti v umivalniku.

Proizvodni stroški

V WSN je urejeno veliko število vozlišč senzorjev. Torej, če je cena enega vozlišča zelo visoka, bo visoka tudi celotna cena omrežja. Na koncu je treba ohraniti nižjo ceno vsakega vozlišča senzorja. Cena vsakega senzorskega vozlišča znotraj brezžičnega senzorskega omrežja je torej zahteven problem.

Oblikovanje strojne opreme

Pri načrtovanju strojne opreme katere koli senzorske mreže, kot je nadzor moči, morajo biti mikrokrmilnik in komunikacijska enota energetsko učinkoviti. Njegova zasnova je lahko narejena tako, da uporablja nizkoenergijsko.

Kakovost storitve

Kakovost storitve ali QoS ni nič drugega kot, podatki se morajo pravočasno razdeliti. Ker so nekatere aplikacije v realnem času, ki temeljijo na senzorjih, odvisne predvsem od časa. Torej, če se podatki pravočasno ne razdelijo sprejemniku, bodo podatki postali neuporabni. V omrežjih WSN obstajajo različne vrste vprašanj QoS, kot je omrežna topologija, ki se lahko pogosto spreminja, pa tudi dostopno stanje informacij, ki se uporabljajo za usmerjanje, je lahko netočno.

Struktura brezžičnega senzorskega omrežja

Struktura omrežja WSN v glavnem vključuje različne topologije, ki se uporabljajo za radijska komunikacijska omrežja, kot so zvezda, mreža in hibridna zvezda. Te topologije so na kratko obravnavane spodaj.

Star Network

Komunikacijska topologija, kot je zvezdno omrežje, se uporablja povsod, kjer lahko samo bazna postaja prenaša ali sprejema sporočilo proti oddaljenim vozliščem. Na voljo je več vozlišč, ki ne smejo medsebojno prenašati sporočil. Prednosti tega omrežja so predvsem v preprostosti, ki lahko zmanjša porabo energije oddaljenih vozlišč na minimum.

Omogoča tudi komunikacijo z manjšo zakasnitvijo med bazno postajo in oddaljenim vozliščem. Glavna pomanjkljivost tega omrežja je, da mora biti bazna postaja v dosegu radia za vsa ločena vozlišča. Ni zanesljiv kot druga omrežja, ker je za upravljanje omrežja odvisen od enega vozlišča.

Mesh Network

Ta vrsta omrežja omogoča prenos podatkov z enega vozlišča na drugo znotraj omrežja, ki je v območju radijskega prenosa. Če mora vozlišče poslati sporočilo drugemu vozlišču in je to zunaj dosega radijske komunikacije, lahko uporabi vozlišče kot vmesnik za pošiljanje sporočila proti želenemu vozlišču.

Glavna prednost mrežnega omrežja je razširljivost in odvečnost. Ko posamezno vozlišče preneha delovati, se lahko oddaljeno vozlišče pogovarja s katero koli drugo vrsto vozlišča znotraj obsega, nato pa sporočilo posreduje na želeno lokacijo. Poleg tega obseg omrežja ni samodejno omejen v območju med posameznimi vozlišči, ki ga lahko razširi preprosto z dodajanjem številnih vozlišč v sistem.

Glavna pomanjkljivost tovrstnega omrežja je izkoriščenost električne energije za omrežna vozlišča, ki izvajajo komunikacije, kot je večkratni skok, običajno večja od drugih vozlišč, ki nimajo te zmožnosti, da pogosto omejujejo življenjsko dobo baterije. Poleg tega, ko se število komunikacijskih preskokov poveča proti cilju, se poveča tudi čas, potreben za pošiljanje sporočila, še posebej, če je nujen postopek nizke porabe vozlišč.

Hibridno omrežje Star - Mesh

Hibrid med obema omrežjema, kot sta zvezda in mreža, zagotavlja močno in prilagodljivo komunikacijsko omrežje, hkrati pa porabo energije brezžičnih senzorskih vozlišč ohranja na minimumu. Pri tovrstni omrežni topologiji vozlišča senzorjev z manjšo močjo ne smejo prenašati sporočil.
To omogoča vzdrževanje najmanj porabe energije.

Toda druga omrežna vozlišča so dovoljena z možnostjo multi-hop, tako da jim omogočajo prenos sporočil z enega vozlišča na drugo v omrežju. Običajno imajo vozlišča z zmogljivostjo več skokov veliko moč in so pogosto priključena na omrežni vod. To je izvedena topologija skozi prihajajoče standardno mrežno mreženje, imenovano ZigBee.

Struktura vozlišča brezžičnega senzorja

Sestavni deli, ki se uporabljajo za izdelavo vozlišča brezžičnega senzorja, so različne enote, kot so zaznavanje, obdelava, oddajnik in napajanje. Vključuje tudi dodatne komponente, ki so odvisne od aplikacije, kot so generator energije, sistem za iskanje lokacije in mobilizator. Na splošno senzorske enote vključujejo dve podenoti, in sicer ADC-je, pa tudi senzorje. Tu senzorji generirajo analogne signale, ki jih je mogoče s pomočjo ADC spremeniti v digitalne, nato pa oddajo v procesno enoto.

Na splošno je to enoto mogoče povezati z majhno pomnilniško enoto, da obravnava dejanja, s katerimi vozlišče senzorja deluje z drugimi vozlišči, da doseže dodeljene naloge zaznavanja. Senzorsko vozlišče je mogoče povezati v omrežje s pomočjo oddajne enote. V vozlišču senzorja je ena bistvenih komponent vozlišče senzorja. Napajalne enote podpirajo enote za odstranjevanje moči, kot so sončne celice, medtem ko so druge podenote odvisne od aplikacije.

Zgoraj je prikazan blokovni diagram funkcionalnih vozlišč za zaznavanje. Ti moduli nudijo vsestransko platformo za obravnavo zahtev široke uporabe. Na primer na podlagi senzorjev, ki jih je treba urediti, je mogoče zamenjati blok za kondicioniranje signala. To omogoča uporabo različnih senzorjev skupaj z brezžičnim zaznavalnim vozliščem. Prav tako je mogoče radijsko povezavo zamenjati za določeno aplikacijo.

Značilnosti brezžičnega senzorskega omrežja

Značilnosti WSN vključujejo naslednje.

• Omejitve porabe moči za vozlišča z baterijami
• Zmožnost obvladovanja napak vozlišča
• Nekaj ​​gibljivosti vozlišč in heterogenost vozlišč
• Razširljivost v velikem obsegu distribucije
• Sposobnost zagotavljanja strogih okoljskih pogojev
• Enostaven za uporabo
• Oblika navzkrižne plasti

Prednosti brezžičnih senzorskih omrežij

Prednosti WSN vključujejo naslednje

• Ureditev omrežja se lahko izvede brez nepremične infrastrukture.
• Primerni za nedosegljiva mesta, kot so gore, nad morjem, podeželskimi območji in globokimi gozdovi.
• Prilagodljiv, če obstajajo priložnostne razmere, ko je potrebna dodatna delovna postaja.
• Izvedbene cene so poceni.
• Izogiba se izobilju ožičenja.
• Morda bo kadar koli zagotovil prostor za nove naprave.
• Odpre se lahko s pomočjo centraliziranega nadzora.

Omrežne aplikacije brezžičnega senzorja

Brezžična senzorska omrežja lahko vsebujejo številne različne tipe senzorjev, kot so nizka hitrost vzorčenja, potresni, magnetni, toplotni, vizualni, infrardeči, radarski in akustični, ki so pametni za spremljanje številnih okoliških situacij. Senzorska vozlišča se uporabljajo za stalno zaznavanje, ID dogodka, zaznavanje dogodkov in lokalno krmiljenje aktuatorjev. Aplikacije brezžičnih senzorskih omrežij vključujejo predvsem zdravstvena, vojaška, okoljska, domača in druga komercialna področja.

WSN aplikacija

• Vojaške aplikacije
• Zdravstvene aplikacije
• Okoljske aplikacije
• Domače aplikacije
• Komercialne aplikacije
• Nadzor območja
• Spremljanje zdravstvenega varstva
• Zaznavanje okolja / Zemlje
• Spremljanje onesnaženosti zraka
• Odkrivanje gozdnih požarov
• Odkrivanje plazu
• Spremljanje kakovosti vode
• Industrijski nadzor

Tu gre torej za to, kaj je a brezžično senzorsko omrežje , arhitektura, značilnosti in aplikacije brezžičnega senzorja. Upamo, da ste bolje razumeli ta koncept. Poleg tega, kakršna koli vprašanja ali vedeti o ideje za brezžično omrežje senzorjev , prosimo, dajte svoje dragocene predloge s komentarjem v spodnjem oddelku za komentarje. Tukaj je vprašanje za vas, kakšne so različne vrste brezžičnih senzorskih omrežij?