Arhitectura rețelei senzorului wireless și aplicațiile sale

În prezent, WSN (rețea de senzori fără fir) este cel mai standard de servicii utilizate în aplicații comerciale și industriale, datorită dezvoltării sale tehnice într-un procesor, comunicații și consumului redus de energie al dispozitivelor de calcul încorporate. Arhitectura rețelei de senzori fără fir este construită cu noduri care sunt utilizate pentru a observa împrejurimile cum ar fi temperatura, umiditatea, presiunea, poziția, vibrațiile, sunetul etc. o descoperire a nodurilor vecine, procesarea și stocarea datelor, colectarea datelor, urmărirea țintei, monitorizarea și controlul, sincronizarea, localizarea nodurilor și rutare eficientă între stația de bază și noduri. În prezent, WSN-urile încep să fie organizate într-un pas îmbunătățit. Nu este ciudat să ne așteptăm ca, în 10-15 ani, lumea să fie protejată cu WSN-uri, cu intrare pentru ei prin Internet. Acest lucru poate fi măsurat pe măsură ce Internetul devine un n / w fizic. Această tehnologie este palpitantă cu un potențial infinit pentru multe domenii de aplicare, cum ar fi medicale, de mediu, de transport, militare, de divertisment, apărare a patriei, gestionarea crizelor și, de asemenea, spații inteligente.

Ce este o rețea de senzori wireless?

O conexiune wireless Rețeaua senzorilor este un tip de rețea fără fir care include un număr mare de dispozitive circulante, auto-direcționate, minuțioase, cu putere redusă, numite noduri de senzori numite motes. Aceste rețele acoperă cu siguranță un număr imens de dispozitive încorporate distribuite spațial, mici, acționate pe baterii, care sunt conectate în rețea pentru a colecta, prelucra și transfera date către operatori cu grijă și a controlat capacitățile de calcul și procesare. Nodurile sunt computere mici, care funcționează împreună pentru a forma rețele.

Rețea de senzori fără fir

Nodul senzorului este un dispozitiv wireless multifuncțional, eficient din punct de vedere energetic. Aplicațiile motelor în industrie sunt larg răspândite. O colecție de noduri de senzori colectează datele din împrejurimi pentru a atinge obiective specifice ale aplicației. Comunicarea dintre motele se poate face între ele folosind transmițătoare. Într-o rețea de senzori fără fir, numărul de telefoane poate fi de ordinul a sute / chiar mii. Spre deosebire de senzorii n / ws, rețelele Ad Hoc vor avea mai puține noduri fără nicio structură.

Arhitectura rețelei senzorului wireless

Cea mai comună arhitectură de rețea a senzorilor fără fir urmează modelul de arhitectură OSI. Arhitectura WSN include cinci straturi și trei straturi transversale. În principal în senzorul n / w, avem nevoie de cinci straturi, și anume aplicație, transport, n / w, legătură de date și strat fizic. Cele trei planuri transversale sunt gestionarea energiei, gestionarea mobilității și gestionarea sarcinilor. Aceste straturi ale WSN sunt utilizate pentru a realiza n / w și pentru a face senzorii să funcționeze împreună pentru a crește eficiența completă a rețelei. Vă rugăm să urmați linkul de mai jos pentru Tipuri de rețele de senzori fără fir și topologii WSN

Tipuri de arhitecturi WSN

Arhitectura utilizată în WSN este arhitectura rețelei senzorilor. Acest tip de arhitectură este aplicabil în diferite locuri, cum ar fi spitale, școli, drumuri, clădiri, precum și este utilizat în diferite aplicații, cum ar fi gestionarea securității, gestionarea dezastrelor și gestionarea crizelor, etc. Există două tipuri de arhitecturi utilizate în senzorul wireless rețele care includ următoarele. Există 2 tipuri de arhitecturi de senzori fără fir: Arhitectura rețelei stratificate și Arhitectura clusterizată. Acestea sunt explicate după cum urmează.

• Arhitectură de rețea stratificată
• Arhitectură de rețea grupată

Arhitectură de rețea stratificată

Acest tip de rețea folosește sute de noduri de senzori, precum și o stație de bază. Aici aranjarea nodurilor de rețea poate fi realizată în straturi concentrice. Acesta cuprinde cinci straturi, precum și 3 straturi transversale, care includ următoarele.

Cele cinci straturi din arhitectură sunt:

• Strat de aplicație
• Stratul de transport
• Layer de rețea
• Strat de legătură de date
• Strat fizic

Cele trei straturi încrucișate includ următoarele:

• Planul de gestionare a energiei
• Planul de gestionare a mobilității
• Planul de gestionare a sarcinilor

Aceste trei straturi încrucișate sunt utilizate în principal pentru controlul rețelei, precum și pentru a face senzorii să funcționeze ca unul pentru a spori eficiența generală a rețelei. Cele cinci straturi de WSN menționate mai sus sunt discutate mai jos.

Arhitectura rețelei senzorului wireless

Strat de aplicație

Stratul de aplicație este responsabil pentru gestionarea traficului și oferă software pentru numeroase aplicații care convertesc datele într-o formă clară pentru a găsi informații pozitive. Rețele de senzori aranjate în numeroase aplicații în diferite domenii, cum ar fi cele agricole, militare, de mediu, medicale etc.

Stratul de transport

Funcția stratului de transport este de a oferi evitarea aglomerării și fiabilitatea acolo unde o mulțime de protocoale destinate să ofere această funcție sunt fie practice în amonte. Aceste protocoale utilizează mecanisme diferite pentru recunoașterea pierderilor și recuperarea pierderilor. Stratul de transport este exact necesar atunci când un sistem este planificat să contacteze alte rețele.

Furnizarea unei recuperări fiabile a pierderilor este mai eficientă din punct de vedere energetic și acesta este unul dintre principalele motive pentru care TCP nu este potrivit pentru WSN. În general, straturile de transport pot fi separate în pachete, orientate pe evenimente. Există câteva protocoale populare în stratul de transport și anume STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol și PSFQ (pump slow fetch quick).

Layer de rețea

Funcția principală a stratului de rețea este rutare, are o mulțime de sarcini bazate pe aplicație, dar de fapt, principalele sarcini sunt conservarea energiei, memoria parțială, tampoanele și senzorul nu au un ID universal și trebuie să fii auto-organizat.

Ideea simplă a protocolului de rutare este de a explica o bandă fiabilă și benzi redundante, în conformitate cu o scară convingătoare numită metrică, care variază de la protocol la protocol. Există o mulțime de protocoale existente pentru acest strat de rețea, acestea pot fi separate în rutare plană și rutare ierarhică sau pot fi separate în timp, în funcție de interogare și în funcție de eveniment.

Strat de legătură de date

Stratul de legătură de date este responsabil pentru detectarea multiplexării cadrelor de date, fluxuri de date, control MAC și erori, confirmă fiabilitatea punct-punct (sau) punct– multipunct.

Strat fizic

Stratul fizic oferă o margine pentru transferul unui flux de biți deasupra mediului fizic. Acest strat este responsabil pentru selectarea frecvenței, generarea unei frecvențe purtătoare, detectarea semnalului, modularea și criptarea datelor. IEEE 802.15.4 este sugerat ca fiind tipic pentru anumite zone cu rate reduse și rețele de senzori fără fir cu cost redus, consum de energie, densitate, gama de comunicare pentru a îmbunătăți durata de viață a bateriei. CSMA / CA este utilizat pentru a sprijini topologia stea și de la egal la egal. Există mai multe versiuni ale IEEE 802.15.4.V.

Principalele avantaje ale utilizării acestui tip de arhitectură în WSN este că fiecare nod implică pur și simplu transmisii la distanțe mai mici, cu putere redusă către nodurile învecinate, datorită cărora utilizarea energiei este redusă în comparație cu alte tipuri de arhitectură de rețea de senzori. Acest tip de rețea este scalabilă și include o toleranță ridicată la erori.

Arhitectură de rețea grupată

În acest tip de arhitectură, nodurile senzorului separat se adaugă în grupuri cunoscute sub denumirea de clustere care depind de „Protocolul Leach” deoarece folosește clustere. Termenul „Protocol Leach” înseamnă „Ierarhie de clusterizare adaptivă cu consum redus de energie”. Principalele proprietăți ale acestui protocol includ în principal următoarele.

Arhitectură de rețea grupată

• Aceasta este o arhitectură de grupare a ierarhiei pe două niveluri.
• Acest algoritm distribuit este utilizat pentru a aranja nodurile senzorului în grupuri, cunoscute sub numele de clustere.
• În fiecare cluster format separat, nodurile principale ale clusterului vor crea planurile TDMA (Time-division multiple access).
• Folosește conceptul Data Fusion, astfel încât va face rețeaua eficientă din punct de vedere energetic.

Acest tip de arhitectură de rețea este extrem de utilizat datorită proprietății de fuziune a datelor. În fiecare cluster, fiecare nod poate interacționa prin capul clusterului pentru a obține datele. Toate clusterele își vor împărtăși datele colectate către stația de bază. Formarea unui cluster, precum și selecția capului său în fiecare cluster, este o metodă independentă și autonomă distribuită.

Probleme de proiectare ale arhitecturii rețelei senzorului wireless

Problemele de proiectare ale arhitecturii rețelei senzorilor fără fir includ în principal următoarele.

• Consumul de energie
• Localizare
• Acoperire
• Ceasuri
• Calcul
• Costul producției
• Proiectare hardware
• Calitatea serviciului

Consumul de energie

În WSN, consumul de energie este una dintre problemele principale. Ca sursă de energie, bateria este utilizată prin echiparea cu noduri de senzori. Rețeaua de senzori este aranjată în situații periculoase, astfel încât se complică pentru schimbarea bateriilor care se reîncarcă. Consumul de energie depinde în principal de operațiunile nodurilor senzorului, cum ar fi comunicarea, detectarea și prelucrarea datelor. Pe tot parcursul comunicării, consumul de energie este foarte mare. Deci, consumul de energie poate fi evitat la fiecare strat folosind protocoale de rutare eficiente.

Localizare

Pentru funcționarea rețelei, problema de bază, precum și cea critică, este localizarea senzorilor. Așadar, nodurile senzorilor sunt aranjate într-un mod ad-hoc, astfel încât să nu știe despre locația lor. Dificultatea de a determina locația fizică a senzorului odată ce au fost aranjate este cunoscută sub numele de localizare. Această dificultate poate fi rezolvată prin GPS, noduri de baliză, localizare bazată pe proximitate.

Acoperire

Nodurile de senzori din rețeaua de senzori fără fir utilizează un algoritm de acoperire pentru detectarea datelor, precum și transmiterea acestora pentru a se scufunda prin algoritmul de rutare. Pentru a acoperi întreaga rețea, ar trebui alese nodurile senzorilor. Sunt recomandate metode eficiente, cum ar fi algoritmii de cale de expunere minimă și cea mai mare, precum și protocolul de proiectare a acoperirii.

Ceasuri

În WSN, sincronizarea ceasului este un serviciu serios. Funcția principală a acestei sincronizări este de a oferi un interval de timp obișnuit pentru nodurile ceasurilor locale din rețelele de senzori. Aceste ceasuri trebuie sincronizate în cadrul unor aplicații precum monitorizarea și urmărirea.

Calcul

Calculul poate fi definit ca suma datelor care continuă prin fiecare nod. Problema principală în cadrul calculului este că trebuie să reducă utilizarea resurselor. Dacă durata de viață a stației de bază este mai periculoasă, atunci procesarea datelor va fi finalizată la fiecare nod înainte de transmiterea datelor către stația de bază. La fiecare nod, dacă avem niște resurse, atunci întregul calcul ar trebui făcut la chiuvetă.

Cost de productie

În WSN, este aranjat numărul mare de noduri ale senzorilor. Deci, dacă prețul unui singur nod este foarte mare, atunci prețul total al rețelei va fi, de asemenea, ridicat. În cele din urmă, prețul fiecărui nod senzor trebuie menținut mai puțin. Așadar, prețul fiecărui nod de senzori din rețeaua de senzori fără fir este o problemă solicitantă.

Proiectare hardware

La proiectarea hardware-ului oricărei rețele de senzori, cum ar fi controlul puterii, microcontrolerul și unitatea de comunicații trebuie să fie eficiente din punct de vedere energetic. Proiectarea sa poate fi realizată în așa fel încât să utilizeze energie redusă.

Calitatea serviciului

Calitatea serviciului sau QoS nu este altceva decât, datele trebuie distribuite în timp. Deoarece unele dintre aplicațiile bazate pe senzori în timp real depind în principal de timp. Deci, dacă datele nu sunt distribuite la timp către receptor, atunci datele vor deveni inutile. În WSN-uri, există diferite tipuri de probleme QoS, cum ar fi topologia rețelei, care se pot modifica frecvent, precum și starea accesibilă a informațiilor utilizate pentru rutare poate fi imprecisă.

Structura unei rețele de senzori fără fir

Structura WSN cuprinde în principal diverse topologii utilizate pentru rețelele de comunicații radio, cum ar fi o stea, o rețea și o stea hibridă. Aceste topologii sunt discutate mai jos pe scurt.

Star Network

Topologia de comunicare, cum ar fi o rețea stelară, este utilizată oriunde numai stația de bază poate transmite sau primi un mesaj către noduri la distanță. Există un număr de noduri disponibile care nu au voie să transmită mesaje unul către celălalt. Avantajele acestei rețele cuprind în principal simplitatea, capabilă să mențină la minimum utilizarea puterii nodurilor la distanță.

De asemenea, permite comunicații cu o latență mai mică între stația de bază, precum și un nod la distanță. Principalul dezavantaj al acestei rețele este că stația de bază ar trebui să se afle în intervalul de radio pentru toate nodurile separate. Nu este robust ca alte rețele, deoarece depinde de un singur nod pentru a gestiona rețeaua.

Rețea Mesh

Acest tip de rețea permite transmiterea datelor de la un nod la altul în cadrul rețelei care se află în intervalul de transmisie radio. Dacă un nod trebuie să transmită un mesaj către un alt nod și care nu se află în raza de comunicații radio, atunci poate utiliza un nod ca un intermediar pentru a trimite mesajul către nodul preferat.

Principalul beneficiu al unei rețele mesh este scalabilitatea, precum și redundanța. Când un nod individual nu mai funcționează, un nod la distanță poate conversa la orice alt tip de nod din interval, apoi transmite mesajul către locația preferată. În plus, raza de acțiune a rețelei nu este restricționată automat prin raza de acțiune între noduri individuale, se poate extinde pur și simplu prin adăugarea unui număr de noduri la sistem.

Principalul dezavantaj al acestui tip de rețea este utilizarea energiei pentru nodurile de rețea care execută comunicațiile, cum ar fi multi-hop, de obicei, sunt mai mari decât alte noduri care nu au această capacitate de a limita frecvent durata de viață a bateriei. Mai mult, atunci când numărul de hamei de comunicare crește către o destinație, atunci timpul necesar pentru a trimite mesajul va crește, în special dacă procesul de putere redusă a nodurilor este o necesitate.

Hybrid Star - Rețea Mesh

Un hibrid între cele două rețele, cum ar fi steaua și rețeaua, oferă o rețea de comunicații puternică și flexibilă, menținând în același timp consumul de energie al nodurilor senzorilor fără fir. În acest tip de topologie de rețea, nodurile senzorilor cu putere mai mică nu au voie să transmită mesajele.
Acest lucru permite întreținerea consumului minim de energie.

Dar, alte noduri de rețea sunt permise cu capacitatea multi-hop, permițându-le să transmită mesaje de la un nod la altul din rețea. De obicei, nodurile cu capacitate multi-hop au o putere mare și sunt conectate frecvent la linia de rețea. Aceasta este topologia implementată prin intermediul rețelei mesh standard viitoare numită ZigBee.

Structura unui nod senzor wireless

Componentele utilizate pentru realizarea unui nod senzor fără fir sunt unități diferite, cum ar fi detectarea, procesarea, transceiverul și puterea. De asemenea, include componente suplimentare care depind de o aplicație, cum ar fi un generator de energie electrică, un sistem de localizare și un mobilizator. În general, unitățile de detectare includ două subunități și anume ADC-uri, precum și senzori. Aici senzorii generează semnale analogice care pot fi schimbate în semnale digitale cu ajutorul ADC, după care le transmit unității de procesare.

În general, această unitate poate fi asociată printr-o mică unitate de stocare pentru a gestiona acțiunile care fac ca nodul senzorului să funcționeze cu celelalte noduri pentru a realiza sarcinile de detectare alocate. Nodul senzorului poate fi conectat la rețea cu ajutorul unei unități de emisie-recepție. În nodul senzorului, una dintre componentele esențiale este un nod senzor. Unitățile de putere sunt susținute prin unități de recuperare a energiei, cum ar fi celulele solare, în timp ce celelalte subunități depind de aplicație.

O diagramă bloc funcțională a nodurilor de detectare fără fir este prezentată mai sus. Aceste module oferă o platformă versatilă pentru a face față cerințelor aplicațiilor largi. De exemplu, pe baza senzorilor care urmează să fie aranjați, se poate face înlocuirea blocului de condiționare a semnalului. Acest lucru permite utilizarea diferiților senzori împreună cu nodul de detectare fără fir. La fel, legătura radio poate fi schimbată pentru o aplicație specificată.

Caracteristicile rețelei de senzori fără fir

Caracteristicile WSN includ următoarele.

• Consumul de limite de putere pentru nodurile cu baterii
• Capacitatea de a gestiona eșecurile nodurilor
• O anumită mobilitate a nodurilor și eterogenitatea nodurilor
• Scalabilitate la o scară largă de distribuție
• Capacitatea de a asigura condiții de mediu stricte
• Simplu de utilizat
• Proiectare pe mai multe straturi

Avantajele rețelelor de senzori fără fir

Avantajele WSN includ următoarele

• Aranjamentele de rețea pot fi realizate fără infrastructură imobilă.
• Apt pentru locurile care nu pot fi accesate, cum ar fi munții, peste mare, zonele rurale și pădurile adânci.
• Flexibil dacă există o situație ocazională când este necesară o stație de lucru suplimentară.
• Prețul de execuție este ieftin.
• Evită o mulțime de cabluri.
• S-ar putea să ofere cazare pentru noile dispozitive în orice moment.
• Poate fi deschis utilizând monitorizarea centralizată.

Aplicații de rețea pentru senzori fără fir

Rețelele de senzori fără fir pot cuprinde numeroase tipuri diferite de senzori, cum ar fi rata de eșantionare scăzută, seismică, magnetică, termică, vizuală, în infraroșu, radar și acustică, care sunt inteligente pentru a monitoriza o gamă largă de situații ambientale. Nodurile senzorului sunt utilizate pentru detectarea constantă, identificarea evenimentelor, detectarea evenimentelor și controlul local al actuatorilor. Aplicațiile rețelelor de senzori fără fir includ în principal sănătate, militar, mediu, casă și alte zone comerciale.

Aplicație WSN

• Aplicații militare
• Aplicații pentru sănătate
• Aplicații de mediu
• Aplicații la domiciliu
• Aplicații comerciale
• Monitorizarea zonei
• Monitorizarea asistenței medicale
• Detecții de mediu / Pământ
• Monitorizarea poluării aerului
• Detectarea incendiilor forestiere
• Detectarea alunecărilor de teren
• Monitorizarea calității apei
• Monitorizare industrială

Astfel, totul este despre ceea ce este un rețea de senzori fără fir , arhitectura rețelei de senzori fără fir, caracteristicile și aplicațiile. Sperăm că aveți o înțelegere mai bună a acestui concept. În plus, orice întrebări sau de aflat idei de proiecte de rețea de senzori fără fir , vă rugăm să oferiți sugestiile dvs. valoroase comentând în secțiunea de comentarii de mai jos. Iată o întrebare pentru tine, care sunt diferitele tipuri de rețele de senzori fără fir?