Беспроводные сенсорные сети
С точки зрения инженера-электронщика, датчик или сенсор – это устройство, которое используется для сбора информации о физическом процессе или физическом явлении и преобразования его в электрические сигналы, которые можно обрабатывать, измерять и анализировать. Термин «физический процесс», используемый в приведенном определении датчика, может быть любой реальной информацией, такой как температура, давление, свет, звук, движение, положение, поток, влажность, излучение и т. д.
Сенсорная сеть – это структура, состоящая из датчиков, вычислительных блоков и элементов связи с целью записи, наблюдения и реагирования на событие или явление. События могут быть связаны с чем угодно, например, с физическим миром, промышленной средой, биологической системой или инфраструктурой ИТ (информационных технологий), в то время как контролирующим или наблюдательным органом может быть потребительское приложение, правительство, гражданское, военное или промышленное предприятие. Такие сенсорные сети могут использоваться для дистанционного зондирования, медицинской телеметрии, наблюдения, мониторинга, сбора данных и т.д.
Что из себя представляет беспроводная сенсорная сеть
Как упоминалось ранее, типичная сенсорная сеть состоит из датчиков, контроллера и системы связи. Если система связи в сенсорной сети реализована с использованием беспроводного протокола, то эти сети называются беспроводными сенсорными сетями или просто WSN (Wireless Sensor Networks).
По словам инженеров и исследователей, беспроводные сенсорные сети как единое целое являются важной технологией для двадцать первого века. Последние разработки в области MEMS-сенсоров (микроэлектромеханическая система) и беспроводной связи позволили создать дешевые, маломощные, миниатюрные и интеллектуальные датчики, которые могут быть развернуты в широком пространстве и могут быть связаны через беспроводные каналы связи и Интернет для различных гражданских и военных приложений.
Беспроводная сенсорная сеть состоит из сенсорных узлов, которые развернуты с высокой плотностью и часто в больших количествах и поддерживают распознавание, обработку данных, встроенные вычисления и связь.
Последние разработки в области инженерии, связи и сетей привели к появлению новых конструкций датчиков, информационных технологий и беспроводных систем. Такие современные датчики могут быть использованы в качестве моста между физическим миром и цифровым миром. Датчики используются во многих устройствах, отраслях промышленности, машинах и окружающей среде и помогают избежать сбоев инфраструктуры, аварий, они используются сохранения природных ресурсов, сохранения дикой природы, повышения производительности, обеспечения безопасности и т. д.
Структура беспроводной сенсорной сети
Типичная беспроводная сенсорная сеть может быть разделена на два элемента: сенсорный узел и сетевая архитектура.
Сенсорный узел беспроводной сенсорной сети
Сенсорный узел в WSN состоит из четырех основных компонентов: источник питания, датчик, блок обработки, система связи.
Датчик собирает аналоговые данные из физического мира, и АЦП преобразует эти данные в цифровые данные. Основной процессор, который обычно является микропроцессором или микроконтроллером, выполняет интеллектуальную обработку данных и манипулирование ими.
Система связи состоит из системы радиосвязи, обычно радиостанции ближнего действия, для передачи и приема данных. Поскольку все компоненты являются устройствами с низким энергопотреблением, для питания всей системы используется небольшая батарея, такая как CR-2032.
Несмотря на название, сенсорный узел состоит не только из сенсорного компонента, но и из других важных функций, таких как устройства обработки, связи и хранения. Благодаря всем этим функциям, компонентам и усовершенствованиям узел датчика отвечает за сбор данных физического мира, анализ сети, корреляцию данных и объединение данных другого датчика с собственными данными.
Архитектура беспроводной сенсорной сети
Когда большое количество сенсорных узлов развернуто в большой области для совместного мониторинга физической среды, объединение в сеть этих сенсорных узлов одинаково важно. Сенсорный узел в WSN не только связывается с другими сенсорными узлами, но также и с базовой станцией, используя беспроводную связь.
Базовая станция отправляет команды на сенсорные узлы, а сенсорные узлы выполняют задачу, взаимодействуя друг с другом. После сбора необходимых данных сенсорные узлы отправляют данные обратно на базовую станцию.
Базовая станция также действует как шлюз для других сетей через Интернет. После приема данных от узлов датчиков базовая станция выполняет простую обработку данных и отправляет обновленную информацию пользователю через Интернет.
Если каждый узел датчика подключен к базовой станции, он известен как архитектура сети с одним переходом (или односкачковая архитектура). Хотя передача на большие расстояния возможна, потребление энергии для связи будет значительно выше, чем для сбора и вычисления данных.
Следовательно, многоскачковая сетевая архитектура обычно используется в серьезных приложениях. Вместо одной единственной линии связи между узлом датчика и базовой станцией данные передаются через один или несколько промежуточных узлов.
Это может быть реализовано двумя способами. Архитектура плоской сети и архитектура иерархической сети. В плоской архитектуре базовая станция отправляет команды всем сенсорным узлам, но сенсорный узел с совпадающим запросом ответит, используя свои равноправные узлы через многоскачковый путь.
В иерархической архитектуре группа сенсорных узлов формируется в виде кластера, и сенсорные узлы передают данные в соответствующие головы кластера. Затем головы кластера могут передавать данные на базовую станцию.
Классификация беспроводных сенсорных сетей
Беспроводные сенсорные сети чрезвычайно специфичны для конкретного приложения и развертываются в соответствии с требованиями приложения. Следовательно, характеристики одной WSN будут отличаться от характеристик другой WSN
Независимо от применения, беспроводные сенсорные сети в целом можно классифицировать по следующим категориям.
- Статическая и мобильная WSN
- Детерминированная и недетерминированная WSN
- С одной базовой станицей и несколькими базовыми станциями
- Со статическими базовыми станциями и мобильными базовыми станциями
- Односкачковая и многоскачковая WSN
- Самонастраиваемая и неконфигурируемая WSN
- Гомогенная и гетерогенная WSN
Топологии беспроводной сенсорной сети
Мы уже видели, что WSN может быть сетью с одним или несколькими узлами. Ниже приведены несколько различных сетевых топологий, которые используются в WSN.
В топологии «звезда» существует один центральный узел, известный как концентратор или коммутатор, и каждый узел в сети подключен к этому концентратору. Топология Star очень проста в реализации, проектировании и расширении. Поскольку все данные проходят через концентратор, они играют важную роль в сети, и сбой в концентраторе может привести к отказу всей сети.
Топология дерева – это иерархическая сеть, в которой сверху находится один корневой узел, и этот узел подключен ко многим узлам на следующем уровне, и это продолжается далее. Мощность обработки и энергопотребление являются самыми высокими в корневом узле и продолжают уменьшаться по мере снижения иерархического порядка.
В mesh-топологии (топология сетки), помимо передачи своих собственных данных, каждый узел также действует как ретранслятор для передачи данных других подключенных узлов. Топологии сетки далее делятся на полностью подключенную сетку и частично подключенную сетку. В полностью связанной топологии сетки каждый узел связан с каждым другим узлом, в то время как в частично связанной топологии сетки узел связан с одним или несколькими соседними узлами.
© digitrode.ru