Arhitektura mreže bežičnog senzora i njegove primjene

Trenutno, WSN (bežična senzorska mreža) je najstandardnija usluga koja se koristi u komercijalnim i industrijskim primjenama, zbog svog tehničkog razvoja u procesoru, komunikaciji i maloj potrošnji ugrađenih računarskih uređaja. Arhitektura bežične senzorske mreže izgrađena je s čvorovima koji se koriste za promatranje okoline poput temperature, vlage, tlaka, položaja, vibracija, zvuka itd. Ti čvorovi mogu se koristiti u različitim aplikacijama u stvarnom vremenu za obavljanje različitih zadataka poput pametnog otkrivanja, otkriće susjednih čvorova, obrada i pohrana podataka, prikupljanje podataka, praćenje ciljeva, nadzor i upravljanje, sinkronizacija, lokalizacija čvorova i učinkovito usmjeravanje između bazne stanice i čvorova. Trenutno se WSN-ovi počinju organizirati u poboljšanom koraku. Nije neugodno očekivati ​​da će za 10 do 15 godina svijet biti zaštićen WSN-ovima s pristupom putem Interneta. To se može izmjeriti kao Internet koji postaje fizički n / w. Ova tehnologija oduševljava beskonačnim potencijalom za mnoga područja primjene kao što su medicina, zaštita okoliša, promet, vojska, zabava, obrana domovine, upravljanje krizama i pametni prostori.

Što je bežična senzorska mreža?

Bežični Mreža senzora jedna je vrsta bežične mreže koji uključuje velik broj cirkulirajućih, samoreguliranih, minutnih, slabih uređaja pod nazivom čvorovi senzora koji se nazivaju motes. Te mreže zasigurno pokrivaju velik broj prostorno distribuiranih, malo ugrađenih uređaja koji rade na baterije i koji su umreženi za brižno prikupljanje, obradu i prijenos podataka operaterima, a kontrolira mogućnosti računanja i obrade. Čvorovi su sićušna računala koja zajedno rade na stvaranju mreža.

Bežična mreža senzora

Čvor senzora je višenamjenski, energetski učinkovit bežični uređaj. Primjene motesa u industriji su široko rasprostranjene. Zbirka čvorova senzora prikuplja podatke iz okoline kako bi se postigli specifični ciljevi primjene. Komunikacija između motesa može se obaviti međusobno pomoću primopredajnika. U bežičnoj senzorskoj mreži broj zaustavljanja može biti stotine / čak i tisuća. Za razliku od senzora n / ws, Ad Hoc mreže imat će manje čvorova bez ikakve strukture.

Arhitektura mreže bežičnog senzora

Najčešća mrežna arhitektura bežičnog senzora slijedi model arhitekture OSI. Arhitektura WSN-a uključuje pet slojeva i tri poprečna sloja. Uglavnom u senzoru n / w, potrebno nam je pet slojeva, i to aplikacija, transport, n / w, podatkovna veza i fizički sloj. Tri križne ravni su naime upravljanje napajanjem, upravljanje mobilnošću i upravljanje zadacima. Ti se slojevi WSN-a koriste za postizanje n / w i natjeraju senzore da rade zajedno kako bi se podigla potpuna učinkovitost mreže. Slijedite donju vezu za Vrste bežičnih senzorskih mreža i WSN topologije

Vrste WSN arhitektura

Arhitektura koja se koristi u WSN-u je arhitektura senzorske mreže. Ova vrsta arhitekture primjenjiva je na različitim mjestima poput bolnica, škola, cesta, zgrada, kao i koristi se u različitim aplikacijama kao što su upravljanje sigurnošću, upravljanje katastrofama i upravljanje krizama itd. Postoje dvije vrste arhitektura koje se koriste u bežičnom senzoru mreže koje uključuju sljedeće. Postoje 2 vrste bežične arhitekture senzora: Arhitektura slojevite mreže i Arhitektura klastera. Oni su objašnjeni na sljedeći način u nastavku.

• Slojevita mrežna arhitektura
• Klasterizirana mrežna arhitektura

Slojevita mrežna arhitektura

Ova vrsta mreže koristi stotine čvorova senzora, kao i baznu stanicu. Ovdje se raspored mrežnih čvorova može izvesti u koncentrične slojeve. Sastoji se od pet slojeva, kao i 3 poprečna sloja koji uključuju sljedeće.

Pet slojeva u arhitekturi su:

• Sloj aplikacije
• Transportni sloj
• Mrežni sloj
• Sloj podatkovne veze
• Fizički sloj

Tri poprečna sloja uključuju sljedeće:

• Ravan upravljanja napajanjem
• Ravan upravljanja mobilnošću
• Ravan upravljanja zadacima

Ova se tri poprečna sloja uglavnom koriste za kontrolu mreže, kao i za postizanje cjelovite funkcije senzora, kako bi se poboljšala ukupna mrežna učinkovitost. O gore spomenutih pet slojeva WSN-a govori se u nastavku.

Arhitektura mreže bežičnog senzora

Sloj aplikacije

Aplikacijski sloj odgovoran je za upravljanje prometom i nudi softver za brojne aplikacije koje podatke pretvaraju u jasan oblik kako bi pronašle pozitivne informacije. Mreže senzora raspoređene u brojne primjene u različitim poljima kao što su poljoprivreda, vojska, okoliš, medicina itd.

Transportni sloj

Funkcija transportnog sloja je pružanje izbjegavanja zagušenja i pouzdanosti, gdje je puno protokola namijenjenih pružanju ove funkcije ili praktično u uzvodnom toku. Ovi protokoli koriste različite mehanizme za prepoznavanje gubitaka i njihovo nadoknađivanje. Transportni sloj je točno potreban kada se planira sustav kontaktirati s drugim mrežama.

Pružanje pouzdanog oporavka gubitaka energetski je učinkovitije i to je jedan od glavnih razloga zašto TCP nije pogodan za WSN. Općenito, transportni slojevi mogu se razdvojiti u paketno vođeni i vođeni događajima. Postoje neki popularni protokoli u transportnom sloju, a to su STCP (protokol upravljanja prijenosom senzora), PORT (cjenovno orijentirani pouzdani transportni protokol) i PSFQ (pumpa sporo dohvaća brzo).

Mrežni sloj

Glavna funkcija mrežnog sloja je usmjeravanje, ima puno zadataka koji se temelje na aplikaciji, ali zapravo su glavni zadaci ušteda energije, djelomična memorija, međuspremnici i senzori nemaju univerzalni ID i moraju biti samoorganiziran.

Jednostavna ideja protokola usmjeravanja je objasniti pouzdanu traku i redundantne trake, prema uvjerljivoj ljestvici koja se naziva metrička, a koja se razlikuje od protokola do protokola. Postoji mnogo postojećih protokola za ovaj mrežni sloj, oni se mogu razdvojiti na ravno usmjeravanje i hijerarhalno usmjeravanje ili mogu biti odvojeni na vremenski vođene, upravljane upitima i vođene događajima.

Sloj podatkovne veze

Sloj podatkovne veze odgovoran je za multipleksiranje otkrivanja okvira podataka, tokova podataka, MAC-a i kontrolu pogrešaka, potvrđuju pouzdanost točke-točke (ili) točke-više točaka.

Fizički sloj

Fizički sloj pruža rub za prijenos struje bitova iznad fizičkog medija. Ovaj je sloj odgovoran za odabir frekvencije, generiranje noseće frekvencije, otkrivanje signala, modulaciju i šifriranje podataka. IEEE 802.15.4 predlaže se kao tipičan za određena područja niske brzine i bežične senzorske mreže s niskim troškovima, potrošnjom energije, gustoćom, dometom komunikacije radi poboljšanja vijeka trajanja baterije. CSMA / CA koristi se za podršku topologiji zvijezde i ravnopravni korisnici. Postoji nekoliko verzija IEEE 802.15.4.V.

Glavne prednosti korištenja ove vrste arhitekture u WSN-u su u tome što svaki čvor uključuje jednostavno prijenose male snage na manju udaljenost do susjednih čvorova zbog kojih je iskorištenje energije malo u usporedbi s drugim vrstama senzorske mrežne arhitekture. Ova vrsta mreže je prilagodljiva i uključuje visoku toleranciju kvarova.

Klasterizirana mrežna arhitektura

U ovoj vrsti arhitekture, zasebno se čvorovi senzora dodaju u skupine poznate kao klasteri koji ovise o „protokolu Leach“ jer koristi klastere. Izraz 'protokol izluživanja' označava 'hijerarhiju prilagodljivog klasteriranja s niskom energijom'. Glavna svojstva ovog protokola uglavnom uključuju sljedeće.

Klasterizirana mrežna arhitektura

• Ovo je dvorazinska hijerarhijska arhitektura klasteriranja.
• Ovaj distribuirani algoritam koristi se za raspoređivanje čvorova senzora u skupine, poznate kao klasteri.
• U svakom klasteru koji je formiran odvojeno, glavni čvorovi klastera stvorit će TDMA (višestruki pristup s vremenskom podjelom) planove.
• Koristi koncept Data Fusion tako da mrežu čini energetski učinkovitom.

Ova vrsta mrežne arhitekture izuzetno se koristi zbog svojstva fuzije podataka. U svakom klasteru svaki čvor može stupiti u interakciju kroz glavu klastera kako bi dobio podatke. Svi skupovi podijelit će prikupljene podatke prema baznoj stanici. Formiranje klastera, kao i odabir glave u svakom klasteru, neovisna je i autonomna distribuirana metoda.

Pitanja dizajna arhitekture mreže bežičnih senzora

Pitanja dizajna arhitekture bežične senzorske mreže uglavnom uključuju sljedeće.

• Potrošnja energije
• Lokalizacija
• Pokrivenost
• Satovi
• Računanje
• Troškovi proizvodnje
• Dizajn hardvera
• Kvaliteta usluge

Potrošnja energije

U WSN-u je potrošnja energije jedno od glavnih problema. Kao izvor energije, baterija se koristi opremanjem čvorova senzora. Mreža senzora raspoređena je u opasnim situacijama, pa postaje komplicirana za promjenu inače punjenja baterija. Potrošnja energije uglavnom ovisi o radu čvorova senzora poput komunikacije, senziranja i obrade podataka. Tijekom komunikacije potrošnja energije je vrlo velika. Dakle, potrošnja energije može se izbjeći na svakom sloju korištenjem učinkovitih protokola usmjeravanja.

Lokalizacija

Za rad mreže, osnovni je, kao i kritični problem, lokalizacija senzora. Dakle, čvorovi senzora raspoređeni su na ad-hoc način tako da ne znaju za svoje mjesto. Poteškoća u određivanju fizičkog mjesta senzora nakon što su postavljeni poznata je kao lokalizacija. Ova se poteškoća može riješiti putem GPS-a, beacon čvorova i lokalizacije na temelju blizine.

Pokrivenost

Čvorovi senzora u bežičnoj senzorskoj mreži koriste algoritam pokrivenosti za otkrivanje podataka, kao i njihovo slanje kroz algoritam usmjeravanja. Da bi se pokrila cijela mreža, trebaju se odabrati čvorovi senzora. Tamo se preporučuju učinkovite metode poput algoritama puta najmanje i najviše izloženosti, kao i protokol dizajna pokrivenosti.

Satovi

U WSN-u je sinkronizacija sata ozbiljna usluga. Glavna funkcija ove sinkronizacije je ponuditi uobičajeni vremenski okvir za čvorove lokalnih satova unutar senzorskih mreža. Ti se satovi moraju sinkronizirati unutar nekih aplikacija poput nadzora, kao i praćenja.

Računanje

Izračun se može definirati kao zbroj podataka koji se nastavlja kroz svaki čvor. Glavno pitanje u računanju je da mora smanjiti korištenje resursa. Ako je životni vijek bazne stanice opasniji, tada će se obrada podataka dovršiti na svakom čvoru prije prijenosa podataka prema baznoj stanici. Na svakom čvoru, ako imamo neke resurse, cijelo izračunavanje treba obaviti na sudoperu.

Troškovi proizvodnje

U WSN-u je uređen velik broj čvorova senzora. Dakle, ako je cijena pojedinog čvora vrlo visoka, tada će i ukupna cijena mreže biti visoka. U konačnici, cijena svakog čvora senzora mora biti manja. Dakle, cijena svakog čvora senzora u bežičnoj senzorskoj mreži zahtjevan je problem.

Dizajn hardvera

Prilikom dizajniranja hardvera bilo koje senzorske mreže, poput kontrole napajanja, mikrokontroler i komunikacijska jedinica moraju biti energetski učinkoviti. Njegov se dizajn može izvesti na takav način da koristi niskoenergijsku energiju.

Kvaliteta usluge

Kvaliteta usluge ili QoS nije ništa drugo, nego se podaci moraju distribuirati na vrijeme. Budući da neke aplikacije u stvarnom vremenu zasnovane na senzorima uglavnom ovise o vremenu. Dakle, ako se podaci ne distribuiraju na vrijeme prema prijamniku, tada će postati beskorisni. U WSN-ovima postoje različite vrste QoS problema poput mrežne topologije koja se može često mijenjati, kao i dostupnost podataka koji se koriste za usmjeravanje mogu biti neprecizni.

Struktura bežične senzorske mreže

Struktura WSN-a uglavnom se sastoji od različitih topologija koje se koriste za radiokomunikacijske mreže poput zvijezde, mreže i hibridne zvijezde. O tim se topologijama ukratko govori u nastavku.

Zvjezdana mreža

Komunikacijska topologija poput zvjezdaste mreže koristi se svugdje gdje samo bazna stanica može prenositi ili primati poruku prema udaljenim čvorovima. Dostupni su brojni čvorovi kojima nije dopušteno međusobno prenošenje poruka. Prednosti ove mreže uglavnom se sastoje od jednostavnosti, koja omogućava korištenje energije udaljenih čvorova na minimumu.

Omogućuje i komunikaciju s manje kašnjenja između bazne stanice, kao i udaljenog čvora. Glavni nedostatak ove mreže je taj što bi bazna stanica trebala biti u dometu radija za sve odvojene čvorove. Nije robustan kao druge mreže jer ovisi o jednom čvoru koji upravlja mrežom.

Mrežna mreža

Ova vrsta mreže omogućuje prijenos podataka s jednog čvora na drugi unutar mreže koja je u dometu radio prijenosa. Ako čvor treba poslati poruku na drugi čvor i to je izvan dosega radiokomunikacija, tada može koristiti čvor poput posrednog za slanje poruke prema željenom čvoru.

Glavna prednost mrežaste mreže je skalabilnost kao i suvišnost. Kad pojedinačni čvor prestane raditi, udaljeni čvor može konvertirati s bilo kojom drugom vrstom unutar raspona, a zatim prosljeđuje poruku prema željenom mjestu. Uz to, mrežni opseg nije automatski ograničen kroz raspon između pojedinih čvorova koje se može proširiti jednostavnim dodavanjem određenog broja čvorova u sustav.

Glavni nedostatak ove vrste mreže je iskorištavanje energije za mrežne čvorove koji izvršavaju komunikaciju poput multi-hop-a obično su veći od ostalih čvorova koji nemaju taj kapacitet da često ograničavaju životni vijek baterije. Štoviše, kada se broj komunikacijskih skokova poveća prema odredištu, tada će se povećati i vrijeme potrebno za slanje poruke, posebno ako je nužan proces niske snage čvorova.

Hibridna mreža zvijezda - mreža

Hibrid između dvije mreže poput zvijezde i mreže pruža snažnu i fleksibilnu komunikacijsku mrežu, a istovremeno održava potrošnju energije bežičnih čvorova na minimumu. U ovoj vrsti mrežne topologije čvorovi senzora s manje snage ne smiju prenositi poruke.
To omogućuje održavanje najmanje korištenja energije.

Ali, drugim mrežnim čvorovima je omogućena mogućnost multi-hop dopuštajući im da prenose poruke s jednog čvora na drugi na mreži. Obično čvorovi s višestrukim poskokom imaju veliku snagu i često su uključeni u mrežni vod. Ovo je implementirana topologija kroz nadolazeću standardnu ​​mrežnu mrežu pod nazivom ZigBee.

Struktura čvora bežičnog senzora

Komponente koje se koriste za izradu bežičnog čvora senzora su različite jedinice poput osjetljivosti, obrade, primopredajnika i napajanja. Također uključuje dodatne komponente koje ovise o aplikaciji poput generatora električne energije, sustava za pronalaženje lokacije i mobilizatora. Općenito, senzorske jedinice uključuju dvije podjedinice, naime ADC-ove, kao i senzore. Ovdje senzori generiraju analogne signale koji se pomoću ADC-a mogu promijeniti u digitalne, a nakon toga prenose u procesorsku jedinicu.

Općenito, ova se jedinica može povezati pomoću male jedinice za pohranu radi obrade radnji kojima se čvor senzora radi s ostalim čvorovima kako bi se postigli dodijeljeni zadaci osjetljivosti. Čvor senzora može se povezati na mrežu uz pomoć primopredajne jedinice. U čvoru senzora jedna od bitnih komponenti je čvor senzora. Jedinice napajanja podržane su jedinicama za uklanjanje snage poput solarnih ćelija, dok ostale podjedinice ovise o primjeni.

Blok dijagram funkcionalnih čvorova osjetljivih bežičnih uređaja prikazan je gore. Ovi moduli daju svestranu platformu za rješavanje zahtjeva širokih primjena. Na primjer, na temelju senzora koji se trebaju rasporediti, može se izvršiti zamjena bloka za kondicioniranje signala. To omogućuje upotrebu različitih senzora zajedno s bežičnim čutnim čvorom. Isto tako, radio veza se može zamijeniti za određenu aplikaciju.

Karakteristike bežične senzorske mreže

Karakteristike WSN-a uključuju sljedeće.

• Ograničenja potrošnje snage za čvorove s baterijama
• Sposobnost obrade kvarova na čvorovima
• Određena pokretljivost čvorova i heterogenost čvorova
• Skalabilnost do velikih razmjera distribucije
• Sposobnost osiguravanja strogih uvjeta okoliša
• Jednostavan za upotrebu
• Dizajn poprečnih slojeva

Prednosti bežičnih senzorskih mreža

Prednosti WSN-a uključuju sljedeće

• Mrežni aranžmani mogu se provesti bez nepokretne infrastrukture.
• Prikladna za nedostupna mjesta poput planina, preko mora, ruralnih područja i dubokih šuma.
• Fleksibilan ako postoji slučajna situacija kada je potrebna dodatna radna stanica.
• Izvršne cijene su jeftine.
• Izbjegava se puno ožičenja.
• U bilo kojem trenutku može pružiti smještaj za nove uređaje.
• Može se otvoriti pomoću centraliziranog nadzora.

Mrežne aplikacije bežičnog senzora

Bežične senzorske mreže mogu sadržavati brojne različite vrste senzora poput niske brzine uzorkovanja, seizmičke, magnetske, toplinske, vizualne, infracrvene, radarske i akustične, koje su pametne za praćenje širokog spektra okolnih situacija. Čvorovi senzora koriste se za neprestano otkrivanje, ID događaja, otkrivanje događaja i lokalnu kontrolu aktuatora. Primjene bežičnih senzorskih mreža uglavnom uključuju zdravstvo, vojsku, okoliš, dom i druga komercijalna područja.

WSN aplikacija

• Vojne primjene
• Primjene u zdravstvu
• Primjene u okolišu
• Kućne aplikacije
• Komercijalne primjene
• Nadzor područja
• Praćenje zdravstvene zaštite
• Osjećanja okoliša / Zemlje
• Praćenje onečišćenja zraka
• Otkrivanje šumskog požara
• Otkrivanje klizišta
• Praćenje kakvoće vode
• Industrijski nadzor

Dakle, ovdje se radi o tome što je a bežična senzorska mreža , arhitektura, karakteristike i aplikacije bežične senzorske mreže. Nadamo se da ste bolje razumjeli ovaj koncept. Nadalje, bilo kakvih upita ili saznanja ideje za projekt bežične senzorske mreže , dajte svoje vrijedne prijedloge komentirajući u odjeljku za komentare u nastavku. Evo pitanja za vas, koje su različite vrste bežičnih senzorskih mreža?