Rețele de senzori fără fir (BSS). Rețea de senzori wireless



Vreau să dedic articolul meu tehnologiilor rețelelor de senzori fără fir, care, mi se pare, este lipsită nemeritat de atenția comunității Habr. Principalul motiv pentru aceasta, văd, este că tehnologia nu a fost încă răspândită și, în cea mai mare parte, este mai interesantă pentru comunitatea academică. Dar cred că în viitorul apropiat vom vedea multe produse, într-un fel sau altul, bazate pe tehnologiile unor astfel de rețele. Cercetez rețele de senzori de câțiva ani, am scris o teză de doctorat pe această temă și o serie de articole în reviste rusești și străine. De asemenea, am dezvoltat un curs despre rețelele de senzori fără fir, pe care l-am citit la Universitatea de Stat Nizhny Novgorod (nu dau un link către curs, dacă sunteți interesat, pot da un link în privat). Având experiență în acest domeniu, vreau să o împărtășesc cu comunitatea respectată, sper că va fi interesant pentru dumneavoastră.

Informații generale

Rețelele de senzori fără fir au cunoscut o mare dezvoltare în ultimii ani. Astfel de rețele, alcătuite din multe noduri miniaturale echipate cu un transceiver cu putere redusă, microprocesor și senzor, pot face legătura între rețele globale de calculatoare și lumea fizică. Conceptul de rețele de senzori fără fir a atras atenția multor oameni de știință, institute de cercetare și organizații comerciale, ceea ce a oferit un flux mare de lucrări științifice pe această temă. Marele interes pentru studiul unor astfel de sisteme se datorează posibilităților largi de utilizare a rețelelor de senzori. Rețelele de senzori fără fir, în special, pot fi utilizate pentru a prezice defecțiunile echipamentelor în sistemele aerospațiale și automatizarea clădirilor. Datorită capacității lor de auto-organizare, autonomiei și toleranței ridicate la erori, astfel de rețele sunt utilizate în mod activ în sistemele de securitate și aplicațiile militare. Aplicarea cu succes a rețelelor de senzori fără fir în medicină pentru monitorizarea sănătății este asociată cu dezvoltarea de senzori biologici compatibili cu circuitele integrate ale nodurilor senzorilor. Dar cele mai răspândite rețele de senzori fără fir se află în domeniul monitorizării mediului și a ființelor vii.

Fier

Datorită lipsei unei standardizări clare în rețelele de senzori, există mai multe platforme diferite. Toate platformele îndeplinesc cerințele de bază de bază pentru rețelele de senzori: consum redus de energie, timp de funcționare lung, emițătoare-receptoare cu putere redusă și prezența senzorilor. Principalele platforme includ MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

  • Microprocesor: Atmel ATmega128L
  • Frecvența 7,3728 MHz
  • Memorie flash de 128 KB pentru programe
  • 4KB SRAM pentru date
  • 2 UART
  • Autobuz SPI
  • Autobuz I2C
  • Radio: ChipCon CC2420
  • Memorie Flash externă: 512 KB
  • Conector auxiliar cu 51 de pini
  • opt I / O analogice de 10 biți
  • 21 I / O digitale
  • Trei LED-uri programabile
  • Port JTAG
  • Alimentat de două baterii AA
TelosB
  • Microprocesor: MSP430 F1611
  • Frecvența de 8 MHz
  • Memorie flash de 48 KB pentru programe
  • 10KB RAM pentru date
  • Autobuz SPI
  • ADC / DAC încorporat pe 12 biți
  • Controler DMA
  • Radio: ChipCon CC2420
  • Memorie Flash externă: 1024 KB
  • Conector auxiliar cu 16 pini
  • Trei LED-uri programabile
  • Port JTAG
  • Opțional: senzori de iluminare, umiditate, temperatură.
  • Alimentat de două baterii AA


Intel Mote 2
  • Microprocesor PXA271 XScale 320/416/520 MHz
  • 32 MB Flash
  • 32 MB RAM
  • Interfață mini-USB
  • Conector I-Mote2 pentru dispozitive externe (31 + 21 pini)
  • Radio: ChipCon CC2420
  • Indicatoare LED
  • Alimentat de trei baterii AAA

Fiecare platformă este interesantă în felul său și are propriile sale caracteristici. Personal, am avut experiență cu platformele TelosB și Intel Mote 2. De asemenea, propria noastră platformă a fost dezvoltată în laboratorul nostru, dar este comercială și nu pot vorbi despre aceasta în detaliu.

Cea mai obișnuită acum 3 ani a fost utilizarea chipset-ului CC2420 ca transceiver cu putere redusă.

Software și transmisie de date

Principalul standard pentru transmiterea datelor în rețelele de senzori este IEE802.15.4, care a fost special dezvoltat pentru rețelele fără fir cu emițătoare-receptoare de putere redusă.

Nu există standarde software pentru rețelele de senzori. Există câteva sute de protocoale diferite de procesare și transmisie a datelor, precum și sisteme de control al nodurilor. Cel mai comun sistem de operare este un sistem open source - TinyOs (în timp ce la Universitatea Stanford, personal am cunoscut unul dintre dezvoltatori). Mulți dezvoltatori (în special pentru sistemele comerciale) își scriu propriul sistem de control, adesea în limbajul Java.

Programul de control pentru nodul tactil sub controlul sistemului de operare TinyOs este scris în limba nesC.

Trebuie remarcat faptul că, datorită costului ridicat al echipamentelor și complexității instalării rețelelor de senzori, s-au răspândit diverse sisteme de modelare, în special sistemul TOSSIM, special conceput pentru a simula funcționarea nodurilor sub controlul TinyOs.

Concluzie

Rețelele de senzori sunt din ce în ce mai răspândite în Rusia. Când am început să le fac în 2003, numărul persoanelor din Rusia care erau familiarizate cu această tehnologie putea fi numărat pe de o parte. Notorii Luxsoft Labs au fost implicați în acest sens și în Rusia.

Lucrez cu rețele de senzori de 6 ani și pot spune multe despre aceste tehnologii. Dacă Habrasocomunitatea este interesată și am ocazia, atunci voi scrie cu bucurie o serie de articole pe această temă. Pot atinge lucruri precum: lucrarea reală cu platforma TmoteSky, particularitățile programării pentru sistemul TinyOs în limbajul nesC, rezultatele originale ale cercetării obținute în laboratorul nostru, impresii de 1,5 luni de muncă la Universitatea Stanford, într-un proiect pe senzor rețele.

Vă mulțumesc tuturor pentru atenție, voi fi bucuros să vă răspund la întrebări.

1

A fost efectuată analiza rețelelor de senzori fără fir. Programul Omnet ++ a fost selectat pentru cercetare. S-a implementat sarcina de a studia gama de modele de rețele de senzori fără fir și de a evalua parametrii funcționării acestora. S-au rezolvat următoarele sarcini: a fost îmbunătățit modelul consumului de energie în rețelele de senzori fără fir, a fost propus un algoritm pentru funcționarea acestui model, care face posibilă reducerea întârzierilor în transmiterea pachetelor între noduri. Un program de calculator a fost dezvoltat în programul selectat, s-a dovedit că aplicarea acestui model este eficientă și oportună în practică. În acest articol, a fost realizat un studiu privind consumul de energie al nodurilor de rețea. Consumul de energie este un parametru cheie al calității funcționării rețelelor de senzori fără fir, prin urmare, problema calculului acestuia la crearea unor astfel de sisteme apare mai întâi. În această lucrare, se efectuează o analiză detaliată a consumului de energie al nodurilor rețelelor de senzori fără fir, precum și o metodă pentru calcularea consumului de energie al nodurilor finale. Au fost propuse diverse abordări pentru a reduce consumul de energie. Cheia operațiunilor de rețea eficiente din punct de vedere energetic va fi capacitatea de a dormi mai multe noduri, direct pentru a le mări durata de viață a bateriei. De asemenea, în rețelele de senzori care utilizează tehnologia ZigBee, este posibil să comprimați informațiile înainte de a le trimite. Cantitatea de energie cheltuită va depinde, de asemenea, de topologia rețelei selectată. S-a dovedit că cel mai mic consum de energie apare atunci când se utilizează topologii de stele sau de arbori de cluster, deoarece în aceste topologii coordonatorii sunt conectați direct la rețeaua fixă.

rețea de senzori fără fir

Programul Omnet ++

întârzieri de transmisie

consumul de energie al senzorilor

lățimea de bandă a rețelei

economie de energie

1. Terentyev M.N. Metoda de funcționare a sistemelor de monitorizare a parametrilor obiectelor cu configurație variabilă bazată pe rețele de senzori discreți fără fir: dis. ... Cand. tehnologie. Științe: 05.13.15 / M.N. Terentyev. - Moscova, 2010. - 154 p.

2. Khusnullin V.I. Studiul consumului de energie al nodurilor într-o rețea de senzori fără fir / V.I. Khusnullin, E.V. Glushak // Rezumate. raport la al II-lea Forum Științific „Telecomunicații: Teorie și Tehnologii (TTT)” la cea de-a XVIII-a Conferință Internațională Științifică și Tehnică „Probleme de Inginerie și Tehnologie a Telecomunicațiilor”. - Kazan, 2017. - T. 2. - S. 10-13.

3. Ivanova I.A. Determinarea perimetrului zonei de acoperire a rețelelor de senzori fără fir / I.A. Ivanova // ACS și controlere industriale. - 2010. - Nr. 10. - P. 25-30.

4. Vlasova V.A. Analiza ciclurilor energetice ale nodurilor rețelelor de senzori fără fir / V.A. Vlasov, A.N. Zelenin // Eastern European Journal of Advanced Technologies. - 2012. - T. 3, nr. 9 (57). - S. 13-17.

5. Galkin P.V. Caracteristici ale implementării rețelelor de senzori fără fir bazate pe tehnologia ZigBee: mater. VI int. științifico-practic conf. / P.V. Galkin, D.V. Karlovsky // Probleme actuale ale științelor. - 2010. - Nr. 31. - P. 7-11.

6. Baskakov S. Estimarea consumului de energie al nodurilor fără fir în rețelele MeshLogic / S. Baskakov // Tehnologii fără fir. - 2010. - Nr. 1. - P. 28–31.

7. Kireev A.O. Sistem distribuit de monitorizare a energiei rețelelor de senzori fără fir / А.О. Kireev, A.V. Svetlov // Izvestia SFedU. Știința tehnică. - 2011. - Nr. 5 (118). - S. 60-65.

8. Daniel Kifetew Shenkutie, Monitorizarea energiei reziduale în rețelele senzorilor fără fir / Școala de Știința Informației, Calculatoare și Inginerie Electrică Universitatea Halmstad. - 2011 .-- 84 p.

9. Kramorenko E.G. Reducerea consumului de energie al rețelelor de senzori datorită comprimării preliminare a datelor: mater. la IV All-ucrainean. științific și tehnic conf. / DE EXEMPLU. Kramorenko, M.V. Privalov // Sisteme de control al informației și monitorizare computerizată 2013. - Donetsk: DonNTU, 2013. - P. 364–369.

Progresele recente în domeniul semiconductorilor, al rețelelor și al tehnologiilor logistice conduc la implementarea pe scară largă a rețelelor de senzori fără fir la scară largă (WSN).

O rețea de senzori fără fir este o rețea distribuită, auto-organizată, formată din mai mulți senzori (senzori) și dispozitive de acționare, interconectate prin intermediul unui canal radio. Mai mult, aria de acoperire a unei astfel de rețele poate varia de la câțiva metri la câțiva kilometri datorită capacității de a retransmite mesaje de la un element la altul.

A fost propus un model de rețea de senzori fără fir. Pentru a evalua eficiența modelului propus, permiteți-ne să efectuăm simulare în pachetul software OMNeT ++. Să analizăm procedura de modelare și rezultatele modelării. OMNeT ++ este un simulator de rețea de evenimente discrete orientat obiect.

Există două tipuri de pachete în simulare: pachete de mesaje, care sunt utilizate de nodurile senzorilor din rețea pentru a trimite informații către un nod receptor, iar al doilea tip este un pachet de energie, care este utilizat pentru a transmite informații de energie către un nod de monitorizare . În simulare, fiecare nod calculează periodic cantitatea de energie consumată și prezice, de asemenea, cantitatea de energie pe care o va consuma în perioada următoare. Se efectuează o comparație a cantității de energie consumată cu cea prevăzută: dacă diferența dintre ele este mai mare decât un anumit prag, nodul va trimite un pachet de energie către nodul principal al rețelei (stația de bază). Unele dintre pachete conțin informații despre consumul de energie prevăzut în noduri. Valorile numerice alese pentru simulare pot fi văzute în tabelul de mai jos.

Valorile numerice utilizate

Aceste valori sunt utilizate în toate simulările. Pentru a demonstra eficacitatea modelului de prognoză propus, este implementată o rețea cu o sută de noduri. Nodurile din rețea utilizează un protocol de rutare selectat numit MFR pentru a redirecționa pachetul către nodul de destinație. Un nod care utilizează MFR transmite date către un nod din domeniul său de transmisie.

În fig. 1 nod S își transmite datele către nodul M deoarece este mai aproape de receptorul D decât alte noduri din domeniul său de transmisie atunci când este proiectat pe linia care conectează nodul S și receptorul D. Nodurile senzorilor folosesc raportarea poziției sistemului pentru a le notifica locația vecini. Nodurile senzorilor din rețea completează tabelul de rutare cu locația vecinilor lor și selectează cel mai apropiat ca următor pentru a transmite date.

Să prezentăm simulări efectuate folosind simulări OMNeT ++. Eroarea este analizată între energia reziduală la fiecare nod și valoarea înregistrată la nodul de monitorizare pentru o valoare de prag diferită. Apoi, se examinează relația dintre numărul de pachete de energie trimise către nodul de control și pragul utilizat. Costul energiei este energia consumată de nodurile din rețea pentru a stoca informații în nodul de control cu ​​privire la cantitatea de energie reziduală rămasă în bateriile lor. Această energie a rețelei depinde de numărul mediu de pachete de energie trimise către nodul de monitorizare de către fiecare nod senzor. În fig. 2 arată numărul mediu de pachete trimise către un nod pentru diferite praguri atunci când E = 100 s.

După începerea simulării timp de două ore și jumătate, rezultatele simulării sunt prezentate în Fig. 2 și 3. Graficele din figuri arată numărul de pachete de energie trimise nodului de control pentru trei perioade de predicție (T = 200, T = 300 și T = 400), când două rate maxime diferite de sosire a evenimentelor (E = 100 s și E = 50 cu). Graficele din cele două figuri arată cum crește rata de sosire, de obicei crește numărul de pachete de energie trimise. Pentru aceeași rată de sosire a datelor, numărul de pachete de energie trimise crește odată cu scăderea pragului de eroare de predicție.

Orez. 2. Numărul mediu de pachete trimise către un nod când E = 100 s

Orez. 3. Numărul mediu de pachete trimise către un nod când E = 50 s

În fig. 4 și 5 arată numărul de pachete de energie trimise atunci când are loc un eveniment, care declanșează senzorul nodurilor senzorului, sunt considerate strict periodice. Perioadele de sosire utilizate între evenimentele P = 50 și P = 100 s. Conform graficelor, numărul de pachete de energie trimise de la fiecare nod a crescut odată cu scăderea timpului de sosire a evenimentului. În aceeași perioadă, numărul de pachete trimise a arătat o creștere, deoarece pragul a fost scăzut.

Energia la construirea unei hărți a energiei este direct legată de cantitatea de energie cheltuită, în urma căreia crește și ea, deoarece pragul de eroare de predicție este redus. Rezultatele simulărilor efectuate au arătat, de asemenea, că perioada de predicție crește numărul de pachete de energie trimise. Acest lucru se datorează faptului că, cu intervale de predicție mai lungi, consumul de energie al nodului este mai periodic decât intervalele de predicție mai scurte. Acest lucru duce la o predicție mai precisă a consumului de energie, deoarece metoda se bazează pe istoricul trecut al consumului de energie al nodurilor pentru a prezice.

Orez. 4. Numărul mediu de pachete trimise către un nod când P = 100 s

Orez. 5. Numărul mediu de pachete trimise către un nod când P = 50 s

În fig. 6 arată o comparație a rezultatelor obținute cu utilizarea exponențială a metodei propuse în această lucrare și a rezultatelor găsite în. Comparația se face pe baza numărului mediu de pachete de energie trimise la nodul de monitorizare pentru diferite praguri.

De obicei, numărul mediu de energii de pachete trimise către nodul de monitorizare este mai mare pentru toate pragurile utilizate atunci când se utilizează modelul exponențial decât metoda probabilistică atunci când se presupune că apariția evenimentelor în mediu este distribuită uniform. Acest lucru se datorează faptului că metoda de mediere exponențială prezice viitorul consum de energie al nodurilor pe baza istoricului lor de consum de energie. Datorită apariției evenimentelor neașteptate, comportamentul unora dintre nodurile consumatoare de energie se poate abate de la energia medie pe care au folosit-o în trecut. Acest lucru afectează previziunile preconizate de epuizare a energiei în viitorul nodurilor, determinând nodurile să trimită mai multe pachete.

Orez. 6. Compararea modelelor (numărul mediu de pachete trimise pe nod)

Cu cât este mai mare numărul de pachete de energie trimise pentru a monitoriza un nod, cu atât este mai mare costul construirii unei hărți a energiei. În cazul unui model de sosire a evenimentelor strict periodic, modelul exponențial utilizat în această lucrare are o performanță mai bună decât modelul utilizat atunci când pragul este stabilit la 1% și 3%. Acest lucru se datorează consumului constant de energie al nodurilor asociat cu natura periodică a evenimentelor.

În fig. 7 și 8 arată numărul total de pachete din rețea pentru două modele diferite de sosire a pachetelor. În ambele cazuri, numărul total de pachete de energie din rețea crește atunci când valoarea pragului scade și numărul pachetelor de mesaje rămâne neschimbat. Creșterea numărului total de pachete de energie crește costul cardului de energie, deoarece este direct legată de numărul de pachete de energie trimise de la nodul senzorului. Ambele cifre arată numărul total de pachete din rețea pentru întreaga perioadă de simulare când perioada de prognoză este setată la 400 s.

Scorul de monitorizare a energiei este diferența dintre energia reziduală a fiecărui nod și energia reziduală înregistrată la nodul de control. Ca rezultat al evaluării, concluzionăm că cantitatea de energie care depășește valoarea prag se acumulează în unitatea de monitorizare și abaterea este mai mare pentru valori prag mai mari.

1) Principalul punct al operațiunilor de rețea eficiente din punct de vedere energetic va fi abilitatea de a dormi mai multe noduri, direct pentru a le mări durata de viață a bateriei. Când nodul senzorial este într-o stare activă, acesta poate intra în modul de repaus, permițându-i să-și reducă consumul de energie. Nodul senzorului trece la acest mod între sesiunile de transmisie / recepție a datelor. Toate modurile constau în cicluri și fiecare ciclu va consta în perioade de somn și perioade de ascultare. Consumul maxim de energie va fi în transmiterea și recepția datelor. Și anume, una dintre opțiunile pentru reducerea consumului de energie va fi trecerea senzorului de la modul activ la modul de repaus atunci când consumul de energie este minim;

2) în rețelele de senzori care utilizează tehnologia ZigBee, este posibil să comprimați informațiile înainte de a le trimite. În același timp, timpul de transmitere a datelor este redus, dispozitivul în sine își reduce timpul în aer și, în mod natural, cheltuie mai puțină energie pentru transmiterea unui pachet de date. Codecurile sunt necesare pentru compresie directă. Utilizarea codecurilor vă permite să reduceți consumul de energie prin comprimarea informațiilor transmise. Minimizarea cantității de date transmise va reduce consumul de energie.

3) cantitatea de energie consumată va depinde, de asemenea, de topologia rețelei selectată. Energia este cheltuită mai mult într-o topologie celulară datorită faptului că fiecare nod al rețelei comunică mai des și, prin urmare, este mai mult în stare de funcționare.

Orez. 7. Numărul total de pachete din rețea pentru P = 50

Orez. 8. Numărul total de pachete din rețea pentru E = 50

Consumul cel mai scăzut de energie are loc atunci când se utilizează topologii stelare sau arborele cluster, deoarece în aceste topologii coordonatorii sunt conectați direct la rețeaua fixă.

Referință bibliografică

Achilova I.I., Glushak E.V. CERCETAREA REȚELOR DE SENZORI FĂRĂ FĂRĂ // Revista internațională de cercetări aplicate și fundamentale. - 2018. - Nr. 5-1. - S. 11-17;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12208 (data accesului: 26.04.2019). Vă aducem în atenție revistele publicate de „Academia de Științe ale Naturii”

Rețelele de senzori fără fir au caracteristicile unice de implementare ușoară, autoorganizare și rezistență. Apărând ca o nouă paradigmă pentru colectarea informațiilor, rețelele de senzori fără fir au fost utilizate pentru o gamă largă de scopuri legate de sănătate, controlul mediului, energie, siguranța alimentelor și producție.

În ultimii ani, au existat multe condiții prealabile pentru ca rețelele senzoriale să devină reale. Au fost construite mai multe noduri de senzori prototip, inclusiv Motes la Berkeley, uAMPS la MIT și GNOMES la Rice. Funcțiile elementare ale rețelelor de senzori sunt poziționarea, detectarea, urmărirea și detectarea. Pe lângă aplicațiile militare, au existat și aplicații civile bazate pe funcții elementare care pot fi împărțite în monitorizarea habitatului, monitorizarea mediului, îngrijirea sănătății și alte activități comerciale

aplicații. În plus, Sibley a creat recent un senzor mobil numit Robomote, care este echipat cu roți și este capabil să se deplaseze în jurul câmpului.

    Fiind una dintre primele încercări de a utiliza rețele de senzori pentru aplicații civile, Berkeley și Intel Research Laboratory au folosit rețeaua de senzori Mote pentru a monitoriza citirile furtunilor din Marile Insule din Duck, Maine, în vara anului 2002. Două treimi din senzorii senzorilor au fost instalați în largul coastei Maine pentru a colecta informațiile necesare (utile) în timp real pe lumea Putin (Internet). Sistemul a funcționat mai mult de 4 luni și a furnizat date

    în termen de 2 luni după ce oamenii de știință au părăsit insula din cauza condițiilor meteorologice nefavorabile (iarna). Această aplicație de monitorizare a habitatului este o clasă importantă de aplicații de rețea de senzori. Cel mai important, senzorii de rețea sunt capabili să colecteze informații în medii periculoase care sunt nefavorabile oamenilor. În cursul studiilor de monitorizare, au fost luate în considerare criteriile de proiectare, inclusiv crearea proiectării, crearea unui sistem de senzori cu posibilitatea accesului la distanță și gestionarea datelor. S-au făcut numeroase încercări de a îndeplini cerințele, ceea ce a condus la dezvoltarea unui set de prototipuri de sisteme de rețea de senzori. Sistemul de senzori folosit de Laboratorul de cercetare Berkeley și Intel, deși primitiv, a fost eficient în colectarea datelor interesante de mediu și a oferit oamenilor de știință informații importante.

Rețelele de senzori au găsit aplicații în domeniul observației și predicției (presupuneri). Un exemplu viu al unei astfel de aplicații este sistemul de evaluare locală automată în timp real (ALERT) dezvoltat de National Weather Service cu o rețea de senzori fără fir. Echipat cu dispozitive de detectare meteorologică / hidrologică, senzorii în aceste condiții măsoară de obicei mai multe proprietăți ale vremii locale, cum ar fi nivelul apei, temperatura, vântul. Datele sunt transmise printr-o linie de comunicație radio prin senzori la stația de bază. Modelul de estimare a inundațiilor a fost adaptat pentru a procesa datele și a emite un avertisment automat. Sistemul oferă informații vitale privind precipitațiile și nivelul apei în timp real pentru a evalua potențialul de inundații oriunde în țară. Sistemul actual (actual) ALERT este instalat pe toată coasta de vest a Statelor Unite și este utilizat pentru a preveni inundațiile din California și Arizona.

    Recent, sistemele de senzori au fost utilizate pe scară largă în industria medicală, utilizate de pacienți și medici pentru a urmări și monitoriza nivelurile de glucoză, detectoarele de cancer și chiar organele artificiale. Oamenii de știință sugerează posibilitatea implantării unor senzori biomedici în corpul uman în diferite scopuri. Acești senzori transmit informații către un sistem extern de computer printr-o interfață fără fir. Mai mulți senzori biomedici sunt combinați într-un sistem de aplicații pentru a determina diagnosticul și tratamentul bolii. Senzorii biomedici anunță un nivel mai avansat de îngrijire medicală.

Principala diferență între rețelele de senzori fără fir și rețelele tradiționale de calculatoare și telefoane este lipsa unei infrastructuri permanente care aparține unui anumit operator sau furnizor. Fiecare terminal de utilizator din rețeaua de senzori are capacitatea de a funcționa nu numai ca dispozitiv final, ci și ca nod de tranzit, așa cum se arată în Figura 1.2.

Figura 1.2 - Un exemplu de conectare a senzorilor de rețea



Vreau să dedic articolul meu tehnologiilor rețelelor de senzori fără fir, care, mi se pare, este lipsită nemeritat de atenția comunității Habr. Principalul motiv pentru aceasta, văd, este că tehnologia nu a fost încă răspândită și, în cea mai mare parte, este mai interesantă pentru comunitatea academică. Dar cred că în viitorul apropiat vom vedea multe produse, într-un fel sau altul, bazate pe tehnologiile unor astfel de rețele. Cercetez rețele de senzori de câțiva ani, am scris o teză de doctorat pe această temă și o serie de articole în reviste rusești și străine. De asemenea, am dezvoltat un curs despre rețelele de senzori fără fir, pe care l-am citit la Universitatea de Stat Nizhny Novgorod (nu dau un link către curs, dacă sunteți interesat, pot da un link în privat). Având experiență în acest domeniu, vreau să o împărtășesc cu comunitatea respectată, sper că va fi interesant pentru dumneavoastră.

Informații generale

Rețelele de senzori fără fir au cunoscut o mare dezvoltare în ultimii ani. Astfel de rețele, alcătuite din multe noduri miniaturale echipate cu un transceiver cu putere redusă, microprocesor și senzor, pot face legătura între rețele globale de calculatoare și lumea fizică. Conceptul de rețele de senzori fără fir a atras atenția multor oameni de știință, institute de cercetare și organizații comerciale, ceea ce a oferit un flux mare de lucrări științifice pe această temă. Marele interes pentru studiul unor astfel de sisteme se datorează posibilităților largi de utilizare a rețelelor de senzori. Rețelele de senzori fără fir, în special, pot fi utilizate pentru a prezice defecțiunile echipamentelor în sistemele aerospațiale și automatizarea clădirilor. Datorită capacității lor de auto-organizare, autonomiei și toleranței ridicate la erori, astfel de rețele sunt utilizate în mod activ în sistemele de securitate și aplicațiile militare. Aplicarea cu succes a rețelelor de senzori fără fir în medicină pentru monitorizarea sănătății este asociată cu dezvoltarea de senzori biologici compatibili cu circuitele integrate ale nodurilor senzorilor. Dar cele mai răspândite rețele de senzori fără fir se află în domeniul monitorizării mediului și a ființelor vii.

Fier

Datorită lipsei unei standardizări clare în rețelele de senzori, există mai multe platforme diferite. Toate platformele îndeplinesc cerințele de bază de bază pentru rețelele de senzori: consum redus de energie, timp de funcționare lung, emițătoare-receptoare cu putere redusă și prezența senzorilor. Principalele platforme includ MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

  • Microprocesor: Atmel ATmega128L
  • Frecvența 7,3728 MHz
  • Memorie flash de 128 KB pentru programe
  • 4KB SRAM pentru date
  • 2 UART
  • Autobuz SPI
  • Autobuz I2C
  • Radio: ChipCon CC2420
  • Memorie Flash externă: 512 KB
  • Conector auxiliar cu 51 de pini
  • opt I / O analogice de 10 biți
  • 21 I / O digitale
  • Trei LED-uri programabile
  • Port JTAG
  • Alimentat de două baterii AA
TelosB
  • Microprocesor: MSP430 F1611
  • Frecvența de 8 MHz
  • Memorie flash de 48 KB pentru programe
  • 10KB RAM pentru date
  • Autobuz SPI
  • ADC / DAC încorporat pe 12 biți
  • Controler DMA
  • Radio: ChipCon CC2420
  • Memorie Flash externă: 1024 KB
  • Conector auxiliar cu 16 pini
  • Trei LED-uri programabile
  • Port JTAG
  • Opțional: senzori de iluminare, umiditate, temperatură.
  • Alimentat de două baterii AA


Intel Mote 2
  • Microprocesor PXA271 XScale 320/416/520 MHz
  • 32 MB Flash
  • 32 MB RAM
  • Interfață mini-USB
  • Conector I-Mote2 pentru dispozitive externe (31 + 21 pini)
  • Radio: ChipCon CC2420
  • Indicatoare LED
  • Alimentat de trei baterii AAA

Fiecare platformă este interesantă în felul său și are propriile sale caracteristici. Personal, am avut experiență cu platformele TelosB și Intel Mote 2. De asemenea, propria noastră platformă a fost dezvoltată în laboratorul nostru, dar este comercială și nu pot vorbi despre aceasta în detaliu.

Cea mai obișnuită acum 3 ani a fost utilizarea chipset-ului CC2420 ca transceiver cu putere redusă.

Software și transmisie de date

Principalul standard pentru transmiterea datelor în rețelele de senzori este IEE802.15.4, care a fost special dezvoltat pentru rețelele fără fir cu emițătoare-receptoare de putere redusă.

Nu există standarde software pentru rețelele de senzori. Există câteva sute de protocoale diferite de procesare și transmisie a datelor, precum și sisteme de control al nodurilor. Cel mai comun sistem de operare este un sistem open source - TinyOs (în timp ce la Universitatea Stanford, personal am cunoscut unul dintre dezvoltatori). Mulți dezvoltatori (în special pentru sistemele comerciale) își scriu propriul sistem de control, adesea în limbajul Java.

Programul de control pentru nodul tactil sub controlul sistemului de operare TinyOs este scris în limba nesC.

Trebuie remarcat faptul că, datorită costului ridicat al echipamentelor și complexității instalării rețelelor de senzori, s-au răspândit diverse sisteme de modelare, în special sistemul TOSSIM, special conceput pentru a simula funcționarea nodurilor sub controlul TinyOs.

Concluzie

Rețelele de senzori sunt din ce în ce mai răspândite în Rusia. Când am început să le fac în 2003, numărul persoanelor din Rusia care erau familiarizate cu această tehnologie putea fi numărat pe de o parte. Notorii Luxsoft Labs au fost implicați în acest sens și în Rusia.

Lucrez cu rețele de senzori de 6 ani și pot spune multe despre aceste tehnologii. Dacă Habrasocomunitatea este interesată și am ocazia, atunci voi scrie cu bucurie o serie de articole pe această temă. Pot atinge lucruri precum: lucrarea reală cu platforma TmoteSky, particularitățile programării pentru sistemul TinyOs în limbajul nesC, rezultatele originale ale cercetării obținute în laboratorul nostru, impresii de 1,5 luni de muncă la Universitatea Stanford, într-un proiect pe senzor rețele.

Vă mulțumesc tuturor pentru atenție, voi fi bucuros să vă răspund la întrebări.