Vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúra és alkalmazásai

Jelenleg WSN (vezeték nélküli érzékelő hálózat) a kereskedelmi és ipari alkalmazásokban alkalmazott legszélesebb körű szolgáltatás a processzor technikai fejlesztése, a kommunikáció és a beágyazott számítástechnikai eszközök alacsony energiafelhasználása miatt. A vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúrája olyan csomópontokkal épül fel, amelyeket a környezet, például hőmérséklet, páratartalom, nyomás, helyzet, rezgés, hang stb. Megfigyelésére használnak. Ezek a csomópontok felhasználhatók különböző valós idejű alkalmazásokban különböző feladatok végrehajtására, például intelligens detektálás, a szomszédos csomópontok, az adatfeldolgozás és -tárolás, az adatgyűjtés, a célkövetés, a figyelés és vezérlés, a szinkronizálás, a csomópontok lokalizálása és a hatékony útválasztás a bázisállomás és a csomópontok között. Jelenleg a WSN-ek fokozottabb szerveződésben vannak. Nem kellemetlen arra számítani, hogy 10-15 év múlva a világot WSN-ekkel védik, az interneten keresztül elõzetesen. Ezt úgy lehet mérni, hogy az internet fizikai n / w lesz. Ez a technológia végtelen potenciállal rendelkezik számos alkalmazási területen, például orvosi, környezetvédelmi, közlekedési, katonai, szórakoztató, honvédelem, válságkezelés és intelligens terek számára.

Mi az a vezeték nélküli érzékelő hálózat?

Egy vezeték nélküli A Sensor Network egyfajta vezeték nélküli hálózat amely nagyszámú keringő, önvezérelt, percenkénti, alacsony energiaellátású eszközt tartalmaz, az úgynevezett érzékelő csomópontokat, az úgynevezett moteket. Ezek a hálózatok minden bizonnyal rengeteg térben elosztott, kevés, akkumulátorral működtetett, beágyazott eszközt fednek le, amelyek hálózatba vannak kapcsolva, hogy gondosan gyűjtsék, feldolgozzák és továbbítsák az adatokat az üzemeltetőknek, és ez vezérelte a számítás és a feldolgozás képességeit. A csomópontok apró számítógépek, amelyek együttesen alkotják a hálózatokat.

Vezeték nélküli érzékelő hálózat

Az érzékelő csomópont egy többfunkciós, energiatakarékos vezeték nélküli eszköz. A motek ipari alkalmazások széles körben elterjedtek. Az érzékelő csomópontok gyűjteménye összegyűjti az adatokat a környezetből az adott alkalmazás célkitűzéseinek elérése érdekében. A motívumok közötti kommunikáció adó-vevők segítségével valósítható meg egymással. Vezeték nélküli szenzorhálózatban a motek száma száz / akár ezer nagyságrendű lehet. Az érzékelő n / ws-szel ellentétben az Ad Hoc hálózatokban kevesebb csomópont lesz struktúra nélkül.

Vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúra

A leggyakoribb vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúra az OSI architektúra modelljét követi. A WSN architektúrája öt és három keresztréteget tartalmaz. Leginkább az érzékelő n / w esetében öt réteget igényelünk, nevezetesen alkalmazást, szállítást, n / w, adatkapcsolatot és fizikai réteget. A három keresztirány az energiagazdálkodás, a mobilitásmenedzsment és a feladatok kezelése. Ezeket a WSN rétegeket használják a mért érték elérésére és az érzékelők együttes működésére a hálózat teljes hatékonyságának növelése érdekében. Kérjük, kövesse az alábbi linket Vezeték nélküli érzékelő hálózatok és WSN topológiák típusai

A WSN architektúrák típusai

A WSN-ben használt architektúra érzékelő hálózati architektúra. Ez a fajta architektúra különböző helyeken alkalmazható, például kórházakban, iskolákban, utakon, épületekben, valamint különböző alkalmazásokban, például biztonságkezelésben, katasztrófavédelemben és válságkezelésben stb. A vezeték nélküli érzékelőkben kétféle architektúrát használnak hálózatok, amelyek a következőket tartalmazzák: Kétféle vezeték nélküli érzékelő architektúra létezik: Réteges hálózati architektúra és Fürtözött architektúra. Ezeket az alábbiak szerint magyarázzuk.

• Réteges hálózati architektúra
• Fürtözött hálózati architektúra

Réteges hálózati architektúra

Ez a fajta hálózat több száz érzékelő csomópontot, valamint egy bázisállomást használ. Itt a hálózati csomópontok elrendezése koncentrikus rétegekre történhet. Öt és 3 keresztréteget tartalmaz, amelyek a következőket tartalmazzák.

Az architektúra öt rétege:

• Alkalmazási réteg
• Szállítási réteg
• Hálózati réteg
• Adatkapcsolati réteg
• Fizikai réteg

A három keresztréteg a következőket tartalmazza:

• Energiagazdálkodási sík
• Mobilitás menedzsment sík
• Feladatkezelési sík

Ezt a három keresztréteget főleg a hálózat vezérlésére használják, valamint arra, hogy az érzékelők egyként működjenek az általános hálózati hatékonyság növelése érdekében. A WSN fent említett öt rétegét az alábbiakban tárgyaljuk.

Vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúra

Alkalmazási réteg

Az alkalmazásréteg felelős a forgalommenedzsmentért, és számos alkalmazás számára kínál szoftvert, amelyek egyértelmű formában konvertálják az adatokat, hogy pozitív információkat találjanak. Szenzorhálózatok számos alkalmazásban elrendezve különböző területeken, például mezőgazdasági, katonai, környezetvédelmi, orvosi stb.

Szállítási réteg

A szállítási réteg feladata a torlódások elkerülése és a megbízhatóság biztosítása, ahol sok, ennek a funkciónak a felajánlására szánt protokoll vagy praktikus az upstream irányban. Ezek a protokollok eltérő mechanizmusokat alkalmaznak a veszteségek felismerésére és a veszteségek helyreállítására. A szállítási rétegre pontosan akkor van szükség, ha egy rendszert terveznek kapcsolatba lépni más hálózatokkal.

A megbízható veszteség-visszanyerés energiatakarékosabb, és ez az egyik fő oka annak, hogy a TCP nem alkalmas a WSN-re. Általánosságban a szállítási rétegek elkülöníthetők csomagvezérelt, eseményvezérelt rétegekké. Van néhány népszerű protokoll a szállítási rétegben, nevezetesen az STCP (Sensor Transmission Control Protocol), a PORT (Árorientált megbízható szállítási protokoll és PSFQ (a szivattyú lassú lekérése gyors).

Hálózati réteg

A hálózati réteg fő funkciója az útválasztás, sok feladattal rendelkezik az alkalmazás alapján, de valójában a fő feladatok az energiatakarékosságban vannak, a részleges memória, a pufferek és az érzékelők nem rendelkeznek univerzális azonosítóval, és legyen önszervező.

Az útválasztási protokoll egyszerű ötlete egy megbízható sáv és redundáns sáv elmagyarázása a metrikának nevezett meggyőző skála szerint, amely protokollonként változik. Nagyon sok létező protokoll létezik ehhez a hálózati réteghez, ezek szétválaszthatók lapos útválasztásra és hierarchikus útválasztásra, vagy idő-, lekérdezés- és eseményvezéreltekre.

Adatkapcsolati réteg

Az adatkapcsolati réteg felelős az adatkeret-észlelés, az adatfolyamok, a MAC és a hibavezérlés multiplexeléséért, megerősítve a pont – pont (vagy) pont – többpont megbízhatóságát.

Fizikai réteg

A fizikai réteg élt biztosít a bitek áramának a fizikai közeg fölé történő átviteléhez. Ez a réteg felelős a frekvencia kiválasztásáért, a vivőfrekvencia előállításáért, a jel detektálásáért, a modulációért és az adatok titkosításáért. Az IEEE 802.15.4 az alacsony sebességű, bizonyos területekre és vezeték nélküli érzékelőhálózatokra jellemző, alacsony költséggel, energiafogyasztással, sűrűséggel és a kommunikáció tartományával az akkumulátor élettartamának javítása érdekében. A CSMA / CA a csillag és peer to peer topológia támogatására szolgál. Az IEEE 802.15.4.V több verziója létezik.

Az ilyen architektúra WSN-ben való alkalmazásának fő előnye, hogy minden csomópont egyszerűen kisebb távolságú, alacsony energiaigényű átvitelt jelent a szomszédos csomópontok felé, amelyek miatt az energiafelhasználás alacsony, mint a többi érzékelő hálózati architektúrában. Ez a fajta hálózat méretezhető, és magas hibatűréssel is rendelkezik.

Fürtözött hálózati architektúra

Ebben a fajta architektúrában külön-külön az érzékelő csomópontok klaszterekként ismert csoportokba épülnek, amelyek a „Leach protokolltól” függenek, mert fürtöket használnak. A „Leach Protocol” kifejezés az „Alacsony energiájú adaptív fürtözési hierarchia” kifejezésre utal. A protokoll fő tulajdonságai főleg a következőket tartalmazzák.

Fürtözött hálózati architektúra

• Ez egy kétrétegű hierarchia-fürtöző architektúra.
• Ezt az elosztott algoritmust használják az érzékelő csomópontok csoportokba rendezésére, amelyek klaszterekként ismertek.
• Minden különállóan létrehozott fürtben a fürt fejcsomópontjai létrehozzák a TDMA (időosztásos többszörös hozzáférés) terveket.
• A Data Fusion koncepciót használja, hogy ezáltal a hálózat energiahatékony legyen.

Ezt a fajta hálózati architektúrát az adatfúziós tulajdonság miatt rendkívül használják. Minden fürtben minden csomópont kölcsönhatásba léphet a fürt fején keresztül az adatok megszerzéséhez. Az összes klaszter megosztja összegyűjtött adatait a bázisállomás felé. A klaszter kialakítása, valamint az egyes klaszterek fejének kiválasztása független és autonóm elosztott módszer.

A vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúra tervezési kérdései

A vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúra tervezési kérdései főleg a következőket tartalmazzák.

• Energia fogyasztás
• Lokalizálás
• Lefedettség
• Órák
• Számítás
• Előállítási költség
• Hardver tervezése
• Szolgáltatás minősége

Energia fogyasztás

A WSN-ben az energiafogyasztás az egyik fő kérdés. Energiaforrásként az akkumulátort érzékelő csomópontokkal történő felszereléssel használják. Az érzékelő hálózat veszélyes helyzetekben van elrendezve, így bonyolulttá válik az egyébként újratölthető elemek cseréje miatt. Az energiafogyasztás elsősorban az érzékelő csomópontok műveleteitől függ, például a kommunikációtól, az érzékeléstől és az adatfeldolgozástól. A kommunikáció során az energiafogyasztás nagyon magas. Tehát az energiafogyasztás minden rétegben elkerülhető hatékony útválasztási protokollok használatával.

Lokalizálás

A hálózat működése szempontjából az alapvető, valamint a kritikus probléma az érzékelők lokalizálása. Tehát az érzékelő csomópontok ad-hoc módon vannak elrendezve, így nem tudnak a helyükről. Az érzékelő fizikai helyének meghatározásának nehézségét, miután elrendezték, lokalizációnak nevezzük. Ezt a nehézséget meg lehet oldani GPS, jeladó csomópontok, a közelség alapján történő lokalizáció segítségével.

Lefedettség

A vezeték nélküli szenzorhálózat szenzorcsomópontjai lefedettségi algoritmust használnak az adatok detektálására, valamint továbbítják őket, hogy süllyedjenek az útválasztási algoritmuson keresztül. A teljes hálózat lefedése érdekében meg kell választani az érzékelő csomópontjait. Hatékony módszerek, mint például a legkevesebb és legmagasabb expozíciós út algoritmusok, valamint a lefedettség tervezési protokollja ajánlott.

Órák

A WSN-ben az óra szinkronizálása komoly szolgáltatás. Ennek a szinkronizálásnak az a fő feladata, hogy a szenzorhálózatokon belül a helyi órák csomópontjainak hétköznapi ütemtervet kínáljon. Ezeket az órákat szinkronizálni kell bizonyos alkalmazásokban, például a megfigyelésben és a nyomon követésben.

Számítás

A számítás meghatározható az egyes csomópontokon keresztül folytatódó adatok összegeként. A számítás fő kérdése, hogy csökkentenie kell az erőforrások felhasználását. Ha a bázisállomás élettartama veszélyesebb, akkor az adatfeldolgozás minden csomóponton befejeződik, mielőtt az adatokat a bázisállomás felé továbbítanák. Minden csomópontnál, ha van némi erőforrásunk, akkor a teljes számítást a mosogatónál kell elvégezni.

Gyártási költség

A WSN-ben az érzékelő csomópontok nagy száma el van rendezve. Tehát, ha az egy csomópont ára nagyon magas, akkor a teljes hálózati ár is magas lesz. Végül az egyes érzékelő csomópontok árát kevesebbnek kell tartani. Tehát a vezeték nélküli szenzorhálózat minden érzékelő csomópontjának ára igényes problémát jelent.

Hardver tervezés

Bármely szenzorhálózat hardverének, például az energiaszabályozásnak a tervezésénél a mikrovezérlőnek és a kommunikációs egységnek energiatakarékosnak kell lennie. Megtervezése úgy hajtható végre, hogy alacsony energiát használ fel.

Szolgáltatás minősége

A szolgáltatás minősége vagy a QoS nem más, mint, az adatokat időben el kell osztani. Mivel a valós idejű szenzor alapú alkalmazások némelyike ​​főként az időtől függ. Tehát, ha az adatokat nem osztják el időben a vevő felé, akkor az adatok haszontalanná válnak. A WSN-kben különböző típusú QoS-problémák vannak, például a hálózati topológia, amely gyakran módosulhat, valamint az útválasztáshoz használt információk hozzáférhető állapota pontatlan lehet.

A vezeték nélküli érzékelőhálózat felépítése

A WSN felépítése főleg a rádiókommunikációs hálózatokhoz használt különféle topológiákat tartalmaz, mint például egy csillag, háló és hibrid csillag. Ezeket a topológiákat az alábbiakban röviden tárgyaljuk.

Csillaghálózat

A kommunikációs topológiát, mint egy csillaghálózatot, mindenütt használják, ahol csak a bázisállomás képes üzenetet továbbítani vagy fogadni távoli csomópontok felé. Számos olyan csomópont áll rendelkezésre, amelyek nem továbbíthatnak üzeneteket egymásnak. Ennek a hálózatnak az előnyei főleg az egyszerűségben rejlenek, amely képes a távoli csomópontok energiafelhasználását minimálisra csökkenteni.

Azt is lehetővé teszi, hogy kevesebb késéssel kommunikáljon a bázisállomás, valamint a távoli csomópont között. Ennek a hálózatnak az a fő hátránya, hogy a bázisállomásnak az összes különálló csomópont rádiótartományában kell lennie. Nem robusztus, mint más hálózatok, mert egyetlen csomóponttól függ a hálózat kezelése.

Hálózat

Ez a fajta hálózat lehetővé teszi az adatok egyik csomópontból a másikba történő továbbítását azon a hálózaton belül, amely a rádióadási tartományban van. Ha egy csomópontnak üzenetet kell továbbítania egy másik csomópontra, és az kívül esik a rádiós kommunikációs tartományon, akkor egy csomópontot használhat, mint egy köztes, hogy az üzenetet az előnyben részesített csomópont felé továbbítsa.

A hálóhálózat fő előnye a méretezhetőség, valamint a redundancia. Amikor egy egyedi csomópont leáll, a távoli csomópont a tartományon belül bármely más típusú csomópontra képes beszélgetni, majd továbbítja az üzenetet a kívánt helyre. Ezenkívül a hálózati tartomány nem korlátozódik automatikusan az egyes csomópontok közötti tartományon keresztül, hanem egyszerűen kibővíthető azzal, hogy számos csomópontot ad hozzá a rendszerhez.

Az ilyen típusú hálózat fő hátránya a hálózati csomópontok energia-kihasználása, amelyek a kommunikációt végzik, mint a multi-hop, általában magasabbak, mint más csomópontok, amelyek nem képesek gyakran korlátozni az akkumulátor élettartamát. Ezenkívül, ha a kommunikációs ugrások száma növekszik egy cél felé, akkor az üzenet küldéséhez szükséges idő is megnő, különösen, ha a csomópontok alacsony energiaigényű folyamata szükségszerű.

Hibrid csillag - háló hálózat

A két hálózat, például a csillag és a háló közötti hibrid erős és rugalmas kommunikációs hálózatot biztosít, miközben a vezeték nélküli érzékelő csomópontok energiafogyasztását minimális szinten tartja. Ebben a fajta hálózati topológiában az alacsonyabb teljesítményű érzékelő csomópontok nem továbbíthatják az üzeneteket.
Ez lehetővé teszi a legkevesebb karbantartást az energiafelhasználásban.

De más hálózati csomópontok megengedhetők a multi-hop képességgel, lehetővé téve számukra, hogy üzeneteket továbbítsanak az egyik csomópontról a másikra a hálózaton. Általában a multi-hop kapacitású csomópontok nagy teljesítményűek, és gyakran csatlakoznak a hálózati vezetékhez. Ez a topológia a megvalósuló ZigBee nevű szabványos hálós hálózaton keresztül.

A vezeték nélküli érzékelő csomópont felépítése

A vezeték nélküli érzékelő csomópont létrehozásához használt alkatrészek különböző egységek, például érzékelés, feldolgozás, adó-vevő és áramellátás. Ezenkívül olyan további összetevőket is tartalmaz, amelyek egy alkalmazástól függenek, mint például áramfejlesztő, helymeghatározó rendszer és mobilizátor. Az érzékelő egységek általában két alegységet tartalmaznak, nevezetesen az ADC-ket, valamint az érzékelőket. Az érzékelők itt analóg jeleket generálnak, amelyek az ADC segítségével digitális jelekké változtathatók, majd továbbítják a feldolgozó egységnek.

Általában ez az egység egy apró tárolóegységen keresztül társítható annak kezelésére, hogy az érzékelő csomópont a kiosztott érzékelési feladatok elérése érdekében működjön együtt a többi csomóponttal. Az érzékelő csomópont adó-vevő egység segítségével csatlakoztatható a hálózathoz. Az érzékelő csomópontban az egyik alapvető elem egy érzékelő csomópont. A tápegységeket az energiaelnyelő egységek, például a napelemek támogatják, míg a többi alegység az alkalmazástól függ.

A vezeték nélküli érzékelő csomópontok funkcionális blokkvázlata látható fent. Ezek a modulok sokoldalú platformot kínálnak a széles alkalmazások követelményeinek kielégítésére. Például az elrendezendő érzékelők alapján a jel-kondicionáló blokk cseréje elvégezhető. Ez lehetővé teszi különböző érzékelők használatát a vezeték nélküli érzékelő csomópont mellett. Hasonlóképpen, a rádiós kapcsolat felcserélhető egy meghatározott alkalmazásra.

A vezeték nélküli érzékelő hálózat jellemzői

A WSN jellemzői a következők.

• Az akkumulátorral rendelkező csomópontok energiafogyasztásának korlátai
• Csomópont-hibák kezelésének képessége
• A csomópontok bizonyos mobilitása és a csomópontok heterogenitása
• Méretezhetőség nagy terjesztési skálára
• Képesség szigorú környezeti feltételek biztosítására
• Egyszerű használat
• Keresztréteg kialakítás

A vezeték nélküli érzékelő hálózatok előnyei

A WSN előnyei a következők

• A hálózati megállapodások megvalósíthatók ingatlan infrastruktúra nélkül.
• Alkalmas olyan el nem érhető helyekre, mint a hegyek, a tenger felett, a vidéki területek és a mély erdők.
• Rugalmas, ha alkalmi helyzet van, amikor további munkaállomásra van szükség.
• A végrehajtás ára olcsó.
• Kerüli a rengeteg vezetéket.
• Lehet, hogy bármikor szállást biztosít az új eszközök számára.
• Központi megfigyeléssel nyitható meg.

Vezeték nélküli érzékelő hálózati alkalmazások

A vezeték nélküli érzékelőhálózatok számos különféle típusú érzékelőt tartalmazhatnak, mint például alacsony mintavételi frekvencia, szeizmikus, mágneses, termikus, vizuális, infravörös, radar és akusztikus, amelyek okosak a környezeti helyzetek széles skálájának figyelemmel kísérésére. Az érzékelő csomópontokat állandó érzékeléshez, eseményazonosítóhoz, eseményészleléshez és a működtetők helyi vezérléséhez használják. A vezeték nélküli érzékelőhálózatok alkalmazásai elsősorban egészségügyi, katonai, környezeti, otthoni és egyéb kereskedelmi területeket foglalnak magukban.

WSN alkalmazás

• Katonai alkalmazások
• Egészségügyi alkalmazások
• Környezeti alkalmazások
• Otthoni alkalmazások
• Kereskedelmi alkalmazások
• Területfigyelés
• Egészségügyi monitorozás
• Környezeti / földi érzékelések
• A légszennyezés ellenőrzése
• Erdőtűz észlelése
• Földcsuszamlás észlelése
• Vízminőség-ellenőrzés
• Ipari monitoring

Így itt arról van szó, ami a vezeték nélküli érzékelő hálózat , vezeték nélküli érzékelő hálózati architektúrája, jellemzői és alkalmazásai. Reméljük, hogy jobban megértette ezt a koncepciót. Továbbá bármilyen kérdése vagy tudnivalója vezeték nélküli érzékelő hálózati projektötletek , kérjük, adja meg értékes javaslatait az alábbi megjegyzés részben kommentálva. Itt van egy kérdés az Ön számára, mik a különböző típusú vezeték nélküli érzékelő hálózatok?