Trådlöst sensornätverk

Trådlöst sensornätverk , eller trådlöst sensornätverk , är ett distribuerat, självorganiserande nätverk av många sensorer och ställdon , sammankopplade via en radiokanal .

Täckningsområdet för ett sådant nätverk [1] kan sträcka sig från flera meter till flera kilometer på grund av förmågan att vidarebefordra meddelanden från en nod till en annan och beror på utbredningsmiljön (skog [2] , stadsutveckling, vattendrag) och terrängen.

Historik och omfattning

En av de första prototyperna av sensornätverket kan betraktas som SOSUS , designad för att upptäcka och identifiera ubåtar .

I mitten av 1990-talet började trådlösa sensornätverkstekniker aktivt utvecklas; i början av 2000-talet gjorde utvecklingen av mikroelektronik det möjligt att producera en ganska billig elementbas för sådana enheter . Trådlösa sensornätverk från början av 2010-talet är huvudsakligen baserade på ZigBee -standarden .

Många sektorer och verksamhetsområden (industri, transport, allmännyttiga tjänster, säkerhet) är intresserade av implementeringen av sensornätverk, och antalet konsumenter ökar ständigt [3] . Trenden beror på komplikationen av tekniska processer, utvecklingen av produktionen, de växande behoven hos individer inom segmenten säkerhet, resurskontroll och användning av lager. Med utvecklingen av mikroelektroniska teknologier uppstår nya praktiska uppgifter och teoretiska problem relaterade till tillämpningen av sensornätverk inom industri , bostäder och kommunala tjänster och hushåll . Användningen av billiga trådlösa sensorstyrenheter öppnar nya områden för tillämpningen av telemetri och kontrollsystem [4] , såsom:

• Snabb upptäckt av möjliga fel på ställdon, för att kontrollera sådana parametrar som vibrationer, temperatur, tryck, etc.;
• Åtkomstkontroll till fjärrsystem för det övervakade objektet i realtid ;
  • säkerställa skyddet av museivärden ;
  • redovisning av utställningar;
  • automatisk revision av utställningar;
• Automatisering av inspektion och underhåll av industriella tillgångar;
• Förvaltning av kommersiella tillgångar;
• Tillämpning som komponenter i energi- och resurssparande teknologier;
• Kontroll av ekologiska parametrar i miljön

Det bör noteras att trots sensornätverkens långa historia [3] har konceptet att bygga ett sensornätverk inte äntligen tagit form och har inte uttryckts i vissa mjukvaru- och hårdvarulösningar (plattformar). Implementeringen av sensornätverk i det aktuella skedet beror till stor del på de specifika kraven för den industriella uppgiften. Implementeringen av arkitektur, mjukvara och hårdvara befinner sig i ett skede av intensiv teknikbildning, vilket uppmärksammar utvecklare för att söka efter en teknisk nisch för framtida tillverkare [3] .

Teknik

Trådlösa sensornätverk består av miniatyrberäkningsenheter - motes , utrustade med sensorer (till exempel temperatur, tryck, belysning, vibrationsnivå, plats, etc.) och sändare som arbetar inom ett givet radioområde. Flexibel arkitektur, minskade installationskostnader skiljer trådlösa smarta sensornätverk från andra trådlösa och trådbundna dataöverföringsgränssnitt, speciellt när det kommer till ett stort antal sammankopplade enheter låter sensornätverket dig ansluta upp till 65 000 enheter. Den ständiga minskningen av kostnaden för trådlösa lösningar, ökningen av deras driftsparametrar gör det möjligt att gradvis byta från trådbundna lösningar i telemetridatainsamlingssystem, fjärrdiagnostikverktyg och informationsutbyte till trådlösa. "Sensornätverk" är idag en väletablerad term som betecknar ett distribuerat, självorganiserande, feltolerant nätverk av individuella noder, obevakade och som inte kräver någon speciell installation av enheter [5] . Varje nod i sensornätverket kan innehålla olika sensorer för övervakning av den yttre miljön, en mikrodator och en radiosändtagare. Detta gör att enheten kan utföra mätningar, självständigt utföra initial databehandling och upprätthålla kommunikation med ett externt informationssystem.

Den vidarebefordrade radiokommunikationstekniken med kort räckvidd 802.15.4 / ZigBee , känd som "Sensornätverk", är en av de moderna riktningarna i utvecklingen av självorganiserande feltoleranta distribuerade system för övervakning och hantering av resurser och processer. Idag är tekniken för trådlösa sensornätverk den enda trådlösa tekniken som kan användas för att lösa uppgifterna med övervakning och kontroll, som är avgörande för driften av sensorer. Sensorerna integrerade i ett trådlöst nätverk bildar ett territoriellt distribuerat självorganiserande system för insamling, bearbetning och överföring av information. Det huvudsakliga tillämpningsområdet är kontroll och observation av de uppmätta parametrarna för fysiska medier och objekt [6] .

Den antagna IEEE 802.15.4-standarden beskriver åtkomstkontrollen för trådlös länk och det fysiska lagret för låghastighets trådlösa personliga nätverk, det vill säga de två lägre lagren enligt OSI-nätverksmodellen . Den "klassiska" sensornätverksarkitekturen är baserad på en typisk nod som inkluderar [7] , ett exempel på en typisk nod RC2200AT-SPPIO [8] :

• radioväg;
• processormodul;
• batteri;
• olika sensorer.

Användningen av en andra sändare i en typisk sensornätverksnod, som överensstämmer med ISO 24730-5-standarden, som sensor gör det möjligt att använda sensornätverket inte bara för att observera parametrarna för media och objekt, utan också för att lokalisera och observera rörelser av föremål utrustade med speciella radiofrekvensetiketter . Ett sensornätverk byggt av sådana noder bildar en trådlös RTLS- infrastruktur .

Nodtyper

En typisk nod kan representeras av tre typer av enheter [9] :

• Nätverkskoordinator (NCD - Network Coordination Device);
  • utför global koordinering, organisation och inställning av nätverksparametrar;
  • den mest komplexa av de tre enhetstyperna, som kräver mest minne och strömförsörjning;
• Fullt fungerande enhet (FFD)
  • stöd för 802.15.4;
  • extra minne och strömförbrukning gör att du kan fungera som nätverkskoordinator;
  • stöd för alla typer av topologier ("punkt-till-punkt", " stjärna ", "träd", " nätverk ");
  • förmågan att fungera som nätverkskoordinator;
  • möjligheten att komma åt andra enheter i nätverket;
• RFD - Reduced Function Device;
  • stöder en begränsad uppsättning 802.15.4-funktioner;
  • stöd för punkt-till-punkt, stjärntopologier;
  • fungerar inte som samordnare;
  • ringer nätverkskoordinatorn och routern;

Se även

• Trådlöst ad hoc-nätverk
• Lista över routingprotokoll i ad-hoc-nätverk
• IEEE 802.15.4

Anteckningar

1. ↑ | Ivanova I. A. Bestämning av omkretsen av täckningsområdet för trådlösa sensornätverk // Industriell ACS och styrenheter. – 2010. – nej. 10. - S. 25-30.
2. ↑ | Galkin P. V., Golovkina L. V., Borisenko A. S. Studie av skogarnas inverkan på kommunikationsområdet i ZigBee-nätverk // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. - 2011. - T. 3. - Nej. 2 (51). - S. 4-9. . Hämtad 28 november 2020. Arkiverad från originalet 8 december 2020. (obestämd)
3. ↑ 1 2 3 Ragozin DV Simulering av synkroniserade sensornätverk. Programmeringsproblem. 2008. Nr 2-3. Specialnummer - 721-729 sid.
4. ↑ Baranova E. IEEE 802.15.4 och dess ZigBee-programtillägg. // Telemultimedia, 8 maj 2008.
5. ↑ Levis P., Madden S., Polastre J. och dr. "TinyOS: Ett operativsystem för trådlösa sensornätverk" // W. Weber, JM Rabaey, E. Aarts (Eds.) // In Ambient Intelligence. — New York, NY: Springer-Verlag, 2005. — 374 sid.
6. ↑ Algoritmiska accepterar trådlösa sensornätverk. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislaw Kubiak, Eds. — Polen, Wrozlaw: Springer, 2007.
7. ↑ Intelligenta system baserade på sensornätverk. Arkivexemplar daterad 10 augusti 2011 på Wayback Machine // Institute of Precision Mechanics and Computer Engineering. S. A. Lebedeva RAN, 2009.
8. ↑ Fullständiga ZigBee-moduler från RadioCrafts. Arkiverad 28 juni 2010 på Wayback Machine // Komponenter och teknologier.
9. ↑ ZigBee/802.15.4 protokollstack på Freescale Semiconductor Arkiverad 24 mars 2012 på Wayback Machine , 2004