Мрежова архитектура на безжичния сензор и нейните приложения

Понастоящем, WSN (безжична сензорна мрежа) е най-стандартните услуги, използвани в търговски и промишлени приложения, поради техническото си развитие в процесора, комуникацията и използването на вградени изчислителни устройства с ниска мощност. Архитектурата на безжичната сензорна мрежа е изградена с възли, които се използват за наблюдение на околната среда като температура, влажност, налягане, положение, вибрации, звук и др. Тези възли могат да се използват в различни приложения в реално време за изпълнение на различни задачи като интелигентно откриване, откриване на съседни възли, обработка и съхранение на данни, събиране на данни, проследяване на целта, наблюдение и контрол, синхронизация, локализация на възлите и ефективно маршрутизиране между базовата станция и възлите. В момента WSN започват да се организират в подобрена стъпка. Не е неудобно да се очаква, че след 10 до 15 години светът ще бъде защитен с WSN с достъп до тях чрез Интернет. Това може да се измери, тъй като Интернет се превръща във физически n / w. Тази технология вълнува с безкраен потенциал за много области на приложение като медицина, околна среда, транспорт, военни, развлекателни дейности, отбрана на страната, управление на кризи, както и интелигентни пространства.

Какво представлява безжична сензорна мрежа?

Безжичен Sensor Network е един вид безжична мрежа което включва голям брой циркулиращи, самонасочени, минутни, ниско захранвани устройства, наречени сензорни възли, наречени motes. Тези мрежи със сигурност обхващат огромен брой пространствено разпределени, малко, работещи с батерии, вградени устройства, които са свързани в мрежа за грижливо събиране, обработка и прехвърляне на данни към операторите и контролира възможностите за изчисления и обработка. Възлите са малки компютри, които работят заедно, за да формират мрежи.

Безжична сензорна мрежа

Сензорният възел е многофункционално, енергийно ефективно безжично устройство. Приложенията на motes в промишлеността са широко разпространени. Колекция от сензорни възли събира данните от околната среда за постигане на специфични цели на приложението. Комуникацията между мотове може да се осъществява помежду си с помощта на приемо-предаватели. В безжична сензорна мрежа броят на частите може да бъде от порядъка на стотици / дори хиляди. За разлика от сензорите n / ws, Ad Hoc мрежите ще имат по-малко възли без никаква структура.

Мрежова архитектура на безжичния сензор

Най-често срещаната безжична мрежова архитектура следва модела на архитектурата OSI. Архитектурата на WSN включва пет слоя и три напречни слоя. Предимно в сензор n / w, ние се нуждаем от пет слоя, а именно приложение, транспорт, n / w, връзка за данни и физически слой. Трите кръстосани равнини са именно управление на захранването, управление на мобилността и управление на задачи. Тези слоеве на WSN се използват за постигане на n / w и карат сензорите да работят заедно, за да се повиши пълната ефективност на мрежата. Моля, следвайте връзката по-долу за Видове безжични сензорни мрежи и WSN топологии

Видове WSN архитектури

Архитектурата, използвана в WSN, е сензорна мрежова архитектура. Този вид архитектура е приложима на различни места като болници, училища, пътища, сгради, както и се използва в различни приложения като управление на сигурността, управление на бедствия и управление на кризи и т.н. В безжичния сензор се използват два типа архитектури мрежи, които включват следното. Има 2 типа архитектури на безжични сензори: Архитектура на слоеста мрежа и Архитектура на клъстери. Те са обяснени, както следва по-долу.

• Многослойна архитектура на мрежата
• Клъстерна мрежова архитектура

Многослойна архитектура на мрежата

Този вид мрежа използва стотици сензорни възли, както и базова станция. Тук подреждането на мрежовите възли може да бъде направено на концентрични слоеве. Състои се от пет слоя, както и 3 кръстосани слоя, които включват следното.

Петте слоя в архитектурата са:

• Приложен слой
• Транспортен слой
• Мрежов слой
• Слой за връзка към данни
• Физически слой

Трите кръстосани слоя включват следното:

• Самолет за управление на захранването
• Самолет за управление на мобилността
• Самолет за управление на задачите

Тези три кръстосани слоя се използват главно за управление на мрежата, както и за да накарат сензорите да функционират като едно цяло, за да подобрят цялостната ефективност на мрежата. Гореспоменатите пет слоя WSN са разгледани по-долу.

Мрежова архитектура на безжичния сензор

Приложен слой

Приложният слой отговаря за управлението на трафика и предлага софтуер за множество приложения, които преобразуват данните в ясна форма, за да намерят положителна информация. Сензорни мрежи, подредени в множество приложения в различни области като земеделие, военни, околна среда, медицина и др.

Транспортен слой

Функцията на транспортния слой е да осигури избягване на задръстванията и надеждност, когато много протоколи, предназначени да предложат тази функция, са или практични в горния поток. Тези протоколи използват различни механизми за разпознаване на загуби и възстановяване на загуби. Транспортният слой е точно необходим, когато се планира система да се свърже с други мрежи.

Осигуряването на надеждно възстановяване на загубите е по-енергийно ефективно и това е една от основните причини TCP да не е подходящ за WSN. По принцип транспортните слоеве могат да бъдат разделени на управлявани от пакети и събитие. В транспортния слой има някои популярни протоколи, а именно STCP (Протокол за контрол на трансмисията на сензора), PORT (Ценово ориентиран надежден транспортен протокол и PSFQ (бързо извличане на помпата).

Мрежов слой

Основната функция на мрежовия слой е маршрутизиране, той има много задачи, базирани на приложението, но всъщност основните задачи са в енергоспестяването, частичната памет, буферите и сензорът нямат универсален идентификатор и трябва да бъдете самоорганизирани.

Простата идея на маршрутизиращия протокол е да обясни надеждна лента и излишни ленти, според убедителна скала, наречена метрика, която варира от протокол до протокол. Има много съществуващи протоколи за този мрежов слой, те могат да бъдат разделени на плоска маршрутизация и йерархична маршрутизация или могат да бъдат разделени на управлявани от времето, управлявани от заявки и събитие.

Слой за връзка към данни

Слоят за връзка с данни е отговорен за мултиплексиране на откриване на рамка от данни, потоци от данни, MAC и контрол на грешки, потвърждават надеждността на точка-точка (или) точка-многоточка.

Физически слой

Физическият слой осигурява ръб за прехвърляне на поток от битове над физическата среда. Този слой е отговорен за избора на честота, генериране на носеща честота, откриване на сигнал, модулация и криптиране на данни. IEEE 802.15.4 се предлага като типичен за определени области с ниска скорост и безжични сензорни мрежи с ниска цена, консумация на енергия, плътност, обхват на комуникация за подобряване на живота на батерията. CSMA / CA се използва за поддържане на топология звезда и връстници. Има няколко версии на IEEE 802.15.4.V.

Основните предимства на използването на този вид архитектура в WSN е, че всеки възел включва просто предавания с ниска мощност на по-малко разстояние до съседните възли, поради което използването на мощност е ниско в сравнение с други видове архитектура на сензорна мрежа. Този вид мрежа е мащабируема, както и включва висока толерантност към грешки.

Клъстерна мрежова архитектура

При този вид архитектура отделно сензорните възли се добавят в групи, известни като клъстери, които зависят от „Протокола на Лич“, тъй като използва клъстери. Терминът „Протокол за извличане“ означава „Ниско енергийна адаптивна клъстерна йерархия“. Основните свойства на този протокол включват основно следното.

Клъстерна мрежова архитектура

• Това е двустепенна йерархична клъстерна архитектура.
• Този разпределен алгоритъм се използва за подреждане на сензорните възли в групи, известни като клъстери.
• Във всеки клъстер, който се формира отделно, главните възли на клъстера ще създадат TDMA (множествен достъп с разделяне във времето) планове.
• Той използва концепцията Data Fusion, така че да направи мрежата енергийно ефективна.

Този вид мрежова архитектура е изключително използвана поради свойството за сливане на данни. Във всеки клъстер всеки възел може да взаимодейства през главата на клъстера, за да получи данните. Всички клъстери ще споделят събраните си данни към базовата станция. Формирането на клъстер, както и изборът му на глава във всеки клъстер, е независим, както и автономен разпределен метод.

Проблеми с дизайна на мрежовата архитектура на безжичните сензори

Проблемите с дизайна на архитектурата на безжичната сензорна мрежа включват основно следното.

• Потребление на енергия
• Локализация
• Покритие
• Часовници
• Изчисляване
• Производствени разходи
• Дизайн на хардуер
• Качество на обслужване

Потребление на енергия

В WSN консумацията на енергия е един от основните проблеми. Като източник на енергия батерията се използва чрез оборудване със сензорни възли. Сензорната мрежа е подредена в опасни ситуации, така че се превръща в сложна за смяна на иначе презареждащи се батерии. Консумацията на енергия зависи главно от операциите на сензорните възли като комуникация, сензориране и обработка на данни. По време на комуникацията консумацията на енергия е много висока. И така, консумацията на енергия може да бъде избегната на всеки слой, като се използват ефективни протоколи за маршрутизиране.

Локализация

За работата на мрежата основният, както и критичният проблем, е локализацията на сензора. Така че сензорните възли са подредени по специален начин, така че да не знаят за тяхното местоположение. Трудността при определяне на физическото местоположение на сензора, след като те са подредени, е известна като локализация. Тази трудност може да бъде разрешена чрез GPS, маякови възли, локализация въз основа на близост.

Покритие

Сензорните възли в безжичната сензорна мрежа използват алгоритъм за покритие за откриване на данни, както и ги предават, за да потънат чрез маршрутизиращия алгоритъм. За да се покрие цялата мрежа, трябва да бъдат избрани сензорните възли. Там се препоръчват ефективни методи като алгоритми за най-ниска и най-висока експозиция, както и протокол за проектиране на покритие.

Часовници

В WSN синхронизирането на часовника е сериозна услуга. Основната функция на тази синхронизация е да предложи обикновен график за възлите на локалните часовници в сензорните мрежи. Тези часовници трябва да бъдат синхронизирани в рамките на някои приложения като наблюдение, както и проследяване.

Изчисляване

Изчислението може да се определи като сбор от данни, които продължават през всеки възел. Основният въпрос в изчисленията е, че той трябва да намали използването на ресурси. Ако продължителността на живота на базовата станция е по-опасна, тогава обработката на данните ще бъде завършена на всеки възел преди предаването на данни към базовата станция. На всеки възел, ако разполагаме с ресурси, цялото изчисление трябва да се извърши в мивката.

Производствени разходи

В WSN е подреден големият брой сензорни възли. Така че, ако цената на единичния възел е много висока, общата цена на мрежата също ще бъде висока. В крайна сметка цената на всеки сензорен възел трябва да се поддържа по-ниска. Така че цената на всеки сензорен възел в безжичната сензорна мрежа е труден проблем.

Хардуерен дизайн

Когато проектирате хардуер на сензорна мрежа като контрол на мощността, микроконтролерът и комуникационният блок трябва да бъдат енергийно ефективни. Неговият дизайн може да бъде направен по такъв начин, че да използва ниска енергия.

Качество на обслужване

Качеството на услугата или QoS не е нищо друго освен, данните трябва да бъдат разпределени във времето. Тъй като някои от приложенията, базирани на сензори в реално време, зависят основно от времето. Така че, ако данните не се разпределят навреме към приемника, тогава данните ще станат безполезни. В WSN има различни видове QoS проблеми като мрежова топология, които могат да се променят често, както и достъпното състояние на информацията, използвана за маршрутизация, може да бъде неточна.

Структура на безжична сензорна мрежа

Структурата на WSN включва основно различни топологии, използвани за радиокомуникационни мрежи като звезда, мрежа и хибридна звезда. Тези топологии са разгледани накратко по-долу.

Star Network

Комуникационната топология като звездна мрежа се използва навсякъде, където само базовата станция може да предава или приема съобщение към отдалечени възли. Налични са редица възли, които нямат право да предават съобщения един на друг. Предимствата на тази мрежа се състоят главно в простотата, способна да сведе до минимум използването на енергия от отдалечени възли.

Той също така позволява комуникации с по-малко латентност между базовата станция, както и отдалечен възел. Основният недостатък на тази мрежа е, че базовата станция трябва да бъде в обхвата на радиото за всички отделни възли. Той не е стабилен като другите мрежи, защото зависи от един възел, който да обработва мрежата.

Мрежова мрежа

Този вид мрежа позволява предаването на данни от един възел до друг в мрежата, която е в обхвата на радиопредаването. Ако възел трябва да предаде съобщение на друг възел и това е извън обхвата на радиокомуникацията, тогава той може да използва възел като междинен, за да изпрати съобщението към предпочитания възел.

Основната полза от мрежовата мрежа е мащабируемост, както и излишък. Когато отделен възел спре да работи, отдалечен възел може да разговаря с всеки друг тип възел в обхвата, след което препраща съобщението към предпочитаното местоположение. Освен това обхватът на мрежата не се ограничава автоматично през обхвата между отделни възли, които той може да разшири, просто като добави редица възли към системата.

Основният недостатък на този вид мрежа е използването на енергия за мрежовите възли, които изпълняват комуникациите като мулти-хоп, обикновено са по-високи от другите възли, които нямат този капацитет да ограничават живота на батерията често. Освен това, когато броят на комуникационните скокове се увеличи към дадена дестинация, тогава времето, необходимо за изпращане на съобщението, също ще се увеличи, особено ако процесът с ниска мощност на възлите е необходимост.

Хибридна звезда - мрежова мрежа

Хибрид между двете мрежи като звезда и мрежа осигурява силна и гъвкава комуникационна мрежа, като същевременно поддържа консумацията на енергия на безжичните сензорни възли до минимум. При този вид мрежова топология сензорните възли с по-малко мощност нямат право да предават съобщенията.
Това позволява да се поддържа най-малко използване на мощност.

Но други мрежови възли са разрешени с възможността за мулти-хоп, като им позволяват да предават съобщения от един възел на друг в мрежата. Обикновено възлите с мулти-хоп капацитет имат висока мощност и често се включват в мрежовата линия. Това е внедрената топология чрез предстоящата стандартна мрежова мрежа, наречена ZigBee.

Структура на безжичен сензорен възел

Компонентите, използвани за създаване на безжичен сензорен възел, са различни единици като зондиране, обработка, приемо-предавател и захранване. Той също така включва допълнителни компоненти, които зависят от приложение като генератор на енергия, система за намиране на местоположение и мобилизатор. Обикновено сензорните модули включват две подединици, а именно ADC, както и сензори. Тук сензорите генерират аналогови сигнали, които могат да бъдат променени на цифрови сигнали с помощта на ADC, след което той предава на процесорния блок.

Като цяло това устройство може да бъде свързано чрез малък модул за съхранение, за да се справя с действията, за да накара сензорният възел да работи с останалите възли, за да постигне разпределените задачи за наблюдение. Сензорният възел може да бъде свързан към мрежата с помощта на трансивър. В сензорния възел един от съществените компоненти е сензорен възел. Захранващите блокове се поддържат чрез модули за почистване на енергия като слънчеви клетки, докато останалите подразделения зависят от приложението.

По-горе е показана функционална блок-схема на безжични сензорни възли. Тези модули дават гъвкава платформа за справяне с изискванията на широки приложения. Например, въз основа на датчиците, които трябва да бъдат подредени, може да се извърши подмяната на блока за кондициониране на сигнала. Това позволява използването на различни сензори заедно с безжичния сензорен възел. По същия начин радиовръзката може да бъде обменена за определено приложение.

Характеристики на безжичната сензорна мрежа

Характеристиките на WSN включват следното.

• Ограниченията на консумацията на мощност за възли с батерии
• Капацитет за справяне с повреди на възли
• Известна подвижност на възлите и хетерогенност на възлите
• Мащабируемост до голям мащаб на разпространение
• Възможност за осигуряване на строги условия на околната среда
• Лесен за използване
• Дизайн на кръстосани слоеве

Предимства на безжичните сензорни мрежи

Предимствата на WSN включват следното

• Мрежовите договорености могат да се извършват без недвижима инфраструктура.
• Подходящи за недостъпни места като планини, над морето, селските райони и дълбоките гори.
• Гъвкав, ако има случайна ситуация, когато се изисква допълнителна работна станция.
• Цените за изпълнение са евтини.
• Избягва изобилие от окабеляване.
• Той може да осигури помещения за новите устройства по всяко време.
• Може да се отвори чрез централизирано наблюдение.

Безжични сензорни мрежови приложения

Безжичните сензорни мрежи могат да съдържат множество различни видове сензори като ниска честота на вземане на проби, сеизмични, магнитни, термични, визуални, инфрачервени, радарни и акустични, които са умни за наблюдение на широк спектър от околни ситуации. Сензорните възли се използват за постоянно наблюдение, идентификация на събитие, откриване на събитие и локален контрол на задвижващите механизми. Приложенията на безжичните сензорни мрежи включват основно здравни, военни, екологични, домашни и други търговски области.

WSN приложение

• Военни приложения
• Здравни приложения
• Приложения за околната среда
• Домашни приложения
• Търговски приложения
• Наблюдение на площ
• Мониторинг на здравеопазването
• Екологични / Земни наблюдения
• Мониторинг на замърсяването на въздуха
• Откриване на горски пожари
• Откриване на свлачище
• Мониторинг на качеството на водата
• Индустриален мониторинг

По този начин това е всичко за това, което е a безжична сензорна мрежа , архитектура, характеристики и приложения на безжична сензорна мрежа. Надяваме се, че имате по-добро разбиране на тази концепция. Освен това, всякакви запитвания или да знаете за идеи за проекти за безжична сензорна мрежа , моля, дайте вашите ценни предложения, като коментирате в раздела за коментари по-долу. Ето въпрос към вас, какви са различните видове безжични сензорни мрежи?