Geschichte und Umfang

Einer der ersten Prototypen des Sensornetzwerks kann als SOSUS-System betrachtet werden, das zur Erkennung und Identifizierung von U-Booten entwickelt wurde. Technologien für drahtlose Sensornetzwerke begannen sich erst vor relativ kurzer Zeit - Mitte der 1990er Jahre - aktiv zu entwickeln. Die Entwicklung der Mikroelektronik ermöglichte es jedoch erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts, eine relativ billige Elementbasis für solche Geräte herzustellen. Modern drahtlose Netzwerke basieren meist auf dem ZigBee-Standard. Eine beträchtliche Anzahl von Industrien und Marktsegmenten (Fertigung, verschiedene Transportmittel, Lebenserhaltung, Sicherheit) sind bereit für die Implementierung von Sensornetzwerken, und diese Zahl nimmt ständig zu. Der Trend ist auf die Komplikation technologischer Prozesse, die Entwicklung der Produktion, die wachsenden Bedürfnisse des Einzelnen in den Bereichen Sicherheit, Ressourcenkontrolle und Inventarnutzung zurückzuführen. Mit der Entwicklung der Halbleitertechnologien ergeben sich neue praktische Aufgabenstellungen und theoretische Probleme im Zusammenhang mit der Anwendung von Sensornetzwerken in Industrie, Wohnungs- und Kommunalwirtschaft und Haushalten. Der Einsatz von kostengünstigen drahtlosen Sensorsteuergeräten eröffnet neue Anwendungsgebiete für Telemetrie- und Steuerungssysteme, wie z. B.:

• Rechtzeitige Erkennung möglicher Ausfälle von Aktuatoren, um Parameter wie Vibration, Temperatur, Druck usw. zu kontrollieren;
• Echtzeit-Zugangskontrolle zu entfernte SystemeÜberwachungsobjekt;
• Inspektionsautomatisierung u Instandhaltung Industrieanlagen;
• Kaufmännische Vermögensverwaltung;
• Anwendung als Komponente in energie- und ressourcensparenden Technologien;
• Kontrolle der Ökoparameter der Umgebung.

Es sei darauf hingewiesen, dass trotz der langen Geschichte von Sensornetzwerken das Konzept des Aufbaus eines Sensornetzwerks noch nicht endgültig Gestalt angenommen hat und nicht in bestimmten Software- und Hardware-(Plattform-)Lösungen zum Ausdruck gekommen ist. Die Implementierung von Sensornetzwerken hängt zum jetzigen Zeitpunkt stark von den spezifischen Anforderungen der industriellen Aufgabenstellung ab. Die Architektur, Software- und Hardwareimplementierung befindet sich in der Phase der intensiven Technologiebildung, die die Aufmerksamkeit der Entwickler auf sich zieht, um nach einer technologischen Nische für zukünftige Hersteller zu suchen.

Technologien

Drahtlose Sensornetzwerke (WSN) bestehen aus Miniaturcomputergeräten – Motes, die mit Sensoren (Sensoren für Temperatur, Druck, Licht, Vibrationspegel, Standort usw.) und Signaltransceivern ausgestattet sind, die in einem bestimmten Funkbereich arbeiten. Flexible Architektur, reduzierte Installationskosten unterscheiden drahtlose intelligente Sensornetzwerke von anderen drahtlosen und kabelgebundenen Datenübertragungsschnittstellen, insbesondere wenn es um eine große Anzahl miteinander verbundener Geräte geht, ermöglicht das Sensornetzwerk den Anschluss von bis zu 65.000 Geräten. Die ständige Reduzierung der Kosten drahtloser Lösungen und die Erhöhung ihrer Betriebsparameter ermöglichen eine schrittweise Umorientierung von kabelgebundenen Lösungen auf Systeme zur Erfassung von Telemetriedaten, Ferndiagnose und Informationsaustausch. „Sensorisches Netzwerk“ ist heute ein etablierter Begriff. Sensornetzwerke), bezeichnet ein verteiltes, selbstorganisierendes, fehlertolerantes Netzwerk aus einzelnen Elementen, das unbeaufsichtigt abläuft und keine spezielle Installation von Geräten erfordert. Jeder Sensornetzwerkknoten kann enthalten verschiedene Sensoren für Umgebungskontrolle, Mikrocomputer und Funkgerät. Dadurch kann das Gerät Messungen durchführen, eine erste Datenverarbeitung selbstständig durchführen und die Kommunikation mit einem externen Informationssystem aufrechterhalten.

802.15.4/ZigBee weitergeleitete Nahbereichsfunktechnologie, bekannt als "Sensor Networks" (engl. WSN - Drahtloses Sensornetzwerk), ist einer von moderne Trends Entwicklung von selbstorganisierenden fehlertoleranten verteilten Systemen zur Überwachung und Verwaltung von Ressourcen und Prozessen. Die drahtlose Sensornetzwerktechnologie ist heute die einzige drahtlose Technologie, die die für die Betriebszeit von Sensoren kritischen Überwachungs- und Steuerungsaufgaben lösen kann. Die zu einem drahtlosen Sensornetzwerk zusammengefassten Sensoren bilden ein territorial verteiltes, selbstorganisierendes System zur Sammlung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen. Das Haupteinsatzgebiet ist die Kontrolle und Überwachung der gemessenen Parameter von physikalischen Medien und Objekten.

• Funkweg;
• Prozessormodul;
• Batterie;
• verschiedene Sensoren.

Ein typischer Knoten kann durch drei Arten von Geräten dargestellt werden:

• Netzwerkkoordinator (FFD - Fully Function Device);
  • führt globale Koordination, Organisation und Einstellung von Netzwerkparametern durch;
  • der komplexeste der drei Gerätetypen, der am meisten Speicher und Stromversorgung benötigt;

• Gerät mit vollem Funktionsumfang (FFD - Fully Function Device);
  • Unterstützung für 802.15.4;
  • zusätzlicher Speicher- und Stromverbrauch ermöglicht es Ihnen, als Netzwerkkoordinator zu fungieren;
  • Unterstützung aller Arten von Topologien ("Punkt-zu-Punkt", "Stern", "Baum", "Mesh-Netzwerk");
  • die Fähigkeit, als Netzwerkkoordinator zu fungieren;
  • die Fähigkeit, auf andere Geräte im Netzwerk zuzugreifen;
• (RFD - Gerät mit reduzierter Funktion);
  • unterstützt eine begrenzte Anzahl von 802.15.4-Funktionen;
  • Unterstützung für Punkt-zu-Punkt-, Sterntopologien;
  • fungiert nicht als Koordinator;
  • ruft den Netzwerkkoordinator und Router an;

Entwickler von Unternehmen

Es gibt verschiedene Arten von Unternehmen auf dem Markt:

Anmerkungen

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was "drahtlose Sensornetzwerke" sind:

- (andere Bezeichnungen: drahtlose Ad-hoc-Netzwerke, drahtlose dynamische Netzwerke) dezentrale drahtlose Netzwerke, die keine feste Struktur haben. Client-Geräte werden spontan verbunden und bilden ein Netzwerk. Jeder Netzwerkknoten versucht weiterzuleiten ... ... Wikipedia

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Drahtlose Ad-hoc-Netzwerke sind dezentrale drahtlose Netzwerke, die keine dauerhafte Struktur haben. Client-Geräte werden spontan verbunden und bilden ein Netzwerk. Jeder Knoten im Netzwerk versucht, Daten weiterzuleiten, die für andere Knoten bestimmt sind. Gleichzeitig ... ... Wikipedia

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Die Architektur eines typischen drahtlosen Sensornetzwerks Ein drahtloses Sensornetzwerk ist ein verteiltes, selbstorganisierendes Netzwerk aus vielen Sensoren (Sensoren) und Aktoren, die über einen Funkkanal miteinander verbunden sind. Region ... ... Wikipedia

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Telemetrie, Telemetrie (von griechisch τῆλε „fern“ + μέτρεω „messen“) eine Reihe von Technologien, die es ermöglichen, dem Bediener oder Benutzer Fernmessungen und das Sammeln von Informationen bereitzustellen, ein wesentlicher Bestandteil ... ... Wikipedia

Ultrabreitband (UWB)-Signale sind Funksignale (UHF-Signale) mit „extra großer“ Bandbreite. Sie werden für Ultrabreitband-Radar und Ultrabreitband-Funkkommunikation verwendet. Inhalt 1 Definition 2 Regulierung ... Wikipedia

Das erste Open Wireless Network Protocol, das für die Gebäudeautomation und das verteilte Gebäudemanagement entwickelt wurde. One Net kann mit vielen vorhandenen Transceivern (Transceivern) und ... ... Wikipedia verwendet werden

Drahtlose Sensornetzwerke: ein Überblick

Akuldiz I.F.

Übersetzung aus dem Englischen: Levzhinsky A.S.

Anmerkung

Der Artikel beschreibt die Konzepte von Sensornetzwerken, deren Umsetzung durch die Kombination von mikroelektromechanischen Systemen, drahtloser Kommunikation und digitaler Elektronik möglich geworden ist. Die Aufgaben und Potenziale von Sensornetzwerken werden untersucht, es wird ein Überblick über die Fakten gegeben, die ihre Entwicklung beeinflussen. Die Architektur von Gebäudesensornetzwerken, die entwickelten Algorithmen und Protokolle für jede Schicht der Architektur werden ebenfalls berücksichtigt. Der Artikel geht Fragen zur Implementierung von Sensornetzwerken nach.

1. Einleitung

Jüngste Fortschritte in den Technologien mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), der drahtlosen Kommunikation und der digitalen Elektronik haben es möglich gemacht, kostengünstige, stromsparende, multifunktionale Knoten (Knoten) zu schaffen, die klein sind und direkt miteinander „sprechen“. . Auf Kollaboration basierende Sensornetzwerke eine große Anzahl winzige Knoten, die aus Modulen zum Sammeln und Verarbeiten von Daten bestehen, ein Sender. Ein solches Netzwerk hat erhebliche Vorteile gegenüber einem Satz herkömmlicher Sensoren. Hier sind zwei Hauptmerkmale Herkömmliche Sensoren: Sensoren können weit vom beobachteten Phänomen entfernt sein. Dieser Ansatz erfordert viele Sensoren, die einige ausgeklügelte Techniken verwenden, um Ziele aus dem Rauschen herauszusuchen.
Sie können mehrere Sensoren einsetzen, die nur Daten sammeln. Entwerfen Sie Sensorpositionen und Topologie sorgfältig. Sie werden Beobachtungen an die zentralen Knoten übermitteln, wo die Datenerhebung und -verarbeitung durchgeführt wird.
Das Sensornetzwerk besteht aus einer großen Anzahl von Knoten (Motes), die dicht um das beobachtete Phänomen herum angeordnet sind. Die Position der Partikel muss nicht vorberechnet werden. Dadurch können sie willkürlich in schwer zugänglichen Bereichen platziert oder für Hilfseinsätze eingesetzt werden, die eine schnelle Reaktion erfordern. Andererseits bedeutet dies, dass Netzwerkprotokolle und Mot-Algorithmen selbstorganisierend sein müssen. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal von Sensornetzwerken ist die Zusammenarbeit einzelner Knoten. Motes sind mit einem Prozessor ausgestattet. Anstatt die Originaldaten weiterzugeben, können sie diese daher durch einfache Berechnungen verarbeiten und nur die notwendigen und teilweise verarbeiteten Daten weitergeben. Die oben beschriebenen Merkmale bieten ein breites Anwendungsspektrum für Sensornetzwerke. Solche Netzwerke können im Gesundheitswesen, beim Militär und im Sicherheitsbereich eingesetzt werden. Beispielsweise können physiologische Daten eines Patienten von einem Arzt fernüberwacht werden. Dies ist sowohl für den Patienten bequem als auch für den Arzt, um seinen aktuellen Zustand zu verstehen. Sensornetzwerke können verwendet werden, um chemische Fremdstoffe in Luft und Wasser zu erkennen. Sie können dabei helfen, Art, Konzentration und Ort von Schadstoffen zu bestimmen. Im Wesentlichen ermöglichen Sensornetzwerke ein besseres Verständnis der Umwelt. Wir gehen davon aus, dass drahtlose Sensornetzwerke in Zukunft ein fester Bestandteil unseres Lebens sein werden, mehr noch als die heutigen Personal Computer. Die Umsetzung dieser und anderer Projekte, die den Einsatz drahtloser Sensornetzwerke erfordern, erfordert spezielle Methoden. Viele Protokolle und Algorithmen wurden für herkömmliche drahtlose Peer-to-Peer-Netzwerke entwickelt, sodass sie dafür nicht gut geeignet sind einzigartige Eigenschaften und Anforderungen an Sensornetzwerke. Hier sind die Unterschiede zwischen Sensor- und Peer-to-Peer-Netzwerken: Die Anzahl der Knoten in einem Sensornetzwerk kann mehrere Größenordnungen höher sein als die Anzahl der Knoten in einem Peer-to-Peer-Netzwerk.
Die Knoten sind dicht beabstandet.
Knoten sind fehleranfällig.
Die Topologie von Sensornetzwerken kann sich häufig ändern
Knoten verwenden hauptsächlich Broadcast-Nachrichten, während die meisten Peer-to-Peer-Netzwerke auf Punkt-zu-Punkt-Kommunikation basieren.
Knoten sind in Leistung, Verarbeitungsleistung und Speicher begrenzt.
Knoten können keine globale haben Kennzahl(IN) wegen eine große Anzahl Overhead und eine große Anzahl von Sensoren.
Da die Knoten im Netzwerk dicht gepackt sind, können benachbarte Knoten sehr nahe beieinander liegen. Daher verbrauchen Multi-Hop-Verbindungen in Sensornetzwerken weniger Strom als direkte Verbindungen. Darüber hinaus können Sie verwenden geringer Strom Signalübertragung, die bei der verdeckten Überwachung nützlich ist. Multi-Hop-Kommunikationen können einige der Schwierigkeiten der Signalausbreitung über große Entfernungen in der drahtlosen Kommunikation effektiv überwinden. Eine der wichtigsten Einschränkungen für Knoten ist der geringe Stromverbrauch. Motes haben begrenzte Energiequellen. Während traditionelle Netzwerke darauf abzielen, dies zu erreichen Gute Qualität signal, sollten sich motes Netzwerkprotokolle hauptsächlich auf die Energieeinsparung konzentrieren. Sie müssen über Mechanismen verfügen, die es dem Benutzer ermöglichen, die Lebensdauer des Knotens zu verlängern, indem entweder der Durchsatz verringert oder die Datenübertragungslatenz erhöht wird. Viele Forscher beschäftigen sich derzeit mit der Entwicklung von Schaltungen, die diese Anforderungen erfüllen. In diesem Artikel werden wir die Protokolle und Algorithmen überprüfen, die derzeit für Sensornetzwerke existieren. Unser Ziel ist es, aktuelle Forschungsfragen in diesem Bereich besser zu verstehen. Wir werden auch versuchen, die Designbeschränkungen zu untersuchen und Werkzeuge zu identifizieren, die zur Lösung von Designproblemen verwendet werden können. Der Artikel ist folgendermaßen aufgebaut: Im zweiten Abschnitt beschreiben wir das Potenzial und den Nutzen von Sensornetzwerken. In Abschnitt 3 diskutieren wir die Faktoren, die das Design solcher Netzwerke beeinflussen. Eine detaillierte Untersuchung bestehender Methoden auf diesem Gebiet wird in Abschnitt 4 betrachtet. Und wir werden in Abschnitt 5 zusammenfassen.

2. Anwendung drahtloser Sensornetzwerke

Sensornetzwerke können aus verschiedenen Arten von Sensoren bestehen, wie z. B. seismischen, magnetischen, thermischen, infraroten und akustischen Sensoren, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Messungen von Umgebungsbedingungen durchzuführen. Zum Beispiel wie:
Temperatur,
Feuchtigkeit,
Autoverkehr,
Blitzzustand,
Druck,
Bodenzusammensetzung,
Geräuschpegel,
das Vorhandensein oder Fehlen bestimmter Gegenstände,
mechanische Belastung
dynamische Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Richtung und Größe des Objekts.
Motes können zur kontinuierlichen Sondierung, Ereigniserkennung und -identifikation verwendet werden. Das Konzept der Mikrosensorik und kabellose Verbindung versprechen viele neue Anwendungen für solche Netzwerke. Wir haben sie nach den Hauptbereichen kategorisiert: militärische Anwendungen, Umweltforschung, Gesundheitswesen, Verwendung in Haushalten und anderen gewerblichen Bereichen. Es ist jedoch möglich, diese Klassifizierung zu erweitern und weitere Kategorien hinzuzufügen, z. B. Weltraumforschung, chemische Verarbeitung und Katastrophenhilfe.

2.1. Militärische Anwendung

Drahtlose Sensornetzwerke können ein integraler Bestandteil militärischer Führungs-, Kommunikations-, Aufklärungs-, Überwachungs- und Orientierungssysteme (C4ISRT) sein. Schnelle Bereitstellung, Selbstorganisation und Fehlertoleranz sind Eigenschaften von Sensornetzwerken, die sie zu einem vielversprechenden Werkzeug zur Lösung von Problemen machen. Da Sensornetzwerke auf einer dichten Aufstellung von Einweg- und billigen Knoten basieren können, wird die Zerstörung einiger von ihnen während der Feindseligkeiten die Militäroperation nicht in der gleichen Weise beeinträchtigen wie die Zerstörung traditioneller Sensoren. Daher ist der Einsatz von Sensornetzwerken besser für Gefechte geeignet. Wir listen einige weitere Möglichkeiten auf, solche Netzwerke zu nutzen: Überwachung von Waffen und Munition befreundeter Streitkräfte, Beobachtung des Kampfes; Orientierung am Boden; Bewertung des Kampfschadens; Erkennung nuklearer, biologischer und chemischer Angriffe. Überwachung von befreundeten Streitkräften, Waffen und Munition: Anführer und Kommandeure können den Status ihrer Truppen, den Zustand und die Verfügbarkeit von Ausrüstung und Munition auf dem Schlachtfeld mithilfe von Sensornetzwerken ständig überwachen. An jedem Fahrzeug, jeder Ausrüstung und wichtigen Munition können Sensoren angebracht sein, um ihren Status zu melden. Diese Daten werden an Schlüsselknoten gesammelt und an die Führungskräfte gesendet. Daten können auch zu höheren Ebenen der Befehlshierarchie umgeleitet werden, um mit Daten von anderen Teilen kombiniert zu werden. Kampfbeobachtungen: Kritische Bereiche, Wege, Routen und Meerengen können schnell mit Sensornetzwerken abgedeckt werden, um die Aktivitäten feindlicher Streitkräfte zu untersuchen. Während des Einsatzes oder nach der Entwicklung neuer Pläne können Sensornetzwerke jederzeit zur Kampfüberwachung eingesetzt werden. Feindliche Truppen- und Geländeaufklärung: Sensornetzwerke können in kritischen Bereichen eingesetzt und wertvolle, detaillierte und zeitnahe Daten über feindliche Truppen und Gelände innerhalb von Minuten gesammelt werden, bevor der Feind sie abfangen kann. Orientierung: Sensornetzwerke können in intelligenten Munitionsleitsystemen verwendet werden. Schadensbewertung nach dem Kampf: Unmittelbar vor oder nach einem Angriff können Sensornetzwerke im Zielgebiet eingesetzt werden, um Daten zur Schadensbewertung zu sammeln. Erkennung nuklearer, biologischer und chemischer Angriffe: Beim Einsatz chemischer oder biologischer Waffen, deren Einsatz gegen Null geht, ist es wichtig, chemische Kampfstoffe rechtzeitig und genau zu identifizieren. Sensornetzwerke können als Warnsysteme für chemische oder biologische Angriffe eingesetzt werden und die in kurzer Zeit gesammelten Daten helfen, die Zahl der Opfer drastisch zu reduzieren. Es ist auch möglich, Sensornetzwerke zur detaillierten Aufklärung zu verwenden, nachdem solche Angriffe erkannt wurden. So ist es beispielsweise möglich, bei einer Strahlenbelastung eine Aufklärung durchzuführen, ohne Menschen einer Strahlenbelastung auszusetzen.

2.2. Umweltanwendung

Einige der Bereiche in der Ökologie, in denen Sensornetzwerke verwendet werden, sind: Verfolgung der Bewegung von Vögeln, Kleintieren und Insekten; Überwachung des Zustands der Umwelt, um ihre Auswirkungen auf Nutzpflanzen und Nutztiere zu ermitteln; Bewässerung; groß angelegte Erdüberwachung und Planetenerkundung; chemischer/biologischer Nachweis; Erkennung von Waldbränden; meteorologische oder geophysikalische Forschung; Hochwassererkennung; und Verschmutzungsforschung. Erkennung von Waldbränden: Da Motes strategisch und dicht in einem Wald eingesetzt werden können, können sie den genauen Ursprung eines Feuers mitteilen, bevor das Feuer außer Kontrolle gerät. Millionen von Sensoren können kontinuierlich eingesetzt werden. Sie können mit Solarmodulen ausgestattet werden, da die Knoten monate- oder sogar jahrelang unbeaufsichtigt bleiben können. Motes werden zusammenarbeiten, um verteilte Sensoraufgaben auszuführen und Hindernisse wie Bäume und Felsen zu überwinden, die verdrahtete Sensoren blockieren. Kartierung des Biozustands der Umwelt: Erfordert komplexe Ansätze, um Informationen über Zeit- und Raumskalen hinweg zu integrieren. Fortschritte in der Fernerkundungstechnologie und der automatisierten Datenerfassung haben die Forschungskosten stark gesenkt. Der Vorteil dieser Netzwerke besteht darin, dass die Knoten mit dem Internet verbunden werden können, was es entfernten Benutzern ermöglicht, die Umgebung zu steuern, zu überwachen und zu beobachten. Obwohl satelliten- und luftgestützte Sensoren nützlich sind, um die große Vielfalt zu beobachten, beispielsweise die räumliche Komplexität dominanter Pflanzenarten, erlauben sie keine Beobachtung der kleinen Elemente, die den Großteil eines Ökosystems ausmachen. Infolgedessen besteht die Notwendigkeit, drahtlose Sensornetzwerkknoten im Feld einzusetzen. Ein Anwendungsbeispiel ist die biologische Kartierung der Umwelt in einem Reservat in Südkalifornien. Drei Standorte werden von einem Netzwerk abgedeckt, von denen jeder 25-100 Knoten hat, die für die kontinuierliche Überwachung des Zustands der Umgebung verwendet werden. Hochwassererkennung: Ein Beispiel für die Hochwassererkennung ist das Beschallungssystem in den Vereinigten Staaten. Mehrere Arten von Sensoren, die im Warnsystem platziert sind, ermitteln die Niederschlagsmenge, den Wasserstand und das Wetter. Forschungsprojekte wie das COUGAR Device Database Project an der Cornell University und das DataSpace Project an der Rutgers University untersuchen verschiedene Ansätze zur Interaktion mit einzelnen Knoten in einem Netzwerk, um Momentaufnahmen und Langzeitdaten zu erhalten. Landwirtschaft: Der Vorteil von Sensornetzwerken ist auch die Möglichkeit, den Pestizidgehalt im Wasser, die Bodenerosion und die Luftverschmutzung in Echtzeit zu überwachen.

2.3. Anwendung in der Medizin

Eine Anwendung in der Medizin sind Geräte für Behinderte; Patientenüberwachung; Diagnostik; Überwachung der Verwendung von Arzneimitteln in Krankenhäusern; Erfassung menschlicher physiologischer Daten; und Überwachung von Ärzten und Patienten in Krankenhäusern. Überwachung des physiologischen Zustands des Menschen: Physiologische Daten, die von Sensornetzwerken gesammelt werden, können über einen langen Zeitraum gespeichert und für die medizinische Forschung verwendet werden. Installierte Netzwerkknoten können auch die Bewegungen älterer Menschen verfolgen und beispielsweise Stürze verhindern. Diese Knoten sind klein und bieten dem Patienten eine größere Bewegungsfreiheit, während es Ärzten gleichzeitig ermöglichen, die Symptome der Krankheit im Voraus zu erkennen. Darüber hinaus tragen sie zu einem angenehmeren Leben der Patienten im Vergleich zur Behandlung im Krankenhaus bei. Um die Machbarkeit eines solchen Systems zu testen, hat die Medizinische Fakultät Grenoble-Frankreich das „Healthy Smart Home“ geschaffen. . Überwachung von Ärzten und Patienten im Krankenhaus: Jeder Patient hat einen kleinen und leichten Netzwerkknoten. Jeder Knoten hat seine eigene spezifische Aufgabe. Beispielsweise könnte einer Ihre Herzfrequenz überwachen, während ein anderer Ihren Blutdruck misst. Ärzte können auch einen solchen Knoten haben, damit andere Ärzte sie im Krankenhaus finden können. Überwachung von Medikamenten in Krankenhäusern: Knoten können an Medikamente angehängt werden, dann kann die Wahrscheinlichkeit, dass das falsche Medikament ausgegeben wird, minimiert werden. Patienten haben also Knoten, die ihre Allergien und die notwendigen Medikamente bestimmen. Computergestützte Systeme, wie sie in beschrieben sind, haben gezeigt, dass sie dazu beitragen können, die Nebenwirkungen einer fehlerhaften Abgabe von Arzneimitteln zu minimieren.

2.4. Anwendung zu Hause

Hausautomation: Smart Nodes können in Haushaltsgeräte wie Staubsauger integriert werden, Mikrowellen, Kühlschränke und Videorecorder . Sie können untereinander und mit einem externen Netzwerk über das Internet oder Satellit kommunizieren. Dadurch können Endbenutzer Geräte zu Hause sowohl lokal als auch remote einfach verwalten. Intelligente Umgebung: Das intelligente Umgebungsdesign kann zwei verschiedene Ansätze verfolgen, d. h. menschenzentriert oder technologiezentriert. Beim ersten Ansatz muss sich die intelligente Umgebung an die Bedürfnisse der Endnutzer in Bezug auf die Interaktion mit ihnen anpassen. Für technologiezentrierte Systeme müssen neue Hardwaretechnologien, Netzwerklösungen und Zwischenanwendungen entwickelt werden. Beispiele dafür, wie Nodes verwendet werden können, um eine intelligente Umgebung zu schaffen, sind in beschrieben. Die Knoten können in Möbel und Geräte eingebaut werden, sie können untereinander und mit dem Raumserver kommunizieren. Der Raumserver kann auch mit anderen Raumservern kommunizieren, um mehr über die Dienste zu erfahren, die sie anbieten können, wie z. B. Drucken, Scannen und Faxen. Diese Server und Sensorknoten können in bestehende eingebettete Geräte integriert werden und bilden selbstorganisierende, selbstregulierende und adaptive Systeme basierend auf dem Modell der Steuerungstheorie, wie in beschrieben.

3. Einflussfaktoren auf die Entwicklung von Sensornetzwerkmodellen.

Die Entwicklung von Sensornetzwerken hängt von vielen Faktoren ab, darunter Fehlertoleranz, Skalierbarkeit, Produktionskosten, Art der Betriebsumgebung, Sensornetzwerktopologie, Hardwarebeschränkungen, Informationsübertragungsmodell und Stromverbrauch. Diese Faktoren werden von vielen Forschern berücksichtigt. Keine dieser Studien berücksichtigt jedoch alle Faktoren, die das Netzwerkdesign beeinflussen. Sie sind wichtig, weil sie als Richtlinie für die Entwicklung eines Protokolls oder von Algorithmen für den Betrieb von Sensornetzwerken dienen. Darüber hinaus können diese Faktoren verwendet werden, um verschiedene Modelle zu vergleichen.

3.1. Fehlertoleranz

Einige Knoten können aufgrund von Strommangel, physischer Beschädigung oder Störungen durch Dritte ausfallen. Ein Knotenausfall sollte den Betrieb des Sensornetzwerks nicht beeinträchtigen. Dies ist eine Frage der Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz. Fehlertoleranz – die Fähigkeit, die Funktionalität des Sensornetzwerks fehlerfrei aufrechtzuerhalten, wenn ein Knoten ausfällt. Die Zuverlässigkeit Rk(t) oder Knotenfehlertoleranz wird modelliert, indem eine Poisson-Verteilung verwendet wird, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass kein Knotenausfall im Zeitraum (0; t) auftritt. Es ist erwähnenswert, dass Protokolle und Algorithmen an der Ebene der Fehlertoleranz orientiert werden können erforderlich, um Sensornetzwerke aufzubauen. Wenn die Umgebung, in der sich die Knoten befinden, weniger störanfällig ist, sind die Protokolle möglicherweise weniger fehlertolerant. Wenn beispielsweise Knoten in einem Haus eingeführt werden, um Feuchtigkeits- und Temperaturwerte zu überwachen, können die Anforderungen an die Fehlertoleranz gering sein, da solche Sensornetzwerke nicht ausfallen können und das „Rauschen“ der Umgebung ihren Betrieb nicht beeinträchtigt. Wenn die Knoten andererseits auf dem Schlachtfeld zur Überwachung verwendet werden, sollte die Fehlertoleranz hoch sein, da die Überwachung kritisch ist und die Knoten während der Feindseligkeiten zerstört werden können. Folglich hängt das Niveau der Fehlertoleranz von der Anwendung von Sensornetzwerken ab und Modelle müssen unter Berücksichtigung dessen entwickelt werden.

3.2. Skalierbarkeit

Die Anzahl der zur Untersuchung des Phänomens eingesetzten Knoten kann in der Größenordnung von Hunderten oder Tausenden liegen. Je nach Anwendung kann die Zahl Extremwerte (Millionen) erreichen. Neue Modelle sollten diese Anzahl von Knoten bewältigen können. Sie müssen auch eine hohe Dichte an Sensornetzwerken verwenden, die von wenigen Knoten bis zu mehreren Hundert in einem Bereich mit einem Durchmesser von weniger als 10 m reichen können. Die Dichte kann nach berechnet werden,

3.3. Produktionskosten

Da Sensornetzwerke aus einer großen Anzahl von Knoten bestehen, müssen die Kosten pro Knoten so hoch sein, dass sie die Gesamtkosten des Netzwerks rechtfertigen. Wenn die Kosten des Netzwerks höher sind als der Einsatz herkömmlicher Sensoren, ist es wirtschaftlich nicht tragbar. Folglich müssen die Kosten für jeden Knoten niedrig sein. Jetzt betragen die Kosten für einen Knoten, der einen Bluetooth-Sender verwendet, weniger als 10 US-Dollar. Der Preis für PicoNode liegt bei etwa 1 US-Dollar. Daher sollten die Kosten eines Sensornetzwerkknotens für die wirtschaftliche Rechtfertigung ihrer Verwendung viel weniger als 1 US-Dollar betragen. Die Kosten für einen Bluetooth-Knoten, der als billiges Gerät gilt, sind 10-mal höher als der Durchschnittspreis von Sensornetzwerkknoten. Bitte beachten Sie, dass der Knoten auch über einige zusätzliche Module wie ein Datenerfassungsmodul und ein Datenverarbeitungsmodul (beschrieben in Abschnitt 3.4) verfügt. Außerdem können sie je nach Anwendung des Sensors mit einem Ortungssystem oder einem Stromgenerator ausgestattet sein Netzwerke. Infolgedessen sind die Kosten eines Knotens angesichts der Menge an Funktionalität ein komplexes Thema, selbst bei weniger als 1,00 USD.

3.4. Hardwarefunktionen

Ein Sensornetzwerkknoten besteht aus vier Hauptkomponenten, wie in Abb. 1: Datenerfassungseinheit, Verarbeitungseinheit, Sender und Stromversorgung. Das Vorhandensein zusätzlicher Module hängt von der Netzwerkanwendung ab, zum Beispiel kann es Lokalisierungsmodule, einen Stromgenerator und einen Mobilisierer (MAC) geben. Das Datenerfassungsmodul besteht normalerweise aus zwei Teilen: Sensoren und Analog-Digital-Wandlern (ADCs). Das vom Sensor basierend auf dem beobachteten Phänomen erzeugte analoge Signal wird von einem ADC in ein digitales Signal umgewandelt und dann in die Verarbeitungseinheit eingespeist. Das Verarbeitungsmodul, das den integrierten Speicher verwendet, verwaltet die Prozeduren, die es ermöglichen, in Verbindung mit anderen Knoten die zugewiesenen Überwachungsaufgaben durchzuführen. Die Sendeeinheit (Transceiver) verbindet den Knoten mit dem Netzwerk. Eine der wichtigsten Komponenten des Knotens ist die Stromversorgung. Die Energieversorgung kann wiederaufladbar sein, beispielsweise unter Verwendung von Sonnenkollektoren.

Die meisten Knoten, die Daten übertragen und Daten sammeln, müssen ihren Standort mit hoher Genauigkeit kennen. Daher ist ein Ortungsmodul in das Gesamtschema eingeschlossen. Manchmal benötigen Sie möglicherweise einen Mobilisierer, der den Knoten bei Bedarf bewegt, wenn es erforderlich ist, die Aufgaben zu erledigen. All diese Module müssen möglicherweise in einem streichholzschachtelgroßen Gehäuse untergebracht werden. Die Knotengröße kann weniger als einen Kubikzentimeter betragen und leicht genug sein, um in der Luft zu bleiben. Abgesehen von der Größe gibt es einige andere harte Grenzen für Knoten. Sie müssen :
verbrauchen sehr wenig Energie
mit vielen Knoten auf kurzen Distanzen arbeiten,
niedrige Produktionskosten haben
selbstständig sein und ohne Aufsicht arbeiten,
an die Umgebung anpassen.
Da Knoten nicht mehr verfügbar sein können, hängt die Lebensdauer des Sensornetzwerks von der Leistung einzelner Knoten ab. Lebensmittel sind eine begrenzte Ressource und aufgrund von Größenbeschränkungen. Beispielsweise liegt der gesamte Energiespeicher eines Smart Nodes in der Größenordnung von 1 J. Für Wireless Integrated Sensor Network (WINS) sollte der durchschnittliche Ladezustand weniger als 30 LA betragen, um eine lange Laufzeit zu gewährleisten. Die Lebensdauer von Sensornetzwerken kann beispielsweise durch den Einsatz von Akkus verlängert werden, indem Energie aus der Umwelt gewonnen wird. Sonnenkollektoren sind ein Paradebeispiel für die Nutzung des Aufladens. Das Knotenkommunikationsmodul kann ein passives oder aktives optisches Gerät sein, wie in einem intelligenten Knoten, oder ein Hochfrequenz(HF)-Sender. Die HF-Übertragung benötigt ein Modulationsmodul, das eine bestimmte Bandbreite verwendet, ein Filtermodul, ein Demodulationsmodul, was sie komplexer und teurer macht. Außerdem kann es aufgrund der Tatsache, dass sich die Antennen in Bodennähe befinden, zu Verlusten bei der Datenübertragung zwischen zwei Knoten kommen. Funkkommunikation wird jedoch in den meisten vorhandenen Sensornetzwerkdesigns bevorzugt, da die Datenraten niedrig sind (typischerweise weniger als 1 Hz) und die Übertragungszyklusraten aufgrund der kurzen Entfernungen hoch sind. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung niedriger Funkfrequenzen. Das Design von energieeffizienten und niederfrequenten Funksendern ist jedoch immer noch eine technische Herausforderung, und die vorhandenen Technologien, die bei der Herstellung von Bluetooth-Geräten verwendet werden, sind für Sensornetzwerke nicht effizient genug, da sie viel Energie verbrauchen. Obwohl Prozessoren immer kleiner und leistungsfähiger werden, ist die Verarbeitung und Speicherung von Daten durch den Knoten immer noch seine Schwachstelle. Beispielsweise besteht das Smart-Node-Verarbeitungsmodul aus einem Atmel AVR8535-Prozessor mit 4 MHz, einem Mikrocontroller mit 8 KB für Anweisungen, Flash-Speicher, 512 Byte RAM und 512 Byte EEPROM. Dieses Modul, das über 3500 Byte für das Betriebssystem und 4500 Byte freien Speicher für den Code verfügt, verwendet das Betriebssystem TinyOS. Das Verarbeitungsmodul eines anderen lAMPS-Knotenprototyps hat einen SA-1110-Prozessor mit 59–206 MHz. Die IAMPS-Knoten verwenden das Multithread-Betriebssystem L-OS. Die meisten Datenerfassungsaufgaben erfordern die Kenntnis der Position des Knotens. Da die Knoten meist zufällig und ohne Überwachung geortet werden, müssen sie über ein Ortungssystem kooperieren. Die Standortbestimmung wird in vielen Sensornetzwerk-Routing-Protokollen verwendet (mehr Details in Abschnitt 4). Einige haben vorgeschlagen, dass jeder Knoten ein Global Positioning System (GPS)-Modul haben sollte, das auf 5 Meter genau funktioniert. Das Papier argumentiert, dass es für den Betrieb von Sensornetzwerken nicht notwendig ist, alle Knoten mit GPS auszustatten. Es gibt einen alternativen Ansatz, bei dem nur einige Knoten GPS verwenden und anderen Knoten helfen, ihre Position am Boden zu bestimmen.

3.5. Netzwerktopologie

Die Tatsache, dass Knoten nicht verfügbar sein und häufigen Ausfällen unterliegen können, macht die Netzwerkwartung zu einer herausfordernden Aufgabe. Auf dem Gebiet des Sensornetzwerks können Hunderte bis mehrere Tausend Knoten platziert werden. Sie setzen zehn Meter auseinander auf. Die Knotendichte kann mehr als 20 Knoten pro Kubikmeter betragen. Die dichte Anordnung vieler Knoten erfordert eine sorgfältige Wartung des Netzwerks. Wir behandeln Probleme im Zusammenhang mit der Wartung und Änderung der Topologie des Netzwerks in drei Phasen:

3.5.1. Die Vorbereitstellung und Bereitstellung der Knoten selbst kann in der Massenstreuung der Knoten oder deren separater Installation bestehen. Sie können eingesetzt werden:

Verstreut aus einem Flugzeug,
B. durch Einbringen in eine Rakete oder ein Projektil
mit einem Katapult geworfen (z. B. von einem Schiff usw.),
Platzierung im Werk
jeder Knoten wird einzeln von einem Menschen oder einem Roboter platziert.
Während die schiere Anzahl von Sensoren und ihre automatisierte Bereitstellung normalerweise ausschließen, sie gemäß einem sorgfältig entworfenen Plan zu platzieren, sollten anfängliche Bereitstellungsschemata:
Installationskosten reduzieren
eliminieren die Notwendigkeit einer vorherigen Organisation und Vorausplanung,
Erhöhung der Platzierungsflexibilität,
fördern Selbstorganisation und Fehlertoleranz.

3.5.2. Phase nach der Netzwerkbereitstellung

Nachdem das Netzwerk bereitgestellt ist, ist die Änderung seiner Topologie mit einer Änderung der Eigenschaften der Knoten verbunden. Lassen Sie uns sie auflisten:
Position,
Zugänglichkeit (durch Störungen, Lärm, sich bewegende Hindernisse usw.),
Akku-Ladung,
Fehlfunktionen
wechselnde Aufgaben.
Knoten können statisch bereitgestellt werden. Geräteausfälle sind jedoch häufig aufgrund von Batterieentladung oder -zerstörung. Sensornetzwerke mit hoher Knotenmobilität sind möglich. Darüber hinaus erfüllen Knoten und Netzwerke unterschiedliche Aufgaben und können gezielten Eingriffen ausgesetzt sein. Daher unterliegt die Struktur des Sensornetzwerks häufigen Änderungen nach dem Einsatz.

3.5.3. Zusätzliche Node-Bereitstellungsphase

Zusätzliche Knoten können jederzeit hinzugefügt werden, um fehlerhafte Knoten zu ersetzen oder aufgrund sich ändernder Aufgaben. Durch das Hinzufügen neuer Knoten muss das Netzwerk neu organisiert werden. Der Umgang mit häufigen Änderungen in der Topologie eines Peer-to-Peer-Netzwerks, das viele Knoten enthält und sehr enge Leistungsgrenzen hat, erfordert spezielle Routing-Protokolle. Auf diese Problematik wird in Abschnitt 4 näher eingegangen.

3.6. Umgebung

Die Knoten sind sehr nahe oder direkt innerhalb des beobachteten Phänomens dicht angeordnet. Daher arbeiten sie unbeaufsichtigt in abgelegenen geografischen Gebieten. Sie können arbeiten
an stark befahrenen Kreuzungen
in großen Autos
am Grund des Ozeans
in einem Tornado
auf der Meeresoberfläche während eines Tornados,
in biologisch und chemisch kontaminierten Bereichen
auf dem Schlachtfeld
in einem Haus oder einem großen Gebäude,
in einem großen Lager
an Tiere gebunden
an schnell fahrenden Fahrzeugen befestigt
in einem Abwasserkanal oder Fluss zusammen mit dem Wasserfluss.
Diese Liste gibt eine Vorstellung von den Bedingungen, unter denen Knoten arbeiten können. Sie können unter hohem Druck auf dem Meeresboden, in rauen Umgebungen, zwischen Trümmern oder auf dem Schlachtfeld, bei extremen Temperaturen, wie in der Düse eines Flugzeugtriebwerks oder in arktischen Regionen, an sehr lauten Orten, wo es viel gibt, betrieben werden Interferenz.

3.7. Methoden der Datenübertragung

In einem Multi-Hop-Sensornetzwerk kommunizieren Knoten drahtlos. Die Kommunikation kann über Funk, Infrarot oder optische Medien erfolgen. Um diese Verfahren global einzusetzen, muss das Übertragungsmedium weltweit verfügbar sein. Eine Option für die Funkkommunikation ist die Verwendung der Industrial, Scientific and Medical (ISM)-Bänder, die in den meisten Ländern ohne Lizenz verfügbar sind. Einige der nutzbaren Frequenzen sind in der internationalen Frequenztabelle in Artikel S5 der Vollzugsordnung für den Funkdienst (Band 1) beschrieben. Einige dieser Frequenzen werden bereits in der drahtlosen Telefonie und im Mobilfunk verwendet lokale Netzwerke(WLAN). Für Sensornetzwerke kleiner Größe und geringer Kosten ist kein Signalverstärker erforderlich. Hardwarebeschränkungen und Kompromisse zwischen Antennenwirkungsgrad und Leistungsverbrauch erlegen gemäß 1 bestimmte Beschränkungen für die Wahl der Übertragungsfrequenz im Mikrowellenfrequenzbereich auf. Sie bieten auch 433 MHz ISM in Europa und 915 MHz ISM in Nordamerika an. Mögliche Sendermodelle für diese beiden Zonen werden in diskutiert. Die Hauptvorteile der Nutzung von ISM-Funkfrequenzen sind das breite Frequenzspektrum und die weltweite Verfügbarkeit. Sie sind nicht an einen bestimmten Standard gebunden und geben damit mehr Freiheit, Energiesparstrategien in Sensornetzwerken umzusetzen. Auf der anderen Seite gibt es verschiedene Regeln und Einschränkungen, wie z. B. verschiedene Gesetze und Eingriffe durch bestehende Anwendungen. Diese Frequenzbänder werden auch als ungeregelte Frequenzen bezeichnet. Die meisten der heutigen Knotenausrüstungen basieren auf der Verwendung von Funksendern. Die in beschriebenen drahtlosen Knoten von IAMPS verwenden Bluetooth-fähige 2,4-GHz-Sender und verfügen über einen integrierten Frequenzsynthesizer. Das Gerät von Low-Power-Knoten ist in der Arbeit beschrieben, sie verwenden einen Funkübertragungskanal, der mit einer Frequenz von 916 MHz arbeitet. Die WINS-Architektur verwendet auch Funk. Andere möglicher Weg Die Kommunikation in Sensornetzwerken erfolgt über Infrarot. Die IR-Kommunikation ist ohne Lizenz verfügbar und immun gegen elektrische Interferenzen. IR-Sender sind billiger und einfacher herzustellen. Viele der heutigen Laptops, PDAs und Mobiltelefone Verwenden Sie die IR-Schnittstelle zur Datenübertragung. Der Hauptnachteil einer solchen Kommunikation ist die Forderung nach direkter Sichtbarkeit zwischen Sender und Empfänger. Dies macht IR-Kommunikation aufgrund des Übertragungsmediums für den Einsatz in Sensornetzwerken unerwünscht. Eine interessante Übertragungsmethode ist die Verwendung von Smart Nodes, also Modulen zur automatischen Überwachung und Datenverarbeitung. Sie verwenden ein optisches Medium zur Übertragung. Es gibt zwei Übertragungsschemata, passiv unter Verwendung eines Corner-Cube-Retroreflektors (CCR) und aktiv unter Verwendung einer Laserdiode und gesteuerter Spiegel (erörtert in ). Im ersten Fall wird keine integrierte Lichtquelle benötigt, es wird eine Drei-Spiegel (CCR)-Konfiguration zur Signalübertragung verwendet. Das aktive Verfahren verwendet eine Laserdiode und ein aktives Laserkommunikationssystem, um Lichtstrahlen an den beabsichtigten Empfänger zu senden. Die außergewöhnlichen Anwendungsanforderungen von Sensornetzwerken erschweren die Wahl des Übertragungsmediums. Zum Beispiel erfordern Meeresanwendungen die Verwendung eines aquatischen Übertragungsmediums. Hier müssen Sie langwellige Strahlung verwenden, die die Wasseroberfläche durchdringen kann. In schwierigem Gelände oder auf dem Schlachtfeld können Fehler und weitere Störungen auftreten. Außerdem kann es vorkommen, dass die Knotenantennen nicht die notwendige Höhe und Strahlungsleistung für die Kommunikation mit anderen Geräten haben. Daher muss die Wahl des Übertragungsmediums von zuverlässigen Modulations- und Codierungsschemata begleitet werden, die von den Eigenschaften des Übertragungskanals abhängen.

3.8. Energieverbrauch

Der Funkknoten kann als mikroelektronisches Gerät nur mit einer begrenzten Stromversorgung ausgestattet werden (

3.8.1. Verbindung

Ein Knoten verbraucht seine maximale Energie für die Kommunikation, die sowohl das Senden als auch das Empfangen von Daten beinhaltet. Man kann sagen, dass für die Kommunikation über kurze Distanzen mit geringer Strahlungsleistung Senden und Empfangen ungefähr gleich viel Energie benötigen. Frequenzsynthesizer, spannungsgesteuerte Oszillatoren, Phasensperren (PLL) und Leistungsverstärker benötigen alle Energie, die begrenzt ist. Wichtig ist, dass wir in diesem Fall nicht nur die Wirkleistung, sondern auch den Stromverbrauch beim Start von Sendern berücksichtigen. Das Hochfahren des Senders dauert einen Bruchteil einer Sekunde und verbraucht daher vernachlässigbar viel Strom. Dieser Wert kann mit der PLL-Sperrzeit verglichen werden. Wenn jedoch das übertragene Paket abnimmt, beginnt die Startleistung, den Stromverbrauch zu dominieren. Folglich ist es ineffizient, den Sender ständig ein- und auszuschalten, weil Die meiste Energie wird dafür aufgewendet. Derzeit haben Funksender mit geringer Leistung Standard-Pt- und Pr-Werte von 20 dBm und Pout nahe 0 dBm. Beachten Sie, dass das an den PC gerichtete PicoRadio -20 dBm beträgt. Das Design von kleinen, kostengünstigen Sendern wird in der Quelle diskutiert. Basierend auf ihren Ergebnissen glauben die Autoren dieses Artikels angesichts der Budget- und Energieschätzungen, dass die Werte von Pt und Pr mindestens eine Größenordnung kleiner als die oben angegebenen Werte sein sollten.

3.8.2. Datenverarbeitung

Der Stromverbrauch der Datenverarbeitung ist im Vergleich zur Datenübertragung deutlich geringer. Das in der Arbeit beschriebene Beispiel verdeutlicht diese Diskrepanz tatsächlich. Basierend auf der Theorie von Rayleigh, dass ein Viertel der Energie während der Übertragung verloren geht, können wir schlussfolgern, dass der Energieverbrauch für die Übertragung von 1 KB über eine Entfernung von 100 m etwa gleich groß ist wie die Ausführung von 3 Millionen Befehlen mit einer Rate von 100 Millionen Befehlen pro Sekunde (MIPS)/W durch den Prozessor. Daher ist die lokale Datenverarbeitung entscheidend für die Minimierung des Stromverbrauchs in einem Multi-Hop-Sensornetzwerk. Daher müssen Knoten über integrierte Rechenfunktionen verfügen und in der Lage sein, mit der Umgebung zu interagieren. Kosten- und Größenbeschränkungen werden uns veranlassen, Halbleiter (CMOS) als Haupttechnologie für Mikroprozessoren zu wählen. Leider haben sie Grenzen bei der Energieeffizienz. CMOS benötigt jedes Mal Strom, wenn es seinen Zustand ändert. Zur Zustandsänderung benötigte Energie, proportional zu Schaltfrequenz, Kapazität (je nach Bereich) und Spannungsschwankungen. Daher ist die Reduzierung der Versorgungsspannung ein wirksames Mittel, um den Stromverbrauch im aktiven Zustand zu reduzieren. Die dynamische Spannungsskalierung, die in diskutiert wird, versucht, die Leistung und Frequenz des Prozessors entsprechend der Arbeitslast anzupassen. Wenn die Verarbeitungslast des Mikroprozessors reduziert wird, führt eine einfache Reduzierung der Frequenz zu einer linearen Reduzierung des Stromverbrauchs, eine Reduzierung der Betriebsspannung führt jedoch zu einer quadratischen Reduzierung der Energiekosten. Andererseits wird nicht die gesamte mögliche Prozessorleistung genutzt. Dies ergibt das Ergebnis, wenn wir berücksichtigen, dass Spitzenleistung nicht immer erforderlich ist und daher die Betriebsspannung und -frequenz des Prozessors dynamisch an die Verarbeitungsanforderungen angepasst werden kann. Die Autoren schlagen Arbeitslastvorhersageschemata vor, die auf der adaptiven Verarbeitung bestehender Lastprofile und auf der Analyse mehrerer bereits erstellter Schemata basieren. Andere Strategien zum Reduzieren der Prozessorleistung werden in diskutiert. Es sollte beachtet werden, dass zusätzliche Schemata zum Codieren und Decodieren von Daten verwendet werden können. In einigen Fällen können auch integrierte Schaltungen verwendet werden. In all diesen Szenarien hängen die Struktur des Sensornetzwerks, die Betriebsalgorithmen und die Protokolle von den jeweiligen Energiekosten ab.

4. Architektur von Sensornetzwerken

Die Knoten sind normalerweise zufällig im gesamten Beobachtungsbereich angeordnet. Jeder von ihnen kann Daten sammeln und kennt den Weg der Datenübertragung zurück zum zentralen Knoten, dem Endbenutzer. Daten werden unter Verwendung einer Multi-Hop-Netzwerkarchitektur übertragen. Der zentrale Knoten kann über das Internet oder Satellit mit dem Aufgabenmanager kommunizieren. Der vom zentralen Knoten und allen anderen Knoten verwendete Protokollstapel ist in Abb. 3. Der Protokollstapel umfasst Leistungsinformationen und Routeninformationen, enthält Netzwerkprotokollinformationen, hilft bei der effektiven Kommunikation über die drahtlose Umgebung und fördert die Zusammenarbeit der Knoten. Der Protokollstack besteht aus Anwendungsschicht, Transportschicht, Netzwerkschicht, Sicherungsschicht, physikalische Schicht, Energieverwaltungsschicht, Mobilitätsverwaltungsschicht und Aufgabenplanungsschicht. Abhängig von den Aufgaben der Datenerfassung können verschiedene Arten von Anwendungssoftware auf Anwendungsebene erstellt werden. Die Transportschicht hilft bei Bedarf, den Datenfluss aufrechtzuerhalten. Die Vermittlungsschicht kümmert sich um das Routing von Daten, die von der Transportschicht bereitgestellt werden. Da die Umgebung verrauscht ist und Knoten verschoben werden können, muss das MAC-Protokoll das Auftreten von Kollisionen minimieren, wenn Daten zwischen benachbarten Knoten übertragen werden. Die physikalische Schicht ist für die Fähigkeit zur Übertragung von Informationen verantwortlich. Diese Protokolle helfen Hosts, Aufgaben auszuführen und gleichzeitig Strom zu sparen. Die Energieverwaltungsebene bestimmt, wie ein Knoten Energie verwenden soll. Beispielsweise kann ein Knoten einen Empfänger ausschalten, nachdem er eine Nachricht von einem seiner Nachbarn erhalten hat. Dadurch vermeiden Sie, dass Sie eine doppelte Nachricht erhalten. Auch wenn ein Knoten hat niedrige Gebühr Batterie übermittelt er seinen Nachbarn die Information, dass er nicht am Nachrichten-Routing teilnehmen kann. Es wird die gesamte verbleibende Energie zum Sammeln von Daten verwenden. Die Mobility Control (MAC)-Schicht erkennt und registriert die Bewegung von Knoten, sodass es immer eine Route für die Datenübertragung zum zentralen Knoten gibt und die Knoten ihre Nachbarn bestimmen können. Und da der Knoten seine Nachbarn kennt, kann er den Stromverbrauch ausgleichen, indem er mit ihnen zusammenarbeitet. Der Aufgabenmanager plant und terminiert das Sammeln von Informationen für jede Region separat. Nicht alle Knoten in derselben Region müssen Prüfaufgaben gleichzeitig ausführen. Infolgedessen führen einige Knoten abhängig von ihrer Kapazität mehr Aufgaben aus als andere. Alle diese Schichten und Module sind notwendig, damit die Knoten zusammenarbeiten und eine maximale Energieeffizienz anstreben, die Datenübertragungsroute im Netzwerk optimieren und auch die Ressourcen gegenseitig teilen können. Ohne sie funktioniert jeder Knoten einzeln. Aus Sicht des gesamten Sensornetzwerks ist es effizienter, wenn die Knoten miteinander zusammenarbeiten, was dazu beiträgt, die Lebensdauer der Netzwerke selbst zu verlängern. Bevor wir die Notwendigkeit diskutieren, Module und Kontrollschichten in das Protokoll aufzunehmen, betrachten wir drei bestehende Arbeiten zum Protokollstapel, die in Abbildung 3 dargestellt sind. Das in der Quelle diskutierte WINS-Modell, bei dem Knoten in einem verteilten Netzwerk verbunden sind und Zugang zum Internet haben. Da sich viele WINS-Netzwerkknoten in geringem Abstand voneinander befinden, reduziert die Multi-Hop-Kommunikation den Stromverbrauch auf ein Minimum. Die vom Knoten empfangenen Umgebungsinformationen werden sequenziell über andere Knoten an den zentralen Knoten oder das WINS-Gateway gesendet, wie in Abbildung 2 für die Knoten A, B, C, D und E gezeigt. Das WINS-Gateway kommuniziert mit dem Benutzer über gemeinsame Netzwerkprotokolle wie das Internet. Der WINS-Netzwerkprotokollstapel besteht aus der Anwendungsschicht, der Netzwerkschicht, der MAC-Schicht und der physikalischen Schicht. Intelligente Knoten (oder Staubkörnchen). Diese Knoten können aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts an Gegenständen befestigt werden oder sogar in der Luft schweben. Sie verwenden die MEMS-Technologie für die optische Kommunikation und Datenerfassung. Staubpartikel haben möglicherweise Sonnenkollektoren, die sie tagsüber aufladen können. Sie benötigen eine Sichtverbindung, um mit einem optischen Basisstationssender oder einem anderen Staubkorn zu kommunizieren. Vergleicht man die Architektur des Staubnetzes mit der in Bild 2 gezeigten, so lässt sich sagen, dass Smart Nodes in der Regel direkt mit dem Sender kommunizieren Basisstation, aber auch eine Eins-zu-Eins-Verbindung ist möglich. Ein weiterer Ansatz zur Entwicklung von Protokollen und Algorithmen für Sensornetzwerke ergibt sich aus den Anforderungen der physikalischen Schicht. Protokolle und Algorithmen müssen entsprechend der Wahl der physikalischen Komponenten wie der Art der Mikroprozessoren und der Art der Empfänger entworfen werden. Dieser Bottom-up-Ansatz wird im IAMPS-Modell verwendet und berücksichtigt auch die Abhängigkeit der Anwendungsschicht, Netzwerkschicht, MAC-Schicht und physikalischen Schicht von der Host-Hardware. Die IAMPS-Knoten interagieren mit dem Endnutzer auf genau die gleiche Weise wie in der in Abbildung 2 gezeigten Architektur. Verschiedene Schemata wie Zeitmultiplex (TDMA) oder Frequenzmultiplex (FDMA) und binäre Modulation oder M-Modulation werden verglichen in der Quelle. Der Bottom-up-Ansatz bedeutet, dass die Algorithmen des Knotens die Hardware kennen und die Fähigkeiten von Mikroprozessoren und Sendern nutzen müssen, um den Stromverbrauch zu minimieren. Dies kann zur Entwicklung verschiedener Knotendesigns führen. Und unterschiedliche Knotendesigns führen zu unterschiedlichen Arten von Sensornetzwerken. Was wiederum zur Entwicklung verschiedener Algorithmen für ihre Arbeit führen wird.

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Maxim Sergijewski

Die neuesten drahtlosen Kommunikationstechnologien und Fortschritte auf dem Gebiet der Mikrochipherstellung haben es in den letzten Jahren ermöglicht, zur praktischen Entwicklung und Implementierung einer neuen Klasse von verteilten Kommunikationssystemen überzugehen – Sensornetzwerke.

Drahtlose Sensornetzwerke bestehen aus kleinen Computer- und Kommunikationsgeräten - Motes ( aus dem Englischen. Motes - Staubpartikel) oder Sensoren. Ein Mot ist ein Brett, das normalerweise nicht größer als ein Kubikzoll ist. Das Board enthält einen Prozessor, Flash- und RAM-Speicher, Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler, einen HF-Transceiver, eine Stromversorgung und Sensoren. Sensoren können sehr unterschiedlich sein; Sie werden über digitale und analoge Anschlüsse verbunden. Häufiger als andere werden Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits-, Licht- und Vibrationssensoren verwendet, seltener - magnetoelektrisch, chemisch (z. B. Messung des Gehalts an CO, CO2), Schall und einige andere. Der Satz von verwendeten Sensoren hängt von den Funktionen ab, die von drahtlosen Sensornetzwerken ausgeführt werden. Der Motor wird von einer kleinen Batterie angetrieben. Motes werden nur zum Sammeln, Vorverarbeiten und Übertragen von sensorischen Daten verwendet. Aussehen Motoren verschiedener Hersteller sind in Abb. 1.

Die hauptsächliche funktionale Verarbeitung von Daten, die von Motes gesammelt werden, wird am Knoten oder Gateway ausgeführt, was ausreichend ist leistungsstarker Rechner. Doch um die Daten verarbeiten zu können, müssen sie erst empfangen werden. Dazu muss der Knoten mit einer Antenne ausgestattet sein. Aber in jedem Fall stehen dem Knoten nur Motes zur Verfügung, die ihm nahe genug sind; mit anderen Worten, der Knoten erhält Informationen nicht direkt von jedem Mote. Das Problem des Erhaltens sensorischer Informationen, die durch Partikel gesammelt werden, wird wie folgt gelöst. Motes können mithilfe von Transceivern, die im Funkbereich arbeiten, Informationen miteinander austauschen. Dies sind zum einen sensorische Informationen, die von Sensoren gelesen werden, und zum anderen Informationen über den Status von Geräten und die Ergebnisse des Datenübertragungsprozesses. Informationen werden entlang der Kette von einem Knoten zum anderen übertragen, und als Ergebnis setzen die Knoten, die dem Gateway am nächsten sind, alle angesammelten Informationen darauf zurück. Wenn einige der Motes ausfallen, sollte der Betrieb des Sensornetzwerks nach der Neukonfiguration fortgesetzt werden. Aber in diesem Fall nimmt natürlich die Anzahl der Informationsquellen ab.

Zur Ausführung von Funktionen ist auf jedem Mot ein spezialisiertes Betriebssystem installiert. Derzeit verwenden die meisten drahtlosen Sensornetzwerke TinyOS, ein an der University of Berkeley entwickeltes Betriebssystem. TinyOS ist Open-Source-Software; es ist verfügbar unter: www.tinyos.net. TinyOS ist ein ereignisgesteuertes Echtzeit-Betriebssystem, das entwickelt wurde, um mit begrenzten Rechenressourcen zu arbeiten. Dieses Betriebssystem ermöglicht es Motes, automatisch Verbindungen zu Nachbarn herzustellen und ein Sensornetzwerk mit einer bestimmten Topologie zu bilden. Die letzte Version von TinyOS 2.0 erschien im Jahr 2006.

Der wichtigste Faktor beim Betrieb von drahtlosen Sensornetzwerken ist die begrenzte Kapazität der Batterien, die auf Motorrädern installiert sind. Bitte beachten Sie, dass Batterien oft nicht austauschbar sind. In dieser Hinsicht ist es notwendig, nur die einfachste Primärverarbeitung an Knoten durchzuführen, die darauf abzielt, die Menge der übertragenen Informationen zu reduzieren und, was am wichtigsten ist, die Anzahl der Zyklen des Empfangens und Übertragens von Daten zu minimieren. Um dieses Problem zu lösen, wurden spezielle Kommunikationsprotokolle entwickelt, von denen die bekanntesten die Protokolle der ZigBee-Allianz sind. Diese Allianz (Website www.zigbee.org) wurde 2002 speziell zur Koordinierung der Arbeiten auf dem Gebiet der drahtlosen Sensornetzwerke gegründet. Sie umfasst die größten Hardware- und Softwareentwickler: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI und viele andere (insgesamt mehr als 200 Mitglieder). Die Intel Corporation ist nicht Teil der Allianz, unterstützt aber deren Aktivitäten.

Zur Entwicklung eines Standards inklusive Protokollstack für drahtlose Sensornetzwerke nutzte ZigBee im Prinzip den zuvor entwickelten Standard IEEE 802.15.4, der die Bitübertragungsschicht und die Medienzugriffsschicht für drahtlose Datennetzwerke über kurze Distanzen (bis zu 75 m) beschreibt ) mit geringem Stromverbrauch, aber mit hoher Zuverlässigkeit. Einige Eigenschaften der Funkdatenübertragung für den IEEE 802.15.4-Standard sind in der Tabelle angegeben. 1.

Tabelle 1. Datenfunkeigenschaften für IEEE 802.15.4

Frequenzband, MHz	Brauche ich eine Lizenz?	Geografische Region	Datenübertragungsrate, Kbps	Anzahl der Kanäle

Auf dieser Moment ZigBee hat den einzigen Standard in diesem Bereich entwickelt, der durch die Produktion von vollständig kompatiblen Hardware- und Softwareprodukten unterstützt wird. ZigBee-Protokolle ermöglichen den Ruhezustand von Geräten b Über die meiste Zeit, wodurch die Batterielebensdauer erheblich verlängert wird.

Offensichtlich ist es nicht so einfach, Datenaustauschschemata zwischen Hunderten und sogar Tausenden von Motes zu entwickeln. Dabei ist unter anderem zu berücksichtigen, dass Sensornetzwerke in nicht lizenzierten Frequenzbändern arbeiten und daher teilweise Störungen durch fremde Funksignalquellen auftreten können. Es ist auch wünschenswert, eine erneute Übertragung derselben Daten zu vermeiden und außerdem zu berücksichtigen, dass Motes aufgrund von unzureichendem Energieverbrauch und äußeren Einflüssen für immer oder für einige Zeit ausfallen. In all diesen Fällen müssen Kommunikationsschemata modifiziert werden. Da eines der wichtigsten Features von TinyOS die automatische Auswahl von Netzwerkschemata und Datenpfaden ist, konfigurieren sich drahtlose Sensornetzwerke im Wesentlichen selbst.

Meistens sollte ein Knoten in der Lage sein, seinen eigenen Standort zu bestimmen, zumindest in Bezug auf den anderen Knoten, an den er Daten übertragen wird. Das heißt, zuerst werden alle Knoten identifiziert, und dann ist das Routing-Schema bereits gebildet. Generell werden alle Motes – ZigBee-Standardgeräte – nach Komplexitätsgrad in drei Klassen eingeteilt. Der höchste von ihnen – der Koordinator – verwaltet den Betrieb des Netzwerks, speichert Daten über seine Topologie und dient als Gateway für die Übertragung der vom gesamten drahtlosen Sensornetzwerk gesammelten Daten zur weiteren Verarbeitung. Sensornetzwerke verwenden normalerweise einen Koordinator. Der durchschnittlich komplexe Splitter ist ein Router, dh er kann Daten empfangen und senden sowie die Übertragungsrichtung bestimmen. Und schließlich kann der einfachste Mote nur Daten zum nächsten Router übertragen. Somit stellt sich heraus, dass der ZigBee-Standard ein Netzwerk mit einer Cluster-Architektur unterstützt (Abb. 2). Der Cluster besteht aus einem Router und den einfachsten Motes, von denen er sensorische Daten anfordert. Cluster-Router leiten Daten untereinander weiter, und schließlich werden die Daten an den Koordinator gesendet. Der Koordinator hat normalerweise eine Verbindung zum IP-Netzwerk, wo die Daten zur endgültigen Verarbeitung gesendet werden.

In Russland werden auch Entwicklungen im Zusammenhang mit der Schaffung von drahtlosen Sensornetzwerken durchgeführt. So bietet das Unternehmen High-Tech Systems seine Hardware- und Softwareplattform MeshLogic zum Aufbau drahtloser Sensornetzwerke an (Website www.meshlogic.ru). Der Hauptunterschied zwischen dieser Plattform und ZigBee ist der Fokus auf den Aufbau von Peer-to-Peer-Mesh-Netzwerken (Abb. 3). In solchen Netzwerken ist die Funktionalität jedes Knotens gleich. Die Möglichkeit der Selbstorganisation und Selbstheilung von Mesh-Topologie-Netzwerken erlaubt es, bei Ausfall einiger Motes spontan eine neue Netzwerkstruktur zu bilden. Richtig, in jedem Fall benötigen Sie einen zentralen funktionalen Knoten, der alle Daten empfängt und verarbeitet, oder ein Gateway, um Daten zur Verarbeitung an den Knoten zu übertragen. Spontan gegründete Netzwerke werden oft mit dem lateinischen Begriff Ad Hoc bezeichnet, was „für einen bestimmten Anlass“ bedeutet.

In MeshLogic-Netzwerken kann jeder Mote Packet Relay durchführen, dh er ähnelt in seinen Funktionen einem ZigBee-Router. MeshLogic-Netzwerke sind vollständig selbstorganisierend: Es wird kein Koordinatorknoten bereitgestellt. Als HF-Transceiver können MeshLogic verwendet werden verschiedene Geräte, insbesondere Cypress WirelessUSB, die wie ZigBee-Standardgeräte im Frequenzbereich 2,4 ... 2,4835 GHz arbeiten. Zu beachten ist, dass für die MeshLogic-Plattform nur die unteren Schichten des Protokollstacks existieren. Es wird davon ausgegangen, dass die oberen Schichten, insbesondere das Netzwerk und die Anwendung, für bestimmte Anwendungen erstellt werden. Die Konfigurationen und Hauptparameter von zwei MeshLogic-Motoren und einem ZigBee-Standardmotor sind in der Tabelle dargestellt. 2.

Tabelle 2. Hauptmerkmale von Motoren verschiedener Hersteller

Optionen
Mikrocontroller
Zentralprozessor	Texas Instruments MSP430
Taktfrequenz	32,768 kHz bis 8 MHz
Rom
Flash-Speicher
Transceiver
		Cypress WirelessUSBTM LP
Frequenzbereich	2400-2483,5 MHz		2400-2483,5 MHz
Übertragungsrate		15,625 bis 250 Kbit/s
Ausgangsleistung	-24 bis 0 dBm	-35 bis 4 dBm	-28 bis 3 dBm
Empfindlichkeit
			1 oder 2 Chips
Externe Schnittstellen
	12 Bit, 7 Kanäle		10 Bit, 3 Kanäle
Digitale Schnittstellen	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Andere Optionen
Versorgungsspannung	0,9 bis 6,5 V		1,8 bis 3,6 V
Temperaturbereich	-40 bis 85 °C	0 bis 70 °C	0 bis 85 °C

Beachten Sie, dass die integrierte Berührungssensoren diese Boards nicht.

Wir geben an, was drahtlose Sensornetzwerke hauptsächlich von herkömmlichen Computernetzwerken (kabelgebunden und drahtlos) unterscheidet:

• das völlige Fehlen jeglicher Art von Kabeln - Elektro, Kommunikation usw.;
• die Möglichkeit der kompakten Platzierung oder sogar Integration von Partikeln in Umgebungsobjekte;
• Zuverlässigkeit sowohl einzelner Elemente als auch, was noch wichtiger ist, des gesamten Systems als Ganzes; in einigen Fällen kann das Netzwerk mit nur 10–20 % der Sensoren (Motes) in gutem Betriebszustand funktionieren;
• Kein Personalbedarf für Installation und Wartung.

Sensornetzwerke können in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Drahtlose Sensornetzwerke sind eine vielversprechende neue Technologie und alle damit verbundenen Projekte befinden sich größtenteils in der Entwicklung. Wir zeigen die Hauptanwendungsgebiete dieser Technologie auf:

• Verteidigungs- und Sicherheitssysteme;
• Umweltkontrolle;
• Überwachung von Industrieanlagen;
• Sicherheitssysteme;
• Überwachung des Zustands landwirtschaftlicher Flächen;
• Energiemanagement;
• Steuerung von Lüftungs-, Klima- und Beleuchtungssystemen;
• Feueralarm;
• Bestandskontrolle;
• Verfolgung des Warentransports;
• Überwachung des physiologischen Zustands einer Person;
• Personalkontrolle.

Aus einer recht großen Zahl von Beispielen für den Einsatz drahtloser Sensornetzwerke heben wir zwei hervor. Am bekanntesten ist vielleicht der Einsatz des Netzwerks an Bord eines BP-Öltankers. Dort wurde mithilfe eines auf Intel-Equipment basierenden Netzwerks der Zustand des Schiffes überwacht, um seine vorbeugende Wartung zu organisieren. BP hat analysiert, ob das Sensornetzwerk an Bord des Schiffes bei extremen Temperaturen, starken Vibrationen und erheblichen Hochfrequenzstörungen in bestimmten Bereichen des Schiffes funktionieren kann. Das Experiment war erfolgreich, das Netzwerk wurde mehrmals automatisch neu konfiguriert und wiederhergestellt.

Ein Beispiel für ein weiteres abgeschlossenes Pilotprojekt ist der Einsatz eines Sensornetzwerks auf einem Stützpunkt der US Air Force in Florida. Das System hat eine gute Fähigkeit bewiesen, verschiedene Metallobjekte zu erkennen, einschließlich sich bewegender. Durch den Einsatz eines Sensornetzwerks war es möglich, das Eindringen von Personen und Autos in den Kontrollbereich zu erkennen und deren Bewegungen zu verfolgen. Um diese Probleme zu lösen, wurden Motoren verwendet, die mit magnetoelektrischen und Temperatursensoren ausgestattet waren. Der Umfang des Projekts wird derzeit erweitert und das drahtlose Sensornetzwerk wird bereits auf einem 10.000 x 500 m großen Testgelände installiert. Software von mehreren amerikanischen Universitäten entwickelt.

Überblick über moderne drahtlose Technologien

Sensorarchitektur

Der Berührungssensor besteht wie jeder andere Telekommunikationsknoten aus Hard- und Software. Im Allgemeinen besteht der Sensor aus Folgendem

Subsysteme: Wahrnehmung, Datenverarbeitung, Überwachung, Kommunikation und Stromversorgung (Abbildung 1.1).

Abbildung 1.1 - Allgemeine Architektur des Sensors.

Das Wahrnehmungssubsystem besteht normalerweise aus einem analogen Gerät, das bestimmte Statistiken erfasst, und einem Analog-Digital-Wandler. Das Datenverarbeitungssubsystem enthält einen Zentralprozessor und einen Speicher, die es ermöglichen, nicht nur vom Sensor erzeugte Daten zu speichern, sondern auch Serviceinformationen, die für das korrekte und vollständige Funktionieren des Kommunikationssubsystems erforderlich sind. Das Überwachungssubsystem ermöglicht es dem Sensor, Umgebungsdaten wie Feuchtigkeit, Temperatur, Druck, Magnetfeld, Luftchemie usw. zu sammeln. Außerdem kann der Sensor mit einem Gyroskop, einem Beschleunigungsmesser, ergänzt werden, was den Aufbau eines Positionierungssystems ermöglicht.

Fortschritte auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation und der Miniaturisierung von Mikrochips eröffnen neue Horizonte in den Informations- und Computertechnologien. Zusätzlich zu Multi-Hop-Netzwerken gibt es komplexere Routing-Protokolle, bei denen der nächste Knoten basierend auf einer Analyse seiner Eigenschaften wie Energieniveau, Zuverlässigkeit und dergleichen ausgewählt wird. Die Situation wird komplizierter, wenn sich die Knoten des drahtlosen Sensornetzwerks bewegen – die Netzwerktopologie wird dynamisch.

Um den Sensor als Telekommunikationsgerät kleiner Größe (nicht mehr als ein Kubikzentimeter) zu implementieren, müssen viele technische Aspekte berücksichtigt werden. Die Frequenz des Zentralprozessors muss mindestens 20 MHz betragen, die Lautstärke Arbeitsspeicher nicht weniger als 4 KB, Übertragungsrate nicht weniger als 20 Kbps. Die Optimierung der Hardware wird die Größe des Sensors verringern, aber seinen Preis erhöhen. Betriebssystem(OS) muss für die Architektur der verwendeten CPU optimiert sein. Begrenzte Ressourcen und kleine Speichergröße fördern die Platzierung des Betriebssystems im ROM. Derzeit ist das Open-Source-OS Tiny OS weit verbreitet, mit dem Sie recht flexibel Sensoren unterschiedlicher Hersteller ansteuern können. Im Bereich der Vernetzung bringt die begrenzte Stromversorgung in den Sensoren erhebliche Einschränkungen mit sich

die Nutzung von Funktechnologien, die in Sensornetzwerken eingesetzt werden können. Es sollte auch beachtet werden, dass die begrenzte Leistung des zentralen Prozessors die Verwendung von Standard-Routing-Protokollen für IP-Netzwerke nicht zulässt.

– Die hohe Komplexität der Berechnung des optimalen Pfadalgorithmus wird die CPU überlasten. Bis heute wurde eine Vielzahl spezieller Routing-Protokolle für Sensornetzwerke entwickelt.

Die Entwicklung von Technologie zur Datenübertragung in Sensornetzwerken ist eine der wichtigsten Aufgaben beim Aufbau eines Sensornetzwerks, da dessen spezifische Architektur und Systemeigenschaften eine Reihe strenger Beschränkungen auferlegen, unter denen die folgenden hervorzuheben sind:

Begrenzte Energiereserven, wodurch die Reichweite begrenzt ist;

Begrenzte Prozessorleistung;

Gleichzeitiger Betrieb einer großen Anzahl von Knoten auf begrenztem Raum;

Äquivalenz von Knoten, die Client-Server-Architektur ist aufgrund ihrer charakteristischen Verzögerungen nicht anwendbar;

Betrieb im lizenzfreien Frequenzspektrum;

Kostengünstig.

Aktuell basiert die Entwicklung von Sensornetzwerken auf dem oben erwähnten Zigbee-Standard IEEE 802.15.4. Außerdem nehme ich zur Kenntnis, dass die Zigbee Alliance davon ausgeht, dass der ZigBee-Funkzugang in Anwendungen wie Überwachung, Fabrikautomatisierung, Sensoren, Sicherheit, Steuerung, Haushaltsgeräte und vieles mehr. Daher können Sensornetzwerkanwendungen in mehrere Hauptkategorien unterteilt werden:

Sicherheit, Notfälle und militärische Operationen;

Medizin und Gesundheit;

Wetter, Umwelt u Landwirtschaft;

Fabriken, Fabriken, Häuser, Gebäude;

Transportsysteme und Fahrzeuge.

Ich werde Fälle spezifischer Anwendungen von Sensornetzwerken in den oben genannten Kategorien betrachten. Sensornetzwerke können mindestens in den folgenden Szenarien verwendet werden.

Anwendung von Sensornetzwerken

Drahtlose Sensornetzwerke zeichnen sich durch einfache Bereitstellung, Selbstorganisation und Fehlertoleranz aus. Drahtlose Sensornetzwerke, die sich zu einem neuen Paradigma der Informationserfassung entwickelt haben, wurden für eine Vielzahl von Zwecken in Bezug auf Gesundheit, Umweltüberwachung, Energie, Lebensmittelsicherheit und Produktion eingesetzt.

In den letzten Jahren gab es viele Voraussetzungen, damit Sensornetzwerke Realität werden konnten. Mehrere Sensorknoten-Prototypen wurden erstellt, darunter Motes in Berkeley, uAMPS am MIT (am Massachusetts Institute of Technology) und GNOMES in Rice. Die elementaren Funktionen von Sensornetzwerken sind Ortung, Detektion, Tracking und Detektion. Neben militärischen Anwendungen gibt es auch zivile Anwendungen, die auf elementaren Funktionen basieren und sich in Umweltkontrolle, Umweltüberwachung, Gesundheitsfürsorge und andere kommerzielle Anwendungen unterteilen lassen

Anwendungen. Darüber hinaus hat Sibley kürzlich einen mobilen Sensor namens Robomote entwickelt, der mit Rädern ausgestattet ist und sich auf dem Feld bewegen kann.

Als einer der ersten Versuche, Sensornetzwerke für zivile Anwendungen zu nutzen, nutzten Berkeley und das Intel Research Laboratory im Sommer 2002 das Mote-Sensornetzwerk, um Sturmmessungen auf den Great Duck Islands, Maine, zu überwachen. Zwei Drittel der Sensoren wurden vor der Küste von Maine installiert, um die notwendigen (nützlichen) Informationen in Echtzeit im World Wide Web (Internet) zu sammeln. Das System hat mehr als 4 Monate funktioniert und Daten geliefert

Für 2 Monate danach verließen die Wissenschaftler die Insel aufgrund schlechter Wetterbedingungen (im Winter). Diese Lebensraumüberwachungsanwendung ist eine wichtige Klasse von Sensornetzwerkanwendungen. Am wichtigsten ist, dass Netzwerksensoren in der Lage sind, Informationen in gefährlichen Umgebungen zu sammeln, die für Menschen ungünstig sind. Im Rahmen von Monitoringstudien wurden Designkriterien berücksichtigt, darunter Design, Erstellung, Erstellung eines Sensorsystems mit der Möglichkeit des Fernzugriffs und Datenmanagement. Zahlreiche Versuche wurden unternommen, um die Anforderungen zu erfüllen, was zur Entwicklung eines Satzes von Prototyp-Sensornetzwerksystemen führte. Das vom Berkeley and Intel Research Laboratory verwendete Sensorsystem war zwar primitiv, aber effektiv beim Sammeln interessanter Umweltdaten und lieferte Wissenschaftlern wichtige Informationen.

Sensornetzwerke haben Anwendungen im Bereich der Beobachtung und Vorhersage (Raten) gefunden. Ein lebendiges Beispiel für eine solche Anwendung ist das vom National Weather Service entwickelte System Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT) mit einem drahtlosen Netzwerk von Sensoren. Ausgestattet mit meteorologischen/hydrologischen Sensorgeräten messen Sensoren unter diesen Bedingungen normalerweise mehrere Eigenschaften des lokalen Wetters, wie z. B. Wasserstand, Temperatur, Wind. Die Datenübertragung erfolgt über eine direkte Funkverbindung (Sichtverbindung) über Sensoren an der Basisstation. Das Hochwasservorhersagemodell wurde angepasst, um die Daten zu verarbeiten und automatische Warnungen auszugeben. Das System liefert wichtige Echtzeitinformationen zu Niederschlag und Wasserstand, um potenzielle Überschwemmungen im ganzen Land einzuschätzen. Das gegenwärtige (gegenwärtige) ALERT-System ist an der gesamten US-Westküste installiert und wird zur Hochwasserwarnung in Kalifornien und Arizona verwendet.

In letzter Zeit, Sensorsysteme werden stark im Gesundheitswesen eingesetzt und von Patienten und Ärzten zur Verfolgung und Überwachung von Glukosewerten, Krebsdetektoren und sogar künstlichen Organen verwendet. Wissenschaftler schlagen die Möglichkeit vor, biomedizinische Sensoren für verschiedene Zwecke in den menschlichen Körper zu implantieren. Diese Sensoren übertragen Informationen nach außen Computersystemüber die drahtlose Schnittstelle. Mehrere biomedizinische Sensoren werden zu einem System von Anwendungen kombiniert, um die Diagnose und Behandlung der Krankheit zu bestimmen. Biomedizinische Sensoren kündigen ein fortschrittlicheres Niveau der medizinischen Versorgung an.

Der Hauptunterschied zwischen drahtlosen Sensornetzwerken und herkömmlichen Computer- und Telefonnetze ist das Fehlen einer dauerhaften Infrastruktur, die einem bestimmten Betreiber oder Anbieter gehört. Jedes Benutzerterminal im Sensornetzwerk kann nicht nur als Endgerät, sondern auch als Durchgangsknoten fungieren, wie in Abbildung 1.2 gezeigt.

Abbildung 1.2 – Ein Beispiel für den Anschluss von Netzwerksensoren

Kireev A.O., Svetlov A.V. DRAHTLOSE SENSORNETZE IM BEREICH DER SCHUTZTECHNIK

Der etablierte Begriff „Wireless Sensor Network“ (WSN) bezeichnet eine neue Klasse von drahtlose Systeme, die ein verteiltes, selbstorganisierendes und fehlertolerantes Miniaturnetzwerk sind elektronische Geräte mit unabhängigen Netzteilen. Intelligente Knoten eines solchen Netzwerks sind in der Lage, Nachrichten entlang der Kette weiterzuleiten, wodurch ein beträchtlicher Systemabdeckungsbereich mit geringer Sendeleistung und folglich eine hohe Energieeffizienz des Systems bereitgestellt wird.

Derzeit wird der Organisation der automatisierten Überwachung von Gebieten viel Aufmerksamkeit geschenkt, um operative Informationen über die Anwesenheit eines Eindringlings, seine Bewegung und nicht autorisierte Handlungen in Gebieten neben besonders wichtigen (nuklearen, staatlichen, militärischen) Einrichtungen für den Staat zu erhalten Grenze oder in der Verantwortungszone gelegene Aufklärungsunterabteilungen (Überwachung von Frontabschnitten, rückwärtige Kommunikation des Feindes). Um diese Probleme rational zu lösen, ist der Einsatz einer neuen Generation von technischen Mitteln und Algorithmen erforderlich, die sich grundlegend von den derzeit verwendeten unterscheiden. Die vielversprechendste Richtung in diesem Bereich sollte als die Schaffung von drahtlosen Sensornetzwerken erkannt werden. Sie ermöglichen eine zielgerichtete Gesamtüberwachung großer Flächen.

In Bezug auf die Sicherheitssysteme von Objekten muss das WSS den Eindringling erkennen und klassifizieren, die Koordinaten bestimmen und die Trajektorien seiner Bewegung vorhersagen. Das System verfügt über verteilte Intelligenz und stellt unabhängig eine Richtungsänderung des Informationsflusses sicher, indem es beispielsweise ausgefallene oder vorübergehend nicht funktionierende Knoten umgeht, eine zuverlässige Informationsübertragung im gesamten kontrollierten Gebiet und an den zentralen Punkt organisiert.

WSNs sind auch vielversprechend, bei denen der Transceiver jedes Sensors tatsächlich ein Objekterkennungssensor ist (der Effekt der Verringerung des Trägerpegels im Funkkanal aufgrund des Erscheinens eines Objekts im Netzabdeckungsbereich).

Um eine hohe Zuverlässigkeit und einen hohen Schutz übertragener Informationen im WSN zu gewährleisten, ist es notwendig, eigene Funkprotokolle zu entwickeln, die widerstandsfähig gegen Änderungen der Eigenschaften des Kommunikationskanals, Funkstörungen, Abhören und Datenimitation sind. In diesem Fall ist es ratsam, Spread-Spectrum-Technologien zu verwenden - DSSS- (Direct Numerical Sequence) und FHSS- (Frequency Hopping) Verfahren.

Was die Zugriffsmechanismen auf das Datenübertragungsmedium anbelangt, so treten sich gegenseitig ausschließende Anforderungen für eine hohe Energieeffizienz des Systems und minimale Zeitverzögerungen für die Datenübertragung im WSN auf. Die Verwendung von CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Media Access with Collision Avoidance) als Basisalgorithmus hat seinen eigenen Nachteil – Netzwerkgeräte müssen sich im Modus des ständigen Hörens der Luft befinden, was zu einem Anstieg des Stromverbrauchs führt. In vollständig asynchronen Netzwerken ist dieser Algorithmus ineffizient.

Am akzeptabelsten in einer solchen Situation ist der "Slot"-CSMA/CA-Algorithmus, der die Prinzipien des synchronisierten Zugriffs (TDMA-Zeitteilung) und des Zugriffs auf Wettbewerbsbasis kombiniert.

Unter den offenen Standards im Bereich drahtloser Sensornetzwerke ist bisher nur der ZigBee-Standard ratifiziert, der auf dem zuvor verabschiedeten Standard 802.15.4 basiert, der den Physical Layer (PHY) und den Media Access Layer (MAC) für Wireless beschreibt Personal Area Networks (WPAN). Diese Technologie wurde ursprünglich für Aufgaben entwickelt, die keine hohen Datenübertragungsraten erfordern. Die Geräte solcher Netzwerke sollten möglichst billig sein und einen extrem niedrigen Stromverbrauch haben.

Zu den unbestrittenen Vorteilen von ZigBee-Lösungen gehören auch erhebliche Nachteile. Beispielsweise reduziert das Vorhandensein von drei verschiedenen Geräteklassen (Koordinatoren, Router und Endgeräte) die Fehlertoleranz des Netzwerks beim Ausfall seiner einzelnen Elemente erheblich. Darüber hinaus erfordert eine solche Konstruktion die Planung der Platzierung von Geräten in der Entwurfsphase des Systems, wodurch der Widerstand des Netzwerks gegenüber Änderungen in der Topologie stark reduziert wird.

Alle diese Mängel werden Mesh-Netzwerken vorenthalten – mehrzelligen Peer-to-Peer-Netzwerken, in denen jeder Knoten Pakete während des Zustellungsprozesses weiterleiten kann. Die Knoten eines solchen Netzwerks sind gleich und austauschbar – dadurch verbessert sich die Skalierbarkeit des Systems und seine Fehlertoleranz steigt.

Das drahtlose Sensornetzwerk des Sicherheitssystems sollte einen möglichst großen Bereich überwachen. In diesem Zusammenhang ist eine der Hauptanforderungen für die Auswahl der Elementbasis zum Aufbau eines Funkkanals zwischen einzelnen Netzwerkknoten die maximale Kommunikationsreichweite. Der Betrieb im 433-MHz-Frequenzband (in Russland frei zugänglich) hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Betrieb im 2,4-GHz-Mikrowellenband (für das die Hauptpalette von ZigBee-Geräten hergestellt wird). So ist im 433-MHz-Band die zuverlässige Kommunikationsreichweite bei gleicher Sendeleistung um ein Vielfaches größer als im 2,4-GHz-Band. Darüber hinaus haben Geräte, die im 433-MHz-Band arbeiten, einen ziemlich guten Widerstand gegen die Einwirkung von Hindernissen auf dem Weg von Funkwellen, wie Niederschlag, Geländeänderungen, Bäume usw. 433-MHz-Funkwellen breiten sich in engen Räumen wie z. B. viel besser aus U-Bahn-Tunnel, Stadtstraßen usw. als 2,4-GHz-Funkwellen. Der Vorteil des 2,4-GHz-Bandes bei der Datenübertragungsrate ist im Bereich der Sicherheitstechnologien nicht kritisch, da die übertragene Informationsmenge normalerweise unbedeutend und auf einige zehn Bytes begrenzt ist (mit Ausnahme der Telemetrie).

Die Auswahl eines Transceivers für den WSN-Standort Objektschutz erfolgt somit im 433-MHz-Band. Transceiver müssen eine hohe Energieeffizienz aufweisen (Versorgungsspannung nicht mehr als

3,3 V, niedrige Verbrauchsströme), arbeiten im Temperaturbereich von minus 40 ... +85 °С.

Unter den vielen ISM-Transceiver-ICs nehmen XE-MICS-Transceiver eine Sonderstellung ein. Für den Einsatz in drahtlosen Sensornetzwerken eignen sich 2 Chips dieser Firma: XE1203F u

Dies sind integrierte Ein-Chip-Halbduplex-Transceiver, die nach dem Direktwandlungsschema (Zero-IF) gebaut sind und eine 2-Level-Frequenzumtastung ohne Phasenunterbrechung (CPFSK) und NRZ-Codierung bieten. Somit ermöglicht die in XEMICS-Transceivern implementierte Art der Trägermodulation eine rationelle Nutzung des Betriebsfrequenzbandes.

Gemeinsam für die Transceiver XE1203F und XE1205F ist der extrem niedrige Stromverbrauch: Betrieb im Versorgungsspannungsbereich von 2,4 ... 3,6 V, Verbrauchsströme:

0,2 µA im Schlafmodus;

14 mA im Empfangsmodus;

62 mA im Sendebetrieb (+15 dBm) .

Betriebsfrequenzband: 433-435 MHz. Temperaturbereich: minus 40. +85°С. Transceiver-Empfänger

Die Glaubenssätze sind identisch und nach einem direkten Frequenzumwandlungsschema aufgebaut. In diesen Modulen ist ein Frequenzsynthesizer auf Basis einer Sigma-Delta-PLL mit 500-Hz-Schritten eingebaut.

Die Empfänger verfügen über eine Anzeige des Pegels des empfangenen Signals RSSI (Received Signal Strength Indicator), die es Ihnen in Kombination mit der Möglichkeit, die Ausgangsleistung zu programmieren, ermöglicht, die Idee des adaptiven Energiemanagements umzusetzen. Der Transceiver enthält ein Frequenzsteuergerät FEI (Frequency Error Indicator), mit dem Sie Informationen über den Frequenzversatz des lokalen Oszillators des Empfängers erhalten und die AFC organisieren können.

Die Transceiver verfügen außerdem über eine Mustererkennungsfunktion, die es dem Transceiver ermöglicht, ein programmierbares Wort (bis zu 4 Byte) im empfangenen Datenstrom zu erkennen. Das letzte Merkmal kann verwendet werden, um Module im WSN zu identifizieren, wodurch die Anzahl der Overhead-Bytes im übertragenen Paket reduziert wird.

Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Modulen manifestieren sich in der Verwendung unterschiedlicher Spektrumspreizungsverfahren.

Der XE1203F-Transceiver verfügt über einen Hardware-DSSS-Block (Direct Sequence Spread Spectrum). Wenn der DSSS-Modus aktiviert ist, wird jedes Datenbit mit einem 11-Bit-Barker-Code codiert: 101 1011 1000 oder 0x5B8h. Die Autokorrelationsfunktion des Barker-Codes hat eine ausgeprägte Autokorrelationsspitze.

Im Gegensatz zum XE1203F ist der XE1205F-Transceiver (und das darauf basierende DP1205F-Modul) ein Schmalbandgerät. Der kleinste Wert des internen Bandpassfilters, der durch das 2-Bit-Konfigurationsregister eingestellt werden kann, ist 10 kHz (unter Verwendung von special zusätzliche Einstellungen, dieser Wert kann sogar auf 7 kHz reduziert werden!). Die Anzahl der möglichen Kanäle in diesem Fall

Diese Fähigkeit ermöglicht den Einsatz des XE1205F für spezifische Schmalbandanwendungen. Eine Bandverengung kann verwendet werden, wenn die Datenrate und die Frequenzabweichung 4800 Bit bzw. 5 kHz nicht überschreiten und vorausgesetzt, dass die Taktfrequenz des Referenzoszillators durch einen Resonator mit hoher Stabilität stabilisiert wird oder eine Frequenzkorrektur verwendet wird.

Der Transceiver verwendet einen 16-Byte-FIFO, um gesendete oder empfangene Datenbytes zu speichern. Datenbytes werden über eine externe standardmäßige serielle 3-Draht-SPI-Schnittstelle zum FIFO gesendet und von diesem empfangen.

Die Schmalbandigkeit sowie die geringe Erholzeit des Senders beim Umschalten zwischen den Kanälen (~150 µs) ermöglichen den Einsatz des XE1205F-Transceivers zum Aufbau von Funksystemen nach dem Frequenzsprungverfahren (FHSS). Das Frequenzsprungverfahren impliziert, dass die gesamte für die Übertragung zugewiesene Bandbreite in eine bestimmte Anzahl von Frequenzkanälen aufgeteilt wird. Sprünge von Kanal zu Kanal erfolgen synchron in einer bestimmten Reihenfolge (z. B. linear oder pseudozufällig).

Der XE1205F profitiert außerdem von einer erstklassigen Empfängerempfindlichkeit von -121 dBm.

Was die Datenübertragungsraten betrifft, scheinen die Fähigkeiten des XE1203F-Moduls bei Verwendung des Barker-Codecs selbst für Sicherheitssysteme unzureichend zu sein - nur 1,154 kbps. Dieser Indikator erlaubt es nicht, ein energieeffizientes WSN zu implementieren, weil die vom CSMA/CA-Protokoll bereitgestellte Ruhezeit ist zu kurz.

Die Transceiver der Knoten des drahtlosen Sensornetzwerks zum Schutz von Objekten sollten die Fähigkeit bieten:

Erstellen eines Maschennetzwerks mit größerer Reichweite;

Implementierungen der Bitübertragungsschicht von FHSS-Spektrumspreizungstechnologien;

Implementierung auf der Ebene des Zugriffs auf die Umgebung - "Slot" CSMA / CA mit Zugriffssynchronisierung.

Aus dem Vorstehenden können wir schließen, dass es vorzuziehen ist, das Transceiver-Modul XE1205F zu verwenden, um die physischen und MAC-Ebenen eines drahtlosen Sensornetzwerks zum Schutz von Objekten zu organisieren.

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