Sejarah dan ruang lingkup penggunaan

Salah satu prototipe pertama jaringan sensor adalah sistem SOSUS, yang dirancang untuk mendeteksi dan mengidentifikasi kapal selam. Teknologi jaringan sensor nirkabel mulai berkembang secara aktif relatif baru - pada pertengahan tahun 90an. Namun, baru pada awal abad ke-21 perkembangan mikroelektronika memungkinkan produksi bahan dasar yang cukup murah untuk perangkat tersebut. Modern jaringan nirkabel terutama didasarkan pada standar ZigBee. Sejumlah besar industri dan segmen pasar (manufaktur, berbagai jenis transportasi, pendukung kehidupan, keamanan), siap untuk implementasi jaringan sensor, dan jumlah ini terus meningkat. Tren ini disebabkan oleh meningkatnya kompleksitas proses teknologi, perkembangan produksi, dan meningkatnya kebutuhan individu di segmen keamanan, pengendalian sumber daya, dan penggunaan inventaris. Dengan berkembangnya teknologi semikonduktor, muncul tugas praktis baru dan masalah teoretis terkait penerapan jaringan sensor di industri, perumahan dan layanan komunal, serta rumah tangga. Penggunaan perangkat pemantauan parameter berbasis sensor nirkabel yang murah membuka area baru untuk penggunaan telemetri dan sistem kontrol, seperti:

• Identifikasi tepat waktu atas kemungkinan kegagalan aktuator dengan memantau parameter seperti getaran, suhu, tekanan, dll.;
• Kontrol akses waktu nyata ke sistem jarak jauh objek pemantauan;
• Otomatisasi inspeksi dan pemeliharaan aset industri;
• Manajemen aset komersial;
• Penerapan sebagai komponen teknologi hemat energi dan sumber daya;
• Memantau parameter eko-lingkungan.

Perlu dicatat bahwa meskipun sejarah panjang jaringan sensor, konsep membangun jaringan sensor belum terbentuk dan belum diungkapkan dalam solusi perangkat lunak dan perangkat keras (platform) tertentu. Penerapan jaringan sensor pada tahap saat ini sangat bergantung pada persyaratan spesifik tugas industri. Implementasi arsitektur, perangkat lunak dan perangkat keras berada pada tahap pembentukan teknologi intensif, yang menarik perhatian pengembang untuk menemukan ceruk teknologi bagi produsen masa depan.

Teknologi

Jaringan sensor nirkabel (WSN) terdiri dari perangkat komputasi mini - motes, dilengkapi dengan sensor (suhu, tekanan, cahaya, tingkat getaran, lokasi, dll.) dan transceiver sinyal yang beroperasi dalam jangkauan radio tertentu. Arsitektur yang fleksibel dan biaya pemasangan yang lebih rendah membedakan jaringan nirkabel sensor pintar dari antarmuka transfer data nirkabel dan kabel lainnya, terutama jika menyangkut sejumlah besar perangkat yang saling terhubung; jaringan sensor memungkinkan Anda menghubungkan hingga 65.000 perangkat. Pengurangan terus-menerus dalam biaya solusi nirkabel dan peningkatan parameter operasionalnya memungkinkan untuk secara bertahap melakukan reorientasi dari solusi kabel ke sistem untuk mengumpulkan data telemetri, alat diagnostik jarak jauh, dan pertukaran informasi. "Jaringan sensor" adalah istilah yang sudah umum digunakan saat ini. Jaringan Sensor), yang menunjukkan jaringan perangkat bebas perawatan yang terdistribusi, terorganisir sendiri, tahan terhadap kegagalan elemen individu yang tidak memerlukan instalasi khusus. Setiap node jaringan sensor dapat berisi berbagai sensor untuk memantau lingkungan eksternal, komputer mikro dan transceiver radio. Hal ini memungkinkan perangkat untuk melakukan pengukuran, secara mandiri melakukan pemrosesan data awal dan memelihara komunikasi dengan sistem informasi eksternal.

802.15.4/ZigBee menyampaikan teknologi radio jarak pendek yang dikenal sebagai Jaringan Sensor. WSN - Jaringan Sensor Nirkabel), adalah salah satu tren modern pengembangan sistem terdistribusi yang toleran terhadap kesalahan yang terorganisir sendiri untuk memantau dan mengelola sumber daya dan proses. Saat ini, teknologi jaringan sensor nirkabel adalah satu-satunya teknologi nirkabel yang dapat digunakan untuk menyelesaikan tugas pemantauan dan pengendalian yang penting terhadap waktu pengoperasian sensor. Sensor yang diintegrasikan ke dalam jaringan sensor nirkabel membentuk sistem pengorganisasian mandiri yang terdistribusi secara geografis untuk mengumpulkan, memproses, dan mengirimkan informasi. Area aplikasi utama adalah kontrol dan pemantauan parameter terukur dari lingkungan fisik dan objek.

• jalur radio;
• modul prosesor;
• baterai;
• berbagai sensor.

Sebuah node tipikal dapat diwakili oleh tiga jenis perangkat:

• Koordinator Jaringan (FFD - Perangkat Berfungsi Penuh);
  • melakukan koordinasi global, pengorganisasian dan pemasangan parameter jaringan;
  • yang paling rumit dari ketiga jenis perangkat, yang membutuhkan jumlah memori dan catu daya terbesar;

• Perangkat dengan serangkaian fungsi lengkap (FFD - Perangkat Berfungsi Penuh);
  • dukungan 802.15.4;
  • memori tambahan dan konsumsi daya memungkinkan Anda berfungsi sebagai koordinator jaringan;
  • dukungan untuk semua jenis topologi (“point-to-point”, “star”, “tree”, “mesh network”);
  • kemampuan untuk bertindak sebagai koordinator jaringan;
  • kemampuan untuk mengakses perangkat lain di jaringan;
• (RFD - Perangkat dengan Fungsi yang Dikurangi);
  • mendukung fitur 802.15.4 terbatas;
  • dukungan untuk topologi point-to-point dan star;
  • tidak menjabat sebagai koordinator;
  • menghubungi koordinator jaringan dan router;

Perusahaan pengembang

Ada berbagai jenis perusahaan di pasar:

Catatan

Yayasan Wikimedia.

2010.

Lihat apa itu “Jaringan sensor nirkabel” di kamus lain:

- (nama lain: jaringan ad hoc nirkabel, jaringan dinamis nirkabel) jaringan nirkabel terdesentralisasi yang tidak memiliki struktur permanen. Perangkat klien terhubung dengan cepat, membentuk jaringan. Setiap node jaringan mencoba meneruskan... ... Wikipedia

Diusulkan untuk mengganti nama halaman ini menjadi Wireless Self-Organizing Network. Penjelasan alasan dan pembahasan di halaman Wikipedia: Untuk mengganti nama / 1 Desember 2012. Mungkin namanya saat ini tidak sesuai dengan standar modern ... ... Wikipedia

Diusulkan untuk mengganti nama halaman ini menjadi Wireless Self-Organizing Network. Penjelasan alasan dan pembahasan di halaman Wikipedia: Untuk mengganti nama / 1 Desember 2012. Mungkin namanya saat ini tidak sesuai dengan standar modern ... ... Wikipedia

Arsitektur jaringan sensor nirkabel yang khas Jaringan sensor nirkabel adalah jaringan terdistribusi dan terorganisir mandiri yang terdiri dari banyak sensor dan aktuator yang saling berhubungan melalui saluran radio. Daerah... ...Wikipedia

Untuk menyempurnakan artikel ini, maukah Anda: Mengolah ulang format sesuai dengan kaidah penulisan artikel. Periksa artikel untuk kesalahan tata bahasa dan ejaan. Perbaiki artikel menurut ... Wikipedia

Telemetri, telemetri (dari bahasa Yunani lainnya τῆλε "jauh" + μέτρεω "Saya mengukur") seperangkat teknologi yang memungkinkan pengukuran jarak jauh dan pengumpulan informasi diberikan kepada operator atau pengguna, merupakan bagian integral ... ... Wikipedia

Sinyal ultra-wideband (UWB) adalah sinyal radio (sinyal gelombang mikro) dengan bandwidth frekuensi “ultra-besar”. Digunakan untuk radar ultra-wideband dan komunikasi radio ultra-wideband. Isi 1 Definisi 2 Peraturan ... Wikipedia

Protokol Jaringan Data Nirkabel Terbuka pertama yang dikembangkan untuk otomatisasi gedung dan tujuan manajemen fasilitas terdistribusi. Satu Net dapat digunakan dengan banyak transceiver yang ada dan... ... Wikipedia

Jaringan Sensor Nirkabel: Suatu Tinjauan

Akuldiz I.F.

Terjemahan dari bahasa Inggris: Levzhinsky A.S.

Anotasi

Artikel ini menjelaskan konsep jaringan sensor, yang implementasinya menjadi mungkin karena kombinasi sistem mikroelektromekanis, komunikasi nirkabel, dan elektronik digital. Tugas dan potensi jaringan sensor telah dipelajari, dan tinjauan terhadap fakta-fakta yang mempengaruhi perkembangannya telah dilakukan. Arsitektur pembangunan jaringan sensor, algoritma dan protokol yang dikembangkan untuk setiap lapisan arsitektur juga dipertimbangkan. Artikel ini membahas pertanyaan tentang implementasi jaringan sensor.

1. Pendahuluan

Kemajuan terkini dalam teknologi sistem mikro-elektro-mekanis (MEMS), komunikasi nirkabel, dan elektronik digital telah memungkinkan terciptanya motes yang berbiaya rendah, berdaya rendah, dan kaya fitur yang berukuran kecil dan berkomunikasi langsung satu sama lain. Jaringan sensor kolaboratif jumlah besar node kecil yang terdiri dari modul pengumpulan dan pemrosesan data, pemancar. Jaringan semacam itu memiliki keunggulan signifikan dibandingkan sekumpulan sensor tradisional. Ini dua fitur utama sensor tradisional: Sensor dapat ditempatkan jauh dari fenomena yang diamati. Pendekatan ini memerlukan banyak sensor yang menggunakan beberapa teknik canggih untuk memilih target dari kebisingan.
Beberapa sensor dapat diterapkan yang hanya mengumpulkan data. Rancang posisi dan topologi sensor dengan cermat. Mereka akan mengirimkan observasi ke node pusat, tempat pengumpulan dan pemrosesan data akan dilakukan.
Jaringan sensor terdiri dari sejumlah besar node (mote) yang letaknya berdekatan dengan fenomena yang diamati. Posisi gulungan tidak perlu dihitung sebelumnya. Hal ini memungkinkan mereka untuk dikerahkan secara acak di daerah yang sulit dijangkau atau digunakan untuk operasi bantuan yang memerlukan respons cepat. Di sisi lain, ini berarti demikian protokol jaringan dan algoritma untuk pengoperasian mote harus mempunyai kemampuan untuk mengatur dirinya sendiri. Fitur unik lainnya dari jaringan sensor adalah kolaborasi node individual. Motes dilengkapi dengan prosesor. Oleh karena itu, alih-alih mengirimkan data asli, mereka dapat memprosesnya dengan melakukan penghitungan sederhana dan hanya mengirimkan data yang diperlukan dan diproses sebagian. Fitur-fitur yang dijelaskan di atas menyediakan berbagai aplikasi untuk jaringan sensor. Jaringan tersebut dapat digunakan dalam aplikasi kesehatan, militer dan keamanan. Misalnya, data fisiologis seorang pasien dapat dipantau dari jarak jauh oleh dokter. Hal ini nyaman bagi pasien dan memungkinkan dokter memahami kondisinya saat ini. Jaringan sensor dapat digunakan untuk mendeteksi bahan kimia asing di udara dan air. Mereka dapat membantu menentukan jenis, konsentrasi, dan lokasi kontaminan. Intinya, jaringan sensor memungkinkan pemahaman lingkungan yang lebih baik. Kami berasumsi bahwa di masa depan, jaringan sensor nirkabel akan menjadi bagian integral dari kehidupan kita, lebih dari sekedar komputer pribadi modern.
Implementasi proyek ini dan proyek lainnya yang memerlukan penggunaan jaringan sensor nirkabel memerlukan metode khusus. Banyak protokol dan algoritme dikembangkan untuk jaringan ad hoc nirkabel tradisional, sehingga tidak cocok untuk itu
fitur unik
dan persyaratan jaringan sensor. Berikut perbedaan antara jaringan sensor dan jaringan peer-to-peer: Jumlah node dalam jaringan sensor bisa beberapa kali lipat lebih tinggi daripada jumlah node dalam jaringan peer-to-peer.
Node-node tersebut terletak padat.
Node rentan terhadap kegagalan.
Topologi jaringan sensor dapat sering berubah nomor identifikasi(MASUK) karena jumlah besar biaya overhead dan sejumlah besar sensor.
Karena node-node dalam suatu jaringan mempunyai lokasi yang padat, node-node yang bertetangga mungkin akan berada sangat dekat satu sama lain. Oleh karena itu, komunikasi multi-hop dalam jaringan sensor akan mengkonsumsi lebih sedikit energi dibandingkan komunikasi langsung. Selain itu, Anda bisa menggunakan daya rendah sinyal data, yang berguna dalam pengawasan rahasia. Komunikasi multi-hop dapat secara efektif mengatasi beberapa kesulitan dalam propagasi sinyal jarak jauh dalam komunikasi nirkabel. Salah satu kendala terpenting bagi node adalah konsumsi daya yang rendah. Motes memiliki sumber energi yang terbatas. Jadi, sementara jaringan tradisional bertujuan untuk mencapainya berkualitas tinggi sinyal, lebih banyak protokol jaringan harus fokus terutama pada konservasi energi. Mereka harus memiliki mekanisme yang memberikan pengguna kemampuan untuk memperpanjang umur lebih baik dengan mengurangi throughput atau meningkatkan latensi transmisi data. Banyak peneliti saat ini terlibat dalam pengembangan sirkuit yang memenuhi persyaratan ini. Pada artikel kali ini kita akan mengulas protokol dan algoritma yang saat ini ada untuk jaringan sensor. Tujuan kami adalah untuk memberikan pemahaman yang lebih baik tentang masalah penelitian terkini di bidang ini. Kami juga akan mencoba mengeksplorasi kendala desain dan mengidentifikasi alat yang dapat digunakan untuk memecahkan masalah desain.

Artikel ini disusun sebagai berikut: di bagian kedua, kami menjelaskan potensi dan kegunaan jaringan sensor. Pada Bagian 3 kita membahas faktor-faktor yang mempengaruhi desain jaringan tersebut. Kami akan mempertimbangkan studi rinci tentang metode yang ada di bidang ini di bagian 4. Dan kami akan merangkum hasilnya di bagian 5.

2. Penerapan jaringan sensor nirkabel
Jaringan sensor dapat terdiri dari berbagai jenis sensor, seperti seismik, medan magnet, termal, inframerah, akustik, yang mampu melakukan berbagai macam pengukuran kondisi lingkungan. Misalnya seperti:
suhu,
kelembaban,
lalu lintas mobil,
keadaan petir,
tekanan,
komposisi tanah,
tingkat kebisingan,
ada tidaknya suatu benda tertentu,
beban mekanis
karakteristik dinamis seperti kecepatan, arah dan ukuran suatu benda. koneksi nirkabel menjanjikan banyak aplikasi baru untuk jaringan tersebut. Kami telah mengklasifikasikannya ke dalam bidang utama: aplikasi militer, penelitian lingkungan, perawatan kesehatan, rumah tangga, dan aplikasi komersial lainnya. Namun klasifikasi ini dapat diperluas dan menambahkan lebih banyak kategori, seperti eksplorasi ruang angkasa, pengolahan bahan kimia, dan bantuan bencana.

2.1. Aplikasi militer

Jaringan sensor nirkabel dapat menjadi bagian integral dari sistem komando militer, komunikasi, intelijen, pengawasan dan penentuan posisi (C4ISRT). Penerapan yang cepat, pengorganisasian mandiri, dan toleransi kesalahan adalah karakteristik jaringan sensor yang menjadikannya alat yang menjanjikan untuk memecahkan masalah. Karena jaringan sensor dapat didasarkan pada penyebaran node sekali pakai dan murah secara padat, penghancuran beberapa di antaranya selama operasi militer tidak akan berdampak besar pada operasi militer seperti penghancuran sensor tradisional. Oleh karena itu, penggunaan jaringan sensor lebih cocok untuk pertempuran. Mari kita daftar beberapa cara lain untuk menggunakan jaringan tersebut: memantau senjata dan amunisi pasukan sahabat, mengamati pertempuran; orientasi lokasi; penilaian kerusakan akibat pertempuran; deteksi serangan nuklir, biologi dan kimia. Jaringan sensor juga dapat digunakan untuk pengintaian mendetail setelah serangan tersebut terdeteksi. Misalnya, dimungkinkan untuk melakukan pengintaian jika terjadi kontaminasi radiasi tanpa membuat orang terkena radiasi.

2.2. Penerapan Lingkungan

Beberapa bidang ekologi di mana jaringan sensor digunakan: melacak pergerakan burung, hewan kecil, dan serangga; memantau keadaan lingkungan untuk mengidentifikasi dampaknya terhadap tanaman dan ternak; irigasi; pemantauan bumi dan eksplorasi planet skala besar; deteksi kimia/biologis; deteksi kebakaran hutan; penelitian meteorologi atau geofisika; deteksi banjir; dan penelitian polusi. Deteksi kebakaran hutan: Karena titik-titik api dapat ditempatkan secara strategis dan padat di dalam hutan, titik-titik tersebut dapat menyampaikan asal mula kebakaran secara tepat sebelum api menjadi tidak terkendali. Jutaan sensor dapat digunakan secara terus menerus. Mereka dapat dilengkapi dengan panel surya, karena simpul-simpul tersebut dapat dibiarkan tanpa pengawasan selama berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun. Motes tersebut akan bekerja sama untuk melakukan tugas penginderaan terdistribusi dan mengatasi rintangan seperti pohon dan batu yang menghalangi sensor kabel. Memetakan biostatus lingkungan: memerlukan pendekatan canggih untuk mengintegrasikan informasi lintas skala temporal dan spasial. Kemajuan teknologi penginderaan jauh dan pengumpulan data otomatis telah mengurangi biaya penelitian secara signifikan. Keuntungan dari jaringan ini adalah node dapat dihubungkan ke Internet, yang memungkinkan pengguna jarak jauh untuk mengontrol, memantau, dan mengamati lingkungan. Meskipun sensor satelit dan udara berguna dalam mengamati keanekaragaman yang besar, seperti kompleksitas spasial spesies tumbuhan dominan, sensor tersebut tidak memungkinkan pengamatan terhadap elemen kecil yang membentuk mayoritas ekosistem. Oleh karena itu, diperlukan penerapan node jaringan sensor nirkabel di lapangan. Salah satu contoh penerapannya adalah kompilasi peta lingkungan biologis suatu cagar alam di California Selatan. Tiga lokasi tercakup dalam suatu jaringan, masing-masing dengan 25-100 node, yang digunakan untuk pemantauan lingkungan secara terus-menerus. Deteksi banjir: Contoh deteksi banjir adalah sistem peringatan di Amerika Serikat. Beberapa jenis sensor yang ditempatkan dalam sistem peringatan mendeteksi curah hujan, ketinggian air, dan cuaca. Proyek penelitian seperti Proyek Basis Data Perangkat COUGAR di Universitas Cornell dan Proyek DataSpace di Universitas Rutgers sedang menjajaki pendekatan berbeda untuk berinteraksi dengan masing-masing node di jaringan untuk mendapatkan snapshot dan data jangka panjang. Pertanian: Jaringan sensor juga mempunyai keuntungan karena mampu memantau tingkat pestisida dalam air, tingkat erosi tanah, dan tingkat polusi udara secara real time.

2.3. Aplikasi dalam pengobatan

Salah satu penerapannya dalam bidang kedokteran adalah perangkat untuk penyandang cacat; pemantauan pasien; diagnostik; pemantauan penggunaan obat di rumah sakit; pengumpulan data fisiologis manusia; dan memantau dokter dan pasien di rumah sakit. Pemantauan Fisiologis Manusia: Data fisiologis yang dikumpulkan oleh jaringan sensor dapat disimpan untuk jangka waktu lama dan dapat digunakan untuk penelitian medis. Node jaringan yang terpasang juga dapat memantau pergerakan orang lanjut usia dan, misalnya, mencegah terjatuh. Nodus ini berukuran kecil dan memberi pasien kebebasan bergerak yang lebih besar, sekaligus memungkinkan dokter mengidentifikasi gejala penyakit terlebih dahulu. Selain itu, mereka membantu memastikan kehidupan yang lebih nyaman bagi pasien dibandingkan dengan perawatan di rumah sakit. Untuk menguji kemungkinan sistem seperti itu, “Rumah Pintar Sehat” diciptakan di Fakultas Kedokteran Grenoble–Prancis. . Memantau dokter dan pasien di rumah sakit: setiap pasien memiliki simpul jaringan yang kecil dan ringan. Setiap node memiliki tugas spesifiknya masing-masing. Misalnya, yang satu memantau detak jantung sementara yang lain mengukur tekanan darah. Dokter juga dapat memiliki simpul seperti itu, sehingga dokter lain dapat menemukannya di rumah sakit. Pemantauan obat-obatan di rumah sakit: Node dapat ditempelkan pada obat-obatan, sehingga kemungkinan pemberian obat yang salah dapat diminimalkan. Dengan demikian, pasien akan memiliki kelenjar getah bening yang menentukan alergi mereka dan obat-obatan yang diperlukan. Sistem terkomputerisasi seperti dijelaskan di atas telah menunjukkan bahwa mereka dapat membantu meminimalkan efek samping dari kesalahan pemberian obat.

2.4. Penggunaan di rumah

Otomatisasi rumah: node pintar dapat diintegrasikan ke dalam peralatan rumah tangga seperti penyedot debu, oven gelombang mikro, lemari es dan VCR. Mereka dapat berkomunikasi satu sama lain dan dengan jaringan eksternal melalui Internet atau satelit. Hal ini akan memungkinkan pengguna akhir mengelola perangkat di rumah dengan mudah, baik secara lokal maupun jarak jauh. Lingkungan Cerdas: Desain lingkungan cerdas dapat memiliki dua pendekatan berbeda, yaitu berpusat pada manusia atau berpusat pada teknologi. Dalam pendekatan pertama, lingkungan cerdas harus beradaptasi dengan kebutuhan pengguna akhir dalam hal interaksi dengan mereka. Untuk sistem yang berpusat pada teknologi, teknologi perangkat keras, solusi jaringan, dan aplikasi middleware baru harus dikembangkan. Contoh bagaimana node dapat digunakan untuk menciptakan lingkungan cerdas dijelaskan dalam. Node dapat dibangun menjadi furnitur dan peralatan, mereka dapat berkomunikasi satu sama lain dan server ruangan. Server ruangan juga dapat berkomunikasi dengan server ruangan lain untuk mempelajari layanan yang dapat mereka tawarkan, seperti pencetakan, pemindaian, dan faks. Server dan node sensor ini dapat diintegrasikan ke dalam perangkat tertanam yang ada dan merupakan sistem yang dapat mengatur dirinya sendiri, mengatur dirinya sendiri, dan adaptif berdasarkan model teori kontrol seperti yang dijelaskan dalam Pustaka.

3. Faktor-faktor yang mempengaruhi pengembangan model jaringan sensor.

Desain jaringan sensor bergantung pada banyak faktor, yang meliputi toleransi kesalahan, skalabilitas, biaya produksi, jenis lingkungan pengoperasian, topologi jaringan sensor, keterbatasan perangkat keras, model komunikasi, dan konsumsi energi. Faktor-faktor ini dipertimbangkan oleh banyak peneliti. Namun, tidak satupun dari penelitian ini yang sepenuhnya memperhitungkan semua faktor yang mempengaruhi desain jaringan. Mereka penting karena berfungsi sebagai pedoman untuk mengembangkan protokol atau algoritma untuk jaringan sensor. Selain itu, faktor-faktor ini dapat digunakan untuk membandingkan model yang berbeda.

3.1. Toleransi kesalahan

Beberapa node mungkin gagal karena kekurangan daya, kerusakan fisik, atau campur tangan pihak ketiga. Kegagalan node seharusnya tidak mempengaruhi pengoperasian jaringan sensor. Ini adalah masalah keandalan dan toleransi kesalahan. Toleransi kesalahan - kemampuan untuk mempertahankan fungsionalitas jaringan sensor tanpa kegagalan jika sebuah node gagal. Keandalan Rk(t) atau toleransi kesalahan suatu node dimodelkan menggunakan distribusi Poisson untuk menentukan probabilitas tidak adanya kegagalan node dalam periode waktu (0; t) Perlu diperhatikan fakta bahwa protokol dan algoritma dapat disesuaikan ke tingkat toleransi kesalahan yang diperlukan untuk membangun jaringan sensor. Jika lingkungan di mana node berada kurang rentan terhadap interferensi, maka protokolnya mungkin kurang tangguh. Misalnya, jika node tertanam di rumah untuk memantau tingkat kelembapan dan suhu, persyaratan toleransi kesalahan mungkin rendah, karena jaringan sensor semacam ini tidak dapat gagal dan “kebisingan” lingkungan tidak mempengaruhi pengoperasiannya. Di sisi lain, jika node digunakan di medan perang untuk pengawasan, maka ketahanannya harus tinggi karena pengawasan sangat penting dan node dapat dihancurkan selama operasi militer. Akibatnya, tingkat toleransi kesalahan bergantung pada penerapan jaringan sensor dan model harus dirancang dengan mempertimbangkan hal ini.

3.2. Skalabilitas

Jumlah node yang dikerahkan untuk mempelajari suatu fenomena bisa mencapai ratusan atau ribuan. Tergantung penerapannya, jumlahnya bisa mencapai nilai ekstrim (jutaan). Model-model baru seharusnya mampu menangani jumlah node ini. Mereka juga harus menggunakan jaringan sensor dengan kepadatan tinggi, yang dapat berkisar dari beberapa node hingga beberapa ratus di area yang diameternya bisa kurang dari 10 m. Kepadatan dapat dihitung berdasarkan,

3.3. Biaya produksi

Karena jaringan sensor terdiri dari sejumlah besar node, biaya satu node harus sesuai dengan total biaya jaringan. Jika biaya jaringan lebih tinggi daripada penerapan sensor tradisional, maka hal ini tidak dapat dibenarkan secara ekonomi. Akibatnya, biaya setiap node menjadi rendah. Sekarang biaya sebuah node yang menggunakan pemancar Bluetooth kurang dari $10. Harga untuk PicoNode adalah sekitar $1. Oleh karena itu, biaya node jaringan sensor harus kurang dari $1 agar penggunaannya dapat dibenarkan secara ekonomi. Biaya sebuah node Bluetooth, yang dianggap sebagai perangkat murah, 10 kali lebih tinggi dari harga rata-rata node jaringan sensor. Perhatikan bahwa node juga memiliki beberapa modul tambahan, seperti modul akuisisi data dan modul pemrosesan data (dijelaskan di bagian 3.4.) Selain itu, node tersebut dapat dilengkapi dengan sistem lokasi atau generator listrik tergantung pada penerapan jaringan sensor. . Akibatnya, biaya node menjadi masalah yang sulit, mengingat jumlah fungsionalitasnya bahkan dengan harga kurang dari $1.

3.4. Fitur Perangkat Keras

Node jaringan sensor terdiri dari empat komponen utama, seperti ditunjukkan pada Gambar. 1: unit akuisisi data, unit pemrosesan, pemancar dan catu daya. Ketersediaan modul tambahan tergantung pada penerapan jaringan, misalnya mungkin terdapat modul lokasi, pembangkit listrik, dan penggerak (MAC). Modul akuisisi data biasanya terdiri dari dua bagian: sensor dan konverter analog-ke-digital (ADC). Sinyal analog yang dihasilkan sensor berdasarkan fenomena yang diamati diubah menjadi sinyal digital menggunakan ADC dan kemudian diumpankan ke unit pemroses. Modul pemrosesan, yang menggunakan memori terintegrasi, mengelola prosedur yang memungkinkannya berkolaborasi dengan node lain untuk melakukan tugas pemantauan yang ditugaskan. Unit pemancar (transceiver) menghubungkan node ke jaringan. Salah satu komponen terpenting dari node adalah catu daya. Catu dayanya bisa diisi ulang, misalnya dengan menggunakan panel surya.

Sebagian besar node yang mengirimkan dan mengumpulkan data perlu mengetahui lokasinya dengan akurasi tinggi. Oleh karena itu, modul penentuan lokasi disertakan dalam skema keseluruhan. Kadang-kadang seorang penggerak mungkin diperlukan untuk memindahkan unit sesuai kebutuhan untuk melaksanakan tugas yang diberikan. Semua modul ini mungkin perlu ditempatkan di dalam kandang berukuran kotak korek api. Ukuran simpulnya bisa kurang dari satu sentimeter kubik dan cukup ringan untuk tetap berada di udara. Selain ukuran, ada beberapa batasan ketat lainnya pada node. Mereka harus:
mengkonsumsi sedikit energi,
bekerja dengan sejumlah besar node pada jarak pendek,
mempunyai biaya produksi yang rendah
menjadi mandiri dan bekerja tanpa pengawasan,
beradaptasi dengan lingkungan.
Karena node dapat menjadi tidak tersedia, masa pakai jaringan sensor bergantung pada catu daya masing-masing node. Pangan adalah sumber daya yang terbatas dan karena keterbatasan ukuran. Misalnya, total cadangan energi dari smart node adalah sekitar 1 J. Untuk Jaringan Sensor Terintegrasi Nirkabel (WINS), tingkat pengisian daya rata-rata harus kurang dari 30 LA untuk memastikan waktu pengoperasian yang lama. Dimungkinkan untuk memperpanjang umur jaringan sensor dengan menggunakan baterai yang dapat diisi ulang, misalnya dengan memperoleh energi dari lingkungan. Panel surya adalah contoh utama penggunaan pengisian ulang. Modul data node dapat berupa perangkat optik pasif atau aktif, seperti pada node pintar, atau pemancar frekuensi radio (RF). Transmisi RF memerlukan modul modulasi yang menggunakan bandwidth tertentu, modul penyaringan, demodulasi, yang membuatnya lebih kompleks dan mahal. Selain itu, mungkin ada kerugian dalam transmisi data antara dua node karena antena terletak dekat dengan tanah. Namun, komunikasi radio lebih disukai di sebagian besar desain jaringan sensor yang ada karena frekuensi transmisi data rendah (biasanya kurang dari 1 Hz) dan laju siklus transmisi tinggi karena jarak yang pendek. Karakteristik ini memungkinkan penggunaan frekuensi radio rendah. Namun, merancang pemancar radio yang hemat energi dan berfrekuensi rendah masih merupakan tantangan teknis teknologi yang ada, yang digunakan dalam produksi perangkat Bluetooth, tidak cukup efisien untuk jaringan sensor karena menghabiskan banyak energi. Meskipun prosesor terus menjadi lebih kecil dan lebih bertenaga, pemrosesan dan penyimpanan node masih menjadi titik lemahnya. Misalnya, modul pemrosesan smart node terdiri dari prosesor Atmel AVR8535 4 MHz, mikrokontroler dengan instruksi 8 KB, memori flash, RAM 512 byte, dan EEPROM 512 byte. Pada modul ini memiliki 3500 byte untuk OS dan 4500 byte memori bebas untuk kodenya digunakan sistem operasi TinyOS. Modul pemrosesan prototipe node lAMPS lainnya memiliki prosesor SA-1110 59-206 MHz. Node IAMPS menggunakan sistem operasi L-OS multi-thread. Sebagian besar tugas pengumpulan data memerlukan pengetahuan tentang posisi node. Karena node biasanya ditempatkan secara acak dan tanpa pengawasan, node tersebut harus bekerja sama menggunakan sistem lokasi. Penginderaan lokasi digunakan di banyak protokol perutean jaringan sensor (detail lebih lanjut di Bagian 4). Ada yang mengusulkan agar setiap node harus memiliki modul global positioning system (GPS) yang beroperasi dengan akurasi hingga 5 meter. Makalah ini berpendapat bahwa melengkapi semua node dengan GPS tidak diperlukan agar jaringan sensor dapat berfungsi. Ada pendekatan alternatif, di mana hanya beberapa node yang menggunakan GPS dan membantu node lain menentukan posisinya di lapangan.

3.5. Topologi jaringan

Fakta bahwa node menjadi tidak tersedia dan sering mengalami kegagalan membuat pemeliharaan jaringan menjadi tugas yang menantang. Dari ratusan hingga beberapa ribu node dapat ditempatkan di wilayah jaringan sensor. Mereka menyebar sepuluh meter dari satu sama lain. Kepadatan node bisa lebih tinggi dari 20 node per meter kubik. Lokasi yang padat dari banyak node memerlukan pemeliharaan jaringan yang cermat. Kami akan melihat masalah yang berkaitan dengan pemeliharaan dan perubahan topologi jaringan dalam tiga tahap:

3.5.1. Pra-penempatan dan penerapan node itu sendiri dapat terdiri dari node yang tersebar secara besar-besaran atau menginstal masing-masing node secara terpisah. Mereka dapat diperluas:

Tersebar dari pesawat terbang,
dengan menempatkannya di roket atau proyektil
dibuang dengan ketapel (misalnya dari kapal, dll),
lokasi tanaman
setiap node ditempatkan secara individual oleh seseorang atau robot.
Meskipun banyaknya sensor dan penerapan otomatisnya biasanya menghalangi penempatan sesuai dengan rencana yang dirancang dengan cermat, desain untuk penerapan awal harus:
mengurangi biaya pemasangan,
menghilangkan kebutuhan akan pra-organisasi dan pra-perencanaan,
meningkatkan fleksibilitas penempatan,
mempromosikan pengorganisasian diri dan toleransi kesalahan.

3.5.2. Fase pasca jaringan

Setelah jaringan dikerahkan, perubahan topologinya dikaitkan dengan perubahan karakteristik node. Mari kita daftarkan mereka:
posisi,
aksesibilitas (karena gangguan, kebisingan, hambatan bergerak, dll.),
pengisian daya baterai,
malfungsi
perubahan tugas yang diberikan.
Node dapat diperluas secara statis. Namun, kegagalan perangkat sering terjadi karena baterai habis atau rusak. Jaringan sensor dengan mobilitas node tinggi dimungkinkan. Selain itu, node dan jaringan melakukan tugas yang berbeda dan mungkin mengalami gangguan yang disengaja. Dengan demikian, struktur jaringan sensor rentan terhadap perubahan yang sering terjadi setelah penerapan.

3.5.3. Fase Penerapan Node Tambahan

Node tambahan dapat ditambahkan kapan saja untuk menggantikan node yang rusak atau karena perubahan tugas. Menambahkan node baru menciptakan kebutuhan untuk mengatur ulang jaringan. Menghadapi perubahan yang sering terjadi pada topologi jaringan peer-to-peer, yang berisi banyak node dan memiliki batasan konsumsi daya yang sangat ketat, memerlukan protokol routing khusus. Masalah ini dibahas lebih rinci di bagian 4.

3.6. Lingkungan

Node-node tersebut terletak sangat dekat atau langsung di dalam fenomena yang diamati. Oleh karena itu, mereka beroperasi tanpa pengawasan di wilayah geografis terpencil. Mereka bisa bekerja
di persimpangan yang sibuk,
di dalam mobil besar
di dasar lautan
di dalam tornado,
di permukaan laut saat terjadi angin puting beliung,
di daerah yang terkontaminasi secara biologis dan kimia
di medan perang,
di dalam rumah atau bangunan besar,
di gudang besar,
melekat pada binatang
melekat pada kendaraan yang bergerak cepat
di selokan atau sungai bersama dengan aliran air.
Daftar ini memberikan gambaran tentang kondisi di mana node dapat beroperasi. Mereka dapat beroperasi di bawah tekanan tinggi di dasar laut, di lingkungan yang keras, di antara puing-puing atau di medan perang, dalam suhu ekstrem, seperti di nosel mesin pesawat atau di daerah kutub, di tempat yang sangat bising dan terdapat banyak gangguan.

3.7. Metode transfer data

Dalam jaringan sensor multi-hop, node berkomunikasi secara nirkabel. Komunikasi dapat dilakukan melalui media radio, infra merah atau optik. Untuk menggunakan metode ini secara global, media penularan harus tersedia di seluruh dunia. Salah satu pilihan radio adalah dengan menggunakan pita frekuensi Industrial, Scientific and Medical (ISM), yang tersedia tanpa izin di sebagian besar negara. Beberapa jenis frekuensi yang boleh digunakan dijelaskan dalam Tabel Frekuensi Internasional yang terdapat dalam Pasal S5 Peraturan Radio (Volume 1). Beberapa frekuensi ini sudah digunakan pada telepon nirkabel dan nirkabel jaringan lokal(WLAN). Untuk jaringan sensor berukuran kecil dan berbiaya rendah, penguat sinyal tidak diperlukan. Menurut , keterbatasan perangkat keras dan trade-off antara efisiensi antena dan konsumsi energi memberlakukan batasan tertentu pada pilihan frekuensi transmisi dalam rentang frekuensi ultratinggi. Mereka juga menawarkan ISM 433 MHz di Eropa dan ISM 915 MHz di Amerika Utara. Kemungkinan model pemancar untuk kedua zona ini dibahas dalam. Keuntungan utama menggunakan frekuensi radio ISM adalah jangkauan frekuensi yang luas dan ketersediaannya di seluruh dunia. Mereka tidak terikat pada standar tertentu, sehingga memberikan kebebasan lebih besar untuk menerapkan strategi penghematan energi dalam jaringan sensor. Di sisi lain, terdapat berbagai aturan dan batasan, seperti perbedaan undang-undang dan campur tangan dari aplikasi yang ada. Pita frekuensi ini juga disebut frekuensi tidak diatur. Sebagian besar peralatan node saat ini didasarkan pada penggunaan pemancar radio. Node nirkabel IAMPS yang dijelaskan dalam , menggunakan pemancar 2,4 GHz yang kompatibel dengan Bluetooth dan memiliki synthesizer frekuensi terintegrasi. Desain node berdaya rendah dijelaskan dalam karya ini; mereka menggunakan satu saluran transmisi radio, yang beroperasi pada frekuensi 916 MHz. Arsitektur WINS juga menggunakan komunikasi radio. Lain cara yang mungkin komunikasi dalam jaringan sensor adalah port inframerah. Komunikasi inframerah tersedia tanpa izin dan dilindungi dari gangguan perangkat listrik. Pemancar IR lebih murah dan lebih mudah diproduksi. Banyak laptop masa kini, PDA dan ponsel menggunakan antarmuka IR untuk mengirimkan data. Kerugian utama dari komunikasi tersebut adalah persyaratan visibilitas langsung antara pengirim dan penerima. Hal ini membuat komunikasi IR tidak diinginkan untuk digunakan dalam jaringan sensor karena media transmisinya. Metode transmisi yang menarik digunakan oleh smart node, yaitu modul untuk pemantauan otomatis dan pemrosesan data. Mereka menggunakan media optik untuk transmisi. Ada dua skema transmisi, pasif menggunakan retroreflector sudut-kubus (CCR) dan aktif menggunakan dioda laser dan cermin terkontrol (dibahas dalam). Dalam kasus pertama, sumber cahaya terintegrasi tidak diperlukan; konfigurasi tiga cermin (CCR) digunakan untuk mengirimkan sinyal. Metode aktif menggunakan dioda laser dan sistem komunikasi laser aktif untuk mengirimkan berkas cahaya ke penerima yang dituju. Persyaratan yang tidak biasa untuk aplikasi jaringan sensor membuat pemilihan media transmisi menjadi menantang. Misalnya, aplikasi kelautan memerlukan penggunaan media transmisi perairan. Di sini Anda perlu menggunakan radiasi gelombang panjang yang mampu menembus permukaan air. Di medan yang sulit atau di medan perang, kesalahan dan lebih banyak gangguan mungkin terjadi. Selain itu, antena node mungkin tidak memiliki ketinggian dan daya radiasi yang diperlukan untuk berkomunikasi dengan perangkat lain. Oleh karena itu, pemilihan media transmisi harus disertai dengan skema modulasi dan pengkodean yang andal, yang bergantung pada karakteristik saluran transmisi.

3.8. Konsumsi daya

Node nirkabel, sebagai perangkat mikroelektronik, hanya dapat dilengkapi dengan catu daya terbatas (

3.8.1. Koneksi

Node menghabiskan energi maksimum untuk komunikasi, yang melibatkan pengiriman dan penerimaan data. Kita dapat mengatakan itu untuk komunikasi aktif jarak pendek dengan daya radiasi rendah, transmisi dan penerimaan memerlukan jumlah energi yang kurang lebih sama. Synthesizer frekuensi, osilator pengatur tegangan, osilator pengunci fase (PLL), dan penguat daya semuanya memerlukan energi, yang sumber dayanya terbatas. Penting bahwa dalam hal ini kita tidak hanya mempertimbangkan daya aktif; kita juga mempertimbangkan konsumsi listrik saat memulai pemancar. Menghidupkan pemancar memerlukan waktu sepersekian detik, sehingga hanya menghabiskan sedikit energi. Nilai ini dapat dibandingkan dengan waktu pemblokiran PLL. Namun, seiring dengan berkurangnya paket yang dikirimkan, daya startup mulai mendominasi konsumsi energi. Akibatnya, tidak efektif untuk terus-menerus menghidupkan dan mematikan pemancar, karena Sebagian besar energi akan digunakan untuk hal ini. Saat ini pemancar radio berdaya rendah memiliki standar nilai Pt dan Pr sebesar 20 dBm dan Pout mendekati 0 dBm. Perhatikan bahwa PicoRadio yang diarahkan ke Pc adalah -20 dBm.

Desain pemancar berukuran kecil dan berbiaya rendah dibahas dalam sumbernya. Berdasarkan hasil mereka, penulis makalah ini, dengan mempertimbangkan perkiraan anggaran dan konsumsi energi, percaya bahwa nilai Pt dan Pr setidaknya harus lebih kecil dari nilai yang diberikan di atas.

Konsumsi energi selama pemrosesan data jauh lebih sedikit dibandingkan dengan transmisi data. Contoh yang dijelaskan dalam karya ini sebenarnya menggambarkan perbedaan ini. Berdasarkan teori Rayleigh bahwa seperempat daya hilang selama transmisi, dapat disimpulkan bahwa konsumsi energi untuk mentransmisikan 1 KB pada jarak 100 m kira-kira sama dengan menjalankan 3 juta instruksi dengan kecepatan 100 juta instruksi. per detik (MIPS). Oleh karena itu, pemrosesan data lokal sangat penting untuk meminimalkan konsumsi energi dalam jaringan sensor multi-hop. Oleh karena itu, node harus memiliki kemampuan komputasi bawaan dan dapat berinteraksi dengan lingkungan. Keterbatasan biaya dan ukuran akan mengarahkan kita untuk memilih semikonduktor (CMOS) sebagai teknologi inti mikroprosesor. Sayangnya, mereka mempunyai keterbatasan dalam efisiensi energi. CMOS memerlukan daya setiap kali berubah status. Energi yang dibutuhkan untuk mengubah keadaan sebanding dengan frekuensi switching, kapasitansi (tergantung area) dan fluktuasi tegangan. Oleh karena itu, mengurangi tegangan suplai merupakan cara yang efektif untuk mengurangi konsumsi daya dalam keadaan aktif. Penskalaan tegangan dinamis, yang dibahas dalam , berupaya menyesuaikan daya dan frekuensi prosesor sesuai dengan beban kerja. Ketika beban komputasi pada mikroprosesor dikurangi, pengurangan frekuensi saja akan memberikan pengurangan konsumsi energi secara linier, namun, penurunan tegangan operasi akan memberikan pengurangan konsumsi energi secara kuadrat. Di sisi lain, semua kinerja prosesor yang mungkin tidak akan digunakan. Ini akan berhasil jika kita memperhitungkan bahwa kinerja puncak tidak selalu diperlukan dan oleh karena itu tegangan pengoperasian dan frekuensi prosesor dapat disesuaikan secara dinamis dengan kebutuhan pemrosesan. Penulis mengusulkan skema prediksi beban kerja berdasarkan pemrosesan adaptif profil beban yang ada dan analisis beberapa skema yang sudah dibuat. Strategi lain untuk mengurangi daya prosesor dibahas di .

Perlu dicatat bahwa sirkuit tambahan dapat digunakan untuk menyandikan dan mendekode data. Sirkuit terpadu juga dapat digunakan dalam beberapa kasus. Dalam semua skenario ini, struktur jaringan sensor, algoritma operasi dan protokol bergantung pada konsumsi energi yang sesuai.

Node-node tersebut biasanya terletak secara acak di seluruh area pengamatan. Masing-masing dapat mengumpulkan data dan mengetahui rute transmisi data kembali ke node pusat, pengguna akhir. Data ditransmisikan menggunakan arsitektur jaringan multi-hop. Node pusat dapat berkomunikasi dengan task manager melalui Internet atau satelit. Tumpukan protokol yang digunakan oleh node pusat dan semua node lainnya ditunjukkan pada Gambar. 3. Tumpukan protokol mencakup informasi daya dan informasi perutean, berisi informasi tentang protokol jaringan, membantu berkomunikasi secara efisien melalui media nirkabel, dan memfasilitasi kolaborasi node. Tumpukan protokol terdiri dari lapisan aplikasi, lapisan transport, lapisan jaringan, lapisan data link, lapisan fisik, lapisan manajemen daya, lapisan manajemen mobilitas, dan lapisan penjadwalan tugas. Tergantung pada tugas pengumpulan data, berbagai jenis perangkat lunak aplikasi dapat dibangun di tingkat aplikasi. Lapisan transport membantu menjaga aliran data jika diperlukan. Lapisan jaringan menyediakan perutean data yang disediakan oleh lapisan transport. Karena lingkungannya berisik dan node dapat berpindah, protokol MAC harus meminimalkan terjadinya tabrakan saat mentransmisikan data antar node yang bertetangga. Lapisan fisik bertanggung jawab atas kemampuan mengirimkan informasi. Protokol ini membantu node melakukan tugas sambil menghemat energi. Lapisan manajemen daya menentukan bagaimana node harus menggunakan energi. Misalnya, sebuah node mungkin mematikan penerima setelah menerima pesan dari salah satu tetangganya. Ini akan membantu Anda menghindari menerima pesan duplikat. Terlebih lagi, ketika sebuah node memiliki biaya rendah baterai, ia mengirimkan informasi ke tetangganya bahwa ia tidak dapat berpartisipasi dalam perutean pesan. Ia akan menggunakan seluruh energi yang tersisa untuk mengumpulkan data. Lapisan kontrol mobilitas (MAC) mendeteksi dan mencatat pergerakan node, sehingga selalu ada rute bagi data untuk melakukan perjalanan ke node pusat dan node dapat menentukan tetangganya. Dan dengan mengetahui tetangganya, sebuah node dapat menyeimbangkan konsumsi energi dengan bekerja sama dengan mereka. Manajer tugas merencanakan dan menjadwalkan pengumpulan informasi untuk setiap wilayah secara terpisah. Tidak semua node di wilayah yang sama diperlukan untuk melakukan tugas penginderaan pada waktu yang sama. Akibatnya, beberapa node melakukan lebih banyak tugas dibandingkan yang lain, bergantung pada kekuatannya. Semua lapisan dan modul ini diperlukan agar node dapat bekerja sama dan mengupayakan efisiensi energi maksimum, mengoptimalkan rute transmisi data dalam jaringan, dan juga berbagi sumber daya satu sama lain. Tanpa mereka, setiap node akan bekerja secara individual. Dari sudut pandang keseluruhan jaringan sensor, akan lebih efisien jika node-node tersebut bekerja sama satu sama lain, sehingga membantu memperpanjang umur jaringan itu sendiri. Sebelum membahas perlunya memasukkan modul dan lapisan kontrol dalam protokol, kami akan meninjau tiga pekerjaan yang ada pada tumpukan protokol, yang ditunjukkan pada Gambar 3. Model WINS, yang dibahas dalam sumber, di mana node terhubung dalam jaringan terdistribusi dan memiliki akses ke Internet. Karena sejumlah besar node jaringan WINS terletak pada jarak yang dekat satu sama lain, komunikasi multi-hop mengurangi konsumsi energi seminimal mungkin. Informasi lingkungan yang diterima oleh node secara berurutan diteruskan ke node pusat atau gateway WINS melalui node lain seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 untuk node A, B, C, D dan E. Gateway WINS berkomunikasi dengan pengguna melalui protokol jaringan normal seperti Internet. Tumpukan protokol jaringan WINS terdiri dari lapisan aplikasi, lapisan jaringan, lapisan MAC, dan lapisan fisik. Node pintar (atau titik). Simpul-simpul ini dapat menempel pada suatu benda atau bahkan melayang di udara karena ukuran dan beratnya yang kecil. Mereka menggunakan teknologi MEMS untuk komunikasi optik dan akuisisi data. Motes mungkin memiliki panel surya untuk diisi ulang di siang hari. Mereka memerlukan saling berhadapan untuk berkomunikasi dengan stasiun pangkalan pemancar optik atau titik lainnya. Membandingkan arsitektur jaringan mote dengan yang ditunjukkan pada Gambar 2, kita dapat mengatakan bahwa node pintar, pada umumnya, berkomunikasi langsung dengan pemancar. stasiun pangkalan, tetapi komunikasi satu lawan satu juga dimungkinkan. Pendekatan lain untuk mengembangkan protokol dan algoritma untuk jaringan sensor didorong oleh persyaratan lapisan fisik. Protokol dan algoritma harus dirancang sesuai dengan pilihan komponen fisik, seperti jenis mikroprosesor, dan jenis penerima. Pendekatan bottom-up ini digunakan dalam model IAMPS dan juga mempertimbangkan ketergantungan lapisan aplikasi, lapisan jaringan, lapisan MAC, dan lapisan fisik pada perangkat keras host. Node IAMPS berinteraksi dengan pengguna akhir dengan cara yang sama seperti arsitektur yang ditunjukkan pada Gambar 2. Berbagai skema, seperti saluran pembagian waktu (TDMA) atau saluran pembagian frekuensi (FDMA) dan modulasi biner atau modulasi M dibandingkan dalam sumber. Pendekatan bottom-up berarti algoritma node harus mengetahui perangkat keras dan menggunakan kemampuan mikroprosesor dan pemancar untuk meminimalkan konsumsi daya. Hal ini dapat menyebabkan pengembangan desain perakitan yang berbeda. Dan desain node yang berbeda akan menghasilkan berbagai jenis

jaringan sensor. Yang pada gilirannya akan mengarah pada pengembangan berbagai algoritma untuk pengoperasiannya.

1. Literatur
2. GD Di atas, J.P.G. Sterbenz, Laporan akhir lokakarya interaksi mengenai isu penelitian untuk lingkungan cerdas, IEEE Personal Communications (Oktober 2000) 36–40.
3. J. Agre, L. Clare, Arsitektur terintegrasi untuk jaringan penginderaan kooperatif, Majalah Komputer IEEE (Mei 2000) 106–108.
4. JIKA. Akyildiz, W. Su, Protokol perutean yang ditingkatkan kesadaran daya (PAER) untuk jaringan sensor, Laporan Teknis Georgia Tech, Januari 2002, diserahkan untuk dipublikasikan.
5. A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: TCP tidak langsung untuk host seluler, Prosiding Konferensi Internasional ke-15 tentang Sistem Komputasi Terdistribusi, Vancouver, BC, Mei 1995, hal. 136–143.
6. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Pasien keliling: jaringan sensor terdistribusi nirkabel untuk pemantauan dan perawatan pasien, Prosiding Konferensi Internasional IEEE EMBS 2000 tentang Penerapan Teknologi Informasi dalam Biomedis, 2000, hal. 17–21.
7. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Batas atas seumur hidup jaringan sensor, Konferensi Internasional IEEE tentang Komunikasi ICC'01, Helsinki, Finlandia, Juni 2001.

P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Menanyakan dunia fisik, IEEE Personal Communications (Oktober 2000) 10–15.

Teknologi komunikasi nirkabel terkini dan kemajuan dalam produksi sirkuit mikro telah memungkinkan selama beberapa tahun terakhir untuk beralih ke pengembangan praktis dan implementasi kelas baru sistem komunikasi terdistribusi - jaringan sensor.

Jaringan sensor nirkabel terdiri dari perangkat komputasi dan komunikasi mini - motes ( dari bahasa Inggris motes - bintik debu), atau sensor. Mote adalah papan yang biasanya berukuran tidak lebih dari satu inci kubik. Papan ini menampung prosesor, memori flash dan RAM, konverter digital-ke-analog dan analog-ke-digital, transceiver frekuensi radio, catu daya, dan sensor. Sensor bisa sangat beragam; mereka terhubung melalui konektor digital dan analog. Sensor yang paling umum digunakan adalah suhu, tekanan, kelembaban, penerangan, getaran, lebih jarang - magnetoelektrik, kimia (misalnya, mengukur kandungan CO, CO2), suara dan beberapa lainnya. Kumpulan sensor yang digunakan bergantung pada fungsi yang dilakukan oleh jaringan sensor nirkabel. Moto ini didukung oleh baterai kecil. Motes hanya digunakan untuk mengumpulkan, memproses primer, dan mengirimkan data sensorik. Penampilan mots yang diproduksi oleh berbagai produsen ditunjukkan pada Gambar. 1.

Pemrosesan fungsional utama dari data yang dikumpulkan oleh motes dilakukan pada node, atau gateway, yang merupakan hal yang wajar komputer yang kuat. Namun untuk mengolah datanya harus diterima terlebih dahulu. Untuk keperluan ini, unit harus dilengkapi dengan antena. Namun bagaimanapun juga, hanya titik yang cukup dekat yang dapat diakses oleh node; dengan kata lain, node tidak menerima informasi langsung dari setiap titik. Masalah memperoleh informasi sensorik yang dikumpulkan oleh partikel diselesaikan sebagai berikut. Motes dapat bertukar informasi satu sama lain menggunakan transceiver radio. Pertama, informasi sensorik yang dibaca dari sensor, dan kedua, informasi tentang keadaan perangkat dan hasil proses transfer data. Informasi ditransfer dari satu titik ke titik lainnya sepanjang rantai, dan sebagai hasilnya, titik yang paling dekat dengan gateway membuang semua informasi yang terkumpul ke sana. Jika beberapa gerakan gagal, pengoperasian jaringan sensor harus dilanjutkan setelah konfigurasi ulang. Namun dalam hal ini tentu saja jumlah sumber informasi semakin berkurang.

Untuk menjalankan fungsinya, sistem operasi khusus diinstal pada setiap mote. Saat ini, sebagian besar jaringan sensor nirkabel menggunakan TinyOS, sebuah OS yang dikembangkan di Universitas Berkeley. TinyOS adalah perangkat lunak sumber terbuka; tersedia di: www.tinyos.net. TinyOS adalah sistem operasi real-time berbasis peristiwa yang dirancang untuk bekerja di lingkungan dengan sumber daya terbatas. OS ini memungkinkan mote untuk secara otomatis membuat koneksi dengan tetangganya dan membentuk jaringan sensor dengan topologi tertentu. Rilis terbaru, TinyOS 2.0, muncul pada tahun 2006.

Faktor terpenting dalam pengoperasian jaringan sensor nirkabel adalah terbatasnya kapasitas baterai yang terpasang pada motes. Harap dicatat bahwa seringkali tidak mungkin mengganti baterai. Dalam hal ini, hanya perlu melakukan pemrosesan primer paling sederhana pada motes, yang bertujuan untuk mengurangi volume informasi yang dikirimkan, dan, yang paling penting, meminimalkan jumlah siklus penerimaan dan transmisi data. Untuk mengatasi masalah ini, protokol komunikasi khusus telah dikembangkan, yang paling terkenal adalah protokol aliansi ZigBee. Aliansi ini (situs web www.zigbee.org) dibuat pada tahun 2002 khusus untuk mengoordinasikan pekerjaan di bidang jaringan sensor nirkabel. Ini mencakup pengembang perangkat keras dan perangkat lunak terbesar: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI dan banyak lainnya (total lebih dari 200 anggota). Intel Corporation bukan anggota aliansi tersebut, meskipun mendukung aktivitasnya.

Pada prinsipnya, untuk mengembangkan standar, termasuk tumpukan protokol untuk jaringan sensor nirkabel, ZigBee menggunakan standar IEEE 802.15.4 yang dikembangkan sebelumnya, yang menjelaskan lapisan fisik dan lapisan akses media untuk jaringan data nirkabel jarak pendek (hingga 75 m) dengan konsumsi daya yang rendah, namun dengan tingkat keandalan yang tinggi. Beberapa karakteristik transmisi data radio menurut standar IEEE 802.15.4 diberikan dalam Tabel. 1.

Tabel 1. Karakteristik transmisi data radio untuk IEEE 802.15.4

Pita frekuensi, MHz	Apakah saya memerlukan lisensi	Wilayah geografis	Kecepatan transfer data, Kbit/dtk	Jumlah saluran

Pada saat ini ZigBee telah mengembangkan satu-satunya standar di bidang ini, yang didukung oleh ketersediaan produk perangkat keras dan perangkat lunak yang sepenuhnya kompatibel. Protokol ZigBee memungkinkan perangkat berada dalam mode tidur b HAI sebagian besar waktu, yang secara signifikan memperpanjang masa pakai baterai.

Tentu tidak mudah untuk mengembangkan skema pertukaran data antara ratusan bahkan ribuan titik. Selain itu, perlu juga mempertimbangkan fakta bahwa jaringan sensor beroperasi pada rentang frekuensi yang tidak berlisensi, sehingga dalam beberapa kasus dapat terjadi interferensi yang disebabkan oleh sumber sinyal radio asing. Dianjurkan juga untuk menghindari transmisi ulang data yang sama, dan sebagai tambahan, pertimbangkan bahwa karena kapasitas energi yang tidak mencukupi dan pengaruh eksternal, mote akan gagal secara permanen atau untuk beberapa waktu. Dalam semua kasus tersebut, skema komunikasi harus dimodifikasi. Karena salah satu fitur terpenting TinyOS adalah pemilihan desain jaringan dan jalur data secara otomatis, jaringan sensor nirkabel pada dasarnya dapat dikonfigurasi sendiri.

Seringkali, sebuah mote harus dapat menentukan lokasinya sendiri, setidaknya dalam kaitannya dengan mote lain yang akan dikirimkan datanya. Artinya, semua titik diidentifikasi terlebih dahulu, dan kemudian skema routing dibentuk. Secara umum, semua mote - perangkat standar ZigBee - dibagi menjadi tiga kelas sesuai dengan tingkat kerumitannya. Yang tertinggi dari mereka - koordinator - mengelola pengoperasian jaringan, menyimpan data tentang topologinya dan berfungsi sebagai pintu gerbang untuk mengirimkan data yang dikumpulkan oleh seluruh jaringan sensor nirkabel untuk diproses lebih lanjut. Jaringan sensor biasanya menggunakan koordinator tunggal. Moto yang cukup kompleks adalah router, yaitu dapat menerima dan mengirimkan data, serta menentukan arah transmisi. Terakhir, mote paling sederhana hanya bisa mengirimkan data ke router terdekat. Jadi, ternyata standar ZigBee mendukung jaringan dengan arsitektur cluster (Gbr. 2). Cluster ini dibentuk oleh router dan motes sederhana, yang kemudian meminta data sensorik. Router cluster menyampaikan data satu sama lain, dan data tersebut pada akhirnya ditransfer ke koordinator. Koordinator biasanya memiliki koneksi ke jaringan IP, tempat data dikirim untuk pemrosesan akhir.

Perkembangan terkait pembuatan jaringan sensor nirkabel juga sedang berlangsung di Rusia. Oleh karena itu, perusahaan Sistem Teknologi Tinggi menawarkan platform perangkat keras dan perangkat lunak MeshLogic untuk membangun jaringan sensor nirkabel (situs web www.meshlogic.ru). Perbedaan utama antara platform ini dan ZigBee adalah fokusnya pada pembangunan jaringan mesh peer-to-peer (Gbr. 3). Dalam jaringan seperti itu fungsionalitas tiap motor sama. Kemungkinan pengorganisasian mandiri dan penyembuhan mandiri jaringan topologi mesh memungkinkan, jika terjadi kegagalan beberapa motor, untuk secara spontan membentuk struktur jaringan baru. Benar, bagaimanapun juga, diperlukan node fungsional pusat yang menerima dan memproses semua data, atau gerbang untuk mengirimkan data ke node untuk diproses. Jaringan yang dibuat secara spontan sering disebut dengan istilah Latin Ad Hoc, yang berarti “untuk kejadian tertentu”.

Dalam jaringan MeshLogic, setiap mote dapat melakukan penyampaian paket, yang fungsinya menyerupai router ZigBee. Jaringan MeshLogic sepenuhnya mengatur dirinya sendiri: tidak ada node koordinator. Dapat digunakan sebagai transceiver RF di MeshLogic berbagai perangkat, khususnya Cypress WirelessUSB, yang, seperti perangkat standar ZigBee, beroperasi pada rentang frekuensi 2.4... 2.4835 GHz. Perlu dicatat bahwa hanya lapisan bawah tumpukan protokol yang ada untuk platform MeshLogic. Tingkat atas, khususnya tingkat jaringan dan aplikasi, diyakini akan dibuat untuk aplikasi tertentu. Konfigurasi dan parameter utama dari dua mote MeshLogic dan satu mote standar ZigBee ditunjukkan pada Tabel. 2.

Tabel 2. Ciri-ciri utama motor dari berbagai pabrikan

Pilihan
Mikrokontroler
CPU	Instrumen Texas MSP430
Frekuensi jam	32,768 kHz hingga 8 MHz
RAM
Memori kilat
Pemancar
		Cypress NirkabelUSBTM LP
Rentang frekuensi	2400-2483,5MHz		2400-2483,5MHz
Kecepatan transfer data		15.625 hingga 250 Kbps
Daya keluaran	–24 hingga 0 dBm	–35 hingga 4 dBm	–28 hingga 3 dBm
Kepekaan
			1 atau 2 keping
Antarmuka eksternal
	12-bit, 7 saluran		10-bit, 3 saluran
Antarmuka digital	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Pilihan lain
Tegangan suplai	0,9 hingga 6,5V		1,8 hingga 3,6 V
Kisaran suhu	-40 hingga 85 °C	0 hingga 70 °C	0 hingga 85 °C

Perhatikan bahwa terintegrasi sensor sentuh tidak di papan ini.

Mari kita tunjukkan apa yang membedakan jaringan sensor nirkabel dari jaringan komputasi konvensional (berkabel dan nirkabel):

• tidak adanya kabel apa pun - listrik, komunikasi, dll.;
• kemungkinan penempatan kompak atau bahkan integrasi motor ke objek lingkungan;
• keandalan elemen individual dan, yang lebih penting, keseluruhan sistem secara keseluruhan; dalam beberapa kasus, jaringan dapat berfungsi ketika hanya 10-20% sensor (mote) yang berfungsi;
• tidak perlu personel untuk instalasi dan pemeliharaan.

Jaringan sensor dapat digunakan di banyak area aplikasi. Jaringan sensor nirkabel adalah teknologi baru yang menjanjikan dan semua proyek terkait sebagian besar sedang dalam tahap pengembangan. Kami menunjukkan bidang utama penerapan teknologi ini:

• sistem pertahanan dan keamanan;
• pengendalian lingkungan;
• pemantauan peralatan industri;
• sistem keamanan;
• pemantauan kondisi lahan pertanian;
• manajemen energi;
• pengendalian sistem ventilasi, pendingin udara dan penerangan;
• alarm kebakaran;
• akuntansi gudang;
• pelacakan angkutan kargo;
• memantau keadaan fisiologis seseorang;
• pengendalian personel.

Dari sekian banyak contoh penggunaan jaringan sensor nirkabel, kami akan menyoroti dua. Mungkin yang paling terkenal adalah penerapan jaringan tersebut di atas kapal tanker minyak oleh BP. Di sana, dengan menggunakan jaringan yang dibangun dengan peralatan Intel, kondisi kapal dipantau untuk mengatur pemeliharaan preventifnya. BP menilai apakah jaringan sensor dapat beroperasi di atas kapal dalam kondisi suhu ekstrem, getaran tinggi, dan gangguan frekuensi radio tingkat signifikan yang ditemukan di beberapa area kapal. Percobaan berhasil; jaringan secara otomatis dikonfigurasi ulang dan dipulihkan beberapa kali.

Contoh proyek percontohan lain yang telah selesai adalah penerapan jaringan sensor di pangkalan Angkatan Udara AS di Florida. Sistem ini menunjukkan kemampuan yang baik untuk mengenali berbagai benda logam, termasuk benda bergerak. Penggunaan jaringan sensor memungkinkan untuk mendeteksi intrusi orang dan kendaraan ke dalam area yang dikendalikan dan melacak pergerakan mereka. Untuk mengatasi permasalahan tersebut digunakan motor yang dilengkapi magnetoelektrik dan sensor suhu. Saat ini, cakupan proyek sedang diperluas, dan jaringan sensor nirkabel sedang dipasang di lokasi berukuran 10.000x500 m perangkat lunak sedang dikembangkan oleh beberapa universitas Amerika.

Ulasan modern teknologi nirkabel

Arsitektur sensor

Sensor sentuh terdiri dari perangkat keras dan perangkat lunak, seperti node telekomunikasi lainnya. Secara umum sensor terdiri dari berikut ini

subsistem: persepsi, pengolahan data, pemantauan, komunikasi dan pasokan listrik (Gambar 1.1).

Gambar 1.1 – Arsitektur umum sensor.

Subsistem persepsi biasanya terdiri dari perangkat analog yang mengambil statistik tertentu dan konverter analog-ke-digital. Subsistem pemrosesan data berisi prosesor pusat dan memori yang memungkinkan penyimpanan tidak hanya data yang dihasilkan oleh sensor, tetapi juga informasi layanan yang diperlukan agar subsistem komunikasi berfungsi dengan benar dan penuh. Subsistem pemantauan memungkinkan sensor mengumpulkan data lingkungan seperti kelembaban, suhu, tekanan, medan magnet, analisis kimia udara, dll. Sensor ini juga dapat dilengkapi dengan giroskop dan akselerometer, yang memungkinkan untuk membangun sistem penentuan posisi.

Kemajuan di bidang komunikasi nirkabel dan miniaturisasi sirkuit mikro membuka cakrawala baru dalam teknologi informasi dan komputer. Selain jaringan multi-hop, ada protokol perutean yang lebih kompleks di mana node berikutnya dipilih berdasarkan analisis karakteristiknya, misalnya tingkat energi, keandalan, dan sejenisnya. Situasi menjadi lebih rumit ketika node jaringan sensor nirkabel berpindah - topologi jaringan menjadi dinamis.

Untuk mengimplementasikan sensor sebagai perangkat telekomunikasi kecil (tidak lebih dari satu sentimeter kubik), banyak aspek teknis yang harus diperhatikan. Frekuensi CPU minimal harus 20 MHz, volume RAM minimal 4 KB, kecepatan transfer minimal 20 Kbps. Mengoptimalkan perangkat keras akan mengurangi ukuran sensor, namun akan menyebabkan kenaikan harga. Sistem operasi(OS) harus dioptimalkan dengan mempertimbangkan arsitektur prosesor pusat yang digunakan. Sumber daya yang terbatas dan ukuran memori yang kecil mendorong penempatan OS di ROM. Saat ini, Tiny OS open-source banyak digunakan, memungkinkan kontrol sensor yang fleksibel dari berbagai produsen. Di bidang jaringan, terbatasnya pasokan daya pada sensor menimbulkan keterbatasan yang signifikan

penggunaan teknologi radio yang dapat digunakan dalam jaringan sensor. Perlu juga dicatat bahwa terbatasnya kinerja prosesor pusat tidak memungkinkan penggunaan protokol perutean jaringan IP standar

– kompleksitas penghitungan algoritma jalur optimal yang tinggi akan membebani prosesor pusat. Sampai saat ini, sejumlah besar protokol routing khusus untuk jaringan sensor telah dikembangkan.

Perkembangan teknologi transmisi data dalam jaringan sensor merupakan salah satu tugas terpenting dalam membangun jaringan sensor, karena arsitekturnya yang spesifik dan karakteristik sistem menerapkan sejumlah pembatasan ketat, di antaranya hal-hal berikut harus ditekankan:

Cadangan energi terbatas, artinya jangkauannya terbatas;

Kinerja prosesor terbatas;

Operasi simultan dari sejumlah besar node dalam ruang terbatas;

Kesetaraan node, arsitektur client-server tidak berlaku karena karakteristik penundaannya;

Beroperasi pada spektrum frekuensi yang tidak mempunyai izin;

Biaya rendah.

Saat ini pengembangan jaringan sensor didasarkan pada standar IEEE 802.15.4 Zigbee yang saya sebutkan di atas. Selain itu, saya perhatikan bahwa aliansi Zigbee mengasumsikan bahwa akses radio standar ZigBee akan digunakan dalam aplikasi seperti pemantauan, otomatisasi produksi, sensor, keamanan, kontrol, peralatan Rumah Tangga dan banyak lagi. Dengan demikian, aplikasi jaringan sensor dapat dibagi menjadi beberapa kategori utama:

Keamanan, keadaan darurat dan operasi militer;

Kedokteran dan kesehatan;

Cuaca, lingkungan dan pertanian;

Pabrik, pabrik, rumah, gedung;

Sistem transportasi dan mobil.

Saya akan mempertimbangkan kasus penerapan spesifik jaringan sensor dalam kategori di atas. Minimal, jaringan sensor dapat digunakan dalam skenario berikut.

Penerapan jaringan sensor

Jaringan sensor nirkabel memiliki karakteristik unik yaitu penyebaran yang mudah, pengorganisasian mandiri, dan toleransi kesalahan. Muncul sebagai paradigma baru dalam pengumpulan informasi, jaringan sensor nirkabel telah digunakan untuk aplikasi luas yang berkaitan dengan kesehatan, pengendalian lingkungan, energi, keamanan pangan, dan manufaktur.

Selama beberapa tahun terakhir, terdapat banyak indikasi bahwa jaringan sensor akan menjadi kenyataan. Beberapa prototipe node sensor telah dibuat, termasuk Motes di Berkeley, uAMPS di MIT, dan GNOMES di Rice. Fungsi dasar jaringan sensor adalah penentuan posisi, penginderaan, pelacakan, dan deteksi. Selain penerapan militer, terdapat juga penerapan sipil berdasarkan fungsi dasar, yang dapat dibagi menjadi pengendalian habitat, pengawasan lingkungan, perawatan kesehatan dan komersial lainnya.

aplikasi. Selain itu, Sibley baru-baru ini menciptakan sensor seluler bernama Robomote, yang dilengkapi roda dan dapat bergerak di sekitar lapangan.

Dalam salah satu upaya pertama menggunakan jaringan sensor untuk aplikasi sipil, Berkeley dan Intel Research Laboratory menggunakan jaringan sensor Mote untuk memantau pembacaan badai di Great Duck Islands, Maine pada musim panas 2002. Dua pertiga dari sensor dipasang di lepas pantai Maine, mengumpulkan informasi yang diperlukan (berguna) secara real time di jaringan global (Internet). Sistem bekerja selama lebih dari 4 bulan dan menyediakan data

Selama 2 bulan setelah para ilmuwan meninggalkan pulau tersebut karena kondisi cuaca buruk (musim dingin). Aplikasi pemantauan habitat ini mewakili kelas penting aplikasi jaringan sensor. Yang terpenting, sensor jaringan mampu mengumpulkan informasi di lingkungan berbahaya yang tidak ramah bagi manusia. Selama studi pemantauan, kriteria desain dipertimbangkan, termasuk pembuatan desain, pembuatan sistem sensor dengan kemungkinan akses jarak jauh, dan pengelolaan data. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mencapai persyaratan tersebut, yang mengarah pada pengembangan serangkaian sistem jaringan sensor prototipe. Sistem sensor yang digunakan oleh Berkeley dan Intel Research Laboratory, meskipun primitif, efektif dalam mengumpulkan data lingkungan yang menarik dan memberikan informasi penting kepada para ilmuwan.

Jaringan sensor telah menemukan aplikasi di bidang observasi dan prediksi (menebak). Contoh nyata dari penerapan semacam itu adalah sistem Evaluasi Lokal Otomatis dalam Waktu Nyata (ALERT) yang dikembangkan oleh Layanan Cuaca Nasional dengan jaringan sensor nirkabel. Dilengkapi dengan perangkat penginderaan meteorologi/hidrologi, sensor di lingkungan tertentu biasanya mengukur beberapa sifat cuaca lokal, seperti ketinggian air, suhu, angin. Data ditransmisikan melalui komunikasi radio line-of-sight melalui sensor di stasiun pangkalan. Model Prakiraan Banjir diadaptasi untuk memproses data dan mengeluarkan peringatan otomatis. Sistem ini menyediakan informasi penting tentang curah hujan dan ketinggian air secara real-time untuk menilai potensi banjir di mana pun di negara ini. Sistem ALERT yang ada (saat ini) dipasang di seluruh Pantai Barat Amerika Serikat dan digunakan untuk peringatan banjir di California dan Arizona.

Akhir-akhir ini, Sistem sensor banyak digunakan dalam industri perawatan kesehatan, digunakan oleh pasien dan dokter untuk pelacakan dan pemantauan glukosa, pendeteksi kanker, dan bahkan organ buatan. Para ilmuwan menyarankan kemungkinan penanaman sensor biomedis ke dalam tubuh manusia untuk berbagai tujuan. Sensor ini mengirimkan informasi ke eksternal sistem komputer melalui antarmuka nirkabel. Beberapa sensor biomedis diintegrasikan ke dalam sistem aplikasi untuk menentukan diagnosis dan pengobatan penyakit. Sensor biomedis menunjukkan tingkat perawatan medis yang lebih maju.

Perbedaan utama antara jaringan sensor nirkabel dan komputer tradisional dan jaringan telepon adalah kurangnya infrastruktur permanen milik operator atau penyedia tertentu. Setiap terminal pengguna dalam jaringan sensor memiliki kemampuan untuk berfungsi tidak hanya sebagai perangkat akhir, tetapi juga sebagai node transit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.2.

Gambar 1.2 – Contoh menghubungkan sensor jaringan

Kireev A.O., Svetlov A.V. JARINGAN SENSOR NIRKABEL DI BIDANG TEKNOLOGI KEAMANAN OBYEK

Istilah “jaringan sensor nirkabel” (WSN) yang sudah ada menunjukkan kelas baru sistem nirkabel, yang merupakan jaringan elemen individu yang terdistribusi, terorganisir sendiri, dan tahan kegagalan perangkat elektronik dengan pasokan listrik otonom. Node cerdas dari jaringan semacam itu mampu menyampaikan pesan di sepanjang rantai, menyediakan area jangkauan sistem yang signifikan dengan daya pemancar yang rendah dan, oleh karena itu, efisiensi energi sistem yang tinggi.

Saat ini, banyak perhatian diberikan pada organisasi pemantauan otomatis wilayah untuk memperoleh informasi operasional tentang keberadaan penyusup, pergerakannya, dan tindakan tidak sah di wilayah yang berdekatan dengan fasilitas penting (nuklir, pemerintah, militer), hingga negara. perbatasan, atau terletak di wilayah unit pengintai tanggung jawab (memantau garis depan dan komunikasi belakang musuh). Untuk memecahkan masalah ini secara rasional, perlu menggunakan sarana teknis dan algoritma generasi baru yang secara fundamental berbeda dari yang digunakan saat ini. Arah yang paling menjanjikan di bidang ini adalah penciptaan jaringan sensor nirkabel. Mereka memungkinkan untuk memberikan pemantauan total yang ditargetkan pada area yang luas.

Terkait dengan sistem keamanan objek, WSN harus mendeteksi dan mengklasifikasikan penyusup, menentukan koordinat, dan memprediksi lintasan pergerakannya. Dengan memiliki intelijen terdistribusi, sistem secara mandiri memastikan perubahan arah arus informasi, misalnya, melewati node yang gagal atau tidak berfungsi untuk sementara, dan mengatur transmisi informasi yang andal ke seluruh wilayah yang dikendalikan dan ke titik pusat.

Yang juga menjanjikan adalah WSN di mana transceiver dari setiap sensor sebenarnya akan menjadi sensor pendeteksi objek (efek penurunan level pembawa di saluran radio karena kemunculan suatu objek di area jangkauan jaringan).

Untuk memastikan keandalan yang tinggi dan perlindungan informasi yang dikirimkan, WSN harus mengembangkan protokol radionya sendiri yang tahan terhadap perubahan karakteristik saluran komunikasi, gangguan radio, intersepsi, dan peniruan data. Dalam hal ini, disarankan untuk menggunakan teknologi spektrum tersebar - metode DSSS (direct sequence sequence) dan FHSS (frekuensi hopping).

Adapun mekanisme untuk mengakses media transmisi data, terdapat persyaratan yang saling eksklusif untuk efisiensi energi sistem yang tinggi dan penundaan waktu minimal untuk propagasi data di WSN. Menggunakan CSMA/CA (akses beberapa media pembawa dan penghindaran tabrakan) sebagai algoritme dasar memiliki kelemahan - perangkat jaringan harus berada dalam mode mendengarkan secara konstan, yang menyebabkan peningkatan konsumsi daya. Dalam jaringan yang sepenuhnya asinkron, algoritma ini tidak efektif.

Algoritma yang paling tepat dalam situasi ini adalah algoritma CSMA/CA “slotted”, yang menggabungkan prinsip akses tersinkronisasi (pembagian waktu TDMA) dan akses atas dasar kompetitif.

Di antara standar terbuka di bidang jaringan sensor nirkabel, hingga saat ini hanya standar ZigBee yang telah diratifikasi, berdasarkan standar 802.15.4 yang diadopsi sebelumnya, yang menjelaskan lapisan fisik (PHY) dan lapisan akses media (MAC) untuk perangkat pribadi nirkabel. jaringan (WPAN). Teknologi ini awalnya dikembangkan untuk tugas-tugas yang tidak memerlukan kecepatan transfer informasi yang tinggi. Perangkat jaringan tersebut harus semurah mungkin, dengan konsumsi energi yang sangat rendah.

Di antara kelebihan yang tidak diragukan lagi dari solusi ZigBee, kerugian yang signifikan juga harus diperhatikan. Misalnya, kehadiran tiga kelas perangkat yang berbeda (koordinator, router, dan perangkat akhir) secara signifikan mengurangi toleransi kesalahan jaringan jika terjadi kegagalan pada masing-masing elemennya. Selain itu, konstruksi seperti itu memerlukan perencanaan penempatan perangkat pada tahap desain sistem; oleh karena itu, ketahanan jaringan terhadap perubahan topologi berkurang tajam.

Jaringan mesh bebas dari semua kelemahan ini - jaringan peer-to-peer multi-sel di mana setiap node dapat menyampaikan paket selama pengiriman. Node-node jaringan tersebut sama dan dapat dipertukarkan - sebagai hasilnya, skalabilitas sistem meningkat dan toleransi kesalahannya meningkat.

Jaringan sensor nirkabel dari sistem keamanan harus memantau area seluas mungkin. Dalam hal ini, salah satu persyaratan utama untuk memilih basis elemen untuk membuat saluran radio antara masing-masing node jaringan adalah jangkauan komunikasi maksimum. Beroperasi pada rentang frekuensi 433 MHz (terbuka untuk penggunaan gratis di Rusia) memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan beroperasi pada rentang gelombang mikro 2,4 GHz (di mana rangkaian utama perangkat ZigBee diproduksi). Jadi, pada rentang 433 MHz, jangkauan komunikasi yang andal beberapa kali lebih besar dibandingkan pada rentang 2,4 GHz, dengan daya pemancar yang sama. Selain itu, perangkat yang beroperasi pada pita 433 MHz memiliki ketahanan yang cukup baik terhadap hambatan jalur gelombang radio, seperti curah hujan, perubahan medan, pepohonan, dll. Gelombang radio 433 MHz merambat jauh lebih baik di ruang terbatas, seperti terowongan kereta bawah tanah. , jalan-jalan kota, dll. dibandingkan gelombang radio pada rentang 2,4 GHz. Keunggulan pita 2,4 GHz dalam kecepatan transfer data tidak terlalu penting dalam bidang teknologi keamanan, karena jumlah informasi yang dikirimkan biasanya tidak signifikan dan dibatasi hingga puluhan byte (kecuali telemetri).

Dengan demikian, pemilihan transceiver untuk node WSN keamanan objek akan dilakukan pada rentang 433 MHz. Transceiver harus memiliki efisiensi energi yang tinggi (tegangan suplai tidak lebih dari

3,3 V, konsumsi arus rendah), beroperasi pada kisaran suhu minus 40 ... +85 ° C.

Di antara banyak chip transceiver pita ISM, transceiver XE-MICS menempati tempat khusus. Dua sirkuit mikro dari perusahaan ini cocok untuk digunakan dalam jaringan sensor nirkabel: XE1203F dan

Ini adalah transceiver setengah dupleks chip tunggal terintegrasi, dibuat menggunakan skema konversi langsung (Zero-IF), menyediakan penguncian pergeseran frekuensi 2 tingkat tanpa jeda fase (CPFSK) dan pengkodean NRZ. Dengan demikian, jenis modulasi pembawa yang diterapkan pada transceiver XEMICS memungkinkan penggunaan pita frekuensi operasi secara rasional.

Yang umum pada transceiver XE1203F dan XE1205F adalah konsumsi daya yang sangat rendah: pengoperasian dalam kisaran tegangan suplai 2,4...3,6 V, arus konsumsi:

0,2 μA dalam mode tidur;

14 mA dalam mode penerimaan;

62 mA dalam mode transmisi (+15 dBm).

Pita frekuensi pengoperasian: 433-435 MHz. Kisaran suhu: minus 40. +85°С. Penerima Transi

vers identik satu sama lain dan dibangun menurut sirkuit dengan konversi frekuensi langsung. Di dalam modul ini terdapat synthesizer frekuensi bawaan berdasarkan loop PLL sigma-delta dengan langkah 500 Hz.

Penerima memiliki indikator RSSI (Indikator Kekuatan Sinyal yang Diterima), yang dikombinasikan dengan kemampuan memprogram daya keluaran, memungkinkan penerapan gagasan manajemen daya adaptif. Transceiver mencakup perangkat kontrol frekuensi FEI (Frequency Error Indicator), yang memungkinkan Anda memperoleh informasi tentang offset frekuensi osilator lokal penerima dan mengatur kontrol frekuensi otomatis.

Transceiver juga memiliki fungsi pengenalan pola, berkat transceiver yang dapat mendeteksi kata yang ditentukan perangkat lunak (hingga 4 byte) dalam aliran data yang diterima. Fitur terakhir dapat digunakan untuk mengidentifikasi modul di WSN, yang akan mengurangi jumlah byte layanan dalam paket yang dikirimkan.

Perbedaan utama antara kedua modul terlihat pada penggunaan metode perluasan spektrum yang berbeda.

Transceiver XE1203F memiliki blok perangkat keras Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Saat mode DSSS diaktifkan, setiap bit data dikodekan dengan kode Barker 11-bit: 101 1011 1000 atau 0x5B8h. Fungsi autokorelasi kode Barker memiliki puncak autokorelasi yang jelas.

Berbeda dengan XE1203F, transceiver XE1205F (dan modul DP1205F berdasarkan itu) adalah perangkat pita sempit. Nilai filter bandpass internal terkecil yang dapat diatur dengan register konfigurasi 2-bit adalah 10 kHz (menggunakan khusus pengaturan tambahan, nilai ini bahkan dapat dikurangi hingga 7 kHz!). Jumlah saluran yang mungkin dalam kasus ini

Kemampuan ini memungkinkan XE1205F digunakan untuk aplikasi pita sempit tertentu. Penyempitan bandwidth dapat digunakan jika kecepatan data dan deviasi frekuensi masing-masing tidak melebihi 4800 bit dan 5 kHz, dan asalkan frekuensi clock osilator referensi distabilkan oleh resonator dengan stabilitas tinggi, atau digunakan koreksi frekuensi.

Transceiver menggunakan buffer FIFO 16-byte untuk menyimpan byte data yang dikirim atau diterima. Byte data dikirim dan diterima dari buffer FIFO melalui antarmuka serial SPI 3-kabel standar eksternal.

Pita sempit, serta waktu pemulihan pemancar yang singkat saat berpindah antar saluran (~150 s), memungkinkan penggunaan transceiver XE1205F untuk membangun sistem radio menggunakan metode frekuensi hopping (FHSS). Metode frekuensi hopping menyiratkan bahwa seluruh pita frekuensi operasi yang dialokasikan untuk transmisi dibagi menjadi sejumlah saluran frekuensi tertentu. Lompatan dari saluran ke saluran terjadi secara serempak dalam urutan tertentu (misalnya linier atau pseudo-acak).

Keuntungan lain dari transceiver XE1205F adalah sensitivitas penerima unik di kelasnya sebesar -121 dBm.

Sedangkan untuk kecepatan transfer data, kemampuan modul XE1203F saat menggunakan codec Barker tampaknya tidak mencukupi bahkan untuk sistem keamanan - hanya 1,154 kBit. Indikator ini tidak memungkinkan diterapkannya WSN yang hemat energi, karena waktu tidur yang disediakan oleh protokol CSMA/CA akan terlalu singkat.

Transceiver node jaringan sensor nirkabel untuk keamanan objek harus menyediakan kemampuan untuk:

pembuatan jaringan mesh dengan jangkauan yang lebih luas;

implementasi di tingkat fisik - teknologi perluasan spektrum FHSS;

implementasi pada tingkat akses menengah - CSMA/CA “slotted” dengan sinkronisasi akses.

Berdasarkan penjelasan di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa lebih baik menggunakan modul transceiver XE1205F untuk mengatur level fisik dan MAC jaringan sensor nirkabel untuk keamanan objek.

LITERATUR

1. Varaguzin V. Jaringan radio untuk mengumpulkan data dari sensor, pemantauan dan kontrol berdasarkan standar IEEE 802.15.4 // TeleMultiMedia. - 2005.-№6.- S23-27. - www.telemultimedia.ru

2. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I., Portnoy S.L., Shakhnovich I.V. Jaringan transmisi informasi nirkabel broadband. - M.: Tekhnosphere, 2005 - 592 hal.

3. Baskakov S., Oganov V. Jaringan sensor nirkabel berdasarkan platform MeshLogic™ // Electronic

komponen. - 2006. - Nomor 8. - Hal.65-69.

4. Goryunov G. Pemancar gelombang mikro terintegrasi XE1203. // Dunia komponen elektronik. - 2004. - No.1. -