Storia e ambito di utilizzo

Uno dei primi prototipi di una rete di sensori può essere considerato il sistema SOSUS, progettato per rilevare e identificare i sottomarini. Le tecnologie di rete di sensori wireless hanno iniziato a svilupparsi attivamente relativamente di recente, a metà degli anni '90. Tuttavia, solo all'inizio del 21° secolo lo sviluppo della microelettronica ha reso possibile la produzione di basi elementari sufficientemente economiche per tali dispositivi. Moderno reti senza fili basato principalmente sullo standard ZigBee. Un numero considerevole di industrie e segmenti di mercato (produzione, vari tipi trasporti, supporto vitale, sicurezza), pronti per l’implementazione di reti di sensori, e questo numero è in costante aumento. Questa tendenza è dovuta alla crescente complessità dei processi tecnologici, allo sviluppo della produzione e alle crescenti esigenze degli individui nei segmenti della sicurezza, del controllo delle risorse e dell’utilizzo delle scorte. Con lo sviluppo delle tecnologie dei semiconduttori sorgono nuovi compiti pratici e problemi teorici legati alle applicazioni delle reti di sensori nell'industria, nell'edilizia abitativa, nei servizi comunali e nelle economie domestiche. L'uso di dispositivi economici per il monitoraggio dei parametri basati su sensori wireless apre nuove aree per l'uso di sistemi di telemetria e controllo, come ad esempio:

• Identificazione tempestiva di possibili guasti agli attuatori monitorando parametri quali vibrazioni, temperatura, pressione, ecc.;
• Controllo degli accessi in tempo reale a sistemi remoti oggetto di monitoraggio;
• Automazione di ispezione e manutenzione asset industriali;
• Gestione delle risorse commerciali;
• Applicazione come componenti nelle tecnologie di risparmio energetico e di risorse;
• Monitoraggio parametri eco-ambientali.

Va notato che, nonostante la lunga storia delle reti di sensori, il concetto di costruzione di una rete di sensori non ha ancora preso forma e non è stato espresso in specifiche soluzioni software e hardware (piattaforma). L'implementazione delle reti di sensori nella fase attuale dipende in gran parte dai requisiti specifici del compito industriale. L'architettura, l'implementazione del software e dell'hardware si trovano nella fase di intensa formazione tecnologica, che attira l'attenzione degli sviluppatori al fine di trovare una nicchia tecnologica per i futuri produttori.

Tecnologie

Le reti di sensori wireless (WSN) sono costituite da dispositivi informatici in miniatura: mote, dotati di sensori (temperatura, pressione, luce, livello di vibrazione, sensori di posizione, ecc.) e ricetrasmettitori di segnali che operano in un determinato raggio radio. Architettura flessibile e costi di installazione ridotti distinguono le reti wireless di sensori intelligenti dalle altre interfacce di trasferimento dati wireless e cablate, soprattutto quando si tratta di un gran numero di dispositivi interconnessi; una rete di sensori consente di connettere fino a 65.000 dispositivi; La costante riduzione dei costi delle soluzioni wireless e l'aumento dei loro parametri operativi consentono di riorientarsi gradualmente dalle soluzioni cablate ai sistemi di raccolta dati telemetrici, strumenti diagnostici remoti e scambio di informazioni. "Rete di sensori" è oggi un termine ben consolidato. Reti di sensori), che denota una rete distribuita, auto-organizzante, resistente al guasto dei singoli elementi di dispositivi esenti da manutenzione che non richiedono un'installazione speciale. Ogni nodo della rete di sensori può contenere vari sensori per il monitoraggio dell'ambiente esterno, un microcomputer e un ricetrasmettitore radio. Ciò consente al dispositivo di effettuare misurazioni, effettuare autonomamente l'elaborazione iniziale dei dati e mantenere la comunicazione con un sistema informativo esterno.

802.15.4/ZigBee trasmette la tecnologia radio a corto raggio nota come Sensor Networks. WSN - Rete di sensori wireless), è uno dei tendenze moderne sviluppo di sistemi distribuiti auto-organizzati e tolleranti ai guasti per il monitoraggio e la gestione di risorse e processi. Oggi, la tecnologia delle reti di sensori wireless è l'unica tecnologia wireless che può essere utilizzata per risolvere compiti di monitoraggio e controllo critici per il tempo di funzionamento dei sensori. I sensori integrati in una rete di sensori wireless formano un sistema auto-organizzato geograficamente distribuito per la raccolta, l'elaborazione e la trasmissione delle informazioni. L'area di applicazione principale è il controllo e il monitoraggio dei parametri misurati di ambienti e oggetti fisici.

• percorso radio;
• modulo processore;
• batteria;
• vari sensori.

Un nodo tipico può essere rappresentato da tre tipologie di dispositivi:

• Coordinatore di Rete (FFD - Fully Function Device);
  • effettua il coordinamento globale, l'organizzazione e l'installazione dei parametri di rete;
  • il più complesso dei tre tipi di dispositivi, che richiede la maggiore quantità di memoria e alimentazione;

• Dispositivo con un set completo di funzioni (FFD - Fully Function Device);
  • supporto 802.15.4;
  • memoria aggiuntiva e consumo energetico consentono di fungere da coordinatore di rete;
  • supporto per tutti i tipi di topologie (“punto-punto”, “stella”, “albero”, “rete mesh”);
  • capacità di agire come coordinatore di rete;
  • la possibilità di accedere ad altri dispositivi sulla rete;
• (RFD - Dispositivo a Funzione Ridotta);
  • supporta funzionalità 802.15.4 limitate;
  • supporto per topologie punto-punto e a stella;
  • non svolge la funzione di coordinatore;
  • contatta il coordinatore di rete e il router;

Aziende sviluppatrici

Sul mercato esistono diverse tipologie di aziende:

Note

Fondazione Wikimedia.

2010.

Scopri cosa sono le "reti di sensori wireless" in altri dizionari:

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Reti di sensori wireless: una panoramica

Akuldiz I.F.

Traduzione dall'inglese: Levzhinsky A.S.

Annotazione

L'articolo descrive i concetti delle reti di sensori, la cui implementazione è diventata possibile grazie alla combinazione di sistemi microelettromeccanici, comunicazioni wireless ed elettronica digitale. Sono stati studiati i compiti e le potenzialità delle reti di sensori ed è stato effettuato un esame dei fatti che ne influenzano lo sviluppo. Vengono inoltre presi in considerazione l'architettura della costruzione di reti di sensori, gli algoritmi e i protocolli sviluppati per ciascun livello dell'architettura. L'articolo esplora le questioni relative all'implementazione delle reti di sensori.

1. Introduzione

I recenti progressi nelle tecnologie dei sistemi microelettromeccanici (MEMS), nelle comunicazioni wireless e nell'elettronica digitale hanno consentito la creazione di moti a basso costo, a basso consumo e ricchi di funzionalità che sono piccoli e comunicano direttamente tra loro. Reti di sensori collaborativi gran numero minuscoli nodi costituiti da moduli di raccolta ed elaborazione dati, un trasmettitore. Tali reti presentano vantaggi significativi rispetto a una serie di sensori tradizionali. Eccone due caratteristiche chiave sensori tradizionali: i sensori possono essere posizionati lontano dal fenomeno osservato. Questo approccio richiede molti sensori che utilizzano alcune tecniche sofisticate per individuare i bersagli dal rumore.
È possibile implementare più sensori che raccolgono solo dati. Progettare attentamente le posizioni e la topologia dei sensori. Trasmetteranno le osservazioni ai nodi centrali, dove verranno effettuate la raccolta e l'elaborazione dei dati.
Una rete di sensori è costituita da un gran numero di nodi (mote) densamente posizionati vicino al fenomeno osservato. Non è necessario precalcolare la posizione dei motori. Ciò consente loro di essere schierati in modo casuale in aree difficili da raggiungere o utilizzati per operazioni di soccorso che richiedono una risposta rapida. D'altra parte, questo significa questo protocolli di rete e gli algoritmi per il funzionamento dei granelli devono avere la capacità di auto-organizzarsi. Un'altra caratteristica unica delle reti di sensori è la collaborazione dei singoli nodi. I mote sono dotati di un processore. Pertanto, invece di trasmettere i dati originali, possono elaborarli, eseguendo semplici calcoli e trasmettendo solo i dati necessari e parzialmente elaborati. Le funzionalità sopra descritte forniscono un'ampia gamma di applicazioni per le reti di sensori. Tali reti possono essere utilizzate in applicazioni sanitarie, militari e di sicurezza. Ad esempio, i dati fisiologici di un paziente possono essere monitorati a distanza da un medico. Ciò è conveniente sia per il paziente che per consentire al medico di comprendere la sua condizione attuale. Le reti di sensori possono essere utilizzate per rilevare agenti chimici estranei nell'aria e nell'acqua. Possono aiutare a determinare il tipo, la concentrazione e la posizione dei contaminanti. In sostanza, le reti di sensori consentono una migliore comprensione dell’ambiente. Partiamo dal presupposto che in futuro le reti di sensori wireless saranno parte integrante della nostra vita, più dei moderni personal computer.
L'implementazione di questi e altri progetti che richiedono l'uso di reti di sensori wireless richiede metodi speciali. Molti protocolli e algoritmi sono stati sviluppati per le tradizionali reti wireless ad hoc, quindi non sono adatti
caratteristiche uniche
e requisiti della rete di sensori. Ecco le differenze tra reti di sensori e reti peer-to-peer: il numero di nodi in una rete di sensori può essere diversi ordini di grandezza superiore al numero di nodi in una rete peer-to-peer.
I nodi sono densamente localizzati.
I nodi sono soggetti a guasti.
La topologia delle reti di sensori può cambiare frequentemente numero di identificazione(IN) a causa di grande quantità costi generali e un gran numero di sensori.
Poiché i nodi della rete sono densamente ubicati, i nodi vicini possono essere molto vicini tra loro. Pertanto, le comunicazioni multi-hop nelle reti di sensori consumeranno meno energia rispetto alle comunicazioni dirette. Inoltre, puoi utilizzare bassa potenza segnale dati, utile nella sorveglianza nascosta. Le comunicazioni multi-hop possono effettivamente superare alcune delle difficoltà nella propagazione del segnale a lunga distanza nelle comunicazioni wireless. Uno dei vincoli più importanti per i nodi è il basso consumo energetico. I granelli hanno fonti energetiche limitate. Quindi, mentre le reti tradizionali mirano a raggiungere alta qualità segnale, i protocolli di rete mote dovrebbero concentrarsi principalmente sul risparmio energetico. Devono disporre di meccanismi che diano all'utente la possibilità di prolungare la vita del mote riducendo la velocità di trasmissione o aumentando la latenza della trasmissione dei dati. Molti ricercatori sono attualmente coinvolti nello sviluppo di circuiti che soddisfino questi requisiti. In questo articolo esamineremo i protocolli e gli algoritmi attualmente esistenti per le reti di sensori. Il nostro obiettivo è fornire una migliore comprensione degli attuali problemi di ricerca in questo settore. Cercheremo anche di esplorare i vincoli di progettazione e di identificare gli strumenti che possono essere utilizzati per risolvere i problemi di progettazione.

L'articolo è organizzato come segue: nella seconda sezione si descrivono le potenzialità e l'utilità delle reti di sensori. Nella Sezione 3 discutiamo i fattori che influenzano la progettazione di tali reti. Considereremo uno studio dettagliato dei metodi esistenti in quest'area nella sezione 4. E lo riassumeremo nella sezione 5.

2. Applicazione di reti di sensori wireless
Le reti di sensori possono essere costituite da diversi tipi di sensori, come sismico, di campo magnetico, termico, infrarosso, acustico, che sono in grado di effettuare un'ampia varietà di misurazioni delle condizioni ambientali. Ad esempio, come:
temperatura,
umidità,
traffico automobilistico,
stato di fulmine,
pressione,
composizione del terreno,
livello di rumore,
la presenza o l'assenza di determinati oggetti,
carico meccanico
caratteristiche dinamiche come velocità, direzione e dimensione di un oggetto. connessione senza fili promettono molte nuove applicazioni per tali reti. Li abbiamo classificati in aree principali: applicazioni militari, ricerca ambientale, sanità, applicazioni domestiche e altre applicazioni commerciali. Ma è possibile espandere questa classificazione e aggiungere più categorie, come l’esplorazione spaziale, il trattamento chimico e i soccorsi in caso di calamità.

2.1. Applicazioni militari

Le reti di sensori wireless possono essere parte integrante dei sistemi militari di comando, comunicazione, intelligence, sorveglianza e posizionamento (C4ISRT). Rapidità di implementazione, auto-organizzazione e tolleranza ai guasti sono le caratteristiche delle reti di sensori che le rendono uno strumento promettente per la risoluzione dei problemi. Poiché le reti di sensori possono basarsi su un denso dispiegamento di nodi usa e getta ed economici, la distruzione di alcuni di essi durante le operazioni militari non influenzerà l’operazione militare tanto quanto la distruzione dei sensori tradizionali. Pertanto, l'uso delle reti di sensori è più adatto per le battaglie. Elenchiamo alcuni altri modi per utilizzare tali reti: monitoraggio delle armi e delle munizioni delle forze amiche, osservazione delle battaglie; orientamento geografico; valutazione dei danni derivanti dalle battaglie; rilevamento di attacchi nucleari, biologici e chimici. Le reti di sensori possono essere utilizzate anche per una ricognizione dettagliata una volta rilevati tali attacchi. Ad esempio, è possibile effettuare ricognizioni in caso di contaminazione da radiazioni senza esporre le persone alle radiazioni.

2.2. Applicazione ambientale

Alcuni dei settori dell'ecologia in cui vengono utilizzate le reti di sensori: monitoraggio dei movimenti di uccelli, piccoli animali e insetti; monitorare lo stato dell'ambiente al fine di identificarne l'impatto sulle colture e sul bestiame; irrigazione; monitoraggio della terra su larga scala ed esplorazione planetaria; rilevamento chimico/biologico; rilevamento di incendi boschivi; ricerche meteorologiche o geofisiche; rilevamento delle inondazioni; e ricerca sull'inquinamento. Rilevamento degli incendi boschivi: poiché i granelli possono essere strategicamente e densamente distribuiti in una foresta, possono trasmettere l'origine esatta di un incendio prima che questo diventi incontrollabile. Milioni di sensori possono essere implementati su base continuativa. Possono essere dotati di pannelli solari, poiché i nodi possono essere lasciati incustoditi per mesi o addirittura anni. I granelli lavoreranno insieme per eseguire compiti di rilevamento distribuiti e superare ostacoli come alberi e rocce che bloccano i sensori cablati. Mappatura dello stato biologico dell'ambiente: richiede approcci sofisticati per integrare le informazioni su scale temporali e spaziali. I progressi nella tecnologia del telerilevamento e nella raccolta automatizzata dei dati hanno ridotto significativamente i costi di ricerca. Il vantaggio di queste reti è che i nodi possono essere collegati a Internet, consentendo agli utenti remoti di controllare, monitorare e osservare l'ambiente. Sebbene i sensori satellitari e aerei siano utili per osservare una grande diversità, come la complessità spaziale delle specie vegetali dominanti, non consentono l’osservazione dei piccoli elementi che costituiscono la maggior parte di un ecosistema. Di conseguenza, è necessario implementare sul campo i nodi della rete di sensori wireless. Un esempio di applicazione è la compilazione di una mappa ambientale biologica di una riserva naturale nel sud della California. Tre siti sono coperti da una rete, ciascuno con 25-100 nodi, che vengono utilizzati per il monitoraggio continuo dell'ambiente. Rilevamento delle inondazioni: un esempio di rilevamento delle inondazioni è il sistema di allarme negli Stati Uniti. Diversi tipi di sensori posizionati nel sistema di allarme rilevano precipitazioni, livelli dell'acqua e condizioni meteorologiche. Progetti di ricerca come il COUGAR Device Database Project presso la Cornell University e il DataSpace Project presso la Rutgers University stanno esplorando diversi approcci all'interazione con i singoli nodi su una rete per ottenere istantanee e dati a lungo termine. Agricoltura: le reti di sensori hanno anche il vantaggio di essere in grado di monitorare in tempo reale i livelli di pesticidi nell’acqua, i livelli di erosione del suolo e i livelli di inquinamento atmosferico.

2.3. Applicazione in medicina

Un'applicazione in medicina sono i dispositivi per disabili; monitoraggio dei pazienti; diagnostica; monitorare l'uso dei farmaci negli ospedali; raccolta di dati fisiologici umani; e monitorare medici e pazienti negli ospedali. Monitoraggio fisiologico umano: i dati fisiologici raccolti dalle reti di sensori possono essere archiviati per lunghi periodi di tempo e possono essere utilizzati per la ricerca medica. I nodi di rete installati possono anche monitorare i movimenti delle persone anziane e, ad esempio, prevenire le cadute. Questi linfonodi sono piccoli e garantiscono al paziente una maggiore libertà di movimento, consentendo allo stesso tempo ai medici di identificare in anticipo i sintomi della malattia. Inoltre, aiutano a garantire una vita più confortevole ai pazienti rispetto alle cure ospedaliere. Per testare la possibilità di un tale sistema, è stata creata una “Healthy Smart Home” presso la Facoltà di Medicina di Grenoble, in Francia. . Monitoraggio medici e pazienti in ospedale: ogni paziente ha un nodo di rete piccolo e leggero. Ogni nodo ha il suo compito specifico. Ad esempio, uno può monitorare la frequenza cardiaca mentre l'altro rileva le letture della pressione sanguigna. Anche i medici possono avere un nodo del genere, consentirà ad altri medici di trovarli in ospedale. Monitoraggio dei farmaci negli ospedali: è possibile collegare dei nodi ai farmaci, quindi le possibilità di dispensare il farmaco sbagliato possono essere ridotte al minimo. Pertanto, i pazienti avranno nodi che determinano le loro allergie e i farmaci necessari. I sistemi computerizzati descritti in hanno dimostrato di poter contribuire a ridurre al minimo gli effetti collaterali derivanti da un'errata dispensazione dei farmaci.

2.4. Uso domestico

Domotica: i nodi intelligenti possono essere integrati in elettrodomestici come aspirapolvere, forni a microonde, frigoriferi e videoregistratori. Possono comunicare tra loro e con la rete esterna tramite Internet o satellite. Ciò consentirà agli utenti finali di gestire facilmente i dispositivi a casa, sia localmente che da remoto. Ambiente intelligente: la progettazione di un ambiente intelligente può avere due approcci diversi, ovvero centrato sull'uomo o centrato sulla tecnologia. Nel caso del primo approccio, l’ambiente intelligente deve adattarsi alle esigenze degli utenti finali in termini di interazione con loro. Per i sistemi incentrati sulla tecnologia, è necessario sviluppare nuove tecnologie hardware, soluzioni di rete e applicazioni middleware. Esempi di come i nodi possono essere utilizzati per creare un ambiente intelligente sono descritti in. I nodi possono essere integrati in mobili ed elettrodomestici, possono comunicare tra loro e con il server di sala. Un server di sala può anche comunicare con altri server di sala per conoscere i servizi che possono offrire, come stampa, scansione e fax. Questi server e nodi sensori possono essere integrati in dispositivi embedded esistenti e costituiscono sistemi auto-organizzanti, auto-regolanti e adattivi basati sul modello della teoria del controllo come descritto nel Rif.

3. Fattori che influenzano lo sviluppo di modelli di reti di sensori.

La progettazione delle reti di sensori dipende da molti fattori, tra cui tolleranza ai guasti, scalabilità, costi di produzione, tipo di ambiente operativo, topologia della rete di sensori, limitazioni hardware, modello di comunicazione e consumo energetico. Questi fattori sono considerati da molti ricercatori. Tuttavia, nessuno di questi studi ha preso pienamente in considerazione tutti i fattori che influenzano la progettazione della rete. Sono importanti perché servono come linea guida per lo sviluppo del protocollo o degli algoritmi per le reti di sensori. Inoltre, questi fattori possono essere utilizzati per confrontare diversi modelli.

3.1. Tolleranza ai guasti

Alcuni nodi potrebbero guastarsi a causa della mancanza di alimentazione, di danni fisici o di interferenze di terze parti. Il guasto del nodo non dovrebbe influenzare il funzionamento della rete di sensori. Questa è una questione di affidabilità e tolleranza agli errori. Tolleranza ai guasti: la capacità di mantenere la funzionalità di una rete di sensori senza guasti se un nodo fallisce. L'affidabilità Rk(t) o tolleranza ai guasti di un nodo è modellata utilizzando una distribuzione di Poisson per determinare la probabilità che nessun nodo si guasti nel periodo di tempo (0; t). Vale la pena prestare attenzione al fatto che protocolli e algoritmi possono essere orientati al livello di tolleranza ai guasti richiesto per la costruzione di reti di sensori. Se l’ambiente in cui si trovano i nodi è meno suscettibile alle interferenze, i protocolli potrebbero essere meno resilienti. Ad esempio, se i nodi sono integrati in una casa per monitorare i livelli di umidità e temperatura, i requisiti per la tolleranza ai guasti potrebbero essere bassi, poiché questo tipo di reti di sensori non possono guastarsi e il “rumore” ambientale non influisce sul loro funzionamento. D’altra parte, se i nodi vengono utilizzati sul campo di battaglia per la sorveglianza, la resilienza deve essere elevata poiché la sorveglianza è fondamentale e i nodi potrebbero essere distrutti durante le operazioni militari. Di conseguenza, il livello di tolleranza ai guasti dipende dall'applicazione delle reti di sensori e i modelli devono essere progettati tenendo presente questo aspetto.

3.2. Scalabilità

Il numero di nodi utilizzati per studiare un fenomeno può essere dell'ordine di centinaia o migliaia. A seconda dell'applicazione, il numero può raggiungere valori estremi (milioni). I nuovi modelli dovrebbero essere in grado di gestire questo numero di nodi. Devono inoltre utilizzare reti di sensori ad alta densità, che possono variare da pochi nodi a diverse centinaia in un’area che può avere un diametro inferiore a 10 m. La densità può essere calcolata in base a

3.3. Costi di produzione

Poiché le reti di sensori sono costituite da un gran numero di nodi, il costo di un nodo deve essere tale da giustificare il costo totale della rete. Se il costo della rete è superiore a quello dell’implementazione dei sensori tradizionali, ciò non è economicamente giustificato. Di conseguenza, il costo di ciascun nodo dovrebbe essere basso. Ora il costo di un nodo che utilizza un trasmettitore Bluetooth è inferiore a 10 dollari. Il prezzo per PicoNode è di circa $ 1. Pertanto, il costo di un nodo di una rete di sensori deve essere molto inferiore a 1 dollaro per rendere il loro utilizzo economicamente giustificabile. Il costo di un nodo Bluetooth, considerato un dispositivo economico, è 10 volte superiore al prezzo medio dei nodi di una rete di sensori. Si noti che il nodo dispone anche di alcuni moduli aggiuntivi, come un modulo di acquisizione dati e un modulo di elaborazione dati (descritti nella sezione 3.4.). Inoltre, possono essere dotati di un sistema di localizzazione o di un generatore di corrente a seconda dell'applicazione delle reti di sensori . Di conseguenza, il costo del nodo è un problema difficile, data la quantità di funzionalità anche a un prezzo inferiore a 1 dollaro.

3.4. Caratteristiche hardware

Un nodo di rete di sensori è costituito da quattro componenti principali, come mostrato in Fig. 1: unità di acquisizione dati, unità di elaborazione, trasmettitore e alimentatore. La disponibilità di moduli aggiuntivi dipende dall'applicazione delle reti, ad esempio potrebbero esserci moduli di localizzazione, un generatore di corrente e un mobilizzatore (MAC). Il modulo di acquisizione dati è solitamente composto da due parti: sensori e convertitori analogico-digitali (ADC). Il segnale analogico generato dal sensore in base al fenomeno osservato viene convertito in un segnale digitale utilizzando un ADC e quindi alimentato all'unità di elaborazione. Il modulo di elaborazione, che utilizza la memoria integrata, gestisce procedure che gli consentono di collaborare con altri nodi per eseguire compiti di monitoraggio assegnati. L'unità trasmittente (ricetrasmettitore) collega il nodo alla rete. Uno dei componenti più importanti del nodo è l'alimentatore. L'alimentatore può essere ricaricato, ad esempio, utilizzando i pannelli solari.

La maggior parte dei nodi che trasmettono e raccolgono dati devono conoscere la propria posizione con elevata precisione. Pertanto, nello schema generale è incluso un modulo per la determinazione della posizione. A volte può essere necessario un mobilitatore per spostare l'unità secondo necessità per eseguire i compiti assegnati. Potrebbe essere necessario alloggiare tutti questi moduli in un contenitore delle dimensioni di una scatola di fiammiferi. La dimensione del nodo può essere inferiore a un centimetro cubo ed è abbastanza leggero da rimanere in aria. Oltre alle dimensioni, ci sono altre rigide restrizioni sui nodi. Devono:
consumano pochissima energia,
lavorare con un gran numero di nodi a brevi distanze,
hanno bassi costi di produzione
essere autonomo e lavorare senza supervisione,
adattarsi all'ambiente.
Poiché i nodi possono non essere più disponibili, la durata di una rete di sensori dipende dall'alimentazione dei singoli nodi. Il cibo è una risorsa limitata e a causa delle restrizioni sulle dimensioni. Ad esempio, la riserva energetica totale di uno smart node è di circa 1 J. Per la rete wireless integrata di sensori (WINS), il livello di carica medio deve essere inferiore a 30 LA per garantire un lungo tempo di funzionamento. È possibile prolungare la vita delle reti di sensori utilizzando batterie ricaricabili, ad esempio ricavando energia dall'ambiente. I pannelli solari sono un ottimo esempio dell’uso della ricarica. Il modulo dati del nodo può essere un dispositivo ottico passivo o attivo, come in uno smart node, o un trasmettitore a radiofrequenza (RF). La trasmissione RF richiede un modulo di modulazione che utilizza una determinata larghezza di banda, un modulo di filtraggio e demodulazione, il che li rende più complessi e costosi. Inoltre possono verificarsi perdite nella trasmissione dei dati tra due nodi a causa del fatto che le antenne sono posizionate vicino al suolo. Tuttavia, la comunicazione radio è preferita nella maggior parte dei progetti di reti di sensori esistenti perché le frequenze di trasmissione dei dati sono basse (tipicamente inferiori a 1 Hz) e le velocità del ciclo di trasmissione sono elevate a causa delle brevi distanze. Queste caratteristiche consentono l'uso di frequenze radio basse. Tuttavia, la progettazione di trasmettitori radio a bassa frequenza e ad alta efficienza energetica è ancora una sfida tecnica tecnologie esistenti, utilizzati nella produzione di dispositivi Bluetooth, non sono sufficientemente efficienti per le reti di sensori perché consumano molta energia. Sebbene i processori diventino sempre più piccoli e potenti, l’elaborazione e l’archiviazione del nodo rappresentano ancora il suo punto debole. Ad esempio, il modulo di elaborazione smart node è composto da un processore Atmel AVR8535 da 4 MHz, un microcontrollore con 8 KB di istruzioni, memoria flash, 512 byte di RAM e 512 byte di EEPROM. In questo modulo, che ha 3500 byte per il sistema operativo e 4500 byte memoria libera per il codice viene utilizzato il sistema operativo TinyOS. Il modulo di elaborazione di un altro prototipo di nodo lAMPS ha un processore SA-1110 da 59-206 MHz. I nodi IAMPS utilizzano il sistema operativo L-OS multi-thread. La maggior parte delle attività di raccolta dati richiedono la conoscenza della posizione del nodo. Poiché i nodi vengono generalmente localizzati in modo casuale e senza supervisione, devono cooperare utilizzando un sistema di localizzazione. Il rilevamento della posizione viene utilizzato in molti protocolli di routing di reti di sensori (maggiori dettagli nella Sezione 4). Alcuni propongono che ogni nodo debba avere un modulo del sistema di posizionamento globale (GPS) che operi con una precisione fino a 5 metri. Il documento sostiene che dotare tutti i nodi di GPS non è necessario affinché le reti di sensori funzionino. Esiste un approccio alternativo, in cui solo alcuni nodi utilizzano il GPS e aiutano altri nodi a determinare la loro posizione sul terreno.

3.5. Topologia di rete

Il fatto che i nodi possano diventare non disponibili e soggetti a frequenti guasti rende la manutenzione della rete un compito impegnativo. Sul territorio di una rete di sensori possono essere localizzati da centinaia a diverse migliaia di nodi. Si schierano a dieci metri l'uno dall'altro. La densità dei nodi può essere superiore a 20 nodi per metro cubo. La posizione densa di molti nodi richiede un'attenta manutenzione della rete. Considereremo le questioni relative al mantenimento e alla modifica della topologia della rete in tre fasi:

3.5.1. La pre-distribuzione e la distribuzione dei nodi stessi possono consistere in una massiccia dispersione di nodi o nell'installazione di ciascuno separatamente. Possono essere espansi:

Sparsi da un aereo,
inserendolo in un razzo o un proiettile
lanciato con una catapulta (ad esempio da una nave, ecc.),
ubicazione dell'impianto
ogni nodo viene posizionato individualmente da una persona o un robot.
Sebbene l’enorme numero di sensori e la loro implementazione automatica di solito impediscano il posizionamento secondo un piano attentamente progettato, i progetti per l’implementazione iniziale dovrebbero:
ridurre i costi di installazione,
eliminare la necessità di qualsiasi pre-organizzazione e pianificazione preliminare,
aumentare la flessibilità di posizionamento,
promuovere l’auto-organizzazione e la tolleranza agli errori.

3.5.2. Fase post-distribuzione

Dopo che la rete è stata implementata, un cambiamento nella sua topologia è associato a un cambiamento nelle caratteristiche dei nodi. Li elenchiamo:
posizione,
accessibilità (a causa di interferenze, rumore, ostacoli in movimento, ecc.),
carica della batteria,
malfunzionamenti
variazione dei compiti assegnati.
I nodi possono essere espansi staticamente. Tuttavia, il guasto del dispositivo è comune a causa dell'esaurimento o della distruzione della batteria. Sono possibili reti di sensori con elevata mobilità dei nodi. Inoltre, i nodi e le reti svolgono compiti diversi e possono essere soggetti a interferenze intenzionali. Pertanto, la struttura di una rete di sensori è soggetta a frequenti cambiamenti dopo l’implementazione.

3.5.3. Fase di distribuzione dei nodi aggiuntivi

È possibile aggiungere ulteriori nodi in qualsiasi momento per sostituire nodi difettosi o a causa di modifiche delle attività. L'aggiunta di nuovi nodi crea la necessità di riorganizzare la rete. Affrontare frequenti cambiamenti nella topologia di una rete peer-to-peer, che contiene molti nodi e ha restrizioni molto rigide sul consumo energetico, richiede protocolli di instradamento speciali. Questo problema è discusso più dettagliatamente nella sezione 4.

3.6. Ambiente

I nodi sono densamente localizzati molto vicini o direttamente all'interno del fenomeno osservato. Pertanto, operano incustoditi in aree geografiche remote. Possono funzionare
agli incroci trafficati,
all'interno di grandi macchine
in fondo all'oceano,
dentro un tornado,
sulla superficie dell'oceano durante un tornado,
in aree biologicamente e chimicamente contaminate
sul campo di battaglia,
in una casa o in un grande edificio,
in un grande magazzino,
attaccato agli animali
attaccati a veicoli in rapido movimento
in una fogna o in un fiume insieme a un corso d'acqua.
Questo elenco dà un'idea delle condizioni in cui i nodi possono operare. Possono operare ad alta pressione sul fondo dell'oceano, in ambienti difficili, tra i detriti o sul campo di battaglia, a temperature estreme, come nell'ugello di un motore di un aereo o nelle regioni artiche, in luoghi molto rumorosi dove ci sono molte interferenze.

3.7. Metodi di trasferimento dei dati

In una rete di sensori multi-hop, i nodi comunicano in modalità wireless. La comunicazione può essere effettuata tramite radio, infrarossi o mezzi ottici. Per poter utilizzare questi metodi a livello globale, il mezzo di trasmissione deve essere disponibile in tutto il mondo. Un'opzione radio è quella di utilizzare le bande industriali, scientifiche e mediche (ISM), disponibili senza licenza nella maggior parte dei paesi. Alcune delle tipologie di frequenze utilizzabili sono descritte nella Tabella Internazionale delle Frequenze contenuta nell'Articolo S5 del Regolamento Radio (Volume 1). Alcune di queste frequenze sono già utilizzate nella telefonia senza fili e senza fili reti locali(WLAN). Per reti di sensori di piccole dimensioni e a basso costo non è richiesto un amplificatore di segnale. Secondo , le limitazioni hardware e i compromessi tra efficienza dell'antenna e consumo energetico impongono alcune restrizioni sulla scelta della frequenza di trasmissione nella gamma di frequenze ultraelevate. Offrono anche ISM da 433 MHz in Europa e ISM da 915 MHz in Nord America. I possibili modelli di trasmettitori per queste due zone sono discussi in. I principali vantaggi dell'utilizzo delle frequenze radio ISM sono l'ampia gamma di frequenze e la disponibilità in tutto il mondo. Non sono vincolati a uno standard specifico, offrendo così una maggiore libertà di implementare strategie di risparmio energetico nelle reti di sensori. D'altro canto, esistono varie regole e restrizioni, come leggi diverse e interferenze da parte delle applicazioni esistenti. Queste bande di frequenza sono anche chiamate frequenze non regolamentate. La maggior parte delle attuali apparecchiature dei nodi si basa sull'uso di trasmettitori radio. I nodi wireless IAMPS descritti in utilizzano trasmettitori da 2,4 GHz compatibili con Bluetooth e dispongono di un sintetizzatore di frequenza integrato. La progettazione dei nodi a bassa potenza è descritta nel lavoro; utilizzano un canale di trasmissione radio, che opera ad una frequenza di 916 MHz. L'architettura WINS utilizza anche le comunicazioni radio. Un altro modo possibile la comunicazione nelle reti di sensori è la porta a infrarossi. La comunicazione a infrarossi è disponibile senza licenza ed è protetta dalle interferenze dei dispositivi elettrici. I trasmettitori IR sono più economici e più facili da produrre. Molti dei laptop, PDA e telefoni cellulari utilizzare un'interfaccia IR per trasmettere i dati. Lo svantaggio principale di tale comunicazione è la necessità di visibilità diretta tra mittente e destinatario. Ciò rende la comunicazione IR indesiderabile per l'uso in reti di sensori a causa del mezzo di trasmissione. Un metodo di trasmissione interessante viene utilizzato dagli smart node, che sono moduli per il monitoraggio automatico e l'elaborazione dei dati. Usano un mezzo ottico per la trasmissione. Esistono due schemi di trasmissione, passivo che utilizza un retroriflettore a cubo d'angolo (CCR) e attivo che utilizza un diodo laser e specchi controllati (discusso in ). Nel primo caso non è necessaria una sorgente luminosa integrata; per trasmettere il segnale viene utilizzata una configurazione di tre specchi (CCR). Il metodo attivo utilizza un diodo laser e un sistema di comunicazione laser attivo per inviare raggi luminosi al ricevitore previsto. I requisiti insoliti per le applicazioni delle reti di sensori rendono impegnativa la scelta dei mezzi di trasmissione. Ad esempio, le applicazioni marine richiedono l'uso di mezzi di trasmissione acquatici. Qui è necessario utilizzare radiazioni a onde lunghe che possano penetrare nella superficie dell'acqua. Su terreni difficili o sul campo di battaglia possono verificarsi errori e ulteriori interferenze. Inoltre, è possibile che le antenne dei nodi non abbiano l'altezza e la potenza di radiazione richieste per la comunicazione con altri dispositivi. Pertanto, la scelta del mezzo trasmissivo deve essere accompagnata da schemi di modulazione e codifica affidabili, che dipendono dalle caratteristiche del canale trasmissivo.

3.8. Consumo energetico

Un nodo wireless, essendo un dispositivo microelettronico, può essere dotato solo di un'alimentazione limitata (

3.8.1. Connessione

Un nodo spende la massima energia nella comunicazione, che implica sia la trasmissione che la ricezione dei dati. Possiamo dirlo per la comunicazione brevi distanze con una bassa potenza di radiazione, la trasmissione e la ricezione richiedono all'incirca la stessa quantità di energia. I sintetizzatori di frequenza, gli oscillatori a controllo di tensione, gli oscillatori ad aggancio di fase (PLL) e gli amplificatori di potenza richiedono tutti energia, le cui risorse sono limitate. È importante che in questo caso non si consideri solo la potenza attiva; si consideri anche il consumo di elettricità all'avvio dei trasmettitori. L'avvio del trasmettitore richiede una frazione di secondo, quindi consuma una quantità trascurabile di energia. Questo valore può essere paragonato al tempo di blocco del PLL. Tuttavia, man mano che il pacchetto trasmesso diminuisce, la potenza di trigger inizia a dominare il consumo di energia. Di conseguenza, è inefficace accendere e spegnere costantemente il trasmettitore, perché La maggior parte dell’energia sarà destinata a questo. Attualmente i trasmettitori radio a bassa potenza hanno valori standard Pt e Pr di 20 dBm e Pout prossimi a 0 dBm. Da notare che PicoRadio diretto al Pc è -20 dBm.

La progettazione di trasmettitori di piccole dimensioni e a basso costo è discussa nella fonte. Sulla base dei loro risultati, gli autori di questo articolo, tenendo conto delle stime di budget e consumo energetico, ritengono che i valori di Pt e Pr dovrebbero essere almeno un ordine di grandezza inferiori ai valori sopra indicati.

Il consumo energetico durante l'elaborazione dei dati è notevolmente inferiore rispetto alla trasmissione dei dati. L'esempio descritto nel lavoro illustra effettivamente questa discrepanza. Basandosi sulla teoria di Rayleigh secondo cui durante la trasmissione viene perso un quarto della potenza, si può concludere che il consumo di energia per trasmettere 1 KB su una distanza di 100 m sarebbe all'incirca uguale all'esecuzione di 3 milioni di istruzioni ad una velocità di 100 milioni di istruzioni al secondo (MIPS). )/W processore. Pertanto, l'elaborazione locale dei dati è fondamentale per ridurre al minimo il consumo energetico in una rete di sensori multi-hop. Pertanto, i nodi devono avere capacità informatiche integrate ed essere in grado di interagire con l’ambiente. Le limitazioni in termini di costi e dimensioni ci porteranno a selezionare i semiconduttori (CMOS) come tecnologia principale per i microprocessori. Sfortunatamente, hanno limitazioni sull’efficienza energetica. CMOS richiede alimentazione ogni volta che cambia stato. L'energia necessaria per cambiare stato è proporzionale alla frequenza di commutazione, alla capacità (a seconda della zona) e alle fluttuazioni di tensione. Pertanto, la riduzione della tensione di alimentazione è un mezzo efficace per ridurre il consumo energetico nello stato attivo. Il ridimensionamento dinamico della tensione, discusso in , cerca di adattare la potenza e la frequenza del processore in base al carico di lavoro. Quando il carico computazionale sul microprocessore viene ridotto, la semplice riduzione della frequenza dà una riduzione lineare del consumo energetico, tuttavia, la riduzione della tensione operativa ci dà una riduzione quadratica del consumo energetico. D'altra parte, non verranno utilizzate tutte le possibili prestazioni del processore. Ciò funzionerà se teniamo conto del fatto che non sempre sono richieste prestazioni di punta e quindi la tensione operativa e la frequenza del processore possono essere adattate dinamicamente ai requisiti di elaborazione. Gli autori propongono schemi di previsione del carico di lavoro basati sull'elaborazione adattiva dei profili di carico esistenti e sull'analisi di numerosi schemi già creati. Altre strategie per ridurre la potenza del processore sono discusse in .

Va notato che possono essere utilizzati circuiti aggiuntivi per codificare e decodificare i dati. In alcuni casi possono essere utilizzati anche circuiti integrati. In tutti questi scenari, la struttura della rete di sensori, gli algoritmi operativi e i protocolli dipendono dal corrispondente consumo energetico.

I nodi sono solitamente posizionati in modo casuale in tutta l'area di osservazione. Ognuno di essi può raccogliere dati e conosce il percorso per ritrasmettere i dati al nodo centrale, l'utente finale. I dati vengono trasmessi utilizzando l'architettura di rete multi-hop. Il nodo centrale può comunicare con il task manager tramite Internet o satellite. Lo stack di protocolli utilizzato dal nodo centrale e da tutti gli altri nodi è mostrato in Fig. 3. Lo stack di protocolli include informazioni sull'alimentazione e informazioni di routing, contiene informazioni sui protocolli di rete, aiuta a comunicare in modo efficiente sul mezzo wireless e facilita la collaborazione dei nodi. Lo stack di protocolli è costituito dal livello di applicazione, dal livello di trasporto, dal livello di rete, dal livello di collegamento dati, dal livello fisico, dal livello di gestione dell'alimentazione, dal livello di gestione della mobilità e dal livello di pianificazione delle attività. A seconda delle attività di raccolta dati, è possibile creare diversi tipi di software applicativo a livello di applicazione. Il livello di trasporto aiuta a mantenere il flusso di dati, se necessario. Il livello di rete fornisce l'instradamento dei dati forniti dal livello di trasporto. Poiché l'ambiente è rumoroso e i nodi possono muoversi, il protocollo MAC deve ridurre al minimo il verificarsi di collisioni durante la trasmissione di dati tra nodi vicini. Lo strato fisico è responsabile della capacità di trasmettere informazioni. Questi protocolli aiutano i nodi a eseguire attività risparmiando energia. Il livello di gestione dell'alimentazione determina come il nodo dovrebbe utilizzare l'energia. Ad esempio, un nodo può spegnere il ricevitore dopo aver ricevuto un messaggio da uno dei suoi vicini. Questo ti aiuterà a evitare di ricevere un messaggio duplicato. Inoltre, quando un nodo ha carica bassa batteria, trasmette l'informazione ai suoi vicini che non può partecipare all'instradamento dei messaggi. Utilizzerà tutta l'energia rimanente per raccogliere dati. Il livello di controllo della mobilità (MAC) rileva e registra il movimento dei nodi, quindi c'è sempre un percorso attraverso il quale i dati viaggiano verso il nodo centrale e i nodi possono determinare i loro vicini. E conoscendo i suoi vicini, un nodo può bilanciare il consumo energetico lavorando insieme a loro. Il task manager pianifica e pianifica la raccolta delle informazioni separatamente per ciascuna regione. Non tutti i nodi nella stessa regione sono necessari per eseguire attività di rilevamento contemporaneamente. Di conseguenza, alcuni nodi svolgono più compiti di altri, a seconda della loro potenza. Tutti questi livelli e moduli sono necessari affinché i nodi lavorino insieme e mirino alla massima efficienza energetica, ottimizzino il percorso di trasmissione dei dati nella rete e condividano anche le reciproche risorse. Senza di loro, ogni nodo funzionerà individualmente. Dal punto di vista dell'intera rete di sensori, è più efficiente se i nodi collaborano tra loro, il che aiuta a prolungare la vita della rete stessa. Prima di discutere la necessità di includere moduli e livelli di controllo nel protocollo, esamineremo tre lavori esistenti sullo stack del protocollo, mostrato nella Figura 3. Il modello WINS, discusso nel sorgente, in cui i nodi sono collegati in una rete distribuita e avere accesso a Internet. Poiché un gran numero di nodi della rete WINS si trovano a breve distanza l'uno dall'altro, le comunicazioni multi-hop riducono al minimo il consumo energetico. Le informazioni ambientali ricevute dal nodo vengono inoltrate sequenzialmente al nodo centrale o al gateway WINS attraverso altri nodi come mostrato nella Figura 2 per i nodi A, B, C, D ed E. Il gateway WINS comunica con l'utente attraverso normali protocolli di rete come Internet . Lo stack di protocolli di rete WINS è costituito da un livello di applicazione, un livello di rete, un livello MAC e un livello fisico. Nodi intelligenti (o mote). Questi nodi possono essere attaccati agli oggetti o addirittura fluttuare nell'aria a causa delle loro dimensioni e peso ridotti. Utilizzano la tecnologia MEMS per la comunicazione ottica e l'acquisizione dati. I motes possono avere pannelli solari per la ricarica durante il giorno. Richiedono una linea visiva per comunicare con la stazione base del trasmettitore ottico o altri punti. Confrontando l'architettura della rete mote con quella presentata nella Figura 2, possiamo dire che i nodi intelligenti, di regola, comunicano direttamente con il trasmettitore stazione base, ma è possibile anche la comunicazione uno a uno. Un altro approccio allo sviluppo di protocolli e algoritmi per le reti di sensori è guidato dai requisiti del livello fisico. Protocolli e algoritmi devono essere progettati in base alla scelta dei componenti fisici, come il tipo di microprocessori e il tipo di ricevitori. Questo approccio dal basso verso l'alto viene utilizzato nel modello IAMPS e considera anche la dipendenza del livello dell'applicazione, del livello di rete, del livello MAC e del livello fisico dall'hardware host. I nodi IAMPS interagiscono con l'utente finale nello stesso modo dell'architettura mostrata nella Figura 2. Vari schemi, come il canale a divisione di tempo (TDMA) o il canale a divisione di frequenza (FDMA) e la modulazione binaria o modulazione M vengono confrontati nel fonte. L'approccio dal basso verso l'alto significa che gli algoritmi del nodo devono conoscere l'hardware e utilizzare le capacità di microprocessori e trasmettitori per ridurre al minimo il consumo energetico. Ciò può portare allo sviluppo di diversi progetti di assemblaggio. E porteranno a diversi progetti di nodi vari tipi

reti di sensori. Il che a sua volta porterà allo sviluppo di vari algoritmi per il loro funzionamento.

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Le ultime tecnologie di comunicazione wireless e i progressi nel campo della produzione di microcircuiti hanno permesso negli ultimi anni di passare allo sviluppo pratico e all'implementazione di una nuova classe di sistemi di comunicazione distribuiti: le reti di sensori.

Le reti di sensori wireless sono costituite da dispositivi di calcolo e comunicazione in miniatura: mote ( dall'inglese granelli - granelli di polvere) o sensori. Un granello è una tavola di solito non più grande di un pollice cubo. La scheda ospita un processore, memoria flash e RAM, convertitori digitale-analogico e analogico-digitale, un ricetrasmettitore a radiofrequenza, un alimentatore e sensori. I sensori possono essere molto diversi; sono collegati tramite connettori digitali e analogici. I sensori più comunemente usati sono temperatura, pressione, umidità, illuminazione, vibrazione, meno spesso: magnetoelettrici, chimici (ad esempio, misurando il contenuto di CO, CO2), suono e alcuni altri. L'insieme dei sensori utilizzati dipende dalle funzioni svolte dalle reti di sensori wireless. La moto è alimentata da una piccola batteria. I granelli vengono utilizzati solo per la raccolta, l'elaborazione primaria e la trasmissione di dati sensoriali. Aspetto i motori prodotti da vari produttori sono mostrati in Fig. 1.

Il principale trattamento funzionale dei dati raccolti dai motes viene effettuato presso il nodo, o gateway, che è un equo computer potente. Ma per poter elaborare i dati, è necessario prima riceverli. A questo scopo l'unità deve essere dotata di un'antenna. Ma in ogni caso, solo i granelli che gli sono abbastanza vicini sono accessibili al nodo; in altre parole, il nodo non riceve informazioni direttamente da ciascun mote. Il problema di ottenere informazioni sensoriali raccolte dai granelli viene risolto come segue. I granelli possono scambiarsi informazioni tra loro utilizzando ricetrasmettitori radio. Si tratta, in primo luogo, delle informazioni sensoriali lette dai sensori e, in secondo luogo, delle informazioni sullo stato dei dispositivi e sui risultati del processo di trasferimento dei dati. Le informazioni vengono trasferite da un mote all'altro lungo la catena e, di conseguenza, i mote più vicini al gateway scaricano su di esso tutte le informazioni accumulate. Se alcuni dei mote si guastano, il funzionamento della rete di sensori deve continuare dopo la riconfigurazione. Ma in questo caso, naturalmente, il numero delle fonti di informazione diminuisce.

Per eseguire le funzioni, su ciascun mote è installato un sistema operativo specializzato. Attualmente, la maggior parte delle reti di sensori wireless utilizza TinyOS, un sistema operativo sviluppato presso l’Università di Berkeley. TinyOS è un software open source; è disponibile su: www.tinyos.net. TinyOS è un sistema operativo in tempo reale basato sugli eventi progettato per funzionare in ambienti con risorse limitate. Questo sistema operativo consente ai mote di stabilire automaticamente connessioni con i vicini e formare una rete di sensori di una determinata topologia. L'ultima versione, TinyOS 2.0, è apparsa nel 2006.

Il fattore più importante nel funzionamento delle reti di sensori wireless è la capacità limitata delle batterie installate sui mote. Tieni presente che spesso è impossibile sostituire le batterie. A questo proposito, è necessario eseguire solo la più semplice elaborazione primaria sui mote, volta a ridurre il volume delle informazioni trasmesse e, soprattutto, a ridurre al minimo il numero di cicli di ricezione e trasmissione dei dati. Per risolvere questo problema sono stati sviluppati speciali protocolli di comunicazione, i più famosi dei quali sono i protocolli dell'alleanza ZigBee. Questa alleanza (sito web www.zigbee.org) è stata creata nel 2002 appositamente per coordinare il lavoro nel campo delle reti di sensori wireless. Comprende i più grandi sviluppatori di hardware e software: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI e molti altri (più di 200 membri in totale). Intel Corporation non è membro dell'alleanza, sebbene ne sostenga le attività.

In linea di principio, per sviluppare lo standard, compreso lo stack di protocolli per le reti di sensori wireless, ZigBee ha utilizzato lo standard IEEE 802.15.4 precedentemente sviluppato, che descrive il livello fisico e il livello di accesso multimediale per reti dati wireless a corto raggio (fino a 75 m) con un basso consumo energetico, ma con un alto grado di affidabilità. Alcune caratteristiche della trasmissione dati radio per lo standard IEEE 802.15.4 sono riportate nella tabella. 1.

Tabella 1. Caratteristiche di trasmissione dati radio per IEEE 802.15.4

Banda di frequenza, MHz	Ho bisogno di una licenza	Regione geografica	Velocità di trasferimento dati, Kbit/s	Numero di canali

SU al momento ZigBee ha sviluppato l'unico standard in questo settore, supportato dalla disponibilità di prodotti hardware e software completamente compatibili. I protocolli ZigBee consentono ai dispositivi di dormire b O la maggior parte delle volte, il che prolunga notevolmente la durata della batteria.

Ovviamente non è così semplice sviluppare schemi di scambio di dati tra centinaia e persino migliaia di mote. Oltre ad altre cose, è necessario tenere conto del fatto che le reti di sensori operano in gamme di frequenza senza licenza, quindi in alcuni casi possono verificarsi interferenze causate da fonti estranee di segnali radio. Si consiglia inoltre di evitare di ritrasmettere gli stessi dati e, inoltre, di tenere conto del fatto che, a causa di un consumo energetico insufficiente e di influssi esterni, i granelli si guastano permanentemente o per qualche tempo. In tutti questi casi, gli schemi di comunicazione devono essere modificati. Poiché una delle caratteristiche più importanti di TinyOS è la selezione automatica del design della rete e dei percorsi dati, le reti di sensori wireless sono essenzialmente autoconfiguranti.

Molto spesso, un mote deve essere in grado di determinare la propria posizione, almeno in relazione all'altro mote a cui trasmetterà i dati. Cioè, tutti i mote vengono prima identificati e poi viene formato uno schema di routing. In generale, tutti i mote - dispositivi dello standard ZigBee - sono divisi in tre classi in base al livello di complessità. Il più alto di essi, il coordinatore, gestisce il funzionamento della rete, memorizza i dati sulla sua topologia e funge da gateway per la trasmissione dei dati raccolti dall'intera rete di sensori wireless per ulteriori elaborazioni. Le reti di sensori utilizzano in genere un singolo coordinatore. Il moto di complessità media è un router, ovvero può ricevere e trasmettere dati, nonché determinare le direzioni di trasmissione. Infine, il mote più semplice può trasmettere i dati solo al router più vicino. Pertanto, risulta che lo standard ZigBee supporta una rete con un'architettura cluster (Fig. 2). Il cluster è formato da un router e dai mote più semplici ai quali richiede i dati sensoriali. I router del cluster si trasmettono i dati tra loro e, infine, i dati vengono trasferiti al coordinatore. Il coordinatore solitamente ha una connessione alla rete IP, dove i dati vengono inviati per l'elaborazione finale.

Anche in Russia sono in corso sviluppi legati alla realizzazione di reti di sensori wireless. Pertanto, la società “High-Tech Systems” offre la sua piattaforma hardware e software MeshLogic per la costruzione di reti di sensori wireless (sito web www.meshlogic.ru). La differenza principale tra questa piattaforma e ZigBee è il suo focus sulla costruzione di reti mesh peer-to-peer (Fig. 3). In tali reti funzionalità ogni motore è lo stesso. La possibilità di auto-organizzazione e auto-riparazione delle reti con topologia a maglie consente, in caso di guasto di alcuni motori, di formare spontaneamente una nuova struttura di rete. È vero, in ogni caso, è necessario un nodo funzionale centrale che riceva ed elabori tutti i dati, o un gateway per trasmettere i dati al nodo per l'elaborazione. Le reti create spontaneamente sono spesso indicate con il termine latino Ad Hoc, che significa “per un’occasione specifica”.

Nelle reti MeshLogic, ogni mote può eseguire l'inoltro di pacchetti, ovvero le sue funzioni assomigliano a un router ZigBee. Le reti MeshLogic sono completamente auto-organizzanti: non esiste un nodo coordinatore. Possono essere utilizzati come ricetrasmettitori RF in MeshLogic vari dispositivi, in particolare Cypress WirelessUSB, che, come i dispositivi standard ZigBee, funzionano nella gamma di frequenze 2,4...2,4835 GHz. Va notato che per la piattaforma MeshLogic esistono solo i livelli inferiori dello stack di protocolli. Si ritiene che i livelli superiori, in particolare quello di rete e quello applicativo, verranno realizzati per applicazioni specifiche. Le configurazioni e i parametri principali di due mote MeshLogic e di un mote standard ZigBee sono mostrati nella tabella. 2.

Tabella 2. Caratteristiche principali dei motori di vari produttori

Opzioni
Microcontrollore
processore	Texas Instruments MSP430
Frequenza dell'orologio	Da 32,768 kHz a 8 MHz
RAM
Memoria flash
Ricetrasmettitore
		Cypress WirelessUSB™ LP
Gamma di frequenza	2400-2483,5 MHz		2400-2483,5 MHz
Velocità di trasferimento dati		Da 15,625 a 250 Kbps
Potenza in uscita	Da –24 a 0 dBm	Da –35 a 4 dBm	Da –28 a 3 dBm
Sensibilità
			1 o 2 patatine
Interfacce esterne
	12 bit, 7 canali		10 bit, 3 canali
Interfacce digitali	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Altre opzioni
Tensione di alimentazione	da 0,9 a 6,5 ​​V		da 1,8 a 3,6 V
Intervallo di temperatura	da -40 a 85 °C	da 0 a 70°C	da 0 a 85°C

Da notare che l'integrato sensori tattili non su queste tavole.

Indichiamo ciò che distingue principalmente le reti di sensori wireless dalle reti informatiche convenzionali (cablate e wireless):

• completa assenza di cavi: elettrici, di comunicazione, ecc.;
• la possibilità di posizionamento compatto o addirittura integrazione di motori in oggetti ambientali;
• affidabilità sia dei singoli elementi che, soprattutto, dell'intero sistema nel suo insieme; in alcuni casi la rete può funzionare quando funziona solo il 10-20% dei sensori (mote);
• nessuna necessità di personale per l'installazione e la manutenzione.

Le reti di sensori possono essere utilizzate in molte aree applicative. Le reti di sensori wireless rappresentano una nuova tecnologia promettente e tutti i progetti correlati sono per lo più in fase di sviluppo. Indichiamo i principali ambiti di applicazione di questa tecnologia:

• sistemi di difesa e sicurezza;
• controllo ambientale;
• monitoraggio di attrezzature industriali;
• sistemi di sicurezza;
• monitorare le condizioni dei terreni agricoli;
• gestione dell'energia;
• controllo degli impianti di ventilazione, condizionamento e illuminazione;
• allarme antincendio;
• contabilità di magazzino;
• tracciabilità del trasporto merci;
• monitorare lo stato fisiologico di una persona;
• controllo del personale.

Da un numero abbastanza elevato di esempi di utilizzo delle reti di sensori wireless, ne metteremo in evidenza due. Forse il più famoso è il dispiegamento della rete a bordo di una petroliera da parte della BP. Lì, utilizzando una rete basata su apparecchiature Intel, è stata monitorata la condizione della nave al fine di organizzarne la manutenzione preventiva. BP ha valutato se la rete di sensori potrebbe funzionare a bordo di una nave in condizioni di temperature estreme, vibrazioni elevate e livelli significativi di interferenze in radiofrequenza riscontrati in alcune aree della nave. L'esperimento ha avuto successo; la rete è stata riconfigurata e ripristinata automaticamente più volte.

Un esempio di un altro progetto pilota completato è l'implementazione di una rete di sensori presso la base dell'aeronautica americana in Florida. Il sistema ha dimostrato buone capacità nel riconoscere vari oggetti metallici, compresi quelli in movimento. L'utilizzo di una rete di sensori ha permesso di rilevare l'intrusione di persone e veicoli nell'area controllata e di tracciarne i movimenti. Per risolvere questi problemi sono stati utilizzati motori dotati di sensori magnetoelettrici e di temperatura. Attualmente l'ambito del progetto si sta espandendo e su un sito di 10.000x500 m è in fase di installazione una rete di sensori wireless softwareè stato sviluppato da diverse università americane.

Recensione di moderno tecnologie senza fili

Architettura del sensore

Un sensore tattile è costituito da hardware e software, come qualsiasi altro nodo di telecomunicazioni. In generale, il sensore è costituito da quanto segue

sottosistemi: percezione, elaborazione dati, monitoraggio, comunicazione e alimentazione (Figura 1.1).

Figura 1.1 – Architettura generale del sensore.

Il sottosistema di percezione è costituito, di regola, da un dispositivo analogico che acquisisce determinate statistiche e da un convertitore analogico-digitale. Il sottosistema di elaborazione dati contiene un processore centrale e una memoria che consentono di archiviare non solo i dati generati dal sensore, ma anche le informazioni di servizio necessarie per il corretto e completo funzionamento del sottosistema di comunicazione. Il sottosistema di monitoraggio consente al sensore di raccogliere dati ambientali quali umidità, temperatura, pressione, campo magnetico, analisi chimica dell'aria, ecc. Il sensore può anche essere integrato con un giroscopio e un accelerometro, che consente di costruire un sistema di posizionamento.

I progressi nel campo delle comunicazioni wireless e la miniaturizzazione dei microcircuiti stanno aprendo nuovi orizzonti nelle tecnologie dell'informazione e dei computer. Oltre alle reti multi-hop, esistono protocolli di routing più complessi in cui il nodo successivo viene selezionato in base a un'analisi delle sue caratteristiche, ad esempio livello di energia, affidabilità e simili. La situazione diventa più complicata quando i nodi di una rete di sensori wireless si spostano: la topologia della rete diventa dinamica.

Per implementare un sensore come un piccolo dispositivo di telecomunicazione (non più di un centimetro cubo), è necessario tenere conto di numerosi aspetti tecnici. La frequenza della CPU deve essere di almeno 20 MHz, volume RAM almeno 4 KB, velocità di trasferimento almeno 20 Kbps. L'ottimizzazione dell'hardware ridurrà le dimensioni del sensore, ma comporterà un aumento del suo prezzo. Sistema operativo(OS) deve essere ottimizzato tenendo conto dell'architettura del processore centrale utilizzato. Le risorse limitate e le dimensioni ridotte della memoria incoraggiano l'inserimento del sistema operativo nella ROM. Attualmente Tiny OS è un sistema operativo open source ampiamente utilizzato, che consente il controllo flessibile di sensori di diversi produttori. Nel campo del networking, la limitata alimentazione dei sensori impone notevoli limitazioni

l'uso di tecnologie radio che possono essere utilizzate nelle reti di sensori. Va inoltre notato che le prestazioni limitate del processore centrale non consentono l'utilizzo di protocolli di routing di rete IP standard

– l’elevata complessità del calcolo dell’algoritmo del percorso ottimale sovraccaricherà il processore centrale. Ad oggi sono stati sviluppati numerosi protocolli di routing speciali per reti di sensori.

Lo sviluppo della tecnologia di trasmissione dei dati nelle reti di sensori è uno dei compiti più importanti quando si costruisce una rete di sensori, a causa della sua specifica architettura e caratteristiche del sistema imporre tutta una serie di rigide restrizioni, tra le quali vanno sottolineate le seguenti:

Riserve energetiche limitate, il che significa che l'autonomia è limitata;

Prestazioni limitate del processore;

Funzionamento simultaneo di un gran numero di nodi in uno spazio limitato;

Equivalenza dei nodi, l'architettura client-server non è applicabile a causa dei suoi ritardi caratteristici;

Operare in uno spettro di frequenze senza licenza;

Basso costo.

Attualmente lo sviluppo delle reti di sensori si basa sullo standard Zigbee IEEE 802.15.4, di cui ho parlato sopra. Inoltre, noto che l'alleanza Zigbee presuppone che l'accesso radio dello standard ZigBee verrà utilizzato in applicazioni quali monitoraggio, automazione della produzione, sensori, sicurezza, controllo, elettrodomestici e molto altro ancora. Pertanto, le applicazioni delle reti di sensori possono essere suddivise in diverse categorie principali:

Sicurezza, emergenze e operazioni militari;

Medicina e salute;

Meteo, ambiente e agricoltura;

Fabbriche, fabbriche, case, edifici;

Sistemi di trasporto e automobili.

Considererò casi di applicazione specifica delle reti di sensori nelle categorie sopra indicate. Le reti di sensori possono essere utilizzate come minimo nei seguenti scenari.

Applicazione delle reti di sensori

Le reti di sensori wireless hanno le caratteristiche uniche di facile implementazione, auto-organizzazione e tolleranza ai guasti. Emergendo come un nuovo paradigma per la raccolta di informazioni, le reti di sensori wireless sono state utilizzate per ampie applicazioni legate alla salute, al controllo ambientale, all'energia, alla sicurezza alimentare e alla produzione.

Negli ultimi anni ci sono stati molti segnali che le reti di sensori diventeranno una realtà. Sono stati creati diversi prototipi di nodi sensore, tra cui Motes a Berkeley, uAMPS al MIT e GNOMES alla Rice. Le funzioni elementari delle reti di sensori sono il posizionamento, il rilevamento, il tracciamento e il rilevamento. Oltre alle applicazioni militari, esistono anche applicazioni civili basate su funzioni elementari, che possono essere suddivise in controllo dell'habitat, sorveglianza ambientale, sanità e altre attività commerciali.

applicazioni. Inoltre, Sibley ha recentemente creato un sensore mobile chiamato Robomote, che è dotato di ruote e può muoversi sul campo.

In uno dei primi tentativi di utilizzare reti di sensori per applicazioni civili, Berkeley e Intel Research Laboratory hanno utilizzato la rete di sensori Mote per monitorare le letture delle tempeste sulle Great Duck Islands, nel Maine, nell'estate del 2002. Due terzi dei sensori sono stati installati al largo delle coste del Maine, raccogliendo le informazioni necessarie (utili) in tempo reale sul world wide web (Internet). Il sistema ha funzionato per più di 4 mesi e ha fornito dati

Per 2 mesi dopo gli scienziati hanno lasciato l'isola a causa delle cattive condizioni meteorologiche (inverno). Questa applicazione di monitoraggio dell'habitat rappresenta un'importante classe di applicazioni di reti di sensori. Ancora più importante, i sensori di rete sono in grado di raccogliere informazioni in ambienti pericolosi e inospitali per le persone. Durante gli studi di monitoraggio sono stati considerati criteri di progettazione, tra cui la creazione del progetto, la realizzazione di un sistema di sensori con possibilità di accesso remoto e gestione dei dati. Sono stati fatti numerosi tentativi per soddisfare i requisiti, portando allo sviluppo di una serie di prototipi di sistemi di reti di sensori. Il sistema di sensori utilizzato da Berkeley e Intel Research Laboratory, sebbene primitivo, era efficace nel raccogliere dati ambientali interessanti e fornire agli scienziati informazioni importanti.

Le reti di sensori hanno trovato applicazioni nei campi dell'osservazione e della previsione (ipotesi). Un esempio vivente di tale applicazione è il sistema ALERT (Automated Local Evaluation in Real-Time) sviluppato dal National Weather Service con una rete wireless di sensori. Dotati di dispositivi di rilevamento meteorologico/idrologico, i sensori in un dato ambiente misurano tipicamente diverse proprietà del clima locale, come il livello dell'acqua, la temperatura, il vento. I dati vengono trasmessi tramite comunicazione radio in linea d'aria attraverso sensori presso la stazione base. Il modello di previsione delle piene è stato adattato per elaborare i dati ed emettere avvisi automatici. Il sistema fornisce informazioni vitali in tempo reale sulle precipitazioni e sul livello dell’acqua per valutare potenziali inondazioni in qualsiasi parte del paese. L'attuale (attuale) sistema ALERT è installato su tutta la costa occidentale degli Stati Uniti e viene utilizzato per gli avvisi di inondazione in California e Arizona.

Ultimamente, I sistemi di sensori sono ampiamente utilizzati nel settore sanitario, utilizzati da pazienti e medici per il monitoraggio e il monitoraggio del glucosio, per la rilevazione del cancro e persino per gli organi artificiali. Gli scienziati suggeriscono la possibilità di impiantare sensori biomedici nel corpo umano per vari scopi. Questi sensori trasmettono informazioni all'esterno sistema informatico tramite interfaccia wireless. Diversi sensori biomedici sono integrati in un sistema applicativo per determinare la diagnosi e il trattamento delle malattie. I sensori biomedici preannunciano un livello più avanzato di assistenza medica.

La differenza principale tra le reti di sensori wireless e quelle tradizionali dei computer e reti telefonicheè la mancanza di infrastrutture permanenti che appartengono a un operatore o fornitore specifico. Ciascun terminale utente in una rete di sensori ha la capacità di funzionare non solo come dispositivo finale, ma anche come nodo di transito, come mostrato nella Figura 1.2.

Figura 1.2 – Esempio di collegamento di sensori di rete

Kireev A.O., Svetlov A.V. RETI DI SENSORI WIRELESS NEL CAMPO DELLE TECNOLOGIE PER LA SICUREZZA DEGLI OGGETTI

Il termine consolidato “rete di sensori wireless” (WSN) denota una nuova classe di sistemi senza fili, che sono una rete distribuita, auto-organizzante e resistente ai guasti di singoli elementi dispositivi elettronici con alimentatori autonomi. I nodi intelligenti di tale rete sono in grado di trasmettere messaggi lungo la catena, fornendo un'area significativa di copertura del sistema con una bassa potenza di trasmissione e, quindi, un'elevata efficienza energetica del sistema.

Attualmente viene prestata molta attenzione all'organizzazione del monitoraggio automatizzato dei territori al fine di ottenere informazioni operative sulla presenza di un intruso, sul suo movimento e su azioni non autorizzate in territori adiacenti a strutture particolarmente importanti (nucleari, governative, militari), allo Stato confine, o situate nell'area di responsabilità delle unità di ricognizione (monitoraggio delle prime linee nemiche e delle comunicazioni posteriori). Per risolvere razionalmente questi problemi è necessario utilizzare una nuova generazione di mezzi tecnici e algoritmi fondamentalmente diversi da quelli attualmente utilizzati. La direzione più promettente in questo settore dovrebbe essere la creazione di reti di sensori wireless. Permettono di garantire un monitoraggio totale e mirato di vaste aree.

In relazione ai sistemi di sicurezza degli oggetti, le WSN devono rilevare e classificare un intruso, determinare le coordinate e prevedere le traiettorie del suo movimento. Possedendo un'intelligenza distribuita, il sistema garantisce in modo indipendente un cambiamento nella direzione dei flussi di informazioni, ad esempio aggirando i nodi guasti o temporaneamente non funzionanti, e organizza una trasmissione affidabile delle informazioni in tutto il territorio controllato e al punto centrale.

Promettenti sono anche le WSN in cui il ricetrasmettitore di ciascun sensore sarà effettivamente un sensore di rilevamento di oggetti (l'effetto di una diminuzione del livello della portante nel canale radio a causa della comparsa di un oggetto nell'area di copertura della rete).

Per garantire un'elevata affidabilità e protezione delle informazioni trasmesse, le WSN dovrebbero sviluppare propri protocolli radio resistenti ai cambiamenti nelle caratteristiche del canale di comunicazione, ai disturbi radio, all'intercettazione e all'imitazione dei dati. In questo caso, è consigliabile utilizzare tecnologie a spettro esteso: metodi DSSS (sequenza di sequenza diretta) e FHSS (salto di frequenza).

Per quanto riguarda i meccanismi di accesso al mezzo di trasmissione dati, esistono requisiti mutuamente esclusivi di elevata efficienza energetica del sistema e ritardi minimi per la propagazione dei dati nella WSN. L'utilizzo di CSMA/CA (carrier sense multiple media access and collision evitamento) come algoritmo di base ha il suo svantaggio: i dispositivi di rete devono essere in modalità di ascolto costante, il che porta ad un aumento del consumo energetico. Nelle reti completamente asincrone, questo algoritmo è inefficace.

L’algoritmo più appropriato in questa situazione è l’algoritmo “slotted” CSMA/CA, che combina i principi dell’accesso sincronizzato (time division TDMA) e dell’accesso su base competitiva.

Tra gli standard aperti nel campo delle reti di sensori wireless, finora è stato ratificato solo lo standard ZigBee, basato sullo standard 802.15.4 precedentemente adottato, che descrive il livello fisico (PHY) e il livello di accesso ai media (MAC) per dispositivi personali wireless. reti (WPAN). Questa tecnologia è stata originariamente sviluppata per attività che non richiedono elevate velocità di trasferimento delle informazioni. I dispositivi di tali reti dovrebbero essere il più economici possibile, con un consumo energetico estremamente basso.

Tra gli indubbi vantaggi delle soluzioni ZigBee vanno segnalati anche svantaggi significativi. Ad esempio, la presenza di tre diverse classi di dispositivi (coordinatori, router e dispositivi finali) riduce notevolmente la tolleranza ai guasti della rete in caso di guasto dei suoi singoli elementi. Inoltre, una tale costruzione richiede la pianificazione del posizionamento dei dispositivi in ​​fase di progettazione del sistema, di conseguenza la resistenza della rete ai cambiamenti nella topologia è drasticamente ridotta;

Le reti mesh sono esenti da tutti questi svantaggi: reti peer-to-peer multicella in cui ciascun nodo può inoltrare i pacchetti durante la consegna. I nodi di tale rete sono uguali e intercambiabili: di conseguenza, la scalabilità del sistema migliora e la sua tolleranza agli errori aumenta.

La rete di sensori wireless del sistema di sicurezza dovrebbe monitorare l'area più ampia possibile. A questo proposito, uno dei requisiti principali per la scelta dell'elemento base per la creazione di un canale radio tra i singoli nodi della rete è il raggio di comunicazione massimo. Il funzionamento nella gamma di frequenza di 433 MHz (disponibile per l'uso gratuito in Russia) presenta numerosi vantaggi rispetto al funzionamento nella gamma di microonde di 2,4 GHz (per la quale viene prodotta la gamma principale di dispositivi ZigBee). Pertanto, nella gamma 433 MHz, la portata di comunicazione affidabile è molte volte maggiore rispetto alla gamma 2,4 GHz, con la stessa potenza di trasmissione. Inoltre, i dispositivi che funzionano nella banda 433 MHz hanno una resistenza abbastanza buona agli ostacoli sul percorso delle onde radio, come precipitazioni, cambiamenti del terreno, alberi, ecc. Le onde radio 433 MHz si propagano molto meglio in spazi ristretti, come i tunnel della metropolitana , strade cittadine, ecc. rispetto alle onde radio nella gamma di 2,4 GHz. Il vantaggio della banda a 2,4 GHz nella velocità di trasferimento dei dati non è fondamentale nel campo delle tecnologie di sicurezza, poiché la quantità di informazioni trasmesse è solitamente insignificante ed è limitata a decine di byte (ad eccezione della telemetria).

Pertanto, la scelta del ricetrasmettitore per il nodo WSN di sicurezza degli oggetti verrà effettuata nella gamma 433 MHz. I ricetrasmettitori devono avere un'elevata efficienza energetica (tensione di alimentazione non superiore a

3,3 V, basso consumo di corrente), funzionano nell'intervallo di temperatura meno 40 ... +85 ° C.

Tra i tanti chip ricetrasmettitori in banda ISM, i ricetrasmettitori XE-MICS occupano un posto speciale. Due microcircuiti di questa azienda sono adatti per l'uso nelle reti di sensori wireless: XE1203F e

Si tratta di ricetrasmettitori half-duplex a chip singolo integrati, costruiti utilizzando uno schema di conversione diretta (Zero-IF), che fornisce una codifica con spostamento di frequenza a 2 livelli senza interruzione di fase (CPFSK) e codifica NRZ. Pertanto, il tipo di modulazione della portante implementata nei ricetrasmettitori XEMICS consente un uso razionale della banda di frequenza operativa.

Comune ai ricetrasmettitori XE1203F e XE1205F è il consumo energetico estremamente basso: funzionamento nell'intervallo di tensione di alimentazione di 2,4...3,6 V, correnti di consumo:

0,2 µA in modalità sospensione;

14 mA in modalità di ricezione;

62 mA in modalità di trasmissione (+15 dBm).

Banda di frequenza operativa: 433-435 MHz. Intervallo di temperatura: meno 40. +85°С. Ricevitori transizionali

I Verov sono identici tra loro e sono costruiti secondo un circuito con conversione diretta di frequenza. All'interno di questi moduli è integrato un sintetizzatore di frequenza basato su un loop PLL sigma-delta con un passo di 500 Hz.

I ricevitori dispongono di un indicatore RSSI (Received Signal Strength Indicator) che, combinato con la possibilità di programmare la potenza in uscita, consente di implementare l'idea di gestione adattiva della potenza. Il ricetrasmettitore include un dispositivo di controllo della frequenza FEI (Frequency Error Indicator), che consente di ottenere informazioni sull'offset di frequenza dell'oscillatore locale del ricevitore e organizzare un controllo automatico della frequenza.

I ricetrasmettitori dispongono inoltre di una funzione di riconoscimento dei modelli, grazie alla quale il ricetrasmettitore può riconoscere una parola definita dal software (fino a 4 byte) nel flusso di dati ricevuto. L'ultima funzionalità può essere utilizzata per identificare i moduli nella WSN, riducendo il numero di byte di servizio nel pacchetto trasmesso.

Le principali differenze tra i due moduli si manifestano nell'utilizzo di diversi metodi di espansione dello spettro.

Il ricetrasmettitore XE1203F è dotato di un blocco hardware DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Quando la modalità DSSS è attivata, ogni bit di dati viene codificato con un codice Barker a 11 bit: 101 1011 1000 o 0x5B8h. La funzione di autocorrelazione del codice Barker ha un picco di autocorrelazione pronunciato.

A differenza dell'XE1203F, il ricetrasmettitore XE1205F (e il modulo DP1205F basato su di esso) è un dispositivo a banda stretta. Il valore più piccolo del filtro passa banda interno che può essere impostato con un registro di configurazione a 2 bit è 10 kHz (utilizzando speciali impostazioni aggiuntive, questo valore può essere ridotto anche a 7 kHz!). Numero di canali possibili in questo caso

Questa funzionalità consente di utilizzare l'XE1205F per specifiche applicazioni a banda stretta. La restrizione della larghezza di banda può essere utilizzata se la velocità dei dati e la deviazione della frequenza non superano rispettivamente 4800 bit e 5 kHz e a condizione che la frequenza di clock dell'oscillatore di riferimento sia stabilizzata da un risonatore ad alta stabilità o venga utilizzata la correzione della frequenza.

Il ricetrasmettitore utilizza un buffer FIFO da 16 byte per memorizzare i byte di dati trasmessi o ricevuti. I byte di dati vengono inviati e ricevuti dal buffer FIFO tramite un'interfaccia seriale SPI standard a 3 fili esterna.

La banda stretta e il breve tempo di recupero del trasmettitore quando si passa da un canale all'altro (~150 μs) consentono di utilizzare il ricetrasmettitore XE1205F per costruire sistemi radio utilizzando il metodo del salto di frequenza (FHSS). Il metodo del salto di frequenza implica che l'intera banda di frequenza operativa assegnata per la trasmissione sia divisa in un certo numero di canali di frequenza. I salti da un canale all'altro avvengono in modo sincrono in una certa sequenza (ad esempio, lineare o pseudo-casuale).

Un altro vantaggio del ricetrasmettitore XE1205F è la sensibilità del ricevitore unica nel suo genere di -121 dBm.

Per quanto riguarda la velocità di trasferimento dei dati, le capacità del modulo XE1203F quando si utilizza il codec Barker sembrano insufficienti anche per i sistemi di sicurezza: solo 1.154 kBit. Questo indicatore non consentirà l'implementazione di una WSN ad alta efficienza energetica, perché il tempo di sospensione fornito dal protocollo CSMA/CA sarà troppo breve.

I ricetrasmettitori dei nodi della rete di sensori wireless per la sicurezza degli oggetti devono fornire la capacità di:

creazione di una rete mesh con portata maggiore;

implementazione a livello fisico - tecnologie di estensione dello spettro FHSS;

implementazione a livello di accesso medio - CSMA/CA “slotted” con sincronizzazione degli accessi.

Sulla base di quanto sopra, possiamo concludere che è preferibile utilizzare il modulo ricetrasmettitore XE1205F per organizzare i livelli fisico e MAC di una rete di sensori wireless per la sicurezza degli oggetti.

LETTERATURA

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