Бездротові сенсорні мережі. Області застосування Бездротові сенсорні мережі

Огляд сучасних бездротових технологій

Архітектура сенсора

Сенсорний датчик складається з апаратної та програмної частини, як і будь-який інший телекомунікаційний вузол. Загалом сенсор складається з наступних

підсистем: сприйняття, обробки даних, моніторингу, комунікаційної та джерела живлення (Малюнок 1.1).

Рисунок 1.1 – Загальна архітектура детектора.

Підсистема сприйняття складається, як правило, з аналогового пристрою, що знімає певну статистику та аналого-цифрового перетворювача. Підсистема обробки даних містить у собі центральний процесор і пам'ять, що дозволяють зберігати як генеровані сенсором дані, а й службову інформацію, необхідна коректного і повноцінного функціонування комунікаційної підсистеми. Підсистема моніторингу дозволяє сенсору збирати дані про довкілля, такі як вологість, температура, тиск, магнітне поле, хімічний аналіз повітря тощо. Також сенсор може бути доповнений гіроскопом, акселерометром, що дає можливість побудувати систему позиціонування.

Прогрес у галузі бездротового зв'язку та мініатюризація мікросхем відкривають нові горизонти в інформаційно-комп'ютерних технологіях. Крім багатокрокових мереж існують складніші протоколи маршрутизації, коли наступний вузол вибирається на основі аналізу його характеристик, наприклад, рівень енергії, надійність тощо. Ситуація ускладнюється у разі, коли вузли бездротової сенсорної мережі пересуваються – топологія мережі стає динамічною.

Для реалізації сенсора як телекомунікаційного пристрою малого розміру (не більше одного кубічного сантиметра) необхідно враховувати багато технічних аспектів. Частота центрального процесора повинна бути не менше ніж 20МГц, обсяг оперативної пам'яті не менше ніж 4 КБ, швидкість передачі не менше ніж 20 Кбіт/с. Оптимізація апаратної частини дозволить знизити розміри сенсора, але спричинить збільшення його ціни. Операційну систему (ОС) необхідно оптимізувати з урахуванням архітектури центрального процесора, що застосовується. Обмежені ресурси та малий розмір пам'яті стимулюють розміщення ОС у ПЗП. В даний час поширена ОС з відкритим кодом Tiny OS, що дозволяє досить гнучко керувати сенсорами різних виробників. У галузі мережевої взаємодії, обмежене джерело живлення в сенсорах накладає суттєві обмеження на

використання радіотехнологій, які можуть бути використані в сенсорних мережах. Також слід зазначити, що обмежена продуктивність центрального процесора не дозволяє застосування стандартних протоколів маршрутизації IP-мереж.

- Висока складність розрахунку алгоритму оптимального шляху перевантажить центральний процесор. На сьогоднішній день розроблено велику кількість спеціальних протоколів маршрутизації для сенсорних мереж.

Розробка технології передачі даних у сенсорних мережах є одним із найважливіших завдань при побудові сенсорної мережі, оскільки її специфічні архітектурні та системні характеристики накладають безліч жорстких обмежень, серед яких слід підкреслити наступні:

Обмежені запаси енергії, через що радіус дії обмежений;

Обмежена продуктивність процесора;

Одночасне функціонування великої кількості вузлів на обмеженому просторі;

Рівнозначність вузлів, архітектура «клієнт-сервер» не застосовується у зв'язку з характерною нею затримками;

Функціонування в спектрі частот, що не ліцензується;

Низька вартість.

На даний час розробка сенсорних мереж будується на стандарті IEEE 802.15.4 Zigbee, про який я згадувала вище. Додатково зазначу, що альянсом Zigbee передбачається, що радіодоступ стандарту ZigBee буде застосовуватись у таких додатках, як моніторинг, автоматизація виробництва, сенсори, безпека, контроль, побутова техніка та багато іншого. Таким чином, програми сенсорних мереж можна розділити на кілька основних категорій:

Безпека, надзвичайні ситуації та військові операції;

Медицина та здоров'я;

Погода, навколишнє середовище та сільське господарство;

Фабрики, заводи, будинки, будинки;

Транспортні системи та автомобілі.

Розгляну випадки конкретного застосування сенсорних мереж у перерахованих вище категоріях. Сенсорні мережі можуть, як мінімум, використовуватись у таких сценаріях.

Застосування сенсорних мереж

Безпорводні сенсорні мережі мають унікальні характеристики легкого розгортання, самоорганізації та стійкості до відмов. З'явившись як нова парадигма збору інформації, бездротові сенсорні мережі були використані в широких цілях, пов'язаних з охороною здоров'я, контроль довкілля, енергії, безпеки харчових продуктів та виробництва.

Протягом останніх кількох років було багато передумов того, що сенсорні мережі стануть реальними. Було створено кілька прототипів сенсорних нодів, включаючи Motes у Berkeley, uAMPS у MIT (у Массачусетському технологічному інституті), та GNOMES у Rice. Елементарними функціями сенсорних мереж є позиціонування, виявлення, стеження та виявлення. Крім військових застосувань, також були цивільні застосування, засновані на елементарних функціях, які можна розділити на контроль довкілля, спостереження за довкіллям, охорони здоров'я та інших комерційних

додатків. На додаток, Sibley нещодавно створили мобільний датчик, названий як Robomote, він обладнаний коліщатками і здатний переміщатися по полю.

Як одну з перших спроб використання сенсорних мереж для цивільного застосування, Berkeley та Intel Research Laboratory використовували сенсорну мережу Моте для контролю показів штормів на Великих островах Duck, штат Мен влітку 2002 року. Дві третини сенсорних датчиків були встановлені біля берегів Мен збору необхідної (корисної) інформації в реальному часі у всесвітню путіну (інтернет). Система працювала більше 4 місяців і постачала дані

Протягом 2 місяців після того, як вчені покинули острів через погані погодні умови (взимку). Ця програма моніторингу довкілля є важливий клас додатків сенсорних мереж. Найважливіше те, що мережеві сенсори здатні збирати інформацію в небезпечних умовах, несприятливих для людей. У ході моніторингових досліджень було розглянуто критерії дизайну, включаючи дизайн створення, створення сенсорної системи з можливістю віддаленого доступу та управління даними. Були зроблені численні спроби досягнення вимог, що призвело до розвитку системи набору сенсорних датчиків (set of prototype sensor network systems). Сенсорна система, що використовується Berkeley and Intel Research Laboratory, хоч і примітивна, але була ефективна у збиранні цікавих даних довкілля та забезпечила вчених важливою інформацією.

Сенсорні мережі знайшли застосування у сфері спостереження та передбачення (припущення). Живим прикладом такого застосування є система Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT), розроблена Національною Службою Погоди з бездротовою мережею сенсорів. Забезпечені метеорологічними/гідрологічними сенсорними пристроями, сенсори в цих умовах зазвичай вимірюють кілька властивостей місцевої погоди, таких як рівень води, температуру, вітер. Дані передаються через пряму лінію радіопередачі через сенсори на базовій станції. Модель Прогнозу Повеней була пристосована для обробки даних та видачі автоматичного попередження. Система забезпечує важливу інформацію про опади та рівень води в реальному часі для оцінки можливості потенційної повені у будь-якій точці країни. Справжня (поточна) система ALERT встановлена на всьому західному узбережжі США і використовується для попередження повеней у Каліфорнії та Аризоні.

Останнім часом системи сенсорів інтенсивно використовуються у сфері охорони здоров'я, які застосовуються пацієнтами та лікарями для відстеження та моніторингу рівня глюкози, детекторів раку та навіть штучних органів. Вчені припускають можливість імплантування біомедичних сенсорів у людське тіло для різних цілей. Ці рецептори передають інформацію на зовнішню комп'ютерну систему через бездротовий інтерфейс. Декілька біомедичних сенсорів об'єднані в систему додатків для визначення діагнозу та лікування хвороби. Біомедичні рецептори віщують більш просунутий рівень медичної допомоги.

Головною відмінністю бездротових сенсорних мереж від традиційних комп'ютерних та телефонних мереж є відсутність постійної інфраструктури, яка належить певному оператору чи провайдеру. Кожен термінал користувача в сенсорній мережі має можливість функціонувати не тільки як кінцевий пристрій, але, так само як і транзитний вузол, як показано на Рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 – Приклад підключення сенсорів мережі

Переваги технологій бездротових сенсорних мереж можуть бути ефективно використані для вирішення різних прикладних завдань, пов'язаних із розподіленим збором, аналізом та передачею інформації.

Автоматизація будівель

У деяких додатках автоматизації будівель використання традиційних провідних систем передачі даних є недоцільним з економічних причин.

Наприклад, потрібно впровадити нову або розширити існуючу систему в будівлі, що експлуатується. І тут застосування бездротових рішень є найбільш прийнятним варіантом, т.к. не потрібне проведення додаткових монтажних робіт з порушенням внутрішнього оздоблення приміщень, практично не завдаються незручності співробітникам чи мешканцям будівлі тощо. Внаслідок цього значно знижується вартість впровадження системи.

Іншим прикладом можуть бути офісні будівлі з вільним плануванням, для яких неможливо вказати точні місця встановлення датчиків на етапі проектування та будівництва. При цьому планування офісів може багаторазово змінюватися в процесі функціонування будівлі, отже витрати часу і коштів на переконфігурацію системи повинні бути мінімальними, що може бути досягнуто застосуванням бездротових рішень.

На додаток можна навести такі приклади систем на основі бездротових сенсорних мереж:

моніторинг температури, витрати повітря, присутності людей та управління обладнанням опалення, вентиляції та кондиціювання з метою підтримки мікроклімату;
керування освітленням;
керування енергопостачанням;
збирання показань квартирних лічильників газу, води, електроенергії тощо;
моніторинг стану несучих конструкцій будівель та споруд.

Промислова автоматизація

До нашого часу широке використання бездротового зв'язку у сфері промислової автоматизації стримувалося низькою надійністю радіоканалів проти проводовими з'єднаннями у важких умовах промислової експлуатації, але бездротові сенсорні мережі кардинальним чином змінюють ситуацію, т.к. за своєю природою стійкі до різноманітних обурень (наприклад, фізичне ушкодження вузла, поява перешкоди, зміна перешкод тощо.). Більш того, в деяких умовах бездротова сенсорна мережа може навіть забезпечити більшу надійність, ніж провідна система зв'язку.

Рішення на основі бездротових сенсорних мереж повною мірою відповідають вимогам, що пред'являються з боку промисловості:

відмовостійкість;
масштабованість;
адаптованість до умов експлуатації;
енергетична ефективність;
облік специфіки прикладного завдання;
економічна рентабельність

Технології бездротових сенсорних мереж можуть знайти застосування у наступних задачах промислової автоматизації:

дистанційний контроль та діагностика промислового обладнання;
технічне обслуговування обладнання за поточним станом (прогнозування запасу надійності);
моніторинг виробничих процесів;
телеметрія для досліджень та випробувань.

Інші програми

Унікальні особливості та відмінності бездротових сенсорних мереж від традиційних провідних та бездротових систем передачі даних роблять їх застосування ефективним у різних областях. Наприклад:

безпека та оборона:
- контроль за переміщенням людей та техніки;
- засоби оперативного зв'язку та розвідки;
- контроль периметра та віддалене спостереження;
- допомога у проведенні рятувальних операцій;
- моніторинг майна та цінностей;
- охоронно-пожежна сигналізація;
моніторинг довкілля:
- моніторинг забруднень;
- сільське господарство;
охорона здоров'я:
- моніторинг фізіологічного стану пацієнтів;
- контроль розташування та оповіщення медичного персоналу.

Максим Сергієвський

Нові технології бездротового зв'язку та прогрес у галузі виробництва мікросхем дозволили протягом останніх кількох років перейти до практичної розробки та впровадження нового класу розподілених комунікаційних систем – сенсорних мереж.

Бездротові сенсорні мережі (wireless sensor networks) складаються з мініатюрних обчислювально-комунікаційних пристроїв - мотов ( від англ. motes - порошинки), або сенсорів. Мот є плату розміром зазвичай трохи більше одного кубічного дюйма. На платі розміщуються процесор, пам'ять - флеш та оперативна, цифроаналогові та аналого-цифрові перетворювачі, радіочастотний приймач, джерело живлення та датчики. Датчики можуть бути найрізноманітнішими; вони підключаються через цифрові та аналогові конектори. Найчастіше використовуються датчики температури, тиску, вологості, освітленості, вібрації, рідше – магнітоелектричні, хімічні (наприклад, що вимірюють вміст CO, CO2), звукові та деякі інші. Набір застосовуваних датчиків залежить від функцій, що виконуються бездротовими сенсорними мережами. Живлення мота здійснюється від невеликої батареї. Моти використовуються тільки для збору, первинної обробки та передачі сенсорних даних. Зовнішній вигляд мотів, що випускаються різними виробниками, наведено на рис. 1.

Основна функціональна обробка даних, що збираються мотами, здійснюється на вузлі, або шлюзі, який є досить потужним комп'ютером. Але для того, щоб опрацювати дані, їх потрібно спочатку отримати. З цією метою вузол обов'язково оснащується антеною. Але в будь-якому випадку доступними для вузла виявляються тільки моти, що знаходяться близько від нього; іншими словами, вузол не отримує інформацію безпосередньо від кожного мота. Проблема отримання сенсорної інформації, що збирається мотами, вирішується так. Моти можуть обмінюватися між собою інформацією за допомогою приймачів, що працюють у радіодіапазоні. Це, по-перше, сенсорна інформація, що зчитується з датчиків, а по-друге, інформація про стан пристроїв та результати процесу передачі даних. Інформація передається від одних мотів іншим ланцюжком, і в результаті найближчі до шлюзу моти скидають йому всю акумульовану інформацію. Якщо частина мотів виходить з ладу, робота сенсорної мережі після реконфігурації має тривати. Але в цьому випадку, звісно, зменшується кількість джерел інформації.

Для виконання функцій на кожен мат встановлюється спеціалізована операційна система. В даний час у більшості бездротових сенсорних мереж використовується TinyOS – ОС, розроблена в Університеті Берклі. TinyOS відноситься до програмного забезпечення з відкритим кодом; воно доступне за адресою: www.tinyos.net. TinyOS – це керована подіями операційна система реального часу, розрахована на роботу в умовах обмежених обчислювальних ресурсів. Ця ОС дозволяє мотам автоматично встановлювати зв'язки із сусідами та формувати сенсорну мережу заданої топології. Останній реліз TinyOS 2.0 з'явився у 2006 році.

Найважливішим фактором під час роботи бездротових сенсорних мереж є обмежена ємність батарей, що встановлюються на моти. Слід враховувати, що замінити батареї найчастіше неможливо. У зв'язку з цим необхідно виконувати на мотах тільки найпростішу первинну обробку, орієнтовану на зменшення обсягу інформації, що передається, і, що найголовніше, мінімізувати число циклів прийому і передачі даних. Для вирішення цього завдання розроблено спеціальні комунікаційні протоколи, найвідомішими з яких є протоколи альянсу ZigBee. Цей альянс (сайт www.zigbee.org) був створений у 2002 році саме для координації робіт у галузі бездротових сенсорних мереж. До нього увійшли найбільші розробники апаратних та програмних засобів: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI та багато інших (всього понад 200 членів). Корпорація Intel до альянсу не входить, хоч і підтримує його діяльність.

В принципі, для вироблення стандарту, у тому числі стека протоколів для бездротових сенсорних мереж, ZigBee використовував розроблений раніше стандарт IEEE 802.15.4, який описує фізичний рівень та рівень доступу до середовища бездротових мереж передачі даних на невеликі відстані (до 75 м) з низьким енергоспоживанням, але з високим ступенем надійності. Деякі характеристики радіопередачі даних стандарту IEEE 802.15.4 наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики радіопередачі даних для IEEE 802.15.4

Смуга частот, МГц	Чи потрібна ліцензія	Географічний регіон	Швидкість передачі, Кбіт/с	Число каналів

На даний момент ZigBee розробив єдиний у цій галузі стандарт, який підкріплений наявністю виробництва повністю сумісних апаратних та програмних продуктів. Протоколи ZigBee дозволяють пристроям перебувати в сплячому режимі. пробільшу частину часу, що значно подовжує термін служби батареї.

Очевидно, що розробити схеми обміну даними між сотнями і навіть тисячами мотів не так просто. Поряд з іншим, необхідно врахувати той факт, що сенсорні мережі працюють у неліцензованих частотних діапазонах, тому в ряді випадків можуть виникати перешкоди, створювані сторонніми джерелами радіосигналів. Бажано також уникати повторної передачі тих самих даних, а крім того, враховувати, що через недостатню енергоємність і зовнішні впливи моти виходитимуть з ладу назавжди або на якийсь час. У всіх таких випадках схеми обміну даними мають бути модифіковані. Оскільки однією з найважливіших функцій TinyOS є автоматичний вибір схеми організації мережі та маршрутів передачі даних, бездротові сенсорні мережі по суті самоналаштовуються.

Найчастіше мот повинен мати можливість самостійно визначити своє місцезнаходження, принаймні по відношенню до того моту, якому він буде передавати дані. Тобто спочатку відбувається ідентифікація всіх мотів, а потім формується схема маршрутизації. Взагалі всі моти – пристрої стандарту ZigBee – за рівнем складності розбиваються на три класи. Вищий з них - координатор - керує роботою мережі, зберігає дані про її топологію і служить шлюзом для передачі даних, що збираються всією бездротовою сенсорною мережею, для подальшої обробки. У сенсорних мережах зазвичай використовується координатор. Середній за складністю мот є маршрутизатором, тобто може приймати та передавати дані, а також визначати напрямки передачі. І нарешті, найпростіший мот може лише передавати дані найближчому маршрутизатору. Таким чином виходить, що стандарт ZigBee підтримує мережу з кластерною архітектурою (рис. 2). Кластер утворюють маршрутизатор та найпростіші моти, у яких він запитує сенсорні дані. Маршрутизатор кластерів ретранслюють дані один одному, і в кінцевому рахунку дані передаються координатору. Координатор зазвичай має зв'язок з IP-мережею, куди направляються дані для остаточної обробки.

У Росії також проводяться розробки, пов'язані зі створенням бездротових сенсорних мереж. Так, компанія "Високотехнологічні системи" пропонує свою апаратно-програмну платформу MeshLogic для побудови бездротових сенсорних мереж (сайт www.meshlogic.ru). Основною відмінністю цієї платформи від ZigBee є орієнтація на побудову однорангових мереж мереж (рис. 3). У таких мережах функціональні можливості кожного мота однакові. Можливість самоорганізації та самовідновлення мереж комірчастої топології дозволяє у разі виходу частини мотів з ладу спонтанно формувати нову структуру мережі. Правда, у будь-якому випадку необхідний центральний функціональний вузол, який приймає та обробляє всі дані, або шлюз для передачі даних на обробку вузла. Спонтанні мережі часто називають латинським терміном Ad Hoc, що означає «для конкретного випадку».

У мережах MeshLogic кожен мот може виконувати ретрансляцію пакетів, тобто за своїми функціями нагадує маршрутизатор ZigBee. Мережі MeshLogic є повністю самоорганізованими: ніякого вузла-координатора не передбачено. Як радіочастотні приймачі в MeshLogic можуть використовуватися різні пристрої, зокрема Cypress WirelessUSB, які так само, як і пристрої стандарту ZigBee, працюють в діапазоні частот 2,4... 2,4835 ГГц. Слід зазначити, що для платформи MeshLogic є лише нижні рівні стека протоколів. Вважається, що верхні рівні, зокрема мережевий та прикладний, будуть створюватися під конкретні додатки. Конфігурації та основні параметри двох мотів MeshLogic та одного мота стандарту ZigBee наведено у табл. 2.

Таблиця 2. Основні характеристики мотів різних виробників

Параметри
Мікроконтролер
Процесор	Texas Instruments MSP430
Тактова частота	Від 32,768 кГц до 8 МГц
Оперативна пам'ять
Flash-пам'ять
Приймач
		Cypress WirelessUSBTM LP
Діапазон частот	2400-2483,5 МГц		2400-2483,5 МГц
Швидкість передачі даних		Від 15,625 до 250 Кбіт/с
Вихідна потужність	Від -24 до 0 дБм	Від -35 до 4 дБм	Від -28 до 3 дБм
Чутливість
			1 або 2 чіпи
Зовнішні інтерфейси
	12-розрядний, 7 каналів		10-розрядний, 3 канали
Цифрові інтерфейси	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Інші параметри
Напруга живлення	Від 0,9 до 6,5 В		Від 1,8 до 3,6 В

Температурний діапазон	Від –40 до 85 °C	Від 0 до 70 °C	Від 0 до 85 °C

Зазначимо, що інтегрованих сенсорних датчиків цих платах немає.

Вкажемо, що насамперед відрізняє бездротові сенсорні мережі від звичайних обчислювальних (провідних та бездротових) мереж:

повна відсутність будь-яких кабелів - електричних, комунікаційних тощо;
можливість компактного розміщення або навіть інтеграції мотів до об'єктів довкілля;
надійність як окремих елементів, і, що найважливіше, всієї системи загалом; у ряді випадків мережа може функціонувати при справності лише 10-20% сенсорів (мотів);
відсутність необхідності у персоналі для монтажу та технічного обслуговування.

Сенсорні мережі можна використовувати у багатьох прикладних областях. Бездротові сенсорні мережі - це нова перспективна технологія, і всі пов'язані з нею проекти перебувають у стадії розробки. Вкажемо основні сфери застосування даної технології:

системи оборони та забезпечення безпеки;
контроль довкілля;
моніторинг промислового обладнання;
охоронні системи;
моніторинг стану сільськогосподарських угідь;
керування енергопостачанням;
контроль систем вентиляції, кондиціювання та освітлення;
пожежна сигналізація;
складський облік;
стеження за транспортуванням вантажів;
моніторинг фізіологічного стану людини;
Контроль персоналу.

Із досить великої кількості прикладів використання бездротових сенсорних мереж виділимо два. Найбільш відомим є, мабуть, розгортання мережі на борту нафтового танкера ВР. Там за допомогою мережі, побудованої на основі обладнання Intel, здійснювався моніторинг стану судна з метою його профілактичного обслуговування. Компанія BP проаналізувала, чи може сенсорна мережа працювати на борту судна в умовах екстремальних температур, високої вібрації та значного рівня радіочастотних перешкод, наявних у деяких приміщеннях судна. Експеримент пройшов успішно, кілька разів автоматично здійснювалася реконфігурація та відновлення працездатності мережі.

Прикладом ще одного реалізованого пілотного проекту є розгортання сенсорної мережі на базі військово-повітряних сил США у Флориді. Система продемонструвала хороші можливості розпізнавання різних металевих об'єктів, у тому числі рухомих. Застосування сенсорної мережі дозволило виявляти проникнення людей та автомобілів у контрольовану зону та відстежувати їх переміщення. Для вирішення цих завдань використовувалися моти, оснащені магнітоелектричними та температурними датчиками. В даний час масштаби проекту розширюються, і бездротова сенсорна мережа встановлюється на полігоні розміром 10 000x500 м. Відповідне прикладне програмне забезпечення розробляється кількома американськими університетами.

Бездротові сенсорні мережі: огляд

Акулдіз І.Ф.

Переклад з англійської: Левжинський А.С.

Анотація

Стаття описує концепції сенсорних мереж, реалізація яких стала можливою внаслідок об'єднання міктроелектро-механічних систем, бездротового зв'язку та цифрової електроніки. Вивчено завдання та потенціал сенсорних мереж, зроблено огляд фактів, що впливають на їх розробку. Також розглянуто архітектуру побудови сенсорних мереж, розроблені алгоритми та протоколи для кожного шару архітектури. У статті досліджено питання щодо реалізації сенсорних мереж.

1. Введення

Останні досягнення в галузі технологій мікро-електро-механічних систем (MEMS), бездротового зв'язку та цифрової електроніки дозволили створювати недорогі, малопотужні, багатофункціональні моти (вузли), вони невеликі та спілкуються безпосередньо один з одним. Сенсорні мережі засновані на спільній роботі великої кількості крихітних вузлів, які складаються з модулів збору та обробки даних передавача. Такі мережі мають значні переваги перед набором традиційних датчиків. Ось дві ключові особливості традиційних датчиків: Датчики можуть бути розташовані далеко від явища, що спостерігається. При такому підході потрібно багато датчиків, які використовують деякі складні методи, щоб виділити цілі шуму.
Можна розгорнути кілька датчиків, які виконують лише збирання даних. Ретельно розробити позиції датчиків та топологію. Вони будуть передавати спостереження до центральних вузлів, де й будуть виконуватися збір та обробка даних.
Сенсорна мережа складається з великої кількості вузлів (мотів), які густо розташовані близько до явища, що спостерігається. Положення мотів не потрібно попередньо розраховувати. Це дозволяє випадково розташовувати їх у важкодоступних місцевостях або використовувати для операцій з надання допомоги, які потребують швидкого реагування. З іншого боку, це означає, що мережеві протоколи та алгоритми роботи мотів повинні мати можливість самоорганізації. Ще однією унікальною особливістю сенсорних мереж є спільна робота окремих вузлів. Моти оснащені процесором. Тому замість передачі вихідних даних вони можуть їх обробляти, виконуючи прості обчислення і передавати далі тільки необхідні і частково оброблені дані. Описані особливості забезпечують широкий спектр застосування сенсорних мереж. Такі мережі можна застосовувати у охороні здоров'я, для військових потреб та безпеки. Наприклад, фізіологічні дані про пацієнта може контролюватись віддалено лікарем. Це зручно як пацієнта, і дозволяє лікарю зрозуміти його поточний стан. Сенсорні мережі можуть бути використані для виявлення сторонніх хімічних агентів у повітрі та воді. Вони можуть допомогти визначити тип, концентрацію та розташування забруднювачів. По суті, сенсорні мережі дозволяють краще зрозуміти довкілля. Ми припускаємо, що в майбутньому бездротові сенсорні мережі будуть невід'ємною частиною нашого життя, більш ніж сучасних персональних комп'ютерів. Реалізація цих та інших проектів, які потребують використання бездротових сенсорних мереж, потребують спеціальних методів. Багато протоколи та алгоритми були розроблені для традиційних бездротових однорангових мереж, тому вони не дуже добре підходять для унікальних особливостей та вимог сенсорних мереж. Наведемо відмінності сенсорних та однорангових мереж: Кількість вузлів сенсорної мережі може бути на кілька порядків вищою, ніж вузлів в одноранговій мережі.
Вузли щільно розташовані.
Вузли схильні до збоїв.
Топологія сенсорних мереж може часто змінюватися
Вузли в основному використовують широкомовні повідомлення, тоді як більшість однорангових мереж засновані на зв'язку "крапка-крапка".
Вузли обмежені в живленні, обчислювальних потужностях та пам'яті.
Вузли не можуть мати глобальний ідентифікаційний номер (ІН) через велику кількість накладних витрат та велику кількість датчиків.
Так як вузли в мережі розташовані щільно, сусідні вузли можуть бути дуже близько один до одного. Отже, multi-hop зв'язки у сенсорних мережах споживатимуть менше енергії, ніж прямі зв'язки. Крім того, можна використовувати низьку потужність сигналу передачі даних, що корисно у прихованих спостереженнях. Multi-hop зв'язку можуть ефективно долати деякі труднощі при поширенні сигналу на далекі відстані бездротового зв'язку. Одним із найважливіших обмежень для вузлів є мале споживання енергії. Моти мають обмежені джерела енергії. Отже, тоді як традиційні мережі спрямовані досягнення високої якості сигналу, мережеві протоколи мотов повинні зосередитися головним чином збереження енергії. Вони повинні мати механізми, які дають користувачеві можливість продовження часу життя мота за рахунок зниження пропускної здатності або збільшення часу затримки передачі даних. Багато дослідників в даний час беруть участь у розробці схем, які виконують ці вимоги. У цій статті ми зробимо огляд протоколів та алгоритмів, які існують в даний час для сенсорних мереж. Наша мета – надати найкраще розуміння поточних питань наукових досліджень у цій галузі. Ми також спробуємо дослідити обмеження, що накладаються на розробку, та виявити інструменти, які можна використовувати для вирішення задач проектування. Стаття організована так: у другому розділі ми опишемо потенціал і корисність сенсорних мереж. У розділі 3 ми обговоримо чинники, які впливають проектування таких мережі. Докладне дослідження існуючих методик у цій галузі розглянемо у розділі 4. І підіб'ємо підсумки у 5 розділі.

2. Застосування бездротових сенсорних мереж

Сенсорні мережі можуть складатися з різних типів датчиків, наприклад сейсмічних, датчиків визначення магнітного поля, теплових, інфрачервоних, акустичних, які можуть здійснювати найрізноманітніші вимірювання умов навколишнього середовища. Наприклад, такі як:
температура,
вологість,
автомобільний рух,
стан блискавки,
тиск,
склад ґрунту,
рівень шуму,
наявність або відсутність деяких об'єктів,
механічне навантаження
динамічні характеристики, такі як швидкість, напрямок та розмір об'єкта.
Моти можуть використовуватися для безперервного зондування, виявлення та ідентифікації подій. Концепція мікрозондування та бездротове з'єднання обіцяють багато нових областей застосування для таких мереж. Ми класифікували їх за основними напрямками: військове застосування, дослідження довкілля, охорона здоров'я, використання у будинках та інших комерційних галузях. Але можна розширити цю класифікацію та додати більше категорій, наприклад дослідження космічного простору, хімічну обробку та ліквідацію наслідків стихійних лих.

2.1. Військове застосування

Бездротові сенсорні мережі можуть бути невід'ємною частиною військового управління, зв'язку, розвідки, спостереження та систем орієнтування (C4ISRT). Швидке розгортання, самоорганізації та стійкість до відмов - це характеристики сенсорних мереж, які роблять їх перспективним інструментом для вирішення поставлених завдань. Оскільки сенсорні мережі можу бути засновані на щільному розгортанні одноразових і дешевих вузлів, то знищення деяких з них під час військових дій не вплине на військову операцію так, як знищення традиційних датчиків. Тому використання сенсорних мереж краще підходить для битв. Перелічимо ще деякі способи застосування таких мереж: моніторинг озброєння та боєприпасів дружніх сил, спостереження за боєм; орієнтація біля; оцінка збитків від битв; виявлення ядерних, біологічних та хімічних атак. Моніторинг дружніх сил, озброєння та боєприпасів: лідери та командири можуть постійно контролювати стан своїх військ, стан та наявність обладнання та боєприпасів на полі бою за допомогою сенсорних мереж. До кожного транспортного засобу, обладнання та важливих боєприпасів можуть бути прикріплені датчики, які повідомляють їхній статус. Ці дані збираються разом у ключових вузлах, і направляються керівникам. Дані можуть бути переадресовані на верхні рівні ієрархії командування для об'єднання з даними з інших частин. Спостереження бою: критичні ділянки, шляхи, маршрути та протоки можуть бути швидко покриті сенсорними мережами вивчення діяльності сил противника. Під час операцій або після розробки нових планів сенсорні мережі можуть бути розгорнуті будь-коли для спостереження за боєм. Розвідка сил противника та місцевості: Сенсорні мережі можуть бути розгорнуті на критичних територіях, і можуть бути зібрані протягом кількох хвилин цінні, докладні та своєчасні дані про сили противника та місцевості, перш ніж ворог зможе їх перехопити. Орієнтація: Сенсорні мережі можуть бути використані в системах наведення інтелектуальних боєприпасів. Оцінка збитків після бою: безпосередньо перед або після нападу сенсорні мережі можуть бути розгорнуті в цільовій області для збору даних про оцінку збитків. Виявлення ядерних, біологічних та хімічних атак: при застосуванні хімічної чи біологічної зброї, використання якої близько до нуля, важливе значення мати своєчасне та точне визначення хімічних агентів. Можуть бути використані сенсорні мережі як системи запобігання хімічним або біологічним атакам і дані зібрані в короткий термін допоможуть різко зменшити кількість жертв. Також можна використовувати сенсорні мережі для детальної розвідки після виявлення таких атак. Наприклад, можна здійснювати розвідку у разі радіаційних заражень, не піддаючи людей радіації.

2.2. Екологічне застосування

Деякі з напрямів в екології, де застосовують сенсорні мережі: відстеження руху птахів, дрібних тварин та комах; моніторинг стану навколишнього середовища з метою виявлення його впливу на сільськогосподарські культури та худоби; зрошення; широкомасштабний моніторинг землі та дослідження планет; хімічне/біологічне виявлення; виявлення лісових пожеж; метеорологічні чи геофізичні дослідження; виявлення повеней; та дослідження забруднення. Виявлення лісових пожеж: оскільки моти можуть бути стратегічно і щільно розгорнуті в лісі, вони можуть ретранслювати точне походження вогню до того, як пожежа стане неконтрольованою. Мільйони датчика можуть бути розгорнуті на постійній основі. Вони можуть бути оснащені сонячними батареями, тому що вузли можуть бути залишені без нагляду на місяці і навіть роки. Моти будуть працювати спільно для виконання завдань розподіленого зондування та подолання перешкод, таких як дерева та скелі, які блокують роботу провідних датчиків. Відображення біологічного стану навколишнього середовища: вимагає складних підходів до інтеграції інформації в часових та просторових масштабах. Прогрес у галузі технології дистанційного зондування та автоматизований збір даних дозволили значно знизити витрати на дослідження. Перевага даних мереж у тому, що вузли можуть бути з'єднані з Інтернетом, що дозволяє віддаленим користувачам здійснювати контроль, моніторинг та спостереження за довкіллям. Хоча супутникові та бортові датчики є корисними у спостереженні за великою різноманітністю, наприклад, просторової складності видів домінуючих рослин, вони не дозволяють спостерігати за дрібними елементами, які становить більшу частину екосистеми. В результаті виникає потреба у розгортанні на місцях вузлів бездротових сенсорних мереж. Одним із прикладів застосування є складання біологічної карти навколишнього середовища в заповіднику в Південній Каліфорнії. Три ділянки покриті мережею, у кожній з яких по 25-100 вузлів, які використовуються для постійного спостереження за станом навколишнього середовища. Виявлення повеней: прикладом виявлення повеней є система оповіщення США. Декілька типів датчиків, розміщених у системі оповіщення, визначають рівень опадів, рівень води та погоду. Науково-дослідні проекти, такі як COUGAR Device Database Project в Корнельському університеті та проект DataSpace в Університеті Rutgers, вивчають різні підходи до взаємодії з окремими вузлами в мережі для отримання знімків та даних, що довго збираються. Сільське господарство: перевагою сенсорних мереж також є можливість контролювати рівень пестицидів у воді, рівень ерозії ґрунту та рівень забруднення повітря у режимі реального часу.

2.3. Застосування у медицині

Одним із застосувань у медицині є пристрої для інвалідів; моніторинг пацієнтів; діагностика; моніторинг використання медикаментів у лікарнях; збирання фізіологічних даних людини; та моніторингу лікарів та пацієнтів у лікарнях. Моніторинг фізіологічного стану людини: фізіологічні дані, зібрані сенсорними мережами, можуть зберігатися протягом тривалого часу і можуть використовуватися для медичного дослідження. Встановлені вузли мережі можуть також відстежувати рухи людей похилого віку і, наприклад, попереджати падіння . Ці вузли невеликі і забезпечують пацієнту більшу свободу пересування, водночас дозволяють лікарям виявити симптоми хвороби заздалегідь. Крім того, вони сприяють забезпеченню більш комфортного життя для пацієнтів у порівнянні з лікуванням у лікарні. Для перевірки можливості такої системи на факультеті медицини Grenoble-France було створено “Здоровий розумний дім”. . Моніторинг лікарів та пацієнтів у лікарні: кожен пацієнт має невеликий та легкий вузол мережі. Кожен вузол має своє завдання. Наприклад, один може стежити за серцевим ритмом, тоді як інший знімає показання артеріального тиску. Лікарі можуть мати такий вузол, він дозволить іншим лікарям знайти їх у лікарні. Моніторинг медикаментів у лікарнях: Вузли можуть бути приєднані до ліків, тоді шанси видачі неправильних ліків можуть бути зведені до мінімуму. Так, пацієнти матимуть вузли, які визначають їхню алергію та необхідні ліки. Комп'ютеризовані системи показали, що вони можуть допомогти звести до мінімуму побічні ефекти від помилкової видачі препаратів.

2.4. Застосування в будинку

Автоматизація будинку: смарт-вузли можуть бути інтегровані в побутові прилади, наприклад, у пилососи, мікрохвильові печі, холодильники та відеомагнітофони. Вони можуть взаємодіяти один з одним та із зовнішньою мережею через Інтернет або супутник. Це дозволить кінцевим користувачам легко керувати пристроями вдома як локально, так і віддалено. Розумне навколишнє середовище: дизайн смарт-середовища може мати два різні підходи, тобто орієнтований на людину або на технології. У разі першого підходу смарт-середовище має адаптуватися до потреб кінцевих користувачів з точки зору взаємодії з ними. Для технологічно-центрованих систем повинні бути розроблені нові апаратні технології, мережеві рішення, і проміжні додатки. Приклади того, як вузли можуть бути використані для створення смарт-середовища описано в . Вузли можуть бути вбудовані в меблі та техніку, вони можуть спілкуватися один з одним та сервером кімнати. Сервер кімнати може також спілкуватися з іншими серверами кімнат, щоб дізнатися про послуги, які можуть запропонувати, наприклад, друк, сканування та робота з факсом. Ці сервери і сенсорні вузли можуть бути інтегровані в існуючі пристрої, що вбудовуються і складати самоорганізуються, саморегульовані і адаптивні системи, засновані на моделі теорії управління, як описано в роботі .

3. Чинники, що впливають розробку моделей сенсорних мереж.

Розробка сенсорних мереж залежить від багатьох факторів, які включають відмовостійкість, масштабованість, витрати виробництва, вид операційного середовища, топологію сенсорної мережі, апаратні обмеження, модель передачі інформації та споживання енергії. Ці чинники розглядаються багатьма дослідниками. Однак у жодному з цих досліджень повністю не враховано всі чинники, які впливають розробку мереж. Вони важливі, оскільки служать орієнтиром розробки протоколу чи алгоритмів роботи сенсорних мереж. Крім того, ці фактори можуть бути використані для порівняння різних моделей.

3.1. Відмовостійкість

Деякі вузли можуть вийти з ладу через відсутність енергії, фізичні ушкодження або стороннє втручання. Відмова вузла не може вплинути на роботу сенсорної мережі. Це питання надійності та відмовостійкості. Відмовостійкість - здатність підтримувати функціональність сенсорної мережі без збоїв при виході з ладу вузла. Надійність Rk(t) або відмовостійкості вузла моделюється за допомогою розподілу Пуассона для визначення ймовірності відсутності несправності вузла в період часу (0; t) Варто звернути увагу на те, що протоколи та алгоритми можуть бути орієнтовані на рівень відмовостійкості, необхідний для побудови сенсорних мереж . Якщо середовище, в якому вузли розміщені мало піддається втручанням, протоколи можуть бути менш отакзоустойчивыми. Наприклад, якщо вузли впроваджуються в будинок, щоб стежити за вологістю і рівнем температури, вимоги до стійкості до відмови може бути низьким, оскільки такого роду сенсорні мережі не можуть вийти з ладу і «шум» навколишнього середовища не впливає на їх роботу. З іншого боку, якщо вузли використовуються на полі бою для спостереження, то стійкість до відмови повинна бути високою, оскільки спостереження є критично важливими і вузли можуть бути знищені під час військових дій. В результаті, рівень стійкості до відмови залежить від застосування сенсорних мереж і моделі повинні бути розроблені з урахуванням цього.

3.2. Масштабованість

Кількість вузлів розгорнутих вивчення явища може бути близько сотень чи тисяч. Залежно від програми, число може досягати екстремальних значень (мільйонів). Нові моделі повинні мати можливість працювати з цим числом вузлів. Вони також повинні використовувати високу щільність сенсорних мереж, яка може змінюватись від декількох вузлів до кількох сотень на ділянці, яка може бути менше 10 м в діаметрі. Щільність може бути розрахована відповідно до ,

3.3. Витрати виробництва

Так як сенсорні мережі складаються з великої кількості вузлів, вартість одного вузла повинна бути такою, щоб виправдати загальну вартість мережі. Якщо вартість мережі вища, ніж розгортання традиційних датчиків, вона не економічно виправдана. В результаті, вартість кожного вузла має бути низькою. Зараз вартість вузла з використанням Bluetooth-передавача менше 10 $. Ціна на PicoNode в районі 1 $. Отже, вартість вузла сенсорної мережі має бути набагато меншою, ніж 1$ для економічної виправданості їх використання. Вартість Bluetooth-вузла, який вважається дешевим пристроєм, у 10 разів вища, ніж середні ціни на вузли сенсорної мережі. Зверніть увагу, що вузол також має деякі додаткові модулі, такі як модуль збору даних та модуль обробки даних (описано в розділі 3.4.) Крім того, вони можуть бути обладнані системою визначення місцезнаходження або силовим генератором залежно від застосування сенсорних мереж. В результаті вартість вузла - складне питання, враховуючи кількість функціональних можливостей навіть за ціни менше 1$.

3.4. Апаратні особливості

Вузол сенсорних мереж складаються із чотирьох основних компонентів, як показано на рис. 1: блок збору даних, блок обробки, передавач та блок живлення. Наявність додаткових модулів залежить від застосування мереж, наприклад можуть бути модулі визначення місцезнаходження, силовий генератор і мобілізатор (MAC). Модуль збору даних, як правило, складаються з двох частин: датчики та аналого-цифрової перетворювачів (АЦП). Аналоговий сигнал, що генерується датчиком на основі явища, що спостерігається, перетворюється в цифровий сигнал за допомогою АЦП, а потім подається в блок обробки. Модуль обробки, який використовує інтегровану пам'ять, управляє процедурами, які дозволяють спільно з іншими вузлами виконувати поставлені завдання спостереження. Блок передавача (трансівер) з'єднує вузол із мережею. Одним із найважливіших компонентів вузла є блок живлення. Блок живлення може мати можливість заряджання, наприклад, використовуючи сонячні батареї.

Більшості вузлів, що передають дані та збирають дані, необхідно знати своє місцезнаходження з високою точністю. Тому в загальну схему включений модуль позиціонування. Іноді може знадобитися мобілізатор, який за потреби переміщує вузол, коли це необхідно для виконання поставлених завдань. Всі ці модулі, можливо, знадобиться розмістити в корпус розміром із сірникову коробку . Розмір вузла може бути меншим за кубічний сантиметр і досить легким, щоб залишатися в повітрі. Крім розміру є деякі інші жорсткі обмеження для вузлів. Вони повинні :
споживають дуже мало енергії,
працювати з великою кількістю вузлів на малих відстанях,
мати низьку вартість виробництва
бути автономними та працювати без нагляду,
адаптуватися до довкілля.
Оскільки вузли можуть бути недоступними, життя сенсорної мережі залежить від живлення окремих вузлів. Харчування обмежений ресурс і через обмеження за розміром. Наприклад, загальний запас енергії смарт-вузла становить близько 1 Дж. Для бездротової інтегрованої мережі датчиків (WINS) середній рівень заряду для забезпечення тривалого часу роботи повинен бути менше 30 LA. Можливо, продовжити термін служби сенсорних мереж використовуючи батареї, що підзаряджаються , наприклад, отримуючи енергію з навколишнього середовища. Сонячні батареї – яскравий приклад використання підзарядки. Модуль передачі даних вузла може бути пасивним або активним оптичним пристроєм, як смарт-вузлі або радіочастотним (RF) передавачем. Для радіочастотної передачі потрібен модуль модуляції, який використовує певну смугу пропускання, модуль фільтрації, демодуляції, що робить їх більш складними і дорогими. Крім того, можливі втрати при передачі даних між двома вузлами через те, що антени розташовані близько до землі. Тим не менш, радіозв'язок є кращим у більшості існуючих проектів сенсорних мереж, так як частот передачі даних низькі (як правило, менше 1 Гц), а частота циклів передачі висока через малі відстані. Ці характеристики дають змогу використовувати низькі радіочастоти. Проте, проектування енергоефективних і низькочастотних радіопередавачів, як і раніше, є технічно складним завданням, а існуючі технології, що використовуються при виробництві Bluetooth пристрою, не є достатньо ефективним для сенсорних мереж, оскільки споживають багато енергії. Хоча в даний час процесори постійно зменшують свої габарити і збільшують потужність, обробка і зберігання даних вузлом, як і раніше, є його слабким місцем. Наприклад, модуль обробки смарт-вузла складається з процесора 4 МГц Atmel AVR8535, мікроконтролера з 8 Кбайт для інструкцій, флеш-пам'яті, 512 байт RAM та 512 байт EEPROM. У цьому модулі, який має 3500 байт під ОС та 4500 байт вільної пам'яті під код, використовується операційна система TinyOS. Модуль обробки іншого прототипу вузла lAMPS має процесор SA-1110 із частотою 59-206 МГц. На вузлах IAMPS використовується багатопоточна операційна система L-OS. Більшість завдань збору даних вимагають знання позиції вузла. Оскільки вузли зазвичай розташовуються випадковим чином і без нагляду, вони повинні кооперуватися за допомогою системи позиціонування. Визначення розташування використовується у багатьох протоколах маршрутизації сенсорних мереж (докладніше у розділі 4). Дехто пропонує, щоб кожен вузол мав модуль системи глобального позиціонування (GPS), який працює з точністю до 5 метрів. У роботі стверджується, що оснащення всіх вузлів GPS не є обов'язковим для роботи сенсорних мереж. Є альтернативний підхід, де тільки деякі вузли використовують GPS і допомагають іншим вузлам визначити своє становище на місцевості.

3.5. Топологія мережі

Наявність того факту, що вузли можуть стати недоступними і схильні до частих збої, роблять обслуговування мережі складним завданням. Від сотні до кількох тисяч вузлів може бути розміщено біля сенсорної мережі. Вони розгортаються в десятці метрів один від одного. Щільність розташування вузлів може бути й вищою, ніж 20 вузлів на метр кубічний . Щільне розташування безлічі вузлів потребує ретельного обслуговування мережі. Ми розглянемо питання, пов'язані з обслуговуванням та зміною топології мережі у три етапи:

3.5.1. Попереднє розгортання та саме розгортання вузлів може полягати у масовому розкиді вузлів чи установці кожного окремо. Вони можуть бути розгорнуті:

Розкидом з літака,
за допомогою приміщення в ракету чи снаряд
викинуті за допомогою катапульти (наприклад, з корабля і т.д.),
розміщення на заводі
кожен вузол розміщений окремо людиною чи роботом.
Незважаючи на те, що величезна кількість датчиків та їх автоматичне розгортання зазвичай виключає розміщення їх відповідно до ретельно розробленого плану, схеми для початкового розгортання повинні:
скорочувати витрати на монтаж,
усувати необхідність у будь-якій попередній організації та попередньому плануванні,
підвищувати гнучкість розміщення,
сприяти самоорганізації та відмовостійкості.

3.5.2. Фаза після розгортання мережі

Після розгортання мережі зміна її топології пов'язана зі зміною характеристик вузлів . Перерахуємо їх:
становище,
доступність (через перешкоди, шум, переміщення, що рухаються, і т.д.),
заряду батареї,
несправності
зміна поставлених завдань.
Вузли можуть бути розгорнуті статично. Однак, відмова пристроїв є звичайним явищем у зв'язку з розрядженням батареї або знищення. Можливі сенсорні мережі із високою рухливістю вузлів. Крім того, вузли та мережі виконують різні завдання і можуть бути піддані навмисним перешкодам. Таким чином, структура сенсорної мережі схильна до частих змін після розгортання.

3.5.3. Фаза розгортання додаткових вузлів

Додаткові вузли можуть бути додані у будь-який момент для заміни несправних вузлів або у зв'язку із зміною завдань. Додавання нових вузлів створює необхідність реорганізації мережі. Боротьба з частими змінами в топології однорангової мережі, що містить безліч вузлів і має дуже жорсткі обмеження щодо енергоспоживання, потребує спеціальних протоколів маршрутизації. Це питання докладніше розглянуто у розділі 4.

3.6. Довкілля

Вузли щільно розташовуються дуже близько або безпосередньо всередині явища, що спостерігається. Таким чином вони працюють без нагляду у віддалених географічних районах. Вони можуть працювати
на жвавих перехрестях,
усередині великих машин,
на дні океану,
всередині торнадо,
на поверхні океану під час торнадо,
у біологічно та хімічно забруднених областях
у полі бою,
у будинку або велика будівля,
на великому складі,
прикріпленими до тварин,
прикріпленими до швидко рухомих транспортних засобів
в каналізації або річці разом із потоком води.
Цей перелік дає уявлення у тому, за яких умов вузли можуть працювати. Вони можуть працювати під високим тиском на дні океану, в суворих умовах, серед сміття або в полі бою, при екстремальних температурах, наприклад, у соплі двигуна літака або в арктичних регіонах, у дуже галасливих місцях, де багато перешкод.

3.7. Способи передачі даних

У сенсорній мережі multi-hop вузли спілкуються за допомогою бездротового зв'язку. Зв'язок може здійснюватись за допомогою радіо, ІЧ-порту або оптичних носіїв. Для того щоб глобально використовувати ці способи середовище передачі має бути доступним у всьому світі. Один із варіантів радіозв'язку є використання промислових, наукових та медичних смуг (ISM), які доступні без ліцензій у більшості країн. Деякі види частот, які можуть бути використані, описані у міжнародній таблиці частот, що міститься у статті S5 про регламент радіозв'язку (том 1). Деякі з цих частот вже використовуються в бездротовій телефонії та бездротових локальних мережах (WLAN). Для сенсорних мереж малого розміру та низької вартості підсилювач сигналу не потрібен. Згідно апаратні обмеження і знаходження компромісу між ефективністю антени і споживанням енергії накладають певні обмеження на вибір частоти передачі в діапазоні надвисоких частот. Вони також пропонують використання частоти 433 МГц ISM у Європі та 915 МГц ISM у Північній Америці. Можливі моделі передавачів цих двох зон розглядаються в . Основними перевагами використання радіо частот ISM є широкий спектр частот та доступність у всьому світі. Вони не прив'язані до конкретного стандарту, цим дають більшу свободу для реалізації енергозберігаючих стратегій у сенсорних мережах. З іншого боку, існують різні правила та обмеження, такі як різні закони та перешкоди від існуючих додатків. Ці смуги частот називають нерегульованими частотами. Більшість із сучасного обладнання для вузлів ґрунтується на використанні радіопередавачів. Бездротові вузли IAMPS, описаної в , використовує Bluetooth-сумісні передавачі з частотою 2,4 ГГц та мають інтегрований синтезатор частоти. Пристрій малопотужних вузлів описано в роботі, вони використовує один канал радіопередачі, який працює на частоті 916МГц. В архітектурі WINS також використовується радіозв'язок. Іншим можливим способом зв'язку в сенсорних мережах є ІЧ-порт. ІЧ-зв'язок доступний без ліцензії та захищений від перешкод електричних приладів. ІЧ-передавачі дешевше та простіше у виробництві. Багато хто з сьогоднішніх ноутбуків, КПК та мобільних телефонів використовують ІЧ-інтерфейс для передачі даних. Основним недоліком такого зв'язку, це вимога прямої видимості між відправником та одержувачем. Це робить інфрачервоний зв'язок небажаним для використання в сенсорних мережах з-за середовища передачі. Цікавий спосіб передачі використовують смарт-вузл, які є модулями автоматичного моніторингу та обробки даних. Вони використовують передачі оптичне середовище. Є дві схеми передачі, пасивна з використанням corner-cube retroreflector (CCR) та активна з використанням лазерного діода та керованих дзеркал (розглянуто в ). У першому випадку не потрібне інтегроване джерело світла, для передачі сигналу використовується конфігурація трьох дзеркал (CCR). Активний метод використовує лазерний діод і систему активного лазерного зв'язку для відправки світлових променів передбачуваному приймачеві. Незвичайні вимоги до застосування сенсорних мереж роблять вибір середовища передачі складним. Наприклад, морські програми вимагають використання водному середовищі передачі. Тут потрібно використовувати довгохвильові випромінювання, які можуть проникати крізь поверхні води. У важкодоступній місцевості або на полі бою можуть виникнути помилки та перешкоди. Крім того може виявитися, що антени вузлів не мають потрібної висотою і потужністю випромінювання для зв'язку з іншими пристроями. Отже, вибір середовища, що передає, повинні супроводжуватися надійними схемами модуляції і кодування, що залежати від характеристик передавального каналу.

3.8. Потужність споживання

Бездротовий вузол, будучи мікроелектронним пристроєм, може бути обладнаний лише обмеженим джерелом живлення (

3.8.1. Зв'язок

Вузол витрачає максимум енергії на зв'язок, який передбачає як передачу, і прийом даних. Можна сказати, що для зв'язку на невеликі відстані з малою потужністю випромінювання передача та прийом вимагають приблизно однакової кількості енергії. Синтезатори частот, осцилятори керування напругою, фази блокування (PLL) та підсилювачі потужності, все це потребує енергії, ресурси якої обмежені. Важливо, що ми не розглядаємо лише активну потужність, також розглядається і споживання електроенергії під час запуску передавачів. Запуск передавача займає частки секунди, тому при цьому споживається дуже мала кількість енергії. Це значення можна порівняти з часом блокування PLL. Однак, при зменшенні пакета, що передається, потужність запуску починає домінувати в споживанні енергії. Через війну, неефективно завжди вмикати і вимикати передавач, т.к. Більшість енергії піде саме цього. В даний час радіопередавачі з низьким енергоспоживанням мають стандартні значення Pt і Pr на рівні 20 дБм та Pout близький до 0 дБм. Зауважте, що PicoRadio спрямоване на Pc становить -20 дБм. Дизайн малогабаритних, недорогих передавачів обговорюється в джерелі . Грунтуючись на їх результатах, автори цієї статті, враховуючи бюджет та оцінки енергоспоживання, вважають, що значення Pt і Pr повинні бути щонайменше на порядок менші, ніж значення, наведені вище.

3.8.2. Обробка даних

Витрата енергії при обробці даних значно менша порівняно з передачею даних. Приклад, описаний у роботі, фактично ілюструє цю невідповідність. Ґрунтуючись на теорії Релея, що при передачі чверть потужності втрачається, можна зробити висновок про те, що витрата енергії на передачу 1 КБ на відстань 100 м буде приблизно такою самою, що і на виконання 3 мільйонів інструкцій зі швидкістю 100 мільйонів інструкцій на секунду (MIPS )/W процесором. Отже, локальна обробка даних має вирішальне значення для мінімізації споживання енергії multi-hop сенсорної мережі. Тому вузли повинні мати вбудовані обчислювальні можливості та бути здатними взаємодіяти з оточенням. Обмеження вартості та розміру призведе нас до вибору напівпровідників (CMOS) як основна технолога для мікропроцесорів. На жаль, вони мають обмеження на ефективність використання енергії. CMOS вимагає енергії щоразу при зміні стану. Енергія, необхідна зміну станів, пропорційна частоті перемикань, ємності (залежить від площі) і коливанням напруги. Отже, зменшення напруги є ефективним засобом зниження споживання енергії в активному стані. Динамічне масштабування напруги розглянуте в , прагне адаптувати живлення та частоту процесора відповідно до робочого навантаження. Коли мікропроцесор знижується обчислювальна навантаження, просте скорочення частоти дає лінійне зменшення споживаної енергії, проте, зменшення робочої напруги дає нам квадратичне зниження энергозатрат. З іншого боку, не буде використовуватися вся можлива продуктивність процесора. Це дасть результат, якщо взяти до уваги те, що пікова продуктивність не завжди потрібна і тому, робоча напруга і частота процесора може бути динамічно адаптована до вимог обробки. В автори пропонують схеми передбачення робочого навантаження, що базується на адаптивній обробці існуючих профілів навантаження та на аналізі кількох вже створених схем. Інші стратегії зниження потужності процесора обговорюються у . Слід зазначити, що можуть використовуватися додаткові схеми кодування та декодування даних. Інтегральні схеми також можуть використовуватись у деяких випадках. У всіх цих сценаріях структура сенсорної мережі, алгоритми роботи та протоколи залежать від відповідних енерговитрат.

4. Архітектура сенсорних мереж

Вузли, як правило, розташовані випадково по всій території спостереження. Кожен з них може здійснювати збір даних і знає маршрут передачі даних у центральний вузол, кінцевому користувачеві. Дані передаються за допомогою multi-hop архітектури мережі. Центральний вузол може спілкуватися з менеджером завдань через Інтернет чи супутник. Стек протоколів, використовуваний центральним вузлом та рештою вузлів, наведено на рис. 3. Стек протоколів включають інформацію про потужність та інформацію про маршрути, містить дані про мережеві протоколи, допомагає ефективно спілкуватися за допомогою бездротового середовища, і сприяє спільній роботі вузлів. Стек протоколів складається з рівня додатків, транспортного рівня, мережного рівня, канального рівня, фізичного рівня, шару управління живленням, шару управління мобільністю та шару планування завдань. Залежно від завдань збору даних, різні види прикладного програмного забезпечення можуть бути побудовані на рівні додатків. транспортний рівень допомагає підтримувати потік даних, якщо це потрібно. Мережевий рівень забезпечує маршрутизацію даних, наданих транспортним рівнем. Оскільки середовище має сторонні шуми та вузли можуть бути переміщені, протокол MAC повинен мінімізувати виникнення колізій при передачі між сусідніми вузлами. Фізичний рівень відповідає за можливість передачі інформації. Ці протоколи допомагають вузлам виконувати завдання економії електроенергії. Шар управління живленням визначає, як вузол повинен використовувати енергію. Наприклад, вузол може відключити приймач після отримання повідомлення одного зі своїх сусідів. Це допоможе уникнути отримання дубліката повідомлення. Крім того, коли вузол має низький заряд батареї, він передає своїм сусідам інформацію про те, що не може брати участь у маршрутизації повідомлень. Усю енергію, що залишилася, він буде використовувати для збору даних. Шар управління мобільністю (MAC) визначає і реєструє пересування вузлів, тому завжди існує маршрут передачі даних у центральний вузол і вузли можуть визначати своїх сусідів. А знаючи своїх сусідів вузол може збалансувати енергоспоживання, працюючи спільно з ними. Менеджер завдань планує та складає розклади збору інформації для кожного регіону окремо. Не всі вузли в одному регіоні необхідні для виконання завдань зондування одночасно. Як результат, деякі вузли виконують більше завдань, ніж інші, це залежить від їхньої потужності. Ці всі шари та модулі необхідні для того, щоб вузли працювали разом і прагнули максимальної енергоефективності, оптимізації маршруту передачі даних в мережі, а також спільно використовували ресурси один одного. Без них кожен вузол працюватиме індивідуально. З точки зору всієї сенсорної мережі ефективніше, якщо вузли працюватимуть спільно один з одним, що сприяє продовженню життя самих мереж. Перш ніж обговорювати необхідність включення до протоколу модулів і верств управління, ми розглянемо три існуючі роботи , присвячених стеку протоколів, що показано малюнку 3. Модель WINS, розглянута у джерелі , у якій вузли об'єднані в розподілену мережі й маю доступом до Інтернет. Так як велика кількість вузлів мережі WINS розташовані на малій відстані один від одного, то multi-hop зв'язку зводять споживання енергії до мінімуму. Отримані вузлом відомості про навколишнє середовище послідовно направляються у центральний вузол або шлюз WINS через інші вузли так, як це показано на рис 2 для вузлів A, B, C, D та Е. Шлюз WINS спілкується з користувачем через звичайні мережеві протоколи, такі як Інтернет . Стек протоколів мережі WINS складається з рівня додатків, мережного рівня, MAC-шару та фізичного рівня. Смарт-вузли (або порошинки) . Дані вузли можуть бути приєднані до об'єктів або навіть парити в повітрі завдяки їх невеликим розмірам і вазі. Вони використовують технологію MEMS для оптичного зв'язку та збору даних. Пилинки можуть мати сонячні батареї для заряджання протягом дня. Вони вимагають прямої видимості для зв'язку з оптичним передавачем базової станції або іншої порошинки. Порівнюючи архітектуру мережі з порошинками з представленої малюнку 2, можна сказати, що смарт-вузли, зазвичай, безпосередньо пов'язується з передавачем базової станції, але зв'язок одна до нього також можлива. При іншому підході до розробки протоколів та алгоритмів для сенсорних мереж зумовлений вимогами фізичного рівня. Протоколи та алгоритми повинні бути розроблені відповідно до вибору фізичних компонентів, таких як тип мікропроцесорів та тип приймачів. Такий підхід («знизу вгору») використовується в моделі IAMPS і також розглядає залежність рівня додатків, мережевого рівня, MAC-шару та фізичного рівня від апаратної начинки вузла. Вузли IAMPS точно також взаємодіють з кінцевим користувачем, як і в архітектурі, показаній на малюнку 2. Різні схеми, наприклад, з тимчасовим поділом каналів (TDMA) або з частотним поділом каналів (FDMA) і бінарною модуляцією або М-модуляцей порівнюються в джерелі . Підхід «знизу нагору» означає, що алгоритми вузла повинні знати апаратні засоби та використовувати можливості мікропроцесорів та передавачів для мінімізації споживання енергії. Це може спричинити розробку різних конструкцій вузла. А різні конструкції вузлів призведуть до різних типів сенсорних мереж. Що, у свою чергу, приведе до розробки різних алгоритмів їх роботи.

Література

GD. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) 36–40.
J. Agre, L. Clare, An integrated architecture for cooperative sensing networks, IEEE Computer Magazine (May 2000) 106–108.
I.F. Akyildiz, W. Su, A Power Aware Enhanced Routing (PAER) протокол для sensor networks, Georgia Tech Technical Report, January 2002, submitted for publication.
A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP для мобільних hosts, Процедури 15-ї Міжнародної конференції на Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995, pp. 136-143.
P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Mobile patient: Wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on lifetime sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, Finland, June 2001.
P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the physical world, IEEE Personal Communications (October 2000) 10–15.

Максим Сергієвський

Таблиця 1. Характеристики радіопередачі даних для IEEE 802.15.4

Смуга частот, МГц	Чи потрібна ліцензія	Географічний регіон	Швидкість передачі, Кбіт/с	Число каналів

Таблиця 2. Основні характеристики мотів різних виробників

Параметри
Мікроконтролер
Процесор	Texas Instruments MSP430
Тактова частота	Від 32,768 кГц до 8 МГц
Оперативна пам'ять
Flash-пам'ять
Приймач
		Cypress WirelessUSBTM LP
Діапазон частот	2400-2483,5 МГц		2400-2483,5 МГц
Швидкість передачі даних		Від 15,625 до 250 Кбіт/с
Вихідна потужність	Від -24 до 0 дБм	Від -35 до 4 дБм	Від -28 до 3 дБм
Чутливість
			1 або 2 чіпи
Зовнішні інтерфейси
	12-розрядний, 7 каналів		10-розрядний, 3 канали
Цифрові інтерфейси	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Інші параметри
Напруга живлення	Від 0,9 до 6,5 В		Від 1,8 до 3,6 В

Температурний діапазон	Від –40 до 85 °C	Від 0 до 70 °C	Від 0 до 85 °C

Зазначимо, що інтегрованих сенсорних датчиків цих платах немає.

повна відсутність будь-яких кабелів - електричних, комунікаційних тощо;
можливість компактного розміщення або навіть інтеграції мотів до об'єктів довкілля;
надійність як окремих елементів, і, що найважливіше, всієї системи загалом; у ряді випадків мережа може функціонувати при справності лише 10-20% сенсорів (мотів);
відсутність необхідності у персоналі для монтажу та технічного обслуговування.

системи оборони та забезпечення безпеки;
контроль довкілля;
моніторинг промислового обладнання;
охоронні системи;
моніторинг стану сільськогосподарських угідь;
керування енергопостачанням;
контроль систем вентиляції, кондиціювання та освітлення;
пожежна сигналізація;
складський облік;
стеження за транспортуванням вантажів;
моніторинг фізіологічного стану людини;
Контроль персоналу.