Беспроводные сенсорные сети (БСС). Испытательное оборудованиеавтоматика и телемеханикафасовочное оборудование программное обеспечение Распределенные сенсорные сети

Практически все сферы жизни в 21 веке зависят от информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). Данными обмениваются не только люди, но и всевозможные интеллектуальные системы, мобильные телефоны, носимые устройства, банкоматы, датчики. К «Интернету вещей» уже подключены по меньшей мере 5 млрд устройств. Функционирование любых крупных комплексов — предприятий промышленности, энергетики, сельского хозяйства, торговых центров, музеев, офисов, жилых зданий — сопряжено с постоянным контролем ситуации на их территории. Чувствительные сенсоры в режиме реального времени следят за исправностью оборудования, организацией взаимодействия приборов между собой, предупреждают о необходимости их замены или о чрезвычайных ситуациях. При стремительно растущих объемах данных необходим простой и удобный способ обмена ими между устройствами и центрами обработки информации.

Версия для печати:

Беспров одные сенсорные сети (БСС, Wireless Sensor Networks), состоящие из беспроводных сенсоров и управляющих устройств и способные к самоорганизации с помощью интеллектуальных алгоритмов, демонстрируют масштабные перспективы использования для контроля здоровья человека, состояния окружающей среды, функционирования производственных и транспортных систем, учета различных ресурсов и др. В настоящем выпуске информационного бюллетеня представлены технологические тренды в области БСС, связанные с обеспечением постоянной работы беспроводных сенсоров и их применением в двух областях современной экономики - передовом производстве (advanced manufacturing) и «умной» энергетике (smart grid).

Самозарядные сенсорные устройства

Для развития беспроводных сенсорных сетей важно решить проблему их энергопитания. Перспективным трендом является создание долговечных автономных устройств с минимальным потреблением энергии - преобразованной из внешних источников.

Беспроводные сенсорные устройства могут, например, питаться от энергии радиосигнала, отправленного на них от какого‑либо передатчика (подобно устройствам радиочастотной идентификации (RFID) или бесконтактным смарт-картам). Эта энергия используется устройством как для подзарядки сенсора, так и для формирования ответного сигнала с информацией о текущем состоянии контролируемого объекта.

Другой способ - пассивное преобразование энергии из внешней среды (energy harvesting): солнечной (снаружи помещения при достаточно ясной погоде), тепловой, энергии механических вибраций (от работающих рядом приборов - сборочных аппаратов, конвейеров и т. п.), энергии вибраций самого сенсора (в случае с носимыми устройствами), фоновых радиоизлучений от окружающих электроприборов (в том числе Wi-Fi).

Эффекты За счет сокращения высокотоксичных отходов отработанных источников тока снижается негативное воздействие на окружающую среду. Применение самозарядных сенсорных устройств будет способствовать развитию беспроводных устройств «Интернета вещей», персонализированной медицины (носимые и вживляемые устройства, контролирующие показатели здоровья человека), а также экологически безопасных технологий (green technologies) в энергетике, промышленности (особенно в опасных производствах) и других областях.	Оценки рынка 30,1 млрд К 2020 году в мире будет 30,1 млрд беспроводных устройств. Потенциальная доля самозарядных устройств достигнет 30–65%. Максимальное проявление тренда прогнозируется в 2020–2030 гг.	Драйверы и барьеры Актуальность тренда постоянно растет благодаря миниатюризации беспроводных устройств и снижению их стоимости. Сдерживает развитие направления недостаточный у нынешних моделей беспроводных сенсоров объем энергии, преобразованной из внешней среды, необходимой для мониторинга состояния сложного оборудования и периодичной отправки информации в центр обработки данных.

Реализация передового производства на базе беспроводных сенсорных сетей

Нерациональное использование ресурсов и производственных мощностей, выработка большого количества загрязняющих окружающую среду отходов, отсутствие постоянного контроля состояния объектов на предприятиях - эти и другие проблемы современной промышленности стимулируют переход к модели передового производства (advanced manufacturing). Для него характерны использование новых материалов и экологически безопасных технологий (green technologies), а также повсеместное применение ИКТ и интеллектуальных систем, в частности робототехники и беспроводных сенсорных сетей.

Индустриальные беспроводные сенсорные сети (ИБСС, Industrial Wireless Sensor Networks) - важнейший фактор реализации передового производства. Для управления и контроля состояния объектов на предприятии (оборудования, конвейеров, сборочных аппаратов, реакторов) используется набор взаимосвязанных беспроводных сенсоров и информационных систем, которые обрабатывают данные с сенсоров и взаимодействуют с контролируемыми объектами с помощью управляющих устройств. Такая автоматизированная система реагирует на любые изменения показателей на предприятии, оповещает персонал об авариях и проблемных ситуациях, анализирует эффективность использования оборудования, оценивает уровень загрязнения окружающей среды и объемы производимых отходов.

Эффекты Реализация передового производства повысит эффективность, точность и гибкость управления процессами на больших предприятиях и качество выпускаемой продукции, решит вопросы оптимизации ресурсов и определения «узких мест». Минимизация рисков на производстве (за счет его большей автоматизации) и снижение выбросов существенно уменьшат промышленную нагрузку на окружающую среду.	Оценки рынка $3,8 млрд достигнет объем рынка индустриальных беспроводных сенсорных сетей в 2017 году. Массовое распространение ИБСС прогнозируется к 2017–2020 гг.	Драйверы и барьеры Развитие самозарядных сенсорных устройств, переход на цифровое управление производственным оборудованием, массовое внедрение роботизированных комплексов стимулируют развитие тренда. Недостаточный уровень стандартизации беспроводных сенсорных сетей, устаревшая ИКТ-инфраструктура на многих промышленных предприятиях замедляют переход к модели передового производства.

«Умные» энергосети

Глобальная проблема нерационального использования электроэнергии особенно актуальна для России. Большие затраты на генерацию электроэнергии увеличивают себестоимость производства продукции, что ложится двойным бременем на конечного потребителя. Для повышения эффективности и надежности энергосистем многие страны переходят к концепции «умных» энергосетей (smart grid).

Такая сеть управляет в режиме реального времени всеми подсоединенными к ней генерирующими источниками, магистральными и распределительными сетями и объектами, потребляющими электроэнергию. Для управления «умной» энергосетью используются беспроводные сенсорные сети, которые контролируют объемы энергопроизводства и энергопотребления на разных ее участках. С помощью информационных систем рассчитывается оптимальное распределение энергии в сети, строятся прогнозы на разные сезоны и периоды дня, синхронизируются выработка энергии и ее доставка, контролируется безопасность линий электропередач. Для повышения эффективности энергосети ее некритические элементы на время пониженной активности выключаются.

Эффекты Постоянный мониторинг и контроль устройств в энергосистеме снижает количество перебоев электроэнергии. Существенная экономия средств при ее производстве приводит к положительным эффектам для промышленности, социальной сферы и окружающей среды (сейчас в России доля энергетики в загрязнении воздуха составляет 26,8 % - максимальное значение в сравнении с другими сферами).	Оценки рынка $63 млрд составит к 2020 году объем мирового рынка технологий «умных» электроэнергетических сетей при среднегодовых темпах роста более 8 %. 2018–2025 гг. - период максимального проявления тренда.	Драйверы и барьеры Введение более строгих экологических норм и стандартов ускоряет развитие тренда. Подходящий момент для внедрения smart grid в России - планируемое обновление инфраструктурных объектов электроэнергетики. Усложняют переход к концепции smart grid большой масштаб отрасли, дороговизна и значительные временные затраты на ее технологическое обновление. Периодические отключения электростанций в ходе модернизации энергосетей представляют проблему для компаний-потребителей.

Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики () в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), данные Web of Science , Orbit , idc.com, marketsandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru и др.

Корпоративная версия технологии «Интернета вещей» (англ. Internet of Things, IoT) сегодня активно используется в промышленности. В рамках корпоративного «Интернета вещей» (англ. Enterprise Internet of Things, EIoT) применяются беспроводные сенсорные сети и средства управления, что открывает предприятиям новые возможности управления машинами и оборудованием. Беспроводные датчики, работающие от небольшого аккумулятора без подключения к проводной сети питания, в производственных условиях могут находиться в местах, совершенно недоступных для элементов управления предыдущих поколений.

EIoT повысил надежность, безопасность и комплексную совместимость систем и оборудования, что позволило удовлетворить самые жесткие требования к внедрению беспроводных технологий этого направления не только в промышленности, но и в сфере здравоохранения, финансовых услуг и т. д. EIoT учитывает потребности этих областей благодаря тому, что технические характеристики и элементы конструктивного исполнения устройств технологии этого нового направления намного превосходят аналогичные технологии IoT традиционных устройств, предназначенные для менее критических потребительских или коммерческих приложений.

Проблемы EIoT

Датчики и элементы управления с поддержкой EIoT могут работать практически в любом месте индустриальной среды, но до сих пор это скорее зависело от удачи, поскольку не каждое промышленное оборудование идеально подходит для использования в беспроводных сетях. Это связано с тем, что в развертывании IoT имеются два взаимосвязанных, но, на первый взгляд, противоречивых элемента:

Непосредственно сама беспроводная сеть устройств, которая устанавливается с использованием датчиков и элементов управления, связанных с технологией малого радиуса действия с низким уровнем потребления мощности.
Сеть IoT-датчиков, взаимодействующая с другим оборудованием, контроллерами и частями сети уже на большем расстоянии.

Рис. 1. Приложения, расположенные вдали от городских центров и традиционных телекоммуникационных услуг, для организации глобальной сети могут воспользоваться таким энергоэффективным коммуникационным протоколом, как LoRa

Именно невозможность надежной связи на больших расстояниях зачастую является наиболее существенным препятствием в условиях индустриальной среды. Эта проблема имеет простую причину: телекоммуникационная связь, которая осуществляется по проводным кабельным линиям или путем использования передачи сигналов через вышки сотовой связи, не всегда доступна в местах расположения промышленного оборудования. Кроме того, стоимость использования сервисов сотовой связи только для доставки нескольких пакетов данных от датчиков за один сеанс связи не имеет большого смысла как с экономической точки зрения, так и из чисто технических соображений. Кроме того, довольно часто возникает проблема энергоснабжения датчиков и устройств связи, которое весьма затруднительно организовать в отдаленных местах, где оборудование или инфраструктура не запитывается непосредственно от промышленной сети.

Несмотря на широкое покрытие сотовой связью населенных пунктов, в некоторых местах нет надежного сервиса для организации беспроводной связи. Это распространенная проблема для сельских районов и удаленных мест размещения промышленного оборудования, например отдельно расположенного оборудования нефтегазовой промышленности или трубопроводного транспорта, системы водоснабжения и удаления сточных вод (рис. 1) и др. Такие узлы также зачастую находятся далеко от ближайшего технического обслуживающего персонала, который проверяет надлежащее функционирование приборов. Иногда инженеру требуется целый рабочий день, а то и несколько, для того чтобы добраться до оборудования и осмотреть его. Нередко затруднительно и просто найти специалистов, желающих работать в таких отдаленных районах. Поскольку, ввиду ограниченного покрытия связью, датчики и элементы управления с поддержкой EIoT достаточно редки в удаленных объектах, то здесь на помощь приходят энергоэффективные сети дальнего радиуса действия (англ. low-power wide area network, LPWAN).

BLE и LPWAN

Наиболее широко используемой беспроводной технологией короткого радиуса действия в системах EIoT является технология Bluetooth с низким энергопотреблением - BLE (англ. Bluetooth low energy, также известная как Bluetooth Smart). Основная причина высокой популярности BLE для EIoT - его энергоэффективность, которая позволяет датчикам и элементам управления работать длительное время с очень малым расходом энергии батарей. BLE управляет циклами сна, дежурным режимом и активными циклами. BLE также широко используется из-за мощности его радиочастотного сигнала, который позволяет этой технологии эффективно работать даже в сложных средах с повышенным уровнем высокочастотных шумов, поступающих цифровых сигналов от компьютерного оборудования и даже при наличии физических препятствий для распространения радиоволн. А ведь, как известно, все эти факторы являются привычными для индустриальной среды.

В проектах по реализации EIoT именно технология BLE является базовой для организации связи ближнего радиуса действия. Причем она может использоваться как на уже эксплуатируемых, так и на еще только проектируемых комплексах промышленного оборудования. Однако такой сети устройств с поддержкой BLE нужен способ получения инструкций и ретрансляции данных на более дальние расстояния. Опора на традиционную телекоммуникационную инфраструктуру, которая позволяет использовать двунаправленную связь по Wi-Fi или сигналы сотовой связи, невозможна из-за заслона, ограничивающего возможности применения этих сенсорных и управляющих сетей. Объединив BLE со сверхдальностью и энергоэффективностью технологии LoRa компании смогли развернуть EIoT в местах, где телекоммуникационная инфраструктура и инфраструктура питания недоступны, а это, в свою очередь, расширило географию реализации технологии «Интернета вещей».

Рис. 2. Датчики сначала подключаются к клиенту LoRa и затем – через шлюз LoRa

Протоколом глобальной сети LoRa часто является LPWAN, поскольку он обеспечивает безопасную двунаправленную передачу данных и связь с сетями IoT на больших расстояниях в течение многих лет без замены батарей. При использовании технологии LoRa открывается возможность отправлять и принимать сигналы на расстоянии примерно до 16 км, а установленные при необходимости репитеры (ретрансляторы) могут увеличить это расстояние уже до сотен километров. На рис. 2 показана схема работы LoRa. Для приложений IoT LoRa имеет множество преимуществ именно благодаря ее экономическим характеристикам и возможностям:

Поскольку LoRa, как и BLE, является технологией сверхнизкого энергопотребления, она способна работать в сетях устройств IoT с батарейным питанием и может обеспечить длительную работу от батареи, не требуя при этом частого технического обслуживания.
Узлы на базе технологии LoRa недорогие и позволяют компаниям сократить расходы на передачу данных по системам сотовой связи, а также отказаться от установки оптоволоконных или медных кабелей. Это устраняет основной финансовый барьер для организации связи удаленно расположенных датчиков и оборудования.
Технология LoRa хорошо работает и с сетевыми устройствами, размещенными внутри помещений, в том числе в сложных индустриальных средах.
LoRa обладает широкой масштабируемостью и совместимостью за счет поддержки миллиона узлов, ее можно соединить с государственными и частными сетями передачи данных и системами двунаправленной связи.

Итак, в то время как другие технологии LPWAN смогут лишь в отдаленной перспективе решить проблему дальности связи при реализации решений «Интернета вещей», технология LoRa предлагает для этого двунаправленную связь, защиту от помех и высокое информационное наполнение.

У LoRa есть и существенный недостаток - невысокая пропускная способность. Это делает ее непригодной для приложений, требующих передачи потоковых данных. Однако это ограничение не мешает использовать ее для широкого диапазона IoT-приложений, где время от времени передаются лишь небольшие пакеты данных.

Взаимодействие

Рис. 3. Модуль RM1xx от компании Laird, который включает в себя коммуникационные возможности для протоколов беспроводной сети LoRa и Bluetooth

Потенциал LoRa увеличивается вдвое, когда он сочетается с технологией, подобной BLE. Действуя вместе, они предоставляют набор беспроводных возможностей сверхнизкого энергопотребления для связи малого и дальнего радиуса действия, что расширяет возможности сетей EIoT. Так, например, центральная часть городских районов может быть покрыта всего лишь несколькими шлюзами LoRaWAN, являющимися основой для сетей датчиков с технологией BLE, которые теперь не зависят от традиционных телекоммуникационных инфраструктур. Таким образом, симбиоз LoRa и BLE устраняет ряд препятствий для расширения IoT как в мегаполисах, так и в малых городах, имеющих заслоны на пути широкого внедрения «Интернета вещей». Однако наибольший выигрыш от объединения LoRA и BLE получают беспроводные датчики, средства управления и другое оборудование, которые теперь могут устанавливаться без каких-либо ограничений буквально везде (рис. 3). В это особая заслуга именно BLE. BLE также позволяет этим устройствам совместно работать в интегрированной сети малого радиуса действия, управляемой, например, со смартфонов или планшетов, которые в данном случае используются в качестве удаленных беспроводных дисплеев. В этой связке технология LoRa, основываясь на мобильных возможностях BLE, выступает в качестве своеобразной радиорелейной станции, которая может отправлять и получать данные на больших расстояниях. Причем эти расстояния могут быть увеличены простыми шлюзами для передачи сигналов.

Существует уже немало наглядных примеров, демонстрирующих, как сопряжение LoRa и BLE позволяет сетям EIoT выйти на абсолютно иной технический уровень и усилить свою экспансию.

Беспроводные сенсорные сети: обзор

Акулдиз И.Ф.

Перевод с английского: Левжинский А.С.

Аннотация

Статья описывает концепции сенсорных сетей, реализация которых стала возможна в результате объединения миктроэлектро-механических систем, беспроводной связи и цифровой электроники. Изучены задачи и потенциал сенсорных сетей, сделан обзор фактов влияющих на их разработку. Также рассмотрена архитектура построения сенсорных сетей, разработанные алгоритмы и протоколы для каждого слоя архитектуры. В статье исследованы вопросы о реализации сенсорных сетей.

1. Введение

Последние достижения в области технологий микро-электро-механических систем (MEMS), беспроводной связи и цифровой электроники позволили создавать недорогие, маломощные, многофункциональные моты (узлы), они небольшие и «общаются» непосредственно друг с другом. Сенсорных сети основанных на совместной работе большого числа крошечных узлов, которые состоят из модулей сбора и обработки данных, передатчика. Такие сети имеет значительные преимущества перед набором традиционных датчиков. Вот две ключевые особенности традиционных датчиков: Датчики могут быть расположены далеко от наблюдаемого явления. При таком подходе требуется много датчиков, которые используют некоторые сложные методы, чтобы выделить цели из шума.
Можно развернуть несколько датчиков, которые выполняют только сбор данных. Тщательно разработать позиции датчиков и топологию. Они будут передавать наблюдения в центральные узлы, где и будет выполняются сбор и обработка данных.
Сенсорная сеть состоит из большого числа узлов (мотов), которые густо расположены близко к наблюдаемому явлению. Положение мотов не нужно предварительно рассчитывать. Это позволяет случайным образом располагать их в труднодоступных местностях или использовать для операций по оказанию помощи, которые требуют быстрого реагирования. С другой стороны, это означает, что сетевые протоколы и алгоритмы работы мотов должны обладать возможностью самоорганизации. Еще одной уникальной особенностью сенсорных сетей является совместная работы отдельных узлов. Моты оснащены процессором. Поэтому вместо передачи исходных данных, они могут их обрабатывать, выполняя простые вычисления и передавать далее только необходимые и частично обработанные данные. Описанные выше особенности обеспечивают широкий спектр применения сенсорных сетей. Такие сети можно применять в здравоохранении, для военных нужд и безопасности. Например, физиологические данные о пациенте может контролироваться удаленно врачом. Это удобно как для пациента, так и позволяет врачу понять его текущее состояние. Сенсорные сети могут быть использованы для выявления инородных химических агентов в воздухе и воде. Они могут помочь определить тип, концентрацию и расположение загрязнителей. В сущности, сенсорные сети позволяют лучше понять окружающую среду. Мы предполагаем, что в будущем, беспроводные сенсорные сети будут неотъемлемой частью нашей жизни, более, чем современных персональных компьютеры. Реализация этих и других проектов, требующих использование беспроводных сенсорных сетей, требуют специальных методов. Многие протоколы и алгоритмы были разработаны для традиционных беспроводных одноранговых сетей, поэтому они не очень хорошо подходит для уникальных особенностей и требований сенсорных сетей. Приведем различия сенсорных и одноранговых сетей: Количество узлов сенсорной сети может быть на несколько порядков выше, чем узлов в одноранговой сети.
Узлы плотно расположены.
Узлы подвержены сбоям.
Топология сенсорных сетей может часто изменяться
Узлы в основном используют широковещательные сообщения, в то время как большинство одноранговых сетей основаны на связи "точка-точка".
Узлы ограничены в питании, вычислительных мощностях, и памяти.
Узлы не могут иметь глобальный идентификационный номер (ИН) из-за большого количества накладных расходов и большого количества датчиков.
Так как узлы в сети расположены плотно, соседние узлы могут оказаться очень близко друг к другу. Следовательно, multi-hop связи в сенсорных сетях будут потреблять меньше энергии, чем прямые связи. Кроме того, можно использовать низкую мощность сигнала передачи данных, что полезно в скрытых наблюдениях. Multi-hop связи могут эффективно преодолевать некоторые трудности при распространении сигнала на дальние расстояния в беспроводной связи. Одним из наиболее важных ограничений для узлов является малое потребление энергии. Моты имеют ограниченные источники энергии. Итак, в то время как традиционные сети направлены на достижение высокого качества сигнала, сетевые протоколы мотов должны сосредоточиться главным образом на сохранение энергии. Они должны обладать механизмами, которые дают пользователю возможность продления времени жизни мота за счет либо снижения пропускной способности, либо увеличения времени задержки передачи данных. Многие исследователи в настоящее время участвуют в разработке схем, которые выполняют эти требования. В данной статье мы сделаем обзор протоколов и алгоритмов, существующих в настоящее время для сенсорных сетей. Наша цель – предоставить лучшее понимание текущих вопросов научных исследований в этой области. Мы также попытаемся исследовать ограничения, накладываемые на разработку, и выявить инструменты, которые можно использовать для решения задач проектирования. Статья организована так: во втором разделе, мы опишем потенциала и полезность сенсорных сетей. В разделе 3 мы обсудим факторы, которые влияют на проектирование таких сети. Подробное исследование существующих методик в этой области рассмотрим в разделе 4. И подведем итоги в 5 разделе.

2. Применение беспроводных сенсорных сетей

Сенсорные сети могут состоять из различных типов датчиков, например сейсмических, датчиков определения магнитного поля, тепловых, инфракрасных, акустических, которые в состоянии осуществлять самые разнообразные измерения условий окружающей среды. Например, такие как :
температура,
влажность,
автомобильное движение,
состояние молнии,
давление,
состав почвы,
уровень шума,
наличие или отсутствие некоторых объектов,
механическая нагрузка
динамические характеристики, такие как скорость, направление и размер объекта.
Моты могут использоваться для непрерывного зондирования, обнаружения и идентификации событий. Концепция микро зондирования и беспроводное соединение обещают много новых областей применения для таких сетей. Мы классифицировали их по основным направлениям: военное применение, исследование окружающей среды, здравоохранение, использование в домах и других коммерческих областях. Но можно расширить эту классификацию и добавить больше категорий, например исследование космического пространства, химическая обработка и ликвидации последствий стихийных бедствий.

2.1. Военное применение

Беспроводные сенсорные сети могут быть неотъемлемой частью военного управления, связи, разведки, наблюдения и систем ориентирование (C4ISRT). Быстрое развертывание, самоорганизации и отказоустойчивость – это характеристики сенсорных сетей, которые делают их перспективным инструментом для решения поставленных задач. Поскольку сенсорные сети могу быть основаны на плотном развертывании одноразовых и дешевых узлов, то уничтожение некоторых их них во время военных действий не повлияет на военную операцию так, как уничтожение традиционных датчик. Поэтому использование сенсорных сетей лучше подходит для сражений. Перечислим еще некоторые способы применение таких сетей: мониторинг вооружения и боеприпасов дружественных сил, наблюдение за боем; ориентация на местности; оценка ущерба от битв; обнаружение ядерных, биологических и химических атак. Мониторинг дружественных силы, вооружения и боеприпасов: лидеры и командиры могут постоянно контролировать состояние своих войск, состояние и наличие оборудования и боеприпасов на поле боя с помощью сенсорных сетей. К каждому транспортному средству, оборудованию и важным боеприпасам могут быть прикреплены датчики, которые сообщают их статус. Эти данные собирается вместе в ключевых узлах, и направляются руководителям. Данные также могут быть переадресованы на верхние уровни иерархии командования для объединения с данными из других частей. Наблюдения боя: критические участки, пути, маршруты и проливы могут быть быстро покрыты сенсорными сетями для изучения деятельности сил противника. Во время операций или после разработки новых планов сенсорные сети могут быть развернуты в любое время для наблюдения за боем. Разведка сил противника и местности: Сенсорные сети могут быть развернуты на критических территориях, и могут быть собраны в течении нескольких минут ценные, подробные и своевременные данные о силах противника и местности, прежде чем враг сможет их перехватить. Ориентация: сенсорные сети могут быть использованы в системах наведения интеллектуальных боеприпасов. Оценка ущерба после боя: непосредственно перед или после нападения, сенсорные сети могут быть развернуты в целевой области для сбора данных об оценке ущерба. Обнаружение ядерных, биологических и химических атак: при применении химического или биологического оружия, использование которого близко к нулю, важное значение иметь своевременное и точное определение химических агентов. Могут быть использованы сенсорные сети в качестве систем предупреждения химических или биологических атак и данные собранные в короткие сроки помогут резко уменьшить количество жертв. Также можно использовать сенсорные сети для подробной разведки, после обнаружения таких атак. Например, можно осуществлять разведку в случае радиационных заражений не подвергая людей радиации.

2.2. Экологическое применение

Некоторые из направлений в экологии, где применяют сенсорные сетей: отслеживание движения птиц, мелких животных и насекомых; мониторинг состояния окружающей среды, с целью выявления ее влияния на сельскохозяйственные культуры и скота; орошения; широкомасштабный мониторинга земли и исследования планет; химическое / биологическое обнаружение; обнаружение лесных пожаров; метеорологические или геофизические исследования; обнаружение наводнений; и исследование загрязнения . Обнаружение лесных пожаров: поскольку моты могут быть стратегически и плотно развернуты в лесу, то они могут ретранслировать точное происхождение огня до того, как пожар станет неконтролируемым. Миллионы датчик могут быть развернуты на постоянной основе. Они могут быть оснащены солнечными батареи, т.к узлы могут быть оставлены без присмотра на месяцы и даже годы. Моты будут работать сообща для выполнения задач распределенного зондирования и преодоления препятствий, таких как деревья и скалы, которые блокируют работу проводных датчиков. Отображение био состояния окружающей среды : требует сложных подходов к интеграции информации во временных и пространственных масштабах . Прогресс в области технологии дистанционного зондирования и автоматизированный сбор данных, позволили значительно снизить затраты на исследования . Преимущество данных сетей в том, что узлы могут быть соединены с Интернетом, который позволяет удаленным пользователям осуществлять контроль, мониторинг и наблюдения за окружающей средой. Хотя спутниковые и бортовые датчики являются полезными в наблюдении за большим разнообразием, например, пространственной сложности видов доминирующих растений, они не позволяют наблюдать за мелкими элементами, которые составляет большую часть экосистемы . В результате возникает потребность в развертывании на местах узлов беспроводных сенсорных сетей. Одним из примеров применения это составление биологической карты окружающей среды в заповеднике в Южной Калифорнии . Три участка покрыты сетью, в каждой их которых по 25-100 узлов, которые используются для постоянного наблюдения за состоянием окружающей среды. Обнаружение наводнений : примером обнаружения наводнений является система оповещения в США. Несколько типов датчиков, размещенных в системе оповещения, определяют уровень осадков, уровень воды и погоду. Научно-исследовательские проекты, такие как COUGAR Device Database Project в Корнельском университете и проект DataSpace в Университете Rutgers , изучают различные подходы к взаимодействию с отдельными узлами в сети для получения снимков и долго собираемых данных. Сельское хозяйство: преимуществом сенсорных сетей также является возможность контролировать уровень пестицидов в воде, уровень эрозии почвы и уровень загрязнения воздуха в режиме реального времени.

2.3. Применение в медицине

Одним из применений в медицине является устройства для инвалидов; мониторинг пациентов; диагностика; мониторинг использования медикаментов в больницах; сбор физиологических данных человека; и мониторинга врачей и пациентов в больницах . Мониторинг физиологического состояния человека: физиологические данные, собранные сенсорными сетями могут храниться в течение длительного периода времени и могут использоваться для медицинского исследования . Установленные узлы сети могут также отслеживать движения пожилых людей и, например, предупреждать падения . Эти узлы невелики и обеспечивают пациенту большую свободу передвижения, в тоже время позволяют врачам выявить симптомы болезни заранее . Кроме того, они способствуют обеспечению более комфортной жизни для пациентов в сравнении с лечением в больнице . Для проверки возможности такой системы на факультете медицины Grenoble–France был создан “Здоровый умный дом "". . Мониторинг врачей и пациентов в больнице: каждый пациент имеет небольшой и легкий узел сети. Каждый узел имеет свою конкретную задачу. Например, один может следить за сердечным ритмом, в то время как другой снимает показания кровяного давления. Врачи могут также иметь такой узел, он позволит другим врачам найти их в больнице. Мониторинг медикаментов в больницах: Узлы могут быть присоединены к лекарствам, тогда шансы выдачи неправильного лекарства, могут быть сведены к минимуму. Так, пациенты будут иметь узлы, которые определяют их аллергию и необходимые лекарства. Компьютеризированные системы, как описано в показали, что они могут помочь свести к минимуму побочные эффекты от ошибочной выдачи препаратов.

2.4. Применение в доме

Автоматизация дома: смарт-узлы могут быть интегрированы в бытовые приборы, например в пылесосы, микроволновые печи, холодильники и видеомагнитофоны . Они могут взаимодействовать друг с другом и с внешней сетью через Интернет или спутник. Это позволит конечным пользователям легко управлять устройствами дома как локально, так и удаленно. Умная окружающая среда: дизайн смарт-среды может иметь два различных подхода, т.е., ориентированного на человека или на технологии. В случае первого подхода, смарт-среда должна адаптироваться к потребностям конечных пользователей с точки зрения взаимодействия с ними. Для технологически-центрированных систем должны быть разработаны новые аппаратные технологий, сетевые решений, и промежуточные приложения. Примеры того, как узлы могут быть использованы для создания смарт-среды описана в . Узлы могут быть встроены в мебель и технику, они могут общаться друг с другом и сервером комнаты. Сервер комнаты может также общаться с другими серверами комнат, чтобы узнать о услугах, которые они могут предложить, например, печать, сканирование и работа с факсом. Эти сервера и сенсорные узлы могут быть интегрированы в существующие встраиваемые устройства и составлять самоорганизующиеся, саморегулируемые и адаптивные системы, основанные на модели теории управления, как описано в работе .

3. Факторы, влияющие на разработку моделей сенсорных сетей.

Разработка сенсорных сетей зависит от многих факторов, которые включают в себя отказоустойчивость, масштабируемость, издержек производства, вид операционной среды, топологию сенсорной сети, аппаратные ограничения, модель передачи информации и потребление энергии. Эти факторы рассматриваются многими исследователями. Однако ни в одном из этих исследований полностью не учтены все факторы, которые влияют на разработку сетей. Они важны, поскольку служат в качестве ориентира для разработки протокола или алгоритмов работы сенсорных сетей. Кроме того, эти факторы могут быть использованы для сравнения различных моделей.

3.1. Отказоустойчивость

Некоторые узлы могут выйти из строя из-за отсутствия энергии, физических повреждений или стороннего вмешательства. Отказ узла не должен повлиять на работу сенсорной сети. Это вопрос надежности и отказоустойчивости. Отказоустойчивость - способность поддерживать функциональность сенсорной сети без сбоев при выходу из строя узла . Надежность Rk(t) или отказоустойчивости узла моделируется в с помощью распределения Пуассона для определения вероятности отсутствия неисправности узла в период времени (0; t) Стоит обратить внимание на то, что протоколы и алгоритмы могут быть ориентированы на уровень отказоустойчивости, требуемый для построения сенсорных сетей. Если среда, в которой узлы размещены мало подвержена вмешательствам, то протоколы могут быть менее отакзоустоичивыми. Например, если узлы внедряются в дом, чтобы следить за влажностью и уровнем температуры, требования к отказоустойчивости может быть низким, поскольку такого рода сенсорные сети не могут выйти из строя и «шум» окружающей среды не влияет на их работу. С другой стороны, если узлы используются на поле боя для наблюдения, то отказоустойчивость должна быть высокой, поскольку наблюдения являются критически важными и узлы могут быть уничтожены во время военных действий. В результате, уровень отказоустойчивости зависит от применения сенсорных сетей и модели должны быть разработаны с учетом этого.

3.2. Масштабируемость

Количество узлов развернутых для изучения явления может быть порядка сотен или тысяч. В зависимости от приложения, число может достигать экстремальных значений (миллионов). Новые модели должны быть в состоянии работать с этим числом узлов. Они также должны использовать высокую плотность сенсорных сетей, которая может варьироваться от нескольких узлов до нескольких сотен на участке, который может быть меньше 10 м в диаметре . Плотность может быть рассчитана в соответствии с ,

3.3. Расходы на производство

Так как сенсорные сети состоят из большого количества узлов, то стоимость одного узла должна быть такой, чтобы оправдать общую стоимость сети. Если стоимость сети выше, чем развертывание традиционных датчиков, то она не экономически оправданна. В результате, стоимость каждого узла должна быть низкой. Сейчас стоимость узла с использованием Bluetooth-передатчика менее 10$ . Цена на PicoNode в районе 1$ . Следовательно, стоимость узла сенсорной сети должна быть гораздо меньше, чем 1 $ для экономической оправданности их использования. Стоимость Bluetooth-узла, который считается дешевым устройством, в 10 раз выше, чем средние цены на узлы сенсорной сети. Обратите внимание, что узел также имеет некоторые дополнительные модули, такие как модуль сбора данных и модуль обработки данных (описано в разделе 3.4.) Кроме того они могут быть оборудованы системой определения местонахождения или силовым генератором в зависимости от применения сенсорных сетей. В результате стоимость узла - сложный вопрос, учитывая количество функциональных возможностей даже при цена менее 1 $.

3.4. Аппаратные особенности

Узел сенсорных сетей состоят из четырех основных компонентов, как показано на рис. 1: блок сбора данных, блок обработки, передатчик и блок питания. Наличие дополнительных модулей зависит от применения сетей, например, могут быть модули определения местонахождения, силовой генератор и мобилизатор (MAC). Модуль сбора данных, как правило, состоят из двух частей: датчики и аналого-цифровой преобразователей (АЦП). Аналоговый сигнал, генерируемый датчиком на основе наблюдаемого явления, преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП, а затем подается в блок обработки. Модуль обработки, который использует интегрированную память, управляет процедурами, которые позволяют совместно с другими узлами выполнять поставленные задачи наблюдения. Блок передатчика (трансивер) соединяет узел с сетью. Одним из наиболее важных компонентов узла является блок питания. Блок питания может иметь возможность подзарядки, например, используя солнечные батареи.

Большинству узлов, передающих данные и собирающих данные, необходимо знать свое местоположение с высокой точностью. Поэтому в общую схему включен модуль определения местоположения. Иногда может понадобиться мобилизатор, который при необходимости перемещает узел, когда это необходимо для выполнения поставленных задач. Все эти модули, возможно, потребуется разместить в корпус размером со спичечный коробок . Размер узла может быть меньше кубического сантиметра и достаточно легким, чтобы оставаться в воздухе. Помимо размера, есть некоторые другие жесткие ограничения для узлов. Они должны :
потребляют очень мало энергии,
работать с большим количеством узлов на малых расстояниях,
иметь низкую стоимость производства
быть автономными и работать без присмотра,
адаптироваться к окружающей среде.
Поскольку узлы могут становиться недоступными, жизни сенсорной сети зависит от питания отдельных узлов. Питание ограниченный ресурс и из-з а ограничений по размеру. Например, общий запас энергии смарт-узла составляет порядка 1 Дж . Для беспроводной интегрированной сети датчиков (WINS) средний уровень заряда, для обеспечения длительного времени работы должен быть меньше 30 LA. Возможно, продлить срок службы сенсорных сетей используя подзаряжаемые батареи , например, получая энергию из окружающей среды. Солнечные батареи – яркий пример использования подзарядки. Модуль передачи данных узла может быть пассивным или активным оптическим устройством, как в смарт-узле или радиочастотным (RF) передатчиком. Для радиочастотной передачи нужен модуль модуляции, который использует определенную полосу пропускания, модуль фильтрация, демодуляция, что делает их более сложными и дорогими. Кроме того, возможны потери при передаче данных между двумя узлами из-за того, что антенны распложены близко к земле . Тем не менее, радиосвязь является предпочтительной в большинстве существующих проектов сенсорных сетей, так как частот передачи данных низкие (как правило, менее 1 Гц) , а частота циклов передачи высока из-за малых расстояний. Эти характеристики позволяют использовать низкие радиочастоты. Однако, проектирование энергоэффективных и низкочастотных радиопередатчиков по-прежнему является технически сложной задачей, а существующие технологии, которые используются при производстве Bluetooth устройства, не является достаточно эффективным для сенсорных сетей, поскольку потребляют много энергии . Хотя в настоящее процессоры постоянно уменьшают свои габариты и увеличивают мощность, обработка и хранения данных узлом по-прежнему является его слабым местом. Например, модуль обработки смарт-узла состоит из процессора 4 МГц Atmel AVR8535, микроконтроллера с 8 Кбайт для инструкций, флэш-памяти, 512 байт RAM и 512 байт EEPROM . В этом модуле, который имеет 3500 байт под ОС и 4500 байт свободной памяти под код, используется операционная система TinyOS. Модуль обработки другого прототипа узла lAMPS имеет процессор SA-1110 с частотой 59-206 МГц . На узлах IAMPS используется многопоточная операционная система L-OS. Большинство задач сбора данных требуют знаний позиции узла. Поскольку узлы, как правило, располагаются случайным образом и без надзора, они должны кооперироваться с помощью системы определения местоположения. Определение местоположения используется во многих протоколах маршрутизации сенсорных сетей (подробнее в разделе 4). Некоторые предлагают, чтобы каждый узел имел модуль системы глобального позиционирования (GPS), который работает с точностью до 5 метров . В работе утверждается, что оснащение всех узлов GPS не обязательно для работы сенсорных сетей. Есть альтернативный подход, где только некоторые узлы используют GPS и помогают другим узлам, определить свое положение на местности.

3.5. Топология сети

Наличие того факта, что узлов могут стать недоступными и подвержены частым сбои, делают обслуживание сети сложной задачей. От сотни до нескольких тысяч узлов могут быть размещены на территории сенсорной сети. Они развертываются в десятке метров друг от друга . Плотность расположения узлов может быть и выше, чем 20 узлов на метр кубический . Плотное расположение множества узлов требует тщательного обслуживания сети. Мы рассмотрим вопросы, связанные с обслуживанием и изменением топологии сети в три этапа:

3.5.1. Предварительное развертывание и само развертывание узлов может заключаться в массовом разбросе узлов или установке каждого по отдельности. Они могут быть развернуты:

Разбросом с самолета,
посредством помещения в ракету или снаряд
выброшены посредством катапульты (например, с корабля и т.д.),
размещение на заводе
каждый узел размещен по отдельности человеком или роботом.
Несмотря на то, что огромное количество датчиков и их автоматическое развертывание обычно исключает размещение их в соответствии с тщательно разработанным планом, схемы для первоначального развертывания должны:
сокращать расходы на монтаж,
устранять необходимость в какой-либо предварительной организации и предварительном планировании,
повышать гибкости размещения,
способствовать самоорганизации и отказоустойчивости.

3.5.2. Фаза после развертывания сети

После развертывания сети, изменение ее топологии связано с изменением характеристик узлов . Перечислим их:
положение,
доступность (из-за помех, шума, движущихся препятствий, и т.д.),
заряда батареи,
неисправности
изменение поставленных задач.
Узлы могут быть развернуты статически. Однако, отказ устройств является обычным явлением в связи с разрядкой батареи или уничтожения. Возможны сенсорные сети с высокой подвижностью узлов. Кроме того, узлы и сети выполняют различные задачи и могут быть подвергнуты преднамеренным помехам. Таким образом, структура сенсорной сети склонна к частым изменениям после развертывания.

3.5.3. Фаза развертывания дополнительных узлов

Дополнительные узлы могут быть добавлены в любой момент для замены неисправных узлов или в связи с изменением задач. Добавление новыхузлов создает необходимость реорганизации сети. Борьба с частыми изменениями в топологии одноранговой сети, которая содержит множество узлов и имеет очень жесткие ограничения по энергопотреблению, требует специальных протоколов маршрутизации. Этот вопрос подробнее рассмотрен в разделе 4.

3.6. Окружающая среда

Узлы плотно располагаются очень близко или непосредственно внутри наблюдаемого явления. Таким образом, они работают без присмотра в удаленных географических районах. Они могут работать
на оживленных перекрестках,
внутри больших машин,
на дне океана,
внутри торнадо,
на поверхности океана во время торнадо,
в биологически и химически загрязненных областях
в поле боя,
в доме или большое здание,
на большом складе,
прикрепленными к животным,
прикрепленными к быстро движущимся транспортным средствам
в канализации или реке вместе с потоком воды.
Этот список дает представление о том, при каких условиях узлы могут работать. Они могут работать под высоким давлением на дне океана, в суровых условиях, среди мусора или в поле боя, при экстремальных температурах, например в сопле двигателя самолета или в арктических регионах, в очень шумных местах, где много помех.

3.7. Способы передачи данных

В сенсорной сети multi-hop, узлы общаются посредством беспроводной связи. Связь может осуществляться посредством радио, ИК-порта или оптических носителей. Для того чтобы глобально использовать эти способы среда передачи должна быть доступна во всем мире. Один из вариантов радиосвязи является использование промышленных, научных и медицинских полос (ISM), которые доступны без лицензий в большинстве стран. Некоторые виды частот, которые могут быть использованы, описаны в международный таблица частот, содержащейся в статье S5 о регламенте радиосвязи (том 1). Некоторые из этих частот, уже используются в беспроводной телефонии и беспроводных локальных сетях (WLAN). Для сенсорных сетей малого размера и низкой стоимости, усилитель сигнала не требуется. Согласно , аппаратные ограничения и нахождения компромисса между эффективностью антенны и потреблением энергии накладывают определенные ограничения на выбор частоты передачи в диапазоне сверхвысоких частот. Они также предлагают использование частоты 433 МГц ISM в Европе и 915 МГц ISM в Северной Америке. Возможные модели передатчиков для этих двух зон рассматриваются в . Основными преимуществами использования радио частот ISM является широкий спектр частот и доступность по всему миру. Они не привязаны к конкретному стандарту, тем самым дают большую свободу для реализации энергосберегающих стратегий в сенсорных сетях. С другой стороны, существуют различные правила и ограничения, такие как различные законы и помехи от существующих приложений. Эти полосы частот также называют нерегулируемыми частотами. Большинство из современного оборудования для узлов основывается на использовании радиопередатчиков. Беспроводные узлы IAMPS, описанной в , использует Bluetooth-совместимые передатчики с частотой 2,4 ГГц и имеют интегрированный синтезатор частоты. Устройство маломощных узлов описано в работе , они использует один канал радиопередачи, который работает на частоте 916МГц. В архитектуре WINS также используется радиосвязь. Другой возможный способ связи в сенсорных сетях является ИК-порт. ИК-связь доступна без лицензии и защищена от помех электрических приборов. ИК-передатчики дешевле и проще в производстве. Многие из сегодняшних ноутбуков, КПК и мобильных телефонов используют ИК-интерфейс для передачи данных. Основным недостатком такой связи, это требование прямой видимости между отправителем и получателем. Это делает ИК-связь нежелательной для использования в сенсорных сетях из-за среды передачи. Интересный способ передачи используют смарт-узыл, которые являются модулями автоматического мониторинга и обработки данных. Они используют для передачи оптическую среду. Есть две схемы передачи, пассивная с использованием corner-cube retroreflector (CCR) и активная с использованием лазерного диода и управляемых зеркал (рассмотрено в ). В первом случае не требуется интегрированный источник света, для передачи сигнала используется конфигурации из трех зеркал (CCR). Активный метод использует лазерный диод и систему активной лазерной связи, для отправки световых лучей предполагаемому приемнику. Необычные требования к применению сенсорных сетей делают выбор среды передачи сложной. Например, морские приложения требуют использования водной среде передачи. Здесь нужно использовать длинноволновые излучения, которые могут проникать сквозь поверхности воды. В труднодоступной местности или на поле боя могут возникнуть ошибки и больше помехи. Кроме того может оказаться что, антенны узлов не обладают нужной высотой и мощностью излучения для связи с другими устройствами. Следовательно, выбор передающей среды должны сопровождаться надежными схемами модуляции и кодирования, что зависеть от характеристик передающего канала.

3.8. Мощность потребления

Беспроводной узел, будучи микроэлектронным устройством, может быть оснащен только ограниченным источником питания (

3.8.1. Связь

Узел расходует максимум энергии на связь, которая предполагает как передачу, так и прием данных. Можно сказать, что для связи на небольшие расстояния с малой мощностью излучения передача и прием требуют примерно одинакового количества энергии. Синтезаторы частот, осцилляторы управления напряжением, фазы блокировки (PLL) и усилители мощности, все это требует энергии, ресурсы которой ограничены. Важно, что при этом мы не рассматриваем только активную мощность, также рассматривается и потребление электроэнергии при запуске передатчиков. Запуск передатчика занимает доли секунды, поэтому при этом потребляется ничтожно малое количество энергии. Это значение может быть сравнимо со временем блокировки PLL. Однако, при уменьшении передаваемого пакета, мощность запуска начинает доминировать в потреблении энергии. В итоге, неэффективно постоянно включать и выключать передатчик, т.к. большая часть энергии уйдет именно на это. В настоящее время радиопередатчики с низким энергопотреблением имеют стандартные значения Pt и Pr на уровне 20 дБм и Pout близкий к 0 дБм . Обратите внимание, что PicoRadio направленное на Pc составляет -20 дБм. Дизайн малогабаритных, недорогих, передатчиков обсуждается в источнике . Основываясь на их результатах, авторы данной статьи, учитывая бюджет и оценки энергопотребления считают, что значения Pt и Pr должны быть по меньшей мере на порядок меньше, чем значения, приведенные выше.

3.8.2. Обработка данных

Расход энергии при обработке данных значительно меньше в сравнении с передачей данных. Пример, описанный в работе фактически иллюстрирует это несоответствие. Основываясь на теории Рэлея, что при передаче четверть мощности теряется, можно сделать вывод о том, что расход энергии на передачу 1 КБ на расстояние 100 м буде примерно такой же, что и на выполнение 3 миллионов инструкций со скоростью 100 миллионов инструкций в секунду (MIPS)/W процессором. Следовательно, локальная обработка данных имеет решающее значение для минимизации потребления энергии в multi-hop сенсорной сети. Поэтому узлы должны иметь встроенные вычислительные возможности и быть способными взаимодействовать с окружением. Ограничения стоимости и размера приведет нас к выбору полупроводников (CMOS) в качестве основной технологи для микропроцессоров. К сожалению, они имеет ограничения на эффективность использования энергии. CMOS требует энергии каждый раз при смене состояния. Энергия, требуемая на смену состояний, пропорциональная частоте переключений, емкости (зависит от площади) и колебаниям напряжения. Следовательно, уменьшение напряжения питания является эффективным средством снижения потребления энергии в активном состоянии. Динамическое масштабирование напряжения рассмотренное в , стремится адаптировать питания и частоту процессора в соответствии с рабочей нагрузки. Когда на микропроцессор снижается вычислительная нагрузка, простое сокращение частоты дает линейное уменьшение потребляемой энергии, однако, уменьшение рабочего напряжения дает нам квадратичное снижение энергозатрат. С другой стороны не будет использоваться вся возможная производительность процессора. Это даст результат, если принять во внимание то, что пиковая производительность требуется не всегда и поэтому, рабочее напряжение и частота процессора может быть динамически адаптирована к требованиям обработки. В авторы предлагают схемы предсказания рабочей нагрузки, основанной на адаптивной обработки существующих профилей нагрузки и на анализе нескольких уже созданных схем. Другие стратегии снижения мощности процессора обсуждаются в . Следует отметить, что могут использоваться дополнительные схемы для кодирования и декодирования данных. Интегральные схемы также могут использоваться в некоторых случаях. Во всех этих сценариях, структура сенсорной сети, алгоритмы работы и протоколы зависят от соответствующих энергозатрат.

4. Архитектура сенсорных сетей

Узлы, как правило, расположены случайным образом по всей территории наблюдения. Каждый из них может осуществлять сбор данных и знает маршрут передачи данных обратно в центральный узел, конечному пользователю. Данные передаются с помощью multi-hop архитектуре сети. Центральный узел может общаться с менеджером задач через Интернет или спутник. Стек протоколов, используемый центральным узлом и всеми остальными узлами, приведен на рис. 3. Стек протоколов включают в себя информацию о мощности и информации о маршрутах, содержит данные о сетевых протоколах, помогает эффективно общаться посредствам беспроводной среды, и содействует совместной работе узлов. Стек протоколов состоит из уровня приложений, транспортного уровня, сетевого уровня, канального уровня, физического уровня, слоя управления питанием, слоя управления мобильностью и слоя планирования задач. В зависимости от задач по сбору данных, различные виды прикладного программного обеспечения могут быть построены на уровне приложений. транспортный уровень помогает поддерживать поток данных, если это требуется. Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию данных, предоставленных транспортным уровнем. Поскольку среда имеет посторонние шумы и узлы могут быть перемещены, протокол MAC должен минимизировать возникновение коллизий при передаче данных между соседними узлами. Физический уровень отвечает за возможность передачи информации. Эти протоколы помогают узлам выполнять задачи при экономии электроэнергии. Слой управления питанием определяет, как узел должен использовать энергию. Например, узел может отключить приемник после получения сообщения от одного из своих соседей. Это поможет избежать получения дубликата сообщения. Кроме того, когда узел имеет низкий заряд батареи он передает своим соседям информацию о том, что не может участвовать в маршрутизации сообщений. Всю оставшуюся энергию он будет использовать для сбора данных. Слой управления мобильностью (MAC) определяет и регистрирует передвижение узлов, поэтому всегда существует маршрут для передачи данных в центральный узел и узлы могут определять своих соседей. А зная своих соседей узел может сбалансировать энергопотребление работая совместно с ними. Менеджер задач планирует и составляет расписания сбора информации для каждого региона отдельно. Не все узлы в одном регионе необходимы для выполнения задач зондирования в одно и то же время. Как результат, некоторые узлы выполняют больше задач, чем другие, это зависит от их мощности. Эти все слои и модули необходимы для того чтобы узлы работали вместе и стремились к максимальной энергоэффективности, оптимизации маршрута передачи данных в сети, а также совместно использовали ресурсы друг друга. Без них, каждый узел будет работать индивидуально. С точки зрения всей сенсорной сети эффективнее, если узлы будут работать совместно друг с другом, что способствует продлению времени жизни самой сетей. Прежде чем обсуждать необходимость включения в протокол модулей и слоев управления, мы рассмотрим три существующих работы , посвященных стеку протоколов, который показан на рисунке 3. Модель WINS, рассмотренная в источнике , в которой узлы объединены в распределенную сети и имею доступ в Интернет. Так как большое количество узлов сети WINS расположены на малом расстоянии друг от друга, то multi-hop связи сводят потребление энергии к минимуму. Полученные узлом сведения об окружающей среде последовательно направляются в центральный узел или шлюз WINS через другие узлы так, как это показано на рис 2 для узлов A, B, C, D и Е. Шлюз WINS общается с пользователем через обычные сетевые протоколы, такие как Интернет. Стек протоколов сети WINS состоит из уровня приложений, сетевого уровень, MAC-слоя, и физического уровня. Смарт-узлы (или пылинки) . Данные узлы, могут быть присоединены к объектам или даже парить в воздухе благодаря их небольшим размерам и весу. Они используют технологию MEMS для оптической связи и сбора данных. Пылинки могут иметь солнечные батареи для подзарядки в течение дня. Они требуют прямой видимости для связи с оптическим передатчиком базовая станция или другой пылинки. Сравнивая архитектуру сети с пылинками с представленной на рисунке 2, можно сказать, что смарт-узлы, как правило, напрямую связывается с передатчиком базовой станции, но связь один к оному также возможна. При другом подходе к разработке протоколов и алгоритмов для сенсорных сетей обусловлен требованиями физического уровня . Протоколы и алгоритмы должны быть разработаны в соответствии с выбором физических компонентов, таких как тип микропроцессоров, и тип приемников. Такой подход («снизу вверх») используется в модели IAMPS и также рассматривает зависимость уровня приложений, сетевого уровня, MAC-слоя, и физического уровня от аппаратной начинки узла. Узлы IAMPS точно также взаимодействуют с конечным пользователем, как и в архитектуре показанной на рисунке 2. Различные схемы, например, с временным разделением каналов (TDMA) или с частотным разделением каналов (FDMA) и бинарной модуляцией или М-модуляцей сравниваются в источнике . Подход «снизу вверх» обозначает, что алгоритмы узла должен знать аппаратные средства и использовать возможности микропроцессоров и передатчиков для минимизации потребления энергии. Это может привести к разработке различных конструкций узла. А различные конструкции узлов приведут к различным типам сенсорных сетей. Что в свою очередь приведет к разработке различных алгоритмов их работы.

Литература

G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on the 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) protocol for sensor networks, Georgia Tech Technical Report, January 2002, submitted for publication.
A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP for mobile hosts, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995, pp. 136–143.
P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, The 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 the lifetime of 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 Сергиевский

Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем - сенсорных сетей.

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств - мотов (от англ. motes - пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память - флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными; они подключаются через цифровые и аналоговые коннекторы. Чаще других используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, реже - магнитоэлектрические, химические (например, измеряющие содержание CO, CO2), звуковые и некоторые другие. Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных. Внешний вид мотов, выпускаемых различными производителями, приведен на рис. 1.

Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер. Но для того, чтобы обработать данные, их нужно сначала получить. Для этой цели узел обязательно оснащается антенной. Но в любом случае доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации.

Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в большинстве беспроводных сенсорных сетей используется TinyOS - ОС, разработанная в Университете Беркли. TinyOS относится к программному обеспечению с открытым кодом; оно доступно по адресу: www.tinyos.net. TinyOS - это управляемая событиями операционная система реального времени, рассчитанная на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Эта ОС позволяет мотам автоматически устанавливать связи с соседями и формировать сенсорную сеть заданной топологии. Последний релиз TinyOS 2.0 появился в 2006 году.

Важнейшим фактором при работе беспроводных сенсорных сетей является ограниченная емкость батарей, устанавливаемых на моты. Следует учитывать, что заменить батареи чаще всего невозможно. В связи с этим необходимо выполнять на мотах только простейшую первичную обработку, ориентированную на уменьшение объема передаваемой информации, и, что самое главное, минимизировать число циклов приема и передачи данных. Для решения этой задачи разработаны специальные коммуникационные протоколы, наиболее известными из которых являются протоколы альянса ZigBee. Данный альянс (сайт www.zigbee.org) был создан в 2002 году именно для координации работ в области беспроводных сенсорных сетей. В него вошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI и многие другие (всего более 200 членов). Корпорация Intel в альянс не входит, хотя и поддерживает его деятельность.

В принципе, для выработки стандарта, в том числе стека протоколов для беспроводных сенсорных сетей, ZigBee использовал разработанный ранее стандарт IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных на небольшие расстояния (до 75 м) с низким энергопотреблением, но с высокой степенью надежности. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4

Полоса частот, МГц	Нужна ли лицензия	Географический регион	Скорость передачи данных, Кбит/с	Число каналов

На данный момент ZigBee разработал единственный в этой области стандарт, который подкреплен наличием производства полностью совместимых аппаратных и программных продуктов. Протоколы ZigBee позволяют устройствам находиться в спящем режиме бо льшую часть времени, что значительно продлевает срок службы батареи.

Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями и даже тысячами мотов не так-то просто. Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что сенсорные сети работают в нелицензированных частотных диапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Желательно также избегать повторной передачи одних и тех же данных, а кроме того, учитывать, что из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или на какое-то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку одной из важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.

Чаще всего мот должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере по отношению к тому другому моту, которому он будет передавать данные. То есть сначала происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты - устройства стандарта ZigBee - по уровню сложности разбиваются на три класса. Высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях обычно используется один координатор. Средний по сложности мот является маршрутизатором, то есть может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 2). Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.

В России тоже проводятся разработки, связанные с созданием беспроводных сенсорных сетей. Так, компания «Высокотехнологичные системы» предлагает свою аппаратно-программную платформу MeshLogic для построения беспроводных сенсорных сетей (сайт www.meshlogic.ru). Основным отличием этой платформы от ZigBee является ориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 3). В таких сетях функциональные возможности каждого мота одинаковы. Возможность самоорганизации и самовосстановления сетей ячеистой топологии позволяет в случае выхода части мотов из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Правда, в любом случае необходим центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, или шлюз для передачи данных на обработку узлу. Спонтанно создаваемые сети часто называют латинским термином Ad Hoc, что означает «для конкретного случая».

В сетях MeshLogic каждый мот может выполнять ретрансляцию пакетов, то есть по своим функциям напоминает маршрутизатор ZigBee. Сети MeshLogic являются в полной мере самоорганизуемыми: никакого узла-координатора не предусмотрено. В качестве радиочастотных приемопередатчиков в MeshLogic могут использоваться различные устройства, в частности Cypress WirelessUSB, которые так же, как и устройства стандарта ZigBee, работают в диапазоне частот 2,4... 2,4835 ГГц. Следует отметить, что для платформы MeshLogic существуют только нижние уровни стека протоколов. Считается, что верхние уровни, в частности сетевой и прикладной, будут создаваться под конкретные приложения. Конфигурации и основные параметры двух мотов MeshLogic и одного мота стандарта ZigBee приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики мотов различных производителей

Параметры
Микроконтроллер
Процессор	Texas Instruments MSP430
Тактовая частота	От 32,768 кГц до 8 МГц
Оперативная память
Flash-память
Приемопередатчик
		Cypress WirelessUSBTM LP
Диапазон частот	2400-2483,5 МГц		2400-2483,5 МГц
Скорость передачи данных		От 15,625 до 250 Кбит/с
Выходная мощность	От –24 до 0 дБм	От –35 до 4 дБм	От –28 до 3 дБм
Чувствительность
			1 или 2 чипа
Внешние интерфейсы
	12-разрядный, 7 каналов		10-разрядный, 3 канала
Цифровые интерфейсы	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Другие параметры
Напряжение питания	От 0,9 до 6,5 В		От 1,8 до 3,6 В

Температурный диапазон	От –40 до 85 °C	От 0 до 70 °C	От 0 до 85 °C

Отметим, что интегрированных сенсорных датчиков на этих платах нет.

Укажем, что в первую очередь отличает беспроводные сенсорные сети от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей:

полное отсутствие каких бы то ни было кабелей - электрических, коммуникационных и т.д.;
возможность компактного размещения или даже интеграции мотов в объекты окружающей среды;
надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (мотов);
отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.

Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Беспроводные сенсорные сети - это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:

системы обороны и обеспечение безопасности;
контроль окружающей среды;
мониторинг промышленного оборудования;
охранные системы;
мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
управление энергоснабжением;
контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;
пожарная сигнализация;
складской учет;
слежение за транспортировкой грузов;
мониторинг физиологического состояния человека;
контроль персонала.

Из достаточно большого числа примеров использования беспроводных сенсорных сетей выделим два. Наиболее известным является, пожалуй, развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР. Там с помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания. Компания BP проанализировала, может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна. Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети.

Примером еще одного реализованного пилотного проекта является развертывание сенсорной сети на базе военно-воздушных сил США во Флориде. Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числе движущихся. Применение сенсорной сети позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками. В настоящее время масштабы проекта расширяются, и беспроводная сенсорная сеть устанавливается уже на полигоне размером 10 000x500 м. Соответствующее прикладное программное обеспечение разрабатывается несколькими американскими университетами.

Максим Сергиевский

Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4

Полоса частот, МГц	Нужна ли лицензия	Географический регион	Скорость передачи данных, Кбит/с	Число каналов

Таблица 2. Основные характеристики мотов различных производителей

Параметры
Микроконтроллер
Процессор	Texas Instruments MSP430
Тактовая частота	От 32,768 кГц до 8 МГц
Оперативная память
Flash-память
Приемопередатчик
		Cypress WirelessUSBTM LP
Диапазон частот	2400-2483,5 МГц		2400-2483,5 МГц
Скорость передачи данных		От 15,625 до 250 Кбит/с
Выходная мощность	От –24 до 0 дБм	От –35 до 4 дБм	От –28 до 3 дБм
Чувствительность
			1 или 2 чипа
Внешние интерфейсы
	12-разрядный, 7 каналов		10-разрядный, 3 канала
Цифровые интерфейсы	I2C/SPI/UART/USB		I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Другие параметры
Напряжение питания	От 0,9 до 6,5 В		От 1,8 до 3,6 В

Температурный диапазон	От –40 до 85 °C	От 0 до 70 °C	От 0 до 85 °C

Отметим, что интегрированных сенсорных датчиков на этих платах нет.

полное отсутствие каких бы то ни было кабелей - электрических, коммуникационных и т.д.;
возможность компактного размещения или даже интеграции мотов в объекты окружающей среды;
надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (мотов);
отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.