Bezvadu sensoru tīkla arhitektūra un tās pielietojums

Pašlaik WSN (bezvadu sensoru tīkls) ir visizplatītākais pakalpojums, ko izmanto komerciālās un rūpnieciskās lietojumprogrammās, pateicoties tā tehniskajai attīstībai procesorā, sakariem un iegulto skaitļošanas ierīču mazjaudas lietošanai. Bezvadu sensoru tīkla arhitektūra ir veidota ar mezgliem, kurus izmanto, lai novērotu apkārtni, piemēram, temperatūru, mitrumu, spiedienu, stāvokli, vibrāciju, skaņu utt. Šos mezglus var izmantot dažādās reāllaika lietojumprogrammās, lai veiktu dažādus uzdevumus, piemēram, viedu noteikšanu, kaimiņu mezglu, datu apstrādes un glabāšanas, datu vākšanas, mērķa izsekošanas, monitoringa un vadības, sinhronizācijas, mezglu lokalizācijas un efektīvas maršrutēšanas starp bāzes staciju un mezgliem atklāšana. Pašlaik WSN sāk organizēt uzlabotā posmā. Nav neērti sagaidīt, ka pēc 10 līdz 15 gadiem pasaule tiks aizsargāta ar WSN, izmantojot tos ar interneta starpniecību. To var izmērīt, kad internets kļūst par fizisku n / w. Šī tehnoloģija ir aizraujoša ar bezgalīgu potenciālu daudzās lietojumu jomās, piemēram, medicīnas, vides, transporta, militārajā, izklaides, tēvzemes aizsardzībā, krīžu pārvarēšanā un arī viedās telpās.

Kas ir bezvadu sensoru tīkls?

Bezvadu Sensoru tīkls ir viena veida bezvadu tīkls kas ietver lielu skaitu cirkulējošu, pašnovirzītu, minūti, mazjaudas ierīču, kurus sauc par sensoru mezgliem, kurus sauc par motēm. Šie tīkli noteikti aptver milzīgu skaitu telpiski izplatītu, mazu, ar akumulatoru darbināmu, iegultu ierīču, kas ir savienotas tīklā, lai uzmanīgi apkopotu, apstrādātu un pārsūtītu operatoriem datus, un tas ir kontrolējis skaitļošanas un apstrādes iespējas. Mezgli ir mazi datori, kas kopīgi darbojas, veidojot tīklus.

Bezvadu sensoru tīkls

Sensora mezgls ir daudzfunkcionāla, energoefektīva bezvadu ierīce. Motes pielietojums rūpniecībā ir plaši izplatīts. Sensoru mezglu kolekcija apkopo datus no apkārtnes, lai sasniegtu konkrētus lietojuma mērķus. Saziņu starp motīviem var veikt savā starpā, izmantojot uztvērējus. Bezvadu sensoru tīklā motoru skaits var būt simtiem / pat tūkstošiem. Atšķirībā no sensora n / ws, Ad Hoc tīklos būs mazāk mezglu bez struktūras.

Bezvadu sensoru tīkla arhitektūra

Visizplatītākā bezvadu sensoru tīkla arhitektūra atbilst OSI arhitektūras modelim. WSN arhitektūra ietver piecus un trīs šķērsslāņus. Pārsvarā sensora n / w gadījumā mums ir nepieciešami pieci slāņi, proti, lietojums, transports, n / w, datu savienojums un fiziskais slānis. Trīs šķērsplaknes ir enerģijas pārvaldība, mobilitātes pārvaldība un uzdevumu pārvaldība. Šie WSN slāņi tiek izmantoti, lai sasniegtu n / w un panāktu, ka sensori darbojas kopā, lai paaugstinātu tīkla pilnīgu efektivitāti. Lūdzu, sekojiet zemāk esošajai saitei Bezvadu sensoru tīklu un WSN topoloģiju veidi

WSN arhitektūras veidi

WSN izmantotā arhitektūra ir sensoru tīkla arhitektūra. Šāda veida arhitektūra ir piemērojama dažādās vietās, piemēram, slimnīcās, skolās, ceļos, ēkās, kā arī tiek izmantota dažādās lietojumprogrammās, piemēram, drošības pārvaldībā, katastrofu pārvaldībā un krīžu pārvaldībā utt. Bezvadu sensorā tiek izmantoti divu veidu arhitektūras tīkliem, kas ietver sekojošo. Ir divu veidu bezvadu sensoru arhitektūras: slāņveida tīkla arhitektūra un kopu arhitektūra. Tie ir izskaidroti šādi.

• Slāņveida tīkla arhitektūra
• Kopu tīkla arhitektūra

Slāņveida tīkla arhitektūra

Šāda veida tīklā tiek izmantoti simtiem sensoru mezglu, kā arī bāzes stacija. Šeit tīkla mezglu izvietojumu var veikt koncentriskos slāņos. Tas sastāv no pieciem slāņiem, kā arī 3 šķērsslāņiem, kas ietver sekojošo.

Pieci arhitektūras slāņi ir:

• Lietojuma slānis
• Transporta slānis
• Tīkla slānis
• Datu saites slānis
• Fiziskais slānis

Trīs šķērsslāņi ietver sekojošo:

• Enerģijas pārvaldības plakne
• Mobilitātes vadības plakne
• Uzdevumu pārvaldības plakne

Šie trīs šķērsslāņi galvenokārt tiek izmantoti tīkla kontrolei, kā arī sensoru darbībai kā vienam, lai uzlabotu tīkla vispārējo efektivitāti. Iepriekš minētie pieci WSN slāņi ir aplūkoti turpmāk.

Bezvadu sensoru tīkla arhitektūra

Lietojuma slānis

Lietojumprogrammu slānis ir atbildīgs par trafika pārvaldību un piedāvā programmatūru daudzām lietojumprogrammām, kas skaidrā veidā pārveido datus, lai atrastu pozitīvu informāciju. Sensoru tīkli ir sakārtoti daudzās lietojumprogrammās dažādās jomās, piemēram, lauksaimniecības, militārajā, vides, medicīnas utt.

Transporta slānis

Transporta slāņa funkcija ir novērst sastrēgumus un uzticamību, ja daudzi protokoli, kas paredzēti šīs funkcijas piedāvāšanai, ir praktiski vai nu augšpusē. Šie protokoli izmanto atšķirīgus mehānismus zaudējumu atpazīšanai un zaudējumu atgūšanai. Transporta slānis ir tieši nepieciešams, kad tiek plānota sistēma, lai sazinātos ar citiem tīkliem.

Nodrošināt drošu zaudējumu atgūšanu ir energoefektīvāka, un tas ir viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc TCP nav piemērots WSN. Parasti transporta slāņus var sadalīt paketēs, notikumos. Transporta slānī ir daži populāri protokoli, proti, STCP (sensora pārraides vadības protokols), PORT (uz cenu orientēts uzticams transporta protokols un PSFQ (ātra sūkņa lēna ienešana).

Tīkla slānis

Tīkla slāņa galvenā funkcija ir maršrutēšana, tai ir daudz uzdevumu, kuru pamatā ir lietojumprogramma, taču patiesībā galvenie uzdevumi ir enerģijas taupīšana, daļējai atmiņai, buferiem un sensoram nav universāla ID, un tiem ir būt pašorganizētam.

Maršrutēšanas protokola vienkāršā ideja ir izskaidrot uzticamu joslu un liekās joslas saskaņā ar pārliecinošu skalu, ko sauc par metriku, kas katrā protokolā atšķiras. Šim tīkla slānim ir daudz esošo protokolu, tos var sadalīt plakanajā maršrutēšanā un hierarhiskajā maršrutēšanā vai arī sadalīt laika, vaicājumu un notikumu vadībā.

Datu saites slānis

Datu saites slānis ir atbildīgs par datu rāmju noteikšanas, datu plūsmu, MAC un kļūdu kontroles multipleksēšanu, apstiprinot punktu – punktu (vai) punktu – daudzpunktu ticamību.

Fiziskais slānis

Fiziskais slānis nodrošina malu bitu plūsmas pārsūtīšanai virs fiziskā nesēja. Šis slānis ir atbildīgs par frekvences izvēli, nesēja frekvences ģenerēšanu, signāla noteikšanu, modulāciju un datu šifrēšanu. IEEE 802.15.4 tiek ieteikts kā tipisks zema līmeņa noteiktiem apgabaliem un bezvadu sensoru tīkliem ar zemām izmaksām, enerģijas patēriņu, blīvumu un sakaru diapazonu, lai uzlabotu akumulatora darbības laiku. CSMA / CA tiek izmantota zvaigžņu un vienaudžu topoloģijas atbalstam. Ir vairākas IEEE 802.15.4.V versijas.

Galvenie šāda veida arhitektūras izmantošanas WSN ieguvumi ir tādi, ka katrs mezgls vienkārši veic maza attāluma un mazjaudas pārraides uz blakus esošajiem mezgliem, kuru dēļ enerģijas patēriņš ir zems salīdzinājumā ar cita veida sensoru tīkla arhitektūru. Šāda veida tīkls ir mērogojams, kā arī ietver augstu kļūdu toleranci.

Kopu tīkla arhitektūra

Šāda veida arhitektūrā atsevišķi sensoru mezgli tiek pievienoti grupām, kas pazīstamas kā kopas, kas ir atkarīgas no “Leach Protocol”, jo tajā tiek izmantotas kopas. Termins “Leach Protocol” nozīmē “Zema enerģijas adaptīvā kopu hierarhija”. Galvenās šī protokola īpašības galvenokārt ir šādas.

Kopu tīkla arhitektūra

• Šī ir divpakāpju hierarhijas klasterizācijas arhitektūra.
• Šis sadalītais algoritms tiek izmantots, lai sensoru mezglus sakārtotu grupās, kas pazīstamas kā kopas.
• Katrā klasterī, kas tiek veidots atsevišķi, klastera galvenie mezgli izveidos TDMA (laika dalīšanas daudzpiekļuves) plānus.
• Tas izmanto Data Fusion koncepciju, lai padarītu tīklu energoefektīvu.

Šāda veida tīkla arhitektūra tiek ārkārtīgi izmantota datu apvienošanas rekvizītu dēļ. Katrā klasterī katrs mezgls var mijiedarboties, izmantojot klastera galvu, lai iegūtu datus. Visi kopas koplietos savāktos datus bāzes stacijas virzienā. Klastera veidošana, kā arī tā galvas izvēle katrā klasterī ir neatkarīga, kā arī autonoma sadalīta metode.

Bezvadu sensoru tīkla arhitektūras projektēšanas jautājumi

Bezvadu sensoru tīkla arhitektūras dizaina jautājumi galvenokārt ietver šādus jautājumus.

• Enerģijas patēriņš
• Lokalizācija
• Pārklājums
• Pulksteņi
• Aprēķins
• Ražošanas izmaksas
• Aparatūras projektēšana
• Pakalpojuma kvalitāte

Enerģijas patēriņš

WSN enerģijas patēriņš ir viens no galvenajiem jautājumiem. Bateriju kā enerģijas avotu izmanto, aprīkojot ar sensoru mezgliem. Sensoru tīkls ir sakārtots bīstamās situācijās, tāpēc ir sarežģīti mainīt citādi uzlādējamas baterijas. Enerģijas patēriņš galvenokārt ir atkarīgs no sensoru mezglu darbības, piemēram, komunikācijas, uztveršanas un datu apstrādes. Visā saziņā enerģijas patēriņš ir ļoti liels. Tātad, izmantojot efektīvus maršrutēšanas protokolus, katrā slānī var izvairīties no enerģijas patēriņa.

Lokalizācija

Tīkla darbībai galvenā, kā arī kritiskā problēma ir sensora lokalizācija. Tātad sensoru mezgli ir sakārtoti ad hoc veidā, lai viņi nezinātu par savu atrašanās vietu. Sensora fiziskās atrašanās vietas noteikšanas grūtības, kad tās ir sakārtotas, sauc par lokalizāciju. Šīs grūtības var atrisināt, izmantojot GPS, bākas mezglus, lokalizāciju, pamatojoties uz tuvumu.

Pārklājums

Sensoru mezgli bezvadu sensoru tīklā datu pārraidei izmanto pārklājuma algoritmu, kā arī pārraida tos, lai iegremdētos caur maršrutēšanas algoritmu. Lai aptvertu visu tīklu, ir jāizvēlas sensoru mezgli. Tur ir ieteicamas efektīvas metodes, piemēram, vismazākā un augstākā ekspozīcijas ceļa algoritmi, kā arī pārklājuma projektēšanas protokols.

Pulksteņi

WSN pulksteņa sinhronizācija ir nopietns pakalpojums. Šīs sinhronizācijas galvenā funkcija ir piedāvāt parastu laika grafiku vietējo pulksteņu mezgliem sensoru tīklos. Šie pulksteņi ir sinhronizēti dažās lietojumprogrammās, piemēram, uzraudzībā, kā arī izsekošanā.

Aprēķins

Aprēķinu var definēt kā datu summu, kas turpinās caur katru mezglu. Galvenais aprēķinu jautājums ir tas, ka tam jāsamazina resursu izmantošana. Ja bāzes stacijas dzīves ilgums ir bīstamāks, tad datu apstrāde tiks pabeigta katrā mezglā, pirms dati tiek pārsūtīti uz bāzes staciju. Katrā mezglā, ja mums ir daži resursi, viss aprēķins jāveic pie izlietnes.

Ražošanas izmaksas

WSN ir sakārtots liels sensoru mezglu skaits. Tātad, ja viena mezgla cena ir ļoti augsta, arī kopējā tīkla cena būs augsta. Galu galā katra sensora mezgla cena ir jāsaglabā mazāk. Tāpēc katra sensora mezgla cena bezvadu sensoru tīklā ir sarežģīta problēma.

Aparatūras dizains

Projektējot sensoru tīkla aparatūru, piemēram, jaudas kontroli, mikrokontrollerim un sakaru vienībai jābūt energoefektīvai. Tās dizainu var veikt tā, lai tajā tiktu patērēts maz enerģijas.

Pakalpojuma kvalitāte

Pakalpojuma kvalitāte vai QoS nav nekas cits kā, dati jāsadala savlaicīgi. Tā kā dažas reālā laika sensoru bāzes lietojumprogrammas galvenokārt ir atkarīgas no laika. Tātad, ja dati netiek savlaicīgi izplatīti uz uztvērēju, tad dati kļūs bezjēdzīgi. WSN ir dažādi QoS problēmu veidi, piemēram, tīkla topoloģija, kas var mainīties bieži, kā arī maršrutēšanai izmantotās pieejamās informācijas stāvoklis var būt neprecīzs.

Bezvadu sensoru tīkla struktūra

WSN struktūra galvenokārt sastāv no dažādām radiosakaru tīklos izmantojamām topoloģijām, piemēram, zvaigzne, siets un hibrīdzvaigzne. Šīs topoloģijas ir īsumā aplūkotas turpmāk.

Zvaigžņu tīkls

Sakaru topoloģiju, piemēram, zvaigžņu tīklu, izmanto visur, kur tikai bāzes stacija var nosūtīt vai saņemt ziņojumu uz attāliem mezgliem. Ir pieejami vairāki mezgli, kuriem nav atļauts pārraidīt ziņojumus viens otram. Šī tīkla priekšrocības galvenokārt ir vienkāršība, kas spēj minimizēt attālināto mezglu enerģijas izmantošanu.

Tas arī ļauj saziņai ar mazāku latentumu starp bāzes staciju, kā arī attālo mezglu. Galvenais šī tīkla trūkums ir tas, ka bāzes stacijai jābūt radio diapazonā visiem atsevišķajiem mezgliem. Tas nav izturīgs kā citi tīkli, jo tīkla apstrāde ir atkarīga no viena mezgla.

Tīkla tīkls

Šāda veida tīkls ļauj datus pārsūtīt no viena mezgla uz otru tīklā, kas atrodas radio pārraides diapazonā. Ja mezglam ir jāpārraida ziņojums uz citu mezglu un tas ir ārpus radiosakaru diapazona, tad tas var izmantot mezglu kā starpproduktu, lai nosūtītu ziņojumu uz vēlamo mezglu.

Galvenais acu tīkla ieguvums ir mērogojamība, kā arī atlaišana. Kad atsevišķs mezgls pārstāj darboties, attālais mezgls var sarunāties ar jebkura cita veida mezglu diapazonā, pēc tam nosūta ziņojumu vēlamās vietas virzienā. Turklāt tīkla diapazons netiek automātiski ierobežots, izmantojot diapazonu starp atsevišķiem mezgliem, un to var paplašināt, vienkārši pievienojot sistēmai vairākus mezglus.

Šāda veida tīkla galvenais trūkums ir enerģijas izmantošana tīkla mezgliem, kas veic sakarus, piemēram, multi-hop, parasti ir augstāka nekā citiem mezgliem, kuriem nav šādas iespējas bieži ierobežot akumulatora darbības laiku. Turklāt, palielinoties komunikācijas apiņu skaitam mērķa virzienā, palielināsies arī ziņojuma nosūtīšanai nepieciešamais laiks, it īpaši, ja mezglu mazjaudas process ir nepieciešams.

Hibrīda zvaigzne - acu tīkls

Hibrīds starp abiem tīkliem, piemēram, zvaigzne un siets, nodrošina spēcīgu un elastīgu sakaru tīklu, vienlaikus minimizējot bezvadu sensoru mezglu enerģijas patēriņu. Šāda veida tīkla topoloģijā sensoru mezgliem ar mazāku jaudu nav atļauts pārraidīt ziņojumus.
Tas ļauj uzturēt vismazāk enerģijas.

Bet citi tīkla mezgli ir atļauti ar multi-hop iespēju, ļaujot tiem tīklā pārsūtīt ziņojumus no viena mezgla uz otru. Parasti mezgliem ar vairāku apiņu spēju ir liela jauda un tie bieži tiek pievienoti elektrotīklam. Šī ir ieviesta topoloģija, izmantojot gaidāmo standarta tīkla tīklu, ko sauc par ZigBee.

Bezvadu sensora mezgla struktūra

Bezvadu sensora mezgla veidošanai izmantotās sastāvdaļas ir dažādas vienības, piemēram, uztveršana, apstrāde, uztvērējs un strāva. Tas ietver arī papildu komponentus, kas ir atkarīgi no tādas lietojumprogrammas kā strāvas ģenerators, atrašanās vietas noteikšanas sistēma un mobilizators. Parasti uztverošās vienībās ietilpst divas apakšvienības, proti, ADC, kā arī sensori. Šeit sensori ģenerē analogus signālus, kurus ar ADC palīdzību var mainīt uz ciparu signāliem, pēc tam tos pārraida uz procesoru.

Parasti šo vienību var saistīt, izmantojot niecīgu atmiņas bloku, lai veiktu darbības, lai sensora mezgls darbotos ar citiem mezgliem, lai sasniegtu piešķirtos uztveršanas uzdevumus. Sensora mezglu var savienot ar tīklu ar uztvērēja vienības palīdzību. Sensora mezglā viena no būtiskām sastāvdaļām ir sensora mezgls. Jaudas vienības tiek atbalstītas, izmantojot enerģijas noņemšanas ierīces, piemēram, saules baterijas, savukārt pārējās apakšvienības ir atkarīgas no pielietojuma.

Bezvadu uztveršanas mezglu funkcionālā blokshēma ir parādīta iepriekš. Šie moduļi nodrošina daudzpusīgu platformu, lai tiktu galā ar plašu lietojumu prasībām. Piemēram, pamatojoties uz izvietojamiem sensoriem, var nomainīt signāla kondicionēšanas bloku. Tas ļauj izmantot dažādus sensorus kopā ar bezvadu sensoru mezglu. Tāpat radio saiti var apmainīt pret noteiktu lietojumprogrammu.

Bezvadu sensoru tīkla raksturojums

WSN raksturlielumi ietver sekojošo.

• Enerģijas robežu patēriņš mezgliem ar baterijām
• Spēja rīkoties ar mezglu kļūmēm
• Zināma mezglu mobilitāte un mezglu neviendabīgums
• Mērogojamība lielā izplatīšanas mērogā
• Spēja nodrošināt stingrus vides apstākļus
• Vienkārši lietojams
• Starpslāņu dizains

Bezvadu sensoru tīklu priekšrocības

WSN priekšrocības ietver šādas

• Tīkla pasākumus var veikt bez nekustamas infrastruktūras.
• Piemērots nepieejamām vietām, piemēram, kalniem, virs jūras, lauku rajoniem un dziļiem mežiem.
• Elastīgi, ja ir gadījuma situācija, kad nepieciešama papildu darbstacija.
• Izpildes cenas ir lētas.
• Tas ļauj izvairīties no daudzām elektroinstalācijām.
• Tas var nodrošināt izmitināšanu jaunajām ierīcēm jebkurā laikā.
• To var atvērt, izmantojot centralizētu uzraudzību.

Bezvadu sensoru tīkla lietojumprogrammas

Bezvadu sensoru tīklos var būt daudz dažādu veidu sensoru, piemēram, zems paraugu ņemšanas ātrums, seismiskie, magnētiskie, termiskie, vizuālie, infrasarkanie, radari un akustiskie, kas ir gudri, lai uzraudzītu plašu apkārtējo situāciju klāstu. Sensora mezgli tiek izmantoti pastāvīgai uztveršanai, notikuma ID, notikumu noteikšanai un izpildmehānismu lokālai kontrolei. Bezvadu sensoru tīklu lietojumprogrammas galvenokārt ietver veselības, militārās, vides, mājas un citas komerciālās teritorijas.

WSN lietojumprogramma

• Militārie pielietojumi
• Veselības lietojumi
• Vides lietojumi
• Mājas lietojumprogrammas
• Komerciālas lietojumprogrammas
• Teritorijas monitorings
• Veselības aprūpes uzraudzība
• Vides / Zemes sajūtas
• Gaisa piesārņojuma monitorings
• Meža ugunsgrēku atklāšana
• Nogruvuma noteikšana
• Ūdens kvalitātes monitorings
• Rūpnieciskā uzraudzība

Tādējādi tas viss ir par to, kas ir a bezvadu sensoru tīkls , bezvadu sensoru tīkla arhitektūra, raksturlielumi un lietojumprogrammas. Mēs ceram, ka jums ir labāka izpratne par šo koncepciju. Turklāt kādi jautājumi vai par kuriem jāzina bezvadu sensoru tīkla projektu idejas , lūdzu, sniedziet savus vērtīgos ieteikumus, komentējot komentāru sadaļā zemāk. Šeit ir jautājums jums, kādi ir dažādi bezvadu sensoru tīklu veidi?