Беспроводная сенсорная сеть (БСС) состоит из сенсорных узлов, которые плотно развернуты, где каждый узел имеет датчик, процессор, передатчик и приемник. Эти узлы представляют собой недорогие маломощные и многофункциональные устройства для выполнения различных задач зондирования. Сенсорные узлы развернуты по всей области для мониторинга определенных событий (Например, температуры) в реальных условиях. БСС в основном работают в открытой и неуправляемой зоне. Предполагается, что они будут играть важную роль в различных областях, например, военное наблюдение, мониторинг лесных пожаров, мониторинг безопасности зданий и управление производственными процессами. Большинству приложений требуется более точный процесс локализации для узлов, чтобы получить их координаты внутри сети.
Эта область исследований открывает новые горизонты алгоритмов и методов оптимизации лучшей оценки местоположения для сенсорных узлов в различных областях (например, в помещении, на улице). Фактически, аспекты отслеживания целей и локализации имеют очень важное соотношение всех научных публикаций БСС.
Применение беспроводных сенсорных сетей.
Важность использования БСС растет с каждым годом. Это непосредственно связано с увеличением потребности контроля, наблюдения, измерений и решения многих других задач эксплуатации в таких областях как промышленность, медицина, коммерция, наука, быт. Наиболее известные области применения БСС:
Военная техника:
Для применения в военных целях требуется хорошо оснащенный и надежный беспроводной датчик, который может выдержать особые условия эксплуатации (например, повышенная температура, влажность и прочее) при этом иметь компактный размер и конструкцию, не привлекающую внимания противника.
Особое внимание в военной сфере следует уделять мониторингу появления неисправностей для своевременного их устранения.
Возможность использования беспроводных датчиков в военной области варьируется от мониторинга транспортных средств (дружественных или противоборствующих), мониторинг возможных угроз и многих других целей с плотной топологией для сбора более надежных данных.
Медицинская техника:
В настоящее время беспроводные датчики являются востребованными в медицине для упрощения взаимосвязи между пациентом и системой мониторинга. Также есть функции, которые выполняются с помощью медицинских датчиков, таких как контроль заболеваний и введение препаратов. Для улучшения дистанционного мониторинга жизненно важных показаний пациента повышают чувствительность датчика.
Экологические программы:
БСС может быть использована для измерения нескольких параметров окружающей среды, таких как температура, влажность, давление, интенсивность света, и характеристика почвы. Она также используется для отслеживания, контроля за движением и поведением животных, птиц и других существ.
В большинстве случаев сенсорные узлы прикреплены к движущимся существам или плотно размещены внутри целевой среды. Некоторые функции требуют контролируемости датчика для его управления. Экологические применение требует длительной автономной работы с протоколами передачи данных для наблюдения и контроля в труднодоступных местах обитания объекта исследования.
Бытовая техника:
Активное использование БСС не могло не затронуть человека в повседневной жизни. Управление домом / оргтехникой при помощи пульта дистанционного управления, который дает возможность внутри целевой области изменять параметры устройств путем прямой связи между пользователем и устройствами, при помощи сети Интернет или спутниковой связи. Для интерактивности между бытовой техникой и пользователем требуется искусственный интеллект, который с помощью сенсорных узлов развивает свои реакции на адаптируется к потребностям пользователя.
Аппаратная архитектура
Сенсорные узлы являются основой БСС и на ряду с системами управления, как и другие электрические устройства, состоит из двух основных областей: программная платформа и аппаратная архитектура. Программная платформа состоит в основном из операционной системы, которая управляет сенсорным узлом. Это связано с процедурами и алгоритмами методов измерений, которые будут загружены в каждый сенсорный узел. С другой стороны, аппаратная архитектура должна поддерживать процедуры измерения.
Блок-схема архитектуры сенсорного узла представлена на рис 1. Каждый беспроводный узел содержит: Источник питания, датчик, блок обработки, и часть приемопередатчика:
А. Источник питания:
Размещение источника питания главным образом зависит от протяжности области сбора данных. Питание считается основным блоком для датчика, а также питает другие единицы для выполнения своих функций [1]. Срок службы сенсорного узла зависит от его источника питания. Для максимизации производительности электроэнергии разрабатываются методы минимизации скорости потока данных между узлами. Усовершенствование использованием различных материалов, применяемых в блоках питания, уравновешивает затраты на производительность (например, никель-кадмиевых, литий-ионный).
B. Датчик:
В БСС определяются функцией, которая измеряется сенсорной частью датчика внутри ее узлов (например, температуры, дыма, влажности ...). Сенсорная часть внутри узлов преобразует физическое событие, необходимое для измерения, в значимые данные, которые должны быть обработаны и сохранены. [2]. Датчики разделяются по типу выходного сигнала: аналоговые и цифровые. Блоки датчиков должны иметь минимальный размер и минимальное потребление энергии.
C. Блок обработки:
Блок обработки отвечает за обработку данных, полученных или переданных приемопередатчиком, а также за управление данными, полученными сенсорной частью.
Этот объект содержит три основных компоненты: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), центральный процессор (CPU) и память.
В некоторых системах АЦП считается частью сенсорного блока, но фактически он выполняет задачу предварительной обработки, заключающуюся в преобразовании сигнала в цифровой формат.
Процессор отвечает за управление функциональностью внутри узла датчика с несколькими формами аппаратного и программное обеспечения: FPGA, ASICS. Процессор может быть заменен в некоторых узлах с микроконтроллерами, которые ниже, в потреблении энергии.
Память хранения является входной / выходной частью, которая контролирует поток данных, которые должны быть сохранены или обработаны. Память может быть: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое хранит данные для отправки и не сохраняет их при перезапуске узла, и постоянная память, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое сохраняет операционную систему и основной алгоритм работы.
D. Приемопередатчик:
Он имеет двойную функцию: передачи и отправки сигналов между узлами, узлом и маяком или узлом и базой управления.
В этой части используется в основном промышленно-научный-медицинский (ISM) диапазон частот, который является бесплатным для пользовательских приложений и может использоваться повторно во всем мире. Независимо от используемой технологии и режима работы приемопередатчика, работа передатчика должна быть оптимизирована для снижения энергопотребления за счет улучшения аппаратного обеспечения или сокращения времени передачи.
Тенденции развития БСС.
Беспроводные сенсорные сети в целом и область локализации, в частности, все еще охватывают широкую область исследований и разработок, таких как:
– Разработка новых методов, которые рационализируют использование GPS, поскольку оно не энергоэффективно и стоит дорого для аппаратного обеспечения с низкой производительностью внутри помещений (проблемы распространения на линии прямой видимости).
– Минимизация ошибок для повышения точности оценки местоположения сенсорного узла, что включает использование математических и геометрических соотношений и разработку новых методов измерения (может быть гибридной методикой между старыми методиками).
Мобильность сенсорных узлов в некоторых приложениях может изменить топологию сети, что приводит к новой области исследований, которая может отслеживать изменения и сохранять оценку местоположения.
– Усовершенствования плотности топологии сети для уменьшения количества якорей / маяков, необходимых для оценки хорошего покрытия для всех других узлов датчиков.
– 3D-локализация по-прежнему представляет интерес для некоторых исследователей, так как большинство исследований концентрируется на плоскостях поверхности, которые могут быть неэффективны для моделирования в реальном мире.
– Новая реализация оборудования приведет к уменьшению стоимости при более высокой энергоэффективности, особенно для высокоточных методов в категории на основе диапазона, которая также включает увеличение производительности (более длительное время автономной работы, более высокая скорость обработки, больше памяти и минимизация размера аппаратного обеспечения узла датчика).
– Угрозы безопасности и атаки подвергаются дополнительным исследованиям, чтобы улучшить существующие схемы защиты и разработать более защищенные протоколы с мощными алгоритмами обнаружения. В дополнение к ранее упомянутой области исследований есть много новых тенденций и точек зрения на проблему локализации, одной из этих тенденций является использование анализа социальных сетей (АСС). АСС рассматривает любую сеть как набор отношений между игроками (в нашем случае это сенсорные узлы) и связи (связи между узлами). Эта область является многообещающей и имеет место во многих исследованиях не только в области электрических коммуникаций, она включает в себя метрики измерений между узлами, которые должны быть доступны с несколькими схемами размещения для добавления узлов датчиков. АСС основывается главным образом на графической теории, которая дает новые аспекты для эффективной работы с БСС.
Литература:
- R. Manzoor, «Energy efficient localization in wireless sensor network using noisy measurements» M.S. thesis, Jan. 2010.
- F. Hu and X. Cao, Wireless sensor networks: principles and practice, 1st ed., FL, USA: Auerbach Publications, 2010
