Беспроводные сенсорные сети — это распределенные, самоорганизующиеся сети с множеством датчиков и исполнительных устройств, которые объединены между собой при помощи радиоканала.
Введение
С позиций инженеров-электронщиков, датчиками или сенсорами являются устройства, которые применяются для сбора информации о физических процессах или физических явлениях и их преобразования в электрические сигналы. Эти сигналы могут обрабатываться, измеряться и анализироваться. Понятие «физический процесс», которое использовано в приведенном выше определении датчика, следует понимать как любую реальную информацию. К примеру, это может быть информация о температуре, давлении, свете, звуке, движении, положении, излучении и так далее.
Сенсорной сетью является структура, которая состоит из датчиков, вычислительных модулей и компонентов, предназначенных для связи, имеющие своей целью запись, наблюдение и реагирование на события или явления. События могут коррелироваться с разными аспектами, к примеру, с физической реальностью, промышленными объектами, биологическими системами или инфраструктурной системой ИТ (информационных технологий), при этом контролирующими или наблюдательными органами могут быть потребительское приложение, правительство, гражданская, военная или промышленная организация. Подобная структура сенсорных сетей может быть использована для удаленного зондирования, медицинских телеметрических исследований, систем, реализующих наблюдение, мониторинг, сбор данных и так далее.
Беспроводные сенсорные сети
Стандартная сенсорная сеть включает в свой состав датчики, контроллеры и системы, предназначенные для связи. В случае, если система, предназначенная для связи в сенсорной сети, выполнена с применением беспроводного протокола, то такие сети именуются беспроводными сенсорными сетями, то есть, WSN (Wireless Sensor Networks). Структурная организация такой сети показана на рисунке ниже.
Рисунок 1. Структурная организация беспроводной сенсорной сети. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Необходимо отметить, что беспроводные сенсорные сети в качестве единого целого могут считаться одной из важнейших технологий двадцать первого века. Последние разработки в сфере MEMS-сенсоров (микро электромеханических систем) и беспроводной связи предоставили возможность создания дешевых, маломощные, миниатюрных и интеллектуальных датчиков, которые могут устанавливаться в обширном пространстве, а связь с ними можно обеспечить через беспроводные каналы связи и сеть Интернет для разных гражданских и военных приложений.
Беспроводная сенсорная сеть может состоять из сенсорных узлов, развернутых с высоким уровнем плотности и часто в значительных количествах, которые способны поддерживать распознавание, обработку данных, встроенные вычисления и связь. Передовые проекты в сфере инженерии, связи и сетей способствовали возникновению новейших версий датчиков и беспроводных систем. Подобные передовые датчики можно использовать как мост между физическим и цифровым миром. Датчики применяются во многих устройствах, отраслях промышленности, машинах и окружающей среде, и они способны помочь избежать сбоев инфраструктуры, аварий, а также они применяются для сохранения природных ресурсов, сохранения дикой природы, повышения производительности, обеспечения безопасности и так далее.
Стандартная беспроводная сенсорная сеть состоит из двух основных элементов:
- Сенсорного узла.
- Сетевой архитектуры.
Сенсорный узел в WSN включает в свой состав четыре основных компонента, а именно - источник питания, датчик, блок обработки, систему связи, как показано на рисунке ниже.
Рисунок 2. Сенсорный узел в WSN. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Датчик предназначен для сбора аналоговых данных из физического мира, а аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет преобразование этих данных в цифровую информацию. Главный процессор, роль которого, как правило, играет микропроцессор или микроконтроллер, исполняет интеллектуальную обработку данных и манипулирование ими.
Система связи обычно включает в свой состав устройства радиосвязи, как правило, это радиостанции ближнего действия, предназначенные для передачи и приема данных. Так как весь набор элементов может считаться модулями, обладающими низким энергопотреблением, то для питания всей системы может быть использована маленькая батарея, к примеру, CR-2032.
Несмотря на название, сенсорный узел имеет в своем составе не только сенсорные компоненты, но также и другие важные составляющие, такие, как модули обработки, связи и хранения. Благодаря всем этим элементам и модификациям узел датчика должен отвечать за сбор данных физического мира, анализ сети, корреляцию данных и объединение данных других датчиков с собственной информацией.
Архитектура беспроводной сенсорной сети представлена на рисунке ниже.
Рисунок 3. Архитектура беспроводной сенсорной сети. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Если значительное число сенсорных узлов располагается в обширной области для совместного мониторинга физической среды, то соединение в сеть всех этих сенсорных узлов является одинаково важным. Сенсорный узел в WSN должен не только связываться с другими сенсорными узлами, но также должен иметь связь с базовой станцией, применяя каналы беспроводной связи.
Базовая станция выполняет отправку команд на сенсорные узлы, а сенсорные узлы должны исполнять задачу, путем взаимодействия друг с другом. После сбора требуемых данных сенсорные узлы должны вернуть данные вновь на базовую станцию. Базовая станция также работает в качестве шлюза для других сетей через Интернет. После приема данных от узлов датчиков базовая станция исполняет несложную обработку данных и транслирует обновленный информационный набор пользователям через Интернет.
Если все узлы датчика подключены к базовой станции, то он определяется как архитектура сети с одним переходом (или односкачковая архитектура). Хотя передача на большие расстояния является возможной, потребление энергии для связи при этом будет существенно больше, чем для сбора и вычисления информационных данных. Необходимо отметить, что многоскачковая сетевая архитектура, как правило, применяется в серьезных приложениях.
