شبکه بی‌سیم حسگر

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
معماری یک شبکه حسگر بی سیم Multihop

معرفی شبکه‌های حسگر بی سیم WSN پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربری‌های گوناگون داده است. این حسگرهای کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبکه‌های موسوم به شبکه بی‌سیم حسگر WSN شده‌اند. یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره‌های حسگر است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌های حسگر، از قبل‌تعیین‌شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم می‌آورد که بتوانیم آنها را در مکان‌های خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.

از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکل‌ها و الگوریتم‌های شبکه‌های حسگری باید دارای توانایی‌های خودساماندهی باشند. دیگر خصوصیت‌های منحصربه‌فرد شبکه‌های حسگر، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های حسگر است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند.

با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می‌کند. در واقع قدرت شبکه‌های بی‌سیم حسگر در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.

گستره کاربری شبکه‌های بی‌سیم حسگر بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی و صنعتی تا کاربردهای نظامی را شامل می‌شود. به عنوان مثال یکی از متداول‌ترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه می‌تواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بی‌سیم را تشکیل می‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شود.

در این سیستم‌ها بر خلاف سیستم‌های سیمی قدیمی، از یک سو هزینه‌های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته می‌شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاه‌های کوچکی را که تقریباً به اندازه یک سکه هستند. شبکه حسگر بی‌سیم (Wireless Sensor Network/ WSN) به یک شبکه بی سیم از حسگرهای خودراهبر گفته می‌شود که با فاصله پخش شده اند و برای اندازه گیری گروهی برخی از کمیت‌های فیزیکی یا شرایط محیطی مانند دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا آلاینده ها، در مکانهای مختلف یک محدوده کاربرد دارد. شبکه‌های حسگر با انگیزه استفاده در کاربردهای نظامی مانند نظارت بر میدان جنگ، توسعه پیدا کرد. اما امروزه شبکه‌های حسگر بی سیم در صنعت و بسیاری از مقاصد غیر نظامی استفاده می‌شوند، از جمله نظارت و کنترل فرایندهای صنعتی، نظارت بر سلامت دستگاهها، نظارت بر محیط و یا خانه، کاربردهای مراقبت از سلامتی، خانه‌های هوشمند و کنترل ترافیک.

علاوه بر یک یا چند سنسور، هر گره از شبکه معمولاً مجهز به یک فرستنده و گیرنده رادیویی (یا هر وسیله مخابراتی بی سیم دیگر)، یک میکروکنترلر کوچک، و یک منبع انرژی (معمولاً یک باتری) است. اندازه یک گره سنسوری بسته به اندازه بسته بندی آن تغییر کرده و تا یک دانه شن قابل کوچک سازی است. که قطعات این شنریزه در ابعاد میکروسکوپی هنوز باید ساخته شود. به طور مشابه قیمت هر گره حسگر می‌تواند بین چند صد دلار تا چند سنت، بسته به اندازه و پیچیدگی مورد نیاز یک گره متفاوت باشد. محدودیت‌های قیمت و اندازه در گره‌های حسگر منجر به محدودیت در منابعی مانند انرژی، حافظه، سرعت پردازش و پهنای باند در آنها می‌شود.

یک شبکه سنسور معمولاً تشکیل یک شبکه‌های بی‌سیم اقتضایی (ad-hoc) را می دهد، به این معنی که هر گره از الگوریتم مسیریابی multi-hop استفاده می‌کند. (تعداد زیادی گره یک بسته اطلاعاتی را جلو برده و به ایستگاه مرکزی می رساند). در حال حاضر شبکه‌های بی سیم حسگر یکی از موضوعات فعال تحقیقاتی در علوم کامپیوتر و ارتباطات است که هر ساله تعداد بیشماری کارگاه و کنفرانس در این زمینه انجام می‌شود.

کاربردها[ویرایش]

موارد استفاده از شبکه های سنسوری بی سیم متنوع و زیاد است . به عنوان مثال در کاربردهای تجاری و صنعتی برای کنترل داده‌ها و مواردی که استفاده از گیرنده‌های سیمی مشکل و گران است به کار می‌روند. برای مثال این شبکه‌ها می‌توانند در محیط‌های بیابانی هم گسترش یابند و سالها باقی بمانند. کاربرد دیگر اعلام خطر ورود مهاجم به یک محل کنترل شده و سپس ردیابی مهاجم است.

از موارد دیگر کاربرد این شبکه ها میتوان به نظارت بر محل‌های مسکونی، ردیابی هدف‌های متحرک، کنترل رآکتور هسته ای، آشکار سازی حریق، نظارت ترافیک و ... اشاره نمود.

نظارت بر محیط[ویرایش]

کنترل یا نظارت بر محیط نوعی استفاده از گیرنده بی سیم است. در نظارت محیط، گیرنده بی سیم در ناحیه‌ای پراکنده می‌شود که تعدادی پدیده یا حادثه باید تحت نظارت باشد. برای مثال تعداد زیادی از این گره‌های فرستنده و دریافت کننده می‌توانند در میدان جنگ برای آشکار کردن تجاوز دشمن بجای استفاده از مین‌های زمینی گسترش داده شوند.

زمانی که این حس گر یا گیرنده اتفاقی را که تحت نظر بوده (گرما، فشار، صدا، نور، زمین هایی با خواص مغناطیسی و لرزش و ارتعاش و غیره) پیدا می‌کند، لازم است که اتفاق به یکی از پایگاه‌ها گزارش شود. این پایگاه بر اساس نوع کاربری شبکه عملی مناسب، مانند ارسال پیغام به اینترنت یا ماهواره و یا پردازش محلی داده، را انجام می‌دهد.

مشخصه ها[ویرایش]

مشخصه‌های منحصربه‌فرد گیرندهٔ بی سیم:

  • گره‌های گیرنده با مقیاس کم
  • قدرت محدود که می‌توان ذخیره یا تخلیه شود
  • شرایط محیطی نا مناسب
  • نقص‌های گره
  • ترک گره
  • شبکه دینامیک توپو لوژی
  • نقص ارتباطات
  • غیر یکنواختی گره ها
  • گسترش با مقیاس بالا
  • عملکرد خودکار

گره‌های گیرنده را می‌توان کامپیوترهای کوچکی تصور کرد. کاملاً اساسی و در وجه مشترکشان در ساختار و اجزاء آنها معمولاً شامل واحد پردازنده و قدرت اشتباه محاسبهٔ محدود و حافظهٔ محدود هستند گیرنده‌ها (شامل شرایط خاص مدارها) دستگاه ارتباطی (معمولاً فرستنده و گیرنده رادیویی و نوری متناوب) و منبع انرژی هم معمولاً از باتری است. پایگاه‌ها بنیادی از یا چند اجزاء برجسته از شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم (WSN) با محاسبهٔ بیشتر انرژی، منبع ارتباطاتی، آنها مثل دروازه بین گره گیرنده و کاربر نهایی عمل می‌کنند.

پایگاه‌ها[ویرایش]

سخت‌افزار[ویرایش]

Sun Spot حسگر بی‌سیم محصول شرکت سان مایکروسیستمز

فصل اصلی گره گیرنده شامل: اصلی‌ترین موضوع با قیمت کم با گره‌های گیرنده کوچک است. با ملاحضه به این اهداف، گره‌های گیرنده در حال حاضر در اصل نمونه‌های اولیه هستند. از کوچک سازی و کاهش هزینه متوجه می شویم که اهداف اخیر و آینده در پیشرفت رشته MEMS و NEMS است و تعدادی از گره‌های گیرنده پایین ارائه می‌شوند و تعدادی از گره‌ها هنوز در مرحله تحقیق هستند. نظر کلی راجع به استفاده از شبکه، پایگاه‌ها و اجزاء و موضوعات مربوط در SNM قابل دسترس است.

استانداردها[ویرایش]

زمانیکه مسیر اصلی کامپیوترها درخور استانداردها ست – تنها استاندارد رسمی که در شبکه‌های ارتباطی گیرنده بی سیم پذیرفته شده ISO 18000-7 و 6Lowpan و بی سیم HART و در پایین تعداد دیگری از استانداردها که تحقیق شده اند برای استفاده توسط محققین این رسته :

  • ZigBee
  • Wibree
  • IEEE 802.15.4-2006

نرم‌افزارها[ویرایش]

انرژی منبع کمیاب گره‌های شبکه بی سیم است و تعیین کننده عمر شبکه ارتباطی گیرنده‌های بی سیم (WSN) است بطور متوسط می‌توانند در تعداد بالایی در محیطهای گوناگون گسترش یابند در مناطق دور افتاده و دشمن، همراه ارتباطات تک کاره به عنوان کلید برای این علت الگوریتم و پروتکل احتیاج دارد به دنبال این پیامدها :

  • بیشینه سازی عمر .
  • توانمندی و تحمل عیب
  • روش تنظیم .و نصب خودکار

بعضی از موضوع‌های داغ در تحقیق نرم‌افزارهای ( WSN)

  • امنیت
  • قابلیت انتقال و ترک ( زمانی که گره‌های گیرنده و یا پایگاه‌ها در حال حرکت اند.)
  • میان افزار، طراحی سطح متوسط اولیه بین نرم‌افزار و سخت‌افزار است.

سیستم‌عامل[ویرایش]

سیستم‌عامل برای گره‌های شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم به نوعی پیچیدگی اش کمتر از اهداف کلی سیستم‌عامل است . هردو به دلیل احتیاجات خاص و درخواست شبکه ارتباطی خاص و به دلیل اضطرار یا تحمیل منبع در پایگاه سخت‌افزاری شبکه گیرنده است برای مثال کاربرد استفاده شبکه گیرنده معمولاً همکاری متقابل مثل یک کامپیوتر نیست. به همین علت، سیستم‌عامل احتیاجی به پشتیبانی کاربرد ندارد علاوه برآن تحمیل یا اضطرار منبع در دوره حافظه و نقشه حافظه سخت‌افزار را پشتیبانی می‌کند و ساختمانی می سازد مثل حافظه مجازی که هردو غیر ضروری و غیر ممکن برای انجام دادن هستند. شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم، سخت‌افزارهایش فرقی با سیستم‌های سنتی تعبیه شده ندارد و بنابراین استفاده از سیستم‌عامل تعبیه شده ممکن است مثل ecos یا VC/OS برای گیرنده شبکه ارتباطی و اگرچه مثل سیستم‌عامل طراحی شده اند با خواص بی‌درنگ و برخلاف سیستم‌عامل تعبیه شده سنتی اگر، سیستم‌عامل هدف مخصوص شبکه‌های ارتباطی گیرنده است . اغلب پشتیبانی بی‌درنگ ندارد. Tiny Os شاید اولین سیستم‌عاملی باشد که مخصوصا طراحی شده برای شبکه ارتباطی گیرنده بر خلاف بیشتر سیستم‌عامل‌های دیگر Tiny Os براساس برنامه کامپیوتری یا فرایندی که هر مرحله اجرا مربوط به تحمیلات خارجی است برنامه نویسی می‌کند و مدل را به جای طرح برنامه‌ای که بیش از یک مسیر منطقی استفاده می‌کند و هر مسیر هم‌زمان اجرا می‌شود که می گوییم (multithread).

TinyOs برنامه دستوری که تشکیل شده از گرا و کارهایی که تداوم پیدا می‌کند در تکامل معنایی زمانی که پیشامد خارجی رخ می‌دهد و مانند وارد شدن اطلاعات و خواندن گیرنده.

TinyOs خبر می‌دهد از گرای مناسبی که اتفاقات را شرح می‌دهد گرا می‌تواند ارسال کند کارهایی را که برنامه ریزی شده با هسته اصلی TinyOs در زمانی عقب تر. هردوی سیستم TinyOsو برنامه نوشته شده برای TinyOs که آنها نوشته شده اند با برنامه نویسی C است. Nesc طراحی شده برای یافتن Race-Condition (حالت نا معینی که به هنگام عملکرد هم‌زمان دستورالعمل‌های دو کامپیوتر به وجود می‌آید و امکان شناخت این مسئله که کدام یک از آنها ابتدا تمام خواهد شد وجود ندارد) بین وظایف و گراها.

و همچنین سیستم‌های عاملی هستند که اجازه برنامه نویسی در C را می‌دهند مثل سیستم‌عامل هایی شامل Contiki و MANTIS و BT nut و SOS و Nano-RK .

Contiki طراحی شده اند برای پشتیبانی و اندازه گیری بارگیری در شبکه و پشتیبانی زمان اجرای بارگیری در استاندارد فایلهای ELF . هسته Contiki را برنامه کامپیوتری یا فرایند کامپیوتری است که هر مرحله اجرا مربوطه به عملیات خارجی است Event-driven اما سیستم پشتیبانی می‌کنند از (طرح برنامه‌ای که بیش از یک مسیر منطقی است و هر سیر هم‌زمان اجرا می‌شود) Multithread در زمینه پیش درخواست‌ها – علاوه بر آن شامل خطوط برجسته‌ای که فراهم می‌کند خطوطی را که مثل برد برنامه نویسی اما با حافظه خیلی کوچک در بالای سر.

برخلاف Event-driven، هسته Contiki و MANTIS و Nano-RK هسته‌هایی که بر اساس قبضه‌ای انحصاری Multithread است . با قبضه‌ای انحصاری Multithread که کاربرها صراحتاً احتیاجی به ریز پردازنده برای دیگر پردازش‌ها ندارند . در عوض هسته زمان را تقسیم می‌کند به پردازش‌های فعال و تصمیم می‌گیرد که کدام پردازش می‌تواند کار کند ولی می‌تواند استفاده از برنامه نویسی را راحت کند.

شبکه ارتباطی و گیرنده مثل TinyOs و Contiki و SOS و Even-driven سیستم‌عاملی است که ترکیب اولی SOS که پشتیبانی برای ظرفیت بارگیری. سیستم‌عامل کامل ساخته شده از ظرفیت‌های کوچک‌تر و سریع SOS همچنین تمرکز در پشتیبانی برای مدیریت حافظه دینامیک است .

میان افزار[ویرایش]

تلاش و تحقیق‌های قابل ملاحضه‌ای که اخیراً در طراحی میان افزار شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم است . این نگرش کلی می‌تواند دسته بندی بشود به : توزیع پایگاه داده‌ها، عامل حرکت، پایگاه رویدادها .

زبان برنامه نویسی[ویرایش]

برنامه نویسی گره‌های گیرنده زمانی که با سیستم‌های کامپیوتری معمولی مقایسه شوند مشکل است . منبع اجباری طبیعی از این گره‌ها بالا می‌رود به مدل‌های برنامه نویسی جدید. اگرچه بیشتر گره‌های بطور جاری برنامه ریزی شده اند در C

  • C@t (زمان@محاسبات در نقطه‌ای از فضا)
  • DSL ( توزیع ترکیبات زمانی )
  • Galsc
  • Nec C
  • Proto thread
  • SNACK
  • SQTL

الگوریتم[ویرایش]

WSN متشکل از تعداد زیادی از گره‌های گیرنده هستند . از این رو الگوریتم برای WSN توزیع الگوریتمی است. در WSN منبع کمیاب انرژی است؛ و یکی از گرانترین عامل انرژی انتقال اطلاعات است . برای این دلیل تحقیق الگوریتمی در WSN بیشتر تمرکز می‌کند . در مطالعه و طراحی آگاهانه از انرژی الگوریتم برای انتقال اطلاعات از گره‌های گیرنده به پایگاه انتقال اطلاعات معمولاً Multi-hop ( از یک گره به یک گره به طرف پایگاه ) به علت رشد چند برابر در هزینه انرژی انتقالات رادیویی نسبت به مساحت انتقال.

نگرش‌های الگوریتمی با تفکیک خود WSN از نگرش پروتکل با این حقیقت که مدهای ریاضی که استفاده می‌شوند انتزاعی تر هستند . کلی تر هستند اما گاهی اوقات کمتر واقعی هستند در مدل هایی که استفاده می‌شود طراحی پروتکل پایگاهای هستند که مخصوصا طراحی شده اند برای شبیه سازی کارائی شبکه ارتباطی گیرنده مثل TOSSIM، که قسمتی از TinyOs و شبیه سازی قدیمی شبکه که استفاده می‌شود مثل NS-2، همچنین شبه ساز بصری OPNET که برای تحلیل و شبیه سازی انواع شبکه‌های کامپیوتری و مخابراتی از کوچکترین ابعاد تا ابعاد جهانی کاربرد دارد، شبیه ساز SENSIM که بر مبنای ++OMNET طراحی شده و خاص تحلیل شبکه‌های حسگر بی سیم است، لیست وسیعی از ابزارهای شبیه سازی برای شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم می‌تواند پیدا شود و در CRUISE WSN که ابزار شبیه سازی پایگاه معلومات

شبیه سازی[ویرایش]

تجسم فکری داده ها[ویرایش]

از شبکه ارتباطی بی سیم اطلاعات جمع آوری می‌شوند و معمولاً ذخیره می‌شوند به فرم و اطلاعات عددی در پایگاه مرکزی . برنامه‌های متعددی هستند مثل Tosgui و Sensor و MonSense ( Gsn که آسان می‌کند جستجو این مقدار اطلاعات علاوه بر آن Geopatial cosortinm که استانداردهای خاص برای توانایی وجه مشترک شان و رمز گذاری اطلاعات که این توانایی را دارد که مرتب کند سایت‌های نا همگون را در اینترنت که به هر کسی اجازه می‌دهد به طور انفرادی کنترل شبکه‌های ارتباطی گیرنده بی سیم بپردازد از طریق نرم‌افزار که برای جستجو در اینترنت ذخیره شد.

کنفرانس‌ها[ویرایش]

  • IEEE Wireless Hive Networks Symposium
  • SenSys - ACM Conferences on Embedded Networked Sensor Systems
  • IPSN - ACM/IEEE International Conference on Information Processing in Sensor Networks
  • EWSN - European Conference on Wireless Sensor Networks
  • SECON - IEEE Communications Society Conference on Sensor and Ad Hoc Communications and Networks
  • International Conference on Networked Sensing Systems
  • DCOSS
  • Algosensor
  • MASS - Mobile Ad-hoc and Sensor Systems
  • EmNets

منابع[ویرایش]

حتماً به موضوع Wsan هم نگاهی بیندازید . , هر سوالی در ns-2 دارید، با ما در میان بگذارید. شماره تماس : 0367 745 0914 ;

E-mail
majidi86 AT gmail.com;
skype
Akbarmajidi;

viber: ۰۹۱۴ ۷۴۵ ۰۳۶۷;

www.ns-3.org ;
  • گروه مورد توجه دریافت بی سیم ( http://www.wisig.org) و گروه مورد توجه پایگاه انگلیسی فرستنده و گیرنده شبکه ارتباطی بی سیم .

(http://wsn.oversigma.com/wiki/index.php/main-page) شامل مطالب عمده‌ای که از این صفحه حذف شده و کافی نبوده است وبرای عموم شنوندگان

  • اختلالات در تجهیزات صنعتی:

(http://blog.ienonline.com/index.php/ien-blog/comments/overview-wireless-sewor-neteork) مروری بر شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم

WSNوZigBeeو802.15.4 منابعی شامل گزارش هیئت دولت و فهرست معانی.

http://www.wsnlab.org
http://www.wsnlab.ir