Архитектура беспроводной сенсорной сети и ее приложения

В настоящее время, WSN (беспроводная сенсорная сеть) является наиболее стандартным сервисом, используемым в коммерческих и промышленных приложениях, из-за его технического развития в процессоре, связи и использовании встроенных вычислительных устройств с низким энергопотреблением. Архитектура сети беспроводных датчиков состоит из узлов, которые используются для наблюдения за окружающей средой, например температуры, влажности, давления, положения, вибрации, звука и т. Д. Эти узлы могут использоваться в различных приложениях реального времени для выполнения различных задач, таких как интеллектуальное обнаружение, обнаружение соседних узлов, обработка и хранение данных, сбор данных, отслеживание цели, мониторинг и управление, синхронизация, локализация узла и эффективная маршрутизация между базовой станцией и узлами. В настоящее время WSN начинают организовываться в усовершенствованном виде. Нетрудно ожидать, что через 10–15 лет мир будет защищен WSN с доступом к ним через Интернет. Это можно измерить по превращению Интернета в физический н / б. Эта технология обладает безграничным потенциалом для многих областей применения, таких как медицина, охрана окружающей среды, транспорт, армия, развлечения, защита родины, управление кризисами, а также интеллектуальные пространства.

Что такое беспроводная сенсорная сеть?

Беспроводной Sensor Network - это один из видов беспроводной сети это включает в себя большое количество циркулирующих, самонаправляющихся, миниатюрных маломощных устройств, называемых узлами датчиков, называемыми пылинками. Эти сети, безусловно, охватывают огромное количество пространственно распределенных небольших встроенных устройств с батарейным питанием, которые объединены в сеть для бережного сбора, обработки и передачи данных операторам, и это контролирует возможности вычислений и обработки. Узлы - это крошечные компьютеры, которые вместе образуют сети.

Беспроводная сенсорная сеть

Сенсорный узел - это многофункциональное энергосберегающее беспроводное устройство. Широко распространены применения пылинок в промышленности. Набор узлов датчиков собирает данные из окружающей среды для достижения конкретных целей приложения. Связь между пылинками может осуществляться друг с другом с помощью трансиверов. В беспроводной сенсорной сети количество пылинок может достигать сотен и даже тысяч. В отличие от датчиков без сети, в Ad Hoc-сетях будет меньше узлов без какой-либо структуры.

Архитектура беспроводной сенсорной сети

Наиболее распространенная архитектура беспроводной сенсорной сети соответствует модели архитектуры OSI. Архитектура WSN включает пять уровней и три перекрестных уровня. В основном в сенсоре n / w нам требуется пять уровней, а именно: приложение, транспорт, n / w, канал передачи данных и физический уровень. Три перекрестных уровня - это управление питанием, управление мобильностью и управление задачами. Эти уровни WSN используются для выполнения н / б и обеспечения совместной работы датчиков с целью повышения полной эффективности сети. Пожалуйста, перейдите по ссылке ниже, чтобы Типы беспроводных сенсорных сетей и топологий WSN

Типы архитектур WSN

Архитектура, используемая в WSN, - это архитектура сенсорной сети. Этот тип архитектуры применим в различных местах, таких как больницы, школы, дороги, здания, а также он используется в различных приложениях, таких как управление безопасностью, управление стихийными бедствиями и кризисное управление и т. Д. В беспроводных датчиках используются два типа архитектур. сети, которые включают следующее. Существует 2 типа архитектур беспроводных датчиков: многоуровневая сетевая архитектура и кластерная архитектура. Это объясняется следующим образом.

• Многоуровневая сетевая архитектура
• Кластерная сетевая архитектура

Многоуровневая сетевая архитектура

В сети такого типа используются сотни сенсорных узлов, а также базовая станция. Здесь узлы сети могут быть расположены в концентрических слоях. Он состоит из пяти слоев, а также трех перекрестных слоев, которые включают следующие.

Пять слоев архитектуры:

• Уровень приложения
• Транспортный уровень
• Сетевой уровень
• Уровень канала передачи данных
• Физический слой

Три перекрестных слоя включают следующее:

• Плоскость управления питанием
• Плоскость управления мобильностью
• Плоскость управления задачами

Эти три перекрестных уровня в основном используются для управления сетью, а также для того, чтобы датчики работали как одно целое, чтобы повысить общую эффективность сети. Вышеупомянутые пять уровней WSN обсуждаются ниже.

Архитектура беспроводной сенсорной сети

Уровень приложения

Уровень приложений отвечает за управление трафиком и предлагает программное обеспечение для многочисленных приложений, которые преобразуют данные в понятную форму для поиска положительной информации. Сенсорные сети используются в многочисленных приложениях в различных областях, таких как сельское хозяйство, военная промышленность, окружающая среда, медицина и т. Д.

Транспортный уровень

Функция транспортного уровня состоит в том, чтобы обеспечить предотвращение перегрузки и надежность, когда множество протоколов, предназначенных для предоставления этой функции, применимы либо в восходящем направлении. Эти протоколы используют разные механизмы для распознавания и восстановления потерь. Транспортный уровень нужен именно тогда, когда система планирует связываться с другими сетями.

Обеспечение надежного восстановления потерь более энергоэффективно, и это одна из основных причин, почему TCP не подходит для WSN. В общем, транспортные уровни можно разделить на управляемые пакетами и управляемые событиями. На транспортном уровне есть несколько популярных протоколов, а именно STCP (протокол управления передачей данных датчиков), PORT (ориентированный на цену надежный транспортный протокол и PSFQ (быстрый перекачивание с медленной выборкой).

Сетевой уровень

Основная функция сетевого уровня - маршрутизация, у него много задач в зависимости от приложения, но на самом деле основные задачи заключаются в энергосбережении, частичная память, буферы и сенсор не имеют универсального идентификатора и должны быть самоорганизованным.

Простая идея протокола маршрутизации состоит в том, чтобы объяснить надежную полосу и избыточные полосы в соответствии с убедительной шкалой, называемой метрикой, которая варьируется от протокола к протоколу. Для этого сетевого уровня существует множество существующих протоколов, они могут быть разделены на плоскую маршрутизацию и иерархическую маршрутизацию или могут быть разделены на управляемые временем, управляемые запросами и управляемые событиями.

Уровень канала передачи данных

Уровень канала данных отвечает за мультиплексирование обнаружения кадров данных, потоков данных, MAC и контроля ошибок, подтверждая надежность точка-точка (или) точка-многоточка.

Физический слой

Физический уровень обеспечивает границу для передачи потока битов над физической средой. Этот уровень отвечает за выбор частоты, генерацию несущей частоты, обнаружение сигнала, модуляцию и шифрование данных. IEEE 802.15.4 предлагается как типичный для отдельных областей с низкой скоростью и беспроводных сенсорных сетей с низкой стоимостью, потребляемой мощностью, плотностью и диапазоном связи для увеличения срока службы батареи. CSMA / CA используется для поддержки топологии типа звезда и одноранговая сеть. Существует несколько версий IEEE 802.15.4.V.

Основные преимущества использования такой архитектуры в WSN заключаются в том, что каждый узел просто участвует в передаче на меньшее расстояние и с низким энергопотреблением на соседние узлы, из-за чего потребление энергии низкое по сравнению с другими видами архитектуры сенсорной сети. Такой тип сети масштабируем и отличается высокой отказоустойчивостью.

Кластерная сетевая архитектура

В такой архитектуре отдельные узлы датчиков добавляются в группы, известные как кластеры, которые зависят от «протокола выщелачивания», поскольку он использует кластеры. Термин «протокол выщелачивания» означает «Иерархия адаптивной кластеризации с низким энергопотреблением». Основные свойства этого протокола в основном включают следующее.

Кластерная сетевая архитектура

• Это двухуровневая иерархическая кластерная архитектура.
• Этот распределенный алгоритм используется для организации узлов датчиков в группы, известные как кластеры.
• В каждом кластере, который формируется отдельно, головные узлы кластера будут создавать планы TDMA (множественный доступ с временным разделением).
• Он использует концепцию Data Fusion, чтобы сделать сеть энергоэффективной.

Такая сетевая архитектура широко используется из-за свойства слияния данных. В каждом кластере каждый узел может взаимодействовать через головку кластера для получения данных. Все кластеры будут передавать свои собранные данные базовой станции. Формирование кластера, а также выбор его главы в каждом кластере - это как независимый, так и автономно распределенный метод.

Проблемы проектирования архитектуры беспроводной сенсорной сети

Проблемы проектирования архитектуры беспроводной сенсорной сети в основном включают следующее.

• Потребление энергии
• Локализация
• Покрытие
• Часы
• Вычисление
• Стоимость производства
• Дизайн оборудования
• Качество обслуживания

Потребление энергии

В WSN энергопотребление - одна из основных проблем. В качестве источника энергии используется аккумулятор, оснащенный сенсорными узлами. Сенсорная сеть организована в опасных ситуациях, поэтому ее сложно заменить в противном случае подзарядкой батарей. Потребление энергии в основном зависит от таких операций узлов датчиков, как связь, зондирование и обработка данных. Во время общения потребление энергии очень велико. Таким образом, можно избежать потребления энергии на каждом уровне, используя эффективные протоколы маршрутизации.

Локализация

Для работы сети основной и критической проблемой является локализация датчика. Таким образом, узлы датчиков расположены произвольно, поэтому они не знают о своем местонахождении. Сложность определения физического местоположения датчиков после их размещения известна как локализация. Эту трудность можно решить с помощью GPS, узлов маяка и определения местоположения на основе близости.

Покрытие

Сенсорные узлы в беспроводной сенсорной сети используют алгоритм покрытия для обнаружения данных, а также для их передачи в поток через алгоритм маршрутизации. Чтобы охватить всю сеть, нужно выбрать сенсорные узлы. Рекомендуются такие эффективные методы, как алгоритмы пути наименьшего и наибольшего воздействия, а также протокол проектирования покрытия.

Часы

В WSN синхронизация часов - серьезная услуга. Основная функция этой синхронизации - предложить обычную шкалу времени для узлов локальных часов в сенсорных сетях. Эти часы должны быть синхронизированы в некоторых приложениях, таких как мониторинг, а также отслеживание.

Вычисление

Вычисление можно определить как сумму данных, проходящих через каждый узел. Основная проблема вычислений заключается в том, что они должны уменьшать использование ресурсов. Если срок службы базовой станции более опасен, то обработка данных будет завершена на каждом узле перед передачей данных на базовую станцию. На каждом узле, если у нас есть какие-то ресурсы, все вычисления должны выполняться на приемнике.

Стоимость производства

В WSN устроено большое количество сенсорных узлов. Таким образом, если цена одного узла очень высока, общая стоимость сети также будет высокой. В конечном итоге цена каждого сенсорного узла должна быть меньше. Таким образом, цена каждого сенсорного узла в беспроводной сенсорной сети является серьезной проблемой.

Аппаратный дизайн

При проектировании аппаратного обеспечения любой сенсорной сети, такого как управление питанием, микроконтроллер и блок связи должны быть энергоэффективными. Его конструкция может быть выполнена таким образом, чтобы потреблять мало энергии.

Качество обслуживания

Качество обслуживания или QoS - это не что иное, как данные должны распределяться во времени. Потому что некоторые приложения на основе датчиков реального времени в основном зависят от времени. Поэтому, если данные не будут доставлены вовремя к получателю, они станут бесполезными. В WSN существуют различные типы проблем QoS, такие как топология сети, которая может часто изменяться, а также доступное состояние информации, используемой для маршрутизации, может быть неточным.

Структура беспроводной сенсорной сети

Структура WSN в основном состоит из различных топологий, используемых для сетей радиосвязи, таких как звезда, ячеистая и гибридная звезда. Эти топологии кратко обсуждаются ниже.

Star Network

Топология связи, подобная звездообразной сети, используется везде, где только базовая станция может передавать или принимать сообщения удаленным узлам. Доступно несколько узлов, которым не разрешено передавать сообщения друг другу. Преимущества этой сети в основном заключаются в простоте, позволяющей свести к минимуму энергопотребление удаленных узлов.

Это также позволяет осуществлять связь с меньшей задержкой между базовой станцией и удаленным узлом. Основным недостатком этой сети является то, что базовая станция должна находиться в зоне действия радиосвязи для всех отдельных узлов. Он не является надежным, как другие сети, потому что он зависит от одного узла для управления сетью.

Ячеистая сеть

Этот вид сети позволяет передавать данные от одного узла к другому в пределах сети, которая находится в диапазоне радиопередачи. Если узлу необходимо передать сообщение другому узлу, а он находится вне диапазона радиосвязи, то он может использовать узел в качестве промежуточного звена для отправки сообщения предпочтительному узлу.

Основное преимущество ячеистой сети - это масштабируемость, а также избыточность. Когда отдельный узел перестает работать, удаленный узел может обратиться к любому другому типу узла в пределах диапазона, а затем перенаправить сообщение в предпочтительное место. Кроме того, диапазон сети не ограничивается автоматически диапазоном между отдельными узлами, его можно расширить, просто добавив несколько узлов в систему.

Основным недостатком такого типа сети является то, что использование энергии для сетевых узлов, которые выполняют обмен данными, например, с несколькими переходами, обычно выше, чем у других узлов, которые не обладают такой способностью часто ограничивать срок службы батареи. Более того, когда количество переходов связи увеличивается по направлению к месту назначения, тогда время, необходимое для отправки сообщения, также увеличивается, особенно если процесс с низким энергопотреблением узлов является необходимостью.

Гибридная звезда - ячеистая сеть

Гибрид двух сетей, таких как звезда и ячеистая сеть, обеспечивает надежную и гибкую сеть связи, при этом потребление энергии узлами беспроводных датчиков сводится к минимуму. В такой топологии сети узлы датчиков с меньшей мощностью не могут передавать сообщения.
Это позволяет поддерживать минимальное использование энергии.

Но другим сетевым узлам разрешена возможность многоскачковой передачи, позволяя им передавать сообщения от одного узла к другому в сети. Обычно узлы с пропускной способностью с несколькими переходами имеют высокую мощность и часто подключаются к сети. Это реализованная топология через будущую стандартную ячеистую сеть под названием ZigBee.

Структура узла беспроводного датчика

Компоненты, используемые для создания беспроводного сенсорного узла, представляют собой разные устройства, такие как считывание, обработка, приемопередатчик и питание. Он также включает дополнительные компоненты, которые зависят от приложения, такого как генератор энергии, система определения местоположения и мобилизатор. Обычно чувствительные блоки включают в себя два подблока, а именно АЦП и датчики. Здесь датчики генерируют аналоговые сигналы, которые с помощью АЦП можно преобразовать в цифровые, после чего они передаются в блок обработки.

Как правило, этот блок может быть связан через крошечный блок памяти для обработки действий, заставляющих узел датчика работать с другими узлами для выполнения назначенных задач измерения. Сенсорный узел может быть подключен к сети с помощью блока приемопередатчика. В сенсорном узле одним из важных компонентов является сенсорный узел. Силовые агрегаты поддерживаются за счет устройств сбора энергии, таких как солнечные элементы, тогда как другие подблоки зависят от области применения.

Функциональная блок-схема беспроводных узлов зондирования показана выше. Эти модули представляют собой универсальную платформу для удовлетворения требований широкого круга приложений. Например, на основе размещаемых датчиков может быть произведена замена блока преобразования сигнала. Это позволяет использовать различные датчики вместе с беспроводным узлом зондирования. Точно так же радиоканал может быть заменен на указанное приложение.

Характеристики беспроводной сенсорной сети

Характеристики WSN включают следующее.

• Пределы потребления мощности для узлов с батареями
• Способность справляться с отказами узлов
• Некоторая подвижность узлов и неоднородность узлов
• Масштабируемость до крупномасштабного распространения
• Возможность обеспечить строгие условия окружающей среды
• Простой в использовании
• Межслойный дизайн

Преимущества беспроводных сенсорных сетей

К преимуществам WSN можно отнести следующие

• Сетевые устройства могут осуществляться без недвижимой инфраструктуры.
• Подходит для труднодоступных мест, таких как горы, море, сельская местность и густые леса.
• Гибкость, если возникнет случайная ситуация, когда потребуется дополнительная рабочая станция.
• Цена исполнения недорогая.
• Это позволяет избежать большого количества проводов.
• Он может предоставить приспособления для новых устройств в любое время.
• Его можно открыть с помощью централизованного мониторинга.

Сетевые приложения для беспроводных датчиков

Сети беспроводных датчиков могут включать в себя множество различных типов датчиков, таких как датчики с низкой частотой дискретизации, сейсмические, магнитные, тепловые, визуальные, инфракрасные, радиолокационные и акустические, которые подходят для мониторинга широкого диапазона окружающих ситуаций. Узлы датчиков используются для постоянного обнаружения, идентификации событий, обнаружения событий и местного управления исполнительными механизмами. Области применения беспроводных сенсорных сетей в основном включают в себя здравоохранение, военные, экологические, домашние и другие коммерческие области.

Приложение WSN

• Военное применение
• Приложения для здоровья
• Экологические приложения
• Домашние приложения
• Коммерческие приложения
• Мониторинг территории
• Мониторинг здравоохранения
• Окружающая среда / зондирование Земли
• Мониторинг загрязнения воздуха
• Обнаружение лесных пожаров
• Обнаружение оползней
• Мониторинг качества воды
• Промышленный мониторинг

Таким образом, это все о том, что такое беспроводная сенсорная сеть , архитектура беспроводной сенсорной сети, характеристики и приложения. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые запросы или сведения о идеи проекта беспроводной сенсорной сети , пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какие существуют типы беспроводных сенсорных сетей?