Rețea de senzori wireless

Un exemplu tipic de rețele de senzori

Termenul Rețea de senzori fără fir (sau WSN) indică un tip specific de rețea de calculatoare care, caracterizată printr-o arhitectură distribuită, este alcătuită dintr-un set de dispozitive electronice autonome capabile să preia date din mediul înconjurător și să comunice între ele.

Descriere

Progresele tehnologice recente în sistemele microelectromecanice ( MEMS ), comunicațiile fără fir și electronica digitală au permis dezvoltarea de dispozitive multifuncționale mici, de mică putere, rentabile, capabile să comunice între ele prin tehnologia fasciculului wireless. Aceste dispozitive mici, numite noduri de senzori , nod de senzori (în engleză) sau mot (în principal în America de Nord ), sunt formate din componente capabile să detecteze cantități fizice ( senzori de poziție , temperatură , umiditate etc.), pentru a prelucra date și să comunice între ei. Un senzor este de obicei definit ca un traductor special care se află în interacțiune directă cu sistemul măsurat.

O rețea de senzori ( rețea de senzori în limba engleză) este alcătuită dintr-un set de senzori dispuși în apropierea sau în cadrul fenomenului de observat. Aceste dispozitive mici sunt produse și distribuite în masă, au un cost de producție neglijabil și se caracterizează prin dimensiuni și greutate foarte mici. Fiecare senzor are o rezervă de energie limitată și neregenerabilă și, odată instalat, trebuie să funcționeze autonom; din acest motiv aceste dispozitive trebuie să mențină constant consumul foarte scăzut, pentru a avea un ciclu de viață mai lung. Pentru a obține cea mai mare cantitate posibilă de date este necesar să se efectueze o distribuție masivă de senzori (în ordinea a mii sau zeci de mii) pentru a avea o densitate mare (până la 20 de noduri / m3) și pentru a se asigura că nodurile sunt toate apropiate unele de altele, o condiție necesară pentru ca acestea să comunice. Una dintre cele mai frecvente aplicații în care poate fi utilizată o rețea de senzori este monitorizarea mediilor fizice, cum ar fi traficul într-un oraș mare sau date dintr-o zonă de dezastru cutremur .

Nodurile senzorilor dintr-o rețea au capacitatea de a colabora între ele, deoarece sunt echipate cu un procesor integrat ; datorită acestuia din urmă, fiecare nod, în loc să trimită date brute către nodurile responsabile de colectarea datelor, poate efectua prelucrări simple și transmite doar datele solicitate și deja prelucrate.

Comunicarea, realizată prin tehnologia fără fir cu rază scurtă de acțiune, este de obicei de tip asimetric, deoarece nodurile comune trimit informațiile colectate către unul sau mai multe noduri speciale ale rețelei, numite noduri de chiuvetă , care au scopul de a colecta date și de a le transmite de obicei pe un server sau computer. O comunicare poate apărea în mod autonom de către nod atunci când are loc un eveniment dat, sau poate fi indusă de nodul chiuvetă prin trimiterea unei interogări către nodurile în cauză.

Rețelele de senzori pot fi utilizate în numeroase aplicații; totuși, realizarea acestuia din urmă necesită utilizarea unor tehnici utilizate și în rețelele wireless ad hoc . Din păcate, mulți dintre algoritmii utilizați în rețelele ad hoc nu sunt compatibile cu cerințele acestui tip de rețea.

Principalele motive decurg din faptul că:

Numărul de noduri care alcătuiesc o rețea de senzori poate fi o ordine de mărime mai mare decât numărul de noduri dintr-o rețea ad hoc;
Nodurile sunt dispuse cu o densitate mare;
Nodurile sunt predispuse la eșecuri;
Topologia unei rețele de senzori se poate schimba frecvent din cauza defecțiunilor nodului sau a mobilității acestora.
Nodurile folosesc o paradigmă de comunicare prin difuzare, în timp ce majoritatea rețelelor ad hoc se bazează pe comunicarea punct-la-punct;
Nodurile sunt limitate în ceea ce privește puterea, capacitatea de calcul și memoria;
Nodurile nu au de obicei un identificator global (cum ar fi adresa IP de pe computere);
Nodurile au nevoie de o integrare strânsă cu activitățile de descoperire.

Din acest motiv, acest tip de rețea necesită algoritmi proiectați și construiți special pentru a gestiona comunicarea și rutare de date.

Rețelele de senzori pot îmbunătăți semnificativ calitatea informațiilor: de exemplu, pot garanta o fidelitate ridicată, pot furniza informații în timp real chiar și din medii ostile și pot reduce costurile transmiterii acelorași informații.

Astfel, presupunem că rețelele de senzori pot fi utilizate pe o gamă largă de aplicații, de la cele militare la cele științifice, industriale, medicale și domestice. Scopul fundamental al unei rețele de senzori este de a produce pe o perioadă extinsă de timp, o informație globală semnificativă obținută dintr-o serie de date locale provenite de la senzorii individuali. Este important de reținut că rețeaua trebuie să fie construită în așa fel încât să-i garanteze integritatea pentru o perioadă de timp cât mai lungă, pentru a obține informații exacte chiar și în cazul unui atac asupra rețelei de către corpuri sau defecțiuni hardware.

Faptul că un singur senzor este echipat cu o cantitate mică de energie nu ar trebui să-l împiedice să trimită informațiile procesate, care vor fi colectate și combinate cu informațiile de la ceilalți senzori. O modalitate importantă de urmat este captarea cât mai multor date locale posibil, evitând transmiterea ineficientă a datelor prin rețea. Există mai multe tehnici posibile care pot fi utilizate pentru a conecta rețeaua cu lumea exterioară, în special pentru a transmite informațiile pe care le colectează. În rețelele noastre senzoriale presupunem că există entități speciale numite noduri sink , care acționează ca noduri gateway , cu rază lungă de acțiune și distribuite alături de senzori.

Un utilizator specifică nodului chiuvetei de ce informații are nevoie. Chiuveta generează o interogare care este apoi alimentată în rețea. Unul sau mai multe răspunsuri sunt trimise înapoi la chiuvetă care adună și procesează aceste răspunsuri înainte de a furniza rezultatul final utilizatorului. Rețelele senzorilor sunt modelate ca baze de date distribuite . Recuperarea informațiilor se face printr-un limbaj similar cu SQL . Fluxul de informații depinde de mecanismul de procesare din baza de date. Cel mai simplu lucru ar fi să îl lăsați la nodul chiuvetei pentru a colecta toate informațiile de la fiecare nod senzor și pentru a procesa datele.

Cu toate acestea, acest lucru nu este practic din mai multe motive:

Acks pe care chiuveta este forțată să le trimită diferitelor noduri ale senzorilor ar reprezenta un blocaj dacă numărul de noduri al senzorului ar fi destinat să crească;
Nodurile senzorilor folosesc comunicații fără fir pentru a interacționa între ele. Este posibil ca unele noduri situate departe de chiuvetă să nu poată comunica direct cu acesta din cauza puterii limitate de transmisie disponibile.

Prin urmare, nu trebuie să modelăm o rețea de senzori ca o bază de date distribuită în care toate nodurile sunt pasive, ci ca un set distribuit de noduri colaboratoare și unde fiecare are capacități active programabile. Aceasta permite tuturor nodurilor să se coordoneze între ele pentru a efectua o sarcină atribuită. În acest fel nodurile senzorului devin active și autonome.

Nodurile senzorului sunt împrăștiate într-o zonă numită zonă de detectare . Fiecare nod din această zonă are capacitatea de a acumula și direcționa date către nodul chiuveta și apoi către utilizatorul final. Nodul chiuvetei constă dintr-o antenă capabilă să lumineze întregul domeniu ocupat de nodurile senzorului sau zona de detectare. Poziția nodurilor din rețea nu trebuie să fie predeterminată, deoarece acest lucru permite utilizarea acestei tehnologii în locuri greu accesibile sau în operațiuni de salvare în zone de dezastru pentru care este necesară o amenajare aleatorie a nodurilor.

Aceasta înseamnă că algoritmii și protocoalele utilizate în rețelele de senzori trebuie să posede capacități de auto-organizare. Senzorii, cunoscând caracteristicile de transmisie ale chiuvetei și exploatând semnalul de iluminare al acestuia (pe care îl pot sau nu aud), pot efectua o auto-învățare a poziției, permițând astfel distribuirea aleatorie a acestora în rețea. Autoînvățarea poziției senzorului este, prin urmare, una dintre cele mai importante caracteristici ale acestora și, având în vedere cantitatea redusă de energie cu care este echipat un senzor, este necesar să se încerce optimizarea algoritmilor care permit unui senzor să-și cunoască poziția. timpul său de învățare, adică încercarea de a minimiza timpul pe care un senzor trebuie să-l rămână treaz și de câte ori trebuie să se trezească.

Domenii de aplicare

O rețea de senzori poate fi văzută ca un set de diferite tipuri de senzori capabili să detecteze cantități precum temperatura , umiditatea , presiunea , lumina , dar și capabil să detecteze mișcarea vehiculelor, compoziția solului, nivelul de zgomot și multe alte lucruri .

Aplicațiile în care rețelele de senzori pot fi utilizate pot fi clasificate în domeniul militar, de mediu, medical, de uz casnic și comercial.

Aplicații militare

Ușurința și viteza de desfășurare, autoorganizarea și toleranța la erori fac din rețeaua de senzori o tehnică promițătoare pentru aplicațiile militare.

Deoarece o rețea de senzori se bazează pe un aranjament dens de noduri de unică folosință cu costuri reduse, distrugerea unor noduri de către inamic nu dăunează operațiunilor militare, așa cum s-ar putea întâmpla cu distrugerea senzorilor tradiționali. Aplicațiile posibile variază de la monitorizarea forțelor, echipamentelor și munițiilor aliate până la supravegherea câmpului de luptă. Tot în domeniul militar, este posibil să se utilizeze o rețea de senzori pentru a efectua recunoașterea dușmanilor, estimarea pagubelor unei bătălii sau recunoașterea tipului de atac (nuclear, biologic sau chimic).

Aplicații de mediu

În acest context, rețelele de senzori ar putea fi utilizate pentru unele aplicații referitoare, de exemplu, la monitorizarea mișcării păsărilor, animalelor mici, a insectelor.

De asemenea, este posibil să monitorizați o pădure și să detectați rapid orice incendiu. În Statele Unite, a fost dezvoltat un sistem de prognozare și detectare a inundațiilor. Sistemul ^[1] constă din mulți senzori capabili să detecteze cantitatea de ploaie care a căzut, nivelul apei unui râu și condițiile climatice precum temperatura, umiditatea etc.

Rețelele de senzori pot fi utilizate și în agricultura de precizie. Printre obiectivele pe care le puteți atinge este de a monitoriza nivelul pesticidelor din apă, nivelul de eroziune al solului și gradul de poluare a aerului . Toate făcute în timp real . O altă aplicație este aceea de a monitoriza habitatul animalelor și de a studia comportamentul acestora.

Încă în sectorul de mediu, rețelele de senzori pot fi de interes pentru a studia deplasările și dinamismul din ghețari. În acest sens, senzorii sunt distribuiți în gheață la diferite adâncimi. Senzorii sunt capabili să detecteze temperatura și presiunea prin comunicarea cu o stație de bază situată deasupra ghețarului, care le va transfera celor responsabili.

Aplicații medical-sanitare

Utilizarea rețelelor de senzori în acest domeniu vizează furnizarea unei interfețe pentru persoanele cu dizabilități, monitorizarea datelor fiziologice (referitoare la oameni), administrarea spitalului, atât pentru pacienți, cât și pentru medici (pentru o trasabilitate ușoară). De asemenea, este posibil să utilizați senzori pentru identificarea alergiilor.

Aplicații la domiciliu

Un exemplu de utilizare a unei rețele de senzori în mediul casnic este automatizarea casei care implică introducerea senzorilor în cuptor , aspirator , răcitor , aparat video , etc ... Aceste noduri, introduse în aparate, pot interacționa cu o l altele și, de asemenea, cu rețele externe prin utilizarea internetului sau a satelitului, permițând gestionarea chiar și de la distanțe la distanță.

Mediul de casă capătă astfel aceleași caracteristici ale unui centru mic echipat cu o rețea capabilă să pună toate instrumentele din care este compus mediul în comunicare între ele.

Aplicații comerciale

În acest context, senzorii ar putea fi utilizați pentru următoarele aplicații:

Detectarea furtului auto : nodurile senzorilor au fost configurate pentru a descoperi și identifica amenințările care apar într-o anumită zonă geografică. Toate informațiile colectate sunt trimise, prin intermediul internetului , utilizatorilor finali pentru a fi analizați și pentru a lua măsurile corecte;
Detectarea poziției și mișcării vehiculelor (urmărirea mașinii) : printr-o rețea de senzori este posibilă monitorizarea poziției unei mașini în mișcare. De asemenea, este posibil să se monitorizeze traficul pe drumuri deosebit de aglomerate;
Controlul mediului în birou : de obicei, sistemul de gestionare a încălzirii sau a aerului condiționat este centralizat și, prin urmare, temperatura în birou poate fi diferită în funcție de zonă (o parte mai caldă și o parte mai rece) doar pentru controlul temperaturii și a debitul de aer centralizat (există un singur termometru și o duză din care iese aerul). Cu o rețea de senzori în camere este posibil să se controleze temperatura și distribuția aerului cald în diferite zone.

Aplicații energetice

Monitorizarea consumului de energie al fiecărui sistem, utilizând WSN, îmbunătățește eficiența energetică în fabrici, birouri, reședințe / case.

Proiectați o rețea de senzori

Proiectarea unei rețele de senzori este influențată de mulți factori care nu sunt necesari doar pentru proiectarea rețelei, ci la rândul lor influențează alegerea algoritmilor utilizați în rețea. Acești factori sunt:

Toleranță la erori

În rețeaua de senzori există posibilitatea ca unele noduri ale rețelei să fie afectate de disfuncționalități sau defecțiuni ale căror cauze pot fi daune fizice, interferențe sau baterii moarte. Toleranța la erori este capacitatea de a opera o rețea de senzori chiar și în cazul unei defecțiuni a unor noduri.

Toleranța la eroare (sau fiabilitatea) unui nod $k$ ${\ displaystyle k}$ $k$ este modelat de o distribuție Poisson și este văzut ca probabilitatea de a nu avea defecțiuni în interval $(0,t)$ ${\ displaystyle (0, t)}$ ${\ displaystyle (0, t)}$ :

$R_{k}(t)=e^{-\lambda kt}$ ${\ displaystyle R_ {k} (t) = e ^ {- \ lambda kt}}$ ${\ displaystyle R_ {k} (t) = e ^ {- \ lambda kt}}$

Unde este $\lambda k$ ${\ displaystyle \ lambda k}$ ${\ displaystyle \ lambda k}$ este rata de eșec a nodului senzorului $k$ ${\ displaystyle k}$ $k$ .

Protocoalele și algoritmii pot fi proiectați pentru a asigura nivelul de toleranță la erori cerut de rețea. Nivelul de toleranță depinde puternic de aplicația în care este utilizată rețeaua de senzori (militară, internă, comercială etc.).

Scalabilitate

De asemenea, sistemul trebuie să poată funcționa pe măsură ce crește numărul de noduri (care poate varia de la un număr redus de unități până la câteva milioane de senzori). Scalabilitatea poate fi realizată și prin exploatarea naturii dense a rețelelor de senzori.

Densitatea nodurilor dintr-o rețea de senzori depinde de aplicație și poate varia de la câteva la sute de noduri într-o regiune cu un diametru mai mic de 10m. Densitatea, adică numărul de noduri prezente în raza de transmisie a unui nod, poate fi calculată după cum urmează:

$\mu (r)={\frac {(N\pi r^{2})}{A}}$ ${\ displaystyle \ mu (r) = {\ frac {(N \ pi r ^ {2})} {A}}}$ ${\ displaystyle \ mu (r) = {\ frac {(N \ pi r ^ {2})} {A}}}$

unde este $Nu.$ ${\ displaystyle N}$ $Nu.$ este numărul de noduri împrăștiate într-o regiune a zonei $LA$ ${\ displaystyle A}$ $LA$ și $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ este domeniul de transmisie al unui nod.

Costurile productiei

Deoarece o rețea de senzori constă dintr-un număr mare de noduri, costul unui singur nod este foarte important. Dacă costul rețelei este mai mare decât utilizarea senzorilor tradiționali, atunci utilizarea unei rețele de senzori nu este justificabilă.

Prin urmare, costul unui nod senzor ar trebui să fie destul de mic (mai puțin de 1 euro ). Acesta este un obiectiv care nu este foarte ușor de realizat, deoarece în prezent doar prețul unui radio bluetooth (care este considerat un dispozitiv ieftin) este de cel puțin 10 ori mai mare decât prețul indicat. Un nod are și alte unități, cum ar fi un procesor sau un sampler; în plus, în unele aplicații poate fi necesar să se echipeze un nod cu un sistem de poziționare globală ( GPS ). Toate aceste lucruri conduc la o creștere a costului unui senzor.

Mediul de operare

Senzorii sunt dispuși foarte aproape sau chiar în interiorul fenomenului care trebuie observat. Prin urmare, adesea se găsesc lucrând în zone geografice îndepărtate (de exemplu, în interiorul unei mașini, la fundul oceanului, pe suprafața oceanului în timpul unei tornade , într-o zonă contaminată biologic sau chimic, pe un câmp de luptă etc.) și fără supraveghere umană.

Toate acestea oferă o idee despre condițiile în care senzorii trebuie să poată funcționa (trebuie să reziste la presiuni ridicate dacă lucrează la fundul oceanului, la temperaturi ridicate sau scăzute etc.).

Topologie de rețea

Un număr mare de noduri sunt dispuse unul lângă altul, uneori chiar și cu o densitate mare. Acest lucru necesită o muncă atentă pentru a menține topologia.

Menținerea și schimbarea topologiei poate fi împărțită în trei etape:

Faza de implementare și implementare : senzorii pot fi aruncați sau aranjați unul câte unul în mediu; de fapt ele pot fi aruncate dintr-un avion , dintr-o catapultă , plasate pe rând de un robot sau de o persoană umană.
Faza post-implementare : modificările topologice ale rețelei se datorează schimbării poziției nodurilor sau schimbării accesibilității unui nod, energiei disponibile, prezenței defecțiunilor etc.
Redistribuirea fazei de noduri suplimentare : nodurile suplimentare ale senzorului pot fi rearanjate în orice moment pentru a înlocui nodurile care nu funcționează defectuos sau din cauza dinamicii sarcinii. Adăugarea de noi noduri implică necesitatea reorganizării rețelei. Frecvența ridicată a modificărilor topologice și constrângerea strictă a economisirii de energie necesită protocoale de rutare foarte specifice.

Constrângeri hardware

Un nod senzor este format din patru unități de bază:

Unitate de detectare : constă de obicei din două subunități: senzor și convertor analog-digital ;
Unitate computațională : de obicei asociată cu o unitate mică de stocare a datelor și gestionează procedurile care permit nodului să colaboreze cu celelalte noduri din rețea pentru a finaliza sarcina atribuită;
Unitate de emisie-recepție : este unitatea care conectează nodul la rețea. Poate fi un dispozitiv optic sau un dispozitiv de radiofrecvență (RF). De asemenea, este posibil să utilizați aparate de radio cu ciclu de funcționare redus , chiar dacă în prezent există probleme în utilizarea acestor dispozitive, deoarece se consumă multă energie pentru operațiile de oprire;
Unitate de energie : este poate cea mai importantă componentă a unui nod senzor; uneori poate fi susținut de o unitate de recuperare a energiei (de exemplu dintr-o sursă solară).

Aceste patru componente sunt cele de bază pentru un nod senzor.

Mijloace de transmitere

Într-o rețea de senzori multi-hop, nodurile pot interacționa între ele printr-un mediu de comunicație fără fir. Prin urmare, este posibil să se utilizeze unde radio. O posibilitate este utilizarea bandelor ISM (industriale, științifice și medicale), care este un grup predefinit de benzi care pot fi utilizate gratuit în multe țări. Majoritatea senzorilor de pe piață utilizează în prezent un circuit RF.

O altă modalitate posibilă pentru comunicarea nodurilor este prin infraroșu. Comunicarea în infraroșu nu necesită permise sau licențe și este protejată de interferențe. Transmițătoarele cu infraroșu sunt ieftine și ușor de construit. Cea mai mare problemă cu utilizarea infraroșu este necesitatea de a avea o „ linie de vedere ” directă între emițător și receptor. Acest lucru face ca infraroșul să fie dificil de utilizat în rețelele de senzori în care nodurile sunt de obicei aranjate aleatoriu.

Alegerea mediului de transmisie este impusă de aplicație. De exemplu, aplicațiile marine necesită utilizarea apei ca mediu de transmisie. Prin urmare, este necesar să se utilizeze valuri care pot pătrunde în apă.

Consumul de energie

Un senzor are o sursă de energie limitată. Durata de viață a unui nod senzor depinde în mare măsură de durata de viață a bateriei. Într-o rețea de senzori, fiecare nod are rolul atât de a genera, cât și de a primi date, astfel încât dispariția unor noduri poate duce la modificări topologice semnificative care pot necesita o reorganizare a rețelei și a rutei.

Din aceste motive, multe cercetări se concentrează pe crearea de protocoale și algoritmi conștienți de energie , adică protocoale care optimizează consumul de energie.

În timp ce în rețelele mobile și în rețelele ad hoc consumul de energie este un factor important, dar nu este principalul (care este în schimb satisfacția QoS , adică calitatea serviciului), în rețelele de senzori consumul de energie este principala valoare pentru evaluarea performanței: acest lucru se datorează faptului că în alte rețele este posibil să reîncărcați sau să înlocuiți bateriile nodurilor în timp ce în WSN acest lucru poate să nu fie posibil.

Consumul de energie într-un nod senzor se datorează în esență celor trei activități principale desfășurate de nod:

Detectare : puterea necesară pentru efectuarea eșantionării depinde de natura aplicației;
Prelucrarea datelor : energia cheltuită în prelucrarea datelor este foarte mică în comparație cu cea cheltuită pentru comunicare;
Comunicare : dintre cei trei factori este cel care are cea mai mare energie. Comunicarea include atât recepția, cât și transmiterea datelor ale căror costuri de energie pot fi considerate egale.

Protocoale de comunicare

Cerințele menționate mai sus impun constrângeri foarte stricte asupra tipului de protocoale de rețea care trebuie adoptate în WSN. Tehnologiile fără fir cu rază scurtă de acțiune sunt o cerință esențială, având în vedere bugetul redus de energie disponibil pentru fiecare nod. Cu toate acestea, crearea unei rețele de comunicații fără fir multi-hop, care este robustă la eșecuri și capabilă să se auto-configureze chiar și în medii ostile, reprezintă o provocare tehnologică semnificativă, care a cerut (și necesită în continuare) angajamentul mai multor organizații. ca IEEE și IETF . În domeniul IEEE, tehnologia IEEE 802.15.4 reprezintă o etapă importantă în dezvoltarea nivelurilor MAC și PHY ale unui WSN, deoarece poate oferi rate de biți de până la 250 kbps și permite utilizarea topologiilor multi-hop, într-un mod eficient din punct de vedere energetic. . Nivelurile superioare ale stivei pot fi în schimb implementate în conformitate cu specificațiile ZigBee și cele mai recente propuneri care au apărut în cadrul IETF pentru așa-numitele rețele cu pierderi reduse de energie .

Notă

^ Evaluare locală automată în timp real (ALERTĂ)

Bibliografie

IF Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, Wireless senzor networks: a survey, Computer Networks, Volume 38, Issue 4, 15 March 2002, Pages 393-422, ISSN 1389-1286, 10.1016 / S1389-1286 (01) 00302-4.

Elemente conexe

Senzor
TinyOS : un sistem de operare pentru rețelele de senzori.
NesC : un limbaj de programare pentru rețelele de senzori.
ZigBee
IEEE 802.15.4
Z-Wave

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere din rețeaua de senzori fără fir

Controlul autorității	Tezaur BNCF 61078 · LCCN (EN) sh2008004547 · GND (DE) 4789222-5 · BNF (FR) cb15614879j (dată) · NDL (EN, JA) 01.164.161

[1] Evaluare locală automată în timp real (ALERTĂ)

[1]