Architettura di una tipica rete di sensori wireless
Rete di sensori wirelessè una rete distribuita e auto-organizzante di molti sensori (sensori) e attuatori, interconnessi tramite un canale radio. Inoltre, l'area di copertura di tale rete può variare da diversi metri a diversi chilometri grazie alla capacità di trasmettere messaggi da un elemento all'altro.
Uno dei primi prototipi della rete di sensori può essere considerato il sistema SOSUS, progettato per rilevare e identificare i sottomarini. Le tecnologie delle reti di sensori wireless hanno iniziato a svilupparsi attivamente relativamente di recente, a metà degli anni '90. Tuttavia, è stato solo all'inizio del 21° secolo che lo sviluppo della microelettronica ha permesso di produrre dispositivi abbastanza economici per tali dispositivi. elemento base. Le moderne reti wireless si basano principalmente sullo standard ZigBee. Un numero considerevole di industrie e segmenti di mercato (produzione, vari modi di trasporto, supporto vitale, sicurezza) sono pronti per l'implementazione di reti di sensori e questo numero è in costante aumento. La tendenza è dovuta alla complicazione dei processi tecnologici, allo sviluppo della produzione, alle crescenti esigenze degli individui nei segmenti della sicurezza, del controllo delle risorse e dell'uso dell'inventario. Con lo sviluppo delle tecnologie dei semiconduttori, appaiono nuovi compiti pratici e problemi teorici legati alle applicazioni delle reti di sensori nell'industria, nell'edilizia abitativa e nei servizi comunali e nelle famiglie. L'uso di dispositivi di controllo dei sensori wireless a basso costo apre nuove aree per l'applicazione di sistemi di telemetria e controllo, come ad esempio:
Va notato che nonostante la lunga storia delle reti di sensori, il concetto di costruzione di una rete di sensori non ha finalmente preso forma e non si è espresso in determinate soluzioni software e hardware (piattaforma). L'implementazione delle reti di sensori nella fase attuale dipende in gran parte dai requisiti specifici dell'attività industriale. L'implementazione dell'architettura, del software e dell'hardware è nella fase di formazione tecnologica intensiva, che attira l'attenzione degli sviluppatori al fine di cercare una nicchia tecnologica per i futuri produttori.
Le reti di sensori wireless (WSN) sono costituite da dispositivi informatici in miniatura - motes, dotati di sensori (sensori per temperatura, pressione, luce, livello di vibrazione, posizione, ecc.) E ricetrasmettitori di segnale che operano in un determinato raggio radio. Architettura flessibile, costi di installazione ridotti fanno sì che le reti wireless di sensori intelligenti si distinguano dalle altre interfacce dati wireless e cablate, soprattutto quando noi stiamo parlando su un gran numero di dispositivi interconnessi, la rete di sensori consente di connettere fino a 65.000 dispositivi. La costante riduzione del costo delle soluzioni wireless, l'aumento dei loro parametri operativi consentono di riorientare gradualmente dalle soluzioni cablate ai sistemi per la raccolta dei dati di telemetria, la diagnostica remota e lo scambio di informazioni. "Rete sensoriale" è oggi un termine consolidato. Reti di sensori), che denota una rete distribuita, auto-organizzante e tollerante ai guasti di singoli elementi non presidiati e che non richiede alcuna installazione speciale di dispositivi. Ciascun nodo della rete di sensori può contenere vari sensori per il monitoraggio dell'ambiente esterno, un microcomputer e un ricetrasmettitore radio. Ciò consente al dispositivo di effettuare misurazioni, eseguire autonomamente l'elaborazione iniziale dei dati e mantenere la comunicazione con un sistema informativo esterno.
802.15.4/ZigBee ha trasmesso la tecnologia radio a corto raggio, nota come "Reti di sensori" WSN - Rete di sensori wireless), è una delle direzioni moderne nello sviluppo della tolleranza ai guasti auto-organizzante sistemi distribuiti monitorare e gestire risorse e processi. Oggi, la tecnologia di rete di sensori wireless è l'unica tecnologia wireless in grado di risolvere le attività di monitoraggio e controllo che sono fondamentali per il tempo di funzionamento dei sensori. I sensori combinati in una rete di sensori wireless formano un sistema auto-organizzante distribuito territorialmente per la raccolta, l'elaborazione e la trasmissione delle informazioni. La principale area di applicazione è il controllo e il monitoraggio dei parametri misurati di supporti fisici e oggetti.
Lo standard adottato IEEE 802.15.4 descrive il controllo dell'accesso al canale wireless e il livello fisico per le reti personali wireless a bassa velocità, ovvero i due livelli inferiori secondo il modello di rete OSI. L'architettura "classica" della rete di sensori si basa su un nodo tipico che include, esempio di un tipico nodo RC2200AT-SPPIO:
Un nodo tipico può essere rappresentato da tre tipi di dispositivi:
Attualmente, la tecnologia delle reti di sensori wireless si sta sviluppando rapidamente. Le reti di sensori wireless sono reti auto-organizzanti distribuite resistenti al guasto di singoli elementi che scambiano informazioni in modalità wireless. Ogni elemento della rete ha una fonte di alimentazione autonoma, un microcomputer, un ricevitore/trasmettitore. L'area di copertura della rete può variare da diversi metri a diversi chilometri, a seconda del tipo di modulo e antenna, nonché grazie alla capacità di ritrasmettere messaggi da un elemento all'altro. Lo scambio di dati tra due dispositivi finali può essere effettuato tramite un ripetitore, se il raggio d'azione di questi dispositivi non consente il loro rilevamento reciproco. In questo modo, dispositivi a corto raggio possono comunicare tra loro utilizzando un sistema di ripetitori.
Esistono i seguenti standard principali per le reti wireless a bassa potenza:
trasmissione di rete di sensori wireless
1 .2.2 Applicazione di reti di sensori
Tipicamente, WSS viene utilizzato per raccogliere dati da dispositivi dotati di sensori: temperatura, umidità, illuminazione, ovvero monitoraggio. Ad esempio, i sensori miniaturizzati possono essere utilizzati in medicina per monitorare i pazienti. I dispositivi che il paziente porta con sé possono monitorare il funzionamento degli organi vitali e informare il medico in caso di situazioni pericolose.
Le ridotte dimensioni dei dispositivi consentono di effettuare non solo osservazioni "superficiali" del paziente, ma anche di esaminare gli organi interni di una persona. Quindi, quando si esegue la gastroscopia negli ospedali pubblici, nei policlinici, viene utilizzato un apparecchio speciale, con un tubo gastroscopico, ma non tutti i pazienti possono inghiottirlo. Sul mercato esistono già dispositivi sotto forma di compresse per tali studi. Questi dispositivi alimentati a batteria hanno una potenza sufficiente per funzionare ininterrottamente per 24 ore e inviare letture a un altro dispositivo che il paziente porta con sé durante quel periodo. Successivamente, il medico può analizzare i risultati e fare una diagnosi accurata.
I sensori possono essere utilizzati per accendere automaticamente l'illuminazione quando una persona entra nella stanza, utilizzati per controllare alcuni dispositivi (nel sistema "casa intelligente").
A volte è necessario monitorare la mobilità o la distruzione di qualsiasi oggetto in cui è difficile posare i cavi. Per questo, ancora una volta, è più vantaggioso utilizzare reti di sensori, poiché i sensori hanno una fonte di alimentazione autonoma e sono wireless.
Inoltre, la tecnologia delle reti di sensori wireless può essere utilizzata per trasmettere dati audio, come un sistema di interfono, un sistema multimediale a basso consumo energetico.
Le tecnologie wireless e le reti di telecomunicazione create sulla base di esse presentano una serie di ben noti vantaggi, tra cui un'architettura flessibile e bassi costi di installazione. Attualmente, tra i sistemi di comunicazione wireless di massa e più richiesti nel mercato consumer ci sono i sistemi comunicazione cellulare, Wi-Fi e Bluetooth. Ciascuno di essi è caratterizzato dalla portata e dalla velocità di trasmissione, dalla gamma di frequenze operative, dalla funzionalità e dall'ambito, nonché da altre caratteristiche che determinano l'architettura e le caratteristiche strutturali delle reti di telecomunicazioni implementate sulla base (Fig. 3). Sotto l'aspetto architettonico, la principale differenza tra WSN e le classiche reti radio di telecomunicazione è l'uso di un gran numero di sensori intelligenti subminiaturizzati nella rete per trasmettere piccole quantità di informazioni telemetriche su medie distanze (10-100 m).
Riso. 3. Massa sistemi senza fili trasmissione di informazioni via radio
In termini operativi, le principali caratteristiche distintive del WSN sono i requisiti per un funzionamento stabile in condizioni di cambiamenti dinamici nella topologia di rete dovuti al movimento dei sensori, alimentazione autonoma e limitazioni significative nel consumo energetico e nelle prestazioni di calcolo di microprocessori, memoria, ricetrasmettitori e altri componenti microelettronici integrati nei nodi di rete. Allo stesso tempo, le condizioni per il funzionamento del WSN prevedono il trasferimento di piccole quantità di informazioni a bassa velocità. Considerando le esigenze del mercato delle telecomunicazioni nel campo specifico del monitoraggio e della gestione di oggetti attraverso comunicazioni wireless sotto l'egida dell'IEEE ( Istituto degli ingegneri elettrici ed elettronici) nel 2003 è stata rilasciata la specifica ufficiale IEEE 802.15.4, che ha ricevuto lo status di standard. Secondo i piani degli sviluppatori, il nuovo standard avrebbe dovuto fornire un intervallo di connessione paragonabile a Wifi, ma allo stesso tempo hanno un minor consumo energetico grazie alla bassa velocità di trasferimento dati. Tra i compiti più importanti ci sono anche la garanzia del funzionamento in tempo reale utilizzando le fasce orarie, la prevenzione delle collisioni di accesso e il supporto completo per la protezione della rete. I dispositivi conformi a 802.15.4 devono essere in grado di gestire il consumo energetico e monitorare la qualità del collegamento. Dal maggio 2007, in Russia sono stati certificati 802.15.4 dispositivi, la cui potenza di radiazione non supera i 10 mW in aree aperte e 100 mW all'interno.
Il documento 802.15.4 definisce due livelli inferiori modello di rete a sette livelli OSI: fisico ( FI) e canale ( MAC). Il livello fisico determina il metodo di trasmissione dei dati, l'interfaccia di comunicazione, le caratteristiche hardware ei parametri necessari per costruire una rete. In pratica, il livello fisico controlla il funzionamento del ricetrasmettitore, seleziona i canali, controlla i segnali e trasmette i livelli di potenza.
In conformità con le specifiche dello standard 802.15.4, 27 canali sono riservati a livello fisico per lo scambio di dati in tre bande di frequenza: 868 MHz, 910 MHz, 2,4 GHz, che consente l'uso dello standard in bande di frequenza che non sono autorizzate nella maggior parte dei paesi del mondo (Fig. 4). Nel territorio Federazione Russaè disponibile solo la banda a 2,4 GHz. In questo intervallo sono definiti 16 canali con una larghezza di 5 MHz con frequenze portanti calcolate secondo l'espressione:
Fc = 2405 + 5 (k - 1) MHz, k = 1,16.
Riso. 4. Bande di frequenza del livello fisico 802.15.4.
La prima versione dello standard 802.15.4 definiva due livelli fisici con modulazione a diffusione diretta a banda larga. DSSS (spettro diffuso in sequenza diretta): il primo - nella banda 868/915 MHz con una velocità di trasmissione rispettivamente di 20 e 40 kbps, e il secondo - nella banda 2450 MHz con una velocità di 250 kbps. Nel 2006, le velocità dati consentite su 868/915 MHz sono state aumentate a 100 e 250 kbps. Inoltre, sono state definite quattro specifiche del livello fisico a seconda del metodo di modulazione: pur mantenendo la modulazione DSSS a banda larga, è possibile utilizzare sia la codifica binaria che quella a spostamento di fase in quadratura nella banda 868/915 MHz ( QPSK - Quadrature Phase Shift Keying). Dal 2007, il numero di layer fisici è stato portato a sei nella versione dello standard IEEE 802.15.4a includendo un layer con tecnologia radio a banda ultralarga. Banda ultra larga (UWB) per il trasferimento dati ad alta velocità , così come le specifiche di livello con tecnologia radio Chirp Diffusione Spettro (CSS), basato sull'espansione dello spettro di frequenza mediante il metodo della modulazione di frequenza lineare. Strato fisico UWB definito da frequenze assegnate in tre intervalli: inferiore a 1 GHz, 3-5 GHz e 6-10 GHz e per css spettro allocato nella banda dei 2450 MHz della banda senza licenza ISM. Nel 2009, le versioni degli standard IEEE 802.15.4c e IEEE 802.15.4d hanno ampliato le gamme di frequenza disponibili. Queste specifiche determinano la possibilità di utilizzare transceiver con quadrature phase shifting a livello fisico ( Keying sfasamento in quadratura, QPSK) o con manipolazione di sfasamento di ordine superiore ( M-PSK) a una frequenza di 780 MHz e a una frequenza di 950 MHz - Keying di spostamento della frequenza gaussiana ( Keying con spostamento di frequenza gaussiano, GFSK) o codificazione binaria di sfasamento ( Binary phase-shift keying, BPSK). Inoltre, il gruppo di studio IEEE 802.15.4d nel 2009 ha incluso nelle specifiche le bande 314-316 MHz, 430-434 MHz e 779-787 MHz appena scoperte in Cina e ha definito un emendamento allo standard 802.15.4-2006 esistente per supportare la banda 950-956 MHz in Giappone.
A livello di collegamento Lo standard di specifica IEEE 802.15.4 definisce i meccanismi per l'interazione degli elementi di rete a livello fisico per garantire la formazione di frammenti di dati (frame), il controllo e la correzione degli errori e l'invio di frame al livello di rete. In questo caso, il sottolivello MAC ( controllo dell'accesso ai media) il livello di collegamento regola l'accesso multiplo al supporto fisico con divisione temporale, gestisce le comunicazioni del ricetrasmettitore e fornisce sicurezza.
IEEE 802.15.4 fornisce la trasmissione dati half-duplex a due vie supportando la crittografia AES 128. L'accesso al canale si basa sul principio Carrier Sense Accesso multiplo con prevenzione delle collisioni (CSMA/CA) - Carrier Sense Accesso multiplo con prevenzione delle collisioni. CSMA/CAè un protocollo di rete che utilizza il principio dell'ascolto di una frequenza portante. È in corso l'invio di un dispositivo pronto per l'invio dei dati segnale di inceppamento ( segnale di congestione) e ascolta la trasmissione. Se viene trovato "alieno". segnale di inceppamento, quindi il trasmettitore "si addormenta" per un periodo di tempo casuale, quindi tenta nuovamente di avviare la trasmissione del frame. Pertanto, la trasmissione può provenire solo da un dispositivo, il che migliora le prestazioni della rete. In questo caso, i dati vengono trasmessi in pacchetti relativamente piccoli, tipico del traffico di segnali di controllo e monitoraggio nel WSN. Una caratteristica importante dello standard è la conferma obbligatoria della consegna del messaggio.
Una caratteristica dei dispositivi connessi a una rete secondo lo standard IEEE 802.15.4 è il basso consumo energetico dovuto al fatto che il ricetrasmettitore passa alla modalità "sleep" quando non ci sono dati da inviare e mantiene la connessione in questa modalità. Durante lo sviluppo dello standard, l'enfasi principale è stata posta sulla velocità dei processi di configurazione e riconfigurazione. In particolare, il passaggio del ricevitore allo stato attivo dura circa 10-15 ms e la connessione di nuovi dispositivi alla rete - da 30 ms. Allo stesso tempo, la durata della riconfigurazione e della connessione dei dispositivi dipende dalla costanza dell '"ascolto" dei router sulla rete.
Tipi di nodi di rete. Lo standard definisce due tipi di nodi di rete: dispositivo completo FFD (dispositivo completamente funzionale), che può implementare sia la funzione di coordinamento del lavoro che di impostazione dei parametri di rete, e operare nella modalità di un nodo tipico; dispositivo con funzionalità limitate RFD (dispositivo a funzione ridotta), avendo solo la capacità di comunicare con dispositivi completi. Ogni rete deve averne almeno uno FFD, che implementa la funzione del coordinatore. Ogni dispositivo ha un ID a 64 bit, ma in alcuni casi è possibile utilizzare un ID breve a 16 bit per connessioni ad area limitata. rete personale PAN (rete personale).
Topologie di rete. A livello di collegamento, lo standard IEEE 802.15.4 fornisce raccomandazioni generali per la creazione di una topologia di rete. Le reti possono essere peer-to-peer P2P (peer-to-peer, punto-punto), o avere una topologia a stella. Basato sulla struttura P2P si possono formare strutture di connessione arbitrarie, limitate solo dalla distanza di comunicazione tra coppie di nodi. Con questo in mente, sono possibili varie opzioni per la struttura topologica del WSN, in particolare un "albero" di cluster - una struttura in cui rfd, essendo "foglie dell'albero", sono associate a una sola FFD, e la maggior parte dei nodi della rete lo sono FFD. È anche possibile una topologia di rete mesh, formata sulla base di "alberi" di cluster con un coordinatore locale per ciascun cluster e contenente un coordinatore di rete globale.
Riso. 5. Opzioni di topologia di rete IEEE 802.15.4
Lo standard supporta anche una topologia a stella più strutturata, in cui il coordinatore ( FFD) la rete deve necessariamente essere il nodo centrale della rete personale formata ( PADELLA) con un identificatore univoco. Successivamente, altri dispositivi possono unirsi alla rete, che è completamente indipendente da altre reti con una topologia simile.
Lo standard 802.15.4 descrive i due livelli inferiori del modello di rete OSI senza specificare i requisiti per i livelli superiori e le condizioni per la loro compatibilità. La soluzione di questi problemi ha richiesto lo sviluppo di speciali protocolli di comunicazione. I più famosi sono i protocolli dell'alleanza ZigBee, costituita nel 2002 dalle più grandi aziende mondiali specializzate nello sviluppo di software e hardware per sistemi di infocomunicazione. Tra più di duecento membri dell'alleanza ZigBee coordinare il lavoro sulla promozione delle tecnologie e della produzione mezzi tecnici per reti di sensori wireless - Texas Instruments, Motorola, Philips, IBM, Ember, Samsung, NEC, Freescale Semiconductor, LG, OKI e molti altri. Società informazioni, anche se non un membro dell'alleanza zigbee, sostiene attivamente le sue attività. ZigBee ha sviluppato e ratificato nel 2004 uno standard che include uno stack completo di protocolli per reti di sensori wireless. Standard ZigBee si basa sullo standard IEEE 802.15.4, che descrive solo il livello fisico e il livello di accesso ai supporti per le reti di dati wireless a bassa potenza. Al contrario, il documento ZigBee include una descrizione dei processi di gestione della rete, della compatibilità e dei profili dei dispositivi e informazioni di sicurezza, (figura 6). A livello di rete in ZigBee si determinano i meccanismi di instradamento e formazione della topologia logica della rete.
Fig.6. Configurazione dello stack del protocollo 802.15.4 e ZigBee
Oltre agli standard 802.15.4 /ZigBee, è possibile utilizzare le specifiche di altri standard di comunicazione wireless basati su IEEE 802.15.4 - 2005 per creare un WSN, in particolare WirelessHART E ISO100. Tuttavia, attualmente nel campo delle tecnologie di rete di sensori wireless ZigBeeè lo standard più supportato da hardware e software completamente compatibili sul mercato. Inoltre i protocolli ZigBee consentire ai dispositivi di rete di dormire b O la maggior parte delle volte, il che aumenta significativamente la durata dei nodi quando alimentati da fonti di batteria. In FSU basato su ZigBee modalità supportata "profili dispositivo" o profili per vari sensori, che sono compatibili a livello di stack di protocollo e possono essere collegati in rete, trasmettere, ricevere e inoltrare informazioni. Allo stesso tempo, solo il dispositivo a cui è destinato "capirà" queste informazioni.
Attualmente, ci sono un certo numero di diversi ZigBee-Prodotti che vanno dai circuiti integrati transceiver IEEE 802.15.4 ai moduli OEM standard con software stack di rete integrato ZigBee. Tutti i dispositivi standard ZigBee a seconda del livello di complessità, sono divisi in tre classi, la più alta delle quali - il coordinatore - gestisce il processo di formazione della rete, memorizza i dati sulla sua topologia e funge da gateway per la trasmissione dei dati raccolti da tutti i sensori WSN per la loro ulteriore elaborazione. La rete di solito ne utilizza solo uno Coordinatore PAN. Un dispositivo di media complessità, un router, è in grado di inoltrare messaggi, supportare tutte le topologie di rete e fungere anche da coordinatore di cluster. E, infine, il dispositivo più semplice - un normale nodo - è in grado di trasmettere dati solo al router più vicino.
Quindi la norma ZigBee supporta una rete con architettura a cluster (Fig. 7), formata da nodi ordinari, uniti in cluster tramite router. I router del cluster richiedono dati sensoriali dai dispositivi e, ritrasmettendoli l'un l'altro, li trasmettono al coordinatore, che di solito ha una connessione con IP-network, dove invia le informazioni per l'accumulo e l'elaborazione finale.
Riso. 7. Tipica topologia di rete ZigBee
Netto ZigBeeè auto-organizzante, ovvero tutti i nodi sono in grado di determinare e regolare in modo indipendente i percorsi di consegna dei dati. I dati vengono trasmessi utilizzando trasmettitori radio da un nodo all'altro lungo la catena e, di conseguenza, i nodi più vicini al gateway reimpostano tutte le informazioni accumulate sul gateway. Queste informazioni includono i dati letti dai sensori tattili, nonché i dati sullo stato dei dispositivi e i risultati del processo di trasferimento delle informazioni. In caso di guasto di alcuni dispositivi, il funzionamento della rete di sensori dopo la riconfigurazione dovrebbe continuare. I nodi wireless operano sotto il controllo di un'applicazione speciale. Di solito, tutti i nodi della rete di sensori utilizzano lo stesso programma di controllo che ne garantisce la funzionalità e l'esecuzione dei protocolli di rete.
Quindi la norma ZigBeeè praticamente l'unico standard nel campo delle tecnologie WSN che descrive nel modo più completo un insieme di sette livelli schema classico interazioni di sistemi aperti ( OSI) e allo stesso tempo il massimo supportato dalla produzione di prodotti hardware e software pienamente compatibili (Fig. 8).
Oltre alle soluzioni basate ZigBee opzioni per l'implementazione di WSN utilizzando piattaforme proprietarie (ad esempio, from Sensicast, Millennial Net, Iris, Mia2, Telos, Reti di polvere ecc.) che utilizzano ricetrasmettitori proprietari o basati su IEEE 802.15.4. Lo stack di rete delle piattaforme proprietarie si basa su algoritmi e protocolli proprietari che forniscono una serie di vantaggi rispetto a ZigBee, ma non forniscono compatibilità tra soluzioni di produttori diversi. Nella norma ZigBee la rete in generale ha la forma di un "albero a grappolo" e richiede la pianificazione del posizionamento di dispositivi di vario tipo ( FFD, RFD) nella fase di progettazione della rete. Allo stesso tempo, la maggior parte dei nodi sono dispositivi finali, incapaci di inoltrare messaggi, per cui deve esserci almeno un nodo router all'interno del raggio di ciascuno di essi. Ciò richiede l'ottimizzazione della posizione dei dispositivi di classi diverse.
La specificità dei protocolli di rete per WSN richiede la risoluzione di problemi di efficienza energetica, poiché nella modalità alimentazione autonoma nodi di rete a batterie, il consumo energetico minimo determina la risorsa temporanea del nodo.
IN ZigBee il minor consumo energetico si ottiene con l'accesso sincronizzato al supporto ( modalità faro), permettendoti di impostare la modalità "sleep" per entrambi, RFD dispositivi (terminali) e FFD( router). Con una topologia di rete complessa e in particolare la generazione di traffico casuale, è praticamente impossibile implementare la variante ottimale del programma di accesso ai media. In conformità con lo standard, l'accesso multiplo secondo l'algoritmo è tecnologicamente più avanzato. CSMA/CA. Tuttavia, in questa modalità, tutti i coordinatori devono essere costantemente in modalità di ascolto del canale e pertanto è necessaria una rete elettrica fissa per alimentare i router. In questo caso, solo i dispositivi terminali funzioneranno da fonti autonome (batterie), mentre i router e PADELLA- coordinatore - dall'alimentatore.
Riso. 8. pila di protocolli ZigBee
Diverse società straniere per creare WSN utilizzano soluzioni tecniche private e i propri stack di protocolli di rete per ridurre il consumo energetico, comprese soluzioni a livello di componente. Oltre alle caratteristiche tecniche dei chip del ricetrasmettitore, dei microcontrollori e di altri nodi dei moduli wireless, il consumo energetico è notevolmente influenzato dalla modalità di funzionamento dell'applicazione di rete e dall'intensità dello scambio di dati. Esistono modalità di funzionamento con ciclo di lavoro intensivo e con bassa intensità di scambio. Nelle applicazioni con un ciclo di lavoro intenso, la quota principale del consumo energetico ricade sull'interfaccia aerea: ricezione / trasmissione di pacchetti, sincronizzazione e sintonizzazione automatica della frequenza. In questo caso, nel caso di predominanza di pacchetti lunghi nel traffico, predomina il consumo del ricetrasmettitore, e nel caso di trasmissione predominante di pacchetti corti, viene in primo piano il consumo dei circuiti di inizializzazione radio e di autocalibrazione della frequenza. Nelle applicazioni con bassa intensità di traffico, indicatori come la presenza e l'efficacia delle modalità a basso consumo per chip di sensori, microcontrollori e ricetrasmettitori iniziano a svolgere un ruolo.
Un tipico profilo di potenza del nodo wireless è mostrato nella Figura 9. I valori assoluti sono forniti per un dispositivo nella gamma inferiore a 1 GHz; per i dispositivi nella banda 2,4 GHz, le correnti di consumo saranno circa il doppio.
Un esempio di soluzioni di stack di protocolli di rete proprietarie è sviluppato dall'azienda Strumenti texani semplice protocollo SimpliciTI(Fig.10) open source. Il protocollo è destinato a WSN dello standard IEEE 802.15.4 con alimentazione a batteria autonoma e base di componenti elettronici basata su un sistema su chip (ad esempio, CC430, CC1110/2510), o basato su una combinazione di controller della serie MSP430 a bassa potenza e uno qualsiasi dei ricetrasmettitori TI serie MSP430 + CC1XXX/CC25XX. Il protocollo fornisce la minimizzazione del consumo energetico con il supporto per la modalità sleep dei nodi di rete e può essere utilizzato nel WSN per varie applicazioni, tra cui: sensori di intrusione, luce, sensori di CO contatori di acqua, gas, elettricità, applicazioni RFID con etichette attive, ecc.
Riso. 9. Esempio di profilo di alimentazione del nodo wireless
Fig.10. Struttura dello stack del protocollo SimpliciTI
Un altro esempio di decisione privata di creare un WSN per telecomando dispositivi è la proposta Strumenti texani protocollo RemoTITM, supportato dai corrispondenti dispositivi wireless e conforme alle specifiche ZigBee®RF4CE(figura 11). Protocollo RemoTI basato sullo standard IEEE 802.15.4 con l'aggiunta di un livello di interazione di rete e una serie di comandi di controllo di base e include: supporto per più canali; transazioni sicure; modalità di risparmio energetico; un semplice meccanismo di aggregazione di dispositivi per lavoro congiunto.
Riso. undici. Struttura dello stack del protocollo RemoTI
Tra le piattaforme più conosciute che soddisfano i requisiti fondamentali di base per le reti di sensori (basso consumo energetico, lungo tempo di funzionamento, ricetrasmettitori a bassa potenza e presenza di sensori) dovrebbero includere anche: MicaZ, TelosB, Intel Mote 2. La maggior parte delle società di sviluppo produce sia apparecchiature (assiemi, sensori) che software che soddisfano questi standard. Attualmente, diverse aziende hanno ottenuto il maggior successo, tra cui spiccano la profondità e la completezza dei loro sviluppi Balestra E Sentilla.
Panoramica delle moderne tecnologie wireless
Architettura del sensore
Il sensore tattile è costituito da hardware e software, come qualsiasi altro nodo di telecomunicazioni. In generale, il sensore è costituito da quanto segue
sottosistemi: percezione, elaborazione dati, monitoraggio, comunicazione e alimentazione (Figura 1.1).
Figura 1.1 - Architettura generale del sensore.
Il sottosistema di percezione di solito è costituito da un dispositivo analogico che acquisisce determinate statistiche e da un convertitore analogico-digitale. Il sottosistema di elaborazione dati contiene processore e memoria, consentendo di memorizzare non solo i dati generati dal sensore, ma anche le informazioni di servizio necessarie per il corretto e pieno funzionamento del sottosistema di comunicazione. Il sottosistema di monitoraggio consente al sensore di raccogliere dati ambientali come umidità, temperatura, pressione, campo magnetico, chimica dell'aria, ecc. Inoltre, il sensore può essere integrato con un giroscopio, un accelerometro, che consente di costruire un sistema di posizionamento.
I progressi nel campo della comunicazione wireless e della miniaturizzazione dei microchip aprono nuovi orizzonti nelle tecnologie dell'informazione e dei computer. Oltre alle reti multi-hop, esistono protocolli di instradamento più complessi in cui il nodo successivo viene selezionato sulla base di un'analisi delle sue caratteristiche, come il livello di energia, l'affidabilità e simili. La situazione diventa più complicata quando i nodi della rete di sensori wireless si spostano: la topologia della rete diventa dinamica.
Per implementare il sensore come dispositivo di telecomunicazione di piccole dimensioni (non più di un centimetro cubo), è necessario tenere conto di molti aspetti tecnici. La frequenza del processore centrale deve essere di almeno 20 MHz, il volume memoria ad accesso casuale non inferiore a 4 KB, velocità di trasferimento non inferiore a 20 Kbps. L'ottimizzazione dell'hardware ridurrà le dimensioni del sensore, ma comporterà un aumento del suo prezzo. Il sistema operativo (OS) deve essere ottimizzato per l'architettura della CPU utilizzata. Le risorse limitate e le ridotte dimensioni della memoria incoraggiano il posizionamento del sistema operativo nella ROM. Attualmente, il sistema operativo open source Tiny OS è ampiamente utilizzato, il che consente di controllare in modo abbastanza flessibile i sensori di diversi produttori. Nel campo del networking, l'alimentazione limitata nei sensori impone limitazioni significative
l'utilizzo di tecnologie radio applicabili nelle reti di sensori. Va inoltre notato che le prestazioni limitate del processore centrale non consentono l'utilizzo di protocolli di routing standard per reti IP.
– l'elevata complessità del calcolo dell'algoritmo del percorso ottimale sovraccaricherà la CPU. Ad oggi, è stato sviluppato un gran numero di protocolli di routing speciali per reti di sensori.
Lo sviluppo della tecnologia per la trasmissione dei dati nelle reti di sensori è uno dei compiti più importanti nella costruzione di una rete di sensori, dal momento che la sua specifica architettura e caratteristiche del sistema imporre una serie di rigide restrizioni, tra le quali vanno sottolineate le seguenti:
Riserve energetiche limitate, a causa delle quali l'autonomia è limitata;
Prestazioni del processore limitate;
Funzionamento simultaneo un largo numero nodi in uno spazio limitato;
Equivalenza di nodi, l'architettura client-server non è applicabile a causa dei suoi ritardi caratteristici;
Funzionamento nello spettro di frequenze senza licenza;
Basso costo.
Attualmente, lo sviluppo di reti di sensori si basa sullo standard IEEE 802.15.4 Zigbee, che ho menzionato sopra. Inoltre, noto che la Zigbee Alliance presuppone che l'accesso radio ZigBee verrà utilizzato in applicazioni come monitoraggio, automazione di fabbrica, sensori, sicurezza, controllo, elettrodomestici e molto altro. Pertanto, le applicazioni di rete di sensori possono essere suddivise in diverse categorie principali:
Sicurezza, emergenze e operazioni militari;
Medicina e salute;
Meteo, ambiente e agricoltura;
Fabbriche, stabilimenti, case, fabbricati;
Sistemi di trasporto e veicoli.
Prenderò in considerazione casi di applicazione specifica di reti di sensori nelle categorie di cui sopra. Le reti di sensori possono, come minimo, essere utilizzate nei seguenti scenari.
Applicazione di reti di sensori
Le reti di sensori wireless hanno caratteristiche uniche di facile implementazione, auto-organizzazione e tolleranza ai guasti. Emergendo come nuovo paradigma di raccolta di informazioni, le reti di sensori wireless sono state utilizzate per un'ampia gamma di scopi legati alla salute, al monitoraggio ambientale, all'energia, alla sicurezza alimentare e alla produzione.
Negli ultimi anni, ci sono stati molti prerequisiti affinché le reti di sensori diventassero reali. Sono stati creati diversi prototipi di nodi di sensori, tra cui Motes a Berkeley, uAMPS al MIT (presso il Massachusetts Institute of Technology) e GNOMES a Rice. Le funzioni elementari delle reti di sensori sono il posizionamento, il rilevamento, il tracciamento e il rilevamento. Oltre alle applicazioni militari, esistono anche applicazioni civili basate su funzioni elementari, che possono essere suddivise in controllo ambientale, monitoraggio ambientale, assistenza sanitaria e altre applicazioni commerciali
applicazioni. Inoltre, Sibley ha recentemente creato un sensore mobile chiamato Robomote, che è dotato di ruote ed è in grado di muoversi sul campo.
Come uno dei primi tentativi di utilizzare reti di sensori per applicazioni civili, Berkeley e Intel Research Laboratory hanno utilizzato la rete di sensori Mote per monitorare le letture delle tempeste nelle Great Duck Islands, nel Maine, nell'estate del 2002. Due terzi dei sensori sono stati installati al largo delle coste del Maine per raccogliere le informazioni necessarie (utili) in tempo reale sul world wide web (Internet). Il sistema ha funzionato per più di 4 mesi e ha fornito dati
Per 2 mesi dopo che gli scienziati hanno lasciato l'isola a causa delle cattive condizioni meteorologiche (in inverno). Questa applicazione di monitoraggio dell'habitat è un'importante classe di applicazioni di rete di sensori. Ancora più importante, i sensori di rete sono in grado di raccogliere informazioni in ambienti pericolosi che sono sfavorevoli alle persone. Nel corso degli studi di monitoraggio sono stati presi in considerazione i criteri di progettazione, tra cui la progettazione, la creazione, la creazione di un sistema di sensori con possibilità di accesso remoto e gestione dei dati. Sono stati fatti numerosi tentativi per soddisfare i requisiti, che hanno portato allo sviluppo di una serie di prototipi di sistemi di reti di sensori. Il sistema di sensori utilizzato dal Berkeley and Intel Research Laboratory, sebbene primitivo, è stato efficace nel raccogliere dati ambientali interessanti e ha fornito agli scienziati informazioni importanti.
Le reti di sensori hanno trovato applicazioni nel campo dell'osservazione e della previsione (ipotesi). Un esempio vivente di tale applicazione è il sistema ALERT (Automated Local Evaluation in Real-Time) sviluppato dal National Weather Service con una rete wireless di sensori. Dotato di meteorologico/idrologico dispositivi tattili, i sensori in queste condizioni di solito misurano diverse proprietà del tempo locale, come il livello dell'acqua, la temperatura, il vento. I dati vengono trasmessi tramite un collegamento radio diretto (comunicazione radio in linea di vista) tramite sensori nella stazione base. Il modello di previsione delle piene è stato adattato per elaborare i dati ed emettere avvisi automatici. Il sistema fornisce Informazioni importanti precipitazioni e livelli dell'acqua in tempo reale per valutare la possibilità di potenziali inondazioni in qualsiasi parte del paese. L'attuale (attuale) sistema ALERT è installato in tutta la costa occidentale degli Stati Uniti ed è utilizzato per l'allarme alluvione in California e Arizona.
Recentemente, i sistemi di sensori sono stati ampiamente utilizzati nel settore sanitario, utilizzati da pazienti e medici per tracciare e monitorare i livelli di glucosio, rilevatori di cancro e persino organi artificiali. Gli scienziati suggeriscono la possibilità di impiantare sensori biomedici nel corpo umano per vari scopi. Questi sensori trasmettono informazioni a un esterno sistema informatico Attraverso interfaccia senza fili. Diversi sensori biomedici sono combinati in un sistema di applicazioni per determinare la diagnosi e il trattamento della malattia. I sensori biomedici preannunciano un livello più avanzato di assistenza medica.
La principale differenza tra reti di sensori wireless e computer tradizionali e reti telefonicheè l'assenza di un'infrastruttura permanente che appartiene a un particolare operatore o fornitore. Ogni terminale utente nella rete di sensori ha la capacità di funzionare non solo come dispositivo finale, ma anche come nodo di transito, come mostrato nella Figura 1.2.
Figura 1.2 - Un esempio di collegamento dei sensori di rete
