Oddiy simsiz sensor tarmog'ining arxitekturasi
Simsiz sensorli tarmoq radiokanal orqali o'zaro bog'langan ko'plab sensorlar (datchiklar) va aktuatorlarning taqsimlangan, o'zini o'zi tashkil qiluvchi tarmog'idir. Bundan tashqari, xabarlarni bir elementdan ikkinchisiga o'tkazish qobiliyati tufayli bunday tarmoqning qamrov maydoni bir necha metrdan bir necha kilometrgacha bo'lishi mumkin.
Sensor tarmog'ining birinchi prototiplaridan biri suv osti kemalarini aniqlash va aniqlash uchun mo'ljallangan SOSUS tizimi hisoblanadi. Simsiz sensorli tarmoqlar texnologiyalari nisbatan yaqinda - 1990-yillarning o'rtalarida faol rivojlana boshladi. Biroq, faqat 21-asrning boshlarida mikroelektronikaning rivojlanishi bunday qurilmalar uchun juda arzon qurilmalarni ishlab chiqarish imkonini berdi. element bazasi. Zamonaviy simsiz tarmoqlar asosan ZigBee standartiga asoslangan. Sensor tarmoqlarini joriy etishga ko'p sonli tarmoqlar va bozor segmentlari (ishlab chiqarish, turli transport turlari, hayotni ta'minlash, xavfsizlik) tayyor va bu raqam doimiy ravishda o'sib bormoqda. Ushbu tendentsiya texnologik jarayonlarning murakkablashishi, ishlab chiqarishning rivojlanishi, xavfsizlik, resurslarni nazorat qilish va inventarizatsiyadan foydalanish segmentlariga odamlarning ehtiyojlarini kengaytirish bilan bog'liq. Yarimo'tkazgich texnologiyalarining rivojlanishi bilan sanoatda, uy-joy kommunal xo'jaligida va uy xo'jaligida sensorli tarmoqlarni qo'llash bilan bog'liq yangi amaliy vazifalar va nazariy muammolar paydo bo'ladi. Arzon narxlardagi simsiz sensorlarni boshqarish qurilmalaridan foydalanish telemetriya va boshqaruv tizimlarini qo'llash uchun yangi sohalarni ochadi, masalan:
Shuni ta'kidlash kerakki, sensorli tarmoqlarning uzoq tarixiga qaramay, sensorlar tarmog'ini qurish kontseptsiyasi nihoyat shakllanmagan va ma'lum dasturiy va apparat (platforma) echimlarida ifodalanmagan. Sensor tarmoqlarini joriy bosqichda amalga oshirish ko'p jihatdan sanoat vazifasining o'ziga xos talablariga bog'liq. Arxitektura, dasturiy ta'minot va apparat ta'minotini amalga oshirish intensiv texnologiyalarni shakllantirish bosqichida bo'lib, kelajakdagi ishlab chiqaruvchilar uchun texnologik joyni izlash uchun ishlab chiquvchilarning e'tiborini tortadi.
Simsiz datchik tarmoqlari (WSN) miniatyura hisoblash qurilmalari - datchiklar (harorat, bosim, yorug'lik, tebranish darajasi, joylashuv va boshqalar uchun datchiklar) va ma'lum bir radio diapazonida ishlaydigan signal uzatgichlari bilan jihozlangan zarrachalardan iborat. Moslashuvchan arxitektura, arzonlashtirilgan o'rnatish xarajatlari aqlli sensorli simsiz tarmoqlarni boshqa simsiz va simli ma'lumotlar interfeyslaridan ajralib turadi, ayniqsa gaplashamiz ko'p sonli o'zaro bog'langan qurilmalar haqida, sensor tarmog'i 65 000 tagacha qurilmalarni ulash imkonini beradi. Simsiz echimlar narxini doimiy ravishda pasaytirish, ularning ishlash parametrlarini oshirish telemetriya ma'lumotlarini yig'ish, masofaviy diagnostika va ma'lumot almashish tizimlarida simli echimlardan asta-sekin yo'nalishni o'zgartirishga imkon beradi. "Sezgi tarmog'i" bugungi kunda yaxshi tasdiqlangan atamadir. Sensor tarmoqlari), qarovsiz va maxsus qurilmalarni o'rnatishni talab qilmaydigan alohida elementlarning taqsimlangan, o'z-o'zini tashkil etuvchi, nosozliklarga chidamli tarmog'ini bildiradi. Sensor tarmog'ining har bir tugunida tashqi muhitni kuzatish uchun turli xil sensorlar, mikrokompyuter va radio qabul qiluvchi bo'lishi mumkin. Bu qurilmaga o'lchovlarni amalga oshirish, dastlabki ma'lumotlarni qayta ishlashni mustaqil ravishda amalga oshirish va tashqi axborot tizimi bilan aloqani ta'minlash imkonini beradi.
802.15.4/ZigBee "Sensor tarmoqlari" deb nomlanuvchi qisqa masofali radio texnologiyasi WSN - Simsiz sensorlar tarmog'i), o'z-o'zini tashkil etuvchi xatolarga chidamlilikni rivojlantirishning zamonaviy yo'nalishlaridan biridir taqsimlangan tizimlar resurslar va jarayonlarni kuzatish va boshqarish. Bugungi kunda simsiz sensor tarmog'i texnologiyasi sensorlarning ishlash muddati uchun muhim bo'lgan monitoring va nazorat vazifalarini hal qila oladigan yagona simsiz texnologiyadir. Simsiz sensorlar tarmog'iga birlashtirilgan sensorlar ma'lumotlarni yig'ish, qayta ishlash va uzatish uchun hududiy taqsimlangan o'zini o'zi tashkil qilish tizimini tashkil qiladi. Qo'llashning asosiy sohasi - jismoniy muhit va ob'ektlarning o'lchangan parametrlarini nazorat qilish va monitoring qilish.
Qabul qilingan IEEE 802.15.4 standarti simsiz kanalga kirishni boshqarish va past tezlikdagi simsiz shaxsiy tarmoq tarmoqlari uchun jismoniy qatlamni, ya'ni OSI tarmoq modeliga muvofiq ikkita pastki qatlamni tavsiflaydi. "Klassik" sensor tarmog'i arxitekturasi odatda RC2200AT-SPPIO tugunini o'z ichiga olgan odatiy tugunga asoslangan:
Oddiy tugun uch turdagi qurilmalar bilan ifodalanishi mumkin:
Hozirgi vaqtda simsiz sensorli tarmoqlar texnologiyasi jadal rivojlanmoqda. Simsiz sensor tarmoqlari - bu simsiz ma'lumot almashinadigan alohida elementlarning ishdan chiqishiga chidamli bo'lgan o'z-o'zini tashkil qiluvchi tarmoqlar. Tarmoqning har bir elementida avtonom quvvat manbai, mikrokompyuter, qabul qiluvchi/uzatuvchi mavjud. Tarmoqning qamrov maydoni modul va antenna turiga, shuningdek, xabarlarni bir elementdan ikkinchisiga o'tkazish qobiliyatiga qarab bir necha metrdan bir necha kilometrgacha bo'lishi mumkin. Ikki so'nggi qurilma o'rtasida ma'lumotlar almashinuvi, agar ushbu qurilmalarning ishlash diapazoni ularni o'zaro aniqlashga imkon bermasa, takrorlagich orqali amalga oshirilishi mumkin. Shunday qilib, qisqa masofaga ega qurilmalar takrorlash tizimi yordamida bir-biri bilan aloqa qilishlari mumkin.
Kam quvvatli simsiz tarmoqlar uchun quyidagi asosiy standartlar mavjud:
simsiz sensorli tarmoq uzatish
1 .2.2 Sensor tarmoqlarini qo'llash
Odatda, WSS sensorlar bilan jihozlangan qurilmalardan ma'lumotlarni to'plash uchun ishlatiladi: harorat, namlik, yorug'lik, ya'ni monitoring. Masalan, tibbiyotda bemorlarni kuzatish uchun miniatyura datchiklaridan foydalanish mumkin. Bemor o'zi bilan olib yuradigan asboblar hayotiy organlarning ishlashini kuzatishi va har qanday xavfli vaziyatlarda shifokorga xabar berishi mumkin.
Qurilmalarning kichik o'lchamlari nafaqat bemorning "yuzaki" kuzatuvlarini, balki insonning ichki organlarini ham tekshirishga imkon beradi. Shunday qilib, davlat shifoxonalarida, poliklinikalarda gastroskopiya o'tkazishda gastroskopik naychali maxsus apparatlar qo'llaniladi, ammo hamma bemorlar uni yuta olmaydi. Bunday tadqiqotlar uchun planshetlar ko'rinishidagi qurilmalar allaqachon bozorda mavjud. Batareya bilan ishlaydigan ushbu qurilmalar 24 soat davomida uzluksiz ishlash uchun etarli quvvatga ega va o'qishlarni shu vaqt ichida bemor o'zlari bilan olib yuradigan boshqa qurilmaga yuboradi. Shundan so'ng shifokor natijalarni tahlil qilishi va aniq tashxis qo'yishi mumkin.
Datchiklar odam xonaga kirganda avtomatik ravishda yoritishni yoqish uchun ishlatilishi mumkin, ba'zi qurilmalarni boshqarish uchun ishlatiladi ("aqlli uy" tizimida).
Ba'zan kabellarni yotqizish qiyin bo'lgan har qanday ob'ektlarning harakatchanligini yoki yo'q qilinishini kuzatish talab qilinadi. Buning uchun, yana, sensorli tarmoqlardan foydalanish foydaliroq, chunki sensorlar avtonom quvvat manbaiga ega va ular simsizdir.
Shuningdek, simsiz sensorli tarmoqlar texnologiyasi ovozli ma'lumotlarni uzatish uchun ishlatilishi mumkin - interkom tizimi, kam quvvat sarfi bilan multimedia tizimi.
Simsiz texnologiyalar va ular asosida yaratilgan telekommunikatsiya tarmoqlari bir qator mashhur afzalliklarga ega, jumladan, moslashuvchan arxitektura va past o'rnatish xarajatlari. Hozirgi vaqtda iste'mol bozorida ommaviy va eng ko'p talab qilinadigan simsiz aloqa tizimlari orasida tizimlar mavjud uyali aloqa, WiFi va Bluetooth. Ularning har biri diapazoni va uzatish tezligi, ish chastotasi diapazoni, funksionalligi va ko'lami, shuningdek, ular asosida joylashtirilgan telekommunikatsiya tarmoqlarining arxitekturasi va strukturaviy xususiyatlarini aniqlaydigan boshqa xususiyatlar bilan tavsiflanadi (3-rasm). Arxitektura nuqtai nazaridan, WSN va klassik telekommunikatsiya radio tarmoqlari o'rtasidagi asosiy farq kichik hajmdagi telemetrik ma'lumotlarni o'rta masofalarga (10-100 m) uzatish uchun tarmoqdagi ko'p sonli subminiatyurali aqlli datchiklardan foydalanish hisoblanadi.
Guruch. 3. Massa simsiz tizimlar radio orqali ma'lumot uzatish
Operatsion nuqtai nazardan, WSN ning asosiy ajralib turadigan xususiyatlari - bu sensorlar harakati, avtonom elektr ta'minoti va tarmoq tugunlariga o'rnatilgan mikroprotsessorlar, xotira, qabul qiluvchilar va boshqa mikroelektronik komponentlarning energiya iste'moli va hisoblash ishlashidagi sezilarli cheklovlar tufayli tarmoq topologiyasidagi dinamik o'zgarishlar sharoitida barqaror ishlash talablari. Shu bilan birga, WSNning ishlash shartlari kichik hajmdagi ma'lumotlarni past tezlikda uzatishni ta'minlaydi. IEEE homiyligida simsiz aloqa orqali ob'ektlarni kuzatish va boshqarishning muayyan sohasidagi telekommunikatsiya bozorining talablarini hisobga olgan holda ( elektrotexnika va elektronika muhandislari instituti) 2003 yilda standart maqomini olgan rasmiy IEEE 802.15.4 spetsifikatsiyasi chiqarildi. Ishlab chiquvchilarning rejalariga ko'ra, yangi standart shunga o'xshash ulanish oralig'ini ta'minlashi kerak edi Wi-fi, lekin ayni paytda past ma'lumot uzatish tezligi tufayli kamroq quvvat sarfiga ega. Eng muhim vazifalar qatoriga, shuningdek, vaqt oralig'idan foydalangan holda real vaqt rejimida ishlashni ta'minlash, kirish to'qnashuvlarining oldini olish va tarmoq himoyasini har tomonlama qo'llab-quvvatlash kiradi. 802.15.4 ga mos keluvchi qurilmalar quvvat sarfini boshqarishi va havola sifatini nazorat qila olishi kerak. 2007 yil may oyidan boshlab Rossiyada 802.15.4 qurilmalari sertifikatlangan bo'lib, ularning radiatsiya quvvati ochiq joylarda 10 mVt dan, bino ichida esa 100 mVt dan oshmaydi.
802.15.4 hujjati ikkita pastki qatlamni belgilaydi etti qatlamli tarmoq modeli OSI: jismoniy ( PHY) va kanal ( MAC). Jismoniy qatlam ma'lumotlarni uzatish usulini, aloqa interfeysini, apparat xususiyatlari va tarmoqni qurish uchun zarur bo'lgan parametrlarni belgilaydi. Amalda, jismoniy qatlam qabul qiluvchining ishlashini nazorat qiladi, kanallarni tanlaydi, signallarni boshqaradi va quvvat darajalarini uzatadi.
802.15.4 standartining spetsifikatsiyasiga muvofiq, 27 ta kanal uchta chastota diapazonida ma'lumotlar almashinuvi uchun jismoniy darajada ajratilgan: 868 MGts, 910 MGts, 2,4 GGts, bu standartni dunyoning aksariyat mamlakatlarida litsenziyalanmagan chastota diapazonlarida ishlatish imkonini beradi (4-rasm). Hududda Rossiya Federatsiyasi faqat 2,4 gigagertsli diapazondan foydalanish mumkin. Ushbu diapazonda kengligi 5 MGts bo'lgan 16 ta kanal quyidagi ifodaga muvofiq hisoblangan tashuvchi chastotalari bilan belgilanadi:
Fc = 2405 + 5 (k - 1) MGts, k = 1,16.
Guruch. 4. 802.15.4 jismoniy qatlam chastota diapazonlari.
802.15.4 standartining birinchi versiyasi keng polosali to'g'ridan-to'g'ri yoyilgan modulyatsiyaga ega ikkita jismoniy qatlamni aniqladi. DSSS (to'g'ridan-to'g'ri ketma-ketlikning tarqalishi spektri): birinchisi - mos ravishda 20 va 40 kbps uzatish tezligi bilan 868/915 MGts diapazonida, ikkinchisi - 250 kbit / s tezlikda 2450 MGts diapazonida. 2006 yilda 868/915 MGts da ruxsat etilgan ma'lumotlar tezligi 100 va 250 kbps ga oshirildi. Bundan tashqari, modulyatsiya usuliga qarab to'rtta fizik qatlam spetsifikatsiyasi aniqlandi: keng polosali DSSS modulyatsiyasini saqlab turganda, 868/915 MGts diapazonida ham ikkilik, ham to'rtburchak fazani almashtirishdan foydalanish mumkin ( QPSK - Kvadrat fazali siljish kaliti). 2007 yildan beri IEEE 802.15.4a standarti versiyasida ultra keng polosali radio texnologiyasiga ega qatlamni kiritish orqali jismoniy qatlamlar soni oltitaga ko'tarildi. Ultra keng tarmoqli (UWB) yuqori tezlikda ma'lumotlarni uzatish uchun , shuningdek, radio texnologiyasi bilan darajadagi texnik xususiyatlar Chirp Spread Spektr (CSS), chiziqli chastotali modulyatsiya usuli bilan chastota spektrini kengaytirishga asoslangan. Jismoniy qatlam UWB uchta diapazonda ajratilgan chastotalar bilan belgilanadi: 1 gigagertsdan past, 3-5 gigagerts va 6-10 gigagerts, va css litsenziyalanmagan diapazonning 2450 MGts diapazonida ajratilgan spektr ISM. 2009 yilda IEEE 802.15.4c va IEEE 802.15.4d standartlarining versiyalari mavjud chastota diapazonlarini kengaytirdi. Ushbu spetsifikatsiyalar fizik darajada to'rtburchak fazali o'tish tugmasi bilan qabul qiluvchi-uzatuvchilardan foydalanish imkoniyatini aniqlaydi ( Kvadrat fazali siljish kaliti, QPSK) yoki yuqori tartibli fazali siljish kaliti bilan ( M-PSK) 780 MGts chastotada va 950 MGts chastotada - Gauss chastotasini almashtirish tugmasi ( Gauss chastotasini almashtirish tugmasi, GFSK) yoki ikkilik fazani almashtirish tugmasi ( Ikkilik fazani almashtirish tugmasi, BPSK). Bundan tashqari, 2009 yilda IEEE 802.15.4d tadqiqot guruhi spetsifikatsiyalarga Xitoyda yangi kashf etilgan 314-316 MGts, 430-434 MGts va 779-787 MGts diapazonlarini kiritdi va mavjud 802.15.4-2095 diapazonini qo'llab-quvvatlash uchun Yaponiyada mavjud 802.15.4-2905 diapazoniga tuzatish kiritdi.
Bog'lanish qatlamida IEEE 802.15.4 spetsifikatsiya standarti ma'lumotlar bo'laklari (ramkalari) shakllanishini ta'minlash, xatolarni tekshirish va tuzatish, tarmoq qatlamiga freymlarni jo'natish uchun jismoniy qatlamda tarmoq elementlarining o'zaro ta'siri mexanizmlarini belgilaydi. Bunday holda, MAC pastki qavati ( ommaviy axborot vositalariga kirishni boshqarish) havola qatlami vaqtni taqsimlash bilan jismoniy muhitga bir nechta kirishni tartibga soladi, qabul qiluvchi aloqalarni boshqaradi va xavfsizlikni ta'minlaydi.
IEEE 802.15.4 AES 128 shifrlashni qo'llab-quvvatlagan holda ikki tomonlama yarim dupleks ma'lumotlarni uzatishni ta'minlaydi. Kanalga kirish printsipiga asoslanadi. To'qnashuvdan qochish bilan Carrier Sense bir nechta kirish (CSMA/CA) - To'qnashuvdan qochish bilan Carrier Sense bir nechta kirish. CSMA/CA tashuvchi chastotasini tinglash tamoyilidan foydalanadigan tarmoq protokoli. Ma'lumot yuborishga tayyor qurilma yuborilmoqda tiqilinch signali ( tirbandlik signali) va eshittirishni tinglaydi. Agar "begona" topilsa tiqilish signali, keyin transmitter tasodifiy vaqt oralig'ida "uxlab qoladi" va keyin yana ramkani uzatishni boshlashga harakat qiladi. Shunday qilib, uzatish faqat bitta qurilmadan kelib chiqishi mumkin, bu tarmoq ish faoliyatini yaxshilaydi. Bunday holda, ma'lumotlar nisbatan kichik paketlarda uzatiladi, bu WSNda boshqaruv va monitoring signallarining trafigiga xosdir. Standartning muhim xususiyati xabarlarni yetkazib berishning majburiy tasdiqlanishi hisoblanadi.
IEEE 802.15.4 standarti bo'yicha tarmoqqa ulangan qurilmalarning o'ziga xos xususiyati bu rejimda uzatish va ulanishni ta'minlash uchun ma'lumot yo'q bo'lganda qabul qiluvchining "uyqu" rejimiga o'tishi tufayli kam quvvat sarfi. Standartni ishlab chiqishda asosiy e'tibor konfiguratsiya va qayta konfiguratsiya jarayonlarining tezligiga qaratildi. Xususan, qabul qiluvchining faol holatga o'tishi taxminan 10-15 ms davom etadi va yangi qurilmalarni tarmoqqa ulash - 30 ms dan. Shu bilan birga, qurilmalarni qayta konfiguratsiya qilish va ulash davomiyligi routerlarning tarmoqqa "tinglash" doimiyligiga bog'liq.
Tarmoq tugunlarining turlari. Standart tarmoq tugunlarining ikki turini belgilaydi: to'liq xususiyatli qurilma FFD (to'liq ishlaydigan qurilma), ishni muvofiqlashtirish funktsiyasini ham, tarmoq parametrlarini o'rnatishni ham amalga oshirishi va odatiy tugun rejimida ishlashi mumkin; cheklangan funksiyaga ega qurilma RFD (qisqartirilgan funksiyali qurilma), faqat to'liq xususiyatli qurilmalar bilan muloqot qilish qobiliyatiga ega. Har bir tarmoq kamida bitta bo'lishi kerak FFD, koordinator funktsiyasini amalga oshiradi. Har bir qurilma 64-bitli identifikatorga ega, lekin baʼzi hollarda cheklangan hududdagi ulanishlar uchun qisqa 16-bitli identifikatordan foydalanish mumkin. shaxsiy tarmoq PAN (shaxsiy tarmoq).
Tarmoq topologiyalari. Bog'lanish darajasida IEEE 802.15.4 standarti tarmoq topologiyasini yaratish bo'yicha umumiy tavsiyalarni beradi. Tarmoqlar peer-to-peer bo'lishi mumkin P2P (tengdoshga, nuqtadan nuqtaga), yoki yulduz topologiyasiga ega. Strukturaga asoslangan P2P faqat tugun juftlari orasidagi aloqa masofasi bilan chegaralangan o'zboshimchalik bilan bog'lanish tuzilmalari tuzilishi mumkin. Shuni inobatga olgan holda, WSN topologik tuzilishining turli xil variantlari, xususan, klasterlarning "daraxtlari" - tuzilma bo'lishi mumkin. rfd,"daraxt barglari" bo'lish faqat bitta bilan bog'liq FFD, va tarmoqdagi tugunlarning aksariyati FFD. Har bir klaster uchun mahalliy koordinatorga ega bo'lgan va global tarmoq koordinatorini o'z ichiga olgan klaster "daraxtlari" asosida shakllangan tarmoq topologiyasi ham mumkin.
Guruch. 5. IEEE 802.15.4 tarmoq topologiyasi imkoniyatlari
Standart shuningdek, koordinator ( FFD) tarmoq, albatta, shakllangan shaxsiy tarmoqning markaziy tuguni bo'lishi kerak ( PAN) noyob identifikator bilan. Shundan so'ng, shunga o'xshash topologiyaga ega bo'lgan boshqa tarmoqlardan butunlay mustaqil bo'lgan tarmoqqa boshqa qurilmalar qo'shilishi mumkin.
802.15.4 standarti OSI tarmoq modelining ikkita pastki qatlamini yuqori qatlamlarga qo'yiladigan talablarni va ularning muvofiqligi shartlarini ko'rsatmasdan tavsiflaydi. Ushbu muammolarni hal qilish maxsus aloqa protokollarini ishlab chiqishni talab qildi. Eng mashhurlari alyans protokollaridir ZigBee, 2002 yilda infokommunikatsion tizimlar uchun dasturiy va texnik vositalarni ishlab chiqishga ixtisoslashgan dunyodagi eng yirik kompaniyalar tomonidan tashkil etilgan. Alyansning ikki yuzdan ortiq a'zolari orasida ZigBee texnologiyalar va ishlab chiqarishni ilgari surish bo'yicha ishlarni muvofiqlashtirish texnik vositalar simsiz sensorli tarmoqlar uchun - Texas Instruments, Motorola, Philips, IBM, Ember, Samsung, NEC, Freescale Semiconductor, LG, OKI va boshqalar. Korporatsiya intel, ittifoq aʼzosi boʻlmasa ham zigbi, faoliyatini faol qo‘llab-quvvatlaydi. ZigBee 2004 yilda simsiz sensorli tarmoqlar uchun protokollarning to'liq to'plamini o'z ichiga olgan standart ishlab chiqilgan va ratifikatsiya qilingan. Standart ZigBee IEEE 802.15.4 standartiga asoslangan bo'lib, u kam quvvatli simsiz ma'lumotlar tarmoqlari uchun faqat jismoniy qatlam va mediaga kirish qatlamini tavsiflaydi. Aksincha, hujjat Zigbi tarmoqni boshqarish jarayonlari, moslik va qurilma profillari tavsifini o'z ichiga oladi va axborot xavfsizligi, (6-rasm). Tarmoq darajasida ZigBee marshrutlash va tarmoqning mantiqiy topologiyasini shakllantirish mexanizmlari aniqlanadi.
6-rasm. 802.15.4 va ZigBee protokoli stek konfiguratsiyasi
802.15.4 /ZigBee standartlariga qo'shimcha ravishda, IEEE 802.15.4 - 2005 asosidagi boshqa simsiz aloqa standartlari spetsifikatsiyalari, xususan, WSN yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Simsiz HART Va ISA100. Biroq, hozirda simsiz sensorli tarmoq texnologiyalari sohasida ZigBee bozorda to'liq mos keluvchi apparat va dasturiy ta'minot bilan eng ko'p quvvatlangan standartdir. Bundan tashqari, protokollar ZigBee tarmoq qurilmalarini uyquga ruxsat berish b O ko'pincha, bu batareya manbalaridan quvvat olishda tugunlarning ishlash muddatini sezilarli darajada oshiradi. FSUda asoslangan ZigBee qo'llab-quvvatlanadigan rejim "qurilma profillari" yoki uchun profillar turli sensorlar, ular protokollar stek darajasida mos keladi va tarmoqqa ulanishi, ma'lumotlarni uzatishi, qabul qilishi va uzatishi mumkin. Shu bilan birga, faqat u mo'ljallangan qurilma bu ma'lumotni "tushunadi".
Hozirgi vaqtda juda ko'p turli xil narsalar mavjud ZigBee- IEEE 802.15.4 qabul qiluvchi IC-dan tortib o'rnatilgan tarmoq stek dasturiy ta'minotiga ega tayyor OEM modullarigacha bo'lgan mahsulotlar ZigBee. Barcha standart qurilmalar ZigBee murakkablik darajasiga qarab, ular uchta sinfga bo'linadi, eng yuqori sinf - koordinator - tarmoqni shakllantirish jarayonini boshqaradi, uning topologiyasi bo'yicha ma'lumotlarni saqlaydi va barcha WSN sensorlaridan to'plangan ma'lumotlarni keyingi qayta ishlash uchun uzatish uchun shlyuz bo'lib xizmat qiladi. Tarmoq odatda bittadan foydalanadi PAN koordinatori. O'rtacha murakkablikdagi qurilma - marshrutizator - xabarlarni uzatish, barcha tarmoq topologiyalarini qo'llab-quvvatlash, shuningdek, klaster koordinatori vazifasini bajarishga qodir. Va nihoyat, eng oddiy qurilma - oddiy tugun - faqat eng yaqin routerga ma'lumotlarni uzatishga qodir.
Shunday qilib, standart ZigBee marshrutizatorlar orqali klasterlarda birlashtirilgan oddiy tugunlardan tuzilgan klaster arxitekturasiga ega tarmoqni qo'llab-quvvatlaydi (7-rasm). Klaster marshrutizatorlari qurilmalardan sensorli ma'lumotlarni so'raydi va ularni bir-biriga uzatib, odatda u bilan bog'langan koordinatorga uzatadi. IP-tarmoq, bu yerda ma'lumotlarni to'plash va yakuniy qayta ishlash uchun yuboradi.
Guruch. 7. Oddiy tarmoq topologiyasi ZigBee
Net ZigBee o'z-o'zini tashkil qiladi, ya'ni barcha tugunlar ma'lumotlarni etkazib berish yo'nalishlarini mustaqil ravishda aniqlash va sozlash imkoniyatiga ega. Ma'lumotlar zanjir bo'ylab bir tugundan ikkinchisiga radio uzatgichlar yordamida uzatiladi va natijada shlyuzga eng yaqin tugunlar barcha to'plangan ma'lumotlarni shlyuzga qaytaradi. Ushbu ma'lumotlar sensorli sensorlardan o'qilgan ma'lumotlarni, shuningdek, qurilmalar holati va ma'lumotlarni uzatish jarayoni natijalari haqidagi ma'lumotlarni o'z ichiga oladi. Ba'zi qurilmalar ishlamay qolsa, qayta konfiguratsiyadan keyin sensor tarmog'ining ishlashi davom etishi kerak. Simsiz tugunlar maxsus dastur nazorati ostida ishlaydi. Odatda, barcha sensorli tarmoq tugunlari ularning funksionalligi va tarmoq protokollarining bajarilishini ta'minlaydigan bir xil boshqaruv dasturidan foydalanadi.
Shunday qilib, standart ZigBee yetti darajadagi to'plamni to'liq tavsiflovchi WSN texnologiyalari sohasida amalda yagona standartdir klassik sxema ochiq tizimlarning o'zaro ta'siri ( OSI) va ayni paytda eng ko'p to'liq mos keluvchi apparat va dasturiy mahsulotlar ishlab chiqarish bilan qo'llab-quvvatlanadi (8-rasm).
Yechimlarga asoslangan holda ZigBee Xususiy platformalar yordamida WSNni amalga oshirish imkoniyatlari (masalan, dan Sensicast, Millennial Net, Iris, Mia2, Telos, Chang tarmoqlari va hokazo) xususiy yoki IEEE 802.15.4 asosidagi qabul qiluvchi qurilmalardan foydalanadi. Xususiy platformalarning tarmoq to'plami xususiy algoritmlar va protokollarga asoslangan bo'lib, ular bir qator afzalliklarga ega. ZigBee, lekin turli ishlab chiqaruvchilarning echimlari o'rtasida moslikni ta'minlamang. Standartda ZigBee tarmoq umuman "klaster daraxti" shakliga ega va har xil turdagi qurilmalarni joylashtirishni rejalashtirishni talab qiladi ( FFD, RFD) tarmoqni loyihalash bosqichida. Shu bilan birga, tugunlarning aksariyati oxirgi qurilmalar bo'lib, xabarlarni uzata olmaydi, buning natijasida ularning har birining diapazonida kamida bitta yo'riqnoma tugunlari bo'lishi kerak. Bu turli sinflardagi qurilmalarning joylashishini optimallashtirishni talab qiladi.
WSN uchun tarmoq protokollarining o'ziga xosligi energiya samaradorligi muammolarini hal qilishni talab qiladi, chunki rejimda avtonom elektr ta'minoti batareyalardagi tarmoq tugunlari, minimal quvvat iste'moli tugunning vaqtinchalik manbasini aniqlaydi.
IN ZigBee eng kam quvvat iste'moli muhitga sinxronlashtirilgan kirish bilan erishiladi ( mayoq rejimi), ikkalasi uchun "uyqu" rejimini o'rnatishga imkon beradi, RFD(terminal) qurilmalari va FFD( routerlar). Murakkab tarmoq topologiyasi va ayniqsa tasodifiy trafikni yaratish bilan ommaviy axborot vositalariga kirish jadvalining optimal variantini amalga oshirish deyarli mumkin emas. Standartga muvofiq, algoritm bo'yicha bir nechta kirish texnologik jihatdan yanada rivojlangan. CSMA/CA. Biroq, ushbu rejimda barcha koordinatorlar doimo kanalni tinglash rejimida bo'lishi kerak va shuning uchun marshrutizatorlarni quvvatlantirish uchun statsionar elektr tarmog'i talab qilinadi. Bunday holda, faqat terminal qurilmalari avtonom manbalardan (batareyalar) ishlaydi, marshrutizatorlar esa va PAN- koordinator - elektr ta'minotidan.
Guruch. 8. protokollar to'plami ZigBee
WSN yaratish uchun bir qator xorijiy kompaniyalar energiya sarfini kamaytirish uchun xususiy texnik echimlar va o'zlarining tarmoq protokollari steklaridan, shu jumladan komponentlar darajasidagi echimlardan foydalanadilar. Transceiver chiplari, mikrokontrollerlar va simsiz modullarning boshqa tugunlarining texnik xususiyatlaridan tashqari, quvvat iste'moli tarmoq ilovasining ishlash rejimi va ma'lumotlar almashinuvi intensivligidan sezilarli darajada ta'sirlanadi. Intensiv ish aylanishi va almashinuvning past intensivligi bilan ish rejimlari mavjud. Intensiv ish aylanishiga ega bo'lgan ilovalarda energiya iste'molining asosiy ulushi havo interfeysiga to'g'ri keladi - paketlarni qabul qilish / uzatish, chastotani sinxronlashtirish va avtomatik sozlash. Bunday holda, trafikda uzun paketlar ustun bo'lgan taqdirda, qabul qiluvchining iste'moli ustunlik qiladi, qisqa paketlarni uzatishda esa, radio ishga tushirish sxemalari va chastotani avtomatik kalibrlash iste'moli birinchi o'ringa chiqadi. Trafik intensivligi past bo'lgan ilovalarda sensor chiplari, mikrokontrollerlar va qabul qiluvchilar uchun kam quvvatli rejimlarning mavjudligi va samaradorligi kabi ko'rsatkichlar rol o'ynay boshlaydi.
Oddiy simsiz tugun quvvat rejimi 9-rasmda ko'rsatilgan. Mutlaq qiymatlar 1 gigagertsdan kam diapazondagi qurilma uchun berilgan; 2,4 gigagertsli diapazondagi qurilmalar uchun iste'mol oqimlari taxminan ikki barobar yuqori bo'ladi.
Xususiy tarmoq protokoli stek yechimlarining namunasi kompaniya tomonidan ishlab chiqilgan Texas asboblari oddiy protokol SimpliciTI(10-rasm) ochiq manba. Protokol IEEE 802.15.4 standartidagi WSN uchun avtonom batareya quvvati va chip ustidagi tizimga asoslangan elektron komponentlar bazasi uchun mo'ljallangan (masalan, CC430, CC1110/2510) yoki kam quvvatli MSP430 seriyali kontrollerlar va har qanday qabul qiluvchilar kombinatsiyasiga asoslangan TI seriya MSP430 + CC1XXX/CC25XX. Protokol tarmoq tugunlarining uyqu rejimini qo'llab-quvvatlagan holda quvvat sarfini minimallashtirishni ta'minlaydi va WSNda turli xil ilovalar uchun ishlatilishi mumkin, jumladan: kirish datchiklari, yorug'lik, CO sensorlari, suv, gaz, elektr hisoblagichlari, ilovalar RFID faol teglar bilan va boshqalar.
Guruch. 9. Simsiz tugun quvvat profiliga misol
10-rasm. Protokol stekining tuzilishi SimpliciTI
WSN yaratish bo'yicha shaxsiy qarorning yana bir misoli masofaviy boshqarish qurilmalar taklif etiladi Texas asboblari protokol RemoTITM, mos keladigan simsiz qurilmalar tomonidan qo'llab-quvvatlanadi va spetsifikatsiyaga mos keladi ZigBee® RF4CE(11-rasm). Protokol RemoTI IEEE 802.15.4 standarti asosida tarmoq o'zaro ta'siri qatlami va asosiy boshqaruv buyruqlari to'plami qo'shilgan va quyidagilarni o'z ichiga oladi: bir nechta kanallarni qo'llab-quvvatlash; xavfsiz operatsiyalar; quvvatni tejash rejimlari; uchun oddiy qurilma yig'ish mexanizmi qo'shma ish.
Guruch. o'n bir. Protokol stekining tuzilishi RemoTI
Sensor tarmoqlari uchun asosiy talablarga javob beradigan eng mashhur platformalar orasida (kam quvvat iste'moli, uzoq ish vaqti, kam quvvatli qabul qiluvchilar va sensorlarning mavjudligi) quyidagilarni o'z ichiga olishi kerak: MicaZ, TelosB, Intel Mote 2. Ko'pgina ishlab chiqish kompaniyalari ushbu standartlarga javob beradigan uskunalar (montajlar, sensorlar) va dasturiy ta'minot ishlab chiqaradilar. Hozirgi vaqtda bir nechta kompaniyalar eng katta muvaffaqiyatlarga erishdilar, ular orasida ularning ishlanmalarining chuqurligi va to'liqligi ajralib turadi. Krossovka Va Sentilla.
Zamonaviy simsiz texnologiyalarga umumiy nuqtai
Sensor arxitekturasi
Sensorli sensor har qanday boshqa telekommunikatsiya tugunlari kabi apparat va dasturiy ta'minotdan iborat. Umuman olganda, sensor quyidagilardan iborat
quyi tizimlar: idrok etish, ma'lumotlarni qayta ishlash, monitoring, aloqa va elektr ta'minoti (1.1-rasm).
1.1-rasm - Sensorning umumiy arxitekturasi.
Idrok quyi tizimi odatda ma'lum statistik ma'lumotlarni to'playdigan analog qurilma va analog-raqamli konvertordan iborat. Ma'lumotlarni qayta ishlash quyi tizimi o'z ichiga oladi Markaziy protsessor va xotira, bu nafaqat sensor tomonidan yaratilgan ma'lumotlarni, balki aloqa quyi tizimining to'g'ri va to'liq ishlashi uchun zarur bo'lgan xizmat ma'lumotlarini ham saqlashga imkon beradi. Monitoring quyi tizimi sensorga namlik, harorat, bosim, magnit maydon, havo kimyosi va boshqalar kabi atrof-muhit ma'lumotlarini to'plash imkonini beradi. Shuningdek, sensorni giroskop, akselerometr bilan to'ldirish mumkin, bu esa joylashishni aniqlash tizimini yaratishga imkon beradi.
Simsiz aloqa va mikrochiplarni miniatyuralashtirish sohasidagi yutuqlar axborot va kompyuter texnologiyalarida yangi ufqlarni ochmoqda. Ko'p tarmoqli tarmoqlarga qo'shimcha ravishda, keyingi tugun energiya darajasi, ishonchliligi va shunga o'xshash xususiyatlarni tahlil qilish asosida tanlanadigan yanada murakkab marshrutlash protokollari mavjud. Simsiz sensor tarmog'ining tugunlari harakatga kelganda vaziyat yanada murakkablashadi - tarmoq topologiyasi dinamik bo'ladi.
Sensorni kichik o'lchamdagi (bir kub santimetrdan ko'p bo'lmagan) telekommunikatsiya qurilmasi sifatida amalga oshirish uchun ko'plab texnik jihatlarni hisobga olish kerak. Markaziy protsessorning chastotasi kamida 20 MGts, ovoz balandligi bo'lishi kerak tasodifiy kirish xotirasi kamida 4 KB, uzatish tezligi 20 Kbit / s dan kam emas. Uskunani optimallashtirish sensorning hajmini kamaytiradi, lekin uning narxini oshiradi. Operatsion tizim (OT) foydalanilayotgan CPU arxitekturasi uchun optimallashtirilgan bo'lishi kerak. Cheklangan resurslar va kichik xotira hajmi operatsion tizimni ROMga joylashtirishga yordam beradi. Hozirgi vaqtda ochiq kodli Tiny OS OS keng qo'llanilmoqda, bu sizga turli ishlab chiqaruvchilarning sensorlarini juda moslashuvchan boshqarish imkonini beradi. Tarmoq sohasida sensorlardagi cheklangan quvvat manbai sezilarli cheklovlarni qo'yadi
sensorli tarmoqlarda qo'llanilishi mumkin bo'lgan radiotexnologiyalardan foydalanish. Shuni ham ta'kidlash kerakki, markaziy protsessorning cheklangan ishlashi IP tarmoqlari uchun standart marshrutlash protokollaridan foydalanishga imkon bermaydi.
- optimal yo'l algoritmini hisoblashning yuqori murakkabligi protsessorni ortiqcha yuklaydi. Bugungi kunga kelib, sensorli tarmoqlar uchun ko'plab maxsus marshrutlash protokollari ishlab chiqilgan.
Sensor tarmoqlarida ma'lumotlarni uzatish texnologiyasini ishlab chiqish sensorlar tarmog'ini qurishning eng muhim vazifalaridan biridir, chunki uning o'ziga xos arxitektura va tizim xususiyatlari bir qator qat'iy cheklovlarni qo'ying, ular orasida quyidagilarni ta'kidlash kerak:
Cheklangan energiya zaxiralari, buning natijasida diapazon cheklangan;
Cheklangan protsessor unumdorligi;
Bir vaqtning o'zida ishlash katta raqam cheklangan makonda tugunlar;
Tugunlarning ekvivalentligi, mijoz-server arxitekturasi xarakterli kechikishlar tufayli qo'llanilmaydi;
Litsenziyasiz chastotalar spektrida ishlash;
Arzon.
Hozirgi vaqtda sensorli tarmoqlarni rivojlantirish men yuqorida aytib o'tgan IEEE 802.15.4 Zigbee standartiga asoslangan. Bundan tashqari, Zigbee Alliance ZigBee radiosiga kirish monitoring, zavod avtomatizatsiyasi, sensorlar, xavfsizlik, boshqaruv, maishiy texnika va boshqa ko'plab dasturlarda qo'llanilishini nazarda tutadi. Shunday qilib, sensorli tarmoq ilovalarini bir nechta asosiy toifalarga bo'lish mumkin:
Xavfsizlik, favqulodda vaziyatlar va harbiy operatsiyalar;
Tibbiyot va sog'liq;
Ob-havo, atrof-muhit va qishloq xo'jaligi;
Zavodlar, zavodlar, uylar, binolar;
Transport tizimlari va transport vositalari.
Yuqoridagi toifalarda sensor tarmoqlarini o'ziga xos qo'llash holatlarini ko'rib chiqaman. Sensor tarmoqlari, hech bo'lmaganda, quyidagi stsenariylarda ishlatilishi mumkin.
Sensor tarmoqlarini qo'llash
Simsiz sensorli tarmoqlar oson joylashtirish, o'z-o'zini tashkil qilish va xatolarga chidamlilikning o'ziga xos xususiyatlariga ega. Yangi ma'lumot yig'ish paradigmasi sifatida paydo bo'lgan simsiz sensorli tarmoqlar sog'liqni saqlash, atrof-muhit monitoringi, energiya, oziq-ovqat xavfsizligi va ishlab chiqarish bilan bog'liq keng ko'lamli maqsadlarda qo'llanildi.
So'nggi bir necha yil ichida sensorli tarmoqlarning haqiqiy bo'lishi uchun ko'plab shartlar mavjud edi. Berklidagi Motes, MITdagi uAMPS (Massachusets texnologiya institutida) va Raysdagi GNOMES kabi bir nechta sensor tugunlari prototiplari yaratilgan. Sensor tarmoqlarining asosiy funktsiyalari joylashishni aniqlash, aniqlash, kuzatish va aniqlashdir. Harbiy ilovalardan tashqari, oddiy funktsiyalarga asoslangan fuqarolik ilovalari ham mavjud bo'lib, ularni atrof-muhitni nazorat qilish, atrof-muhit monitoringi, sog'liqni saqlash va boshqa tijorat maqsadlarida ajratish mumkin.
ilovalar. Bundan tashqari, yaqinda Sibley Robomote nomli mobil datchikni yaratdi, u g‘ildiraklar bilan jihozlangan va maydon bo‘ylab harakatlana oladi.
Sensor tarmoqlarini fuqarolik ilovalari uchun ishlatishga birinchi urinishlardan biri sifatida Berkli va Intel tadqiqot laboratoriyasi 2002 yilning yozida Meyn shtatidagi Buyuk Duk orollarida bo'ron ko'rsatkichlarini kuzatish uchun Mote sensor tarmog'idan foydalangan. Datchiklarning uchdan ikki qismi Meyn qirg‘oqlarida real vaqt rejimida butunjahon tarmog‘ida (Internet) kerakli (foydali) ma’lumotlarni to‘plash uchun o‘rnatildi. Tizim 4 oydan ortiq vaqt davomida ishladi va ma'lumotlarni taqdim etdi
Olimlar yomon ob-havo sharoiti (qishda) tufayli orolni tark etganidan keyin 2 oy davomida. Ushbu yashash muhitini monitoring qilish ilovasi sensorli tarmoq ilovalarining muhim sinfidir. Eng muhimi, tarmoq sensorlari odamlar uchun noqulay bo'lgan xavfli muhitda ma'lumot to'plash imkoniyatiga ega. Monitoringni o'rganish jarayonida dizayn mezonlari ko'rib chiqildi, jumladan masofaviy kirish va ma'lumotlarni boshqarish imkoniyatiga ega sensor tizimini loyihalash, yaratish, yaratish. Talablarga erishish uchun ko'plab urinishlar qilindi, bu esa sensorli tarmoq tizimlarining prototipini ishlab chiqishga olib keldi. Berkli va Intel tadqiqot laboratoriyasi tomonidan qo'llaniladigan sensor tizimi, garchi ibtidoiy bo'lsa-da, qiziqarli atrof-muhit ma'lumotlarini to'plashda samarali bo'lgan va olimlarga muhim ma'lumotlarni taqdim etgan.
Sensor tarmoqlari kuzatish va bashorat qilish (taxmin qilish) sohasida ilovalarni topdi. Milliy ob-havo xizmati tomonidan simsiz sensorlar tarmog'i bilan ishlab chiqilgan real vaqt rejimida mahalliy baholashning avtomatlashtirilgan tizimi (ALERT) bunday dasturning jonli misolidir. Meteorologik/gidrologik bilan jihozlangan sensorli qurilmalar, bu sharoitda sensorlar odatda mahalliy ob-havoning suv sathi, harorat, shamol kabi bir nechta xususiyatlarini o'lchaydi. Ma'lumotlar bazaviy stantsiyadagi sensorlar orqali to'g'ridan-to'g'ri radio aloqasi (ko'rish chizig'i radio aloqasi) orqali uzatiladi. To'fon prognozi modeli ma'lumotlarni qayta ishlash va avtomatik ogohlantirishlarni chiqarish uchun moslashtirilgan. Tizim beradi muhim ma'lumotlar mamlakatning istalgan joyida yuzaga kelishi mumkin bo'lgan suv toshqini ehtimolini baholash uchun real vaqtda yog'ingarchilik va suv sathi. Hozirgi (hozirgi) ALERT tizimi AQShning G'arbiy sohilida o'rnatilgan va Kaliforniya va Arizonada suv toshqini haqida ogohlantirish uchun ishlatiladi.
So'nggi paytlarda sog'liqni saqlash sanoatida bemorlar va shifokorlar tomonidan glyukoza darajasini, saraton detektorlarini va hatto sun'iy organlarni kuzatish va kuzatish uchun ishlatiladigan sensorli tizimlar keng qo'llanildi. Olimlar inson tanasiga turli maqsadlarda biotibbiyot sensorlarini joylashtirish imkoniyatini taklif qilmoqdalar. Ushbu sensorlar tashqi ma'lumotni uzatadi kompyuter tizimi orqali simsiz interfeys. Bir nechta biotibbiyot sensorlari kasallikning diagnostikasi va davolashini aniqlash uchun ilovalar tizimiga birlashtirilgan. Biotibbiyot sensorlari tibbiy yordamning yanada ilg'or darajasidan dalolat beradi.
Simsiz sensor tarmoqlari va an'anaviy kompyuter o'rtasidagi asosiy farq va telefon tarmoqlari muayyan operator yoki provayderga tegishli bo'lgan doimiy infratuzilmaning yo'qligi. Sensor tarmog'idagi har bir foydalanuvchi terminali 1.2-rasmda ko'rsatilganidek, nafaqat oxirgi qurilma, balki tranzit tugun sifatida ham ishlash imkoniyatiga ega.
1.2-rasm - Tarmoq sensorlarini ulash misoli
