Архитектура типичной беспроводной сенсорной сети
Беспроводная сенсорная сеть - это распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Причем область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.
Одним из первых прототипов сенсорной сети можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. Технологии беспроводных сенсорных сетей стали активно развиваться сравнительно недавно - в середине 90-х годов. Однако лишь в начале XXI века развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешевую элементную базу. Современные беспроводные сети в основном базируются на стандарте ZigBee. Немалое количество отраслей и сегментов рынка (производство, различные виды транспорта, обеспечение жизнедеятельности, охрана), готовых для внедрения сенсорных сетей, и это количество непрерывно увеличивается . Тенденция обусловлена усложнением технологических процессов, развитием производства, расширяющимися потребностями частных лиц в сегментах безопасности, контроля ресурсов и использования товаро-материальных ценностей. С развитием полупроводниковых технологий появляются новые практические задачи и теоретические проблемы, связанные с применениями сенсорных сетей в промышленности, жилищно-коммунальном комплексе, домашних хозяйствах. Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров открывает новые области для применения систем телеметрии и контроля, такие как :
Следует отметить, что несмотря на длительную историю сенсорных сетей , концепция построения сенсорной сети окончательно не оформилась и не выразилась в определенные программно-аппаратные (платформенные) решения. Реализация сенсорных сетей на текущем этапе во многом зависит от конкретных требований индустриальной задачи. Архитектура, программно-аппаратная реализация находится на этапе интенсивного формирования технологии, что обращает внимание разработчиков с целью поиска технологической ниши будущих производителей .
Беспроводные сенсорные сети (WSN) состоят из миниатюрных вычислительных устройств - мотов, снабженных сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в заданном радиодиапазоне. Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети интеллектуальных датчиков среди других беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных, особенно когда речь идет о большом количестве соединенных между собой устройств, сенсорная сеть позволяет подключать до 65000 устройств. Постоянное снижение стоимости беспроводных решений, повышение их эксплуатационных параметров позволяют постепенно переориентироваться с проводных решений в системах сбора телеметрических данных, средств дистанционной диагностики, обмена информации. «Сенсорная сеть» является сегодня устоявшимся термином (англ. Sensor Networks ), обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных элементов сеть из необслуживаемых и не требующих специальной установки устройств . Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и радиоприемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.
Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «Сенсорные сети» (англ. WSN - Wireless Sensor Network ), является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами. Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени работы датчиков. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов .
Принятый стандарт IEEE 802.15.4 описывает контроль доступа к беспроводному каналу и физический уровень для низкоскоростных беспроводных персональных сетей, то есть два нижних уровня согласно сетевой модели OSI. «Классическая» архитектура сенсорной сети основана на типовом узле, который включает в себя , пример типового узла RC2200AT-SPPIO :
Типовой узел может быть представлен тремя типами устройств :
В настоящее время бурно развивается технология беспроводных сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети - это распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных элементов, обменивающихся информацией по беспроводной связи. Каждый элемент сети имеет автономный источник питания, микрокомпьютер, приемник/передатчик. Область покрытия сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров, в зависимости от типа модуля и антенны, а также за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Обмен данными между двумя конечными устройствами может осуществляться через ретранслятор, в том случае, если дальность работы этих устройств не позволяет их взаимное обнаружение. Таким образом, устройства с малым радиусом действия с помощью системы ретрансляторов могут общаться друг с другом.
Выделяют следующие основные стандарты для маломощных беспроводных сетей:
беспроводный сенсорный сеть передача
1 .2.2 Применение сенсорных сетей
Обычно БСС применяется для сбора данных с устройств, оснащенных сенсорами: датчиком температуры, влажности, освещения, то есть мониторинга. Например, миниатюрные сенсоры могут быть использованы в медицине для наблюдения за пациентами. Устройства, которые пациент носит с собой, могут контролировать работу жизненно важных органов и в случае каких-то опасных ситуаций сообщать врачу.
Небольшие размеры устройств позволяют проводить не только «поверхностные» наблюдения за пациентом, но и исследовать внутренние органы человека. Так при проведении гастроскопии в государственных больницах, поликлиниках применяют специальные аппарат, с гастроскопической трубкой, но не все пациенты могут её проглотить. На рынке уже существуют устройства в виде таблеток для проведения таких исследований. Эти устройства с батарейным питанием имеют запас энергии, достаточный того, чтобы непрерывно работать в течение 24 часов и отправлять показания другому устройству, которое пациент носит с собой в течение этого времени. После этого врач может анализировать полученные результаты и поставить точный диагноз.
Сенсоры могут использоваться для автоматического включения освещения, когда человек входит в комнату, использоваться для управления каких-нибудь устройств (в системе «умный дом»).
Иногда требуется следить за подвижностью или разрушением каких-либо объектов, где трудно проложить кабели. Для этого опять же выгоднее применить сенсорные сети, так как датчики имеют автономный источник питания и они беспроводные.
Также технология беспроводных сенсорных сетей может быть использована для передачи звуковых данных - в качестве домофонной системы, мультимедиа системы с низким энергопотреблением.
Беспроводные технологии и создаваемые на их основе телекоммуникационные сети обладают рядом общеизвестных преимуществ в числе которых гибкая архитектура и низкие затраты при монтаже. В настоящее время к числу массовых и наиболее востребованных на потребительском рынке систем беспроводной связи можно отнести системы сотовой связи, WiFi и Bluetooth. Каждая из них характеризуется дальностью и скоростью передачи, диапазоном рабочих частот, функциональными возможностями и сферой применения, а также другими характеристиками, определяющими архитектуру и структурные особенности развёртываемых на их основе телекоммуникационных сетей, (рис.3). В архитектурном аспекте главным отличием БСС от классических телекоммуникационных радиосетей является использование в сети большого числа сверхминиатюрных интеллектуальных датчиков для передачи небольших объёмов телеметрической информации на средние расстояния (10-100 м.).
Рис. 3. Массовые беспроводные системы передачи информации по радиоканалу
В эксплуатационном плане основными отличительными особенностями БСС являются требования устойчивого функционирования в условиях динамических изменений в топологии сети из-за перемещения сенсоров, автономное электропитание и существенные ограничения в энергопотреблении и вычислительной производительности встроенных в узлы сети микропроцессоров, памяти, трансиверов и других микроэлектронных компонентов. При этом в тоже время условия функционирования БСС предусматривают передачи небольших объемов информации с малой скоростью. Учитывая запросы рынка телекоммуникаций в специфической области мониторинга и управления объектами посредством беспроводной связи под эгидой IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) в 2003 году была выпущена официальная спецификация IEEE 802.15.4, получившая статус стандарта. По планам разработчиков, новый стандарт должен был обеспечить дальность соединения, сравнимую с WiFi , но при этом иметь меньшее энергопотребление за счёт низкой скорости передачи данных. В ряду важнейших задач также обеспечение работы в режиме реального времени с использованием временных слотов, предотвращение коллизий доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Совместимые со стандартом 802.15.4 устройства должны иметь возможность управления расходом электроэнергии и контроля качества соединений. С мая 2007 года в России сертифицированы устройства 802.15.4, мощность излучения которых не превышает 10 мВт на открытой местности и 100 мВт в помещении.
В документе 802.15.4 определены два нижних уровня семиуровневой сетевой модели OSI : физический (PHY) и канальный (MAC). Физический уровень определяет способ передачи данных, интерфейс организации связи, аппаратные особенности и параметры, необходимые для построения сети. На практике физический уровень управляет работой трансивера, выполняет выбор каналов, сигналов управления и уровня мощности передачи.
В соответствие со спецификацией стандарта 802.15.4 на физическом уровне под обмен данными зарезервированы 27 каналов в трёх частотных диапазонах: 868 МГц, 910 МГц, 2.4 ГГц, что позволяет использование стандарта в нелецензируемых в большинстве стран мира частотных полосах (рис.4). На территории Российской Федерации доступен к использованию только диапазон 2.4 ГГц. В данном диапазоне определены 16 каналов шириной 5 МГц с несущими частотами, вычисляемыми в соответствие с выражением:
Fc = 2405 + 5 (k - 1) МГц, k = 1,.16.
Рис. 4. Диапазоны частот физического уровня стандарта 802.15.4.
Первая версия стандарта 802.15.4 определяла два физических уровня с широкополосной модуляции с прямым расширением спектра DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): первый - в полосе 868/915 МГц со скоростью передачи соответственно 20 и 40 кбит/с, а второй - в полосе 2450 МГц со скоростью 250 кбит/с. В 2006 году допустимые скорости передачи данных на частотах 868/915 МГц были увеличены до 100 и 250 кбит/с. Кроме того, были определены четыре спецификации физического уровня в зависимости от метода модуляции: при сохранении широкополосной модуляции DSSS возможно использовании в диапазоне 868/915 МГц как двоичной, так и квадратурной фазовой манипуляции (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying). С 2007 года в версию стандарта IEEE 802.15.4a число физических уровней было увеличено до шести за счёт включения уровня с сверхширокополосной радиотехнологией Ultra WideBand (UWB) для высокоскоростной передачи данных, а также спецификации уровня с радиотехнологией Chirp Spread Spectrum (CSS), основанной на расширении частотного спектра методом линейной частотной модуляции. Физический уровень UWB определён выделенными частотами в трёх диапазонах: ниже 1 ГГц, 3-5 ГГц и 6-10 ГГц, а для CSS выделен спектр в полосе 2450 МГц нелицензируемого диапазона ISM . В 2009 году в версиях стандартов IEEE 802.15.4c и IEEE 802.15.4d были расширены доступные частотные диапазоны. Данные спецификации определяет возможность использования на физическом уровне приёмо-передающие устройства с квадратурной фазовой манипуляцией (Quadrature phase-shift keying, QPSK) или с фазовой манипуляцией более высоких порядков (M-PSK) на частоте 780 МГц, а на частоте 950 МГц - гауссовскую частотную манипуляцию (Gaussian frequency-shift keying, GFSK) или двоичную фазовую манипуляцию (Binary phase-shift keying, BPSK). Кроме этого исследовательская группа IEEE 802.15.4d в 2009 году включила в спецификации недавно открытые диапазоны 314-316 МГц, 430-434 МГц, и 779-787 МГц в Китае, и определила поправку к существующему стандарту 802.15.4-2006 в части поддержки диапазона 950-956 МГц в Японии.
На канальном уровне стандарт спецификация IEEE 802.15.4 определяет механизмы взаимодействия элементов сети на физическом уровне для обеспечения формирования фрагментов данных (кадров), проверки и исправления ошибок, и отправки кадров на сетевой уровень. При этом подуровень MAC (media access control ) канального уровня регулирует множественный доступ к физической среде с разделением по времени, управляет связями трасиверов и обеспечивает безопасность.
IEEE 802.15.4 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных, поддерживая при этом шифрование AES 128. Доступ к каналу основан на принципе Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance (CSMA/CA) - многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов". CSMA/CA - это сетевой протокол, в котором используется принцип прослушивания несущей частоты. Устройство, которое готово к передаче данных посылает jam signal (сигнал затора) и прослушивает эфир. Если обнаруживается "чужой" jam signal , то передатчик "засыпает" на случайный промежуток времени, а затем снова пробует начать передачу фрейма. Таким образом, передача может исходить только от одного устройства, что повышает производительность сети. При этом данные передаются относительно небольшими пакетами, что характерно для трафика сигналов управления и мониторинга в БСС. Важной особенностью стандарта является обязательное подтверждение доставки сообщений.
Особенностью устройств, объединённых в сеть по стандарту IEEE 802.15.4, является низкое энергопотребление за счёт перехода трансивера в режим "засыпания" при отсутствии данных для пересылки и сохранении подключения в этом режиме. При разработке стандарта, основной акцент делался на быстроту процессов конфигурирования и реконфигурирования. В частности, переход приемника в активное состояние длится порядка 10-15 мс, а подключение к сети новых устройств - от 30 мс. При этом длительность реконфигурации и подключения устройств зависит от постоянства "прослушивания" маршрутизаторами сети.
Типы узлов сети. Стандарт определяет два типа узлов сети: полнофункциональное устройство FFD (Fully Function Device), которое может реализовать как функцию координации работы и установки параметров сети, так и работать в режиме типового узла; устройство с ограниченным набором функций RFD (Reduced Function Device), обладающее только возможностью поддержания связи с полнофункциональными устройствами. В любой сети должен быть, по крайней мере, один FFD , реализующий функцию координатора. Каждое устройство имеет 64-битный идентификатор, но в некоторых случаях для ограниченной области может использоваться краткий 16-битный для соединений в персональной сети PAN (personal area network).
Топологии сети . На канальном уровне стандарте IEEE 802.15.4 приведены общие рекомендации к построению топологии сети. Сети могут быть одноранговыми P2P (peer-to-peer, point-to-point), либо иметь топологию "звезда". На основе структуры P2P могут формироваться произвольные структуры соединений, ограниченные лишь дальностью связи между парами узлов. С учётом этого возможны различные варианты топологической структуры БСС, в частности "дерево" кластеров - структура, в которой RFD, являясь "листьями дерева", связаны только с одним FFD , а большинство узлов в сети являются FFD . Возможна также ячеистая топология сети, сформированная на основе кластерных "деревьев" с локальным координатором для каждого кластера и содержащая глобальный сетевой координатор.
Рис. 5. Варианты топологии сетей стандарта IEEE 802.15.4
Стандартом поддерживается и более структурированная топология "звезда", в которой координатор (FFD) сети обязательно должен быть центральным узлом формируемой персональной сети (PAN) с уникальным идентификатором. После этого другие устройства могут присоединяться к сети, которая полностью независима от других сетей с аналогичной топологией.
Стандарт 802.15.4 описывает два нижних уровня сетевой модели OSI, не определяя требований к верхним уровням и условий их совместимости. Решения этих задач потребовало разработки специальные коммуникационные протоколов. Наиболее известными являются протоколы альянса ZigBee , которой был создан в 2002 году крупнейшими мировыми компаниями, специализирующимися в области разработки программно-аппаратных средств для инфокоммуникационных систем. В числе более чем двухсот членов альянса ZigBee , координирующих работы по продвижению технологий и производству технических средств для беспроводных сенсорных сетей - Texas Instruments, Motorola, Philips, IBM, Ember, Samsung, NEC, Freescale Semiconductor, LG, OKI и многие другие. Корпорация Intel, хотя не является членом альянса ZigBee, активно поддерживает его деятельность. ZigBee разработал и ратифицировал в 2004 году стандарт, включающий полный стек протоколов для беспроводных сенсорных сетей. Стандарт ZigBee базируется на стандарт IEEE 802.15.4, который описывает только физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных с низким энергопотреблением. В отличие от него документ ZigBee включает описание сетевых процессов управления, совместимости и профилей устройств, а также информационной безопасности, (рис.6). На сетевом уровне в ZigBee определены механизмы маршрутизации и формирования логической топологии сети.
Рис.6. Конфигурация стеков протоколов 802.15.4 и ZigBee
Помимо стандартов 802.15.4 /ZigBee для создания БСС могут использоваться спецификации других стандартов беспроводной связи основанных на IEEE 802.15.4 - 2005, в частности WirelessHART и ISA100 . Однако в настоящее время в области технологий беспроводных сенсорных сетей ZigBee является стандартом, в наибольшей степени подкреплённым представленными на рынке полностью совместимыми аппаратными и программными средствами. Кроме того протоколы ZigBee позволяют сетевым устройствам находиться в спящем режиме бо льшую часть времени, что существенно увеличивает ресурс работы узлов при питании от батарейных источников. В БСС на основе ZigBee поддерживается режим "профилей устройств" или профилей для различных датчиков, которые совместимы на уровне стека протокола и могут объединяться в сеть, передавать, принимать и ретранслировать информацию. В то же время "понимать" эту информацию будет только то устройство, для которого она предназначена.
В настоящее время, доступно достаточно большое количество различных ZigBee -продуктов, начиная от микросхем приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4 и заканчивая готовыми OEM-модулями со встроенным программным обеспечением сетевого стека ZigBee. Все устройства стандарта ZigBee в зависимости от уровня сложности подразделяются на три класса, высший из которых - координатор - управляет процессом формирования сети, хранит данные о её топологии и служит шлюзом для передачи данных собираемых от всех сенсоров БСС для их дальнейшей обработки. В сети, как правило, используется только один PAN-координатор. Среднее по сложности устройство - маршрутизатор - способен ретранслировать сообщения, поддерживать все топологии сети, а также выполнять функции координатора кластера. И, наконец, самое простое устройство - обычный узел - способен лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору.
Таким образом, стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис.7), сформированной из обычных узлов, объединённых в кластеры посредством маршрутизаторов. Маршрутизаторы кластеров запрашивают сенсорные данные от устройств и, ретранслируя, их друг другу, передают координатору, который обычно имеет связь с IP -сетью, куда и отправляет информацию для накопления и окончательной обработки.
Рис. 7. Типовая топология сети ZigBee
Сеть ZigBee является самоорганизующейся, то есть все узлы способны самостоятельно определять и корректировать маршруты доставки данных. Данные передаются с помощью радиопередатчиков от одних узлов к другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу узлы сбрасывают всю аккумулированную информацию на шлюз. Эта информация включает данные, считываемые с сенсорных датчиков, а также данные о состоянии устройств и результатах процесса передачи информации. В случае выхода части устройств из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжиться. Беспроводные узлы функционируют под управлением специального приложения. Обычно все узлы сенсорной сети используют одну и ту же управляющую программу, обеспечивающую их функциональность и выполнение сетевых протоколов.
Таким образом, стандарт ZigBee является практически единственным стандартом в области технологий БСС наиболее полно описывающим набор из семи уровней классической схемы взаимодействия открытых систем (OSI) и одновременно - в наибольшей степени подкрепленным наличием производства полностью совместимых аппаратных средств и программных продуктов (рис.8).
Помимо решений на основе ZigBee возможны варианты реализации БСС с использованием проприетарных платформ (например, от Sensicast, Millennial Net, Iris, Mia2, Telos , Dust Networks и т.д.), в которых используются либо собственные, либо основанные на стандарте IEEE 802.15.4 приемопередатчики. Сетевой стек проприетарных платформ реализован на базе патентованных алгоритмов и протоколов, которые обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с ZigBee , но не обеспечивают совместимости решений разных производителей. В стандарте ZigBee сеть в общем виде имеет вид "кластерного дерева" и требует планирования размещения устройств различного типа (FFD, RFD ) на этапе проектирования сети. При этом большинство узлов являются оконечными устройствами, неспособны ретранслировать сообщения, вследствие чего в радиусе действия каждого из них должен быть хотя бы один узел-маршрутизатор. Это требует оптимизации расположения устройств различного класса.
Специфика сетевых протоколов для БСС требует решения задач энергоэффективности, так как в режиме автономного питания узлов сети от батарей минимальное энергопотребление определяет временной ресурс работы узла.
В ZigBee наименьшее энергопотребление достигается при синхронизированном доступе к среде (beacon mode), позволяющем устанавливать "спящий" режим как для, RFD (оконечных) устройства, так и FFD (маршрутизаторы). При сложной топологии сети и особенно случайной по времени генерации трафика практически не возможно реализовать оптимальный вариант расписания доступа к среде. В соответствие со стандартом более технологичным является множественный доступ по алгоритму CSMA/CA . Однако в этом режиме все координаторы должны постоянно находиться в режиме прослушивания канала, в связи, с чем для электропитания маршрутизаторов необходима стационарная электросеть. В этом случае лишь оконечные устройства будут работать от автономных источников (батарей), а маршрутизаторы и PAN- координатор - от сети питания.
Рис. 8. Стек протоколов ZigBee
Рядом зарубежных компаний для создания БСС используются частные технические решения и собственные стеки сетевых протоколов для снижения энергопотребления, включая решения на уровне компонентов. Кроме технических характеристик микросхем приемопередатчиков, микроконтроллеров и других узлов беспроводных модулей на энергопотребление существенно влияет режим работы сетевого приложения и интенсивность обмена данными. Выделяют режимы работы с интенсивным рабочим циклом и с малой интенсивностью обмена. В приложениях с интенсивным рабочим циклом основная доля энергопотребления приходится на радиоинтерфейс - прием/передача пакетов, синхронизация и автоподстройка частоты. При этом в случае преобладания в трафике длинных пакетов доминирует потребление приемопередатчика, а в случае преимущественной передачи коротких пакетов на первый план выходит потребление схем инициализации радиочасти и автокалибровки частоты. В приложениях с малой интенсивностью обмена начинают играть роль такие показатели, как наличие и эффективность режимов пониженного энергопотребления микросхем датчиков, микроконтроллеров и приемопередатчиков.
Типичный профиль энергопотребления беспроводного узла представлен на рис.9. Абсолютные величины приведены для устройства диапазона менее 1 ГГц; для устройств диапазона 2,4 ГГц токи потребления будут примерно в два раза выше.
Примером собственных решений стека сетевых протоколов является разработанный компанией Texas Instruments несложный протокол SimpliciTI (рис.10) с открытым исходным кодом. Протокол предназначен для БСС стандарта IEEE 802.15.4 с автономным батарейным питанием и электронной компонентной базой на основе система-на-кристалле (например, CC430, CC1110/2510 ), или на основе связки низкопотребляющих контроллеров серии MSP430 и любого из приемопередатчиков TI серий MSP430 + CC1XXX/CC25XX. Протокол обеспечивает минимизацию энергопотребления с поддержкой спящего режима узлов сети и может использоваться в БСС для различных приложений, в том числе: датчики проникновения, света, СО-датчики счетчики воды, газа, электроэнергии, приложения RFID с активными метками и др.
Рис. 9. Пример профиля энергопотребления беспроводного узла
Рис.10. Структура стека протоколов SimpliciTI
Ещё одним примером частного решения по созданию БСС для дистанционного управления устройствами является предлагаемый Texas Instruments протокол RemoTITM , поддерживаемый соответствующими беспроводными устройствами и отвечающий спецификации ZigBee® RF4CE (рис.11). Протокол RemoTI основывается на стандарте IEEE 802.15.4 с добавлением к нему уровня сетевого взаимодействия и набора базовых команд управления и включает: поддержку нескольких каналов; безопасные транзакции; режимы энергосбережения; простой механизм объединения устройств для совместной работы.
Рис. 11. Структура стека протоколов RemoTI
К числу наиболее известных платформ, соответствующих основным базовым требованиям к сенсорным сетям (малая потребляемая мощность, длительное время работы, маломощные приемо-передатчики и наличие сенсоров) следует также отнести: MicaZ, TelosB, Intel Mote 2. Большинство компаний-разработчиков выпускает и оборудование (узлы, сенсоры) и программное обеспечение, соответствующие данным стандартам. В настоящее время наибольшего успеха добились несколько компаний, среди которых глубиной и законченностью своих разработок выделяются Crossbow и Sentilla .
Обзор современных беспроводных технологий
Архитектура сенсора
Сенсорный датчик состоит из аппаратной и программной части, как и любой другой телекоммуникационный узел. В общем случае сенсор состоит из следующих
подсистем: восприятие, обработки данных, мониторинга, коммуникационной и источника питания (Рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Общая архитектура сенсора.
Подсистема восприятия состоит, как правило, из аналогового устройства, снимающего определенную статистику и аналого-цифрового преобразователя. Подсистема обработки данных содержит в себе центральный процессор и память, позволяющие хранить не только генерируемые сенсором данные, но и служебную информацию, которая необходима для корректного и полноценного функционирования коммуникационной подсистемы. Подсистема мониторинга позволяет сенсору собирать данные об окружающей среде, такие как влажность, температура, давление, магнитное поле, химический анализ воздуха и т.д. Также сенсор может быть дополнен гироскопом, акселерометром, что даёт возможность для построения системы позиционирования.
Прогресс в области беспроводной связи и миниатюризация микросхем открывают новые горизонты в информационно-компьютерных технологиях. Помимо многошаговых сетей существуют более сложные протоколы маршрутизации, когда следующий узел выбирается на основе анализа его характеристик, например, уровень энергии, надежность и тому подобное. Ситуация усложняется в случае, когда узлы беспроводной сенсорной сети передвигаются – топология сети становится динамичной.
Для реализации сенсора как телекоммуникационного устройства малого размера (не более одного кубического сантиметра) необходимо учитывать многие технические аспекты. Частота центрального процессора должна быть не менее 20МГц, объем оперативной памяти не менее 4 КБ, скорость передачи не менее 20 Кбит/с. Оптимизация аппаратной части позволит снизить размеры сенсора, но повлечет за собой увеличение его цены. Операционную систему (ОС) необходимо оптимизировать с учетом архитектуры применяемого центрального процессора. Ограниченные ресурсы и малый размер памяти стимулируют размещение ОС в ПЗУ. В настоящее время широко распространена ОС с открытым кодом Tiny OS, позволяющая достаточно гибко управлять сенсорами разных производителей. В области сетевого взаимодействия, ограниченный источник питания в сенсорах накладывает существенные ограничения на
использование радиотехнологий, которые могут быть применены в сенсорных сетях. Также следует отметить, что ограниченная производительность центрального процессора не позволяет применение стандартных протоколов маршрутизации IP-сетей
– высокая сложность расчета алгоритма оптимального пути перегрузит центральный процессор. На сегодняшний день разработано большое количество специальных протоколов маршрутизации для сенсорных сетей.
Разработка технологии передачи данных в сенсорных сетях является одной из самых важных задач при построении сенсорной сети, так как её специфические архитектурные и системные характеристики накладывают целое множество жестких ограничений, среди которых следует подчеркнуть следующие:
Ограниченные запасы энергии, из-за чего радиус действия ограничен;
Ограниченная производительность процессора;
Одновременное функционирование большого количества узлов на ограниченном пространстве;
Равнозначность узлов, архитектура «клиент-сервер» не применима в связи с характерной для неё задержками;
Функционирование в нелицензируемом спектре частот;
Низкая стоимость.
Настоящее время разработка сенсорных сетей строится на стандарте IEEE 802.15.4 Zigbee, о котором я упомянала выше. Дополнительно отмечу, что альянсом Zigbee предполагается, что радиодоступ стандарта ZigBee будет применятся в таких приложениях, как мониторинг, автоматизация производства, сенсоры, безопасность, контроль, бытовая техника и многое другое. Таким образом, приложения сенсорных сетей можно разделить на несколько основных категорий:
Безопасность, чрезвычайные ситуации и военные операции;
Медицина и здоровье;
Погода, окружающая среда и сельское хозяйство;
Фабрики, заводы, дома, здания;
Транспортные системы и автомобили.
Рассмотрю случаи конкретного применения сенсорных сетей в вышеперечисленных категориях. Сенсорные сети могут, как минимум, использоваться в следующих сценариях.
Применение сенсорных сетей
Беспорводные сенсорные сети имеют уникальные характеристики легкого развертывания, самоорганизации и отказоустойчивости. Появившись как новая парадигма сбора информации, беспроводные сенсорные сети были использованы в широких целях связанных с охраной здоровья, контроль окружающей среды, енергии, безопасности пищевых продуктов и производства.
В течении последних нескольких лет, было много предпосылок того, что сенсорные сети станут реальными. Было создано несколько прототипов сенсорных нодов, включая Motes в Berkeley, uAMPS в MIT (в Массачусетском технологическом институте), и GNOMES в Rice. Элементарными функциями сенсорных сетей являются позиционирование, обнаружение, слежение и выявление. Кроме военных применений, также были гражданские применения, основанные на элементарных функциях, которые можно разделить на контроль среды обитания, наблюдение за окружающей средой, здравоохранения и других коммерческих
приложений. В добавок, Sibley недавно создали мобильный датчик, названный как Robomote, он оборудован колесиками и способен перемещаться по полю.
Качестве одной из первых попыток использования сенсорных сетей для гражданского применения, Berkeley and Intel Research Laboratory использовали сенсорную сеть Моте для контроля показаний штормов на Великих островах Duck, штат Мэн летом 2002 года. Две третьи сенсорных датчиков были установлены у берегов Мэн сбора необходимой (полезной) информации в реальном времени во всемирную путину (интернет). Система работала более 4 месяцев и снабжала данными
Течение 2 месяцев, после того как ученые покинули остров из-за плохих погодных условий (зимой). Это приложение мониторинга среды обитания представляет собой важный класс приложений сенсорных сетей. Самое важное, что сетевые сенсоры способны собирать информацию в опасных условиях, неблагоприятных для людей. В ходе мониторинговых исследований были рассмотрены критерии дизайна, включая дизайн создание, создание сенсорной системы с возможностью отдаленного доступа и управления данными. Были предприняты многочисленные попытки для достижения требований, что привело к развитию системы набора сенсорных датчиков (set of prototype sensor network systems). Сенсорная система, используемая Berkeley and Intel Research Laboratory, хоть и примитивная, но была эффективна в сборе интересных данных окружающей среды и обеспечила ученых важной информацией.
Сенсорные сети нашли применения в сфере наблюдения и предсказывания (предположения). Живой пример подобного применения является система Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT), разработанная Национальной Службой Погоды с беспроводной сетью сенсоров. Снабженные метеорологическими/гидрологическими сенсорными устройствами, сенсоры в данных условиях обычно измеряют несколько свойств местной погоды, таких как уровень воды, температуру, ветер. Данные передаются через прямую линию радиопередачи (line-of-sight radio communication) через сенсоры на базовой станции. Модель Прогноза Наводнений была приспособлена для обработки данных и выдачи автоматического предупреждения. Система обеспечивает важную информацию об осадках и уровне воды в реальном времени для оценки возможности потенциального наводнения в любой точке страны. Настоящая (текущая) система ALERT установлена по всему западному побережью США и используется для предупреждения наводнений в Калифорнии и Аризоне.
Последнее время, системы сенсоров интенсивно используются в сфере здравоохранения, применяемые пациентами и врачами для отслеживания и мониторинга уровня глюкозы, детекторов рака и даже искусственных органов. Ученые предполагают возможность имплантирования биомедицинских сенсоров в человеческое тело для разных целей. Эти сенсоры передают информацию на внешнюю компьютерную систему через беспроводной интерфейс. Несколько биомедицинских сенсоров объединены в систему приложений для определения диагноза и лечения болезни. Биомедицинские сенсоры предвещают более продвинутый уровень медицинской помощи.
Главным отличием беспроводных сенсорных сетей от традиционных компьютерных и телефонных сетей является отсутствие постоянной инфраструктуры, которая принадлежит определенному оператору или провайдеру. Каждый пользовательский терминал в сенсорной сети имеет возможность функционировать не только как оконечное устройство, но, так, же как и транзитный узел, как показано на Рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Пример подсоединения сенсоров сети
