ארכיטקטורת רשת חיישנים אלחוטית ויישומיה

כַּיוֹם, WSN (רשת חיישנים אלחוטיים) הוא השירותים הסטנדרטיים ביותר המועסקים ביישומים מסחריים ותעשייתיים, בגלל פיתוחו הטכני במעבד, בתקשורת ובשימוש בהספק נמוך במכשירי מחשוב משובצים. ארכיטקטורת רשת החיישנים האלחוטית בנויה עם צמתים המשמשים לתצפית על הסביבה כמו טמפרטורה, לחות, לחץ, מיקום, רטט, קול וכו '. ניתן להשתמש בצמתים ביישומים שונים בזמן אמת לביצוע משימות שונות כמו איתור חכם, גילוי של צמתים שכנים, עיבוד ואחסון נתונים, איסוף נתונים, מעקב יעד, פיקוח ושליטה, סנכרון, לוקליזציה של צומת וניתוב יעיל בין תחנת הבסיס לצמתים. נכון לעכשיו, רשתות WSN מתחילות להתארגן בשלב משופר. זה לא מביך לצפות שבעוד 10 עד 15 שנים העולם יהיה מוגן באמצעות רשתות WSN עם מנה ראשונה אליהם דרך האינטרנט. ניתן למדוד זאת כמו שהאינטרנט הופך ל- N / W פיזי. טכנולוגיה זו מרתקת עם פוטנציאל אינסופי לתחומי יישומים רבים כמו רפואה, סביבה, תחבורה, צבא, בידור, הגנת המולדת, ניהול משברים וגם מרחבים חכמים.

מהי רשת חיישנים אלחוטית?

אלחוטי רשת חיישנים היא סוג אחד של רשת אלחוטית זה כולל מספר גדול של מכשירים במחזור, מכוון עצמית, זעירים ונמוכים, המכונים צמתים חיישנים הנקראים מוטות. רשתות אלה בהחלט מכסות מספר עצום של מכשירים משובצים המופצים במרחב, קטנים, ומופעלים על ידי סוללות, אשר מרושתים לאיסוף, עיבוד והעברת נתונים לאופרטורים בקפידה, והיא שלטה ביכולות המחשוב והעיבוד. צמתים הם מחשבים זעירים, הפועלים במשותף ליצירת רשתות.

רשת חיישנים אלחוטית

צומת החיישן הוא מכשיר אלחוטי רב תפקודי וחסכוני באנרגיה. היישומים של מוטות בתעשייה נפוצים. אוסף של צמתים חיישנים אוסף את הנתונים מהסביבה כדי להשיג יעדי יישום ספציפיים. התקשורת בין המוטרים יכולה להיעשות זו עם זו באמצעות מקמ'שים. ברשת חיישנים אלחוטית, מספר המוטרים יכול להיות בסדר גודל של מאות / אפילו אלפים. בניגוד לחיישן n / ws, לרשתות אד הוק יהיו פחות צמתים ללא מבנה.

ארכיטקטורת רשת חיישנים אלחוטיים

ארכיטקטורת רשת החיישנים האלחוטית הנפוצה ביותר עוקבת אחר מודל הארכיטקטורה של OSI. הארכיטקטורה של ה- WSN כוללת חמש שכבות ושלוש שכבות צולבות. בעיקר בחיישן n / w, אנו דורשים חמש שכבות, כלומר יישום, תחבורה, n / w, קישור נתונים ושכבה פיזית. שלושת המישורים הצולבים הם כלומר ניהול כוח, ניהול ניידות וניהול משימות. שכבות אלה של ה- WSN משמשות להשגת n / w ולגרום לחיישנים לעבוד יחד על מנת להעלות את היעילות המלאה של הרשת. אנא עקוב אחר הקישור להלן סוגי רשתות חיישנים אלחוטיות וטופולוגיות WSN

סוגי ארכיטקטורות WSN

הארכיטקטורה המשמשת ב- WSN היא ארכיטקטורת רשת חיישנים. ארכיטקטורה מסוג זה רלוונטית במקומות שונים כגון בתי חולים, בתי ספר, כבישים, מבנים, כמו כן היא משמשת ביישומים שונים כגון ניהול אבטחה, ניהול אסונות וניהול משברים וכו '. ישנם שני סוגים של ארכיטקטורות המשמשות בחיישן אלחוטי. רשתות הכוללות את הדברים הבאים. ישנם שני סוגים של ארכיטקטורות חיישנים אלחוטיות: אדריכלות רשת בשכבות וארכיטקטורה מקובצת. אלה מוסברים להלן.

• אדריכלות רשת בשכבות
• ארכיטקטורת רשת מקובצת

אדריכלות רשת בשכבות

רשת מסוג זה משתמשת במאות צמתים חיישניים וכן בתחנת בסיס. כאן ניתן לבצע את סידור צמתי הרשת לשכבות קונצנטריות. הוא כולל חמש שכבות וכן 3 שכבות צולבות הכוללות את הבאים.

חמש השכבות בארכיטקטורה הן:

• שכבת היישום
• שכבת תחבורה
• שכבת רשת
• שכבת קישור נתונים
• שכבה פיזית

שלוש השכבות הצולבות כוללות את הדברים הבאים:

• מטוס ניהול כוח
• מטוס ניהול ניידות
• מטוס ניהול משימות

שלוש שכבות צולבות אלו משמשות בעיקר לשליטה ברשת וכן כדי לגרום לחיישנים לתפקד כאחד על מנת לשפר את יעילות הרשת הכוללת. להלן חמש שכבות WSN שהוזכרו לעיל.

ארכיטקטורת רשת חיישנים אלחוטיים

שכבת היישום

שכבת היישום אחראית על ניהול תעבורה ומציעה תוכנה עבור יישומים רבים הממירים את הנתונים בצורה ברורה כדי למצוא מידע חיובי. רשתות חיישנים מסודרות במספר יישומים בתחומים שונים כגון חקלאי, צבאי, סביבתי, רפואי וכו '.

שכבת תחבורה

תפקידה של שכבת התחבורה הוא לספק הימנעות מאמינות ואמינות כאשר פרוטוקולים רבים המיועדים להציע פונקציה זו הם מעשיים במעלה הזרם. פרוטוקולים אלה משתמשים במנגנונים שונים לזיהוי אובדן והתאוששות אובדן. שכבת התחבורה נחוצה בדיוק כאשר מתוכננת מערכת ליצור קשר עם רשתות אחרות.

מתן התאוששות מהפסד אמין יעיל יותר באנרגיה וזו אחת הסיבות העיקריות לכך ש- TCP אינו מתאים ל- WSN. באופן כללי, ניתן להפריד בין שכבות תחבורה למנהלות מנות, מונעות אירועים. ישנם כמה פרוטוקולים פופולאריים בשכבת התחבורה, כלומר STCP (פרוטוקול בקרת שידור חיישנים), PORT (פרוטוקול תחבורה אמין ממוקד מחירים ו- PSFQ (משאבה מהירה איטית)

שכבת רשת

הפונקציה העיקרית של שכבת הרשת היא ניתוב, יש לה הרבה משימות המבוססות על היישום, אך למעשה, המשימות העיקריות הן בחיסכון בחשמל, בזיכרון חלקי, במאגרים ובחיישן אין מזהה אוניברסלי וצריך להיות מאורגן בעצמו.

הרעיון הפשוט של פרוטוקול הניתוב הוא להסביר נתיב אמין ונתיבים מיותרים, על פי סולם משכנע הנקרא מדד, המשתנה מפרוטוקול לפרוטוקול. קיימים הרבה פרוטוקולים קיימים לשכבת רשת זו, ניתן להפרידם לניתוב שטוח ולניתוב היררכי או ניתן להפריד אותם בזמן מונחה, מונחה שאילתות ומונע אירועים.

שכבת קישור נתונים

שכבת קישור הנתונים אחראית לזיהוי מסגרות נתונים מרובבות, זרמי נתונים, MAC ובקרת שגיאות, מאשרים את האמינות של נקודת נקודה (או) נקודה - מרובת נקודות.

שכבה פיזית

השכבה הפיזית מספקת קצה להעברת זרם ביטים מעל המדיום הפיזי. שכבה זו אחראית לבחירת תדר, יצירת תדר מוביל, איתור אותות, אפנון והצפנת נתונים. IEEE 802.15.4 מוצע כאופייני לאזורים מסוימים בקצב נמוך ורשתות חיישנים אלחוטיות בעלות נמוכה, צריכת חשמל, צפיפות, טווח התקשורת לשיפור חיי הסוללה. CSMA / CA משמש לתמיכה בכוכבים וטופולוגיה של עמיתים לעמית. ישנן מספר גרסאות של IEEE 802.15.4.V.

היתרונות העיקריים של שימוש בארכיטקטורה מסוג זה ב- WSN הוא שכל צומת כרוך בפירוט שידורים בעלי הספק נמוך יותר למרחקים פחות לצמתים הסמוכים שבגללם ניצול ההספק נמוך בהשוואה לסוגים אחרים של ארכיטקטורת רשת חיישנים. רשת מסוג זה ניתנת להרחבה וכן כוללת סובלנות גבוהה לתקלות.

ארכיטקטורת רשת מקובצת

בסוג זה של ארכיטקטורה, צמתים חיישניים בנפרד מתווספים לקבוצות המכונות אשכולות התלויים ב'פרוטוקול ליץ ''מכיוון שהוא משתמש באשכולות. המונח 'פרוטוקול ליץ' 'מייצג 'היררכיית אשכולות מסתגלת באנרגיה נמוכה'. המאפיינים העיקריים של פרוטוקול זה כוללים בעיקר את הדברים הבאים.

ארכיטקטורת רשת מקובצת

• זוהי ארכיטקטורת אשכולות היררכית דו-שכבתית.
• אלגוריתם מבוזר זה משמש לסידור צמתי החיישנים לקבוצות, המכונים אשכולות.
• בכל אשכול שנוצר בנפרד, צמתי הראש של האשכול ייצרו את תוכניות TDMA (Time-division multiple access).
• היא משתמשת בתפיסת Data Fusion כך שהיא תהפוך את הרשת לחסכונית באנרגיה.

סוג זה של ארכיטקטורת רשת משמש ביותר בגלל מאפיין היתוך הנתונים. בכל אשכול, כל צומת יכול לקיים אינטראקציה דרך ראש האשכול כדי לקבל את הנתונים. כל האשכולות ישתפו את הנתונים שנאספו לעבר תחנת הבסיס. היווצרות אשכול, כמו גם בחירת ראשו בכל אשכול, היא שיטה מבוזרת עצמאית וגם אוטונומית.

סוגיות עיצוב של ארכיטקטורת רשת חיישנים אלחוטית

נושאי העיצוב של ארכיטקטורת רשת חיישנים אלחוטית כוללים בעיקר את הדברים הבאים.

• צריכת אנרגיה
• לוקליזציה
• כיסוי
• שעונים
• חישוב
• עלות ההפקה
• תכנון חומרה
• איכות השירות

צריכת אנרגיה

ב- WSN, צריכת חשמל היא אחד הנושאים העיקריים. כמקור אנרגיה, הסוללה משמשת על ידי הצטיידות בצמתים של חיישנים. רשת החיישנים מסודרת במצבים מסוכנים כך שהיא הופכת מסובכת להחלפת סוללות אחרת. צריכת האנרגיה תלויה בעיקר בפעולות של צמתים החיישן כמו תקשורת, חישה ועיבוד נתונים. לאורך התקשורת, צריכת האנרגיה גבוהה מאוד. לכן, ניתן להימנע מצריכת אנרגיה בכל שכבה באמצעות פרוטוקולי ניתוב יעילים.

לוקליזציה

להפעלת הרשת, הבעיה הבסיסית, כמו גם הקריטית, היא לוקליזציה של חיישנים. אז צמתים של חיישנים מסודרים בצורה אד-הוק כך שהם לא יודעים על מיקומם. הקושי לקבוע את מיקומו הפיזי של החיישן לאחר סידורו נקרא לוקליזציה. ניתן לפתור קושי זה באמצעות GPS, צמתים משואות, לוקליזציה על בסיס קרבה.

כיסוי

צמתים החיישן ברשת החיישנים האלחוטית משתמשים באלגוריתם כיסוי לאיתור נתונים וכן להעברתם לשקיעה דרך אלגוריתם הניתוב. כדי לכסות את כל הרשת, יש לבחור את צמתי החיישנים. ישנן שיטות יעילות כמו אלגוריתמי נתיבי חשיפה נמוכים ביותר, כמו גם פרוטוקול עיצוב כיסוי.

שעונים

ב- WSN, סנכרון השעון הוא שירות רציני. התפקיד העיקרי של סנכרון זה הוא להציע סולם זמנים רגיל לצמתים של שעונים מקומיים ברשתות חיישנים. שעונים אלה חייבים להיות מסונכרנים בתוך יישומים מסוימים כמו ניטור כמו גם מעקב.

חישוב

ניתן להגדיר את החישוב כסכום הנתונים שנמשך דרך כל צומת. הנושא העיקרי בחישוב הוא שעליו להפחית את ניצול המשאבים. אם תוחלת החיים של תחנת הבסיס מסוכנת יותר, אזי עיבוד הנתונים יושלם בכל צומת לפני העברת נתונים לכיוון תחנת הבסיס. בכל צומת, אם יש לנו כמה משאבים אז כל החישוב צריך להיעשות בכיור.

עלות הפקה

ב- WSN, המספר הגדול של צמתים חיישנים מסודר. כך שאם מחיר הצומת היחיד גבוה מאוד אז גם מחיר הרשת הכולל יהיה גבוה. בסופו של דבר, המחיר של כל צומת חיישנים צריך להישמר פחות. אז המחיר של כל צומת חיישנים ברשת החיישנים האלחוטית הוא בעיה תובענית.

עיצוב חומרה

בעת תכנון חומרה של כל רשת חיישנים כמו בקרת חשמל, מיקרו-בקר ויחידת תקשורת חייבים להיות חסכוניים באנרגיה. העיצוב שלה יכול להיעשות בצורה כזו שהיא משתמשת באנרגיה נמוכה.

איכות השירות

איכות השירות או ה- QoS אינם אלא, הנתונים חייבים להיות מופצים בזמן. מכיוון שחלק מהיישומים מבוססי החיישנים בזמן אמת תלויים בעיקר בזמן. כך שאם הנתונים לא מופצים בזמן כלפי המקלט אז הנתונים יהפכו חסרי תועלת. ב- WSNs ישנם סוגים שונים של בעיות QoS כמו טופולוגיית רשת שעשויים לשנות לעתים קרובות, כמו כן, מצב המידע הנגיש המשמש לניתוב יכול להיות לא מדויק.

מבנה רשת חיישנים אלחוטיים

המבנה של WSN כולל בעיקר טופולוגיות שונות המשמשות לרשתות תקשורת רדיו כמו כוכב, רשת וכוכב היברידי. טופולוגיות אלה נדונות להלן בקצרה.

רשת כוכבים

משתמשים בטופולוגיית התקשורת כמו רשת כוכבים בכל מקום שרק תחנת הבסיס יכולה להעביר או לקבל הודעה לעבר צמתים מרוחקים. יש מספר צמתים זמינים אשר אינם רשאים להעביר הודעות זה לזה. היתרונות של רשת זו כוללים בעיקר פשטות, המסוגלת לשמור על ניצול החשמל של צמתים מרוחקים למינימום.

זה גם מאפשר תקשורת עם פחות חביון בין תחנת הבסיס כמו גם צומת מרוחק. החיסרון העיקרי של רשת זו הוא שתחנת הבסיס צריכה להיות בטווח הרדיו לכל הצמתים הנפרדים. זה לא חזק כמו רשתות אחרות מכיוון שזה תלוי בצומת יחיד כדי לטפל ברשת.

רשת רשת

סוג זה של רשת מאפשר העברת הנתונים מצומת אחד למשנהו בתוך הרשת הנמצאת בתחום שידור הרדיו. אם צומת צריך להעביר הודעה לצומת אחר והוא מחוץ לטווח תקשורת רדיו, אז הוא יכול להשתמש בצומת כמו ביניים כדי לשלוח את ההודעה לכיוון הצומת המועדף.

היתרון העיקרי של רשת רשת הוא מדרגיות כמו גם יתירות. כאשר צומת בודד מפסיק לעבוד, צומת מרוחק יכול לשוחח עם כל סוג אחר של צומת בטווח, ואז להעביר את ההודעה לעבר המיקום המועדף. בנוסף, טווח הרשת אינו מוגבל באופן אוטומטי בטווח שבין צמתים בודדים שהוא יכול להאריך פשוט על ידי הוספת מספר צמתים למערכת.

החיסרון העיקרי של רשת מסוג זה הוא ניצול החשמל של צמתי הרשת המבצעים את התקשורת כמו מולטי-הופ בדרך כלל גבוהים יותר מצמתים אחרים שאין להם יכולת זו להגביל את חיי הסוללה לעיתים קרובות. יתר על כן, כאשר מספר כשות התקשורת גדל לעבר יעד, גם הזמן שנדרש לשליחת המסר יגדל, במיוחד אם תהליך ההספק הנמוך של הצמתים הוא הכרחי.

כוכב היברידי - רשת רשת

הכלאה בין שתי הרשתות כמו כוכב ורשת מספקת רשת תקשורת חזקה וגמישה תוך שמירה על צריכת החשמל של צמתים חיישנים אלחוטיים למינימום. בסוג זה של טופולוגיית רשת, צמתים חיישנים עם פחות כוח אינם מורשים להעביר את ההודעות.
זה מאפשר תחזוקה מינימלית של צריכת חשמל.

אך, צמתים ברשת אחרים מותרים עם היכולת של רב הופ על ידי מתן אפשרות להעביר הודעות מצומת אחד למשנהו ברשת. בדרך כלל, הצמתים בעלי יכולת המול-הופ הם בעלי הספק גבוה והם מחוברים לעיתים קרובות לקו החשמל. זוהי הטופולוגיה המיושמת באמצעות רשת הרשת הסטנדרטית הקרובה שנקראת ZigBee.

מבנה צומת חיישנים אלחוטיים

הרכיבים המשמשים לייצור צומת חיישנים אלחוטיים הם יחידות שונות כמו חישה, עיבוד, משדר וכוח. הוא כולל גם רכיבים נוספים התלויים ביישום כמו מחולל חשמל, מערכת איתור מיקום ומגייס. באופן כללי, יחידות חישה כוללות שתי יחידות משנה כלומר ADC וכן חיישנים. כאן חיישנים מייצרים אותות אנלוגיים הניתנים לשינוי לאותות דיגיטליים בעזרת ADC, לאחר מכן הם משדרים ליחידת העיבוד.

באופן כללי, ניתן לשייך יחידה זו באמצעות יחידת אחסון זעירה לטיפול בפעולות לגרום לצומת החיישן לעבוד עם הצמתים האחרים כדי להשיג את משימות החישה שהוקצו. ניתן לחבר את צומת החיישן לרשת בעזרת יחידת מקמ'ש. בצומת החיישן אחד המרכיבים החיוניים הוא צומת חיישן. יחידות הכוח נתמכות באמצעות יחידות הסרת חשמל כמו תאים סולריים ואילו יחידות המשנה האחרות תלויות ביישום.

דיאגרמת בלוקים פונקציונאלית של חישה אלחוטית מוצגת לעיל. מודולים אלה נותנים פלטפורמה רב-תכליתית להתמודדות עם הדרישות של יישומים רחבים. לדוגמה, על סמך החיישנים שיסודרו, ניתן לבצע החלפה של בלוק מיזוג אותות. זה מאפשר שימוש בחיישנים שונים יחד עם צומת החישה האלחוטית. כמו כן, ניתן להחליף את קישור הרדיו ליישום מוגדר.

מאפייני רשת חיישנים אלחוטיים

המאפיינים של WSN כוללים את הדברים הבאים.

• צריכת מגבלות הספק לצמתים עם סוללות
• יכולת לטפל בכשלים בצומת
• קצת ניידות של צמתים והטרוגניות של צמתים
• מדרגיות לקנה מידה גדול של תפוצה
• יכולת להבטיח תנאים סביבתיים מחמירים
• פשוט לשימוש
• עיצוב רב שכבתי

היתרונות של רשתות חיישנים אלחוטיות

היתרונות של WSN כוללים את הדברים הבאים

• ניתן לבצע סידורי רשת ללא תשתית בלתי ניתנת לזיהוי.
• מתאים למקומות שאינם נגישים כמו הרים, מעל הים, אזורים כפריים ויערות עמוקים.
• גמיש אם יש מצב מזדמן בו נדרשת תחנת עבודה נוספת.
• תמחור ביצוע לא יקר.
• זה נמנע מחיווט רב.
• זה עשוי לספק התאמות למכשירים החדשים בכל עת.
• ניתן לפתוח אותו באמצעות ניטור מרכזי.

יישומי רשת חיישנים אלחוטיים

רשתות חיישנים אלחוטיות עשויות לכלול סוגים שונים של חיישנים כמו קצב דגימה נמוך, סייסמי, מגנטי, תרמי, ויזואלי, אינפרא אדום, מכ'ם ואקוסטי, החכם לפקח על מגוון רחב של מצבי סביבה. צמתים חיישנים משמשים לחישה מתמדת, מזהה אירוע, זיהוי אירועים ושליטה מקומית על מפעילים. היישומים של רשתות חיישנים אלחוטיות כוללים בעיקר אזורי מסחר בתחום הבריאות, הצבא, הסביבה, הבית ואחרים.

יישום WSN

• יישומים צבאיים
• יישומי בריאות
• יישומים סביבתיים
• יישומי בית
• יישומים מסחריים
• ניטור שטח
• מעקב אחר שירותי בריאות
• תחושות סביבתיות / כדור הארץ
• ניטור זיהום אוויר
• גילוי שריפות יער
• גילוי המפולות
• ניטור איכות מים
• ניטור תעשייתי

לפיכך, מדובר בסך הכל במה שהוא א רשת חיישנים אלחוטית , ארכיטקטורת רשת חיישנים אלחוטיים, מאפיינים ויישומים. אנו מקווים שיש לך הבנה טובה יותר של מושג זה. יתר על כן, כל שאילתות או מידע אודותיה רעיונות לפרויקט רשת חיישנים אלחוטיים אנא הוסף את הצעותיך החשובות על ידי תגובה בקטע התגובות למטה. הנה שאלה בשבילך, מהם הסוגים השונים של רשתות חיישנים אלחוטיות?