Одним из первых прообразов сенсорной сети можно считать системуСОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификацииподводных лодок[8]. В середине1990-хгодов технологии беспроводных сенсорных сетей стали активно развиваться, в начале 2000-х годов развитиемикроэлектроникипозволило производить для таких устройств достаточно дешёвуюэлементную базу. Беспроводные сети начала 2010-х годов в основном базируются на стандарте ZigBee[6].
Многиеотраслии сферы деятельности (промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, охрана) заинтересованы во внедрении сенсорных сетей, и число потребителей непрерывно увеличивается. Тенденция обусловлена усложнением технологических процессов, развитием производства, расширяющимися потребностями частных лиц в сегментах безопасности, контроля ресурсов и использования товарно-материальных ценностей. С развитием микроэлектронных технологий появляются новые практические задачи и теоретические проблемы, связанные с применениями сенсорных сетей впромышленности,жилищно-коммунальномкомплексе,домашниххозяйствах. Использование недорогихбеспроводныхсенсорных устройств контроля параметров открывает новые области для применения систем телеметрии и контроля, такие как:
· своевременное выявление возможных отказов исполнительных механизмов, по контролю таких параметров, как вибрация, температура, давление ит.п.;
· контроль доступа к удалённым системам объекта мониторинга врежиме реального времени:
· обеспечение охранымузейныхценностей;
· обеспечение учёта экспонатов;
· автоматическая ревизия экспонатов;
· автоматизация инспекции и технического обслуживания промышленных активов;
· управление коммерческими активами;
· применение как компонентов в энерго- и ресурсосберегающих технологиях;
· контроль экологических параметровокружающей среды.
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.
Технология
Беспроводные сенсорные сети (англ. WSN — Wireless Sensor Network) состоят из миниатюрных вычислительных устройств — мотов, снабжённых сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и трансиверами, 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[24]. 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[11], известная как «Сенсорные сети», 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[11] 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:
· радиотракт;
· процессорный модуль;
· элемент питания;
· различные датчики.
Использование в типовом узле сенсорной сети в качестве датчика второго трансивера, соответствующего стандарту ISO 24730-5, позволяет использовать сенсорную сеть не только для мониторинга параметров сред и объектов, но и для определения местонахождения и мониторинга передвижений объектов, снабженных специальными радиочастотными метками. Построенная из таких узлов сенсорная сеть образует беспроводную инфраструктуруRTLS.
Типовой узел может быть представлен тремя типами устройств:
· сетевойкоординатор (FFD— Fully Function Device);
· осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети;
· наиболее сложный из трех типов устройств, требует наибольший объём памяти и источник питания;
· устройство с полным набором функций (FFD— Fully Function Device);
· поддержка 802.15.4;
· дополнительная память и энергопотребление позволяет выполнять роль координатора сети;
· поддержка всех типов топологий («точка-точка», «звезда», «дерево», «ячеистая сеть»);
· способность выполнять роль координатора сети;
· способность обращаться к другим устройствам в сети;
· устройство с ограниченным набором функций (RFD— Reduced Function Device);
· поддерживает ограниченный набор функций 802.15.4;
· поддержка топологий «точка-точка», «звезда»;
· не выполняет функции координатора;
· обращается к координатору сети и маршрутизатору;
Платформы
Из-заотсутствиячеткой стандартизациивсенсорных сетях, существует несколькоразличных платформ. Все платформы отвечают основным базовым требованиям ксенсорным сетям: малаяпотребляемаямощность, длительное времяработы, маломощные приемо-передатчикииналичие сенсоров. К основным платформам можноотнестиMicaZ, TelosB, Intel Mote 2.
Рисунок 1 Типичный узел MicaZ
MicaZ (рисунок 1):
· микропроцессор: Atmel ATmega128L;
· 7.3728 Мгц частота;
· 128 Кб флеш-памятидляпрограмм;
· 4 Кб SRAM дляданных;
· 2 UART’s;
· SPI шина;
· I2С шина;
· радио: ChipCon CC2420;
· внешняяфлеш-память: 512 Кб;
· 51-pin дополнительный коннектор;
· восемь 10-битовых аналоговых I/O;
· 21 цифровых I/O;
· трипрограммируемых LEDs;
· JTAG порт;
· питание отдвух батарей AA.
TelosB (рисунок 2):
· микропроцессор: MSP430 F1611;
· 8 Мгц частота;
· 48 Кб флеш-памятидляпрограмм;
· 10 Кб RAM дляданных;
· UART;
· SPI шина;
· встроенный 12-битовый ADC/DAC;
· DMA контроллер
· радио: ChipCon CC2420;
· внешняяфлеш-память: 1024 Кб;
· 16-pin дополнительный коннектор;
· трипрограммируемых LEDs;
· JTAG порт;
· опционально: Сенсоры освещенности, влажности, температуры.;
· питание отдвух батарей AA.
Intel Mote 2 (рисунок 3):
· 320/416/520 МГц PXA271 XScale микропроцессор;
· 32 МбайтаФлеш-памяти;
· 32 МбайтаОЗУ;
· mini-USB интерфейс;
· I-Mote2 коннектор длявнешнихустройств(31+21 pin);
· radio: ChipCon CC2420;
· светодиодные индикаторы;
· питание оттрех батарей AAA.
Рисунок 2 Типичная схема узла TelosB
Рисунок 3 Плата Intel Mote 2
Основным стандартом передачиданных всенсорных сетях являетсяIEE802.15.4, которые специальнобыл разработан длябеспроводных сетей смаломощнымиприемо-передатчиками.
Никакихстандартоввобластипрограммногообеспечениявсенсорных сетях нет. Существует несколькосотен различных протоколовобработкиипередачиданных, атакже систем управленияузлами. Наиболее распространенной операционной системой являетсясистемасоткрытым кодом – TinyOs. Многие разработчикичасто пишут свою системууправления, частонаязыке Java.Программауправлениясенсорногоузлаподуправлением операционной системы TinyOs пишетсянаязыке nesC.
1.4 Алгоритмы канального уровня
Любая среда передачи (радио эфир, Ethernet и т.д.) ограниченна в виду того, что одновременно ей может воспользоваться только один или ограниченное число пользователей.
Протоколы канального уровня (MAC - MediumAccessControl) занимаются управлением доступа к единой среде передачи данных
Классификация MAC протоколов[3,7]:
· Протоколы на основе конкуренции
· Узлы конкурируют за доступ к среде передачи
· Примеры: ALOHA (Pure and Slotted), CSMA
· Протоколы по расписанию
· Узлы передают в различных подканалах
· Примеры: FDMA, TDMA, CDMA
Свойства MAC протоколов:
· Избежание коллизий - основная задача MAC протоколов;
· Энергетическая эффективность -важное свойство в сенсорных сетях. MACконтролирует трансивер;
· Масштабируемость и адаптивность - MAC протоколы должны уметь адаптироваться;
· Эффективность использования канала - yе так важно в сенсорных сетях.
· Задержка - важность зависит от конкретного приложения;
· Пропускная способность - зависит от приложений. Goodput;
· Справедливость - в сенсорных сетях может быть неоднородное распределение трафика.
Наиболее важными факторами в сенсорных сетях являются энергетическая эффективность, избежание коллизий и адаптивность.
Энергетическая эффективность один из самых главным факторов в сенсорных сетях. Основные источники потерь энергии:
· Коллизии - атрибут «конкурентных» протоколов;
· Пассивное прослушивание канала - для маломощных трансиверов, затраты энергии на прием сообщения могут быть больше чем на его передачу;
· Overhearing - может быть доминирующим фактором при большой нагрузки и плотности узлов;
· Control Packet Overhead - уменьшаютэффективнуюgoodput.
· Рассмотримнаиболеепопулярные.
S-MAC: Co-ordinated Adaptive Sleeping. Комбинирование основных достоинств протоколов «по расписанию» (TDMA) и «конкурентных» протоколов (CSMA). Синхронизированное расписание. Расписание подобрано таким образом, что когда узлы хотят передать информацию, они просыпаются синхронно. Несинхронизированная передача. Когда узел проснулся и хочет передать информацию, он делает это с помощью алгоритма CSMA/CA.
Основной компромисс: жертвуя задержками/справедливостью улучшаем энергетическую эффективность. S-MAC пытается уменьшить затраты энергии за счет:
· Пассивный прием – периодическое засыпание.
· Коллизии – использование RTS/CTS
· Overhearing – выключение радио, когда передача не предназначается для этого узла.
· Служебные пакеты – передача сообщений
Достоинства:
· Значительно более эффективный чем обычный CSMA/CA;
· Планирует время сна и время активности для обеспечения энергетически эффективной передачи при удоволетворительных задержках.
Недостатки:
· Алгоритмически сложнее;
· Существенные затраты на организацию (расписание);
· Комбинирует обнаружение несущей, RTS/CTS и засыпание по расписанию в один MAC протокол, что может помешать при оптимизации под конкретные приложения.
B-MAC: Versatile Low-power medium access for sensor networks.
Разделение канального уровня и контроля доступа к среде, дает лучшую оптимизацию под конкретные приложения. Сон без расписания (Unscheduled sleep). Уменьшает количество служебной информации. Но передатчику необходимо больше усилий, чтобы пробудить приемник от сна. Пробуждение без расписания (Unscheduled wakeup) Временные интервалы между просыпаниями очень короткие. Может быть использован CSMA/CA или другие app-specific алгоритмы.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 223.
