Беспроводная сенсорная сеть

Архитектура типичной беспроводной сенсорной сети

Беспроводная сенсорная сеть — распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.

История и сфера использования

Одним из первых прототипов сенсорной сети можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. Технологии беспроводных сенсорных сетей стали активно развиваться в середине 1990-х годов, в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешёвую элементную базу. Беспроводные сети начала 2010-х годов в основном базируются на стандарте ZigBee.

Немалое количество отраслей и сегментов рынка (производство, различные виды транспорта, обеспечение жизнедеятельности, охрана), заинтересованы во внедрении сенсорных сетей, и это количество непрерывно увеличивается^[1]. 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^[2]:

• Своевременное выявление возможных отказов исполнительных механизмов, по контролю таких параметров, как вибрация, температура, давление и т. п.;
• Контроль доступа в режиме реального времени к удаленным системам объекта мониторинга;
  • обеспечение охраны музейных ценностей
  • обеспечение учёта экспонатов
  • автоматическая ревизия экспонатов
• Автоматизация инспекции и технического обслуживания промышленных активов;
• Управление коммерческими активами;
• Применение как компоненты в энерго- и ресурсосберегающих технологий;
• Контроль экологических параметров окружающей среды

Следует отметить, что несмотря на длительную историю сенсорных сетей^[1], 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^[1].

Технологии

Беспроводные сенсорные сети (WSN) состоят из миниатюрных вычислительных устройств — мотов, снабжённых 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^[3]. 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^[4].

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^[5], пример типового узла RC2200AT-SPPIO^[6]:

• радиотракт;
• процессорный модуль;
• элемент питания;
• различные датчики.

Типовой узел может быть представлен тремя типами устройств^[7]:

• Сетевой координатор (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;
• (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;

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} Рагозин Д. В.. Моделирование синхронизированных сенсорных сетей. Проблеми програмування. 2008. № 2-3. Спеціальний випуск — 721—729 с.
2. ↑ Баранова Е. IEEE 802.15.4 и его программная надстройка ZigBee. // Телемультимедиа, 8 мая 2008.
3. ↑ Levis P., Madden S., Polastre J. and dr. «TinyOS: An operating system for wireless sensor networks» // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (Eds.) // In Ambient Intelligence. — New York, NY: Springer-Verlag, 2005. — 374 p.
4. ↑ Algoritmic Acpects of Wireless Sensor Networks. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislaw Kubiak, Eds. — Poland, Wrozlaw: Springer, 2007.
5. ↑ Интеллектуальные системы на базе сенсорных сетей. // Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН, 2009.
6. ↑ Полностью законченные ZigBee-модули компании RadioCrafts. // Компоненты и технологии.
7. ↑ Стек протоколов ZigBee/802.15.4 на платформе Freescale Semiconductor, 2004

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Исправить статью согласно стилистическим правилам Википедии. Викифицировать статью.

Это заготовка статьи о компьютерах. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным.