WSN, абревіатура від Wireless Sensor Networks, виявляє та реагує на фізичні та навколишні умови, такі як тепло, тиск, світло тощо, через свою мережу датчиків.
Удосконалення бездротових технологій і датчиків мікроелектромеханічної системи (MEMS) зробили можливим розумне розгортання малопотужних датчиків на великій території, створюючи недорогі WSN для військових і цивільних застосувань.
У розділі нижче ми обговоримо типи WSN, їхні компоненти та застосування, а також їх переваги та недоліки та застосування.
Що таке мережа?
Мережа об’єднує пристрої, які дозволяють обмінюватися інформацією та ресурсами. Ці інтегровані пристрої використовують такі протоколи зв’язку, як TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP тощо, які є набором правил для передачі даних через бездротові або дротові мережі.
В основному існує два типи мереж: дротові та бездротові. Дротові та бездротові мережі відрізняються залежно від швидкості передачі даних, безпеки даних, діапазону зв’язку та вартості.
Дротова мережа класифікується за з’єднанням пристроїв через фізичні кабелі, тоді як бездротові мережі залежать від радіохвиль для підключення пристроїв. Існують різні бездротові технології, такі як Wi-Fi, Bluetooth тощо.
Бездротова сенсорна мережа (WSN), як випливає з назви, є бездротовою технологією, а зв’язок здійснюється через радіосигнали.
Що таке бездротова сенсорна мережа (WSN)?
Бездротова сенсорна мережа, також звана WSN, — це набір спеціалізованих датчиків, розташованих у різних місцях у певних структурах, для запису та моніторингу фізичних параметрів навколишнього середовища та організації отриманих даних у централізованому місці.
Ці фізичні параметри включають, але не обмежуються температурою, тиском, вітром і вологістю, серед інших факторів.
Кредит зображення: electronicshub
Мережа WSN складається з базових станцій і вузлів, розташованих у різних місцях, які взаємодіють без проводів. Структура WSN може бути реалізована за допомогою чотирьох різних підходів, а саме типів точка-точка, зірка, дерево та сітка.
Розташування WSN можна класифікувати на п’ять типів на основі фізичного середовища: підземні, наземні, підводні, мультимедійні та мобільні WSN.
У нових конструкціях датчиків використовуються інженерні та технологічні досягнення, щоб поєднати фізичну та цифрову сфери для ефективних результатів.
WSN складається з вузлів із датчиками, що виявляють фізичні та навколишні зміни, які передають дані на базову станцію для аналізу та виведення звітів.
Інтеграція бездротових сенсорних мереж із GPS або RFID може збільшити покриття та створити складні системи відстеження чи моніторингу.
Метою WSN є збір екологічної інформації для підвищення безпеки, продуктивності та запобігання нещасним випадкам, одночасно захищаючи навколишнє середовище.
Компоненти WSN
Давайте подивимося список компонентів, які утворюють WSN. В основному WSN складається з двох частин: сенсорного вузла та мережевої архітектури.
Сенсорний вузол
Сенсорний вузол складається з наступних компонентів:
- Джерело живлення: Для живлення всіх компонентів мережі.
- Сенсорний блок: складається з датчика та АЦП (аналогово-цифрового перетворювача). Датчик збирає аналогові дані, а АЦП перетворює їх у цифровий формат. Sensor Nodes має не лише функцію вимірювання, але й компоненти обробки, зв’язку та зберігання даних. Sensor Node збирає та аналізує фізичні дані, корелює та поєднує їх із даними інших датчиків.
- Блок обробки: складається з пам’яті та мікропроцесора. Він розумно обробляє та маніпулює даними.
- Система зв’язку: радіосистема для передачі та прийому даних.
- Базова станція: це надзвичайний вузол з високою обчислювальною енергією та можливостями обробки.
Кредит зображення: electronicshub
Голова кластера: це вузол вимірювання високої пропускної здатності, який використовується для виконання функцій об’єднання та агрегації даних у WSN. Виходячи з системних вимог і додатків, усередині кластера буде більше однієї головки.
У бездротовій сенсорній мережі (WSN) сенсорний вузол спілкується з іншими сенсорними вузлами, розгорнутими на великих територіях, для моніторингу фізичного середовища та базової станції (BS) через бездротовий зв’язок. Сенсорні вузли збирають дані та надсилають їх на базову станцію. Базові станції обробляють дані та обмінюються оновленою інформацією з користувачами онлайн.
Архітектура мережі
Коли всі сенсорні вузли підключені до базової станції, це називається архітектурою мережі з одним стрибком. Коли дані передаються на великі відстані, це споживає більше енергії, ніж збір даних і обчислення, тому в таких випадках зазвичай використовується мережева архітектура з кількома стрибками, використовуючи проміжні вузли замість єдиної лінії зв’язку, що з’єднує сенсорний вузол із базовою станцією.
Кредит зображення: electronicshub
Існує два способи реалізації цих структур: плоска мережева архітектура та ієрархічна мережева архітектура.
У плоскій архітектурі базова станція керує всіма сенсорними вузлами, а сенсорні вузли відповідають через однорангові вузли, використовуючи шлях з кількома стрибками.
В ієрархічній архітектурі мережі голови кластерів отримують інформацію від групи сенсорних вузлів і передають дані на базову станцію.
Інші компоненти WSN
- Ретрансляційний вузол: проміжний вузол використовується для зв’язку із сусіднім вузлом. Він підвищує надійність мережі та не має датчика процесу чи контрольного обладнання.
- Вузол актора: вузол високого рівня використовується для виконання та створення рішення залежно від вимог програми. Як правило, ці вузли є багатими на ресурси пристроями, оснащеними високоякісними можливостями обробки, високою потужністю передачі та часом автономної роботи.
- Шлюз: шлюз — це інтерфейс між сенсорними мережами та зовнішніми мережами. Порівняно з сенсорним вузлом і головкою кластера вузол шлюзу є найпотужнішим щодо програмної пам’яті та пам’яті даних, використовуваного процесора, діапазону трансивера та можливості розширення за допомогою зовнішньої пам’яті.
Типи бездротових сенсорних мереж (WSN)
Існує п’ять різних типів WSN:
- Під водою: підводна бездротова сенсорна мережа використовує сенсорні вузли та транспортні засоби під водою для збору даних. Він має високу затримку та проблеми з несправністю датчика, а також має обмежену кількість неперезаряджуваних батарей.
- Підземний: цей тип контролює підземні умови, оскільки вони працюють повністю під землею, а вузли-приймачі, розташовані над землею, передають дані на базову станцію. Це коштує дорожче, ніж наземні мережі через дороге обладнання та обслуговування.
- Наземний: Цей тип мережі використовується на суші для моніторингу умов навколишнього середовища в різних районах. Тисячі бездротових сенсорних вузлів у наземних мережах WSN розгортаються в спеціальну або заздалегідь сплановану структуру для ефективного зв’язку з базовими станціями.
- Мультимедіа: WSN можуть відстежувати та контролювати мультимедійні події, такі як відео, зображення та аудіо. Вони мають доступні сенсорні вузли з камерами та мікрофонами, які бездротово з’єднують, отримують, стискають і корелюють дані.
- Мобільний: мобільні WSN складаються з сенсорних вузлів, які можуть рухатися та спілкуватися, виконуючи функції зондування. Мобільні бездротові сенсорні мережі пропонують більшу гнучкість, ширше покриття, кращу пропускну здатність каналу та економію енергії порівняно зі стаціонарними сенсорними мережами.
Розгортання типу WSN базується на застосуванні та вимогах до землі.
Різні структури WSN
Існує чотири типи мережевих структур, але їх реалізація впливає на затримку, пропускну здатність і надійність, оскільки маршрутизація та обробка даних змінюється залежно від різних мережевих структур. Отже, перед розгортанням структури WSN слід знати оцінку вимог і характер програми.
Вузли також можна підключити до Інтернету та передавати дані на хмарну платформу для подальшого аналізу.
Кредит зображення: Researchgate
- Точка-точка або структура шини: датчики в цій мережі можуть спілкуватися один з одним напряму без центрального концентратора. Ця структура широко використовується і забезпечує безпечний зв’язок.
- Зіркова структура: Зіркова мережа використовує базову станцію як центральний концентратор для зв’язку з усіма датчиками, її легко реалізувати та потребує низької потужності. Одним із недоліків цієї структури є залежність від однієї базової станції зв’язку.
- Деревоподібна або гібридна структура: складається з точкових і зіркоподібних структур. У цій структурі датчики розташовані у вигляді дерева, а передача даних відбувається через гілки між ними. Він споживає менше енергії, ніж інші конструкції.
- Сітчаста структура: у цій структурі передача даних відбувається між датчиками в межах їхніх діапазонів передачі для зв’язку з кількома стрибками без потреби в центральній базовій станції. Датчики можуть використовувати проміжні датчики для передачі даних датчикам за межами зони радіопокриття. Тому він відомий своєю масштабованістю та надмірністю. Він вважається найнадійнішим, оскільки немає єдиної точки відмови, але вимагає більшої потужності.
Програми WSN
WSN широко використовуються в багатьох секторах, де потрібні вимірювання, відстеження або спостереження. Вони розподіляються по території, вимірюючи температуру, звук та інші параметри в різноманітних програмах.
- Вони використовуються для моніторингу регіонів шляхом розгортання датчиків для виявлення спроб вторгнення, тому вони широко використовуються у військових для виявлення ворожих вторгнень.
- Вони популярні серед цивільних програм, таких як видобуток корисних копалин, охорона здоров’я, спостереження, сільське господарство та інші умови моніторингу.
- Бездротові сенсорні вузли виявляють припарковані транспортні засоби за допомогою магнітометрів, а мікрорадари та магнітометри можна використовувати для відстеження.
- WSN дуже популярний у моніторингу та зондуванні навколишнього середовища/землі, наприклад у запобіганні стихійним лихам, виявленні зсувів, моніторингу якості води, виявленні лісових пожеж та моніторингу середовища існування. Також широко поширений у промислових рішеннях моніторингу, таких як працездатність машин, стічних вод, стан конструкцій тощо.
Переваги та недоліки бездротових сенсорних мереж
У цьому розділі ми розглянемо переваги та недоліки WSN:
Переваги
- WSN віддають перевагу дротовим системам моніторингу через їх зручність, надійність, доступність і простоту розгортання.
- WSN усуває потребу в кабелях або проводах.
- Ефективність WSN обумовлена багатьма факторами: точністю вимірювання, діапазоном покриття, відмовостійкістю, підключенням, низьким залученням людини, функціональністю в складних умовах і динамічним плануванням датчиків.
- Вмикає централізований моніторинг усіх вузлів у WSN.
- Без проблем адаптується до фізичних розділів.
- Протоколи маршрутизації для зв’язку в середовищі з обмеженою продуктивністю та пропускною здатністю, створюючи самоорганізовані спеціальні мережі, які використовують зв’язок з кількома стрибками.
- Він використовує алгоритми безпеки на основі бездротової технології для створення надійної мережі для користувачів.
- Дозволяє легко інтегрувати нові вузли або пристрої для масштабованості.
Недоліки
- WSN стикаються з проблемами, такими як обмежена пропускна здатність, високе енергоспоживання, дорога вартість вузлів, моделі розгортання та обмеження дизайну апаратного/програмного забезпечення.
- Бездротові сенсорні мережі вразливі до злому.
- WSN розроблені для низькошвидкісних додатків і непридатні для високошвидкісного зв’язку.
- Дорого побудувати мережі WSN.
- У WSN на основі зіркоподібної топології вся мережа може припинити роботу, якщо центральний вузол виходить з ладу.
Навчальні ресурси
#1. Побудова бездротових сенсорних мереж за допомогою Arduino
Книга про побудову бездротової малопотужної мережі за допомогою обладнання Arduino та XBee. Він містить пояснення щодо розробки складних проектів на наочних прикладах. У книзі наведено детальні зображення та знімки екрана, а також пояснено проект домашньої автоматизації, який можна використовувати як є або налаштувати.
Ви дізнаєтесь, як бездротово підключати плати Arduino за допомогою модулів XBee та керувати середовищем на основі зворотного зв’язку від мережевих датчиків. Використовуйте програмне забезпечення XCTU в Windows, OS X або Linux для збору та зберігання даних датчиків у хмарній платформі або персональній базі даних. Також взаємодійте з пристроями ZigBee Home Automation.
Ця книга може бути використана розробниками вбудованих систем і ентузіастами, які розуміються на Arduino, для розширення своїх проектів за допомогою бездротових технологій.
#2. Створення бездротових сенсорних мереж: за допомогою ZigBee, XBee, Arduino та обробки
У цій книзі наголошується на створенні мережі ZigBee за допомогою радіостанцій XBee та Arduino вартістю менше 100 доларів. Створюйте регульовані системи вимірювання та активації та отримайте знання про такі тонкощі XBee, як керування живленням і маршрутизація джерела. Розробити шлюзи для з’єднання з суміжними мережами, включаючи Інтернет.
Ця книга допоможе різним людям отримати знання та навички для реалізації своїх проектів, дотримуючись прикладів у кожному розділі, включаючи винахідників, хакерів, ремісників, студентів, любителів і вчених.
Це чудовий ресурс для створення інтелектуальних інтерактивних гаджетів, а сенсорні системи доступні за допомогою протоколу бездротової мережі ZigBee та радіостанцій Series 2 XBee.
#3. Промислові бездротові сенсорні мережі (IWSN): протоколи та програми
Ця публікація представляє результати нових досліджень промислових бездротових сенсорних мереж. Документи, включені до Спеціального випуску, сприяють поширенню досліджень IWSN і, як очікується, надихнуть на подальші дослідження та розгортання.
IWSN мають вирішальне значення через зростання використання бездротових сенсорних мереж у повсякденному житті та промисловості, які мають високі стандарти стійкості, надійності та своєчасності на кожному рівні мережі.
#4. Побудова бездротових сенсорних мереж за допомогою ESP32 LoRa
Цей посібник призначений для впровадження базової бездротової сенсорної мережі (WSN) з ESP32 у мережі LoRa.
Він охоплює різні теми, такі як підготовка середовища розробки, налаштування ESP32 LoRa, надсилання та отримання даних, обробка переривань приймача LoRa, трансляція повідомлень у мережі LoRa та створення програми WSN за допомогою ESP32 LoRa.
Заключні слова
Бездротові сенсорні мережі (WSN) стали життєво важливими для різноманітних програм моніторингу та відстеження. WSN просунувся від базового моніторингу датчиків до розширеного зондування, обробки та аналізу.
Технологія WSN значно трансформувалася, щоб отримати цінні знання та забезпечити бажані результати.
Далі перевірте роботу моделі архітектури протоколу TCP/IP.