Бездротові Сенсорні Мережі: Детальний Огляд
Бездротові сенсорні мережі (БСМ), або англійською Wireless Sensor Networks (WSN), є технологією, що дозволяє виявляти зміни у фізичному середовищі, наприклад температуру, тиск, освітлення, та інші параметри, використовуючи мережу датчиків.
Покращення у сфері бездротових технологій та датчиків мікроелектромеханічних систем (MEMS) сприяли розгортанню енергоефективних датчиків на великих територіях. Це дозволило створити економічно вигідні БСМ для різноманітних військових та цивільних цілей.
У цьому матеріалі ми розглянемо різні типи бездротових сенсорних мереж, їхню структуру, застосування, а також переваги та недоліки.
Що Таке Мережа?
Мережа – це спосіб об’єднання пристроїв для спільного використання інформації та ресурсів. Ці інтегровані пристрої використовують протоколи зв’язку, такі як TCP/IP, UDP, FTP, HTTP та SMTP, які визначають правила передачі даних через дротові або бездротові канали.
Мережі поділяються на два основні типи: дротові та бездротові. Вони різняться за швидкістю передачі даних, рівнем безпеки, дальністю зв’язку та вартістю.
Дротові мережі використовують фізичні кабелі для з’єднання пристроїв, в той час як бездротові мережі передають дані за допомогою радіохвиль. Існують різні види бездротових технологій, наприклад Wi-Fi та Bluetooth.
Бездротова сенсорна мережа (БСМ) є прикладом бездротової технології, де зв’язок здійснюється за допомогою радіосигналів.
Що Таке Бездротова Сенсорна Мережа (БСМ)?
Бездротова сенсорна мережа (БСМ) — це об’єднання спеціалізованих датчиків, які розташовуються в різних місцях для збору та моніторингу фізичних параметрів середовища. Зібрані дані передаються до централізованого пункту.
До таких фізичних параметрів відносяться температура, тиск, вітер, вологість та інші.
Мережа БСМ складається з базових станцій та вузлів, що взаємодіють між собою без проводів. Структура БСМ може бути організована за чотирма підходами: “точка-точка”, “зірка”, “дерево” та “сітка”.
Розташування БСМ можна розділити на п’ять категорій, залежно від середовища: підземні, наземні, підводні, мультимедійні та мобільні.
Сучасні датчики використовують технологічні досягнення для об’єднання фізичних та цифрових можливостей, забезпечуючи ефективну роботу.
БСМ складається з вузлів з датчиками, які фіксують зміни в навколишньому середовищі та передають дані на базову станцію для аналізу та звітування.
Інтеграція БСМ з GPS або RFID підвищує ефективність відстеження та моніторингу, створюючи складні системи.
Основна мета БСМ – збір інформації про довкілля для підвищення рівня безпеки, продуктивності та запобігання аваріям, а також для захисту навколишнього середовища.
Компоненти БСМ
БСМ складається з двох основних частин: сенсорного вузла та мережевої архітектури.
Сенсорний Вузол
Сенсорний вузол включає в себе:
- Джерело живлення: Забезпечує енергією всі компоненти мережі.
- Сенсорний блок: Складається з датчика та аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Датчик збирає аналогові дані, а АЦП перетворює їх у цифровий формат. Сенсорний вузол не тільки вимірює, але й обробляє, передає та зберігає дані. Він збирає та аналізує дані, корелює їх з іншими датчиками.
- Блок обробки: Включає пам’ять та мікропроцесор для обробки та маніпулювання даними.
- Система зв’язку: Радіосистема для передачі та отримання даних.
- Базова станція: Високопродуктивний вузол з потужними обчислювальними можливостями.
Голова кластера: Вузол з високою пропускною здатністю, відповідальний за об’єднання та агрегацію даних у БСМ. Кількість голів кластерів залежить від вимог системи та застосування.
У БСМ сенсорні вузли взаємодіють між собою для моніторингу навколишнього середовища та надсилають дані на базову станцію (БС) через бездротовий зв’язок. Базові станції обробляють дані та надають оновлену інформацію користувачам.
Архітектура Мережі
Коли всі сенсорні вузли підключені до базової станції, це називається архітектурою з одним стрибком. Передача даних на великі відстані вимагає значних витрат енергії, тому в таких випадках застосовується архітектура з кількома стрибками, використовуючи проміжні вузли для зв’язку з базовою станцією.
Існує два способи реалізації цих структур: плоска мережева архітектура та ієрархічна мережева архітектура.
У плоскій архітектурі базова станція керує всіма сенсорними вузлами, які взаємодіють між собою через багаторівневі переходи.
У ієрархічній архітектурі голови кластерів збирають інформацію від групи сенсорних вузлів і передають дані на базову станцію.
Інші Компоненти БСМ
- Ретрансляційний вузол: Проміжний вузол для зв’язку з сусідніми вузлами, підвищує надійність мережі та не має власного датчика.
- Вузол актора: Вузол високого рівня для виконання та створення рішень, залежно від вимог застосування. Зазвичай має потужні обчислювальні можливості та тривалий час автономної роботи.
- Шлюз: Інтерфейс між сенсорними мережами та зовнішніми мережами, з більшою програмною пам’яттю, процесором, дальністю передачі та можливістю розширення.
Типи Бездротових Сенсорних Мереж (БСМ)
Існує п’ять основних типів БСМ:
- Підводні: Використовують сенсорні вузли та транспортні засоби для збору даних під водою. Мають проблеми із затримкою, відмовами датчиків та обмеженим терміном служби батарей.
- Підземні: Контролюють підземні умови, з передавачами даних, розташованими на поверхні. Дорожчі за наземні мережі через складне обладнання.
- Наземні: Використовуються для моніторингу навколишнього середовища на суші. Включають тисячі бездротових сенсорних вузлів, що розгортаються у визначеній структурі для ефективного зв’язку з базовими станціями.
- Мультимедійні: Здійснюють моніторинг відео, зображень та аудіо. Оснащені датчиками з камерами та мікрофонами, які бездротово з’єднують, отримують, стискають та корелюють дані.
- Мобільні: Складаються з рухомих сенсорних вузлів, які можуть передавати дані, забезпечуючи більшу гнучкість, ширше покриття та економію енергії, порівняно зі стаціонарними мережами.
Тип БСМ вибирається залежно від застосування та вимог до місцевості.
Різні Структури БСМ
Існує чотири типи мережевих структур, що впливають на затримку, пропускну здатність та надійність. Вибір структури БСМ залежить від оцінки вимог та характеру програми.
Вузли також можуть бути підключені до Інтернету для передачі даних на хмарну платформу для подальшого аналізу.
- Точка-точка (шина): Датчики взаємодіють безпосередньо без центрального концентратора, забезпечуючи безпечний зв’язок.
- Зіркова: Використовує базову станцію як центральний концентратор для зв’язку з усіма датчиками, проста в реалізації та потребує низької потужності. Залежна від однієї базової станції.
- Деревоподібна (гібридна): Поєднує точкові та зіркові структури, де датчики розташовані як дерево, а дані передаються між гілками. Споживає менше енергії.
- Сітчаста: Дані передаються між датчиками в межах їхніх діапазонів передачі без центральної базової станції, з можливістю використання проміжних датчиків для передачі на великі відстані. Масштабована та надійна.
Застосування БСМ
БСМ широко використовуються в різних галузях для вимірювання, відстеження та спостереження.
- Застосовуються для виявлення спроб вторгнення, зокрема у військових цілях.
- Використовуються у цивільних цілях, таких як видобуток корисних копалин, охорона здоров’я, спостереження, сільське господарство та моніторинг різних умов.
- Застосовуються для виявлення припаркованих транспортних засобів з використанням магнітометрів та мікрорадарів для відстеження.
- Популярні в моніторингу навколишнього середовища, виявленні зсувів, моніторингу якості води, виявленні лісових пожеж та моніторингу промислових процесів.
Переваги та Недоліки Бездротових Сенсорних Мереж
Розглянемо переваги та недоліки БСМ:
Переваги
- Зручність, надійність, доступність та простота розгортання, у порівнянні з дротовими системами моніторингу.
- Відсутність потреби в кабелях.
- Точність вимірювання, великий діапазон покриття, відмовостійкість, підключення, мінімальна участь людини, функціональність у складних умовах та динамічне планування датчиків.
- Централізований моніторинг всіх вузлів.
- Легка адаптація до фізичних розділів.
- Протоколи маршрутизації для зв’язку в обмежених умовах.
- Алгоритми безпеки на основі бездротової технології.
- Можливість легко інтегрувати нові вузли для масштабованості.
Недоліки
- Обмежена пропускна здатність, високе енергоспоживання, висока вартість вузлів, обмеження у розгортанні та дизайні апаратного/програмного забезпечення.
- Вразливість до злому.
- Призначені для низькошвидкісного зв’язку.
- Висока вартість побудови мережі.
- У зіркоподібній топології вихід з ладу центрального вузла може призвести до відмови всієї мережі.
Навчальні Ресурси
#1. Побудова бездротових сенсорних мереж за допомогою Arduino
Книга з побудови малопотужної мережі за допомогою Arduino та XBee. Містить пояснення та приклади складних проєктів, зображення, знімки екрана та опис проекту домашньої автоматизації. Ви дізнаєтеся, як бездротово підключати плати Arduino за допомогою модулів XBee та керувати середовищем на основі даних від датчиків, зберігаючи дані у хмарі або базі даних.
#2. Створення бездротових сенсорних мереж: за допомогою ZigBee, XBee, Arduino та обробки
Книга про створення мережі ZigBee з радіостанціями XBee та Arduino за невелику вартість. Розробляйте системи вимірювання та активації, вивчайте тонкощі XBee та розробляйте шлюзи для зв’язку з суміжними мережами, включаючи Інтернет. Підходить для різних людей, включаючи винахідників, хакерів, студентів та вчених.
#3. Промислові бездротові сенсорні мережі (IWSN): протоколи та програми
Публікація про новітні дослідження промислових бездротових сенсорних мереж. Дослідження IWSN важливі через зростаюче використання бездротових сенсорних мереж у повсякденному житті та промисловості, де потрібні високі стандарти стійкості, надійності та своєчасності.
#4. Побудова бездротових сенсорних мереж за допомогою ESP32 LoRa
Посібник з впровадження базової бездротової сенсорної мережі (БСМ) з ESP32 у мережі LoRa. Охоплює теми, такі як налаштування середовища розробки, налаштування ESP32 LoRa, надсилання та отримання даних, обробка переривань приймача LoRa, трансляція повідомлень та створення програми WSN за допомогою ESP32 LoRa.
Заключні Слова
Бездротові сенсорні мережі (БСМ) стали важливими для моніторингу та відстеження. Технологія БСМ значно розвинулася, забезпечуючи цінні знання та результати. Далі можна вивчити модель архітектури протоколу TCP/IP.