Trådløs sensornetværksarkitektur og dens applikationer

I øjeblikket, WSN (trådløst sensornetværk) er de mest standardtjenester, der anvendes i kommercielle og industrielle applikationer på grund af dets tekniske udvikling i en processor, kommunikation og lavt strømforbrug af indlejrede computerenheder. Den trådløse sensornetværksarkitektur er bygget med noder, der bruges til at observere omgivelserne som temperatur, fugtighed, tryk, position, vibration, lyd osv. Disse noder kan bruges i forskellige realtidsapplikationer til at udføre forskellige opgaver som smart detektion, en opdagelse af naboknudepunkter, databehandling og lagring, dataindsamling, målsporing, overvågning og styring, synkronisering, node-lokalisering og effektiv routing mellem basestationen og noder. I øjeblikket begynder WSN'er at blive organiseret i et forbedret trin. Det er ikke akavet at forvente, at verden om 10 til 15 år vil blive beskyttet med WSN'er med hovedret til dem via Internettet. Dette kan måles som, at Internettet bliver et fysisk n / w. Denne teknologi er spændende med uendeligt potentiale for mange anvendelsesområder som medicin, miljø, transport, militær, underholdning, hjemlandsforsvar, krisestyring og også smarte rum.

Hvad er et trådløst sensornetværk?

En trådløs Sensornetværk er en slags trådløst netværk der inkluderer et stort antal cirkulerende, selvstyrede, minut, lavt strømforsynede enheder med navnet sensornoder kaldet motes. Disse netværk dækker bestemt et stort antal rumligt distribuerede, små, batteridrevne, indlejrede enheder, der er netværksbaseret for omhyggeligt at indsamle, behandle og overføre data til operatørerne, og det har styret kapaciteterne inden for computing og behandling. Noder er små computere, der arbejder sammen for at danne netværk.

Trådløst sensornetværk

Sensorknudepunktet er en multifunktionel, energieffektiv trådløs enhed. Anvendelsen af ​​motes i industrien er udbredt. En samling af sensornoder indsamler data fra omgivelserne for at nå specifikke applikationsmål. Kommunikationen mellem motes kan ske med hinanden ved hjælp af transceivere. I et trådløst sensornetværk kan antallet af motes være i størrelsesordenen hundreder / endda tusinder. I modsætning til sensor n / ws vil Ad Hoc-netværk have færre noder uden nogen struktur.

Trådløs sensor netværk arkitektur

Den mest almindelige trådløse sensornetværksarkitektur følger OSI-arkitekturmodellen. Arkitekturen i WSN inkluderer fem lag og tre tværlag. For det meste i sensor n / w kræver vi fem lag, nemlig anvendelse, transport, n / w, datalink og fysisk lag. De tre tværplaner er nemlig strømstyring, mobilitetsstyring og opgavestyring. Disse lag af WSN bruges til at opnå n / w og få sensorerne til at arbejde sammen for at øge netværkets fulde effektivitet. Følg nedenstående link for Typer af trådløse sensornetværk og WSN-topologier

Typer af WSN-arkitekturer

Arkitekturen, der bruges i WSN, er sensornetværksarkitektur. Denne type arkitektur kan anvendes forskellige steder som hospitaler, skoler, veje, bygninger såvel som den bruges i forskellige applikationer såsom sikkerhedsstyring, katastrofestyring og krisestyring osv. Der er to typer arkitekturer, der bruges i trådløs sensor netværk, der inkluderer følgende. Der er to typer trådløse sensorarkitekturer: Layered Network Architecture og Clustered Architecture. Disse forklares som følger nedenfor.

• Lagdelt netværksarkitektur
• Clustered Network Architecture

Lagdelt netværksarkitektur

Denne form for netværk bruger hundredvis af sensornoder samt en basestation. Her kan arrangementet af netværksknudepunkter udføres i koncentriske lag. Den består af fem lag samt 3 tværlag, der inkluderer følgende.

De fem lag i arkitekturen er:

• Applikationslag
• Transportlag
• Netværkslag
• Data Link Layer
• Fysisk lag

De tre tværlag inkluderer følgende:

• Strømstyringsplan
• Mobilitetsstyringsplan
• Opgavehåndteringsplan

Disse tre tværlag bruges hovedsageligt til at kontrollere netværket såvel som til at få sensorerne til at fungere som en for at forbedre den samlede netværkseffektivitet. De ovennævnte fem lag af WSN diskuteres nedenfor.

Trådløs sensor netværk arkitektur

Applikationslag

Applikationslaget er ansvarligt for trafikstyring og tilbyder software til adskillige applikationer, der konverterer dataene i en klar form for at finde positive oplysninger. Sensornetværk arrangeret i adskillige applikationer inden for forskellige områder såsom landbrug, militær, miljø, medicinsk osv.

Transportlag

Transportlagets funktion er at levere overbelastningsundgåelse og pålidelighed, hvor mange protokoller, der er beregnet til at tilbyde denne funktion, enten er praktiske i opstrøms. Disse protokoller bruger forskellige mekanismer til genkendelse af tab og genopretning af tab. Transportlaget er nøjagtigt nødvendigt, når et system er planlagt til at kontakte andre netværk.

At give en pålidelig tabsinddrivelse er mere energieffektiv, og det er en af ​​hovedårsagerne til, at TCP ikke er egnet til WSN. Generelt kan transportlag adskilles i pakkedrevet, hændelsesdrevet. Der er nogle populære protokoller i transportlaget, nemlig STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Prisorienteret pålidelig transportprotokol og PSFQ (pump langsom hentning hurtig).

Netværkslag

Netværkslagets hovedfunktion er routing, det har mange opgaver baseret på applikationen, men faktisk er hovedopgaverne i strømbesparende, delvis hukommelse, buffere og sensorer har ikke et universelt ID og skal være selvorganiseret.

Den enkle idé med routing-protokollen er at forklare en pålidelig bane og overflødige baner i henhold til en overbevisende skala kaldet en metrisk, der varierer fra protokol til protokol. Der er mange eksisterende protokoller til dette netværkslag, de kan adskilles i flad routing og hierarkisk routing eller kan adskilles i tidsdrevet, forespørgselsdrevet og begivenhedsdrevet.

Data Link Layer

Datalinklaget er ansvarligt for multiplexing af datarammedetektering, datastrømme, MAC og fejlkontrol, bekræfter pålideligheden af ​​punkt - punkt (eller) punkt - multipunkt.

Fysisk lag

Det fysiske lag giver en kant til at overføre en strøm af bits over det fysiske medium. Dette lag er ansvarlig for valg af frekvens, generering af en bærefrekvens, signaldetektion, modulering og datakryptering. IEEE 802.15.4 foreslås som typisk for bestemte områder med lave hastigheder og trådløse sensornetværk med lave omkostninger, strømforbrug, tæthed, kommunikationsområdet for at forbedre batteriets levetid. CSMA / CA bruges til at understøtte star & peer to peer topologi. Der er flere versioner af IEEE 802.15.4.V.

De største fordele ved at bruge denne form for arkitektur i WSN er, at hver knude simpelthen involverer transmissioner med mindre afstand, laveffekttransmissioner til de tilstødende noder, hvilket betyder, at strømudnyttelsen er lav sammenlignet med andre former for sensornetværksarkitektur. Denne form for netværk er skalerbar såvel som inkluderer en høj fejltolerance.

Clustered Network Architecture

I denne form for arkitektur tilføjes sensornoder separat i grupper kendt som klynger, der er afhængige af 'Leach-protokollen', fordi den bruger klynger. Udtrykket 'Leach Protocol' står for 'Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy'. De vigtigste egenskaber ved denne protokol inkluderer hovedsagelig følgende.

Clustered Network Architecture

• Dette er en to-lags hierarkisk klyngearkitektur.
• Denne distribuerede algoritme bruges til at arrangere sensornoderne i grupper, kendt som klynger.
• I hver klynge, der dannes separat, opretter klyngens hovednoder TDMA-planerne (Time-division multiple access).
• Det bruger Data Fusion-konceptet, så det gør netværket energieffektivt.

Denne form for netværksarkitektur bruges ekstremt på grund af datafusionsegenskaben. I hver klynge kan hver knude interagere gennem klyngens hoved for at hente dataene. Alle klynger deler deres indsamlede data mod basestationen. Dannelsen af ​​en klynge såvel som dens hovedvalg i hver klynge er en uafhængig såvel som autonom distribueret metode.

Designproblemer med trådløs sensornetværksarkitektur

Designproblemerne med trådløs sensornetværksarkitektur inkluderer hovedsageligt følgende.

• Energiforbrug
• Lokalisering
• Dækning
• Ure
• Beregning
• Produktionsomkostninger
• Design af hardware
• Kvalitet af service

Energiforbrug

I WSN er strømforbrug et af hovedproblemerne. Som en energikilde bruges batteriet ved at udstyre med sensornoder. Sensornetværket er arrangeret i farlige situationer, så det bliver kompliceret til udskiftning af ellers genopladning af batterier. Energiforbruget afhænger hovedsageligt af sensornodernes operationer som kommunikation, sensing og databehandling. Under hele kommunikationen er energiforbruget meget højt. Så energiforbrug kan undgås i hvert lag ved hjælp af effektive routingsprotokoller.

Lokalisering

For driften af ​​netværket er det grundlæggende såvel som kritiske problem sensorlokalisering. Så sensorknuderne er arrangeret ad hoc, så de ikke ved, hvor de er. Vanskeligheden ved at bestemme sensorens fysiske placering, når de først er arrangeret, kaldes lokalisering. Denne vanskelighed kan løses via GPS, beacon nodes, lokalisering baseret på nærhed.

Dækning

Sensornoderne i det trådløse sensornetværk bruger en dækningsalgoritme til at detektere data såvel som at overføre dem til at synke gennem routingsalgoritmen. For at dække hele netværket skal sensornoder vælges. Der anbefales effektive metoder som mindste og højeste eksponeringsstialgoritmer samt dækningsdesignprotokol.

Ure

I WSN er ursynkronisering en seriøs tjeneste. Hovedfunktionen ved denne synkronisering er at tilbyde en almindelig tidsskala for noder til lokale ure inden for sensornetværk. Disse ure skal synkroniseres inden for nogle applikationer som overvågning såvel som sporing.

Beregning

Beregningen kan defineres som summen af ​​data, der fortsætter gennem hver node. Hovedproblemet inden for beregning er, at det skal reducere ressourceudnyttelsen. Hvis basestationens levetid er farligere, afsluttes databehandlingen ved hver knude, før data transmitteres mod basestationen. Ved hver knude, hvis vi har nogle ressourcer, skal hele beregningen udføres ved vasken.

Produktionsomkostninger

I WSN er det store antal sensornoder arrangeret. Så hvis prisen på den enkelte knude er meget høj, vil den samlede netværkspris også være høj. I sidste ende skal prisen på hver sensorknude holdes mindre. Så prisen på hver sensorknude inden for det trådløse sensornetværk er et krævende problem.

Hardware design

Når du designer et sensornetværkets hardware som strømstyring, skal mikrokontroller og kommunikationsenhed være energieffektiv. Dens design kan gøres på en sådan måde, at det bruger lavenergi.

Kvalitet af service

Kvaliteten af ​​tjenesten eller QoS er intet andet end, dataene skal distribueres i tide. Fordi nogle af realtids sensorbaserede applikationer hovedsageligt afhænger af tid. Så hvis dataene ikke distribueres til tiden mod modtageren, bliver dataene ubrugelige. I WSN'er er der forskellige typer QoS-problemer som netværkstopologi, der kan ændre sig ofte, såvel som den tilgængelige tilstand af information, der bruges til routing, kan være upræcis.

Struktur af et trådløst sensornetværk

WSNs struktur omfatter hovedsageligt forskellige topologier, der anvendes til radiokommunikationsnetværk som en stjerne, en mesh og en hybridstjerne. Disse topologier diskuteres nedenfor i korte træk.

Star-netværk

Kommunikationstopologien som et stjernenetværk bruges overalt, hvor kun basestationen kan sende eller modtage en besked mod fjernknudepunkter. Der er et antal noder, der er tilgængelige, som ikke har lov til at sende meddelelser til hinanden. Fordelene ved dette netværk omfatter hovedsageligt enkelhed, der er i stand til at minimere strømudnyttelsen af ​​eksterne noder.

Det lader også kommunikation med mindre ventetid mellem basestationen såvel som en fjernknude. Den største ulempe ved dette netværk er, at basestationen skal være inden for radioområdet for alle de separate knudepunkter. Det er ikke robust som andre netværk, fordi det afhænger af en enkelt node for at håndtere netværket.

Mesh-netværk

Denne form for netværk tillader transmission af data fra en node til en anden inden for netværket inden for radiosendingsområdet. Hvis en knude skal sende en besked til en anden knude, og den er uden for radiokommunikationsområdet, kan den bruge en knude som et mellemprodukt til at sende beskeden mod den foretrukne knude.

Den største fordel ved et mesh-netværk er skalerbarhed såvel som redundans. Når en individuel node holder op med at arbejde, kan en ekstern node konversere til enhver anden type node inden for området og derefter videresende meddelelsen mod det foretrukne sted. Derudover er netværksområdet ikke automatisk begrænset gennem rækkevidden mellem enkelte noder, det kan blot udvides ved at tilføje et antal noder til systemet.

Den største ulempe ved denne form for netværk er strømudnyttelse til netværksknudepunkter, der udfører kommunikationen, ligesom multi-hop er normalt højere end andre noder, der ikke har denne kapacitet til ofte at begrænse batteriets levetid. Desuden, når antallet af kommunikationshumler stiger mod en destination, vil den tid, det tager at sende meddelelsen, også øges, især hvis noder med lav effekt er en nødvendighed.

Hybrid Star - Mesh-netværk

En hybrid blandt de to netværk som stjerne og mesh giver et stærkt og fleksibelt kommunikationsnetværk, samtidig med at strømforbruget til trådløse sensornoder holdes på et minimum. I denne form for netværkstopologi har sensornoder med mindre strøm ikke lov til at sende meddelelserne.
Dette muliggør vedligeholdelse af mindst mulig strømforbrug.

Men andre netværksnoder er tilladt med muligheden for multi-hop ved at lade dem sende meddelelser fra en node til en anden på netværket. Normalt har knudepunkterne med multi-hop-kapacitet høj effekt og er ofte tilsluttet stikkontakten. Dette er den implementerede topologi gennem det kommende standardnetværk kaldet ZigBee.

Struktur af en trådløs sensorknude

Komponenterne, der bruges til at fremstille en trådløs sensorknude, er forskellige enheder som sensing, behandling, transceiver og strøm. Det inkluderer også yderligere komponenter, der afhænger af en applikation som en strømgenerator, et lokaliseringssystem og en mobilisator. Generelt omfatter sensorenheder to underenheder, nemlig ADC'er såvel som sensorer. Her genererer sensorer analoge signaler, som kan ændres til digitale signaler ved hjælp af ADC, hvorefter de transmitteres til processorenheden.

Generelt kan denne enhed associeres gennem en lille lagerenhed til at håndtere handlingerne for at få sensorenoden til at arbejde med de andre noder for at opnå de tildelte sensingopgaver. Sensorknudepunktet kan forbindes til netværket ved hjælp af en transceiverenhed. I sensorknudepunktet er en af ​​de væsentlige komponenter en sensorknude. Power-enhederne understøttes gennem power scavenge-enheder som solceller, mens de andre underenheder afhænger af applikationen.

Et funktionsblokdiagram for trådløs sensing knudepunkter er vist ovenfor. Disse moduler giver en alsidig platform til at håndtere kravene til brede applikationer. For eksempel kan udskiftning af signalbehandlingsblok udføres på baggrund af de sensorer, der skal arrangeres. Dette tillader brug af forskellige sensorer sammen med den trådløse sensingknude. Ligeledes kan radiolinket udveksles til en bestemt applikation.

Karakteristika for trådløst sensornetværk

Karakteristikken ved WSN inkluderer følgende.

• Forbruget af strømgrænser for noder med batterier
• Kapacitet til at håndtere knudefejl
• Noget mobilitet af noder og Heterogenitet af noder
• Skalerbarhed til en stor distributionsskala
• Evne til at sikre strenge miljøforhold
• Enkel at bruge
• Tværlag design

Fordele ved trådløse sensornetværk

Fordelene ved WSN inkluderer følgende

• Netværksarrangementer kan udføres uden fast infrastruktur.
• Velegnet til ikke-tilgængelige steder som bjerge, over havet, landdistrikter og dybe skove.
• Fleksibel, hvis der er en afslappet situation, hvor der kræves en ekstra arbejdsstation.
• Prissætning for udførelse er billig.
• Det undgår masser af ledninger.
• Det kan muligvis give indkvartering til de nye enheder til enhver tid.
• Det kan åbnes ved hjælp af centraliseret overvågning.

Trådløse sensornetværk

Trådløse sensornetværk kan omfatte adskillige forskellige typer sensorer som lav samplingshastighed, seismisk, magnetisk, termisk, visuel, infrarød, radar og akustisk, som er kloge til at overvåge en lang række omgivelsessituationer. Sensorknudepunkter bruges til konstant registrering, hændelses-ID, hændelsesregistrering og lokal kontrol af aktuatorer. Anvendelserne af trådløse sensornetværk omfatter hovedsageligt sundheds-, militær-, miljø-, hjem- og andre kommercielle områder.

WSN-applikation

• Militære applikationer
• Sundhedsapplikationer
• Miljøapplikationer
• Hjemmeapplikationer
• Kommercielle applikationer
• Områdeovervågning
• Sundhedsovervågning
• Følelser fra miljøet / jorden
• Overvågning af luftforurening
• Skovbranddetektion
• Registrering af jordskred
• Vandkvalitetsovervågning
• Industriel overvågning

Dette handler altså om, hvad der er en trådløst sensornetværk , trådløs sensornetværksarkitektur, egenskaber og applikationer. Vi håber, at du har en bedre forståelse af dette koncept. Desuden eventuelle spørgsmål eller at vide om projektideer til trådløs sensornetværk , bedes du give dine værdifulde forslag ved at kommentere i kommentarfeltet nedenfor. Her er et spørgsmål til dig, hvad er de forskellige typer trådløse sensornetværk?