WSN сымсыз сенсорлық
желілері
Сенсорлық желілердің негізгі ұғымдары
мен принциптері
Сенсорлық желілердің негізгі ұғымдарын
анықтаңыз.
Сенсор
(ағылш., sensor) - бақыланатын
әсерді (Жарық, қысым, температура және т.б.) қабылдайтын, оның
сандық және сапалық сипаттамаларын өлшейтін және өлшеу деректерін
сигналға түрлендіретін құрылғы. Сигнал электрлік, химиялық немесе
басқа болуы мүмкін.
Датчик (ағылш., transducer) - энергияның бір
түрін екіншісіне түрлендіру үшін қолданылатын құрылғы. Сондықтан
сенсор сонымен қатар физикалық ақпаратты электр энергиясына
түрлендіретін сенсор болып табылады, оны өңдеу үшін есептеу
жүйесіне немесе контроллерге беруге болады.
Актуатор
(ағылш., aсtuator) -
басқарылатын объектінің күйін өзгерту үшін келіп түскен сигналға
жауап беретін атқарушы құрылғы. Актуаторда энергия түрлерінің
түрленуі жүреді, мысалы, электр энергиясы немесе сығылған (сирек)
ауаның (сұйықтық, қатты дене) энергиясы механикалық энергияға
айналады.
Сенсорлық түйін
(ағылш., sensor node) - бұл кем
дегенде бір сенсордан тұратын (бір немесе бірнеше актуаторларды да
қамтуы мүмкін) және есептеу және сымды немесе сымсыз желі
мүмкіндіктері бар құрылғы.
Сенсорлық желі
- бұл ақпаратқа жауап беру мақсатында нақты
физикалық әлемнің объектілерінен алынған ақпаратты сұрау, өңдеу,
беру және беру үшін бір-бірімен, сондай-ақ басқа желілермен өзара
әрекеттесетін таратылған сенсорлық түйіндердің жүйесі. Осылайша,
сенсорлық желі кем дегенде сенсорларды, актуаторларды және байланыс
түйіндерін қамтиды. Сенсорлық желіні қолданудың негізгі саласы –
физикалық орта мен объектілердің өлшенетін параметрлерін бақылау
және бақылау, ал кейбір жағдайларда - осы объектілерді басқару (олардағы белгілі
бір процестерді іске қосу). Сенсорлық желілердің мысалдары: кең
таралған сенсорлық желілер (USN-Ubiquitous Sensor Network), көлік
құралдарына арналған желілер (VANET – Vehicular Ad Hoc Network),
муниципалды желілер (Hanet – Home ad hoc Network), медициналық
желілер (MBAN(S) – Medicine Body area Network (services)) және т.
б. Сенсорлық желілерді пайдалану кезінде орындалатын негізгі
әрекеттер 3.1-суретте көрсетілген (қосымша процестер нүктелі
сызықпен көрсетілген).
Сенсорлық желінің қамту аймағы
бірнеше метрден бірнеше шақырымға дейін болуы мүмкін, бұл желінің
бір элементінен екіншісіне хабарлама жіберу қабілетіне байланысты.
Сенсорлық желі хабарламаларды бір түйіннен екінші түйінге қайта
жіберу қабілетіне ие, бұл түйіндердің біреуі істен шыққан жағдайда
сапаны жоғалтпай көрші түйіндер арқылы ақпарат беруді ұйымдастыруға
мүмкіндік береді. Желінің өзі ақпараттық ағындар қозғалысының
оңтайлы бағытын анықтайды (3.2-сурет).
Өзін-өзі ұйымдастыратын
байланыс желісі - түйіндер саны уақыт өте келе кездейсоқ
болатын және 0-ден белгілі бір максималды мәнге дейін өзгеруі
мүмкін желі. Мұндай желідегі түйіндер арасындағы байланыс Уақыт өте
келе кездейсоқ болады және ұқсас түйіндер мен сыртқы байланыс
желісі арасында ақпарат беру үшін қалыптасады.
Сымсыз сенсорлық
желі (ағылш. WSN –
Wireless Sensor Network) - радиоарналар арқылы өзара біріктірілген
көптеген сенсорлар мен атқарушы құрылғылардың бөлінген, өздігінен
ұйымдастырылатын сенсорлық желісі.
Сымсыз сенсорлық желілердің
артықшылықтары:
-
өзін-өзі сауықтыру және өзін-өзі
ұйымдастыру қабілеті;
-
таратқыштардың қуаты аз болғанда ақпаратты
едәуір қашықтыққа беру қабілеті (ретрансляция жолымен);
-
түйіндердің төмен құны және олардың шағын
мөлшері;
-
төмен қуат тұтыну және автономды көздерден
қуат алу мүмкіндігі;
-
орнату оңай, кабельдерді қажет етпейді
(сымсыз технология мен батареямен жұмыс істеудің
арқасында);
-
мұндай желілерді қолданыстағы және
пайдаланылатын объектіге қосымша жұмыстар жүргізбей орнату
мүмкіндігі;
-
техникалық қызмет көрсетудің төмен
құны.
Сымсыз сенсорлық желілер іс
жүзінде кең таралғандықтан, тарау материалының негізгі бөлігі дәл
осындай желілерге арналған.
Сенсорлық желінің негізгі
архитектурасы
Сенсорлық желілерді
стандарттаумен көптеген халықаралық ұйымдар айналысады, олардың
ішінде ISO, IEC, ITU-T, IEEE және т.б. сонымен, №1 біріккен
техникалық комитеттің sgsn (Study Group on Sensor Networks)
сенсорлық желілер бойынша зерттеу тобы ISO/IEC JTC 1 (Joint
Technical Committee 1) сенсорлық желінің негізгі архитектурасын
және оның негізгі интерфейстерін анықтады (3.3-сурет).
Суреттен көрініп тұрғандай,
сенсорлық түйін мыналардан тұрады:
-
аппараттық қамтамасыз ету;
-
базалық бағдарламалық қамтамасыз
ету;
-
бағдарламалық қамтамасыз ету.
Сәулет құрамында төрт негізгі
интерфейс анықталған:
-
Сенсорлық түйіннің негізгі және қолданбалы
бағдарламалық жасақтамасы арасындағы Интерфейс.
-
Негізгі бағдарламалық жасақтама мен
сенсорлық түйіннің аппараттық құралы арасындағы Интерфейс
(сенсорлар, актуаторлар және/немесе байланыс торабы және
т.б.).
-
Сенсорлық желідегі түйіндер арасындағы
сымсыз немесе сымды интерфейстер.
-
Сенсорлық желі мен сыртқы орта арасындағы
Интерфейс (қызмет провайдерлері, пайдаланушылар).
Сымсыз сенсорлық желі
түйіндері
С ымсыз
сенсорлық желілер белгілі бір радиожиілік диапазонында жұмыс
істейтін сенсорлармен, актуаторлармен және трансиверлермен
(трансиверлермен) жабдықталған миниатюралық есептеу құрылғыларынан
тұрады. Мұндай BSS түйіні сенсорлық түйін немесе жай сенсор деп
аталады. Сенсорлық түйін-бұл әдетте бір текше дюймден аспайтын
тақтай. Тақтада процессор, жад - флэш және жедел, сандық-аналогтық
және аналогты-сандық түрлендіргіштер, радиожиілікті қабылдағыш,
қуат көзі және әртүрлі датчиктер, актуаторлар бар. Осылайша, сымсыз
желі түйінінің аппараттық бөлігі келесі төрт ішкі жүйеге бөлінуі
мүмкін (3.4-сурет):
-
коммуникациялық шағын жүйе-сенсорлық
желідегі басқа тораптармен сымсыз қосылуларды қамтамасыз етеді және
радиоқабылдағышты қамтиды;
-
есептеу ішкі жүйесі-мәліметтерді өңдеуді
және түйіннің функционалдығын қамтамасыз етеді және құрамына
процессор, жедел SRAM, ұшпайтын EEPROM және флэш-жад, ADC
Аналогты-сандық түрлендіргіші, таймер, енгізу/шығару порттары
кіретін MCU микроконтроллерінен тұрады;
-
сенсорлық кіші жүйе-құрамына аналогтық
және цифрлық сенсорлар, актуаторлар кіруі мүмкін сенсорлық сымсыз
торапты сыртқы әлеммен қосуды қамтамасыз етеді;
-
электрмен қоректендірудің кіші жүйесі –
сымсыз сенсорлық тораптың барлық элементтерін энергиямен
жабдықтауды қамтамасыз етеді және энергияны генерациялау және
жинақтау, сондай-ақ кернеуді реттеу құрылғыларын
қамтиды.
Сенсорлар әртүрлі болуы мүмкін.
Көбінесе температура, қысым, ылғалдылық, Жарық, діріл, орналасу
сенсорлары қолданылады, сирек – магнитоэлектрлік, химиялық (мысалы,
со, СО2, радиациялық фон деңгейін өлшейтін), дыбыстық және
басқалары. Қолданылатын сенсорлардың жиынтығы сымсыз сенсорлық
желілер орындайтын функцияларға байланысты.
Сенсордан алынған электр
сигналдары көбінесе өңдеуге дайын емес, сондықтан олар конверсия
кезеңінен өтеді. Мысалы, сигнал көбінесе амплитудасын жоғарылату
үшін күшейтуді қажет етеді, белгілі бір жиілік диапазонындағы
қажетсіз шуды жою үшін сүзгілерді қолдануға болады және т.б.
түрлендірілген сигнал Аналогты-сандық түрлендіргіштің (ADC)
көмегімен сандық сигналға айналады. Нәтижесінде сигнал сандық түрде
алынады және ол процессорда әрі қарай өңдеуге және
микроконтроллердің жадында сақтауға дайын. Атқарушы тетіктер болған
кезде басқару әсерлерін желі тораптарынан сыртқы ортаға актуатор
арқылы беруге де болады. Сенсорлық түйін әдетте кішкене батареядан
қуат алады.
Өлшемнен басқа, сымсыз
сенсорлық желі түйіндеріне басқа да қатаң шектеулер бар.
Олар:
-
өте аз қуат тұтынуы
керек;
-
шағын қашықтықта көптеген түйіндермен
жұмыс жасауы керек;
-
төмен өндірістік шығындарға ие болуы
керек;
-
автономды болуы және қызмет көрсетусіз
жұмыс жасауы керекз;
-
қоршаған ортаға бейімделуі
керек.
Сенсорлық түйіндердің пайда болуы 3.5
суретте көрсетілген.
Функцияларды орындау үшін әр
сенсорлық түйінге арнайы операциялық жүйе (ОЖ) орнатылады. Беркли
университетінде жасалған tinyos ашық коды бар жүйе – бұл шектеулі
есептеу ресурстарында жұмыс істеуге арналған нақты уақыттағы
оқиғаларға негізделген операциялық жүйе. Бұл ОЖ сенсорларға
көршілермен автоматты түрде байланыс орнатуға және берілген
топологияның сенсорлық желісін құруға мүмкіндік береді.
Таблица 3.1 Характеристики
сенсорных узлов
Параметры
|
Тип сенсорного узла:
|
ML-Node-Z
|
ZigBit
|
Микроконтроллер
|
Процессор
|
Texas Instruments MSP430
|
ATmega1281
|
Тактовая частота
|
От 32,768 кГц до 8 МГц
|
4 МГц
|
Оперативная память, Кбайт
|
10
|
8
|
Flash-память, Кбайт
|
48
|
128
|
Приемопередатчик
|
Тип
|
IEEE 802.15.4
|
IEEE 802.15.4
|
Диапазон частот, МГц
|
2400 - 2483,5
|
2400 - 2483,5
|
Скорость передачи данных,
Кбит/с
|
250
|
250
|
Выходная мощность, дБм
|
От –24 до 0
|
От –28 до 3
|
Чувствительность, дБм
|
–95
|
–101
|
Антенна
|
Чип
|
1 или 2 чипа
|
Внешние
интерфейсы
|
АЦП
|
12-разрядный, 7 каналов
|
10-разрядный, 3 канала
|
Цифровые интерфейсы
|
I2C/SPI/UART/USB
|
I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
|
Другие параметры
|
Напряжение питания, В
|
От 0,9 до 6,5
|
От 1,8 до 3,6
|
Размеры, мм
|
44x33x10
|
19x14x3
|
Температурный диапазон, °C
|
От –40 до 85
|
От 0 до 85
|
Сенсорлардың
маңызды ерекшеліктерінің бірі желіні ұйымдастыру схемасы мен
деректер маршруттарын автоматты түрде таңдау болғандықтан, сымсыз
сенсорлық желілер өзін-өзі конфигурациялау болып табылады. Көбінесе
сенсорлық түйін өзінің орналасқан жерін өздігінен анықтай алуы
керек, кем дегенде ол деректерді жіберетін басқа сенсорға қатысты.
Яғни, алдымен барлық сенсорлар сәйкестендіріледі, содан кейін
бағыттау схемасы жасалады.
Сенсорлық
түйіндер тұрақты түрде бекітілуі мүмкін, сонымен қатар салыстырмалы
қозғалғыштығы бар, яғни желінің логикалық байланысын бұзбай,
белгілі бір кеңістікте бір-біріне қатысты еркін қозғалады. Соңғы
жағдайда сенсорлық желіде тұрақты топология жоқ және оның құрылымы
Уақыт өте келе динамикалық түрде өзгереді.
Сымсыз сенсорлық желілерде
деректерді беру әдістері
Сенсорлық
желіде түйіндер әдетте сымсыз байланыс арқылы байланысады. Байланыс
радио, инфрақызыл сәуле (инфрақызыл) немесе оптикалық сигналдар
арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Радиобайланыстың кең таралған
нұсқаларының бірі ITU-R Халықаралық электрбайланыс одағының
Радиобайланыс секторымен анықталған және көптеген елдерде
лицензиясыз қол жетімді ISM (Industrial, Scientific and Medical)
өнеркәсіптік, ғылыми және медициналық мақсаттар үшін жиілік
жолақтарын пайдалану болып табылады (3.2-кесте).
Кесте 3.2-ITU-R анықтаған
ISM жиілік жолақтары
Диапазон частот
|
Полоса
|
Центральная частота
|
Область применения
|
6.765 МГц
|
6.795 МГц
|
30 КГц
|
6.780 МГц
|
Локальное применение
|
13.553 МГц
|
13.567 МГц
|
14 КГц
|
13.560 МГц
|
|
26.957 МГц
|
27.283 МГц
|
326 КГц
|
27.120 МГц
|
|
40.660 МГц
|
40.700 МГц
|
40 КГц
|
40.680 МГц
|
|
433.050 МГц
|
434.790 МГц
|
1.84 МГц
|
433.920 МГц
|
Европа, Африка, Ближний Восток,
Россия
|
902 МГц
|
928 МГц
|
26 МГц
|
915 МГц
|
Северная и Южная Америка
|
2.4 ГГц
|
2.5 ГГц
|
100 МГц
|
2.45 ГГц
|
|
5.725 ГГц
|
5.875 ГГц
|
150 МГц
|
5.8 ГГц
|
|
24 ГГц
|
24.25 ГГц
|
250 МГц
|
24.125 ГГц
|
|
61 ГГц
|
61.5 ГГц
|
500 МГц
|
61.25 ГГц
|
Локальное применение
|
122 ГГц
|
123 ГГц
|
1 ГГц
|
122.5 ГГц
|
Локальное применение
|
244 ГГц
|
246 ГГц
|
2 ГГц
|
245 ГГц
|
Локальное применение
|
Ресейде
Радиожиіліктер жөніндегі мемлекеттік комиссияның (ГКРЧ) 28.04.2008
жылғы № 08-24-01-001 және 07.05 2007 жылғы № 07-20-03-001 шешімінің
негізінде LPD жиілік диапазоны (ағылш. Low Power Device)
433,075-434,750 МГц, PMR (ағылш. Private Mobile Radio)
446,00625-446,09375 және 868,7-869,2 МГц.
Сондай-ақ,
оптикалық ортаны беру үшін қолданылатын сымсыз сенсорлық желілердің
түйіндері бар. Екі тарату схемасы қолданылады-СК Жарық
шағылыстырғышын қолдана отырып пассивті (Corner-Cube
Retroreflector) және лазерлік диод пен басқарылатын айналарды
қолдана отырып белсенді, бірінші жағдайда интеграцияланған жарық
көзі қажет емес, үш CCR айналарының конфигурациясы сигналды беру
үшін қолданылады. Белсенді әдіс қабылдағышқа жарық сәулелерін
жіберу үшін лазерлік диод пен белсенді лазерлік байланыс жүйесін
қолданады.
Сенсорлық
желілерді қолданудың ерекше талаптары беру ортасын таңдауды
қиындатады. Тарату ортасын таңдау сенімді модуляция және кодтау
схемаларымен бірге жүруі керек, бұл тарату арнасының
сипаттамаларына байланысты.