Arquitectura de xarxa de sensors sense fils i les seves aplicacions

Actualment, WSN (xarxa de sensors sense fils) és el servei més estàndard que s’utilitza en aplicacions comercials i industrials, a causa del seu desenvolupament tècnic en processadors, comunicacions i ús de baixa potència de dispositius informàtics incrustats. L’arquitectura de xarxa de sensors sense fils es construeix amb nodes que s’utilitzen per observar l’entorn com la temperatura, la humitat, la pressió, la posició, la vibració, el so, etc. Aquests nodes es poden utilitzar en diverses aplicacions en temps real per realitzar diverses tasques com la detecció intel·ligent, un descobriment de nodes veïns, processament i emmagatzematge de dades, recopilació de dades, seguiment d’objectius, monitorització i control, sincronització, localització de nodes i encaminament efectiu entre l’estació base i els nodes. Actualment, els WSN comencen a organitzar-se en un pas millorat. No és incòmode esperar que d’aquí a deu a quinze anys el món estigui protegit amb WSN amb entrada a través d’Internet. Això es pot mesurar quan Internet es converteix en un físic n / n. Aquesta tecnologia és emocionant amb un potencial infinit per a moltes àrees d’aplicació com ara mèdica, mediambiental, de transport, militar, d’entreteniment, defensa nacional, gestió de crisi i també espais intel·ligents.

Què és una xarxa de sensors sense fils?

Una connexió sense fil Sensor Network és un tipus de xarxa sense fils que inclou un gran nombre de dispositius circulants, autodirigits, de poca potència, anomenats nodes de sensor anomenats motes. Aquestes xarxes, sens dubte, cobreixen un gran nombre de dispositius incrustats distribuïts espacialment, pocs i amb bateries, que es connecten en xarxa per recollir, processar i transferir dades als operadors amb cura, i ha controlat les capacitats de computació i processament. Els nodes són petits ordinadors que funcionen conjuntament per formar xarxes.

Xarxa de sensors sense fils

El node del sensor és un dispositiu sense fils multifuncional i d’eficiència energètica. Les aplicacions dels motes a la indústria són àmpliament esteses. Una col·lecció de nodes de sensor recopila les dades de l’entorn per assolir objectius específics de l’aplicació. La comunicació entre motes es pot fer entre si mitjançant transceptors. En una xarxa de sensors sense fils, el nombre de motes pot ser de l'ordre de centenars / fins i tot de milers. A diferència del sensor n / ws, les xarxes Ad Hoc tindran menys nodes sense cap estructura.

Arquitectura de xarxa de sensors sense fils

L'arquitectura de xarxa de sensors sense fils més comuna segueix el model d'arquitectura OSI. L'arquitectura del WSN inclou cinc capes i tres capes transversals. Sobretot al sensor n / n, necessitem cinc capes, és a dir, aplicació, transport, n / n, enllaç de dades i capa física. Els tres plans transversals són la gestió de l’energia, la gestió de la mobilitat i la gestió de tasques. Aquestes capes del WSN s'utilitzen per aconseguir el n / w i fer que els sensors funcionin junts per augmentar l'eficiència completa de la xarxa. Seguiu el següent enllaç per a Tipus de xarxes de sensors sense fils i topologies WSN

Tipus d’arquitectures WSN

L'arquitectura utilitzada a WSN és l'arquitectura de xarxa de sensors. Aquest tipus d’arquitectura és aplicable a diferents llocs, com ara hospitals, escoles, carreteres, edificis, i també s’utilitza en diferents aplicacions, com ara la gestió de seguretat, la gestió de desastres i la gestió de crisis, etc. Hi ha dos tipus d’arquitectures utilitzades en el sensor sense fils. xarxes que inclouen el següent. Hi ha 2 tipus d’arquitectures de sensors sense fils: Arquitectura de xarxes en capes i Arquitectura en clústers. S’explica a continuació.

• Arquitectura de xarxes en capes
• Arquitectura de xarxa agrupada

Arquitectura de xarxes en capes

Aquest tipus de xarxa utilitza centenars de nodes de sensors, a més d’una estació base. Aquí la disposició dels nodes de xarxa es pot fer en capes concèntriques. Comprèn cinc capes i 3 capes transversals que inclouen les següents.

Les cinc capes de l'arquitectura són:

• Capa d'aplicació
• Capa de transport
• Capa de xarxa
• Capa d'enllaç de dades
• Capa física

Les tres capes transversals inclouen el següent:

• Avió de gestió d'energia
• Pla de gestió de la mobilitat
• Pla de gestió de tasques

Aquestes tres capes transversals s’utilitzen principalment per controlar la xarxa, així com per fer que els sensors funcionin com un per millorar l’eficiència general de la xarxa. A continuació es comenten les cinc capes de WSN esmentades.

Arquitectura de xarxa de sensors sense fils

Capa d'aplicació

La capa d'aplicació és responsable de la gestió del trànsit i ofereix programari per a nombroses aplicacions que converteixen les dades de forma clara per trobar informació positiva. Xarxes de sensors disposades en nombroses aplicacions en diferents camps, com ara agrícoles, militars, mediambientals, mèdics, etc.

Capa de transport

La funció de la capa de transport és proporcionar evitació de la congestió i fiabilitat, on molts protocols destinats a oferir aquesta funció són pràctics a la part superior. Aquests protocols utilitzen mecanismes diferents per al reconeixement i recuperació de pèrdues. La capa de transport és exactament necessària quan es planeja un sistema per contactar amb altres xarxes.

Proporcionar una recuperació de pèrdues fiable és més eficient energèticament i aquest és un dels principals motius pels quals TCP no és apte per a WSN. En general, les capes de transport es poden separar en paquets impulsats per esdeveniments. Hi ha alguns protocols populars a la capa de transport, a saber, STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Protocol de transport fiable orientat al preu i PSFQ (pump slow fetch quick)).

Capa de xarxa

La funció principal de la capa de xarxa és l’encaminament, té moltes tasques basades en l’aplicació, però en realitat, les tasques principals es troben en la conservació d’energia, la memòria parcial, les memòries intermèdies i el sensor no tenen un identificador universal i han de ser autoorganitzat.

La idea simple del protocol d’encaminament és explicar un carril fiable i carrils redundants, segons una escala convincent anomenada mètrica, que varia d’un protocol a un altre. Hi ha molts protocols existents per a aquesta capa de xarxa, es poden separar en enrutament pla i encaminament jerarquitzat o es poden separar en temps, en consulta i en esdeveniments.

Capa d'enllaç de dades

La capa d'enllaç de dades és responsable de la detecció de marcs de dades de multiplexació, fluxos de dades, MAC i control d'errors, confirmant la fiabilitat del punt-punt (o) punt-multipunt.

Capa física

La capa física proporciona una vora per transferir un flux de bits per sobre del medi físic. Aquesta capa és responsable de la selecció de freqüència, la generació d’una freqüència portadora, la detecció de senyals, la modulació i el xifratge de dades. Es recomana IEEE 802.15.4 com a típic per a àrees particulars de baixa velocitat i xarxes de sensors sense fils amb baix cost, consum d'energia, densitat i abast de comunicació per millorar la vida de la bateria. CSMA / CA s'utilitza per donar suport a la topologia entre estrelles i parells. Hi ha diverses versions d’IEEE 802.15.4.V.

Els principals avantatges d'utilitzar aquest tipus d'arquitectura a WSN és que cada node implica simplement transmissions a poca distància i poca potència als nodes veïns, a causa de les quals la utilització d'energia és baixa en comparació amb altres tipus d'arquitectura de xarxa de sensors. Aquest tipus de xarxa és escalable i inclou una alta tolerància a fallades.

Arquitectura de xarxa agrupada

En aquest tipus d'arquitectura, els nodes de sensor per separat s'afegeixen a grups coneguts com a clústers que depenen del 'Protocol de Leach' perquè utilitza clústers. El terme 'protocol de lixiviació' significa 'Jerarquia de concentració adaptativa de baixa energia'. Les principals propietats d’aquest protocol inclouen principalment les següents.

Arquitectura de xarxa agrupada

• Es tracta d’una arquitectura de clúster de jerarquia de dos nivells.
• Aquest algorisme distribuït s’utilitza per organitzar els nodes del sensor en grups, coneguts com a clústers.
• En tots els clústers formats per separat, els nodes principals del clúster crearan els plans TDMA (Accés múltiple per divisió de temps).
• Utilitza el concepte Data Fusion de manera que farà que la xarxa sigui eficient en energia.

Aquest tipus d’arquitectura de xarxa s’utilitza extremadament a causa de la propietat de fusió de dades. A cada clúster, cada node pot interactuar a través del cap del clúster per obtenir les dades. Tots els clústers compartiran les seves dades recopilades cap a l'estació base. La formació d’un clúster, així com la seva selecció de capçalera en cada clúster, és un mètode distribuït independent i autònom.

Problemes de disseny de l'arquitectura de xarxa de sensors sense fils

Els problemes de disseny de l'arquitectura de xarxa de sensors sense fils inclouen principalment els següents.

• Consum d'energia
• Localització
• Cobertura
• Rellotges
• Càlcul
• Cost de producció
• Disseny de maquinari
• Qualitat del servei

Consum d'energia

A WSN, el consum d’energia és un dels problemes principals. Com a font d’energia, la bateria s’utilitza equipant-se amb nodes de sensor. La xarxa de sensors s’organitza en situacions de perill, de manera que resulta complicat canviar les piles per carregar-les. El consum d’energia depèn principalment de les operacions dels nodes del sensor, com ara la comunicació, la detecció i el processament de dades. Al llarg de la comunicació, el consum d’energia és molt alt. Per tant, es pot evitar el consum d’energia a cada capa mitjançant protocols d’encaminament eficients.

Localització

Per al funcionament de la xarxa, el problema bàsic i crític és la localització del sensor. Per tant, els nodes del sensor s’organitzen de manera ad hoc perquè no coneguin la seva ubicació. La dificultat per determinar la ubicació física del sensor un cop s’han disposat es coneix com a localització. Aquesta dificultat es pot resoldre mitjançant GPS, nodes de balisa, localització basada en la proximitat.

Cobertura

Els nodes de sensors de la xarxa de sensors sense fils utilitzen un algorisme de cobertura per detectar dades, així com transmetre-les per enfonsament a través de l’algorisme d’encaminament. Per cobrir tota la xarxa, s’han d’escollir els nodes del sensor. Es recomanen mètodes eficients com els algoritmes de trajectòria d'exposició mínima i màxima, així com el protocol de disseny de cobertura.

Rellotges

A WSN, la sincronització de rellotge és un servei seriós. La funció principal d'aquesta sincronització és oferir una escala de temps ordinària per als nodes dels rellotges locals dins de les xarxes de sensors. Aquests rellotges s'han de sincronitzar en algunes aplicacions, com ara la supervisió i el seguiment.

Càlcul

El càlcul es pot definir com la suma de dades que continua a través de cada node. El principal problema dins del càlcul és que ha de reduir la utilització de recursos. Si la vida útil de l'estació base és més perillosa, el processament de dades es completarà a cada node abans de transmetre les dades cap a l'estació base. A cada node, si tenim alguns recursos, tot el càlcul s'hauria de fer a la pica.

Cost de producció

A WSN, es disposa un gran nombre de nodes de sensor. Per tant, si el preu del node únic és molt alt, el preu de la xarxa també serà elevat. En definitiva, s’ha de mantenir el preu de cada node sensor. Per tant, el preu de tots els nodes de sensors de la xarxa de sensors sense fils és un problema exigent.

Disseny de maquinari

En dissenyar el maquinari de qualsevol xarxa de sensors com ara el control de potència, el microcontrolador i la unitat de comunicació han de ser eficients energèticament. El seu disseny es pot fer de manera que utilitzi poca energia.

Qualitat del servei

La qualitat del servei o QoS no és altra cosa que les dades s’han de distribuir a temps. Perquè algunes de les aplicacions basades en sensors en temps real depenen principalment del temps. Per tant, si les dades no es distribueixen a temps cap al receptor, les dades seran inútils. A les xarxes WSN, hi ha diferents tipus de problemes de qualitat de servei, com la topologia de xarxa, que poden modificar-se amb freqüència, així com l'estat accessible de la informació utilitzada per a l'enrutament pot ser imprecís.

Estructura d’una xarxa de sensors sense fils

L'estructura de WSN comprèn principalment diverses topologies utilitzades per a xarxes de comunicacions per ràdio com una estrella, una malla i una estrella híbrida. A continuació, es descriuen breument aquestes topologies.

Xarxa d’estrelles

La topologia de comunicació com una xarxa estel·lar s’utilitza allà on només l’estació base pot transmetre o rebre un missatge cap a nodes remots. Hi ha diversos nodes disponibles als quals no es permet transmetre missatges entre ells. Els avantatges d’aquesta xarxa consisteixen principalment en la simplicitat, capaç de reduir al màxim l’aprofitament energètic dels nodes remots.

També permet comunicacions amb menys latència entre l'estació base i un node remot. L’inconvenient principal d’aquesta xarxa és que l’estació base hauria d’estar al radi de tots els nodes separats. No és robust com altres xarxes perquè depèn d’un sol node per gestionar la xarxa.

Xarxa de malla

Aquest tipus de xarxa permet la transmissió de dades d’un node a un altre dins de la xarxa que es troba en el radi de transmissió. Si un node necessita transmetre un missatge a un altre node i que està fora del rang de comunicacions per ràdio, pot utilitzar un node com un intermediari per enviar el missatge cap al node preferit.

El principal avantatge d’una xarxa de malla és l’escalabilitat i la redundància. Quan un node individual deixa de funcionar, un node remot pot conversar amb qualsevol altre tipus de node dins de l'interval i reenviar el missatge cap a la ubicació preferida. A més, l'abast de la xarxa no es restringeix automàticament a l'interval entre nodes individuals, sinó que pot ampliar-se simplement afegint diversos nodes al sistema.

El principal inconvenient d’aquest tipus de xarxa és la utilització d’energia per als nodes de xarxa que executen les comunicacions, com ara el multi-salt, normalment són més elevats que altres nodes que no tenen aquesta capacitat de limitar la vida de la bateria amb freqüència. A més, quan el nombre de llúpols de comunicació augmenta cap a una destinació, el temps que es triga a enviar el missatge també augmentarà, sobretot si el procés de baixa potència dels nodes és una necessitat.

Xarxa Hybrid Star - Mesh

Un híbrid entre les dues xarxes com l’estrella i la malla proporciona una xarxa de comunicacions sòlida i flexible alhora que manté el consum d’energia dels nodes de sensors sense fils al mínim. En aquest tipus de topologia de xarxa, els nodes del sensor amb menys potència no poden transmetre els missatges.
Això permet mantenir el mínim consum d'energia.

Tanmateix, es permeten altres nodes de xarxa amb la capacitat de multi-salt, ja que els permet transmetre missatges d'un node a un altre a la xarxa. Normalment, els nodes amb capacitat multi-hop tenen una potència elevada i sovint es connecten a la xarxa elèctrica. Aquesta és la topologia implementada a través de la propera xarxa de malla estàndard anomenada ZigBee.

Estructura d’un node de sensor sense fils

Els components que s’utilitzen per fabricar un node de sensor sense fils són diferents unitats com la detecció, processament, transceptor i alimentació. També inclou components addicionals que depenen d’una aplicació com un generador d’energia, un sistema de localització i un activador. Generalment, les unitats de detecció inclouen dues subunitats, és a dir, ADC i sensors. Aquí els sensors generen senyals analògics que es poden canviar a senyals digitals amb l'ajut d'ADC, després que es transmet a la unitat de processament.

En general, aquesta unitat es pot associar a través d’una petita unitat d’emmagatzematge per gestionar les accions que fan funcionar el node sensor amb els altres nodes per aconseguir les tasques de detecció assignades. El node del sensor es pot connectar a la xarxa amb l'ajuda d'una unitat transceptora. Al node sensor, un dels components essencials és un node sensor. Les unitats de potència són compatibles amb unitats de captació de potència com les cèl·lules solars, mentre que les altres subunitats depenen de l'aplicació.

Es mostra un diagrama de blocs funcionals dels nodes de detecció sense fils. Aquests mòduls ofereixen una plataforma versàtil per fer front als requisits d’aplicacions àmplies. Per exemple, en funció dels sensors que s’han d’organitzar, es pot fer la substitució del bloc de condicionament del senyal. Això permet utilitzar diferents sensors juntament amb el node de detecció sense fils. De la mateixa manera, l'enllaç de ràdio es pot intercanviar per una aplicació específica.

Característiques de la xarxa de sensors sense fils

Les característiques de WSN inclouen el següent.

• El consum de límits de potència per a nodes amb bateries
• Capacitat per gestionar fallades de node
• Alguna mobilitat dels nodes i heterogeneïtat dels nodes
• Escalabilitat a gran distribució
• Capacitat per garantir unes condicions ambientals estrictes
• Fàcil d'utilitzar
• Disseny de capes creuades

Avantatges de les xarxes de sensors sense fils

Els avantatges de WSN inclouen els següents

• Els arranjaments de la xarxa es poden dur a terme sense infraestructures inamovibles.
• Apte per a llocs no accessibles com muntanyes, sobre el mar, zones rurals i boscos profunds.
• Flexible si hi ha una situació casual quan es requereix una estació de treball addicional.
• Els preus d’execució són econòmics.
• Evita molts cables.
• Pot proporcionar allotjament als dispositius nous en qualsevol moment.
• Es pot obrir mitjançant un control centralitzat.

Aplicacions de xarxa de sensors sense fils

Les xarxes de sensors sense fils poden incloure nombrosos tipus diferents de sensors, com ara una freqüència de mostreig baixa, sísmica, magnètica, tèrmica, visual, infraroja, radar i acústica, que són intel·ligents per controlar una àmplia gamma de situacions ambientals. Els nodes sensorials s’utilitzen per a la detecció constant, identificació d’esdeveniments, detecció d’esdeveniments i control local d’actuadors. Les aplicacions de les xarxes de sensors sense fils inclouen principalment àrees comercials, sanitàries, militars, mediambientals, domèstiques i altres.

Aplicació WSN

• Aplicacions militars
• Aplicacions de salut
• Aplicacions ambientals
• Aplicacions casolanes
• Aplicacions comercials
• Seguiment de la zona
• Seguiment assistencial
• Sensacions ambientals / terrestres
• Seguiment de la contaminació atmosfèrica
• Detecció d'incendis forestals
• Detecció d'esllavissades
• Seguiment de la qualitat de l’aigua
• Seguiment industrial

Per tant, això es tracta del que és un xarxa de sensors sense fils , arquitectura, característiques i aplicacions de xarxa de sensors sense fils. Esperem que tingueu una millor comprensió d’aquest concepte. A més, qualsevol consulta o coneixement idees de projectes de xarxa de sensors sense fils Si us plau, doneu els vostres valuosos suggeriments comentant a la secció de comentaris a continuació. Aquí teniu una pregunta, quins són els diferents tipus de xarxes de sensors sense fils?