Bezdrátové senzorové sítě: Přehled, komponenty a využití
Bezdrátové senzorové sítě (WSN), zkráceně WSN, jsou systémy, které pomocí sítě senzorů detekují a reagují na fyzikální a environmentální podmínky, jako je teplota, tlak, osvětlení a další.
Vývoj v oblasti bezdrátových technologií a senzorů na bázi mikroelektromechanických systémů (MEMS) umožnil inteligentní nasazení energeticky úsporných senzorů v širokém spektru aplikací. To vedlo k vytvoření cenově dostupných WSN pro použití v armádě i v civilním sektoru.
V následujícím textu se seznámíme s různými typy WSN, jejich klíčovými prvky, oblastmi použití a také si rozebereme jejich výhody a nevýhody.
Co je to síť?
Síť je definována jako systém propojených zařízení, který umožňuje výměnu dat a sdílení prostředků. Tato zařízení používají komunikační protokoly, jako je TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP, které stanovují pravidla pro přenos dat prostřednictvím bezdrátových nebo kabelových spojení.
Obecně rozlišujeme dva hlavní typy sítí: kabelové a bezdrátové. Tyto dva typy se liší v aspektech jako rychlost přenosu dat, bezpečnost, komunikační dosah a cena.
Kabelové sítě jsou charakterizovány fyzickým propojením zařízení pomocí kabelů, zatímco bezdrátové sítě spoléhají na rádiové vlny pro spojení mezi zařízeními. Existuje mnoho bezdrátových technologií, jako je Wi-Fi, Bluetooth a další.
Bezdrátové senzorové sítě (WSN), jak již název napovídá, spadají do kategorie bezdrátových technologií a komunikace v nich probíhá prostřednictvím rádiových signálů.
Co je to bezdrátová senzorová síť (WSN)?
Bezdrátová senzorová síť (WSN) je seskupení specializovaných senzorů, které jsou rozmístěny na různých místech v rámci určité struktury. Tyto senzory slouží k zaznamenávání a monitorování fyzických parametrů okolního prostředí a k organizovanému přenosu shromážděných dat na centrální místo.
Mezi sledované fyzikální parametry patří například teplota, tlak, rychlost větru a vlhkost.
Zdroj obrázku: electronicshub
WSN se skládá z několika základnových stanic a uzlů, které bezdrátově spolupracují. Struktura WSN může být implementována čtyřmi různými způsoby: bod-bod, hvězda, strom a síť.
Rozvržení WSN se dá také rozdělit do pěti kategorií podle fyzického prostředí: podzemní, pozemní, podvodní, multimediální a mobilní WSN.
Nové typy senzorů využívají technický pokrok k propojení fyzického a digitálního světa a dosahování efektivních výsledků.
WSN se skládají z uzlů se senzory, které detekují změny ve fyzickém prostředí a přenášejí shromážděná data do základnové stanice k další analýze a generování výstupních zpráv.
Integrace bezdrátových senzorových sítí s GPS nebo RFID může zlepšit pokrytí a vytvořit sofistikované systémy pro sledování a monitorování.
Hlavním cílem WSN je shromažďovat informace o okolním prostředí pro zvýšení bezpečnosti, produktivity, prevenci nehod a zároveň chránit životní prostředí.
Komponenty WSN
Nyní se podíváme na seznam komponent, ze kterých se WSN skládá. WSN má v zásadě dvě hlavní části: senzorový uzel a síťovou architekturu.
Senzorový uzel
Senzorový uzel se skládá z následujících komponent:
- Napájení: Slouží k napájení všech komponent v síti.
- Senzorová jednotka: Skládá se ze senzoru a ADC (analogově-digitálního převodníku). Senzor sbírá analogová data a ADC je převádí do digitální podoby. Senzorové uzly mají kromě snímání také komponenty pro zpracování, komunikaci a ukládání dat. Senzorový uzel shromažďuje a analyzuje fyzikální data a spojuje je s daty z jiných senzorů.
- Procesorová jednotka: Tvoří ji paměť a mikroprocesor. Tato jednotka inteligentně zpracovává data.
- Komunikační systém: Jedná se o rádiový systém pro odesílání a přijímání dat.
- Základnová stanice: Je to speciální uzel s velkým výpočetním výkonem a schopností zpracování dat.
Zdroj obrázku: electronicshub
Cluster head (vedoucí clusteru): Je to uzel s velkou šířkou pásma, který se používá k provádění operací fúze a agregace dat v rámci WSN. V závislosti na systémových požadavcích a konkrétních aplikacích může být v jednom clusteru i více vedoucích uzlů.
V bezdrátové senzorové síti (WSN) komunikuje senzorový uzel s dalšími senzorovými uzly rozmístěnými v rozsáhlých oblastech pro monitorování fyzického prostředí a se základnovou stanicí (BS) prostřednictvím bezdrátové komunikace. Senzorové uzly sbírají data a odesílají je do základnové stanice. Základnové stanice zpracovávají data a sdílejí aktualizované informace s uživateli online.
Síťová architektura
Pokud jsou všechny senzorové uzly propojeny přímo se základnovou stanicí, nazývá se to architektura sítě s jedním hopem (single-hop). Při přenosu dat na velké vzdálenosti se spotřebuje více energie než při sběru a výpočtu dat. V těchto situacích se proto běžně využívá architektura sítě s více hopem (multi-hop), která využívá mezilehlé uzly namísto přímého spojení mezi senzorovým uzlem a základnovou stanicí.
Zdroj obrázku: electronicshub
Tyto struktury se dají implementovat dvěma způsoby: jako plochá (flat) nebo hierarchická architektura.
V ploché architektuře základnová stanice řídí všechny senzorové uzly a senzorové uzly vzájemně komunikují pomocí víceskokové cesty.
V hierarchické síťové architektuře přijímají vedoucí clusterů data ze skupiny senzorových uzlů a předávají je dále do základnové stanice.
Další komponenty WSN
- Releový uzel: Používá se pro komunikaci se sousedními uzly. Zvyšuje spolehlivost sítě a nemá procesní senzor ani řídicí zařízení.
- Aktivační uzel (Actor node): Jedná se o výkonný uzel, který se používá k provádění a realizaci rozhodnutí na základě požadavků konkrétní aplikace. Tyto uzly jsou obvykle vybavena pokročilými schopnostmi zpracování dat, vysokým přenosovým výkonem a dlouhou výdrží baterie.
- Brána: Brána slouží jako rozhraní mezi senzorovými sítěmi a vnějšími sítěmi. Ve srovnání se senzorovým uzlem a vedoucím clusteru má brána největší programovou i datovou paměť, výkonnější procesor, delší dosah transceiveru a možnost rozšíření pomocí externí paměti.
Typy bezdrátových senzorových sítí (WSN)
Rozlišujeme pět různých typů WSN:
- Podvodní: Bezdrátové senzorové sítě pod vodou využívají senzorové uzly a podvodní vozidla ke sběru dat. Vyznačují se vysokou latencí a problémy se selháním senzorů. Mají také omezenou výdrž baterie, kterou není možné dobíjet.
- Podzemní: Tento typ sítí monitoruje podmínky pod zemským povrchem, přičemž uzly Sink umístěné nad zemí přenášejí data do základnové stanice. Z důvodu nákladného vybavení a údržby jsou dražší než pozemní sítě.
- Pozemní: Tento typ sítě se používá na souši k monitorování podmínek prostředí v různých oblastech. Tisíce bezdrátových senzorových uzlů v pozemních WSN jsou rozmístěny buď ad hoc nebo podle předem naplánované struktury pro efektivní komunikaci se základnovými stanicemi.
- Multimediální: WSN mohou monitorovat multimediální události, jako je video, obrázky a zvuk. Používají cenově dostupné senzorové uzly s kamerami a mikrofony, které se bezdrátově připojují, načítají, komprimují a propojují shromážděná data.
- Mobilní: Mobilní WSN se skládají ze senzorových uzlů, které se mohou pohybovat a komunikovat při vykonávání monitorovacích funkcí. Mobilní bezdrátové senzorové sítě nabízejí větší flexibilitu, širší pokrytí, lepší kapacitu kanálů a šetří energii ve srovnání se stacionárními senzorovými sítěmi.
Výběr typu WSN závisí na konkrétní aplikaci a požadavcích daného prostředí.
Různé struktury WSN
Existují čtyři základní typy síťových struktur, jejichž implementace ovlivňuje latenci, kapacitu a odolnost, protože se s různými strukturami mění způsob směrování a zpracování dat. Před implementací struktury WSN by proto mělo být známo hodnocení požadavků a povahy dané aplikace.
Uzly mohou být také propojeny s internetem a přenášet data do cloudové platformy pro další analýzu.
Zdroj obrázku: Researchgate
- Struktura bod-bod nebo sběrnicová: V této síti senzory komunikují přímo mezi sebou bez potřeby centrálního rozbočovače. Tato struktura se používá široce a poskytuje bezpečnou komunikaci.
- Struktura hvězdy: Hvězdicová síť využívá základnovou stanici jako centrální rozbočovač pro komunikaci se všemi senzory. Její implementace je jednoduchá a vyžaduje nízkou spotřebu energie. Jednou z nevýhod této struktury je závislost na jediné základnové stanici pro veškerou komunikaci.
- Stromová nebo hybridní struktura: Skládá se z kombinace struktur bod-bod a hvězda. V této struktuře jsou senzory uspořádány ve stromové konfiguraci a přenos dat probíhá mezi nimi skrze jednotlivé větve. Spotřebovává méně energie než ostatní struktury.
- Síťová struktura: V této struktuře dochází k přenosu dat mezi senzory v rámci jejich dosahu pro komunikaci s více hopem, a to bez potřeby centrální základnové stanice. Senzory mohou využívat mezilehlé senzory pro přenos dat k senzorům, které se nacházejí mimo jejich radiový dosah. Díky tomu se vyznačuje škálovatelností a redundancí. Považuje se za nejspolehlivější, protože neexistuje jediný bod selhání, ale na druhou stranu vyžaduje více energie.
Aplikace WSN
WSN se široce využívají v mnoha odvětvích, kde je vyžadováno měření, monitorování nebo sledování. Pokrývají velké plochy a měří teplotu, zvuk a další parametry v různých aplikacích.
- Používají se k monitorování oblastí nasazením senzorů, které detekují pokusy o narušení, proto se často využívají v armádě k detekci nepřátelských invazí.
- Jsou oblíbené pro civilní využití, jako je těžba, zdravotnictví, dohled, zemědělství a další monitorovací aktivity.
- Bezdrátové senzorové uzly detekují zaparkovaná vozidla pomocí magnetometrů, zatímco pro sledování lze využít mikroradary a magnetometry.
- WSN jsou velmi populární při monitorování životního prostředí, například při prevenci přírodních katastrof, detekci sesuvů půdy, monitorování kvality vody, detekci lesních požárů a monitorování biotopů. Jsou rovněž široce uznávány v průmyslových monitorovacích řešeních, jako je sledování stavu strojů, odpadní vody, strukturální integrity a podobně.
Výhody a nevýhody bezdrátových senzorových sítí
V této sekci se zaměříme na výhody a nevýhody WSN:
Výhody
- WSN jsou preferovány před kabelovými monitorovacími systémy z důvodu jejich pohodlí, spolehlivosti, cenové dostupnosti a jednoduché instalace.
- WSN eliminují potřebu používat kabely.
- K přednostem WSN patří: přesnost snímání, rozsah pokrytí, odolnost vůči poruchám, konektivita, malá potřeba lidského zásahu, funkčnost v náročných podmínkách a dynamické plánování senzorů.
- Umožňují centrální monitorování všech uzlů v rámci WSN.
- Snadno se přizpůsobí fyzickým rozdělením.
- Podporují směrovací protokoly pro komunikaci v prostředích s omezeným výkonem a šířkou pásma. Umožňují vytváření samoorganizujících se ad hoc sítí, které využívají vícehopovou komunikaci.
- Využívají bezpečnostní algoritmy založené na bezdrátové technologii pro vytvoření spolehlivé sítě pro uživatele.
- Umožňují snadnou integraci nových uzlů nebo zařízení pro škálovatelnost.
Nevýhody
- WSN se potýkají s výzvami jako je omezená šířka pásma, vysoká spotřeba energie, vysoké náklady na uzly, náročný způsob nasazení a omezení hardwaru a softwaru.
- Bezdrátové senzorové sítě jsou náchylné k útokům hackerů.
- WSN jsou určeny pro aplikace s nízkou rychlostí a nejsou vhodné pro vysokorychlostní komunikaci.
- Vybudování sítí WSN je nákladné.
- Celá síť se může vypnout ve WSN, které jsou založené na hvězdicové topologii, pokud dojde k selhání centrálního uzlu.
Výukové zdroje
#1. Budování bezdrátových senzorových sítí pomocí Arduina
Kniha o vytváření bezdrátové sítě s nízkou spotřebou energie pomocí zařízení Arduino a XBee. Zahrnuje vysvětlení vývoje složitých projektů prostřednictvím názorných příkladů. Kniha obsahuje podrobné obrázky a snímky obrazovky a popisuje projekt domácí automatizace, který je možné sledovat, nebo jej upravit dle potřeby.
Dozvíte se, jak bezdrátově propojit desky Arduino pomocí modulů XBee a ovládat prostředí na základě zpětné vazby ze senzorů v síti. Můžete využít software XCTU v systémech Windows, OS X nebo Linux pro sběr dat ze senzorů a jejich ukládání v cloudové platformě nebo v osobní databázi. Také je možné komunikovat se zařízeními ZigBee Home Automation.
Tuto knihu mohou využít vývojáři vestavěných systémů a nadšenci s porozuměním pro Arduino k rozšíření svých projektů pomocí bezdrátových technologií.
#2. Budování bezdrátových senzorových sítí: pomocí ZigBee, XBee, Arduino a Processing
Tato kniha klade důraz na budování sítě ZigBee pomocí rádií XBee a Arduina, které stojí méně než 100 USD. Můžete vytvářet nastavitelné systémy pro snímání a ovládání a získat znalosti o složitosti XBee, jako je správa napájení a směrování zdrojů. Můžete rovněž vyvinout brány pro propojení s přilehlými sítěmi včetně internetu.
Tato kniha pomůže různým jednotlivcům získat znalosti a dovednosti pro realizaci svých projektů pomocí příkladů v každé kapitole. Knihu ocení vynálezci, kutilové, studenti, fandové i vědci.
Je to skvělý zdroj pro vytváření inteligentních interaktivních zařízení. Senzorové systémy jsou dostupné díky použití bezdrátového síťového protokolu ZigBee a rádií XBee Series 2.
#3. Průmyslové bezdrátové senzorové sítě (IWSN): Protokoly a aplikace
Tato publikace představuje nové výzkumné poznatky v oblasti průmyslových bezdrátových senzorových sítí. Příspěvky obsažené ve speciálním vydání přispívají k pokroku ve výzkumu IWSN. Očekává se, že budou inspirací pro další výzkum a zavádění.
IWSN jsou zásadní z důvodu rostoucího využití bezdrátových senzorových sítí v každodenním životě a průmyslu, které vyžadují vysokou robustnost, spolehlivost a dodržování časových norem v každé vrstvě sítě.
#4. Budování bezdrátových senzorových sítí s ESP32 LoRa
Tato příručka je zaměřena na implementaci základní bezdrátové senzorové sítě (WSN) s ESP32 v síti LoRa.
Zabývá se různými tématy, jako je příprava vývojového prostředí, konfigurace ESP32 LoRa, odesílání a přijímání dat, zpracování přerušení přijímače LoRa, vysílání zpráv v síti LoRa a vytvoření aplikace WSN s ESP32 LoRa.
Závěrečná slova
Bezdrátové senzorové sítě (WSN) se staly nepostradatelné pro různé monitorovací a sledovací aplikace. WSN prošly vývojem od základního monitorování senzorů k pokročilému snímání, zpracování a analýze.
Technologie WSN se výrazně proměnila, aby shromažďovala cenné informace a poskytovala požadované výsledky.
Doporučujeme také se podívat na fungování modelu architektury protokolu TCP/IP.