WSN, zkratka pro Wireless Sensor Networks, detekuje a reaguje na fyzické a okolní podmínky, jako je teplo, tlak, světlo atd., prostřednictvím své senzorové sítě.
Pokroky v bezdrátové technologii a senzory Micro Electro Mechanical System (MEMS) umožnily inteligentní nasazení nízkoenergetických senzorů v široké oblasti a vytvořily levné WSN pro vojenské a civilní aplikace.
V níže uvedené části probereme typy WSN, jejich součásti a aplikace a jejich výhody a nevýhody a aplikace.
Table of Contents
Jaký je význam sítě?
Síť spojuje zařízení, která umožňují výměnu informací a sdílení zdrojů. Tato integrovaná zařízení využívají komunikační protokoly jako TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP atd., což je soubor pravidel pro přenos dat přes bezdrátové nebo drátové sítě.
V zásadě existují dva typy sítí: drátové a bezdrátové. Kabelové a bezdrátové sítě se liší v závislosti na rychlosti přenosu dat, zabezpečení dat, dosahu komunikace a ceně.
Kabelová síť je kategorizována podle vzájemného propojení zařízení fyzickými kabely, zatímco bezdrátové sítě jsou pro připojení zařízení závislé na rádiových vlnách. K dispozici jsou různé bezdrátové technologie, jako je Wi-Fi, Bluetooth atd.
Wireless Sensor Network (WSN), jak název napovídá, je bezdrátová technologie a komunikace probíhá prostřednictvím rádiových signálů.
Co je to bezdrátová senzorová síť (WSN)?
Bezdrátová senzorová síť, také nazývaná WSN, je soubor specializovaných senzorů uspořádaných na různých místech ve specifických strukturách pro záznam a monitorování fyzických parametrů prostředí a organizování výsledných dat na centralizovaném místě.
Mezi tyto fyzikální parametry patří mimo jiné teplota, tlak, vítr a vlhkost.
Obrazový kredit: electronicshub
Síť WSN obsahuje základnové stanice a uzly umístěné na různých místech, které spolu bezdrátově interagují. Strukturu WSN lze implementovat pomocí čtyř odlišných přístupů, jmenovitě typu point-to-point, hvězda, strom a síť.
Uspořádání WSN lze kategorizovat do pěti typů na základě fyzického prostředí: podzemní, pozemní, podvodní, multimediální a mobilní WSN.
Nové návrhy senzorů využívají inženýrské a technologické pokroky k přemostění fyzické a digitální sféry pro efektivní výsledky.
WSN se skládá z uzlů se senzory detekujícími fyzické a environmentální změny, které přenášejí data do základnové stanice pro analýzu a výstupní zprávy.
Integrace bezdrátových senzorových sítí s GPS nebo RFID může zlepšit pokrytí a vytvořit sofistikované sledovací nebo monitorovací systémy.
Cílem WSN je shromažďovat informace o životním prostředí za účelem zvýšení bezpečnosti, produktivity a prevence nehod a zároveň chránit životní prostředí.
Součásti WSN
Podívejme se na seznam komponent, které tvoří WSN. WSN má převážně dvě části: Sensor Node a Network Architecture.
Senzorový uzel
Senzorový uzel se skládá z níže uvedených součástí:
- Napájení: K napájení všech součástí sítě.
- Snímací jednotka: Skládá se ze snímače a ADC (analogově digitálního převodníku). Senzor shromažďuje analogová data a ADC je mění na digitální formát. Senzorové uzly mají nejen funkci snímání, ale také komponenty pro zpracování, komunikaci a úložiště. Sensor Node shromažďuje a analyzuje fyzická data a koreluje a spojuje je s daty z jiných senzorů.
- Procesní jednotka: Skládá se z paměti a mikroprocesoru. Inteligentně zpracovává a manipuluje s daty.
- Komunikační systém: Rádiový systém pro přenos a příjem dat.
- Základnová stanice: Je to mimořádný uzel s vysokou výpočetní energií a schopností zpracování.
Obrazový kredit: electronicshub
Cluster head: Jedná se o uzel s velkou šířkou pásma používaný k provádění funkcí fúze dat a agregace dat ve WSN. Na základě systémových požadavků a aplikací bude uvnitř clusteru více než jedna hlava clusteru.
V bezdrátové senzorové síti (WSN) komunikuje senzorový uzel s dalšími senzorovými uzly rozmístěnými ve velkých oblastech za účelem monitorování fyzického prostředí a základní stanice (BS) prostřednictvím bezdrátové komunikace. Senzorové uzly shromažďují data a odesílají je do základnové stanice. Základnové stanice zpracovávají data a sdílejí aktualizované informace s uživateli online.
Síťová architektura
Když jsou všechny senzorové uzly připojeny k základnové stanici, nazývá se to single-hop network architecture. Když jsou data přenášena na velké vzdálenosti, spotřebovává více energie než sběr a výpočet dat, takže v takových případech se běžně používá multi-hop síťová architektura s využitím mezilehlých uzlů namísto singulárního spojení spojujícího senzorový uzel se základnovou stanicí.
Obrazový kredit: electronicshub
Tyto struktury lze implementovat dvěma způsoby: Architektura ploché sítě a architektura hierarchické sítě.
V ploché architektuře základní stanice řídí všechny senzorové uzly a senzorové uzly reagují prostřednictvím uzlů rovnocenných uzlů pomocí víceskokové cesty.
V hierarchické síťové architektuře přijímají hlavy klastru informace ze skupiny uzlů senzorů a předávají data do základnové stanice.
Další součásti WSN
- Reléový uzel: Pro komunikaci se sousedním uzlem se používá uzel uprostřed. Zvyšuje spolehlivost sítě a nemá procesní senzor ani řídicí zařízení.
- Actor node: High-end uzel se používá k provedení a konstrukci rozhodnutí v závislosti na požadavcích aplikace. Tyto uzly jsou obvykle zařízení bohatá na zdroje vybavená vysoce kvalitními schopnostmi zpracování, vysokým přenosovým výkonem a výdrží baterie.
- Brána: Brána je rozhraní mezi sítěmi senzorů a vnějšími sítěmi. Ve srovnání se senzorovým uzlem a hlavou clusteru je uzel brány nejvýkonnější z hlediska programové a datové paměti, použitého procesoru, dosahu transceiveru a možnosti rozšíření prostřednictvím externí paměti.
Typy bezdrátových senzorových sítí (WSN)
Existuje pět různých typů WSN:
- Pod vodou: Bezdrátová síť senzorů pod vodou využívá ke sběru dat uzly senzorů a vozidla pod vodou. Má vysokou latenci a problémy se selháním senzoru a má omezené nedobíjecí baterie.
- Podzemí: Tento typ monitoruje podmínky v podzemí, protože fungují zcela pod zemí a uzly Sink umístěné nad zemí přenášejí data do základnové stanice. Stojí to více než pozemní sítě kvůli drahému vybavení a údržbě.
- Pozemní: Tento typ sítě se používá na souši k monitorování podmínek prostředí v různých oblastech. Tisíce bezdrátových senzorových uzlů v pozemních WSN jsou rozmístěny v ad hoc nebo předem naplánované struktuře pro efektivní komunikaci se základnovými stanicemi.
- Multimédia: WSN mohou sledovat a monitorovat multimediální události, jako je video, obrázky a zvuk. Mají cenově dostupné senzorové uzly s kamerami a mikrofony, které se bezdrátově připojují, načítají, komprimují a korelují data.
- Mobilní: Mobilní WSN se skládají ze senzorových uzlů, které se mohou pohybovat a komunikovat při provádění funkcí snímání. Mobilní bezdrátové senzorové sítě nabízejí větší flexibilitu, širší pokrytí, lepší kapacitu kanálů a šetří energii ve srovnání se stacionárními senzorovými sítěmi.
Nasazení typu WSN je založeno na aplikačních a pozemních požadavcích.
Různé struktury WSN
Existují čtyři typy síťových struktur, ale jejich implementace ovlivňuje latenci, kapacitu a robustnost, protože se mění směrování a zpracování dat s různými strukturami sítě. Před nasazením struktury WSN by tedy mělo být známé posouzení požadavků a povahy aplikace.
Uzly lze také propojit s internetem a přenášet data do cloudové platformy pro další analýzu.
Obrazový kredit: Researchgate
- Struktura point-to-point nebo sběrnice: Senzory v této síti mohou mezi sebou komunikovat přímo bez jakéhokoli centrálního rozbočovače. Tato struktura je široce používána a poskytuje bezpečnou komunikaci.
- Struktura hvězdy: Síť hvězdy používá základnovou stanici jako centrální rozbočovač pro komunikaci se všemi senzory a její implementace je jednoduchá a vyžaduje nízkou spotřebu energie. Jednou z nevýhod této struktury je závislost na jediné základnové stanici pro komunikaci.
- Stromová nebo hybridní struktura: Skládá se z dvoubodových a hvězdných struktur. V této struktuře jsou senzory uspořádány ve stromové konfiguraci a přenos dat probíhá prostřednictvím větví mezi nimi. Spotřebovává méně energie než jiné struktury.
- Síťová struktura: V této struktuře dochází k přenosu dat mezi senzory v rámci jejich přenosových rozsahů pro multi-hop komunikaci bez potřeby centrální základnové stanice. Senzory mohou používat mezilehlé senzory k přenosu dat do senzorů mimo oblast jejich rádiového pokrytí. Proto je známý pro škálovatelnost a redundanci. Je považován za nejspolehlivější, protože neexistuje jediný bod selhání, ale vyžaduje více energie.
Aplikace WSN
WSN se široce používají v mnoha sektorech, kde je vyžadováno měření, sledování nebo dohled. Rozprostírají se po ploše a měří teplotu, zvuk a další parametry v různých aplikacích.
- Používají se k monitorování oblastí nasazením senzorů k detekci pokusů o narušení, takže jsou široce používány v armádě k detekci nepřátelských invazí.
- Jsou oblíbené mezi civilními aplikacemi, jako je těžba, zdravotnictví, dohled, zemědělství a další monitorovací podmínky.
- Bezdrátové senzorové uzly detekují zaparkovaná vozidla pomocí magnetometrů, zatímco pro sledování lze použít mikroradary a magnetometry.
- WSN je velmi populární v monitorování a snímání životního prostředí/země, jako je prevence přírodních katastrof, detekce sesuvů půdy, monitorování kvality vody, detekce lesních požárů a monitorování biotopů. Také široce uznávaný napříč průmyslovými monitorovacími řešeními, jako je zdraví strojů, odpadní voda, strukturální zdraví atd.
Výhody a nevýhody bezdrátových senzorových sítí
V této části se podíváme na výhody a nevýhody WSN:
Výhody
- WSN jsou preferovány před kabelovými monitorovacími systémy kvůli jejich pohodlí, spolehlivosti, cenové dostupnosti a snadnému nasazení.
- WSN eliminuje potřebu kabelů nebo drátů.
- Odbornost WSN je způsobena mnoha faktory: přesností snímání, rozsahem pokrytí, odolností proti chybám, konektivitou, malým zapojením lidí, funkčností v náročných podmínkách a dynamickým plánováním senzorů.
- Umožňuje centralizované monitorování všech uzlů v rámci WSN.
- Bez problémů se přizpůsobí fyzickým oddílům.
- Směrovací protokoly pro komunikaci v prostředí s omezeným výkonem a šířkou pásma, vytváření samoorganizujících se ad hoc sítí, které využívají multi-hop komunikaci.
- Využívá bezpečnostní algoritmy založené na bezdrátové technologii k vytvoření spolehlivé sítě pro uživatele.
- Umožňuje snadnou integraci nových uzlů nebo zařízení pro škálovatelnost.
Nevýhody
- WSN čelí výzvám, jako je omezená šířka pásma, vysoká spotřeba energie, drahé náklady na uzly, modely nasazení a omezení návrhu hardwaru/softwaru.
- Bezdrátové senzorové sítě jsou náchylné k hackerům.
- WSN jsou navrženy pro nízkorychlostní aplikace a nevhodné pro vysokorychlostní komunikaci.
- Vybudování sítí WSN je drahé.
- Celá síť se může vypnout ve WSN založených na hvězdicové topologii, pokud centrální uzel selže.
Výukové zdroje
#1. Budování bezdrátových senzorových sítí pomocí Arduina
Kniha o budování bezdrátové sítě s nízkou spotřebou energie pomocí zařízení Arduino a XBee. Zahrnuje vysvětlení vývoje složitých projektů prostřednictvím názorných příkladů. Kniha poskytuje podrobné obrázky a snímky obrazovky a vysvětluje projekt domácí automatizace, který lze sledovat tak, jak je, nebo jej upravit.
Dozvíte se, jak bezdrátově propojit desky Arduino pomocí modulů XBee a ovládat prostředí na základě zpětné vazby ze síťových senzorů. Použijte software XCTU na Windows, OS X nebo Linux pro sběr dat ze senzorů a jejich ukládání v cloudové platformě nebo osobní databázi. Také komunikujte se zařízeními ZigBee Home Automation.
Tuto knihu mohou použít vývojáři vestavěných systémů a nadšenci s porozuměním pro Arduino k rozšíření svých projektů pomocí bezdrátové technologie.
#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. Vytvářejte nastavitelné systémy snímání a ovládání a získejte znalosti o složitosti XBee, jako je správa napájení a směrování zdrojů. Vyvinout brány pro propojení s přilehlými sítěmi včetně internetu.
Tato kniha pomůže různým jednotlivcům získat znalosti a dovednosti, aby mohli realizovat své projekty tím, že budou následovat příklady v každé kapitole, včetně vynálezců, hackerů, řemeslníků, studentů, fandů a vědců.
Je to skvělý zdroj pro vytváření inteligentních interaktivních gadgetů a senzorové systémy jsou dostupné s využitím bezdrátového síťového protokolu ZigBee a rádií XBee Series 2.
#3. Průmyslové bezdrátové senzorové sítě (IWSN): Protokoly a aplikace
Tato publikace představuje nové výzkumné poznatky o průmyslových bezdrátových senzorových sítích. Příspěvky obsažené ve zvláštním vydání přispívají k pokroku ve výzkumu IWSN a očekává se, že budou inspirací pro další výzkum a nasazení.
IWSN jsou zásadní kvůli rostoucímu používání bezdrátových senzorových sítí v každodenním životě a průmyslu, které mají vysokou robustnost, spolehlivost a standardy včasnosti v každé síťové vrstvě.
#4. Budování bezdrátových senzorových sítí s ESP32 LoRa
Tato příručka je zaměřena na implementaci základní bezdrátové senzorové sítě (WSN) s ESP32 v síti LoRa.
Pokrývá různé předměty, 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 životně důležitými pro různé monitorovací a sledovací aplikace. WSN pokročilo od základního monitorování senzorů k pokročilému snímání, zpracování a analýze.
Technologie WSN se výrazně proměnila, aby shromáždila cenné znalosti a poskytla požadované výsledky.
Dále zkontrolujte fungování modelu architektury protokolu TCP/IP.