Расширение возможностей Wireless Sensor Networks (WSN), что переводится как "беспроводная сенсорная сеть", недавно открыло новую и интересную область их применения.
Что же такое WSN?
WSN описывают как множество миниатюрных сенсорных датчиков, объединенных в сеть, которые отслеживают параметры окружающей их среды, при необходимости обрабатывают данные (с помощью микропроцессоров) и посылают/принимают обработанные данные на/от другие датчики.
Датчики, называемые также узлами, распределенные в окружающей среде, соединены с приемным узлом - в централизованных сетях - или посредством сетевых связей с другими такими же сенсорными датчиками. В централизованных сетях приемник собирает данные датчиков для использования конечным пользователем. Во многих случаях приемник также способен активировать сенсорные узлы посредством широковещательной передачи сетевых политик (правил использования ресурсов сети) и другой управляющей информации.
Как и в случае с любыми другими сетями, существуют три самых главных проблемы проектирования, которые сильно влияют на возможности подключения и производительность всей сети:
- использование сетевых протоколов для минимизации пакетов управления и данных,
- выбор оптимальной топологии путем размещения узлов в нужных местах и
- развертывание алгоритма маршрутизации, который эффективно передает данные через сеть от исходного сенсорного узла к целевому узлу.
Расположение сенсоров в среде может быть неструктурированным или структурированным.
В первом случае сеть считается самоорганизующейся и требует определенного обучения, поскольку после распределения датчиков центра управления узлами не существует, и их единственная роль заключается в мониторинге среды, обработке данных и построении сети путем поиска и подключения к своим соседям.
В структурированной сети положение каждого узла (как датчика, так и приемника) заранее ясно. Поскольку в узлах установлены микропроцессоры, управление и обслуживание сенсорных узлов упрощается. Можно централизованно настроить программное обеспечение, прописать связи между датчиками, а учитывая, что при такой организации, в среде используется меньшее количество узлов, то и стоимость создаваемой сети получить значительно ниже.
Приведем всего лишь два практических примера применения WSN: для мониторинга вулкана и обнаружения пожаров. И в том и в другом случае сенсорные датчики используются в труднодоступной среде, и они могут рассчитывать на питание только от своих батареи (или на сбор энергии, например, от солнечных элементов). Зарядка или замена сенсорных датчиков не производится. Поэтому одной из самых больших проблем в WSN является экономия энергии. Энергоэффективность - основной фактор, определяющий срок службы всей сети.
1.1 Определение требований к WSN
Основные требования, которые применимы к большинству приложений WSN:
- Срок службы: желательно продлить срок службы сети, поскольку чаще всего, датчики становятся недоступны после развертывания.
- Размер сети: в большинстве приложений интерес представляет создание максимально крупной сети, поскольку такая сеть охватывает больше зон обслуживания и, следовательно, контролирует больше событий.
- Минимизация отказов: если в сети присутствуют неисправности, то можно говорить о неполноте формируемых ею данных. На уровне датчика это означает, что мониторинг окружающей среды осуществляется некорректно, и многие события, которые мониторит сеть могут быть пропущены. При передаче на приемник это означает, что высока вероятность потери пакетов информации; в обоих случаях знание об окружающей среде будет неполным, и собранные данные не могут считаться надежными.
Эти требования определяют следующие критерии в протоколах связи:
- Более низкое потребление энергии: это прямое следствие необходимости увеличения срока службы датчиков, поскольку максимальное энергопотребление происходит в момент передачи информации между этими датчиками (и приемником данных), а сам датчик обладает ограниченным энергетическим ресурсом.
- Совместимость с режимом ретрансляции: как правило, датчики не имеют прямого канала связи с приемником данных (поскольку энергетические параметры такого канала ухудшаются пропорционально квадрату расстояния); поэтому предпочтительно, чтобы датчики использовали другие датчики для ретрансляции информации до приемника.
- Масштабируемость: протокол связи должен быть надежным с точки зрения установления и хранения возможности соединения среди датчиков. Этот протокол должен продолжать работать нормально, даже при условии, что размер сети увеличивается.
- Надежность: надежная передача данных в условиях потери пакетов является одной из основных задач обеспечения высокой степени эффективности систем мониторинга и управления.
Таким образом, использование энергоэффективных методов связи с учетом возможности переприема, масштабируемости и надежности является весьма желательным. В результате будет увеличен срок службы сети.
Продолжение следует
