Trådløs sensor nettverksarkitektur og dens applikasjoner

For tiden, WSN (trådløst sensornettverk) er de mest vanlige tjenestene som brukes i kommersielle og industrielle applikasjoner, på grunn av den tekniske utviklingen innen prosessor, kommunikasjon og lavt strømforbruk av innebygde databehandlingsenheter. Den trådløse sensornettverksarkitekturen er bygget med noder som brukes til å observere omgivelsene som temperatur, fuktighet, trykk, posisjon, vibrasjon, lyd osv. Disse nodene kan brukes i forskjellige sanntidsapplikasjoner for å utføre forskjellige oppgaver som smart deteksjon, en oppdagelse av nabo-noder, databehandling og lagring, datainnsamling, måtsporing, overvåke og kontrollere, synkronisering, nodelokalisering og effektiv ruting mellom basestasjonen og noder. For tiden begynner WSN-er å bli organisert i et forbedret trinn. Det er ikke vanskelig å forvente at om 10 til 15 år vil verden bli beskyttet med WSN-er med hovedrett til dem via Internett. Dette kan måles slik at Internett blir et fysisk n / w. Denne teknologien er spennende med uendelig potensial for mange bruksområder som medisinsk, miljømessig, transport, militær, underholdning, hjemlandsforsvar, krisehåndtering og også smarte rom.

Hva er et trådløst sensornettverk?

En trådløs Sensor Network er en slags trådløst nettverk som inkluderer et stort antall sirkulerende, selvstyrte, små, lavdrevne enheter som heter sensornoder kalt motes. Disse nettverkene dekker absolutt et stort antall romlig distribuerte, små, batteridrevne, innebygde enheter som er nettverksmessig for å omsorgsfullt samle inn, behandle og overføre data til operatørene, og det har kontrollert kapasiteten til databehandling og prosessering. Noder er små datamaskiner, som fungerer sammen for å danne nettverk.

Trådløst sensornettverk

Sensornoden er en multifunksjonell, energieffektiv trådløs enhet. Anvendelsene av motes i industri er utbredt. En samling sensornoder samler inn data fra omgivelsene for å oppnå spesifikke applikasjonsmål. Kommunikasjonen mellom motene kan gjøres med hverandre ved hjelp av transceivers. I et trådløst sensornettverk kan antall motes være i størrelsesorden hundrevis / til og med tusenvis. I motsetning til sensor n / ws vil Ad Hoc-nettverk ha færre noder uten struktur.

Trådløs sensor nettverksarkitektur

Den vanligste trådløse sensornettverksarkitekturen følger OSI-arkitekturmodellen. Arkitekturen til WSN inkluderer fem lag og tre krysslag. For det meste i sensor n / w krever vi fem lag, nemlig applikasjon, transport, n / w, datalink og fysisk lag. De tre kryssplanene er nemlig strømstyring, mobilitetsstyring og oppgavestyring. Disse lagene av WSN brukes til å oppnå n / w og få sensorene til å fungere sammen for å øke nettverkets totale effektivitet. Følg lenken nedenfor for Typer trådløse sensornettverk og WSN-topologier

Typer av WSN-arkitekturer

Arkitekturen som brukes i WSN er sensornettverksarkitektur. Denne typen arkitektur kan brukes på forskjellige steder som sykehus, skoler, veier, bygninger, så vel som den brukes i forskjellige applikasjoner som sikkerhetsstyring, katastrofehåndtering og krisehåndtering etc. Det er to typer arkitekturer som brukes i trådløs sensor nettverk som inkluderer følgende. Det finnes to typer trådløse sensorarkitekturer: Layered Network Architecture og Clustered Architecture. Disse blir forklart som følger nedenfor.

• Lagdelt nettverksarkitektur
• Klynget nettverksarkitektur

Lagdelt nettverksarkitektur

Denne typen nettverk bruker hundrevis av sensornoder samt en basestasjon. Her kan ordningen av nettverksnoder gjøres i konsentriske lag. Den består av fem lag samt 3 tverrlag som inkluderer følgende.

De fem lagene i arkitekturen er:

• Applikasjonslag
• Transportlag
• Nettverkslag
• Data Link Layer
• Fysisk lag

De tre tverrlagene inkluderer følgende:

• Strømstyringsplan
• Mobilitetsstyringsplan
• Oppgavehåndteringsplan

Disse tre krysslagene brukes hovedsakelig for å kontrollere nettverket, samt for å få sensorene til å fungere som en for å forbedre den generelle nettverkseffektiviteten. De ovennevnte fem lagene av WSN er diskutert nedenfor.

Trådløs sensor nettverksarkitektur

Applikasjonslag

Applikasjonslaget er ansvarlig for trafikkadministrasjon og tilbyr programvare for mange applikasjoner som konverterer dataene i en klar form for å finne positiv informasjon. Sensornettverk arrangert i mange applikasjoner innen forskjellige felt som landbruks-, militær-, miljø-, medisinsk osv.

Transportlag

Transportlagets funksjon er å levere overbelastning og pålitelighet der mange protokoller ment å tilby denne funksjonen enten er praktiske i oppstrøms. Disse protokollene bruker forskjellige mekanismer for gjenkjenning av tap og gjenoppretting av tap. Transportlaget er nøyaktig nødvendig når et system er planlagt å kontakte andre nettverk.

Å gi en pålitelig tapegjenvinning er mer energieffektiv, og det er en av hovedårsakene til at TCP ikke er egnet for WSN. Generelt kan transportlag skilles i pakkedrevet, hendelsesdrevet. Det er noen populære protokoller i transportlaget, nemlig STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol og PSFQ (pump slow fetch quick).

Nettverkslag

Hovedfunksjonen til nettverkslaget er ruting, det har mange oppgaver basert på applikasjonen, men faktisk er hovedoppgavene i strømsparing, delvis minne, buffere og sensorer har ikke en universell ID og må være selvorganisert.

Den enkle ideen med rutingsprotokollen er å forklare en pålitelig fil og overflødige baner, i henhold til en overbevisende skala kalt metrisk, som varierer fra protokoll til protokoll. Det er mange eksisterende protokoller for dette nettverkslaget, de kan skilles i flat ruting og hierarkisk ruting eller kan skilles i tidsdrevet, spørringsdrevet og hendelsesdrevet.

Data Link Layer

Datalinklaget er ansvarlig for multiplexing av datarammedeteksjon, datastrømmer, MAC og feilkontroll, bekrefter påliteligheten til punkt-punkt (eller) punkt-flerpunkt.

Fysisk lag

Det fysiske laget gir en kant for å overføre en strøm av biter over det fysiske mediet. Dette laget er ansvarlig for valg av frekvens, generering av en bærefrekvens, signaldeteksjon, modulering og datakryptering. IEEE 802.15.4 foreslås som typisk for spesifikke områder med lav hastighet og trådløse sensornettverk med lave kostnader, strømforbruk, tetthet, rekkevidde for kommunikasjon for å forbedre batterilevetiden. CSMA / CA brukes til å støtte stjerne og peer to peer topologi. Det finnes flere versjoner av IEEE 802.15.4.V.

De viktigste fordelene ved å bruke denne typen arkitektur i WSN er at hver node bare involverer overføringer med mindre avstand, lavt strømoverføringer til naboene, på grunn av hvilken strømutnyttelse er lav sammenlignet med andre typer sensornettverksarkitektur. Denne typen nettverk er skalerbar og inkluderer høy feiltoleranse.

Klynget nettverksarkitektur

I denne typen arkitektur legger sensornoder separat til grupper som kalles klynger som er avhengig av 'Leach Protocol' fordi de bruker klynger. Begrepet ‘Leach Protocol’ står for “Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy”. Hovedegenskapene til denne protokollen inkluderer hovedsakelig følgende.

Klynget nettverksarkitektur

• Dette er en to-trinns hierarkisk klyngearkitektur.
• Denne distribuerte algoritmen brukes til å ordne sensornodene i grupper, kjent som klynger.
• I hver klynge som er dannet hver for seg, vil hodekodene til klyngen lage TDMA (Time-division multiple access) planene.
• Den bruker Data Fusion-konseptet slik at det vil gjøre nettverket energieffektivt.

Denne typen nettverksarkitektur brukes ekstremt på grunn av datafusjonsegenskapen. I hver klynge kan hver node samhandle gjennom hodet på klyngen for å få data. Alle klyngene vil dele de innsamlede dataene sine mot basestasjonen. Dannelsen av en klynge, så vel som hodeutvalget i hver klynge, er en uavhengig så vel som autonom distribuert metode.

Designproblemer av trådløs sensor nettverksarkitektur

Designproblemene med trådløs sensornettverksarkitektur inkluderer hovedsakelig følgende.

• Energiforbruk
• Lokalisering
• Dekning
• Klokker
• Beregning
• Kostnad for produksjon
• Design av maskinvare
• Tjenestekvalitet

Energiforbruk

I WSN er strømforbruk et av hovedproblemene. Som energikilde brukes batteriet ved å utstyre sensornoder. Sensornettverket er ordnet i farlige situasjoner, slik at det blir komplisert for å skifte batterier som ikke lades. Energiforbruket avhenger hovedsakelig av sensorenodens operasjoner som kommunikasjon, sensing og databehandling. Gjennom kommunikasjonen er energiforbruket veldig høyt. Så, energiforbruk kan unngås i hvert lag ved å bruke effektive rutingsprotokoller.

Lokalisering

For driften av nettverket er det grunnleggende, så vel som kritiske problemet, sensorlokalisering. Så sensornoder er ordnet ad-hoc slik at de ikke vet hvor de befinner seg. Vanskeligheten med å bestemme sensorens fysiske plassering når de er arrangert, kalles lokalisering. Denne vanskeligheten kan løses gjennom GPS, fyrtårnoder, lokalisering basert på nærhet.

Dekning

Sensornodene i det trådløse sensornettverket bruker en dekningsalgoritme for å oppdage data samt overføre dem til å synke gjennom rutealgoritmen. For å dekke hele nettverket, bør sensornodene velges. Det anbefales effektive metoder som minste og høyeste eksponeringsbanealgoritmer, samt dekningsdesignprotokoll.

Klokker

I WSN er kloksynkronisering en seriøs tjeneste. Hovedfunksjonen til denne synkroniseringen er å tilby en vanlig tidsskala for nodene til lokale klokker i sensornettverk. Disse klokkene må synkroniseres i noen applikasjoner som overvåking og sporing.

Beregning

Beregningen kan defineres som summen av data som fortsetter gjennom hver node. Hovedspørsmålet innen beregning er at det må redusere ressursutnyttelsen. Hvis levetiden til basestasjonen er farligere, vil databehandlingen fullføres ved hver node før data overføres mot basestasjonen. Hvis vi har noen ressurser på hver node, bør hele beregningen gjøres ved vasken.

Produksjonskostnad

I WSN er det store antallet sensornoder arrangert. Så hvis enkeltnodeprisen er veldig høy, vil den totale nettverksprisen også være høy. Til slutt må prisen på hver sensornode holdes mindre. Så prisen på hver sensornode i det trådløse sensornettverket er et krevende problem.

Maskinvare Design

Når du designer et sensornettverkets maskinvare som strømkontroll, må mikrokontroller og kommunikasjonsenhet være energieffektiv. Dens design kan gjøres på en slik måte at den bruker lite energi.

Tjenestekvalitet

Kvaliteten på tjenesten eller QoS er ikke annet enn, dataene må distribueres i tide. Fordi noen av sanntids sensorbaserte applikasjoner hovedsakelig avhenger av tid. Så hvis dataene ikke distribueres i tide mot mottakeren, blir dataene ubrukelige. I WSN-er er det forskjellige typer QoS-problemer som nettverkstopologi som kan modifiseres ofte, og den tilgjengelige informasjonen som brukes for ruting kan være upresis.

Strukturen til et trådløst sensornettverk

Strukturen til WSN består hovedsakelig av forskjellige topologier som brukes til radiokommunikasjonsnettverk som en stjerne, mesh og hybridstjerne. Disse topologiene blir kort beskrevet nedenfor.

Star Network

Kommunikasjonstopologien som et stjernenettverk brukes hvor bare basestasjonen kan overføre eller motta en melding mot eksterne noder. Det er en rekke noder som er tilgjengelige som ikke har lov til å overføre meldinger til hverandre. Fordelene med dette nettverket består hovedsakelig av enkelhet, i stand til å holde strømutnyttelsen av eksterne noder til et minimum.

Det lar også kommunikasjon med mindre ventetid mellom basestasjonen og en ekstern node. Den største ulempen med dette nettverket er at basestasjonen skal være i radioområdet for alle de separate nodene. Det er ikke robust som andre nettverk fordi det avhenger av en enkelt node for å håndtere nettverket.

Mesh-nettverk

Denne typen nettverk tillater overføring av data fra en node til en annen innenfor nettverket som er innenfor området radiooverføring. Hvis en node trenger å overføre en melding til en annen node og som er utenfor radiokommunikasjonsområdet, kan den bruke en node som et mellomprodukt for å sende meldingen mot den foretrukne noden.

Den største fordelen med et nettverk er skalerbarhet og redundans. Når en individuell node slutter å fungere, kan en ekstern node samtale med en hvilken som helst annen type node innenfor området, og deretter videresende meldingen mot ønsket sted. I tillegg er nettverksområdet ikke automatisk begrenset gjennom rekkevidden blant enkeltnoder, det kan bare utvides ved å legge til et antall noder i systemet.

Den viktigste ulempen med denne typen nettverk er strømutnyttelse for nettverksnodene som utfører kommunikasjonen, som multi-hop, er vanligvis høyere enn andre noder som ikke har denne kapasiteten til å begrense batteriets levetid ofte. Når antallet kommunikasjonshumler øker mot en destinasjon, vil dessuten tiden det tar å sende meldingen øke, spesielt hvis laveffektprosessen til nodene er en nødvendighet.

Hybrid Star - Mesh Network

En hybrid blant de to nettverk som stjerne og mesh gir et sterkt og fleksibelt kommunikasjonsnettverk samtidig som strømforbruket til trådløse sensornoder holdes på et minimum. I denne typen nettverkstopologi får ikke sensornodene med mindre strøm overføre meldingene.
Dette tillater vedlikehold av minst strømforbruk.

Men andre nettverksnoder er tillatt med muligheten til multi-hop ved å la dem overføre meldinger fra en node til en annen på nettverket. Vanligvis har nodene med multi-hop-kapasitet høy effekt og blir ofte koblet til strømledningen. Dette er den implementerte topologien gjennom det kommende standard nettverksnettverket kalt ZigBee.

Strukturen til en trådløs sensornode

Komponentene som brukes til å lage en trådløs sensornode er forskjellige enheter som sensing, prosessering, transceiver og strøm. Den inkluderer også tilleggskomponenter som er avhengig av et program som en kraftgenerator, et lokaliseringssystem og en mobiliser. Generelt inkluderer sensing-enheter to underenheter, nemlig ADC så vel som sensorer. Her genererer sensorer analoge signaler som kan endres til digitale signaler ved hjelp av ADC, etter at de overføres til prosessorenheten.

Generelt kan denne enheten assosieres gjennom en liten lagringsenhet for å håndtere handlingene for å få sensornoden til å fungere med de andre nodene for å oppnå de tildelte sensoroppgavene. Sensornoden kan kobles til nettverket ved hjelp av en transceiver-enhet. I sensornoden er en av de viktigste komponentene en sensorenode. Kraftenhetene støttes gjennom kraftoppfangingsenheter som solceller, mens de andre underenhetene er avhengig av applikasjonen.

Et funksjonelt blokkskjema for trådløs sensing noder er vist ovenfor. Disse modulene gir en allsidig plattform for å håndtere kravene til brede applikasjoner. For eksempel, basert på sensorene som skal ordnes, kan erstatning av signalbehandlingsblokk gjøres. Dette tillater bruk av forskjellige sensorer sammen med den trådløse sensingnoden. På samme måte kan radiokoblingen byttes ut mot en spesifisert applikasjon.

Kjennetegn ved trådløst sensornettverk

Kjennetegnene til WSN inkluderer følgende.

• Forbruket av strømgrenser for noder med batterier
• Kapasitet til å håndtere nodefeil
• Noe mobilitet av noder og Heterogenitet av noder
• Skalerbarhet til stor distribusjonsskala
• Evne til å sikre strenge miljøforhold
• Enkel å bruke
• Tverrlagsdesign

Fordeler med trådløse sensornettverk

Fordelene med WSN inkluderer følgende

• Nettverksopplegg kan utføres uten fast infrastruktur.
• Velegnet til steder som ikke er tilgjengelige, som fjell, over havet, landlige områder og dype skoger.
• Fleksibel hvis det er en uformell situasjon når det kreves en ekstra arbeidsstasjon.
• Prissetting for utførelse er billig.
• Det unngår masse ledninger.
• Det kan gi innkvartering for de nye enhetene når som helst.
• Den kan åpnes ved hjelp av sentralisert overvåking.

Trådløse sensornettverk

Trådløse sensornettverk kan omfatte mange forskjellige typer sensorer som lav samplingsfrekvens, seismisk, magnetisk, termisk, visuell, infrarød, radar og akustisk, som er smarte til å overvåke et bredt spekter av omgivelsessituasjoner. Sensornoder brukes til konstant sensing, hendelses-ID, hendelsesdeteksjon og lokal kontroll av aktuatorer. Applikasjonene til trådløse sensornettverk inkluderer hovedsakelig helse-, militær-, miljø-, hjem- og andre kommersielle områder.

WSN-applikasjon

• Militære applikasjoner
• Helse applikasjoner
• Miljøapplikasjoner
• Hjemmeapplikasjoner
• Kommersielle applikasjoner
• Områdeovervåking
• Helseovervåking
• Miljø- / jordfølelser
• Luftforurensningsovervåking
• Skogbranndeteksjon
• Skreddeteksjon
• Vannkvalitetsovervåking
• Industriell overvåking

Dermed handler alt om hva som er en trådløst sensornettverk , trådløs sensor nettverksarkitektur, egenskaper og applikasjoner. Vi håper at du har en bedre forståelse av dette konseptet. Videre eventuelle spørsmål eller å vite om prosjektideer for trådløst sensornettverk , vennligst gi dine verdifulle forslag ved å kommentere i kommentarfeltet nedenfor. Her er et spørsmål til deg, hva er de forskjellige typene trådløse sensornettverk?