Принципи побудови та функціонування сенсорних мереж

Сенсорна мережа (WSN — Wireless Sensor Network) – це розподілена мережа, яка здатна сама організовуватися з множини датчиків (сенсорів) і інших пристроїв, які з’єднані між собою за допомогою радіоканалу. Причому зона покриття такої мережі може сягати від декількох метрів до декількох кілометрів за рахунок здатності ретрансляції повідомлень від одного пристрою до інших. Кожен вузол сенсорної мережі може вміщувати різні датчики (сенсори) для контролю певних параметрів зовнішніх об’єктів, мікрокомп’ютер й прийомопередавач, що дозволяє пристрою самостійно проводити первісний аналіз й обробку даних і підтримувати зв'язок з мережею. Для таких пристроїв сьогодні використовується термін – мот (mote). Таким чином, можливість мотів само організовуватися дає їм змогу організовувати багатоточечні мережі, в яких дані передаються від одного мота до іншого.

Слід зазначити, що до цього часу концепція побудування сенсорних мереж остаточно не сформувалася й не відображена у конкретних програмно-апаратних (платформних) рішеннях. Сьогодні реалізація сенсорної мережі визначається вимогами вирішення конкретної задачі. Архітектура, програмно-апаратна реалізація зараз находяться на етапі інтенсивного формування технологій.

Безпроводові сенсорні мережі можуть функціонувати в двох режимах:

· Infrastructure;

· Ad-hoc.

В режимі Infrastructure вузли мережі (моти) взаємодіють друг з другом не безпосередньо, а через точку доступу (Access Point), котра виконує роль концентратора і забезпечує підключення відповідного пристрою до мережі.

В режимі Ad-hoc моти взаємодіють безпосередньо друг з другом і створюють своєрідну стільникову мережу, як показано на рис. 1.5.

Internet

Base Station

Sensor Gateway

Sensor Gateway

300 м

300 м

 

Рисунок 1.5 – Сенсорна мережа Ad-hoc

 

 

На цій схемі моти показано як кола і вони є пристроями типу RFD, Sensor Gateway – міжмережний шлюз, це пристрій з повним набором функцій типу FFD, який забезпечує з'єднання сенсорів з базовими станціями – Base Station, які виконують роль мережного координатора. Вважається що така мережа може включати до 65000 мотів і бути досить гнучкою з точки зору керування й збору даних.

Термін Ad-hoc відображує сутність функціонування таких мереж, які кожного разу самоорганізуються для вирішення певної задачі й також саморозпадаються після закінчення роботи.

Загалом безпроводові мережі можуть будуватися за такими топологіям, як показано на рис 1.6.

 

б

в

а

 

Рисунок 1.6 – Топології безпроводових мереж

 

На рис.1.6а показана топологія типу «зірка», в які всі користувачі (пристрої) з’єднані безпосередньо з базовою станцією (FFD). На рис. 1.6б показана топологія типу mesh і на рис.1.6в показана топологія типу Cluster Tree (Кластерне дерево).

Топологія типу mesh – це мережна топологія в якій пристрої поєднуються багаточисельними (навіть надлишковими) з’єднаннями, які виконуються по стратегічним міркуванням. mesh мережі будуються як сукупність кластерів, кількість котрих не обмежена. В першу чергу поняття mesh визначає принцип побудови мережі, яка самоорганізується і реалізує наступні принципи:

– створення зони безперервного інформаційного покриття;

– масштабуємість мережі (збільшення зони покриття й щильності інформаційного забезпечення);

– використання безпроводових транспортних каналів для зв’язку точок доступу в режимі «кожен з кожним»;

– стійкість мережі до втрати окремих елементів.

Кластерне дерево є спеціальним випадком однорангової мережі, в якім більшість пристроїв є повнофункціональними. Пристрої з скороченим набором функцій використовуються лише як кінцеві вузли на кінцях гілок дерева.

При використанні будь-якої з розглянутих архітектур повнофункціональні пристрої працюють постійно, а пристрої з скороченим набором функцій більшу частину робочого часу перебувають у неактивному режимі і переходять у активний режим лише по розкладу роботи або на вимогу сусідніх мотів (інших пристроїв).

В залежності від режиму роботи мережі алгоритм доступу до радіоканалу для мотів буде різним.

Останні технологічні досягнення в області сенсорних мереж відносяться, в основному, до розробки програмного забезпечення і удосконалення мотів. Розроблене програмне забезпечення дозволяє автоматично розгортати сенсорні мережі, перепрограмувати їх, керувати режимами функціонування, збором і візуалізацією даних. Стандартом в галузі програмування сенсорних мереж вважається стек протоколів ZigBee, який базується на технології IEEE 802.15.4 і операційна система реального часу TinyOS. Ця операційна система може функціонувати на мікропроцесорах з кількістю розрядів від 8 до 32 і з обсягом оперативного запам’ятовувального пристрою не менше 2 кбайт. До складу цієї операційної системи входить набір АРІ функцій, за допомогою яких можливо організувати попередню обробку даних безпосередньо на моті. Більшість компаній-виробників випускає повний набір обладнання для сенсорних мереж, до складу якого входять моти, шлюзи тощо. Найбільш повну довершеність розробок мають компанії Crossbow (www.crossbow.com) і Sentilla (www.sentilla.com).