مقاله شبکه ی سنسور بی سیم

دانلود مقاله شبکه ی سنسور بی سیم

چکیده:

شبکه های تشکیل شده از سنسورها، امروزه بعنوان یک تکنولوژی جدید ظاهر شده اند. این شبکه ها دارای کاربردهای گسترده و متنوع هستند که تعقیب هدف از جمله آنها می باشد. در حقیقت تعقیب هدف بخشی از بسیاری کاربردهای نظامی، علمی و . . . می باشد. در این مقاله ابتدا تعریف کاملی از شبکه های سنسوری خواهیم داشت. سپس کاربردها، مزایا و معایب آن توضیح داده خواهد شد. و سپس پروتکل های شبکه سنسوری را توضیح داده و بعد نحوه انتخاب Data Storage در شبکه های حسگر را بررسی خواهیم کرد. شبکه‌ها متشکل از مجموعه‌ای از واحدهای متحرک و مستقل از هم با توان مصرفی و پردازشی محدود است که از طریق فرستنده‌های رادیویی با یکدیگر در ارتباطند و اقدام به جمع‌آوری اطلاعات می‌نمایند. مساله‌ی مسیریابی در این شبکه‌ها به گونه‌ای که حداقل انرژی مصرف شود، از دسته مسائل غیر چند جمله‌ای سخت می‌باشد که ارائه راه حل‌های تقریبی مناسب موضوع برخی از تحقیقات در این زمینه است. در بیشتر مدل‌های ارائه شده فرض بر ثابت بودن حسگرها است.  در شبکه های سنسوری مساله انرژی و استفاده ی بهینه از ان و همچنین مساله مسیر یابی از مهمترین و پایه ای ترین مسائل در برخورد با چنین شبکه هایی می باشد و راه حل و روش مناسب کاملا بستگی به نوع شبکه و کاربرد آن دارد.

 
مقدمه:

امروزه زندگی بدون ارتباطات بی سیم قابل تصور نیست. پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارات کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارات بی سیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروز ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریز حسگر ها شده است.

سیستم های بی سیم از حدود سال های ۱۹۸۰ مورد استفاده بوده و ما تا کنون شاهد نسل های اول , دوم و سوم این تکنولوژی بوده ایم. این نوع سیستم ها  بر اساس یک ساختار مرکزی و کنترل شده مثل access point عمل می کنند. نقاط دسترسی به کاربرین امکان می دهند با تغییر مکان خود همچنان بتوانند به شبکه متصل بمانند. اما با این حال به دلیل حضور چنین نقاط ثابتی در شبکه محدودیتهایی بروز می کنند. به عبارتی در مکان هایی که امکان برقراری ساختار ثابت و همیشه پایدار وجود ندارد این نوع  تکنولوژی نمی تواند پاسخ گو باشد. اما پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربری‌های گوناگون داده است. این حسگرهای کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبکه‌های موسوم به شبکه‌های بی‌سیم حسگر WSN شده‌اند.

یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره‌های حسگری است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌های حسگر، از ‌قبل ‌تعیین ‌شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم می‌آورد که بتوانیم آنها را در مکان‌های خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم. ارتباط بین گره ها بصورت بی سیم است. هرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است ودارای محدودیت هایی در قدرت پردازش, ظرفیت حافظه, منبع تغذیه, … میباشد.

انواع شبکه های بی سیم:

شبکه های بی سیم بر ۳ نوع هستند:

۱٫ شبکه های   infrastructure-based

۲٫ Wireless LANs  : معمولا از لینکهای رادیویی (۸۰۲٫۱۱) و یا اشعه ی مادون قرمز استفاده می کنند. انعطاف پزیری بالایی در محدوده ای که این امکان در آن قرار داده شده است ایجاد کرده و پهنای باند کمتری نسبت به شبکه های سیمی دارند.

۳٫ شبکه های Ad hoc: زمانی که ساختار infra structure موجود نیست گزینه ی مناسبی به شمار می روند و نسبت به دو نوع قبل گران تر هستند.

شبکه حسگر

شبکه‌های حسگر از تعدادی حسگر کوچک در اندازه‌های یک تا دو میلیمتر ساخته شده است که به همراه یک دستگاه فرستنده و گیرنده بی‌سیم، اطلاعات را به دستگاه مرکزی به عنوان کاربر نهایی می‌فرستد. کار بر روی شبکه های حسگر در ابتدا با اهداف و کاربردهای نظامی و دفاعی آغاز شد ولی به سرعت کاربردهای بسیار دیگری نیز پیدا کرد که برخی از کاربردهای این فناوری در کاربردهای نظامی و امنیتی (کنترل نیروها و تجهیزات نظامی، تشخیص نفوذ و تجسس در محیط های جنگی)، نظارت بر محیط های داخلی و خارجی (کاربرد در ساختمان های هوشمند، کنترل ترافیک، تشخیص حوادث طبیعی، کشاورزی و نظارت های زیست محیطی)، کاربردهای صنعتی  (کنترل دقیق نیروی انسانی، پیگیری کالاهای تولیدی، نظارت بر خط تولید و حفاظت و کنترل ایمنی محیط) و کاربردهای پزشکی (مراقبت از سلامت انسان و جراحی) است. در بیانی جامع تر کاربردها را به سه دسته نظامی تجاری پزشکی تقسیم می کنیم که سیستم های ارتباطی ، فرماندهی ، شناسایی ، دیده بانی ومیدان مین هوشمند، سیستم های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستم های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند. محیطهای هوشمند برای افراد سالخوده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربرد های آن است.کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شود مانند سیستم های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش سوزی(درجنگل) ، تشخیص آلودگی های زیست محیطی از قبیل آلودگی های شیمیای، میکروبی، هسته ای، سیستم های ردگیری، نظارت وکنترل وسایل نقلیه و ترافیک ، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل، تحقیق در مورد زندگی گونه های خاص از گیاهان و جانوران و .. در برخی از کاربردها نیز شبکه حسگر بعنوان گروهی از رباتهای کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می دهند استفاده میشود.

ریز حسگر ها توانایی انجام حس های بی شمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حس کردن زلزله را دارا می باشند همچنین جمع آوری اطلاعات در مناطق دور افتاده ومکان هایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کرده است. اتومبیل ها می توانند از ریز حسگر های بی سیم برای کنترل وضعیت موتور, فشار تایرها, تراز روغن و… استفاده کنند.خطوط مونتاژ می توانند از این سنسورها برای کنترل فرایند مراحل طول تولید استفاده کنند.در موقعیت های استراتژیک ریز حسگرها می توانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای رد گیری هدف(مانند ماشین یا انسان) استفاده شوند. در واقع تفاوت اساسی این شبکه ها ارتباط آن با محیط و پدیده های فیزیکی است شبکه های سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاه های اطلاعاتی را فراهم می کند در حالی که شبکه ی حس/کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است. با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده, بر اسـاس مشاهدات خـود تصمیم گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می دهند. نام شبکه حس/کار بی سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شود. برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره اند شبکه های حس/کار نوعا تک منظوره هستند.

دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگر، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های حسگری است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند.

در صورتی که گره ها توانایی حرکت داشته باشند شبکه می تواند گروهی از رباتهای کوچک در نظر گرفته شود که با هم بصورت تیمی کار می کنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شده است. از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاههای پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یک گره فرض گنیم ارتباط بین گره ها باید بطور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حس/کار بی سیم می باشد.

با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می‌کند. ‌در واقع قدرت شبکه‌های بی‌سیم حسگر در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.

گستره کاربری شبکه‌های بی‌سیم حسگر بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی ‌و صنعتی تا کاربردهای نظامی را شامل می‌شود. به عنوان مثال یکی از متداول‌ترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه می‌تواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بی‌سیم را تشکیل می‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شود.

در این سیستم‌ها بر خلاف سیستم‌های سیمی قدیمی، از یک سو هزینه‌های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته می‌شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاه‌های کوچکی را که تقریباً به اندازه یک سکه هستند را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبکه به سادگی با اضافه کردن چند گره گسترش می‌یابد و نیازی به طراحی پیکربندی پیچیده نیست.