طريقة لموازنة حركة المرور الموزعة في شبكة مستشعر لاسلكي. شبكات الاستشعار الموزعة

480 فرك. | 150 غريفنا | 7.5 دولارات أمريكية ، MOUSEOFF ، FGCOLOR ، "#FFFFCC" ، BGCOLOR ، "# 393939") ؛ " onMouseOut = "return nd ()؛"> الرسالة - 480 روبل ، الشحن 10 دقائق 24 ساعة في اليوم وسبعة أيام في الأسبوع وأيام العطل

إفريموف سيرجي جيناديفيتش. نمذجة عمر شبكات الاستشعار القابلة لإعادة التشكيل ديناميكيًا باستخدام حوض متنقل: أطروحة ... مرشح العلوم التقنية: 05.13.18 / Efremov Sergey Gennadevich؛ تخرج من المدرسهالاقتصاد "- المؤسسة التعليمية الفيدرالية المستقلة للتعليم المهني العالي]. - موسكو ، 2013. - 143 صفحة.

مقدمة

الفصل 1. مشكلة زيادة عمر شبكات الاستشعار اللاسلكية 11

1.1 مفهوم شبكة الاستشعار اللاسلكية 11

1.2 مفهوم عمر الشبكة 20

1.3 طرق لزيادة عمر BSS 23

1.4 WSN قابل لإعادة التكوين مع استنزاف متحرك 27

1.5 استنتاجات للفصل الأول 35

الفصل 2 نموذج رياضي لشبكة WSN القابلة لإعادة التشكيل . 37

2.1. مقدمة 37

2.2. نموذج شبكة مستشعر قابل لإعادة التشكيل 37

2.3 حساب استهلاك الطاقة وعمر عقد WSN. 41

2.4 مقاييس عمر الشبكة 54

2.5 59 تقدير عمر الشبكات القابلة لإعادة التشكيل ديناميكيًا

2.6. استنتاجات الفصل 2 63

الفصل 3 طريقة لإعادة التكوين الديناميكي لشبكة أجهزة الاستشعار باستخدام حوض متنقل 65

3.1. مقدمة 65

3.2 المهمة العامة لتخطيط التدفق 66

3.3 طريقة حل مشكلة تخطيط التدفق 72

3.4. 77- خوارزميات إرشادية للتحكم في التدفق الديناميكي

3.5 استنتاجات للفصل 3 81

الفصل 4 نمذجة WSN مع مغسلة متنقلة 83

4.1 مقدمة 83

4.2 83- دراسة إمكانية إجراء تجربة كاملة

4.3 الحلقة 92

4.4 استنتاجات للفصل 4113

الخلاصة 114

الآداب 116

مقدمة في العمل

أهمية العمل

جعلت التطورات التكنولوجية الحديثة من الممكن إنشاء أجهزة كمبيوتر مصغرة غير مكلفة مع استهلاك منخفض للغاية للطاقة ، وقادرة على التواصل والتفاعل مع بعضها البعض عبر قنوات الاتصال اللاسلكي. تسمى شبكات هذه الأجهزة شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSN) ، والتي تؤكد بشكل خاص على هدفها الرئيسي - جمع البيانات من أجهزة الاستشعار (أجهزة الاستشعار) من أجل التراكم اللاحق وتحليل وإصدار أوامر التحكم.

تتمثل الاتجاهات الفعلية في مجال WSN في إنشاء منصات أجهزة جديدة ، وتطوير أكوام من بروتوكولات الشبكة وأنظمة التشغيل المتخصصة ، وتطوير الخوارزميات للوصول إلى الوسيط والتوجيه لطبولوجيا الشبكات المعقدة ، والتي تهدف إلى تحسين كفاءة الطاقة في WSN ، مما يسمح بزيادة العمر ( عمر البطارية) BSS.

يقع البحث الذي تم إجراؤه في عمل الأطروحة عند تقاطع مجالين من مجالات الأولوية لتطوير العلوم والتكنولوجيا والهندسة في الاتحاد الروسي: "نظم المعلومات والاتصالات" و "كفاءة الطاقة ، توفير الطاقة ، الطاقة النووية". تشارك المنظمات الروسية الرائدة بنشاط في تحسين كفاءة شبكات الاستشعار ، بما في ذلك معهد هندسة الراديو والإلكترونيات الذي يحمل اسم V.I. V.A. Kotelnikov RAS ، معهد الميكانيكا الدقيقة وهندسة الكمبيوتر. م. أكاديمية ليبيديف للعلوم ، وجامعة نيجني نوفغورود الحكومية ، ومعهد موسكو للطيران ، بالإضافة إلى الجامعات الدولية - جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية) وغيرها الكثير.

من المشاكل التي تعيق تحسين كفاءة الطاقة

WSN هي مشكلة الاستهلاك غير المتكافئ للطاقة من خلال عقد الشبكة ، والتي تتمثل في حقيقة أن الشبكة تصبح غير قابلة للتشغيل في الوقت الذي تنفد فيه الطاقة في عدة عقد ، في حين أن معظم البقية لديها إمدادات كبيرة من الطاقة.

هناك عدد من الطرق التي تهدف إلى حل هذه المشكلة. يتضمن ذلك الاختيار الفردي لسعة البطارية ، وكثافة العقدة ، وقدرة المرسل ، واستخدام بروتوكولات التوجيه الموفرة للطاقة ، وتحديد مواقع عقد الشبكة. في الآونة الأخيرة ، تم اقتراحه صف جديدطرق واعدة تستخدم تنقل عقد الشبكة كمورد لموازنة الطاقة ، مما يوفر تغييرًا ديناميكيًا في تكوين (طوبولوجيا) الشبكة.

من العوائق الخطيرة التي تحول دون إجراء مزيد من البحث عدم وجود نماذج رياضية لشبكة أجهزة استشعار قابلة لإعادة التشكيل ديناميكيًا. في هذا الصدد ، مهمة البحث وتطوير نموذج معقد يسمح ، أولاً ، بتقدير عمر الشبكات المستقلة ، التي تتغير تكويناتها بمرور الوقت ، وثانيًا ، لتحسين عملها وفقًا لمعيار تعظيم العمر ، مهمة .

موضوع البحث هو نماذج وطرق إعادة التشكيل الديناميكي لشبكات الاستشعار.

موضوع البحث هو تطبيق نماذج وطرق إعادة التكوين الديناميكي لشبكات الاستشعار مع حوض متنقل لتقييم وزيادة عمرها الافتراضي.

الغرض من عمل الأطروحة هو تطوير نموذج رياضي وطريقة لإعادة التكوين الديناميكي لشبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية لزيادة عمرها.

لتحقيق هذا الهدف تم حل المهام التالية:

    يتم إجراء مراجعة وتحليل لمقاربات تعريف مفهوم العمر الافتراضي لشبكات الاستشعار ، ويتم تقديم تعريف جديد.

    تم تطوير نموذج رياضي لشبكة استشعار قابلة لإعادة التشكيل ديناميكيًا مع حوض متنقل.

    تم تطوير طريقة عددية لحل مشكلة تخطيط التدفق.

    بحث وتطوير خوارزميات إرشادية للإدارة الديناميكية للحوض المحمول في حالة تغيير ظروف تشغيل الشبكة.

    تم تطوير مجموعة من برامج المحاكاة للحصول على تبعيات العمر على معلمات تشغيل الشبكة.

طرق البحث. تستخدم الأطروحة أساليب نظرية المجموعات ، ونظرية الرسم البياني ، والبرمجة الخطية الصحيحة والصحيحة ، وطرق المحاكاة.

الحداثة العلمية للعمل هي كما يلي:

    1. يتم تقديم تعريف جديد لعمر شبكة المستشعرات ، مما يجعل من الممكن إصلاح لحظة فشلها ، مع مراعاة إمكانية الشفاء الذاتي.

      تم تطوير نموذج شبكة مستشعر يجعل من الممكن تقدير عمرها في ظل عمليات إعادة التكوين الديناميكية.

      تم تطوير طريقة لإعادة التكوين الديناميكي لشبكة المستشعرات ، مما يجعل من الممكن تحسين حركة الجريان السطحي وفقًا لمعيار زيادة عمرها.

    4. تم تطوير خوارزمية للتحكم في حركة الجريان السطحي المتنقل في شبكة الاستشعار ، مع مراعاة التغييرات المحتملة في ظروف تشغيلها.

    أهمية عملية. تم إنشاء مجموعة من برامج الكمبيوتر لنمذجة تشغيل شبكة مستشعر لاسلكي قابلة لإعادة التكوين ديناميكيًا ، بالإضافة إلى خوارزميات النمذجة لتخطيط حركة الجريان السطحي المتنقل.

    تم إنشاء نموذج صغير الحجم لجهاز شبكة مستشعر لاسلكي يعتمد على جهاز الإرسال والاستقبال IEEE 802.15.4 الذي ينفذ الخوارزميات اللازمة لدعم حركة التدفق ، بما في ذلك تحديد موقعه في الفضاء.

    يتم تأكيد موثوقية وصحة النتائج التي تم الحصول عليها من خلال تطابقها مع البيانات النظرية والعملية المعروفة المنشورة في الأدبيات ، وكذلك النتائج الإيجابية لتنفيذها في عدد من المشاريع العملية.

    الأحكام الرئيسية للدفاع:

        1. تحديد عمر شبكة أجهزة الاستشعار ذاتية الشفاء.

          نموذج شبكة مستشعر يسمح بتقدير عمرها في ظل عمليات إعادة التكوين الديناميكية.

          طريقة إعادة التكوين الديناميكي لشبكة المستشعرات ، مما يسمح بتحسين حركة التدفق وفقًا لمعيار زيادة عمرها.

          خوارزمية للتحكم في حركة الجريان السطحي المتنقل في شبكة الاستشعار ، مع مراعاة التغيرات المحتملة في ظروف تشغيلها.

        استحسان العمل. تم الإبلاغ عن النتائج الرئيسية لأعمال الأطروحة ومناقشتها في المؤتمرات العلمية والتقنية للطلاب وطلاب الدراسات العليا والمتخصصين الشباب في MIEM NRU HSE (2008-2013) ، ندوة HSE العلمية والعملية "تحليل النظام والإدارة و نظم المعلومات"(03/19/2013) ، مؤتمر الطلاب الدوليين السادس عشر والسابع عشر - المدرسة - الحلقة الدراسية" تقنيات المعلومات الجديدة "(2008-2009) ، في ندوات بحثية دولية في جامعة شيفيلد وجامعة برمنغهام (المملكة المتحدة ، 2011). تم تضمين نتائج العمل في التقارير العلمية والتقنية حول البحث والتطوير "تطوير أدوات برمجية للتنفيذ تقنيات المعلوماتإلى الصناعة "(رقم تسجيل حالة البحث والتطوير 01201056220) ،" تطوير نظام اكتساب بيانات لاسلكي نشط في علم اللوجيستيات الداخلية "(رقم تسجيل حالة البحث والتطوير 01200961253).

        تم تطبيق نتائج العمل في تصميم شبكة قابلة لإعادة التشكيل ديناميكيًا في إطار مشروع بحث روسي ألماني مشترك.

        حصل على براءة اختراع نموذج المنفعة رقم 87259 بتاريخ 11 يونيو 2009 ، براءة اختراع نموذج المنفعة رقم 98623 بتاريخ 30 يونيو 2010 ، براءة نموذج المنفعة رقم 121947 بتاريخ 10 نوفمبر 2012 ، براءة اختراع رقم 2429549 بتاريخ 30 يونيو ، 2010.

        هيكل ونطاق الأطروحة تتكون الرسالة من مقدمة ، و 4 فصول ، وخاتمة ، وببليوغرافيا من 95 عنوانا ، و 4 ملاحق. الحجم الإجمالي للأطروحة ، باستثناء الطلبات ، هو 128 صفحة.

        طرق زيادة عمر BSS

        دعنا ننتقل إلى وصف الطرق الممكنة لزيادة وقت التشغيل المستقل للشبكة WSN. تشمل أبسطها تحسين خصائص الأجهزة: تقليل استهلاك الطاقة للمكونات الفردية ، وتحسين وضعها على شريحة ، أو لوحة الدوائر المطبوعةأو زيادة سعة البطارية. تتعلق دراسة هذه الاحتمالات بالمجالات ذات الصلة (الإلكترونيات ، والفيزياء الإشعاعية ، والكيمياء ، والدوائر ، وما إلى ذلك) ولن يتم تناولها في هذه الرسالة.

        ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الطريقة لها كلاً من المادية (نقل البيانات عبر قناة راديو عبر مسافة معينة ، وكذلك معالجة البيانات بواسطة معالج دقيق ، تتطلب تكاليف طاقة معينة) وقيود التكلفة (استخدام مكونات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة يؤدي إلى زيادة تكلفة الأنظمة). بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي استخدام البطاريات الكبيرة حتمًا إلى زيادة حجم الأجهزة ، في حين أن مفهوم شبكات الاستشعار يشير إلى تصغيرها.

        من وجهة نظر خوارزميات البرامج الخاصة بمعالجة البيانات على عقد النظام ، فإن الخيارات التالية ممكنة:

        ضغط البيانات. هذه الطريقة لها حدودها ، بالإضافة إلى ذلك ، في شبكات الاستشعار ، البيانات نفسها عادة ما تكون صغيرة الحجم ، لذلك لا يكون لضغطها تأثير كبير.

        تراكم البيانات ونقلها لاحقًا في كتل كبيرة. تعتمد الطريقة على حقيقة أنه في المعايير اللاسلكية الحديثة ، يرتبط أي إرسال لحزمة رقمية بتكاليف عامة إضافية (انظر أيضًا الأقسام 1.1.2 و 2.3.3). لذلك ، من الأكثر ربحية نقل البيانات في كتل كبيرة في حزمة واحدة. فتحت الأبحاث الحديثة في مجال محولات الطاقة البديلة المصغرة (MEH ، Micro-Energy Harvesters) عددًا من الاحتمالات لإنشاء عقد شبكة مستشعر مستقلة تمامًا مع الحفاظ على حجمها الصغير. هناك عدد من الحلول الجاهزة لتوصيل عقد المستشعر بالمصغر الألواح الشمسيةومحولات طاقة الاهتزاز والمولدات الحرارية القائمة على عنصر Peletier.

        ومع ذلك ، حتى الآن ، لم يتم حتى الآن استخدام أي من الحلول الخاصة بتجميع وتحويل الطاقة البديلة على نطاق واسع في شبكات حقيقيةجمع البيانات يتكون من مئات العقد ، ويرجع ذلك أساسًا إلى التكلفة العالية ، والتي تشمل تكلفة الصيانة الدورية. ولكن في المستقبل ، يمكن أن يصبح هذا النهج أحد الأساليب الرائدة ويحل في النهاية مشكلة العمر المحدود لـ FSN.

        كما هو مذكور أعلاه ، تم تصميم شبكات الاستشعار بشكل أساسي لجمع البيانات. هذا يعني أن هناك عقدًا مخصصًا واحدًا أو أكثر تتدفق إليه المعلومات من الشبكة بأكملها. هذه العقد (المصارف) ، كقاعدة عامة ، لديها مصدر طاقة ثابت ، واجهات للتفاعل مع الشبكات المحلية والعالمية أو مع أجهزة حوسبة أكثر قوة. وبالتالي ، يوجد في شبكة المستشعرات اتجاه تفضيلي لحركة المرور المفيدة ، مما يؤدي إلى حقيقة أن ترتيبًا أكبر لحركة المرور يمر عبر عقد التوجيه الموجودة بالقرب من الحوض (الأحواض).

        جعلت التطورات التكنولوجية الحديثة من الممكن جعل المعالجات الدقيقة ذات استهلاك منخفض للغاية للطاقة ، قادرة على أداء مجموعة واسعة من المهام. ومع ذلك ، من أجل إرسال البيانات عبر قناة اتصال لاسلكي ، من الضروري إنفاق قدر أكبر من الطاقة (انظر الجدول 1.1).

        يتضح من الجدول أنه كلما زادت البيانات التي تمر عبر عقدة شبكة لاسلكية ، زاد استهلاكها للطاقة. نتيجة لذلك ، تنشأ مشكلة عدم توازن استهلاك الطاقة في الشبكة (الشكل 1.3) ، مما يؤدي إلى حقيقة أن العناصر المستقلة الموجودة بالقرب من عقدة جمع البيانات المركزية (العقد) تفشل في وقت أبكر من غيرها بسبب تفريغ بطارياتها الخاصة ونتيجة لذلك ، ينخفض ​​عمر بطارية شبكة المستشعرات.

        لموازنة استهلاك الطاقة لجميع عقد الشبكة ، يتم استخدام طرق مختلفة لموازنة الطاقة. لنجلب وصف قصيرالطرق الأساسية.

        يتضمن بناء شبكة غير متجانسة استخدام عدد من الاحتمالات:

        1. الاختيار الفردي لسعة البطارية اعتمادًا على موضع الأجهزة في هيكل الشبكة والوظائف التي تؤديها. في هذه الحالة ، يمكن تزويد أجهزة ترحيل المفاتيح ببطاريات كبيرة. يعد هذا النهج من أبسط الأساليب ، ولكنه يؤدي في نفس الوقت إلى انخفاض قابلية التوسع للشبكة وضعف التكيف مع ظروف التشغيل المتغيرة. أيضًا ، تؤدي الحاجة إلى تطوير حلول تصميم مختلفة لعناصر مختلفة إلى زيادة تكلفة الأنظمة النهائية.

        2. كثافة مختلفة لعقد الشبكة ، اعتمادًا على كثافة الحركة المتوقعة في منطقة معينة. يهدف هذا الحل إلى توفير التكرار في بنية الشبكة وتكرار وظائف العقد الفردية. لذلك ، إذا فشل جهاز التوجيه التالي ، فسيتم تحويل وظائفه إلى عنصر مجاور ، والذي لم يتم استخدامه بأي شكل من الأشكال حتى تلك اللحظة.

        تتضمن طرق البرامج استخدام بروتوكولات التوجيه القائمة على قياس الطاقة المتبقية للعقد أو الإحداثيات الافتراضية ، وتناوب الإرسال بعيد المدى وقصير المدى ، وتحديد مواقع العقد ، والتكتل.

        من المعروف أن بروتوكولات التوجيه الخاصة بالشبكات التقليدية تستخدم مقاييس تهدف إلى زيادة إنتاجية الشبكة أو تقليل تأخير البيانات المرسلة. يمكن أن تكون هذه المقاييس عدد العقد الوسيطة (القفزات) إلى الوجهة ، الإنتاجيةقناة الاتصال ، مستوى تحميل الخط. غالبًا ما تستخدم شبكات الاستشعار مقياس الطاقة المتبقية للعقد في طريقها إلى الصرف. في هذه الحالة ، من مجموعة المسارات البديلة ، يتم تحديد المسار الذي تحتوي فيه العقد على طاقة متبقية كبيرة.

        طريقة موازنة واعدة هي استخدام تنقل مكونات الشبكة الفردية. أظهر عدد من الأوراق أن التنقل يمكن أن يوفر أكبر فائدة من حيث زيادة استقلالية الشبكة. لذلك ، سيتم دراسة هذا النهج بالتفصيل في عمل الأطروحة.

        حساب استهلاك الطاقة وعمر عقد WSN

        بشكل عام ، من الواضح أن عقدة شبكة تجميع البيانات اللاسلكية يمكن اعتبارها عاملة طالما يمكنها قراءة القراءات بدقة من أجهزة الاستشعار وإجراء الحسابات اللازمة ونقل البيانات إلى الشبكة. عند تصميم شبكة وتثبيتها ، من المهم تقدير الوقت التقريبي الذي ستعمل فيه كل عقدة مسبقًا قبل الحاجة إلى استبدال بطارياتها. للقيام بذلك ، من المهم فهم العوامل التي تؤثر على طول عمر البطارية.

        على وجه الخصوص ، من المعروف أن استهلاك الطاقة العناصر الفرديةتعتمد الشبكة على العوامل التالية التي يجب مراعاتها عند نمذجة WSN:

        خصائص الأجهزة (سعة البطارية واستهلاك الطاقة لوحدة التحكم الدقيقة وجهاز الإرسال والاستقبال وأجهزة الاستشعار والمكونات الإلكترونية الأخرى).

        وتيرة جمع البيانات ونقلها ، حسب التطبيق. على سبيل المثال ، في أنظمة التحكم في المناخ على نطاق واسع ، والرصد البيئي ، يكفي جمع المعلومات كل بضع ثوانٍ أو حتى عشرات الثواني ، لأن المعلمات مثل درجة الحرارة أو الرطوبة تتغير بسلاسة. بالتالي، عظمالوقت ، قد يكون المستشعر في وضع السكون. في الوقت نفسه ، يتطلب نقل الصوت معدل جمع بيانات مرتفعًا (8 كيلو هرتز ، 16 كيلو هرتز ، 32 كيلو هرتز أو أكثر) ، مما يلغي فعليًا إمكانية أن يكون عنصر الشبكة في وضع الطاقة المنخفضة.

        بروتوكولات للطبقات المادية وطبقات الارتباط ، والتي تحدد بشكل أساسي آليات التحكم في الوصول إلى الوسيط. في وضع الوصول إلى الوسائط غير المتزامن ، مثل CSMA / CA ، لا يمكن أن تنام المرحلات ، وإلا فلن تتمكن الأجهزة الطرفية من نقل بياناتها. يتميز الوضع المتزامن للوصول إلى الوسيط بحقيقة أن جميع العناصر يمكن أن تدخل في وضع الطاقة المنخفضة لفترة من الوقت ، حيث يتم تنسيق تشغيل الشبكة بالكامل بواسطة إطارات مزامنة خاصة (تعرف جميع عناصر الشبكة وقت إرسال الإطار التالي). ومع ذلك ، يصعب تنفيذ هذا الوضع في الشبكات الموزعة التي تستخدم العشرات أو المئات من أجهزة التوجيه. ومع ذلك ، فقد تم بالفعل تطوير عدد من الخوارزميات والبروتوكولات التي تهدف إلى تقليل استهلاك الطاقة لأجهزة الشبكة: Berkeley MAC (B-MAC) ، Sensor MAC (S-MAC) ، D-MAC ، خوارزمية تسليم الرسائل السريعة التكيفية.

        طوبولوجيا الشبكة ، والتي تحدد مقدار المعلومات التي تمر عبر كل عنصر (بما في ذلك ترحيل الرسائل). تستخدم شبكات الاستشعار كلاً من الهياكل البسيطة (النجمية والحلقة والشجرة) والهياكل الخلوية الأكثر تعقيدًا.

        بروتوكول التوجيه المستخدم الذي يضيف حركة مرور إضافية للشبكة. في مجال شبكات الاستشعار ، يتم استخدام بروتوكولات AODV (متجه المسافة حسب الطلب) على نطاق واسع ، والتي تختلف في أن معلومات التوجيه لا يتم تخزينها في ذاكرة العنصر لفترة طويلة ولا يتم تحديثها بانتظام. إذا كان من الضروري إرسال رسالة ، يتم تقديم طلب الطريق مسبقًا. عندها فقط يتم إرسال الرسالة نفسها. لتقليل كمية الحركة المنقولة عبر الشبكة ، تم اقتراح تقنيات تشفير الشبكة.

        دعونا نقوم بإضفاء الطابع الرسمي على البيانات المذكورة أعلاه في شكل طريقة لحساب العمر.

        هناك ثلاثة أنواع من العقد في أي شبكة من أجهزة الاستشعار - الأجهزة الطرفية وأجهزة التوجيه (أجهزة إعادة الإرسال) والمصارف. لا تهم المصارف من حيث عمر البطارية: كما ذكرنا سابقًا ، فهي متصلة عادةً بمصادر طاقة ذات سعة أكبر.

        دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في منهجية حساب عمر الأجهزة الطرفية وأجهزة إعادة الإرسال. يعتمد على الافتراضات التالية:

        تعد خوارزمية تشغيل الجهاز حتمية تمامًا ؛ بالنسبة للعوامل الخارجية ، وهي متغيرات عشوائية ، يُعرف التوقع الرياضي.

        لا يوجد تأثير لاستعادة البطارية. إذا لزم الأمر ، يمكن أخذه في الاعتبار عن طريق زيادة الطاقة الأولية للجهاز. بعد ذلك ، بعد معرفة الطاقة الأولية للبطارية 0 والطاقة التي يستهلكها الجهاز ، يمكننا تقدير عمرها تقريبًا باستخدام الصيغة:

        تم تصميم الجهاز الطرفي لقراءات من أجهزة الاستشعار الخاصة به ونقلها إلى الشبكة. يتمثل الاختلاف الرئيسي بينه وبين المكرر في عدم وجود إمكانية نقل البيانات من طرف إلى طرف من الأجهزة الأخرى من خلال نفسه. عند استخدام نموذج الحدث أو نموذج الإرسال المجدول (انظر القسم 1.1.3) ، فإنه يعمل عادةً وفقًا للمخطط الدوري الموضح في الشكل. 2.2.

        طريقة لحل مشكلة تخطيط التدفق

        من الواضح أن مشكلة البرمجة الخطية ذات العدد الصحيح الجزئي هي مشكلة NP-hard بشكل عام ، ولا يمكن الحصول على الحل الدقيق في وقت معقول لقيم كبيرة من m حتى على أقوى أجهزة الكمبيوتر. يرجع التعقيد إلى وجود متغيرات عددية ، ونتيجة لذلك ، الطبيعة التوافقية للطرق العامة لحل مثل هذه المشكلات.

        ترجع الحاجة إلى حل المشكلات واسعة النطاق إلى العامل العملي التالي. تشير نتائج المحاكاة (انظر الفصل التالي) إلى أن التنقل المُدار مناسب للشبكات الكبيرة التي تحتوي على عدة مئات من العقد. تغطي هذه الشبكات مساحات تبلغ عدة عشرات من الكيلومترات المربعة. بالنظر إلى الحاجة إلى إبقاء التأخيرات في نقل البيانات ضمن حدود معينة ، يجب أن يكون العدد الإجمالي لمواضع الحوض كبيرًا أيضًا.

        تهدف الطريقة المقترحة أدناه إلى تقليل التعقيد الحسابي للمشكلة مع الحفاظ على قيمة الوظيفة الهدف بالقرب من القيمة المثلى. تأخذ الطريقة في الاعتبار الميزات التالية لمجال الموضوع قيد الدراسة:

        1. العثور على المسار الأمثل ليس هو الهدف من مشكلة التحسين ، حيث يعتبر أن التدفق غير محدود في الموارد. لذلك ، ليس من الضروري البحث عن مسار يمر عبر كل رأس مرة واحدة.

        2. تكاليف الطاقة لإعادة تشكيل الشبكة ، التي تحددها قيم er-k ، لا تكاد تذكر مقارنة بتكاليف نقل البيانات.

        نقسم المسألة (3.4) إلى مشكلتين فرعيتين. المشكلة الفرعية الأولى (LP) تشبه مشكلة التحسين (3.1) ، أي أنها تتضمن مجموعة واحدة فقط من القيود دون مراعاة الطاقة الإضافية j. تم العثور على مجموعة فرعية كنتيجة لحلها. وستعمل المهمة الفرعية الثانية (ROUTE) على حل مشكلة إنشاء مسار بناءً على المجموعة الفرعية التي تم العثور عليها من المواضع V ومجموعة من القيود على حركة الحوض ، المحددة بواسطة المصفوفة يمكن حل هذه المهمة بإحدى الخوارزميات الاستدلالية ، على سبيل المثال ، "اذهب إلى أقرب قمة غير مرغوب فيها". ومع ذلك ، في سياق حلها ، يمكن الحصول على الاستحالة الأساسية لبناء مثل هذا الطريق. على سبيل المثال ، في الشكل. يوضح الشكل 3.3 مثالاً على حل مشكلة LP ، والتي بموجبها يستحيل بناء مسار. يشير اللون الرمادي إلى الرؤوس من VS المضمنة في المجموعة Y التي تم الحصول عليها نتيجة لحل مشكلة LP.

        حل المشكلة هو tk = min n ni. من الواضح أن مسار الجريان السطحي سيشمل فقط النقطة k ، أي أننا سنحصل على سيناريو جريان ثابت.

        نظرية 3.3.2. دع VQ تكون مجموعة القمم التي يُمنع زيارتها في الخطوة الأولى من الخوارزمية. ثم يتم تنفيذ العملية التكرارية بأقصى خطوات m (حيث m هو عدد الرؤوس في الرسم البياني لموضع التصريف Gs) إذا كان VQ VQ +.

        إثبات وفقًا للخوارزمية ، V0l = 0. بناءً على شروط النظرية ، \ VQ \ \ VQ +. لنأخذ الحالة القصوى المتمثلة في إضافة عنصر واحد بالتسلسل إلى VQ عند كل تكرار. ثم \ V0l \ = 0 ، \ V02 \ = 1 ، ... \ V0m \ = m - 1. ولكن وفقًا لـ Lemma 3.3.1 ، إذا \ VQ \ = m - 1 ، تتوقف العملية التكرارية.

        تشير النظرية 3.3.2 إلى إحدى الخوارزميات الممكنة لحل مشكلة ITER - زيادة مجموعة Vo في كل خطوة. هناك العديد من الاستدلالات لهذا:

        Vo \ u003d Vo U (k): إلى Є VA، Vj Є V: tj tk. أي ، من القمم التي تم الحصول عليها نتيجة لحل مشكلة LP ، يتم اختيار واحد يكون فيه وقت بقاء الحوض هو الأقصر.

        Vo = Vo U Vk: Vj Є، j = k: 2iyti 2iy.ti. بعبارة أخرى ، يُضاف الرسم البياني الفرعي المتصل مع أصغر وقت مكوث إجمالي للحوض إلى Vo.

        خوارزمية أخرى ممكنة أيضًا - قم بزيادة المجموعة تدريجيًا \ حتى يتم تشكيل الرسم البياني المتصل V. لهذا الغرض ، تم اقتراح الاستدلال التالي. في الخطوة الأولى ، يتم تحديد رسمين بيانيين فرعيين مع أكبر وقت بقاء إجمالي للحوض. بعد ذلك ، باستخدام الخوارزميات القياسية على الرسوم البيانية ، على سبيل المثال ، خوارزمية Floyd-Warshall ، أو خوارزمية Dijkstra إذا كان عدد الرؤوس في أحد الرسمين البيانيين صغيرًا ، تم العثور على أقصر المسارات بين جميع أزواج الرؤوس (،) ،

        خوارزميات إرشادية للتحكم الديناميكي في التدفق

        في الأنظمة الحقيقية ، غالبًا ما يكون من المستحيل جمع جميع المعلومات اللازمة لحل المشكلات مسبقًا (3.1) ، (3.4) مسبقًا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتغير الكميات الأساسية للنموذج (2.1) بمرور الوقت. فيما يلي بعض السيناريوهات العملية التي قد تكون أسبابًا محتملة:

        1. تغيير حالة التداخل في مناطق معينة. قد يكون هذا بدوره مرتبطًا بنشر شبكة جديدة في نفس النطاق الترددي أو القريب. في مثل هذه الحالة ، يزداد احتمال إعادة إرسال الحزم ، وبالتالي يزداد استهلاك الطاقة للعناصر الموجودة في هذه المنطقة.

        2. إعادة تكوين عناصر الشبكة. في بعض الحالات ، يلزم إجراء تغيير في خوارزميات تشغيل الأجهزة الفردية. على سبيل المثال ، قد يكون من الضروري تغيير معدل تكرار إرسال رسائل الاختبار.

        3. التغيرات في الظروف المناخية لعمل العقد. نتيجة لذلك ، يمكن لبطارياتهم أن تستنزف طاقتها بشكل أسرع. في مثل هذه الحالات ، يُنصح باستخدام التحكم الديناميكي في حركة الجريان السطحي المتنقل. للحصول على وصف رسمي لخوارزمية التحكم في التدفق الديناميكي ، نقدم عدة رموز إضافية: S (k) هي مجموعة فرعية من رؤوس الرسم البياني GS ، بما في ذلك k والرؤوس المجاورة لـ S (k) = (k) U (j: (k، j) Є Es).

        نشير أيضًا بواسطة D (k) إلى مجموعة العقد ، المحيطة k-thموضع التصريف أو ، بعبارة أخرى ، مجموعة من العقد المتصلة مباشرة بالمصرف عندما تكون في الموضع k: D (k) = i Є Vn: (u ، i) Є En (k) ، حيث u stock.

        دراسة إمكانية إجراء تجربة شاملة

        تم تخصيص هذا الفصل لنمذجة عمر شبكات BSN القابلة لإعادة التشكيل ديناميكيًا ، والتي يتم تنفيذها من أجل الحصول على تقديرات كمية لحركة الجريان السطحي الخاضعة للرقابة ، وكذلك لإيجاد الظروف المثلى لاستخدامها.

        في المرحلة الأولى ، تم التحقيق في إمكانية إجراء تجربة واسعة النطاق على منصات الأجهزة الحالية ، وخلص إلى أن تجربة كاملة مع الحالة الحالية للأجهزة والبرامج أمر صعب للغاية.

        في المرحلة الثانية ، تم تنفيذ نمذجة المحاكاة باستخدام حزمة البرامج المطورة.

        من حيث المعدات الخاصة بالجزء الثابت من الشبكة ، هناك مجموعة كبيرة من الأجهزة لمختلف المهام. يمكنك تقسيم النطاق الكامل للمعدات بشكل مشروط إلى ثلاث مجموعات:

        1. المكونات الإلكترونية - المتحكمات الدقيقة ، وأجهزة الإرسال والاستقبال ، وما إلى ذلك ، والتي تعد أساسًا لتطوير الحلول ، بدءًا من مستوى منخفض. 2. منصات وسيطة ، وعادة ما يتم تطويرها من قبل الجامعات البحثية لغرض إجراء التجارب.

        3. الأنظمة المدمجة التي تم إنشاؤها لحل مشاكل محددة.

        من الناحية النظرية ، من الممكن إجراء تجربة شاملة من خلال تجميع منصة متخصصة من مكونات فردية بناءً على واحدة من العديد من الوحدات اللاسلكية المتاحة التي تصنعها شركات مثل Texas Instruments و Atmel و NXP و Telegesis و Freescale ، إلخ.

        شارك مؤلف عمل الأطروحة في مشروع روسي ألماني مشترك لإنشاء نظام فعال لجمع البيانات اللاسلكية في علم اللوجيستيات الداخلية. خلال المشروع ، تم تطوير نظام أساسي للأجهزة والبرامج المتخصصة لشبكات الاستشعار على أساس الوحدة اللاسلكية NXP Jennic JN5148. كانت هذه الوحدات في وقت التطوير أفضل أداءمن حيث قدرات الحوسبة وأنماط توفير الطاقة.

        اختبر المشروع نموذجًا لشبكة أجهزة استشعار لاسلكية مزودة بمصادر طاقة مستقلة (2.1) ، بالإضافة إلى طريقة لإعادة تشكيلها الديناميكي من خلال استخدام العقد المحمولة.

        تتمثل إحدى ميزات نظام جمع البيانات المطور في اللوجيستيات الداخلية في أن العنصر المتحرك ليس استنزافًا ، ولكنه عقد استشعار موضوعة على الناقل جنبًا إلى جنب مع البضائع في حاويات لرصدها. يوضح الجدول 4.1 المعلمات الخاضعة للرقابة وأجهزة الاستشعار المستخدمة في تطوير التخطيط. لكل معلمة ، تتم الإشارة إلى الحد الأقصى لتكرار جمع البيانات في النظام (بالنسبة لنموذج أولي من 10 عقد ، تم استخدام تردد 15 مرة أقل من الحد الأقصى).

        هناك خيار آخر لإجراء تجربة واسعة النطاق وهو استخدام أنظمة جاهزة تعتمد على الشبكات اللاسلكية ، وهي مصممة في الأصل لحل مشكلات معينة. وهكذا ، في سياق بحث الأطروحة ، أجريت تجربة على أساس معدات شركة مراقبة أمنية في موسكو (انظر الملحق أ). الميزة الرئيسيةيعتبر نظام الأمنهو أن البيانات المتدفقة فيها معروفة مسبقًا بواسطة خوارزمية العقد والإحصاءات المتراكمة ، وبالتالي ، من الممكن تطبيق طريقة إعادة التكوين الديناميكي للشبكة ، ووصف عملها من حيث الطاقة التي تستهلكها الأجهزة . في النظام الذي أجريت على أساسه التجربة ، كان هناك 9 ترحيل وحوالي 4 آلاف جهاز طرفي (انظر الشكل 4.3).

        مكررات النظام متصلة بمصدر طاقة دائم ، ولكنها مزودة أيضًا ببطارية احتياطية بجهد 12 فولت. كان الغرض من التجربة هو دراسة إمكانية زيادة مدة التشغيل المستقل لمكررات النظام أثناء انقطاع التيار الكهربائي الطارئ باستخدام طريقة إعادة التشكيل الديناميكي للشبكة. تألفت إعادة التكوين من تغيير الطوبولوجيا عن طريق التحكم في البرنامج ، وتم تحديد تسلسل التغيير كنتيجة لحل المشكلة (3.4). ونتيجة لذلك ، كان من الممكن تحقيق زيادة في عمر المكررين الفرديين بنسبة 25-40٪.

        ومع ذلك ، لم تسمح أي من التجارب المذكورة أعلاه بالكشف الكامل عن الإمكانات الكاملة لاستخدام طرق إعادة التشكيل الديناميكي للشبكة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الشبكة نفسها (عدد المكررات).

        الخيار الأكثر تفضيلاً لإجراء تجربة طبيعية كاملة هو استخدام الأنظمة الأساسية للأجهزة والبرامج المتخصصة للبحث العلمي ، ويرجع ذلك أساسًا إلى حقيقة أن لديهم قدرًا أكبر من المرونة فيما يتعلق بالتعديلات الممكنة للبروتوكولات ذات المستوى الأدنى اللازمة للغرامة. - ضبط انتقالات الجهاز بين أوضاع تشغيله المختلفة بما في ذلك نقل البيانات لاسلكياً.

        أثبتت إحدى منصات البحث الأكثر نجاحًا لـ BSS أنها تطورات جامعة كاليفورنيا بيركلي ، والتي تم توفيرها مسبقًا من خلال القوس والنشاب (xbow) ، وتباع حاليًا من قبل شركة MEMSIC. وتشمل هذه المنصات TelosB (الشكل 4.4 ، أ) ، MicaZ (الشكل 4.4 ، ب) ، Imote2 (الشكل 4.4 ، ج).

        تدعم جميع الحلول المذكورة أعلاه نظام التشغيل TinyOS ، المصمم خصيصًا للاستخدام في شبكات الاستشعار. Imote2 هو نظام أساسي أكثر إنتاجية من حيث الحجم ، ومع ذلك ، فإنه يتميز بخصائص استهلاك طاقة أسوأ. تم تطوير جميع الحلول الثلاثة وفقًا لمعيار IEEE 802.15.4 ، بينما تستخدم TelosB و MICAZ أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بـ Berkeley ، والتي لم يتم اعتمادها في العديد من دول العالم ، بما في ذلك روسيا. هذه الحقيقة تشكل عقبة خطيرة أمام استخدامها كأجهزة للتجارب الطبيعية. يحتوي TelosB على مستشعرات مدمجة لدرجة الحرارة والضوء والرطوبة ، ولدى MICAZ موصل عالمي لبطاقات التمدد ، مما يجعل من الممكن توصيل مجموعة أكبر من المستشعرات.

        FireFly Nodes عبارة عن منصة شبكة مستشعر لاسلكي تم تطويرها بواسطة Realime & Multimedia Systems Lab في جامعة كارنيجي ميلون في بيتسبرغ ، الولايات المتحدة الأمريكية. إنه ، مثل الآخرين ، مصمم لجمع البيانات ومعالجتها والاتصال في شبكات متشابكة. ومع ذلك ، تمثلت خطوة مهمة إلى الأمام مقارنة بالحلول السابقة في إدخال مزامنة العقدة العالمية ، والتي توفر القدرة على نقل الشبكة بأكملها إلى وضع الطاقة المنخفضة.

        أطروحات مماثلة ل محاكاة عمر شبكات الاستشعار القابلة لإعادة التشكيل ديناميكيًا باستخدام حوض متنقل



أريد أن أكرس مقالتي لتقنيات شبكات الاستشعار اللاسلكية ، والتي يبدو لي أنها محرومة دون حق من اهتمام مجتمع هابرا. أرى أن السبب الرئيسي لذلك هو أن التكنولوجيا لم تصبح جماعية بعد ، وهي في الغالب أكثر إثارة للاهتمام بالنسبة للأوساط الأكاديمية. لكنني أعتقد أننا سنرى في المستقبل القريب العديد من المنتجات تعتمد بطريقة أو بأخرى على تقنيات هذه الشبكات. لقد قمت بالبحث عن شبكات الاستشعار لعدة سنوات ، وكتبت أطروحة دكتوراه حول هذا الموضوع وعدد من المقالات في المجلات الروسية والأجنبية. لقد طورت أيضًا دورة تدريبية حول شبكات الاستشعار اللاسلكية ، قرأتها في نيجني نوفغورود جامعة الدولة(أنا لا أقدم رابطًا للدورة ، إذا كنت مهتمًا ، يمكنني إعطاء رابط بشكل خاص). لدي خبرة في هذا المجال ، أرغب في مشاركتها مع مجتمع محترم ، وآمل أن تكون مهتمًا.

معلومات عامة

تلقت شبكات الاستشعار اللاسلكية الكثير من التطوير في السنوات الأخيرة. مثل هذه الشبكات ، التي تتكون من العديد من العقد المصغرة المزودة بجهاز إرسال واستقبال منخفض الطاقة ومعالج دقيق ومستشعر ، يمكنها ربط شبكات الكمبيوتر العالمية والعالم المادي معًا. جذب مفهوم شبكات الاستشعار اللاسلكية انتباه العديد من العلماء ومعاهد البحث والمنظمات التجارية ، مما وفر تدفقاً كبيراً من أعمال علميةحول هذا الموضوع. الاهتمام الكبير بدراسة هذه الأنظمة يرجع إلى الاحتمالات الواسعة لاستخدام شبكات الاستشعار. يمكن استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية ، على وجه الخصوص ، للتنبؤ بفشل المعدات في أنظمة الطيران وأتمتة المباني. نظرًا لقدرتها على التنظيم الذاتي والاستقلالية والتسامح الشديد مع الأخطاء ، تُستخدم هذه الشبكات بنشاط في أنظمة الأمان والتطبيقات العسكرية. يرتبط التطبيق الناجح لشبكات الاستشعار اللاسلكية في الطب للمراقبة الصحية بتطوير مستشعرات بيولوجية متوافقة مع عقد مستشعر الدائرة المتكاملة. لكن شبكات الاستشعار اللاسلكية تستخدم على نطاق واسع في مجال المراقبة. بيئةوالكائنات الحية.

حديد

بسبب عدم وجود معايير واضحة في شبكات الاستشعار ، هناك العديد من المنصات المختلفة. تلبي جميع المنصات المتطلبات الأساسية لشبكات الاستشعار: استهلاك منخفض للطاقة ، ووقت تشغيل طويل ، وأجهزة إرسال واستقبال منخفضة الطاقة ، ووجود أجهزة استشعار. تشمل المنصات الرئيسية MicaZ و TelosB و Intel Mote 2.

ميكاز

  • المعالج الدقيق: اتميل ATmega128L
  • تردد 7.3728 ميجا هرتز
  • ذاكرة فلاش 128 كيلو بايت للبرامج
  • 4 كيلوبايت SRAM للبيانات
  • 2 UART
  • حافلة SPI
  • حافلة I2C
  • الراديو: ChipCon CC2420
  • ذاكرة فلاش خارجية: 512 كيلو بايت
  • موصل إضافي 51 سنًا
  • ثمانية عمليات إدخال / إخراج تناظرية 10 بت
  • 21 إدخال / إخراج رقمي
  • ثلاثة مصابيح LED قابلة للبرمجة
  • منفذ JTAG
  • مدعوم من بطاريتين AA
TelosB
  • المعالج الدقيق: MSP430 F1611
  • تردد 8 ميجا هرتز
  • ذاكرة فلاش 48 كيلو بايت للبرامج
  • 10 كيلوبايت من ذاكرة الوصول العشوائي للبيانات
  • حافلة SPI
  • المدمج في 12 بت ADC / DAC
  • تحكم DMA
  • الراديو: ChipCon CC2420
  • ذاكرة فلاش خارجية: 1024 كيلو بايت
  • موصل إضافي ذو 16 سنًا
  • ثلاثة مصابيح LED قابلة للبرمجة
  • منفذ JTAG
  • اختياري: مستشعرات الضوء والرطوبة ودرجة الحرارة.
  • مدعوم من بطاريتين AA


إنتل موت 2
  • معالج دقيق 320/416/520 ميجا هرتز PXA271 XScale
  • 32 ميجا بايت فلاش
  • 32 ميجا بايت رام
  • واجهة USB صغيرة
  • موصل I-Mote2 للأجهزة الخارجية (31 + 21 دبوس)
  • الراديو: ChipCon CC2420
  • مؤشرات LED
  • مدعوم من ثلاث بطاريات AAA

كل منصة مثيرة للاهتمام بطريقتها الخاصة ولها خصائصها الخاصة. أنا شخصياً كانت لدي خبرة في منصات TelosB و Intel Mote 2. كما تم تطوير منصتنا الخاصة في مختبرنا ، لكنها تجارية ولا يمكنني التحدث عنها بالتفصيل.

كان الأكثر شيوعًا قبل 3 سنوات هو استخدام شرائح CC2420 كجهاز إرسال واستقبال منخفض الطاقة.

البرمجيات ونقل البيانات

المعيار الرئيسي لنقل البيانات في شبكات الاستشعار هو IEE802.15.4 ، والذي تم تصميمه خصيصًا للشبكات اللاسلكية ذات أجهزة الإرسال والاستقبال منخفضة الطاقة.

لا توجد معايير في مجال البرمجيات في شبكات الاستشعار. هناك عدة مئات من البروتوكولات المختلفة لمعالجة البيانات ونقلها ، بالإضافة إلى أنظمة إدارة العقدة. نظام التشغيل الأكثر شيوعًا هو النظام الذي يحتوي على المصدر المفتوح- TinyOs (في جامعة ستانفورد ، التقيت شخصيًا بأحد المطورين). يكتب العديد من المطورين (خاصة الأنظمة التجارية) نظام التحكم الخاص بهم ، غالبًا في Java.

تتم كتابة برنامج التحكم لعقدة المستشعر الخاضعة لسيطرة نظام التشغيل TinyOs بلغة nesC.

وتجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لارتفاع تكلفة المعدات وتعقيد إنشاء شبكات الاستشعار ، فقد انتشرت أنظمة محاكاة مختلفة ، ولا سيما نظام TOSSIM ، المصمم خصيصًا لمحاكاة تشغيل العقد التي تعمل بنظام TinyOs.

استنتاج

أصبحت شبكات الاستشعار أكثر انتشارًا في روسيا. عندما بدأت في القيام بها في عام 2003 ، كان من الممكن حساب عدد الأشخاص الذين كانوا على دراية بهذه التكنولوجيا في روسيا على أصابع اليد. بما في ذلك روسيا ، كانت مختبرات Luxsoft سيئة السمعة تعمل في هذا الأمر.

لقد عملت مع شبكات الاستشعار لمدة 6 سنوات ويمكنني أن أخبرك كثيرًا عن هذه التقنيات. إذا كانت جمعية Habrasociety مهتمة ولدي الفرصة ، فسأكون سعيدًا لكتابة سلسلة من المقالات حول هذا الموضوع. يمكنني أن أتطرق إلى أشياء مثل: العمل الحقيقي مع منصة TmoteSky ، ميزات البرمجة لنظام TinyOs في nesC ، نتائج البحث الأصلية التي تم الحصول عليها في مختبرنا ، انطباعات 1.5 شهر من العمل في جامعة ستانفورد ، في مشروع على شبكات الاستشعار.

أشكركم جميعًا على اهتمامكم ، وسأكون سعيدًا بالإجابة على أسئلتكم.

يتعلق الاختراع بشبكات الاستشعار اللاسلكية لأنظمة المراقبة الآلية. والنتيجة التقنية هي ضمان التوجيه الفعال وإطالة عمر الشبكة وزيادة الموثوقية. تم اقتراح طريقة ونظام للموازنة الموزعة لحركة المرور في شبكة مستشعر لاسلكي بناءً على خوارزمية توجيه من عقدة مصدر إلى عقدة وجهة ، حيث يتم تمثيل شبكة المستشعر اللاسلكي على شكل رسم بياني G (N ، M) ، حيث N هي عُقد الشبكة و M عبارة عن حواف ، وهناك طرق K ، ويتم إنشاء المعلومات بمعدل Q c ويتم نقلها عبر قناة اتصال C بمعدل q c ، و العقدة الأولىيحتوي على احتياطي طاقة E i ، ولكل وجه ij وزن / سعر e ij ، والذي يتوافق مع الطاقة لنقل حزمة بيانات واحدة من العقدة i إلى j ، ويتم تعريف العمر T i لكل عقدة على أنه

في كل عقدة ، يتم تحديد جدول التوجيه وإعداد ناقل إرسال الرسائل ، ويتم إجراء تحليل لخيارات المسار وفقًا للمتجهات الإجمالية المثلى ، والتي يتم حسابها وفقًا لجدول التوجيه. لهذا ، يتم تحديد عمر الشبكة بالكامل. . يتم تعريف تعظيم العمر على أنه تعظيم نظام T ، ويتم توزيع المسارات من أجل تحقيق أقصى عمر للشبكة بأكملها ، حيث يعتمد اختيار المسار في الشبكة على استخدام عمليات النقل الأقل تكلفة في كل عقدة ، و الأكثر تكلفة يتم استبعادها. 2 ن. و 9 ز. f-ly ، 4 مرض.

رسومات براءة اختراع RF 2528415

مجال التكنولوجيا الذي ينتمي إليه الاختراع

يتعلق الاختراع بمجال الاتصالات اللاسلكية ويمكن استخدامه في أنظمة المراقبة الآلية التي تعمل بشكل مستقل وكجزء من أنظمة التحكم والمعلومات متعددة المستويات ، لا سيما في أنظمة مراقبة المعلمات البيئية أو الصناعية في الوقت الفعلي مع العقد الموزعة على نطاق واسع. مناطق وعدم وجود خطوط اتصال سلكية وخطوط كهرباء.

مثال رائع من الفن

في الوقت الحالي ، تأخذ شبكات الاستشعار مكانها بشكل متزايد في تطبيقات مراقبة الأماكن والأحداث المختلفة. فيما يتعلق بتطوير تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية ، أصبح من الممكن تطوير شبكات الاستشعار اللاسلكية الموزعة (RSN). تختلف شبكات الاستشعار الموزعة عن الشبكات التقليدية في مواردها المحدودة للطاقة ، وقوة الحوسبة المنخفضة ، والحاجة إلى مواقع أكثر كثافة ، وتكلفة منخفضة لكل عقدة. تحدد هذه الميزات من الشبكات الأخرى (على سبيل المثال ، الخلوية) أهدافًا وأهدافًا جديدة لتطبيقها. تم استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية على نطاق واسع في العديد من مجالات النشاط البشري ، وبالتالي فهي تحظى الآن باهتمام كبير.

تتكون شبكة المستشعرات الموزعة من العديد من العقد منخفضة التكلفة وذاتية الاكتفاء ومتعددة الوظائف الموجودة في منطقة المراقبة. تتكون كل عقدة من مجموعة من الكتل ، مثل: جهاز استشعار يستخدم لتلقي البيانات من البيئة ، ووحدة استقبال ونقل البيانات ، ووحدة تحكم دقيقة لمعالجة الإشارات والتحكم فيها ، ومصدر للطاقة. يتم تشغيل المعالج بواسطة بطارية قائمة بذاتها مع مورد طاقة محدود ، مما يؤدي إلى قيود كبيرة في استهلاك الطاقة. تعد صيانة عقد المستشعرات ، مثل استبدال البطاريات ، مكلفة ، خاصةً عندما تقع العقد في مناطق يصعب الوصول إليها ، لذا فإن معظم شبكات المستشعرات لا تحتاج إلى صيانة وتعمل حتى نفاد البطارية. تعد خاصية شبكات الاستشعار هذه مهمة جدًا في تطوير خوارزميات التوجيه في شبكات DCN ، مما يجعل من الممكن زيادة كفاءة استهلاك طاقة الشبكة.

لذلك ، هناك العديد من الطرق لتوفير موارد الطاقة للعقد في شبكة المستشعرات ، ويوضح الشكل 1 تصنيفها. يمكن تقسيم الطرق إلى ثلاث مجموعات كبيرة - وهذا هو الحفاظ على الطاقة بمساعدة دورات العمل ، بناءً على كمية المعلومات المنقولة وعلى التنقل.

تتضمن دورات العمل التحكم في الطوبولوجيا وإدارة الطاقة. يهدف التحكم في الطوبولوجيا إلى استخدام أو تقليل الروابط الزائدة في الشبكة من أجل توفير الموارد. يمكن التحكم في الاستهلاك من خلال تطبيق العديد من بروتوكولات التحكم في الوصول إلى الوسائط الموفرة للطاقة (بروتوكولات MAC) وأنماط تشغيل الجهاز. تعتمد الفئة الثانية من طرق الحفاظ على الطاقة على كمية المعلومات المنقولة ، وكذلك على الحصول على هذه المعلومات بطرق اقتصادية. الطاقة التي يتم إنفاقها على معالجة المعلومات أقل بما لا يقاس من الطاقة المطلوبة لنقلها ، لذلك يتم استخدام معالجة بيانات الشبكة الداخلية أو ضغط البيانات أو التنبؤ بالبيانات. تستخدم أجهزة إعادة الإرسال أيضًا لتوفير الطاقة لعقد شبكة الاستشعار.

يمكن تقسيم طرق التوجيه إلى الفئات التالية: المباشر ، والتسلسل الهرمي ، والتوجيه بناءً على موقع جغرافي.

يتضمن التوجيه المباشر نقل الرسائل من عقدة إلى عقدة في الشبكة ، حيث تؤدي كل عقدة نفس وظيفة الإرسال و / أو الترحيل ، على عكس التسلسل الهرمي ، حيث يتم تخصيص عقد أو أكثر لجمع المعلومات ومعالجتها. عيب التوجيه المباشر هو أن الشبكات التي تجمع المعلومات من منطقة معينة سترسل الكثير من المعلومات الزائدة عن الحاجة ، خاصةً إذا كانت شبكة المستشعرات كثيفة. من أجل تجنب تكرار المعلومات ، يتم استخدام خوارزميات خاصة للحصول على معلومات ليس من العقد ، ولكن من منطقة معينة من الشبكة. على سبيل المثال ، تُعرف خوارزمية بروتوكولات الاستشعار للمعلومات عبر التفاوض (SPIN) ، حيث ترسل المحطة الأساسية طلبًا إلى منطقة معينة من شبكة الاستشعار. عند تلقي طلب ، تفي عقد المجال بطلب الطلب ، وتتبادل البيانات محليًا ، وترسل استجابة عامة.

مع التوجيه الهرمي ، من أجل التجميع والمعالجة ، من الضروري استخدام العقد ذات الإمداد الكبير من الطاقة ، والتي ، على الرغم من أنها تسمح بالتوفير في نقل أحجام أصغر بكثير من البيانات التي تمت معالجتها بالفعل ، إلا أنها غالبًا ما تكون غير مقبولة بسبب تجانس الأدوات مستعملة أو صعوبات أخرى. من أجل عدم استخدام العقد المتخصصة ، هناك العديد من التقنيات. لذلك ، تُعرف تقنية التسلسل الهرمي للتكيف منخفض الطاقة (LEACH) ، عندما يتم أخذ وظيفة التجميع بدورها بواسطة عدة عقد من شبكة المستشعر ، يتم اختيارها وفقًا لخوارزمية معينة ، وبالتالي توزيع حمل عقدة التجميع.

يُطلق على التوجيه المستند إلى الموقع أيضًا التوجيه الهندسي لأن الاتجاه الهندسي للمحطة الأساسية يُستخدم للعثور على المسار. هناك أيضًا توجيه بواسطة الإحداثيات الافتراضية ، والتي تم إنشاؤها ليس فقط اعتمادًا على الموضع الفعلي للعقدة ، ولكن أيضًا مع مراعاة المخالفات السطحية الطبيعية والعقبات ومستوى قناة الإرسال ، إلخ.

يُعرف التوجيه متعدد مؤشرات الترابط أيضًا ، حيث يكون تسليم رسالة من عقدة واحدة ممكنًا عبر عدة مسارات. في الآونة الأخيرة ، تم إيلاء الكثير من الاهتمام للتوجيه عند الطلب في المحطة الأساسية ، على سبيل المثال ، استنادًا إلى العثور على أقصر طريق والحفاظ عليه مع الأخذ في الاعتبار قناة سيئةوفشل العقدة. ومع ذلك ، فإن العقد الموجودة على أقصر مسافة يتم استنفادها بسرعة ، مما يؤدي إلى قطع الاتصال وتقليل عمر الشبكة ، والذي غالبًا ما يُفهم على أنه عمر العقدة الأولى التي تفشل. لذلك ، هناك حاجة لإنشاء تقنية لزيادة عمر شبكة المستشعرات إلى الحد الأقصى ، والتي يتم حلها بطريقة أو بأخرى من طرق البرمجة الخطية.

وبالتالي ، تُعرف براءة الاختراع RU 2439812 C1 ، المنشورة 2012-01-10 ، IPC H04W 36/00 ، بأنها حل تقني قريب من الجوهر ، والذي يكشف عن شبكة مستشعر ذاتية التكوين من مجموعة من المستشعرات والمشغلات بناءً على التوجيه اعتمادًا على الموقع الجغرافي. تتكون شبكة المستشعرات من وحدة معالجة بيانات مركزية (DCPD) ومحطات قاعدة N (BS) تقع بشكل متساوٍ أو عشوائي على طول حدود منطقة تغطية الشبكة ، حيث تتم الإشارة مكانيًا إلى إحداثيات تحديد المواقع العالمية وتحتوي على ذاكرة لتخزين القيمة من معامل الثقة ، وهو رقم يقع بين القيم الدنيا والقصوى المحددة. يتم تعيين عامل الثقة للمحطة القاعدة مساويًا تقريبًا للقيمة القصوى. داخل منطقة تغطية شبكة المستشعرات ، توجد العقد M بشكل متساوٍ أو عشوائي ، مع M >> N. العقد مجهزة بذاكرة لتخزين قيم إحداثيات الإسناد المكاني ، والتي يتم تهيئتها إلى قيم عشوائية أثناء الإنتاج ، ولتخزين عامل الثقة ، الذي يتم تهيئته إلى قيمة تساوي تقريبًا الحد الأدنى لقيمة عامل الثقة. تنشئ كل عقدة و BS اتصالاً مع ما لا يزيد عن K العقد المجاورة و BS ، وتعتمد قيمة K على خصائص الإنتاجية لقناة الاتصال وخصائص الأداء واستهلاك الطاقة للمعالجات الدقيقة المضمنة في تكوينها. بعد إنشاء الاتصال ، تقوم العقد والمحطة القاعدة بإجراء عملية التحديد المتبادل لقيم الإحداثيات المكانية. للقيام بذلك ، تقوم كل عقدة أو BS بشكل دوري بنقل قيم الذاكرة الخاصة بها لتخزين قيم إحداثيات الإسناد المكاني والذاكرة لتخزين قيمة معامل الثقة. في كل دورة معالجة ، تتلقى العقدة قيم الإحداثيات ومعاملات الثقة من جميع الأجهزة المجاورة التي تم إنشاء اتصال بها ، وتحدد القيم المحسوبة لإحداثياتها ومعامل الثقة الخاص بها بواسطة طريقة حساب المتوسط ​​المرجح قيم إحداثياته ​​وإحداثياته ​​للأجهزة المجاورة ، باستخدام معاملات الثقة كمعامِلات وزن الجهاز نفسه والأجهزة المجاورة. وبالتالي ، فإن عقد شبكة الاستشعار تتلقى مرجعًا مكانيًا. لتوجيه رسالة من DCMS إلى عقدة ذات إحداثيات (x ، y ، z) ، تقوم بإعادة توجيه الرسالة إلى BS واحد أو أكثر الأقرب إلى الإحداثيات المطلوبة. تقوم BS المشار إليها بنقل الرسالة إلى أقرب العقد ، والعقد على التوالي - إلى أقرب عقد لها في اتجاه المتجه الموجه إلى النقطة المطلوبة (x ، y ، z). العقد المرتبطة مكانيًا بالنقاط الواقعة على مسافة لا تتجاوز نصف قطر حساسية شبكة المستشعر r تدرك الرسالة على أنها موجهة إليها. يتم إجراء مزيد من التحكيم للعقد لتحديد الوجهة النهائية للرسالة ، بالإضافة إلى إرسال إقرار باستلام الرسالة ، حسب الضرورة ، بناءً على المتطلبات الفنية لتشغيل الشبكة. لتوجيه رسالة من عقدة إلى مركز بيانات ، تزود العقد بالإضافة إلى ذلك ذاكرة لتخزين قائمة إحداثيات أقرب محطة قاعدية. لإرسال رسالة إلى DCDC ، ترسل العقدة رسالة إلى واحدة أو أكثر من العقد المجاورة في اتجاه المتجه الموجه إلى النقطة مع إحداثيات BS ، عندما تصل الرسالة إلى BS ، فإنها ترسل الرسالة مباشرة إلى DCDC ، وإذا لزم الأمر ، يرسل رسالة تأكيد الإرسال إلى عقدة الإرسال.

عيب شبكة الاستشعار ذاتية التكوين وطريقة تشغيلها هو تعقيد المعدات المستخدمة ، المرتبطة بالحاجة إلى تعيين واستخدام إحداثيات الإسناد المكاني للعقد والمحطات القاعدية ، وهذا الحل لا يوفر عمر طويل للشبكة بأكملها ككل.

كأقرب نموذج تناظري - نموذج أولي ، يمكننا اقتراح طريقة توجيه بأقصى عمر في شبكة لاسلكية مخصصة ، تم الكشف عنها في المنشور Arvind Sankar و Zhen Liu ، أقصى توجيه مدى الحياة في الشبكات اللاسلكية المخصصة ، INFOCOM 2004 ، عشرون - المؤتمر السنوي الثالث المشترك لـ IEEE ، جمعيات الكمبيوتر والاتصالات ، المجلد 2 ، ص 1089-1097 ، حيث تتم صياغة مشكلة تعظيم عمر شبكة الاستشعار ، والتي يتم حلها بطريقة البرمجة الخطية ، وهي الخوارزمية يقترح لتقليل مجموع الوظائف المحتملة لجميع قوائم الانتظار.

عيب هذه الطريقة هو الكفاءة المنخفضة ، حيث أن العقد الموجودة على أقصر مسافة غالبًا ما يتم استنفادها بسرعة ، مما يؤدي إلى انقطاع الاتصال وتقليل عمر الشبكة.

وبالتالي ، هناك حاجة إلى حل مشاكل التقنية السابقة المذكورة أعلاه.

جوهر الاختراع

تتمثل النتيجة الفنية التي يتم توجيه الاختراع المقترح إليها ، على وجه الخصوص ، في: توفير التوجيه الفعال وإطالة عمر شبكة المستشعرات اللاسلكية لمراقبة الكائنات والمعلمات المختلفة في الوقت الفعلي ، حيث تكون المعلومات الخاصة بكل عقدة مهمة ، وزيادة الوظائف والموثوقية وتقليل تكلفة استخدام أنظمة المراقبة. سيؤدي استخدام الحل المقترح إلى تحسين كفاءة تشغيل الكائن المتحكم فيه نظرًا لطول عمر بطارية مزود الطاقة المستقل ، مما سيسمح بتسجيل ونقل البيانات حول معلمات الكائن و / أو البيئة لفترة أطول .

يتمثل جوهر الطريقة المقترحة لموازنة حركة المرور الموزعة في شبكة مستشعر لاسلكي في تطبيق خوارزمية توجيه جديدة من العقدة المصدر إلى العقدة الوجهة. يتم إجراء الاتصال بين العقد المذكورة في شبكة الاستشعار ، على سبيل المثال ، عبر بروتوكول Zigbee ، أو في نطاق تردد لاسلكي غير مرخص ، أو عبر شبكة راديو رقمية متنقلة ، أو عبر أي بروتوكول اتصال لاسلكي مناسب آخر. يمكن تمثيل شبكة المستشعرات الموزعة على شكل رسم بياني G (N ، M) ، والذي يحدد مجموعة من العقد المذكورة والوصلات بينها ، حيث N هي عقد شبكة ، و M هي حواف ، وهناك أيضًا طرق K. يتم إنشاء المعلومات بمعدل Q c وترسل عبر قناة اتصال C بمعدل q c ، وأنا عشرتحتوي العقدة على احتياطي طاقة E i ، ولكل وجه ij وزن / سعر e ij ، والذي يتوافق مع الطاقة لنقل حزمة بيانات واحدة من العقدة i إلى j ، بينما يتم تعريف العمر T i لكل عقدة على أنه

بعد ذلك ، يتم تحديد جدول التوجيه في كل عقدة ويتم تعيين ناقل إرسال الرسائل ، ويتم إجراء تحليل خيارات المسار الممكنة وفقًا للمتجهات الإجمالية المثلى ، والتي يتم حسابها وفقًا لجدول التوجيه ، لهذا عمر يتم تحديد نظام T الشبكة بالكامل

وبالتالي ، يتم تعريف تعظيم العمر على أنه تعظيم نظام T ، ومن أجل تحقيق أقصى عمر للشبكة بأكملها ، يتم توزيع مسارات المعلومات المرسلة ، بينما يعتمد اختيار مسار حركة المرور في الشبكة على الاستخدام من عمليات النقل الأقل تكلفة عند كل عقدة ، وعند بناء المسار ، يتم استبعاد أكثرها تكلفة.عقد تستند إلى T i المحسوبة.

تحتوي عقدة مصدر واحدة على الأقل على مستشعر يعمل بالطاقة الذاتية لقياس ومراقبة المعلمات المادية (الكميات) ، والتي تراقب في منطقة شبكة معينة وتنقل الرسائل (حزم البيانات) بمعلمات مُقاسة إلى عقدة وجهة واحدة على الأقل.

بدلاً من ذلك ، في كل عقدة ، من أجل إحضار بيانات المراقبة إلى شكل موحد ، يمكنهم إجراء المعالجة الأولية للمعلمات المادية المستلمة من المستشعرات ، على سبيل المثال ، من خلال تجميعها في الذاكرة ، وتحويل متوسط ​​، وتحويل من تناظري إلى رقمي إلى الكود المناسب. كمعلمات مُقاسة للمراقبة ، على سبيل المثال ، البيئة ، يتم استخدام معلمات مختلفة ، مثل درجة الحرارة ، والضغط ، والرطوبة ، والإضاءة ، والدخان ، ومستوى الاهتزاز ، إلخ.

بدلاً من ذلك ، يتم اختيار المسار في إنشاء و / أو تحديث جدول التوجيه وفقًا لمجموعات من المعايير مثل طول المسار ، مقاسة بعدد أجهزة التوجيه التي من الضروري المرور من خلالها إلى العقدة الوجهة ؛ معدل نقل قناة الاتصال ؛ إجمالي وقت الإرسال المتوقع ؛ تكلفة قناة الاتصال كمية الطاقة المتبقية في العقدة.

بدلاً من ذلك ، تقوم الطريقة بالإضافة إلى ذلك بتحديث قيم عمر T i لكل عقدة أو عمر نظام T بأكمله وفقًا لمجموعة المعايير المذكورة ، والتي يتم تنفيذها عند إرسال رسالة من العقدة المصدر إلى العقدة الوجهة أو عند اكتشاف انقطاع اتصال بين العقد.

بدلاً من ذلك ، بعد بناء جدول التوجيه ، يتم تنفيذ وظيفة إرسال الحزم على طول المسارات المثلى (المسار) عند إرسال الحزمة ، حيث تضع كل عقدة شبكة عنوان العقدة التالية في رأس الحزمة على مستوى التحكم في الوصول إلى الوسائط (مستوى MAC) ).

يُقترح أيضًا نظام موازنة موزعة لحركة المرور في شبكة مستشعر موزعة بناءً على خوارزمية توجيه من عقدة مصدر إلى عقدة وجهة في شبكة مستشعر موزعة وفقًا للطريقة المقترحة ، والتي تشتمل على: عقدة وجهة متصلة بواسطة قناة اتصال لاسلكي إلى عقدة المصدر ، وهي وحدة استشعار حيث يوجد جهاز الإرسال والاستقبال ، ومستشعر للمعلمات الفيزيائية ، وجهاز تحكم دقيق للمعالجة والتحكم ومصدر مستقل لمصدر الطاقة ، وتحتوي العقدة الوجهة على جهاز إرسال واستقبال ، وسائل لتجميع المستقبل معلومات ووسائل معالجة وعرض المعلومات الواردة من وحدات الاستشعار لبناء نموذج للكائن أو الفضاء قيد الدراسة.

بدلاً من ذلك ، يمكن تقسيم وحدات المستشعر إلى مجموعات ، ويتم توصيل كل مجموعة لاسلكيًا بالعقدة الوجهة من خلال جهاز الإرسال والاستقبال الخاص بها. يتم تنفيذ مراقبة المعلمات البيئية أو الصناعية في الوقت الفعلي بشكل نقطي في منطقة معينة ، حيث تؤدي المجموعة الفرعية الأولى من المجموعة المذكورة من العقد المصدر وظائف المراقبة ، وتؤدي المجموعة الفرعية الثانية من العقد المصدر وظائف إرسال واستقبال حزم البيانات فقط مع المعلمات الفيزيائية المقاسة المستلمة من المجموعة الفرعية الأولى من العقد المصدر.

ستظهر هذه الميزات والمزايا التصميمية والوظيفية الأخرى للاختراع المقترح من وصف مفصلالمتغيرات الخاصة به ، والتي يجب قراءتها بالتزامن مع الرسم.

وصف مختصر للرسومات

يوضح الشكل 1 تصنيفًا معروفًا لطرق توفير طاقة العقد في شبكة المستشعرات.

يوضح الشكل 2 خوارزمية إنشاء شبكة مستشعر بناءً على المسح.

يوضح الشكل 3 شبكة المستشعر في شكل رسم بياني G (N ، M).

يوضح الشكل 4 خيارات لتحديد المسارات.

وصف تفصيلي للاختراع

تم اقتراح خوارزمية تعتمد عليها تقنية جمع البيانات الآلية ونقلها على RSS المقترح (شبكة ذاتية التنظيم اللاسلكية ذاتية التنظيم أجهزة محمولة) إلى نقطة واحدة لبناء نموذج للكائن أو الفضاء قيد الدراسة. يمكن استخدام هذا النموذج بشكل أساسي لبناء شبكات لمراقبة المعلمات البيئية أو الصناعية في الوقت الفعلي ، ومراقبة حالة دورة الحياةالمباني والهياكل ، في تصميم وبناء المناطق الترفيهية وأغراض بناء المنتجعات الصحية ، وكذلك في مجالات أخرى مختلفة من صناعة السيارات ، في النقل بالسكك الحديدية ، في بناء الطرق ، في الطب.

يسمح الاختراع المقترح بزيادة الوظائف والموثوقية بشكل كبير وتقليل تكلفة استخدام أنظمة المراقبة هذه. يرتبط خفض التكلفة ارتباطًا وثيقًا بالتوحيد البناء والوظيفي والبرمجي للأجزاء التي يتكون منها النظام ، والذي يتضمن تحليلًا شاملاً للمتطلبات والبحث حول كيفية إنشاء نظام أساسي للبرامج والأجهزة لإنشاء أنظمة لمراقبة الحالة البيئية البيئة القائمة على تقنية شبكات الاستشعار اللاسلكية. للقيام بذلك ، يتم فحص المعلمات المختلفة: درجة الحرارة ، والضغط ، والرطوبة ، والإضاءة ، والدخان ، والاهتزاز ، والتي يتم جمعها من خلال شبكات الاستشعار ذاتية التنظيم. يتكون RCC من أجهزة طرفية وموجهات وسيطة ومنسق شبكة ونقطة تجميع بيانات مخصصة ، وأحيانًا تسمى هذه النقطة بوابة شبكة ، وهي تعمل على تحويل البيانات من قناة راديو إلى شبكة منظمة على بصري أو سلك نحاس- إيثرنت. يتم توصيل المستشعرات الخاصة بتجميع المعلمات المادية بعُقد الشبكة - وهي أجهزة طرفية يتم دمجها ، من خلال منسق الشبكة ، في بنية واحدة ، على سبيل المثال ، باستخدام بروتوكول ZigBee. يتيح لك ذلك نشر شبكة للمراقبة في فترة زمنية قصيرة بأقل تكلفة وموثوقية عالية بدرجة كافية.

تم تجهيز كل وحدة PCC بمصدر طاقة مستقل ، مما يسمح بتركيبها في أماكن يصعب الوصول إليها لأخذ القراءات المطلوبة بأقل تكاليف العمالة. تتمثل إحدى ميزات الاختراع المقترح في إنشاء برنامج وأجهزة فريدة قابلة للتطوير ، تتكون من مجموعة من الوحدات النمطية اللازمة للتنفيذ ، والتي تتيح لك التحكم في الأجهزة لأقصى وقت تشغيل ممكن ، وفي نفس الوقت إنشاء نموذج موثوق به تلقائيًا لبيئة مكانية غير متجانسة. يتم الاتصال بين الأجهزة عبر قناة راديو بمعايير اتصال مختلفة ، بما في ذلك بروتوكول Zigbee ، في نطاق تردد غير مرخص أو عبر شبكة راديو رقمية متنقلة. تتيح البيانات التي تم جمعها للمعالجة إمكانية استخدام مثل هذا النظام لبناء نموذج بيئي ثلاثي الأبعاد للبيئة / الفضاء المدروس أو الكائن قيد الدراسة ، مما يقلل بشكل كبير من الوقت اللازم للمعالجة والحصول على المعلومات والموارد المالية. يتمثل جوهر الخوارزمية المقترحة ، التي تسمى منطقتي السلم ، في التحكم في عناصر RCC ، والتي تسمح بموازنة الحمل على عقد الشبكة بطريقة يتم فيها إرسال البيانات المرسلة إلى أقرب عقدة شبكة ليس بشكل عشوائي ، ولكن إلى تلك التي لديها أكبر احتياطي للطاقة في الوقت الحالي. تسمح لك الخوارزمية المستخدمة لتشغيل RCC بتغيير الحمل على عقد الشبكة بحيث تظل الشبكة بالكامل عاملة لأطول وقت ممكن.

يمكن أن يوفر استخدام RSS مزايا كبيرة ، من الناحيتين التكنولوجية والاقتصادية ، على أنظمة جمع البيانات التقليدية ومعالجتها. تسمح لك الزيادة الأساسية في أداء جمع ومعالجة القياس الرقمي عن بُعد ، والتي تم تحقيقها من خلال استخدام RSS ، باختراق السوق بقوة والتحول إلى حلول تكنولوجية من الجيل الجديد ، مما يجعل ظهور أنظمة مؤتمتة جديدة تعمل فيها أمرًا ممكنًا ومن السهل تنفيذه في الوقت الحقيقي على أساس تقنيات السحابة. مع تقدم التكنولوجيا ، يجب أن يكون هناك انتقال من شبكات المراقبة المحلية المتصلة إلى أنظمة المراقبة والمراقبة والتنبؤ واسعة النطاق القائمة على SRS اللاسلكية.

يوضح الشكل 2 مثالاً على التوجيه وبناء شبكة مستشعر بناءً على الاستقصاء. يتكون RCC من العديد من العقد منخفضة التكلفة وذاتية الاكتفاء ومتعددة الوظائف الموجودة في منطقة المراقبة. تتكون كل عقدة من مجموعة من الكتل ، مثل جهاز استشعار يستخدم لتلقي البيانات من البيئة ، ووحدة استقبال ونقل البيانات ، ووحدة تحكم دقيقة لمعالجة الإشارات والتحكم فيها ، ومصدر طاقة صغير الحجم. يتم تشغيل المعالج بواسطة بطارية قائمة بذاتها مع مورد طاقة محدود ، مما يؤدي إلى قيود كبيرة في استهلاك الطاقة. تعد صيانة عقد المستشعر ، مثل استبدال بطارية مستقلة ، مكلفًا ، خاصةً عندما تكون العقد موجودة في أماكن يصعب الوصول إليها ، لذا فإن معظم شبكات الاستشعار لا تحتاج إلى صيانة وتعمل حتى نفاد البطارية.

تسمح لك خوارزمية التوجيه ببناء مسار بناءً على الطلبات والاستجابات. يرسل منسق الشبكة 1 طلب بث HELLO ويتلقى استجابات من جهاز التوجيه (جهاز التوجيه) 2. يرسل كل جهاز توجيه أيضًا طلب بث ويتلقى ردودًا من الأجهزة المجاورة ، وقد تكون هذه أجهزة توجيه أخرى أو أجهزة طرفية 3. بناءً على الاستجابات المستلمة (إشارة القوة ووقت الاستجابة والمعلمات الأخرى) ، يقوم المنسق ببناء جدول توجيه على كل جهاز توجيه. علاوة على ذلك ، يتم اختيار المسار في الخوارزمية القياسية من خلال تحديد الرسم البياني للوزن بأقل قيمة إجمالية.

كقاعدة عامة ، تم تجهيز عقد الاستشعار بنفس نوع الأجهزة مع مجموعة معينة من الوظائف. بعد التثبيت ، أثناء التشغيل ، يجب أن تنظم عقد الاستشعار نفسها في شبكة اتصالات ، حيث تستخدم كل عقدة فقط تلك الوظائف الضرورية لحل المهمة. يحدث التوجيه تلقائيًا أيضًا. بالإضافة إلى التوجيه الأساسي ، يلزم أيضًا إعادة بناء الشبكة بشكل منتظم ، لأن الأجهزة يمكن أن تفقد قناة اتصال أو تفشل لأسباب تتعلق بالخارج أو العوامل الداخلية.

يهدف عمل كل عقدة استشعار إلى قياس المعلمات البيئية المختلفة ، مثل درجة الحرارة ، والضغط ، والضوء ، والرطوبة ، والدخان ، ومستوى الاهتزاز ، وما إلى ذلك. تستلزم هذه المجموعة المتنوعة من المعلمات تطبيقات مختلفة ، مثل جمع البيانات والمراقبة البيئية ، ومراقبة مختلف مرافق الإنتاج ، الواقعة في مبنى منفصل وعلى مساحة كبيرة ، ومنشآت صناعة النفط والغاز ، ومنشآت النقل ، والتطبيقات العسكرية ، وما إلى ذلك. تؤدي شبكات الاستشعار مهامًا مختلفة يمكن تقسيمها تقريبًا إلى فئتين. ترتبط الفئة الأولى من المهام باكتشاف الأحداث التي نادرًا ما تحدث ، ولكنها تتطلب إخطارًا فوريًا و / أو موقعًا. الفئة الثانية (المراقبة) تشمل مهام القياس المستمر لبعض الكمية على مدى فترة زمنية طويلة. هنا ، يمكن أن يكون وقت التأخير مساويًا للوقت المميز لتغيير المعلمة المقاسة. يمكن إجراء المراقبة نقطة تلو الأخرى على أي منطقة ، مع قياس النقطة ، يلعب الجزء الرئيسي من العقد دور أجهزة الإرسال ، ويراقب جزء صغير فقط من العقد مباشرة.

تم اقتراح خوارزمية توجيه مع موازنة حركة المرور في شبكة استشعار موزعة. للقيام بذلك ، يمكن تمثيل شبكة المستشعرات الموزعة كرسم بياني G (N ، M) مع عقد N وحواف M ، والتي تمثل مجموعة العقد الموجودة والتوصيلات المحتملة بينها ، كما هو موضح في الشكل 3. تحتوي كل عقدة من الدرجة الأولى في البداية على احتياطي طاقة E i. كل حافة ij لها وزن / سعر e ij ، والذي يتوافق مع الطاقة لنقل حزمة بيانات واحدة من العقدة i إلى j. يُعتقد أن هناك طرق K ، ويتم إنشاء المعلومات بمعدل Q c وإرسالها عبر قناة اتصال C بمعدل q c.

سيكون عمر T i لكل عقدة متساويًا في مثل هذا النظام

وفقًا للخوارزمية المستخدمة ، يتم تحديد جدول التوجيه بواسطة المنسق في كل عقدة. تم بناء ناقل إرسال الرسائل. بعد ذلك ، يتم إجراء تحليل لخيارات المسار الممكنة وفقًا للمتجهات الإجمالية المثلى ، والتي يتم حسابها من جدول التوجيه. وبالتالي ، فإن الهدف هو توفير إجمالي الطاقة المستهلكة في الشبكة بأكملها لنقل حزمة واحدة. هذا فعال لشبكات البيانات حيث يتم تحديد عمر الشبكة بالوقت الذي تكون فيه الشبكة قادرة على إرسال الرسائل.

في الشبكات حيث تؤدي كل عقدة وظيفتين في وقت واحد: قياس بعض القيمة ونقل الرسائل ، أي أن شبكة المستشعرات تؤدي وظيفة المراقبة كميات فيزيائيةفي منطقة معينة ، قيمة كل عقدة مهمة لاكتمال الصورة.

ثم يتم تعريف عمر النظام بأكمله على النحو التالي:

ستبدو مهمة تعظيم العمر على النحو التالي: تعظيم T sys ، ولتحقيق أقصى عمر للنظام بأكمله ، من الضروري توزيع المسارات للمعلومات المرسلة. يتمثل جوهر الطريقة المقترحة للتوجيه مع موازنة حركة المرور في RCC في أن اختيار مسار حركة المرور في الشبكة يعتمد على استخدام عمليات الإرسال الأقل تكلفة في كل عقدة يمكن أن تشارك في نقل البيانات. بعبارة أخرى ، يتم استبعاد القفزات الأكثر تكلفة (قسم عبور أو انتقال في الشبكة بين عقدتين في الشبكة يتم من خلالها نقل حركة المرور) من الخيارات الممكنة لمسار حزمة البيانات ، وبالتالي توفير الطاقة في كل عقدة وتقليل احتمال فشل العقدة ، مما يقضي على انهيار شبكة القياس بأكملها بسبب حقيقة أن عقدة واحدة قد توقفت بالفعل عن إجراء قياسات فعلية.

يتم اختيار خيار المسار (كما هو موضح في الشكل 4) عند إنشاء جدول التوجيه وتحديثه وفقًا لمجموعات من المعايير مثل: طول المسار ، مُقاسًا بعدد أجهزة التوجيه التي من خلالها تحتاج إلى الذهاب إلى الوجهة ؛ معدل نقل قناة الاتصال ؛ إجمالي وقت العبور المتوقع ؛ تكلفة قناة الاتصال كمية الطاقة المتبقية في العقدة.

بعد بناء جدول التوجيه ، تنفذ الخوارزمية وظيفة إرسال الحزم على طول المسارات المثلى عن طريق إرسال حزمة عبر جهاز توجيه ، حيث يضع كل مضيف على الشبكة المحلية عنوان المستلم التالي في رأس الحزمة على مستوى MAC. وبالتالي ، في المثال أعلاه في الشكل 3 ، بناءً على الحد الأدنى من إجمالي التكاليف (الوزن / السعر) في العقد (الشكل 4) ، سيتم تحديد المسار 1 ، مع مجموع تكاليف الوزن / السعر - 9 ، كحد أدنى للقيمة . وبالتالي ، فإن مرور حركة المرور عبر عقد الطريق 1 سيؤدي إلى استنفاد كامل للطاقة للعقدة 4 في أسرع وقت ممكن ، مما سيعطل هذه العقد ويستبعد إمكانية جمع المعلمات في نقاط البحث اللازمة.

ومع ذلك ، عند استخدام خوارزمية موازنة حركة المرور الموزعة المقترحة استنادًا إلى معاملات الوزن ، سيتم تحديد المسار 2 ، مما سيسمح لشبكة المستشعرات بالوجود بأحجام أطول. هذا ممكن بسبب حقيقة أن الحمل على جميع العقد ، في حالة الخوارزمية المقترحة ، يتم توزيعه بشكل أكثر منهجية عبر جميع عقد الشبكة.

يمكن تنفيذ الاختراع المقترح باستخدام العديد من الأجهزة والبرامج والمعالجات الوظيفية و / أو الأجهزة. الغرض الخاصو / أو مجموعات منها. يفضل أن يتم تنفيذ الاختراع كمزيج من الأجهزة والبرامج. يفضل أن يتم تنفيذ البرنامج كبرنامج تطبيق يتم تنفيذه بشكل ملموس على وحدة تخزين / قارئ البرنامج. يمكن تحميل برنامج تطبيقي أو تنفيذه بواسطة جهاز كمبيوتر يحتوي على أي بنية ويتم تنفيذه على منصة حوسبة بها أجهزة: معالج مركزي واحد أو أكثر وذاكرة الوصول العشوائي وواجهات الإدخال والإخراج. ما سبق خيارات مختلفةيتم تقديم تنفيذ الاختراع للفهم وكمثال فقط ، ويجب ألا يقتصر على هذه الأمثلة.

مطالبة

1. طريقة لموازنة حركة المرور الموزعة بناءً على خوارزمية توجيه من عقدة مصدر إلى عقدة وجهة في شبكة استشعار موزعة ،

في هذه الحالة ، يتم تمثيل شبكة المستشعرات الموزعة على شكل رسم بياني G (N ، M) ، والذي يميز مجموعة العقد المذكورة والوصلات بينها ، حيث N هي عقد الشبكة ، و M هي الحواف ، هناك هي طرق K ، ويتم إنشاء المعلومات بمعدل Q c ويتم نقلها عبر قناة الاتصال С بسرعة q c ، علاوة على ذلك ، تحتوي العقدة i على احتياطي طاقة E i ، ولكل وجه i وزن / سعر e ij ، الذي يتوافق مع الطاقة لنقل حزمة بيانات واحدة من العقدة i إلى j ،

في هذه الحالة ، يتم تعريف العمر T i لكل عقدة على أنه

يتم تحديد جدول التوجيه على كل عقدة ويتم تعيين ناقل إرسال الرسائل ،

يتم إجراء تحليل لخيارات المسار الممكنة وفقًا للمتجهات الإجمالية المثلى ، والتي يتم حسابها من جدول التوجيه ، ولهذا يتم تحديد عمر الشبكة بالكامل.

في هذه الحالة ، يتم تعريف تعظيم العمر على أنه تعظيم نظام T ، ولتحقيق أقصى عمر للشبكة بأكملها ، يتم توزيع مسارات المعلومات المرسلة ، بينما يعتمد اختيار مسار المرور في الشبكة على الاستخدام من أقل عمليات الإرسال تكلفة في كل عقدة ، ويتم استبعاد أكثرها تكلفة عند إنشاء المسار.

2. الطريقة وفقًا لعنصر الحماية 1 ، تتميز بأن عقدة مصدر واحدة على الأقل تحتوي على مستشعر يعمل بالطاقة الذاتية يقيس ويراقب المعلمات المادية في منطقة معينة وينقل حزم البيانات ذات المعلمات الفيزيائية المقاسة إلى عقدة وجهة واحدة على الأقل.

3. تتميز الطريقة وفقًا لعنصر الحماية 2 ، بأن المستشعرات المستخدمة هي أجهزة استشعار لقياس المعلمات الفيزيائية لمراقبة البيئة بناءً على مراقبة المعلمات التالية: درجة الحرارة ، الضغط ، الرطوبة ، الإضاءة ، الدخان ، مستوى الاهتزاز.

4. الطريقة وفقًا لعنصر الحماية 3 ، تتميز بأن عقدة مصدر واحدة على الأقل تؤدي المعالجة الأولية للمعلمات الفيزيائية التي تم الحصول عليها من أجهزة الاستشعار المذكورة ، على سبيل المثال ، التراكم ، والتوسيط ، والتحويل التناظري إلى الرقمي.

5. يتم تنفيذ الطريقة وفقًا لعنصر الحماية 1 ، والتي تتميز بأن الاتصال بين العقد في شبكة الاستشعار باستخدام بروتوكول Zigbee ، أو في نطاق تردد لاسلكي غير مرخص ، أو عبر شبكة راديو رقمية متنقلة ، أو عبر أي بروتوكول اتصال لاسلكي آخر.

6. الطريقة وفقًا للمطالبة 1 ، والتي تتميز بأن قناة الاتصال بين العقدة المصدر والعقدة الوجهة تحتوي على جهاز توجيه يتفاعل مع هذه العقد.

7. الطريقة وفقًا لعنصر الحماية 1 ، والتي تتميز بأن اختيار المسار عند إنشاء و / أو تحديث جدول التوجيه يتم وفقًا لمجموعات من المعايير مثل طول المسار ، مقاسة بعدد أجهزة التوجيه التي يتم من خلالها من الضروري المرور إلى العقدة الوجهة وعرض النطاق الترددي لقناة الاتصال وإجمالي وقت الإرسال المتوقع وكمية الطاقة المتبقية في العقدة وتكلفة قناة الاتصال.

8. الطريقة وفقًا لعنصر الحماية 1 ، والتي تتميز بأنه بعد بناء جدول التوجيه ، يتم تنفيذ وظيفة إرسال الحزم على طول المسارات المثلى عند إرسال حزمة ، حيث تضع كل عقدة شبكة عنوان العقدة التالية في رأس الحزمة في متوسط ​​مستوى التحكم في الوصول (مستوى MAC).

9 - الطريقة وفقاً لأي عنصر من عناصر الحماية 1 ، 6 ، 7 ، تتميز بأن الطريقة تشمل كذلك خطوة تحديث قيم العمر T i لكل عقدة أو عمر النظام T بأكمله وفقاً مع مجموعة المعايير المذكورة ، والتي يتم تنفيذها عند إرسال رسالة من عقدة المصدر إلى عقدة الوجهة ، أو عند اكتشاف انقطاع اتصال بين العقد.

10. نظام موازنة حركة المرور الموزعة في شبكة استشعار لاسلكية لرصد المعلمات المادية وفقًا للطريقة وفقًا لأي من عناصر الحماية من 1 إلى 9 ، والتي تحتوي على مجموعة من عقد المصدر المتصلة ببعضها البعض ، وعقدة وجهة متصلة بمصدر واحد على الأقل العقدة ، وهي وحدة استشعار ، حيث يوجد جهاز إرسال واستقبال ، ومستشعر للمعلمات الفيزيائية ، ومتحكم دقيق للمعالجة والتحكم ومصدر طاقة مستقل ، وتنقسم وحدات الاستشعار إلى مجموعات وكل مجموعة متصلة بالعقدة الوجهة من خلال جهاز الإرسال والاستقبال ، بينما تحتوي العقدة الوجهة على جهاز إرسال واستقبال ، فإن وسائل تجميع المعلومات المستلمة ووسائل معالجة وعرض المعلومات الواردة من وحدات الاستشعار لبناء نموذج للكائن أو الفضاء قيد الدراسة.

11- يتسم النظام وفقاً للمطالبة 10 ، بأنه يتم إجراء الرصد بشكل نقطي في منطقة معينة ، حيث تؤدي مجموعة فرعية واحدة على الأقل من المجموعة المذكورة من العقد المصدر وظائف المراقبة من خلال أجهزة الاستشعار الخاصة بها للمعلمات المادية ، ومجموعة فرعية أخرى من المصدر تعمل العقد من خلال أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بها فقط وظائف استقبال وإرسال حزم البيانات مع المعلمات المادية المقاسة المستلمة من المجموعة الفرعية المذكورة من العقد المصدر.

شبكات الاستشعار الموزعة

ما هي شبكات الاستشعار اللاسلكية؟

مجسات وجهاز استقبال

شبكات الاستشعار اللاسلكية مبنية من عقد تسمى موتي (قذى) - أجهزة صغيرة مستقلة تعمل بالبطاريات والرقائق الدقيقة مع اتصال لاسلكي بتردد - على سبيل المثال 2.4 جيجا هرتز. خاص البرمجياتيسمح للجروح بتنظيم نفسها في شبكات موزعة ، والتواصل مع بعضها البعض ، واستجواب وتبادل البيانات مع أقرب العقد ، والتي لا تتجاوز المسافة عادة 100 متر.

في الأدب الإنجليزي ، تسمى هذه الشبكة شبكة الاستشعار اللاسلكية(WSN) عبارة عن شبكة لاسلكية تتكون من أجهزة مستقلة موزعة جغرافيًا تستخدم مستشعرات لمراقبة الظروف المادية أو البيئية بشكل مشترك في مناطق مختلفة.

يمكنهم قياس المعلمات مثل درجة الحرارة ، والصوت ، والاهتزاز ، والضغط ، وحركة الأشياء أو الهواء. كان الدافع في البداية لتطوير شبكات الاستشعار اللاسلكية هو المهام العسكرية مثل مراقبة ساحة المعركة. حاليًا ، يتم استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل متزايد في العديد من مجالات الحياة المدنية ، بما في ذلك المراقبة الصناعية والبيئية ، والرعاية الصحية ، والتحكم في حركة الكائنات. النطاق آخذ في الاتساع.

مبادئ العمل الأساسية

رسم تخطيطي للشبكة من 3 مستويات. المستوى الأول من أجهزة الاستشعار والبوابة. مستوى الخادم الثاني. جهاز عميل رفيع المستوى من المستوى 3

كل عقدة شبكة: موتمزودًا بجهاز إرسال واستقبال لاسلكي أو أي جهاز اتصال لاسلكي آخر ، ووحدة تحكم دقيقة صغيرة ، ومصدر طاقة ، وعادة ما يكون بطارية. يمكن استخدامها مع الألواح الشمسية أو مصادر الطاقة البديلة الأخرى

يتم نقل البيانات من العناصر البعيدة عبر الشبكة بين أقربها من عقدة إلى عقدة ، عبر قناة راديو. نتيجة لذلك ، يتم إرسال حزمة بيانات من أقرب نقطة إلى البوابة. البوابة متصلة ، كقاعدة عامة ، بكبل USB بالخادم. على الخادم - تتم معالجة البيانات التي تم جمعها وتخزينها ويمكن الوصول إليها من خلال WEB shell لمجموعة واسعة من المستخدمين.

تختلف تكلفة عقدة المستشعر من مئات الدولارات إلى بضعة سنتات ، اعتمادًا على حجم شبكة الاستشعار وتعقيدها.

الأجهزة والمعايير

بوابة (قطعتان) ، متصلة بجهاز كمبيوتر محمول باستخدام كبل USB. الكمبيوتر المحمول متصل بالإنترنت عبر UTP ويعمل كخادم

أجهزة الاستشعار مع هوائي الراديو

تم تحسين أجهزة العقدة اللاسلكية وبروتوكولات تفاعل الشبكة بين العقد لاستهلاك الطاقة لضمان عمر خدمة طويل للنظام مزود بمصادر طاقة مستقلة. اعتمادًا على طريقة التشغيل ، يمكن أن يصل عمر العقدة إلى عدة سنوات.

يتم حاليًا التصديق على عدد من المعايير أو قيد التطوير لشبكات الاستشعار اللاسلكية. ZigBee هو معيار لأشياء مثل التحكم الصناعي ، والاستشعار المضمن ، وجمع البيانات الطبية ، وأتمتة المباني. يتم تسهيل تطوير Zigbee من خلال كونسورتيوم كبير من الشركات الصناعية.

  • WirelessHART هو امتداد لبروتوكول HART للأتمتة الصناعية. تمت إضافة WirelessHART إلى بروتوكول HART العام كجزء من مواصفات HART 7 ، والتي تمت الموافقة عليها من قبل مؤسسة HART Communications Foundation في يونيو 2007.
  • 6lowpan هو المعيار المعلن لطبقة الشبكة ، لكن لم يتم اعتماده بعد.
  • ISA100 هو عمل آخر في محاولة للدخول إلى تقنية WSN ، ولكن تم بناؤه على نطاق أوسع ليشمل استجابةالسيطرة في مجالهم. من المتوقع أن يتم الانتهاء من تنفيذ ISA100 على أساس معايير ANSI بحلول نهاية عام 2008.

WirelessHART و ISA100 و ZigBee وكلها تستند إلى نفس المعيار: IEEE 802.15.4 - 2005.

برنامج شبكة الاستشعار اللاسلكية

نظام التشغيل

تعد أنظمة التشغيل لشبكات الاستشعار اللاسلكية أقل تعقيدًا من أنظمة التشغيل ذات الأغراض العامة نظرًا لمحدودية الموارد في أجهزة شبكة المستشعرات. و لهذا، نظام التشغيللا حاجة لتضمين دعم واجهات المستخدم.

لا تختلف أجهزة شبكة المستشعر اللاسلكي عن الأنظمة التقليدية المضمنة ، وبالتالي يمكن استخدام نظام تشغيل مضمن لشبكات الاستشعار

تطبيقات التصور

برنامج تصور نتائج القياس وإعداد التقارير MoteView v1.1

عادةً ما يتم تخزين البيانات من شبكات الاستشعار اللاسلكية كبيانات رقمية في محطة قاعدة مركزية. هناك العديد من البرامج القياسية مثل TosGUI MonSense و GNS التي تجعل من السهل عرض هذه الكميات الكبيرة من البيانات. بالإضافة إلى ذلك ، تحدد Open Consortium (OGC) معايير قابلية التشغيل البيني وقابلية التشغيل البيني لبيانات تعريف التشفير ، والتي ستمكن أي شخص من المراقبة أو التحكم في شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية في الوقت الفعلي من خلال متصفح الويب.

للعمل مع البيانات الواردة من عقد شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية ، يتم استخدام البرامج التي تسهل عرض البيانات وتقييمها. أحد هذه البرامج هو MoteView. يتيح لك هذا البرنامج عرض البيانات في الوقت الفعلي وتحليلها وبناء جميع أنواع الرسوم البيانية وإصدار التقارير في أقسام مختلفة.

فوائد استخدام

  • لا حاجة لوضع الكابلات لإمدادات الطاقة ونقل البيانات ؛
  • انخفاض تكلفة المكونات والتركيب والتشغيل و اعمال صيانةالأنظمة.
  • نشر شبكة سريع وسهل ؛
  • الموثوقية والتسامح مع الخطأ للنظام بأكمله ككل في حالة فشل العقد أو المكونات الفردية ؛
  • إمكانية تنفيذ وتعديل الشبكة في أي كائن دون التدخل في عملية عمل الكائنات نفسها
  • إمكانية التثبيت السريع ، وإذا لزم الأمر ، بشكل خفي للنظام بأكمله.

يبلغ حجم كل مستشعر تقريبًا حجم غطاء البيرة (ولكن يمكن تصغيره مئات المرات في المستقبل) ويحتوي على معالج وذاكرة وجهاز إرسال لاسلكي. يمكن أن تكون هذه الأغطية مبعثرة في أي منطقة ، وسوف يقومون هم أنفسهم بإنشاء اتصال مع بعضهم البعض ، وتشكيل واحدة شبكة لاسلكيةوابدأ في نقل البيانات إلى أقرب جهاز كمبيوتر.

عند دمجها في شبكة لاسلكية ، يمكن لأجهزة الاستشعار تتبع المعلمات البيئية: الحركة ، والضوء ، ودرجة الحرارة ، والضغط ، والرطوبة ، وما إلى ذلك. يمكن إجراء المراقبة على مساحة كبيرة جدًا ، لأن المستشعرات تنقل المعلومات على طول السلسلة من جار إلى جار. تتيح لهم التكنولوجيا العمل لسنوات (حتى عقود) دون تغيير البطاريات. شبكات الاستشعار هي أجهزة الإحساس العالمية للكمبيوتر ، ويمكن التعرف على جميع الأشياء المادية في العالم المجهزة بأجهزة استشعار بواسطة الكمبيوتر. في المستقبل ، سيتلقى كل من المليارات من أجهزة الاستشعار عنوان IP ، وقد يشكلون شيئًا مثل شبكة الاستشعار العالمية. حتى الآن ، لم يهتم سوى الجيش والصناعة بقدرات شبكات الاستشعار. وفقًا لآخر تقرير صادر عن ON World ، المتخصصة في أبحاث سوق شبكات الاستشعار ، يشهد السوق هذا العام انتعاشًا كبيرًا. حدث آخر ملحوظ هذا العام كان إطلاق أول نظام ZigBee أحادي الرقاقة في العالم (من صنع Ember). من بين الشركات الصناعية الأمريكية الكبرى التي شملتها الدراسة التي أجرتها ON World ، يستخدم حوالي 29٪ بالفعل شبكات استشعار ، ويخطط 40٪ أخرى لنشرها في غضون 18 شهرًا. في أمريكا ، ظهرت أكثر من مائة شركة تجارية تعمل في إنشاء وصيانة شبكات الاستشعار.

بحلول نهاية هذا العام ، سيتجاوز عدد أجهزة الاستشعار على هذا الكوكب المليون ، والآن لا يتزايد عدد الشبكات فحسب ، بل يتزايد حجمها أيضًا. لأول مرة ، تم إنشاء وتشغيل عدة شبكات تضم أكثر من 1000 عقدة بنجاح ، بما في ذلك شبكة تضم 25000 عقدة.

المصدر: ويب بلانيت

منطقة التطبيق

تطبيقات WSN كثيرة ومتنوعة. يتم استخدامها في الأنظمة التجارية والصناعية لمراقبة البيانات التي يصعب التحكم فيها أو تكون مكلفة باستخدام أجهزة الاستشعار السلكية. يمكن استخدام شبكات WSN في المناطق التي يصعب الوصول إليها ، حيث يمكن أن تبقى لسنوات عديدة (المراقبة البيئية البيئية) دون الحاجة إلى تغيير مصادر الطاقة. يمكنهم التحكم في تصرفات منتهكي منشأة محمية

يستخدم WSN أيضًا للمراقبة والتتبع والتحكم. فيما يلي بعض التطبيقات:

  • مراقبة الدخان والكشف عن الحرائق من الغابات الكبيرة والأراضي الخثية
  • مصدر معلومات إضافي لمراكز الأزمات التابعة لإدارة رعايا الاتحاد الروسي
  • الكشف الزلزالي عن التوتر المحتمل
  • ملاحظات عسكرية
  • كشف حركة الأجسام الصوتية في الأنظمة الأمنية.
  • المراقبة البيئية للفضاء والبيئة
  • مراقبة العمليات الصناعية ، واستخدامها في أنظمة MES
  • المراقبة الطبية

التشغيل الآلي للمبنى:

مراقبة درجة الحرارة وتدفق الهواء ووجود الأشخاص والتحكم في المعدات للحفاظ على المناخ المحلي ؛
التحكم بالإضاءة؛
إدارة الطاقة؛
جمع قراءات عدادات الشقق للغاز والماء والكهرباء وما إلى ذلك ؛
الأمن وإنذار الحريق.
مراقبة حالة الهياكل الحاملة للمباني والمنشآت.

الأتمتة الصناعية:

التحكم عن بعد وتشخيص المعدات الصناعية ؛
صيانة المعدات وفقًا للحالة الحالية (التنبؤ بهامش الأمان) ؛
مراقبة عمليات الإنتاج ؛
نوصي بالقراءة