L'invention concerne un procédé d'équilibrage de trafic distribué dans un réseau de capteurs sans fil. Réseaux de capteurs distribués

480 roubles. | 150 UAH | $7.5 ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Thèse - 480 roubles, expédition 10 minutes 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et jours fériés

Efremov Sergueï Gennadievitch. Modélisation de la durée de vie de réseaux de capteurs dynamiquement reconfigurables avec un puits mobile : mémoire... Candidat en Sciences Techniques : 13.05.18 / Efremov Sergey Gennadevich ; lycéeÉconomie" - Établissement d'enseignement supérieur autonome de l'État fédéral].- Moscou, 2013.- 143 p.

Introduction

Chapitre 1. Le problème de l'augmentation de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil 11

1.1. Concept de réseau de capteurs sans fil 11

1.2. Le concept de durée de vie du réseau 20

1.3. Méthodes pour augmenter la durée de vie du BSS 23

1.4. WSN reconfigurable avec vidange mobile 27

1.5. Conclusions du chapitre 1 35

Chapitre 2 Modèle mathématique de WSN reconfigurable . 37

2.1. Présentation 37

2.2. Modèle de réseau de capteurs reconfigurable 37

2.3. Calcul de la consommation électrique et de la durée de vie des nœuds WSN. 41

2.4. Métriques de durée de vie du réseau 54

2.5. Estimation de la durée de vie des réseaux dynamiquement reconfigurables 59

2.6. Conclusions du chapitre 2 63

chapitre 3 Méthode de reconfiguration dynamique d'un réseau de capteurs avec puits mobile 65

3.1. Présentation 65

3.2. Tâche générale de planification des flux 66

3.3. Méthode de résolution du problème de planification des flux 72

3.4. Algorithmes heuristiques pour le contrôle de flux dynamique 77

3.5. Conclusions du chapitre 3 81

Chapitre 4 Modélisation WSN avec un évier mobile 83

4.1. Présentation 83

4.2. Etude de la possibilité de mener une expérience grandeur nature 83

4.3. Simulation 92

4.4. Conclusions du chapitre 4 113

conclusion 114

Littérature 116

Introduction au travail

La pertinence du travail

Les progrès technologiques récents ont permis de créer des ordinateurs miniatures peu coûteux avec une consommation d'énergie extrêmement faible, capables de se mettre en réseau et d'interagir les uns avec les autres via des canaux de communication sans fil. Les réseaux de tels dispositifs sont appelés réseaux de capteurs sans fil (WSN), ce qui, en particulier, met l'accent sur leur objectif principal - la collecte de données à partir de capteurs (capteurs) pour l'accumulation, l'analyse et l'émission ultérieures de commandes de contrôle.

Les orientations actuelles dans le domaine du WSN sont la création de nouvelles plates-formes matérielles, le développement de piles de protocoles réseau et de systèmes d'exploitation spécialisés, le développement d'algorithmes d'accès au support et de routage pour les topologies de réseau complexes, visant à améliorer l'efficacité énergétique du WSN, qui permet d'augmenter la durée de vie ( vie de la batterie) BSS.

Les recherches menées dans le cadre du travail de thèse se situent à la jonction de deux axes prioritaires pour le développement de la science, de la technologie et de l'ingénierie en Fédération Russe: "Systèmes d'information et de télécommunication" et "Efficacité énergétique, économies d'énergie, énergie nucléaire". Les principales organisations russes sont activement engagées dans l'amélioration de l'efficacité des réseaux de capteurs, notamment l'Institut d'ingénierie radio et d'électronique nommé d'après V.I. VIRGINIE. Kotelnikov RAS, Institut de mécanique fine et de génie informatique. SA Lebedev Academy of Sciences, Nizhny Novgorod State University, Moscow Aviation Institute, ainsi que des institutions internationales - l'Université de Californie à Berkeley, le Massachusetts Institute of Technology (États-Unis) et bien d'autres.

L'un des problèmes qui entravent l'amélioration de l'efficacité énergétique

WSN est le problème de la consommation d'énergie inégale par les nœuds du réseau, qui consiste dans le fait que le réseau devient inopérant au moment où l'énergie s'épuise à plusieurs nœuds, alors que la plupart des autres ont un approvisionnement en énergie important.

Il existe plusieurs méthodes visant à résoudre ce problème. Il s'agit notamment de la sélection individuelle de la capacité de la batterie, de la densité des nœuds, de la puissance de l'émetteur, de l'utilisation de protocoles de routage économes en énergie et du positionnement des nœuds du réseau. Plus récemment, il a été proposé nouvelle classe des méthodes prometteuses qui utilisent la mobilité des nœuds du réseau comme ressource pour l'équilibrage énergétique, ce qui permet un changement dynamique de la configuration (topologie) du réseau.

Un sérieux obstacle à la poursuite des recherches est le manque de modèles mathématiques d'un réseau de capteurs reconfigurable dynamiquement. À cet égard, la tâche de rechercher et de développer un modèle complexe permettant, d'une part, d'estimer la durée de vie des réseaux autonomes, dont les configurations évoluent dans le temps, et d'autre part, d'optimiser leur travail selon le critère de maximisation de la durée de vie, est pertinente .

L'objet de recherche porte sur les modèles et les méthodes de reconfiguration dynamique des réseaux de capteurs.

Le sujet de la recherche est l'application de modèles et de méthodes de reconfiguration dynamique de réseaux de capteurs à puits mobile pour évaluer et augmenter leur durée de vie.

L'objectif du travail de thèse est de développer un modèle mathématique et une méthode de reconfiguration dynamique d'un réseau de capteurs sans fil pour augmenter sa durée de vie.

Pour atteindre cet objectif, les tâches suivantes ont été résolues :

Un examen et une analyse des approches de la définition du concept de la durée de vie des réseaux de capteurs sont effectués, une nouvelle définition est donnée.

Un modèle mathématique d'un réseau de capteurs reconfigurable dynamiquement avec un puits mobile a été développé.

Une méthode numérique pour résoudre le problème de la planification des flux a été développée.

Recherche et développement d'algorithmes heuristiques pour la gestion dynamique du puits mobile en cas de changement des conditions d'exploitation du réseau.

Un ensemble de programmes de simulation a été développé pour obtenir les dépendances de la durée de vie sur les paramètres de fonctionnement du réseau.

Méthodes de recherche. Le travail de thèse utilise les méthodes de la théorie des ensembles, la théorie des graphes, la programmation linéaire et linéaire entière, les méthodes de simulation.

La nouveauté scientifique de l'ouvrage est la suivante :

4. Un algorithme de contrôle du mouvement du ruissellement mobile dans le réseau de capteurs a été développé, en tenant compte des modifications éventuelles des conditions de son fonctionnement.
Importance pratique. Un ensemble de programmes informatiques a été créé pour modéliser le fonctionnement d'un réseau de capteurs sans fil dynamiquement reconfigurable, ainsi que pour modéliser des algorithmes de planification du mouvement d'un ruissellement mobile.
Un modèle de petite taille d'un dispositif de réseau de capteurs sans fil basé sur un émetteur-récepteur IEEE 802.15.4 qui implémente les algorithmes nécessaires pour prendre en charge la mobilité du flux, y compris son positionnement dans l'espace, a été créé.
La fiabilité et la validité des résultats obtenus sont confirmées par leur correspondance avec les données théoriques et pratiques connues publiées dans la littérature, ainsi que par les résultats positifs de leur mise en œuvre dans un certain nombre de projets pratiques.
Les principales dispositions pour la défense:
1. 1. Approbation du travail. Les principaux résultats du travail de thèse ont été rapportés et discutés lors des conférences scientifiques et techniques des étudiants, doctorants et jeunes spécialistes du MIEM NRU HSE (2008 - 2013), du séminaire scientifique et pratique HSE « System Analysis, Management and Systèmes d'information"(19/03/2013), XVI et XVII International Student Conference-School-Seminar "New Information Technologies" (2008-2009), lors de séminaires internationaux de recherche à l'Université de Sheffield et à l'Université de Birmingham (Royaume-Uni, 2011). Les résultats des travaux ont été intégrés dans des rapports scientifiques et techniques sur la R&D « Développement d'outils logiciels pour la mise en œuvre technologies de l'informationà l'industrie" (numéro d'enregistrement d'état R&D 01201056220), "Développement d'un système actif d'acquisition de données sans fil en intralogistique" (numéro d'enregistrement d'état R&D 01200961253).
    Les résultats des travaux ont été appliqués à la conception d'un réseau dynamiquement reconfigurable dans le cadre d'un projet de recherche conjoint russo-allemand.
    Reçu un brevet de modèle d'utilité n° 87259 en date du 11 juin 2009, un brevet de modèle d'utilité n° 98623 en date du 30 juin 2010, un brevet de modèle d'utilité n° 121947 en date du 10 novembre 2012, un brevet d'invention n° 2429549 en date du 30 juin, 2010.
    Structure et portée de la thèse La thèse comprend une introduction, 4 chapitres, une conclusion, une bibliographie de 95 titres et 4 annexes. Le volume total de la thèse, hors candidatures, est de 128 pages.
    
    Méthodes pour augmenter la durée de vie du BSS
    Passons à la description des méthodes possibles pour augmenter le temps de fonctionnement autonome du WSN. Les plus simples consistent à améliorer les caractéristiques matérielles des appareils : réduire la consommation d'énergie des composants individuels, optimiser leur placement sur une puce ou circuit imprimé ou augmenter la capacité de la batterie. L'étude de ces possibilités relève de domaines connexes (électronique, radiophysique, chimie, circuiterie, etc.) et ne sera pas abordée dans cette thèse.
    Cependant, il convient de noter que le procédé présente des limitations à la fois physiques (la transmission des données sur un canal radio sur une distance donnée, ainsi que le traitement des données par un microprocesseur, nécessitent certains coûts énergétiques) et financières (l'utilisation de composants plus économes en énergie entraîne une augmentation du coût des systèmes). De plus, l'utilisation de grosses batteries conduit inévitablement à une augmentation de la taille des appareils, alors que le concept même de réseaux de capteurs implique leur miniaturisation.
    Du point de vue des algorithmes logiciels de traitement des données sur les nœuds du système, les options suivantes sont possibles :
    Compression des données. Cette méthode a ses limites, de plus, dans les réseaux de capteurs, les données elles-mêmes sont généralement de faible volume, leur compression n'a donc pas un grand effet.
    Accumulation de données et leur transmission ultérieure dans de grands blocs. La méthode est basée sur le fait que dans les normes sans fil modernes, toute transmission d'un paquet numérique est associée à des frais généraux supplémentaires (voir également les sections 1.1.2, 2.3.3). Par conséquent, il est plus rentable de transmettre des données en gros blocs dans un seul paquet. Les recherches récentes dans le domaine des convertisseurs d'énergie alternatifs miniatures (MEH, Micro-Energy Harvesters) ont ouvert un certain nombre de possibilités pour créer des nœuds de réseau de capteurs complètement autonomes tout en conservant leur petite taille. Il existe un certain nombre de solutions prêtes à l'emploi pour connecter des nœuds de capteurs à des miniatures panneaux solaires, des convertisseurs d'énergie vibratoire et des thermogénérateurs basés sur l'élément Peletier.
    Cependant, à ce jour, aucune des solutions de collecte et de conversion d'énergie alternative n'est encore largement utilisée dans de vrais réseaux collecte de données composée de centaines de nœuds, principalement en raison du coût élevé, qui comprend le coût de la maintenance régulière. Mais à l'avenir, cette approche peut devenir l'une des principales et résoudre à terme le problème de la durée de vie limitée du FSN.
    Comme indiqué ci-dessus, les réseaux de capteurs sont principalement conçus pour collecter des données. Cela signifie qu'il existe un ou plusieurs nœuds dédiés vers lesquels les informations circulent depuis l'ensemble du réseau. Ces nœuds (drains), en règle générale, ont une alimentation électrique constante, des interfaces pour s'interfacer avec des réseaux locaux, mondiaux ou avec des dispositifs informatiques plus puissants. Ainsi, dans le réseau de capteurs, il existe un sens préférentiel de circulation du trafic utile, ce qui conduit au fait qu'un ordre de grandeur de trafic supplémentaire passe par les nœuds de routage situés à proximité du ou des puits.
    Les avancées technologiques modernes ont permis de réaliser des microprocesseurs à très faible consommation d'énergie, capables d'effectuer un large éventail de tâches. Cependant, afin de transmettre des données sur un canal de communication sans fil, il est nécessaire de dépenser un ordre de grandeur plus d'énergie (voir tableau 1.1).
    Il ressort clairement du tableau que plus de données transitent par un nœud de réseau sans fil, plus sa consommation d'énergie est élevée. En conséquence, le problème du déséquilibre de la consommation d'énergie se pose dans le réseau (Fig. 1.3), ce qui conduit au fait que les éléments autonomes situés à proximité du nœud central de collecte de données (nœuds) échouent plus tôt que les autres en raison de la décharge de leurs propres batteries. , et, par conséquent, la durée de vie de la batterie du réseau de capteurs est réduite.
    Pour égaliser la consommation d'énergie de tous les nœuds du réseau, diverses méthodes d'équilibrage énergétique sont utilisées. Apportons brève description méthodes de base.
    La construction d'un réseau hétérogène implique l'utilisation d'un certain nombre de possibilités :
    1. Sélection individuelle de la capacité de la batterie en fonction de la position des appareils dans la structure du réseau et des fonctions qu'ils remplissent. Dans ce cas, les dispositifs relais à clé peuvent être alimentés par de grosses batteries. Cette approche est l'une des plus simples, mais conduit en même temps à une faible évolutivité du réseau et à une mauvaise adaptation aux conditions de fonctionnement changeantes. De plus, la nécessité de développer diverses solutions de conception pour différents éléments entraîne une augmentation du coût des systèmes finaux.
    2. Différentes densités de nœuds de réseau, en fonction de l'intensité de trafic attendue dans une zone particulière. Cette solution vise à fournir une redondance dans la structure du réseau et à dupliquer les fonctions des nœuds individuels. Ainsi, si le prochain routeur tombe en panne, ses fonctions seront transférées à un élément voisin, qui n'a été utilisé d'aucune manière jusqu'à ce moment-là.
    Les méthodes logicielles incluent l'utilisation de protocoles de routage basés sur la métrique de l'énergie résiduelle des nœuds ou des coordonnées virtuelles, l'alternance de transmission longue portée et courte portée, le positionnement des nœuds et le clustering.
    On sait que les protocoles de routage des réseaux traditionnels utilisent des métriques visant à augmenter le débit du réseau ou à réduire le délai des données transmises. Ces métriques peuvent être le nombre de nœuds intermédiaires (sauts) vers la destination, débit canal de communication, niveau de chargement de la ligne. Les réseaux de capteurs utilisent souvent la métrique de l'énergie résiduelle des nœuds sur le chemin du puits. Dans ce cas, parmi l'ensemble des routes alternatives, celle sur laquelle les nœuds ont soit une grande énergie résiduelle est sélectionnée.
    Une méthode d'équilibrage prometteuse consiste à utiliser la mobilité des composants individuels du réseau. Un certain nombre d'articles ont montré que la mobilité peut potentiellement offrir le plus grand avantage en termes d'augmentation de l'autonomie du réseau. Par conséquent, cette approche sera étudiée en détail dans le travail de thèse.
    
    Calcul de la consommation électrique et de la durée de vie des nœuds WSN
    En général, il est clair qu'un nœud d'un réseau de collecte de données sans fil peut être considéré comme opérationnel tant qu'il peut lire avec précision les lectures des capteurs, effectuer les calculs nécessaires et transmettre les données au réseau. Lors de la conception et de l'installation d'un réseau, il est important d'estimer à l'avance la durée approximative de fonctionnement de chaque nœud avant que ses batteries ne doivent être remplacées. Pour ce faire, il est important de comprendre quels facteurs affectent la durée de vie de sa batterie.
    En particulier, il est bien connu que la consommation d'énergie éléments individuels réseau dépend des facteurs suivants qui doivent être pris en compte lors de la modélisation du WSN :
    Caractéristiques matérielles (capacité de la batterie, consommation électrique du microcontrôleur, émetteur-récepteur, capteurs et autres composants électroniques).
    La fréquence de collecte et de transmission des données, en fonction de l'application. Par exemple, dans les systèmes de climatisation répandus, la surveillance de l'environnement, il suffit de collecter des informations toutes les quelques secondes, voire des dizaines de secondes, car des paramètres tels que la température ou l'humidité changent en douceur. Par conséquent, plus temps, le capteur peut être en mode veille. Dans le même temps, la transmission audio nécessite un taux de collecte de données élevé (8 kHz, 16 kHz, 32 kHz ou plus), ce qui élimine pratiquement la possibilité que l'élément de réseau soit en mode basse consommation.
    Protocoles des couches physique et liaison, qui déterminent principalement les mécanismes de contrôle d'accès au support. Dans un mode d'accès média asynchrone, tel que CSMA/CA, les relais ne peuvent pas dormir, sinon les équipements finaux ne pourront pas transmettre leurs données. Le mode synchrone d'accès au support se caractérise par le fait que tous les éléments peuvent passer en mode basse consommation pendant un certain temps, puisque le fonctionnement de l'ensemble du réseau est coordonné par des trames de synchronisation spéciales (tous les éléments du réseau connaissent le temps de transmission de la prochaine image de ce type). Cependant, ce mode est difficile à mettre en œuvre dans les réseaux distribués qui utilisent des dizaines ou des centaines de routeurs. Néanmoins, un certain nombre d'algorithmes et de protocoles ont déjà été développés visant à réduire la consommation d'énergie des équipements réseau : Berkeley MAC (B-MAC), Sensor MAC (S-MAC), D-MAC, adaptive fast message delivery algorithm.
    Topologie du réseau, qui détermine la quantité d'informations passant par chaque élément (y compris le relais de messages). Les réseaux de capteurs utilisent à la fois des topologies simples (étoile, anneau, arbre) et des structures cellulaires plus complexes.
    Le protocole de routage utilisé qui ajoute un trafic supplémentaire supplémentaire au réseau. Dans le domaine des réseaux de capteurs, les protocoles AODV (ad-hoc on-demand distance vector) sont les plus largement utilisés, qui diffèrent en ce que les informations de routage ne sont pas stockées dans la mémoire de l'élément pendant une longue période et ne sont pas mises à jour régulièrement. S'il est nécessaire d'envoyer un message, une demande de route est faite au préalable. Ce n'est qu'alors que le message lui-même est envoyé. Pour réduire la quantité de trafic transmis sur un réseau, des techniques de codage de réseau ont été proposées.
    Formalisons les énoncés ci-dessus sous la forme d'une méthode de calcul de la durée de vie.
    Il existe trois types de nœuds dans tout réseau de capteurs : les périphériques finaux, les routeurs (répéteurs) et les puits. Les drains ne présentent pas d'intérêt en termes de durée de vie de la batterie : comme déjà noté, ils sont généralement connectés à des sources d'alimentation qui ont une capacité d'un ordre de grandeur plus grande.
    Examinons plus en détail la méthodologie de calcul de la durée de vie des terminaux et des répéteurs. Il est basé sur les hypothèses suivantes :
    L'algorithme de fonctionnement de l'appareil est strictement déterministe ; pour les facteurs externes, qui sont des variables aléatoires, l'espérance mathématique est connue.
    Il n'y a pas d'effet de récupération de batterie. Si nécessaire, il peut être pris en compte en augmentant l'énergie initiale de l'appareil. Ensuite, connaissant l'énergie initiale de la batterie 0 et la puissance consommée par l'appareil, on peut estimer approximativement sa durée de vie grâce à la formule :
    Le terminal est conçu pour lire les lectures de ses propres capteurs et les transférer sur le réseau. Sa principale différence avec un répéteur est l'absence de possibilité de transmission de bout en bout de données provenant d'autres appareils via lui-même. Lors de l'utilisation du modèle d'événement ou du modèle de transmission planifiée (voir section 1.1.3), cela fonctionne généralement selon le schéma cyclique illustré à la Fig. 2.2.
    
    Méthode pour résoudre le problème de la planification des flux
    Il est évident que le problème de la programmation linéaire en nombres entiers partiels est généralement NP-difficile, la solution exacte ne pouvant être obtenue en un temps raisonnable pour de grandes valeurs de m même sur les ordinateurs les plus puissants. La complexité est due à la présence de variables entières et, par conséquent, à la nature combinatoire des méthodes générales de résolution de tels problèmes.
    La nécessité de résoudre des problèmes à grande échelle est due au facteur pratique suivant. Les résultats de simulation (voir le chapitre suivant) suggèrent que la mobilité gérée est appropriée pour les grands réseaux de plusieurs centaines de nœuds. De tels réseaux couvrent des zones de plusieurs dizaines de kilomètres carrés. Compte tenu de la nécessité de maintenir les retards de transmission de données dans certaines limites, le nombre total de positions de puits doit également être important.
    La méthode proposée ci-dessous vise à réduire la complexité de calcul du problème tout en maintenant la valeur de la fonction objectif proche de la valeur optimale. La méthode prend en compte les caractéristiques suivantes du domaine considéré :
    1. Trouver la route optimale n'est pas le but du problème d'optimisation, puisqu'on considère que le flux est illimité en ressources. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de rechercher un chemin passant une fois par chaque sommet.
    2. Les coûts énergétiques pour la reconfiguration du réseau, déterminés par les valeurs de er-k, sont négligeables par rapport aux coûts de transmission des données.
    Nous divisons le problème (3.4) en deux sous-problèmes. Le premier sous-problème (LP) est similaire au problème d'optimisation (3.1), c'est-à-dire qu'il ne comprend qu'un seul ensemble de contraintes sans tenir compte de l'énergie supplémentaire j. À la suite de sa solution, un sous-ensemble est trouvé.La deuxième sous-tâche (ROUTE) résoudra le problème de la construction d'un itinéraire basé sur le sous-ensemble trouvé de positions V et un ensemble de restrictions sur le mouvement du puits, spécifié par la matrice D. Cette tâche peut être résolue par l'un des algorithmes heuristiques, par exemple, "Aller au sommet non visité le plus proche". Cependant, au cours de sa solution, l'impossibilité fondamentale de construire un tel itinéraire peut être obtenue. Par exemple, sur la fig. 3.3 montre un exemple de résolution du problème LP, selon lequel il est impossible de construire une route. La couleur grise indique les sommets de VS inclus dans l'ensemble Y obtenu à la suite de la résolution du problème LP.
    La solution au problème est tk = min n ni . Il est évident que le chemin de ruissellement ne comprendra que le point k, c'est-à-dire que nous aurons un scénario de ruissellement stationnaire.
    Théorème 3.3.2. Soit VQ l'ensemble des sommets interdits de visite à la ième étape de l'algorithme. Ensuite, le processus itératif est exécuté en m étapes maximum (où m est le nombre de sommets dans le graphe de position de drain Gs) si VQ ⊂ VQ + .
    Preuve D'après l'algorithme, V0l = 0. D'après les conditions du théorème, \VQ\ \VQ+ . Prenons le cas extrême de l'ajout séquentiel d'un élément à VQ à chaque itération. Alors \V0l\ = 0, \V02\ = 1,... \V0m\ = m - 1. Mais d'après le lemme 3.3.1, si \VQ\ = m - 1, le processus itératif s'arrête.
    Le théorème 3.3.2 implique l'un des algorithmes possibles pour résoudre le problème ITER - augmenter l'ensemble Vo à chaque étape. Il existe plusieurs heuristiques pour cela :
    Vo \u003d Vo U (k): à Є VA, Vj Є V: tj tk. C'est-à-dire que parmi les sommets obtenus à la suite de la résolution du problème LP, on en sélectionne un pour lequel le temps de séjour du puits est le plus court.
    Vo = Vo U Vk : Vj Є, j = k : 2iyti 2iy.ti. En d'autres termes, le sous-graphe connexe avec le plus petit temps de séjour total du puits est ajouté à Vo.
    Un autre algorithme est également possible - augmenter progressivement l'ensemble V\ jusqu'à former un graphe connexe V. Pour cela, l'heuristique suivante est proposée. À la première étape, deux sous-graphes et avec le plus grand temps de séjour total du puits sont identifiés. Après cela, en utilisant des algorithmes standard sur les graphes, par exemple l'algorithme de Floyd-Warshall, ou l'algorithme de Dijkstra si le nombre de sommets dans l'un des deux graphes est petit, les chemins les plus courts entre toutes les paires de sommets (,) sont trouvés,
    Algorithmes heuristiques pour le contrôle dynamique des flux
    Dans les systèmes réels, il est souvent impossible de collecter à l'avance toutes les informations nécessaires à la résolution des problèmes (3.1), (3.4). De plus, les grandeurs clés du modèle (2.1) peuvent changer avec le temps. Voici quelques-uns des scénarios pratiques qui sont des causes possibles :
    1. Modification de la situation d'interférence dans certaines zones. Cela peut à son tour être associé au déploiement d'un nouveau réseau dans la même gamme de fréquences ou dans une gamme proche. Dans un tel cas, la probabilité de retransmissions de paquets augmente, et, par conséquent, la consommation électrique des éléments situés dans cette zone augmente.
    2. Reconfiguration des éléments de réseau. Dans certains cas, une modification des algorithmes de fonctionnement des appareils individuels est nécessaire. Par exemple, il peut être nécessaire de modifier la fréquence d'envoi des messages de test.
    3. Modifications des conditions climatiques pour le fonctionnement des nœuds. En conséquence, leurs batteries peuvent épuiser leur énergie plus rapidement. Dans de tels cas, il est conseillé d'utiliser le contrôle dynamique du mouvement du ruissellement mobile. Pour une description formelle de l'algorithme de contrôle de flot dynamique, nous introduisons plusieurs notations supplémentaires : S(k) est un sous-ensemble de sommets du graphe GS, comprenant k et les sommets adjacents à S(k) = (k) U (j : (k,j) Є Es).
    On note aussi D(k) l'ensemble des nœuds, environnant k-th position du drain ou, en d'autres termes, un ensemble de nœuds qui sont connectés directement au drain lorsqu'il est à la position k : D(k) = i Є Vn : (u, i) Є En(k), où u stock.
    
    Etude de la possibilité de mener une expérience grandeur nature
    Le chapitre est consacré à la modélisation de la durée de vie des BSN reconfigurables dynamiquement, qui est réalisée afin d'obtenir des estimations quantitatives de la mobilité contrôlée du ruissellement, ainsi que de trouver des conditions optimales pour son utilisation.
    Lors de la première étape, la possibilité de mener une expérience à grande échelle sur des plates-formes matérielles existantes a été étudiée, il a été conclu qu'une expérience à part entière avec l'état actuel du matériel et des logiciels est très difficile.
    Lors de la deuxième étape, la modélisation par simulation a été réalisée à l'aide du progiciel développé.
    En termes d'équipement pour la partie fixe du réseau, il existe un vaste choix d'appareils pour différentes tâches. Vous pouvez conditionnellement diviser toute la gamme d'équipements en trois groupes:
    1. Composants électroniques - microcontrôleurs, émetteurs-récepteurs, etc., qui sont à la base du développement de solutions, à partir du tout niveau faible. 2. Des plateformes intermédiaires, généralement développées par des universités de recherche dans le but de mener des expérimentations.
    3. Systèmes embarqués créés pour résoudre des problèmes spécifiques.
    Théoriquement, il est possible de mener une expérience à grande échelle en assemblant une plate-forme spécialisée à partir de composants individuels basés sur l'un des nombreux modules sans fil disponibles fabriqués par des sociétés telles que Texas Instruments, Atmel, NXP, Telegesis, Freescale, etc.
    L'auteur du travail de thèse a participé à un projet conjoint russo-allemand visant à créer un système actif de collecte de données sans fil en intralogistique. Au cours du projet, une plate-forme matérielle et logicielle spécialisée pour les réseaux de capteurs a été développée sur la base du module sans fil NXP Jennic JN5148. Ces modules au moment du développement avaient La meilleure performance en termes de capacités de calcul et de modes d'économie d'énergie.
    Le projet a testé un modèle de réseau de capteurs sans fil avec des alimentations électriques autonomes (2.1), ainsi qu'une méthode pour sa reconfiguration dynamique grâce à l'utilisation de nœuds mobiles.
    Une caractéristique du système de collecte de données développé en intralogistique est que l'élément mobile n'est pas un drain, mais des nœuds de capteurs qui sont placés sur le convoyeur avec des marchandises dans des conteneurs pour les surveiller. Le tableau 4.1 montre les paramètres contrôlés et les capteurs utilisés dans le développement de la disposition. Pour chaque paramètre, la fréquence maximale de collecte de données dans le système est indiquée (pour un prototype de 10 nœuds, une fréquence 15 fois inférieure au maximum a été utilisée).
    Une autre option pour mener une expérience à grande échelle consiste à utiliser des systèmes prêts à l'emploi basés sur des réseaux sans fil, conçus à l'origine pour résoudre certains problèmes. Ainsi, au cours de la recherche de thèse, une expérience a été menée sur la base de l'équipement d'une société de surveillance de la sécurité à Moscou (voir annexe A). Caractéristique clé considéré système de sécurité est que les flux de données qui y circulent sont connus à l'avance par l'algorithme des nœuds et les statistiques accumulées, et, par conséquent, il est possible d'appliquer la méthode de reconfiguration dynamique du réseau, décrivant son fonctionnement en termes de puissance consommée par les appareils . Dans le système sur la base duquel l'expérience a été réalisée, il y avait 9 relais et environ 4 000 terminaux (voir Fig. 4.3).
    Les répéteurs du système sont reliés à une alimentation permanente, mais sont également équipés d'une batterie de secours 12V. Le but de l'expérience était d'étudier la possibilité d'augmenter la durée de fonctionnement autonome des répéteurs du système lors d'une panne de courant d'urgence en utilisant la méthode de reconfiguration dynamique du réseau. La reconfiguration consistait à changer les topologies au moyen du contrôle du programme, la séquence de changement a été déterminée à la suite de la résolution du problème (3.4). En conséquence, il a été possible d'augmenter la durée de vie des répéteurs individuels de 25 à 40 %.
    Cependant, aucune des expériences ci-dessus n'a permis de révéler pleinement tout le potentiel de l'utilisation des méthodes de reconfiguration dynamique du réseau, principalement en raison de la petite taille du réseau lui-même (le nombre de répéteurs).
    L'option la plus préférable pour mener une expérience naturelle à part entière est l'utilisation de plates-formes matérielles et logicielles spécialisées pour la recherche scientifique, principalement en raison du fait qu'elles ont beaucoup plus de flexibilité en termes d'éventuelles modifications des protocoles de niveau inférieur nécessaires pour affiner -réglez les transitions de l'appareil entre différents modes de fonctionnement, y compris la transmission de données sans fil.
    L'une des plateformes de recherche les plus réussies pour BSS s'est avérée être les développements de l'Université de Californie à Berkeley, précédemment fournis par la société crossbow (xbow), et actuellement vendus par la société MEMSIC. Il s'agit notamment des plateformes TelosB (Fig. 4.4, a), MicaZ (Fig. 4.4, b), Imote2 (Fig. 4.4, c).
    Toutes les solutions ci-dessus prennent en charge le système d'exploitation TinyOS, conçu spécifiquement pour une utilisation dans les réseaux de capteurs. Imote2 est une plate-forme plus productive d'un ordre de grandeur, cependant, ses caractéristiques de consommation d'énergie sont moins bonnes. Les trois solutions sont développées selon la norme IEEE 802.15.4, tandis que TelosB et MICAZ utilisent les propres émetteurs-récepteurs de Berkeley, qui ne sont pas certifiés dans de nombreux pays du monde, y compris la Russie. Ce fait est un obstacle sérieux à leur utilisation comme équipement pour des expériences naturelles. TelosB contient des capteurs intégrés pour la température, la lumière et l'humidité, MICAZ dispose d'un connecteur universel pour cartes d'extension, grâce auquel il est possible de connecter une plus grande gamme de capteurs.
    FireFly Nodes est une plate-forme de réseau de capteurs sans fil développée par le Realime & Multimedia Systems Lab de l'Université Carnegie Mellon de Pittsburgh, aux États-Unis. Il est, comme d'autres, conçu pour la collecte, le traitement et la communication de données dans des réseaux maillés. Cependant, une avancée significative par rapport aux solutions précédentes a été l'introduction de la synchronisation globale des nœuds, qui offre la possibilité de faire passer l'ensemble du réseau en mode basse consommation.
    
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Je souhaite consacrer mon article aux technologies des réseaux de capteurs sans fil, qui, me semble-t-il, sont injustement privés de l'attention de la communauté habra. Je vois que la principale raison à cela est que la technologie n'est pas encore devenue massive et qu'elle est pour la plupart plus intéressante pour les milieux universitaires. Mais je pense que dans un avenir proche, nous verrons de nombreux produits basés d'une manière ou d'une autre sur les technologies de tels réseaux. Je fais des recherches sur les réseaux de capteurs depuis plusieurs années, j'ai écrit une thèse de doctorat sur ce sujet et un certain nombre d'articles dans des revues russes et étrangères. J'ai également développé un cours sur les réseaux de capteurs sans fil, que j'ai lu au Nizhny Novgorod Université d'État(Je ne fournis pas de lien vers le cours, si vous êtes intéressé, je peux donner un lien en privé). Ayant de l'expérience dans ce domaine, je souhaite la partager avec une communauté respectée, j'espère que vous serez intéressé.

informations générales

Les réseaux de capteurs sans fil ont beaucoup évolué ces dernières années. De tels réseaux, constitués de nombreux nœuds miniatures équipés d'un émetteur-récepteur, d'un microprocesseur et d'un capteur de faible puissance, peuvent relier les réseaux informatiques mondiaux et le monde physique. Le concept de réseaux de capteurs sans fil a attiré l'attention de nombreux scientifiques, instituts de recherche et organisations commerciales, ce qui a fourni un flux important de travaux scientifiques sur ce sujet. Le grand intérêt pour l'étude de tels systèmes est dû aux larges possibilités d'utilisation des réseaux de capteurs. Les réseaux de capteurs sans fil, en particulier, peuvent être utilisés pour prévoir les pannes d'équipement dans les systèmes aérospatiaux et l'automatisation des bâtiments. En raison de leur capacité d'auto-organisation, de leur autonomie et de leur grande tolérance aux pannes, ces réseaux sont activement utilisés dans les systèmes de sécurité et les applications militaires. L'application réussie des réseaux de capteurs sans fil en médecine pour la surveillance de la santé est associée au développement de capteurs biologiques compatibles avec les nœuds de capteurs de circuits intégrés. Mais les réseaux de capteurs sans fil sont surtout utilisés dans le domaine de la surveillance. environnement et des êtres vivants.

Le fer

En raison du manque de standardisation claire des réseaux de capteurs, il existe plusieurs plates-formes différentes. Toutes les plates-formes répondent aux exigences de base des réseaux de capteurs : faible consommation d'énergie, longue durée de fonctionnement, émetteurs-récepteurs à faible puissance et présence de capteurs. Les principales plates-formes incluent MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

Microprocesseur : Atmel ATmega128L
Fréquence 7,3728 MHz
Mémoire flash de 128 Ko pour les programmes
4 Ko de SRAM pour les données
2 UART
Bus SPI
Bus I2C
Radio : ChipCon CC2420
Mémoire flash externe : 512 Ko
Connecteur auxiliaire 51 broches
huit E/S analogiques 10 bits
21 E/S numériques
Trois LED programmables
Port JTAG
Alimenté par deux piles AA

TelosB

Microprocesseur : MSP430 F1611
Fréquence 8 MHz
Mémoire flash de 48 Ko pour les programmes
10 Ko de RAM pour les données
Bus SPI
CAN/DAC 12 bits intégré
Contrôleur DMA
Radio : ChipCon CC2420
Mémoire flash externe : 1024 Ko
Connecteur supplémentaire 16 broches
Trois LED programmables
Port JTAG
En option : Capteurs de lumière, d'humidité, de température.
Alimenté par deux piles AA

Intel Mote 2

Microprocesseur XScale 320/416/520 MHz PXA271
32 Mo Flash
32 Mo de RAM
Mini-interface USB
Connecteur I-Mote2 pour appareils externes (31+21 broches)
Radio : ChipCon CC2420
Indicateurs LED
Alimenté par trois piles AAA

Chaque plateforme est intéressante à sa manière et possède ses propres caractéristiques. Personnellement, j'ai eu de l'expérience avec les plates-formes TelosB et Intel Mote 2. De plus, notre propre plate-forme a été développée dans notre laboratoire, mais elle est commerciale et je ne peux pas en parler en détail.

Il y a 3 ans, le plus courant était l'utilisation du chipset CC2420 comme émetteur-récepteur à faible puissance.

Logiciel et transfert de données

La principale norme de transmission de données dans les réseaux de capteurs est IEE802.15.4, qui a été spécialement conçue pour les réseaux sans fil avec des émetteurs-récepteurs à faible puissance.

Il n'existe pas de normes dans le domaine des logiciels dans les réseaux de capteurs. Il existe plusieurs centaines de protocoles différents pour le traitement et la transmission des données, ainsi que des systèmes de gestion de nœuds. Le système d'exploitation le plus courant est le système avec Open source– TinyOs (étant à l'université de Stanford, j'ai personnellement rencontré l'un des développeurs). De nombreux développeurs (en particulier les systèmes commerciaux) écrivent leur propre système de contrôle, souvent en Java.

Le programme de contrôle du nœud capteur sous le contrôle du système d'exploitation TinyOs est écrit en langage nesC.

A noter qu'en raison du coût élevé des équipements et de la complexité de mise en place des réseaux de capteurs, divers systèmes de simulation se sont généralisés, notamment le système TOSSIM, spécialement conçu pour simuler le fonctionnement des nœuds exécutant TinyOs.

Conclusion

Les réseaux de capteurs se généralisent en Russie. Quand j'ai commencé à les faire en 2003, le nombre de personnes en Russie qui connaissaient cette technologie se comptait sur les doigts. Y compris en Russie, le célèbre Luxsoft Labs s'y est engagé.

Je travaille avec des réseaux de capteurs depuis 6 ans et je peux vous en dire beaucoup sur ces technologies. Si la Habrasociety est intéressée et que j'en ai l'opportunité, alors je me ferai un plaisir d'écrire une série d'articles sur ce sujet. Je peux aborder des choses telles que : un travail réel avec la plate-forme TmoteSky, des fonctionnalités de programmation pour le système TinyOs dans nesC, des résultats de recherche originaux obtenus dans notre laboratoire, des impressions d'un mois et demi de travail à l'Université de Stanford, dans un projet sur les réseaux de capteurs.

Merci à tous pour votre attention, je me ferai un plaisir de répondre à vos questions.

L'invention concerne les réseaux de capteurs sans fil pour systèmes de surveillance automatisés. Le résultat technique est d'assurer un routage efficace, de prolonger la durée de vie du réseau et d'augmenter la fiabilité. L'invention concerne un procédé et un système d'équilibrage distribué du trafic dans un réseau de capteurs sans fil basé sur un algorithme de routage d'un nœud source à un nœud de destination, où le réseau de capteurs sans fil est représenté sous la forme d'un graphique G (N, M), où N sont les nœuds du réseau et M sont des bords, il y a K routes, et les informations sont générées à un débit Q c et transmises sur un canal de communication C à un débit q c , et i-ème nœud a une réserve d'énergie E i , et chaque face ij a un poids/prix e ij , qui correspond à l'énergie pour transmettre un paquet de données du nœud i à j, et la durée de vie T i de chaque nœud est définie comme

A chaque nœud, une table de routage est déterminée et un vecteur de transmission des messages est mis en place, une analyse des options de routage est effectuée selon les vecteurs totaux les plus optimaux, qui sont calculés en fonction de la table de routage. Pour cela, la durée de vie de l'ensemble du réseau est déterminée. . La maximisation de la durée de vie est définie comme maximiser T sys , et les routes sont distribuées afin d'atteindre la durée de vie maximale de l'ensemble du réseau, où le choix de la route dans le réseau est basé sur l'utilisation des transmissions les moins coûteuses à chaque nœud, et le les plus coûteux sont exclus. 2 n. et 9 z.p. f-ly, 4 malades.

Dessins au brevet RF 2528415

Le domaine technologique auquel appartient l'invention

L'invention concerne le domaine des communications sans fil et peut être utilisée dans des systèmes de surveillance automatisés fonctionnant à la fois de manière autonome et dans le cadre de systèmes d'information et de contrôle multi-niveaux, en particulier dans des systèmes de surveillance de paramètres environnementaux ou industriels en temps réel avec des nœuds répartis sur de grandes zones et ne disposant pas de lignes de communication câblées et de lignes électriques.

L'état de l'art

Actuellement, les réseaux de capteurs prennent de plus en plus leur place dans les applications de surveillance de lieux et d'événements divers. Dans le cadre du développement de la technologie de communication sans fil, il est devenu possible de développer des réseaux de capteurs distribués sans fil (RSN). Les réseaux de capteurs distribués diffèrent des réseaux conventionnels par leurs ressources énergétiques limitées, leur faible puissance de calcul, le besoin d'emplacements plus denses et leur faible coût par nœud. Ces fonctionnalités d'autres réseaux (par exemple, cellulaires) définissent de nouveaux buts et objectifs pour leur application. Les réseaux de capteurs sans fil ont été largement utilisés dans de nombreux domaines de l'activité humaine et, par conséquent, ils reçoivent désormais une grande attention.

Un réseau de capteurs distribués se compose de nombreux nœuds multifonctionnels autonomes à faible coût situés dans la zone de surveillance. Chaque nœud est constitué d'un ensemble de blocs, tels que : un capteur utilisé pour recevoir des données de l'environnement, une unité de réception et de transmission de données, un microcontrôleur pour le traitement et le contrôle du signal et une source d'énergie. Le processeur est alimenté par une batterie autonome avec une ressource énergétique limitée, ce qui entraîne des limitations importantes de la consommation d'énergie. La maintenance des nœuds de capteurs, comme le remplacement des batteries, est coûteuse, en particulier lorsque les nœuds sont situés dans des zones difficiles d'accès, de sorte que la plupart des réseaux de capteurs ne nécessitent aucun entretien et fonctionnent jusqu'à ce que la batterie soit épuisée. Cette propriété des réseaux de capteurs est très importante dans le développement d'algorithmes de routage dans les RCD, qui permettent d'augmenter l'efficacité de la consommation d'énergie du réseau.

Ainsi, il existe de nombreuses façons d'économiser les ressources énergétiques des nœuds du réseau de capteurs, et la figure 1 montre leur classification. Les méthodes peuvent être divisées en trois grands groupes - il s'agit de la conservation de l'énergie à l'aide de cycles de travail, basés sur la quantité d'informations transmises et sur la mobilité.

Les cycles de travail incluent le contrôle de la topologie et la gestion de l'alimentation. Le contrôle de la topologie vise à utiliser ou à réduire les liens redondants dans le réseau afin d'économiser les ressources. La consommation peut être contrôlée en appliquant divers protocoles de contrôle d'accès aux médias (protocoles MAC) et modes de fonctionnement de l'appareil économes en énergie. La deuxième classe de méthodes de conservation de l'énergie est basée sur la quantité d'informations transmises, ainsi que sur l'obtention de ces informations de manière économique. L'énergie dépensée pour le traitement de l'information est incomparablement inférieure à l'énergie nécessaire à sa transmission, on utilise donc le traitement de données intra-réseau, la compression de données ou la prédiction de données. Les répéteurs sont également utilisés pour économiser de l'énergie pour les nœuds du réseau de capteurs.

Les méthodes de routage peuvent être divisées dans les catégories suivantes : direct, hiérarchique et routage en fonction de localisation géographique.

Le routage direct implique la transmission de messages de nœud à nœud dans le réseau, où chaque nœud remplit la même fonction de transmission et/ou de relais, contrairement au routage hiérarchique, où un ou plusieurs nœuds de collecte et de traitement des informations sont alloués. L'inconvénient du routage direct est que les réseaux collectant des informations à partir d'une certaine zone enverront beaucoup d'informations redondantes, surtout si le réseau de capteurs est dense. Afin d'éviter la redondance des informations, des algorithmes spéciaux sont utilisés pour obtenir des informations non pas à partir de nœuds, mais à partir d'une certaine zone du réseau. Par exemple, l'algorithme SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) est connu, dans lequel la station de base envoie une demande à une certaine région du réseau de capteurs. Lors de la réception d'une demande, les nœuds de domaine répondent à la demande, échangent des données localement et renvoient une réponse généralisée.

Avec le routage hiérarchique, pour la collecte et le traitement, il est nécessaire d'utiliser des nœuds avec une grande alimentation en énergie, ce qui, s'il permet d'économiser sur le transfert de volumes beaucoup plus faibles de données déjà traitées, est souvent inacceptable en raison de l'homogénéité des instruments. utilisé ou d'autres difficultés. Afin de ne pas utiliser de nœuds spécialisés, il existe plusieurs technologies. Ainsi, la technologie Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) est connue, lorsque la fonction de collecte est prise à tour de rôle par plusieurs nœuds du réseau de capteurs, sélectionnés selon un certain algorithme, répartissant ainsi la charge du nœud de collecte.

Le routage basé sur la localisation est également appelé routage géométrique car la direction géométrique vers la station de base est utilisée pour trouver l'itinéraire. Il existe également un routage par coordonnées virtuelles, qui sont construits non seulement en fonction de la position réelle du nœud, mais prennent également en compte les irrégularités naturelles de surface, les obstacles, le niveau du canal de transmission, etc.

Le routage multithread est également connu, où la livraison d'un message à partir d'un nœud est possible le long de plusieurs chemins. Récemment, une grande attention a été accordée au routage à la demande à la station de base, par exemple, basé sur la recherche du chemin le plus court et son maintien en tenant compte mauvais canal et défaillance du nœud. Cependant, les nœuds situés à la distance la plus courte s'épuisent rapidement, ce qui entraîne des déconnexions et une diminution de la durée de vie du réseau, qui est souvent comprise comme la durée de vie du premier nœud défaillant. Par conséquent, il existe un besoin de créer une technologie pour maximiser la durée de vie d'un réseau de capteurs, qui est résolue par l'une ou l'autre méthode de programmation linéaire.

Ainsi, le brevet RU 2439812 C1, publié le 10/01/2012, IPC H04W 36/00, est connu comme une solution technique proche par essence, qui divulgue un réseau de capteurs auto-configurables d'une pluralité de capteurs et d'actionneurs basés sur un routage en fonction de position géographique. Le réseau de capteurs se compose d'une unité centrale de traitement de données (DCPD) et de N stations de base (BS) situées de manière uniforme ou aléatoire le long des limites de la zone de couverture du réseau, où les BS sont spatialement référencées aux coordonnées de positionnement global et contiennent une mémoire pour stocker la valeur du coefficient de confiance, qui est un nombre compris entre les valeurs minimale et maximale spécifiées. Le facteur de confiance pour la BS est fixé approximativement égal à la valeur maximale. À l'intérieur de la zone de couverture du réseau de capteurs, les nœuds M sont répartis de manière uniforme ou aléatoire, avec M>>N. Les nœuds sont équipés d'une mémoire pour stocker des valeurs de coordonnées de référence spatiale, qui est initialisée à des valeurs aléatoires lors de la production, et pour stocker un facteur de confiance, qui est initialisé à une valeur approximativement égale à la valeur minimale du facteur de confiance. Chaque nœud et BS établissent une connexion avec pas plus de K nœuds voisins et BS, et la valeur de K dépend des caractéristiques de débit du canal de communication, des caractéristiques de performance et de la consommation électrique des microprocesseurs inclus dans leur composition. Une fois la connexion établie, les nœuds et la BS effectuent l'opération de détermination mutuelle des valeurs des coordonnées spatiales. Pour ce faire, chaque nœud ou BS transmet cycliquement les valeurs de sa propre mémoire pour stocker les valeurs des coordonnées de la référence spatiale et de la mémoire pour stocker la valeur du coefficient de confiance. Dans chaque cycle de traitement, le nœud reçoit les valeurs des coordonnées et des coefficients de confiance de tous les appareils voisins avec lesquels une connexion est établie, et détermine les valeurs calculées de ses propres coordonnées et de son propre coefficient de confiance par la méthode de moyenne pondérée des valeurs de ses propres coordonnées et des coordonnées des appareils voisins, en utilisant des coefficients de confiance comme coefficients de pondération de l'appareil lui-même et des appareils voisins. Ainsi, les nœuds du réseau de capteurs reçoivent une référence spatiale. Pour acheminer un message du DCMS vers un nœud de coordonnées (x, y, z), il transmet le message à une ou plusieurs BS les plus proches des coordonnées requises. Les BS indiquées transmettent le message aux nœuds les plus proches, et les nœuds successivement - à leurs nœuds les plus proches dans la direction du vecteur dirigé vers le point requis (x, y, z). Des nœuds liés spatialement à des points situés à une distance n'excédant pas le rayon de sensibilité du réseau de capteurs r perçoivent le message comme leur étant adressé. Un arbitrage supplémentaire des nœuds pour sélectionner la destination finale du message, ainsi que l'envoi d'un accusé de réception du message, est effectué si nécessaire, en fonction des exigences techniques pour le fonctionnement du réseau. Pour acheminer un message d'un nœud vers un centre de données, les nœuds équipent en outre une mémoire pour stocker une liste de coordonnées de la BS la plus proche. Pour envoyer un message au DCDC, le nœud envoie un message à un ou plusieurs nœuds voisins dans la direction du vecteur dirigé vers le point avec les coordonnées de la BS, lorsque le message atteint la BS, il envoie le message directement à la DCDC et, si nécessaire, envoie un message de confirmation de transmission au nœud émetteur.

L'inconvénient d'un tel réseau de capteurs auto-configurable et de son mode de fonctionnement est la complexité de l'équipement utilisé, associée à la nécessité de définir et d'utiliser les coordonnées de la référence spatiale des nœuds et des stations de base, et cette solution ne fournit pas une longue durée de vie de l'ensemble du réseau dans son ensemble.

En tant qu'analogue le plus proche - un prototype, nous pouvons proposer une méthode de routage avec une durée de vie maximale dans un réseau sans fil Ad-hoc, décrite dans la publication Arvind Sankar et Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty -troisième conférence conjointe annuelle de l'IEEE, Computer and Communications Societies, vol.2, p.p.1089-1097, où le problème de la maximisation de la durée de vie d'un réseau de capteurs est formulé, qui est résolu par la méthode de programmation linéaire, à savoir un algorithme est proposé pour minimiser la somme des fonctions potentielles de toutes les files d'attente.

L'inconvénient de cette méthode est une faible efficacité, car les nœuds situés à la distance la plus courte sont souvent rapidement épuisés, ce qui entraîne des ruptures de communication et une diminution de la durée de vie du réseau.

Ainsi, il existe un besoin pour résoudre les problèmes ci-dessus de l'art antérieur.

L'essentiel de l'invention

Le résultat technique visé par l'invention proposée est, en particulier : fournir un routage efficace et prolonger la durée de vie d'un réseau de capteurs sans fil pour surveiller divers objets et paramètres en temps réel, où l'information de chaque nœud est importante, augmenter la fonctionnalité, la fiabilité et la réduction du coût d'utilisation des systèmes de surveillance. L'utilisation de la solution proposée améliorera l'efficacité de fonctionnement de l'objet contrôlé en raison de la durée de vie plus longue de la batterie d'alimentation autonome, ce qui permettra d'enregistrer et de transmettre des données sur les paramètres de l'objet et / ou de l'environnement pendant une durée plus longue. .

L'essence de la méthode proposée pour l'équilibrage de trafic distribué dans un réseau de capteurs sans fil consiste à appliquer un nouvel algorithme de routage du nœud source au nœud de destination. La communication entre lesdits nœuds du réseau de capteurs s'effectue par exemple sur le protocole Zigbee, ou dans une bande de radiofréquence sans licence, ou sur un réseau radio numérique mobile, ou sur tout autre protocole de communication sans fil adapté. Un réseau de capteurs distribué peut être représenté par un graphe G (N, M), qui définit un ensemble des nœuds mentionnés et des connexions entre eux, où N sont des nœuds de réseau et M sont des arêtes, il y a aussi K routes. Les informations sont générées à un débit Q c et transmises sur un canal de communication C à un débit q c , et i-ème le nœud a une réserve d'énergie E i , et chaque face ij a un poids/prix e ij , qui correspond à l'énergie pour transmettre un paquet de données du nœud i à j, tandis que la durée de vie T i de chaque nœud est définie comme

Ensuite, la table de routage est déterminée à chaque nœud et le vecteur de transmission du message est défini, l'analyse des options de route possibles est effectuée en fonction des vecteurs totaux les plus optimaux, qui sont calculés en fonction de la table de routage, pour cela la durée de vie du l'ensemble du réseau T sys est déterminé

Ainsi, la maximisation de la durée de vie est définie comme maximiser T sys , et afin d'atteindre la durée de vie maximale de l'ensemble du réseau, les routes pour les informations transmises sont distribuées, tandis que le choix de la route de trafic dans le réseau est basé sur l'utilisation des transmissions les moins coûteuses à chaque nœud, et lors de la construction de la route, les nœuds les plus coûteux sont exclus en fonction de son T i calculé.

Au moins un nœud source contient un capteur auto-alimenté pour mesurer et surveiller des paramètres physiques (quantités), qui surveille dans une zone de réseau donnée et transmet des messages (paquets de données) avec des paramètres mesurés à au moins un nœud de destination.

Alternativement, dans chaque nœud, afin d'homogénéiser les données de surveillance, ils peuvent effectuer un traitement primaire des paramètres physiques reçus des capteurs, par exemple, en les accumulant en mémoire, en faisant la moyenne, en convertissant analogique-numérique en le code approprié. En tant que paramètres mesurés pour surveiller, par exemple, l'environnement, divers paramètres sont utilisés, tels que la température, la pression, l'humidité, l'éclairage, la fumée, le niveau de vibration, etc.

Alternativement, le choix de la route dans la génération et/ou la mise à jour de la table de routage se fait selon des combinaisons de critères tels que la longueur de la route, mesurée par le nombre de routeurs par lesquels il faut passer jusqu'au nœud destinataire ; débit du canal de communication ; temps de transmission total prévu ; coût du canal de communication ; la quantité d'énergie résiduelle au nœud.

Alternativement, le procédé met à jour en outre les valeurs de la durée de vie T i de chaque nœud ou la durée de vie de l'ensemble du système T sys conformément à la combinaison de critères mentionnée, effectuée lors de l'envoi d'un message du nœud source vers le nœud destination ou lorsqu'une rupture de connexion est détectée entre les nœuds.

Alternativement, après avoir construit la table de routage, la fonction de transmission des paquets le long des chemins optimaux (route) est implémentée lors de l'envoi du paquet, chaque nœud du réseau met l'adresse du nœud suivant dans l'en-tête du paquet au niveau du contrôle d'accès au support (niveau MAC ).

Il est également proposé un système d'équilibrage distribué de trafic dans un réseau de capteurs distribué basé sur un algorithme de routage d'un nœud source vers un nœud de destination dans un réseau de capteurs distribué selon le procédé proposé, comprenant : un nœud de destination connecté par un canal de communication sans fil à un nœud source, qui est un module de capteur où se trouve un émetteur-récepteur, un capteur de paramètres physiques, un microcontrôleur pour le traitement et le contrôle et une source autonome de leur alimentation, et le nœud de destination contient un émetteur-récepteur, des moyens pour accumuler les signaux reçus des informations et des moyens de traitement et d'affichage des informations reçues des modules capteurs pour construire un modèle de l'objet ou de l'espace étudié.

En variante, les modules de capteur peuvent être divisés en groupes, et chaque groupe est connecté sans fil au nœud de destination via son propre émetteur-récepteur. La surveillance des paramètres environnementaux ou industriels en temps réel est effectuée ponctuellement dans une zone donnée, où le premier sous-ensemble de l'ensemble mentionné de nœuds sources exécute des fonctions de surveillance, et le deuxième sous-ensemble de nœuds sources exécute uniquement les fonctions de transmission et de réception de paquets de données avec des paramètres physiques mesurés reçus du premier sous-ensemble de nœuds sources.

Ces caractéristiques et avantages de conception et fonctionnels ainsi que d'autres de l'invention proposée deviendront évidents à partir de Description détaillée ses variantes, qui doivent être lues conjointement avec le dessin.

Description brève des dessins

La figure 1 montre une classification bien connue des moyens d'économiser l'énergie des nœuds du réseau de capteurs.

La figure 2 montre l'algorithme de construction d'un réseau de capteurs basé sur une enquête.

La figure 3 montre le réseau de capteurs sous la forme d'un graphe G(N,M).

La figure 4 montre les options pour déterminer les routes.

Description detaillee de l'invention

Un algorithme est proposé sur lequel la technologie de collecte et de transmission automatisées de données est basée sur le RSS proposé (réseau d'auto-organisation sans fil autonome appareils mobiles) à un point unique pour construire un modèle de l'objet ou de l'espace étudié. Ce modèle peut être principalement utilisé pour construire des réseaux de surveillance de paramètres environnementaux ou industriels en temps réel, surveiller l'état des cycle de la vie bâtiments et structures, dans la conception et la construction d'aires de loisirs et d'objets de construction de stations sanitaires, ainsi que dans divers autres domaines de l'industrie automobile, du transport ferroviaire, de la construction de routes, de la médecine.

L'invention proposée permet d'augmenter considérablement la fonctionnalité, la fiabilité et de réduire le coût d'utilisation de tels systèmes de surveillance. La réduction des coûts est inextricablement liée à l'unification constructive, fonctionnelle et logicielle des éléments qui composent le système, ce qui implique une analyse approfondie des exigences et des recherches sur la manière de construire une plate-forme logicielle et matérielle universelle pour créer des systèmes de surveillance de l'état écologique. de l'environnement basé sur la technologie des réseaux de capteurs sans fil. Pour ce faire, différents paramètres sont étudiés : température, pression, humidité, éclairement, fumée, vibration, qui sont collectés grâce à des réseaux de capteurs auto-organisés. Le RCC se compose de terminaux, de routeurs intermédiaires, d'un coordinateur de réseau et d'un point de collecte de données dédié, parfois un tel point est appelé une passerelle de réseau, il sert à convertir les données d'un canal radio en un réseau organisé sur optique ou fils de cuivre-Ethernet. Des capteurs permettant de collecter des paramètres physiques sont attachés aux nœuds du réseau - des périphériques finaux qui, via le coordinateur du réseau, sont intégrés dans une structure unique, par exemple à l'aide du protocole ZigBee. Cela vous permet de déployer un réseau de surveillance en peu de temps avec un coût minimal et une fiabilité suffisamment élevée.

Chaque unité PCC est équipée d'une source d'alimentation autonome, ce qui lui permet d'être installée dans des endroits difficiles d'accès pour prendre les lectures requises avec des coûts de main-d'œuvre minimes. Une caractéristique de l'invention proposée est la création d'un logiciel et d'un matériel évolutifs uniques, constitués d'un ensemble de modules nécessaires à la mise en œuvre, qui vous permettent de contrôler les appareils pendant le temps de fonctionnement maximal possible, et en même temps de générer automatiquement un modèle fiable d'un environnement spatial hétérogène. La communication entre les appareils s'effectue sur un canal radio dans diverses normes de communication, y compris le protocole Zigbee, dans une plage de fréquences sans licence ou sur un réseau radio numérique mobile. Les données collectées pour le traitement permettent d'utiliser un tel système pour construire un modèle écologique 3D de l'environnement/espace étudié ou de l'objet étudié, réduisant considérablement le temps nécessaire au traitement et à l'obtention d'informations et de ressources financières. L'essence de l'algorithme proposé, appelé logique à deux échelles, est de contrôler les éléments du RCC, ce qui permet d'équilibrer la charge sur les nœuds du réseau de manière à ce que les données transmises soient envoyées au nœud du réseau le plus proche non pas de manière aléatoire, mais à celui qui a la plus grande réserve d'énergie à l'heure actuelle. L'algorithme utilisé pour le fonctionnement du RCC vous permet de modifier la charge sur les nœuds du réseau de manière à ce que l'ensemble du réseau reste opérationnel le plus longtemps possible.

L'utilisation du RSS peut offrir des avantages significatifs, tant sur le plan technologique qu'économique, par rapport aux systèmes traditionnels de collecte et de traitement des données. L'augmentation fondamentale des performances de collecte et de traitement de la télémétrie numérique, obtenue grâce à l'utilisation du RSS, vous permet de pénétrer agressivement le marché et de passer à des solutions technologiques de nouvelle génération, permettant ainsi et facilement mis en œuvre l'émergence de nouveaux systèmes automatisés fonctionnant dans temps réel basé sur technologie cloud. À mesure que la technologie progresse, il devrait y avoir une transition des réseaux de surveillance locaux connectés vers des systèmes de surveillance, de surveillance et de prédiction à grande échelle basés sur le SRS sans fil.

La figure 2 montre un exemple de routage et de création d'un réseau de capteurs basé sur l'interrogation. Le RCC se compose de nombreux nœuds multifonctionnels autonomes à faible coût situés dans la zone de surveillance. Chaque nœud se compose d'un ensemble de blocs, tels qu'un capteur utilisé pour recevoir des données de l'environnement, une unité de réception et de transmission de données, un microcontrôleur pour le traitement et le contrôle du signal et une source d'alimentation de petite taille. Le processeur est alimenté par une batterie autonome avec une ressource énergétique limitée, ce qui entraîne des limitations importantes de la consommation d'énergie. La maintenance des nœuds de capteurs, comme le remplacement d'une batterie autonome, est coûteuse, en particulier lorsque les nœuds sont situés dans des endroits difficiles d'accès, de sorte que la plupart des réseaux de capteurs ne nécessitent aucun entretien et fonctionnent jusqu'à ce que la batterie soit épuisée.

L'algorithme de routage vous permet de construire une route basée sur les requêtes et les réponses. Le coordinateur de réseau 1 envoie une demande de diffusion BONJOUR et reçoit des réponses du routeur (routeur) 2. Chaque routeur envoie également une demande de diffusion et reçoit des réponses d'appareils voisins, il peut s'agir d'autres routeurs ou d'appareils finaux 3. Sur la base des réponses reçues (signal puissance, temps de réponse et autres paramètres), le coordinateur construit une table de routage sur chaque routeur. De plus, le choix de l'itinéraire est effectué dans l'algorithme standard en déterminant le graphique de poids avec la valeur totale minimale.

En règle générale, les nœuds de capteurs sont équipés du même type d'appareils avec un certain ensemble de fonctions. Après l'installation, pendant le fonctionnement, les nœuds de capteurs doivent s'organiser en un réseau de communication, où chaque nœud n'utilise que les fonctions nécessaires pour résoudre la tâche. Le routage s'effectue également automatiquement. En plus du routage principal, une reconstruction régulière du réseau est également nécessaire, car les appareils peuvent perdre un canal de communication ou tomber en panne pour des raisons liées à des facteurs internes.

Le travail de chaque nœud de capteur vise à mesurer divers paramètres environnementaux, tels que la température, la pression, la lumière, l'humidité, la fumée, le niveau de vibration, etc. Cette variété de paramètres implique diverses applications, telles que la collecte de données et la surveillance de l'environnement, la surveillance de divers installations de production, situées à la fois dans un bâtiment séparé et sur une grande surface, installations de l'industrie pétrolière et gazière, installations de transport, applications militaires, etc. Les réseaux de capteurs effectuent diverses tâches qui peuvent être grossièrement divisées en deux catégories. La première catégorie de tâches est associée à la détection d'événements qui se produisent très rarement, mais nécessitent une notification immédiate et/ou une localisation. La deuxième catégorie (surveillance) comprend les tâches de mesure continue d'une certaine quantité sur une longue période de temps. Ici, le temps de retard peut être égal au temps caractéristique de changement du paramètre mesuré. La surveillance peut être effectuée point par point sur n'importe quelle zone, avec une mesure ponctuelle, la majeure partie des nœuds joue le rôle d'émetteurs et seule une petite partie des nœuds surveille directement.

Un algorithme de routage avec équilibrage du trafic dans un réseau de capteurs distribué est proposé. Pour ce faire, un réseau de capteurs distribués peut être représenté sous la forme d'un graphe G(N,M) avec N nœuds et M arêtes, qui représente l'ensemble des nœuds existants et les connexions possibles entre eux, comme le montre la Fig.3. Chaque i-ième nœud dispose initialement d'une réserve d'énergie E i . Chaque arête ij a un poids/prix e ij , qui correspond à l'énergie pour transférer un paquet de données du nœud i vers j. On pense qu'il existe K routes, et les informations sont générées à un débit de Qc et transmises sur un canal de communication C à un débit de qc.

La durée de vie T i de chaque nœud sera égale dans un tel système

Selon l'algorithme utilisé, la table de routage est déterminée par le coordinateur à chaque nœud. Un vecteur de transmission de message est construit. Ensuite, une analyse des options de route possibles est effectuée en fonction des vecteurs totaux les plus optimaux, qui sont calculés à partir de la table de routage. Ainsi, l'objectif est d'économiser l'énergie totale dépensée dans l'ensemble du réseau pour la transmission d'un paquet. Ceci est efficace pour les réseaux de données où la durée de vie du réseau est déterminée par le temps pendant lequel le réseau est capable de transmettre des messages.

Dans les réseaux où chaque nœud remplit simultanément deux fonctions : mesurer une certaine valeur et transmettre des messages, c'est-à-dire que le réseau de capteurs remplit la fonction de surveillance grandeurs physiques dans une zone donnée, la valeur de chaque nœud est importante pour la complétude de l'image.

Alors la durée de vie du système entier T sys est définie comme :

La tâche de maximisation de la durée de vie ressemblera à : maximiser T sys , et pour atteindre la durée de vie maximale de l'ensemble du système, il est nécessaire de répartir les routes pour les informations transmises. L'essence de la méthode de routage proposée avec équilibrage de trafic dans RCC est que le choix de la route de trafic dans le réseau est basé sur l'utilisation des transmissions les moins coûteuses à chaque nœud pouvant être impliqué dans la transmission de données. En d'autres termes, les sauts les plus coûteux (une section de transit ou une transition dans le réseau entre deux nœuds de réseau par lesquels le trafic est transmis) sont exclus des options possibles pour l'itinéraire du paquet de données, économisant ainsi de l'énergie à chaque nœud. et réduire la probabilité de défaillance du nœud, ce qui élimine l'effondrement de l'ensemble du réseau de mesure dû au fait qu'un nœud a déjà cessé d'effectuer des mesures réelles.

Le choix de l'option d'itinéraire (illustré à la Fig.4) lors de la génération et de la mise à jour de la table de routage est effectué conformément à des combinaisons de critères tels que : la longueur de l'itinéraire, mesurée par le nombre de routeurs par lesquels vous devez vous rendre à la destination ; débit du canal de communication ; temps de transit total prévu ; coût du canal de communication ; la quantité d'énergie résiduelle au nœud.

Après avoir construit la table de routage, l'algorithme implémente la fonction de transmission des paquets le long de chemins optimaux en envoyant un paquet via un routeur, chaque hôte du réseau local place l'adresse du prochain destinataire dans l'en-tête du paquet au niveau MAC. Ainsi, dans l'exemple ci-dessus de la figure 3, sur la base des coûts totaux minimaux (poids/prix) aux nœuds (figure 4), l'itinéraire 1 sera sélectionné, avec la somme des coûts poids/prix - 9, comme valeur minimale . Ainsi, le passage du trafic par les nœuds de la route 1 conduira le plus rapidement possible à une déplétion énergétique complète du nœud 4, ce qui désactivera ces nœuds et exclura la possibilité de collecter des paramètres aux points de recherche nécessaires.

Cependant, lors de l'utilisation de l'algorithme d'équilibrage de trafic distribué proposé basé sur des coefficients de pondération, la route 2 sera sélectionnée, ce qui permettra au réseau de capteurs d'exister un ordre de grandeur plus longtemps. Ceci est possible du fait que la charge sur tous les nœuds, dans le cas de l'algorithme proposé, est répartie plus systématiquement sur tous les nœuds du réseau.

L'invention proposée peut être mise en oeuvre à l'aide de divers processeurs fonctionnels et/ou matériels, logiciels,. but spécial et/ou leurs combinaisons. De préférence, l'invention est mise en œuvre sous la forme d'une combinaison de matériel et de logiciel. Le logiciel est de préférence implémenté sous la forme d'un programme d'application implémenté de manière tangible sur un stockage/lecteur de programme. Un programme d'application peut être téléchargé ou exécuté par un ordinateur contenant n'importe quelle architecture et est implémenté sur une plate-forme informatique comportant du matériel : un ou plusieurs processeurs centraux, une mémoire vive et des interfaces d'entrée-sortie. Ce qui précède diverses possibilités mise en œuvre de l'invention sont présentés pour la compréhension et à titre d'exemple uniquement, et ne doivent pas être limités à ces exemples.

RÉCLAMER

1. Procédé d'équilibrage de trafic distribué basé sur un algorithme de routage d'un nœud source vers un nœud destination dans un réseau de capteurs distribué,

dans ce cas, le réseau de capteurs distribués est représenté par un graphe G (N, M), qui caractérise l'ensemble des nœuds mentionnés et les connexions entre eux, où N sont les nœuds du réseau, et M sont les arêtes, là sont K routes, et les informations sont générées à un débit Q c et transmises sur le canal de communication С avec une vitesse q c , de plus, le i-ème nœud a une réserve d'énergie E i , et chaque face ij a un poids/prix e ij , qui correspond à l'énergie pour transmettre un paquet de données du nœud i vers j,

Dans ce cas, la durée de vie T i de chaque nœud est définie comme

la table de routage est déterminée sur chaque noeud et le vecteur de transmission du message est fixé,

une analyse des options de route possibles est effectuée en fonction des vecteurs totaux les plus optimaux, qui sont calculés à partir de la table de routage, pour cela la durée de vie de l'ensemble du réseau T sys est déterminée

dans ce cas, la maximisation de la durée de vie est définie comme maximiser T sys , et pour atteindre la durée de vie maximale de l'ensemble du réseau, les routes pour les informations transmises sont distribuées, tandis que le choix de la route de trafic dans le réseau est basé sur l'utilisation des transmissions les moins chères à chaque nœud, et les plus chères sont exclues lors de la construction de la route.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un nœud source contient un capteur auto-alimenté qui mesure et surveille des paramètres physiques dans une zone donnée et transmet des paquets de données avec des paramètres physiques mesurés à au moins, un nœud destinataire.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les capteurs utilisés sont des capteurs de mesure de paramètres physiques de surveillance de l'environnement basés sur la surveillance des paramètres suivants : température, pression, humidité, éclairement, fumée, niveau vibratoire.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins un noeud source effectue le traitement primaire de paramètres physiques issus desdits capteurs, par exemple, accumulation, moyennage, conversion analogique-numérique.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la communication entre nœuds du réseau de capteurs s'effectue à l'aide du protocole Zigbee, soit dans une bande de fréquence radio sans licence, soit via un réseau radio numérique mobile, soit via tout autre protocole de communication sans fil.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le canal de communication entre le nœud source et le nœud destination contient un routeur qui interagit avec ces nœuds.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le choix de la route lors de la génération et/ou de la mise à jour de la table de routage se fait en fonction de combinaisons de critères tels que la longueur de la route, mesurée par le nombre de routeurs traversés il faut transmettre au nœud destinataire, la bande passante du canal de communication, le temps de transmission total prévu, la quantité d'énergie résiduelle au nœud, le coût du canal de communication.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après construction de la table de routage, la fonction de transmission des paquets selon des routes optimales est mise en œuvre lors de l'envoi d'un paquet, où chaque nœud du réseau place l'adresse du nœud suivant dans l'en-tête du paquet au niveau de contrôle d'accès moyen (niveau MAC) .

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 6, 7, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre l'étape de mise à jour des valeurs de la durée de vie T i de chaque nœud ou de la durée de vie de l'ensemble du système T sys conformément avec ladite combinaison de critères, effectuée lors de l'envoi d'un message d'un nœud source vers un nœud destination, ou lorsqu'une rupture de connexion est détectée entre nœuds.

10. Système distribué d'équilibrage de trafic dans un réseau de capteurs sans fil pour la surveillance de paramètres physiques selon le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, contenant une pluralité de nœuds sources connectés entre eux, et un nœud destination connecté à au moins un nœud source. nœud, qui est un module de capteur, où se trouvent un émetteur-récepteur, un capteur de paramètres physiques, un microcontrôleur pour le traitement et le contrôle et une source d'alimentation autonome, les modules de capteur sont divisés en groupes et chaque groupe est connecté au nœud de destination via son émetteur-récepteur, tandis que le noeud destinataire contient un émetteur-récepteur, des moyens d'accumulation des informations reçues et des moyens de traitement et d'affichage des informations reçues des modules capteurs pour construire un modèle de l'objet ou de l'espace étudié.

11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que la surveillance est effectuée ponctuellement dans une zone donnée, où au moins un sous-ensemble dudit ensemble de nœuds sources assure des fonctions de surveillance à travers ses capteurs de paramètres physiques, et un autre sous-ensemble de sources Les nœuds exécutent par l'intermédiaire de leurs émetteurs-récepteurs uniquement les fonctions de réception et de transmission de paquets de données avec des paramètres physiques mesurés reçus du sous-ensemble mentionné de nœuds sources.

Réseaux de capteurs distribués

Que sont les réseaux de capteurs sans fil ?

Capteurs et dispositif de réception

Les réseaux de capteurs sans fil sont construits à partir de nœuds appelés Moty (grain) - petits appareils autonomes alimentés par des piles et des micropuces avec communication radio à une fréquence - par exemple 2,4 GHz. Spécial Logiciel permet aux motes de s'organiser en réseaux distribués, de communiquer entre eux, d'interroger et d'échanger des données avec les nœuds les plus proches, dont la distance ne dépasse généralement pas 100 mètres.

Dans la littérature anglaise, un tel réseau est appelé réseau de capteurs sans fil(WSN) est un réseau sans fil composé d'appareils autonomes répartis géographiquement qui utilisent des capteurs pour surveiller conjointement les conditions physiques ou environnementales dans différentes zones.

Ils peuvent mesurer des paramètres tels que la température, le son, les vibrations, la pression, le mouvement des objets ou de l'air. Le développement des réseaux de capteurs sans fil a été initialement motivé par des tâches militaires telles que la surveillance des champs de bataille. Actuellement, les réseaux de capteurs sans fil sont de plus en plus utilisés dans de nombreux domaines de la vie civile, notamment la surveillance industrielle et environnementale, les soins de santé et le contrôle des mouvements d'objets. Le périmètre s'élargit.

Principes de base du travail

Schéma de réseau à 3 niveaux. 1er niveau de capteurs et passerelle. 2ème niveau de serveur. Client léger de niveau 3

Chaque nœud du réseau : motéquipé d'un émetteur-récepteur radio ou d'un autre dispositif de communication sans fil, d'un petit microcontrôleur et d'une source d'alimentation, généralement une batterie. Peut être utilisé avec des panneaux solaires ou d'autres sources d'énergie alternatives

Les données des éléments distants sont transmises sur le réseau entre les plus proches de nœud en nœud, via un canal radio. En conséquence, un paquet de données est transmis du mote le plus proche à la passerelle. La passerelle est connectée, en règle générale, avec un câble USB au serveur. Sur le serveur - les données collectées sont traitées, stockées et accessibles via le shell WEB à un large éventail d'utilisateurs.

Le coût d'un nœud de capteurs varie de centaines de dollars à quelques centimes, selon la taille du réseau de capteurs et sa complexité.

Matériel et normes

Passerelle (2 pièces), connectée à un ordinateur portable avec un câble USB. L'ordinateur portable est connecté à Internet via UTP et agit comme un serveur

Appareils de détection avec antenne radio

Le matériel du nœud sans fil et les protocoles d'interaction réseau entre les nœuds sont optimisés pour la consommation d'énergie afin d'assurer une longue durée de vie du système avec des alimentations autonomes. Selon le mode de fonctionnement, la durée de vie d'un nœud peut atteindre plusieurs années.

Un certain nombre de normes sont actuellement ratifiées ou en cours de développement pour les réseaux de capteurs sans fil. ZigBee est une norme pour des choses comme le contrôle industriel, la détection intégrée, la collecte de données médicales, l'automatisation des bâtiments. Le développement de Zigbee est facilité par un large consortium d'entreprises industrielles.

WirelessHART est une extension du protocole HART pour l'automatisation industrielle. WirelessHART a été ajouté au protocole HART générique dans le cadre de la spécification HART 7, qui a été approuvée par la HART Communications Foundation en juin 2007.
6lowpan est la norme déclarée pour la couche réseau, mais elle n'a pas encore été adoptée.
ISA100 est un autre travail dans une tentative d'entrer dans la technologie WSN, mais est construit plus largement pour inclure retour d'information contrôle dans leur domaine. La mise en œuvre de l'ISA100 basée sur les normes ANSI devrait être achevée d'ici la fin de l'année 2008.

WirelessHART, ISA100, ZigBee, et ils sont tous basés sur la même norme : IEEE 802.15.4 - 2005.

Logiciel de réseau de capteurs sans fil

Système opérateur

Les systèmes d'exploitation pour les réseaux de capteurs sans fil sont moins complexes que les systèmes d'exploitation à usage général en raison des ressources limitées dans le matériel du réseau de capteurs. À cause de ce, système opérateur pas besoin d'inclure la prise en charge des interfaces utilisateur.

Le matériel de réseau de capteurs sans fil n'est pas différent des systèmes embarqués traditionnels et, par conséquent, un système d'exploitation intégré peut être utilisé pour les réseaux de capteurs

Applications de visualisation

Logiciel de visualisation et de rapport des résultats de mesure MoteView v1.1

Les données des réseaux de capteurs sans fil sont généralement stockées sous forme de données numériques dans une station de base centrale. Il existe de nombreux programmes standard tels que TosGUI MonSense, GNS qui facilitent la visualisation de ces grandes quantités de données. En outre, l'Open Consortium (OGC) spécifie des normes d'interopérabilité et d'interopérabilité des métadonnées d'encodage, qui permettront la surveillance ou le contrôle en temps réel d'un réseau de capteurs sans fil par n'importe qui via un navigateur Web.

Pour travailler avec des données provenant de nœuds du réseau de capteurs sans fil, des programmes sont utilisés qui facilitent la visualisation et l'évaluation des données. Un de ces programmes est MoteView. Ce programme vous permet de visualiser les données en temps réel et de les analyser, de construire toutes sortes de graphiques, de publier des rapports dans différentes sections.

Avantages de l'utilisation

Pas besoin de poser des câbles pour l'alimentation et la transmission de données ;
Faible coût des composants, de l'installation, de la mise en service et Entretien systèmes ;
Déploiement réseau rapide et facile ;
Fiabilité et tolérance aux pannes de l'ensemble du système dans son ensemble en cas de défaillance de nœuds ou de composants individuels ;
La possibilité de mettre en œuvre et de modifier le réseau sur n'importe quel objet sans interférer avec le processus de fonctionnement des objets eux-mêmes
Possibilité d'installation rapide et, si nécessaire, dissimulée de l'ensemble du système dans son ensemble.

Chaque capteur a à peu près la taille d'un bouchon de bière (mais pourrait être réduit des centaines de fois à l'avenir) et contient un processeur, une mémoire et un émetteur radio. De telles couvertures peuvent être dispersées sur n'importe quel territoire, et elles-mêmes établiront une connexion les unes avec les autres, formeront un seul réseau sans fil et commencer à transmettre des données à l'ordinateur le plus proche.

Combinés dans un réseau sans fil, les capteurs peuvent suivre les paramètres environnementaux : mouvement, lumière, température, pression, humidité, etc. La surveillance peut être effectuée sur une très grande surface, car les capteurs transmettent les informations tout au long de la chaîne de voisin à voisin. La technologie leur permet de fonctionner pendant des années (voire des décennies) sans changer de piles. Les réseaux de capteurs sont les organes sensoriels universels d'un ordinateur, et tous les objets physiques du monde équipés de capteurs peuvent être reconnus par un ordinateur. À l'avenir, chacun des milliards de capteurs recevra une adresse IP, et ils pourraient même former quelque chose comme un réseau mondial de capteurs. Jusqu'à présent, seuls les militaires et l'industrie se sont intéressés aux capacités des réseaux de capteurs. Selon le dernier rapport d'ON World, spécialiste des études de marché sur les réseaux de capteurs, le marché connaît cette année une reprise significative. Un autre événement notable cette année a été la sortie du premier système ZigBee monopuce au monde (fabriqué par Ember). Parmi les grandes entreprises industrielles américaines interrogées par ON World, environ 29 % utilisent déjà des réseaux de capteurs et 40 % prévoient de les déployer d'ici 18 mois. En Amérique, plus d'une centaine d'entreprises commerciales sont apparues qui se consacrent à la création et à la maintenance de réseaux de capteurs.

D'ici la fin de cette année, le nombre de capteurs sur la planète dépassera le million 1. Désormais, non seulement le nombre de réseaux augmente, mais aussi leur taille. Pour la première fois, plusieurs réseaux de plus de 1 000 nœuds ont été créés et exploités avec succès, dont un de 25 000 nœuds.

Source : Web PLANÈTE

Champ d'application

Les applications du WSN sont nombreuses et variées. Ils sont utilisés dans les systèmes commerciaux et industriels pour surveiller les données difficiles ou coûteuses à contrôler à l'aide de capteurs filaires. Les WSN peuvent être utilisés dans des zones difficiles d'accès, où ils peuvent rester de nombreuses années (surveillance environnementale) sans qu'il soit nécessaire de changer d'alimentation. Ils peuvent contrôler les actions des contrevenants d'une installation protégée

WSN est également utilisé pour la surveillance, le suivi et le contrôle. Voici quelques applications :

Surveillance de la fumée et détection des incendies de grandes forêts et tourbières
Une source d'information supplémentaire pour les centres de crise de l'administration des sujets de la Fédération de la Fédération de Russie
Détection sismique de tension potentielle
Observations militaires
Détection acoustique de mouvement d'objets dans les systèmes de sécurité.
Surveillance écologique de l'espace et de l'environnement
Surveillance des processus industriels, utilisation dans les systèmes MES
Surveillance médicale

Automatisation du bâtiment :

	surveillance de la température, du débit d'air, de la présence de personnes et contrôle des équipements pour maintenir le microclimat ;
	contrôle d'éclairage;
	gestion de l'énergie;
	collecte des relevés des compteurs d'appartements pour le gaz, l'eau, l'électricité, etc. ;
	sécurité et alarme incendie;
	surveillance de l'état des structures porteuses des bâtiments et des structures.

L'automatisation industrielle:

	télécommande et diagnostic d'équipements industriels;
	maintenance des équipements en fonction de l'état actuel (prévision de la marge de sécurité) ;
	surveillance des processus de production;