O metodă pentru echilibrarea traficului distribuit într-o rețea de senzori fără fir. Rețele de senzori distribuite

480 de ruble. | 150 UAH | 7,5 USD ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Disertație - 480 RUR, livrare 10 minute, non-stop, șapte zile pe săptămână și sărbători

Efremov Serghei Gennadievici. Modelarea duratei de viață a rețelelor de senzori reconfigurabile dinamic cu scurgere mobilă: disertație... Candidat la științe tehnice: 05.13.18 / Efremov Sergey Gennadievich [Locul de apărare: Universitatea Națională de Cercetare "; facultate Economie" - Instituția de Învățământ Autonomă de Stat Federal de Învățământ Profesional Superior]. - Moscova, 2013. - 143 p.

Introducere

Capitolul 1. Problema creșterii duratei de viață a rețelelor de senzori wireless 11

1.1. Conceptul de rețea de senzori fără fir 11

1.2. Conceptul de viață al rețelei 20

1.3. Metode de creștere a duratei de viață a WSN-urilor 23

1.4. WSN-uri reconfigurabile cu chiuvetă mobilă 27

1.5. Concluzii la capitolul 1 35

Capitolul 2. Model matematic al WSN-urilor reconfigurabile . 37

2.1. Introducere 37

2.2. Model de rețea de senzori reconfigurabili 37

2.3. Calculul consumului de energie și al duratei de viață a nodurilor WSN. 41

2.4. Indicatori de viață a rețelei 54

2.5. Estimarea duratei de viață a rețelelor reconfigurabile dinamic 59

2.6. Concluzii la capitolul 2 63

Capitolul 3. Metodă de reconfigurare dinamică a unei rețele de senzori cu o chiuvetă mobilă 65

3.1. Introducere 65

3.2. Problema generală a planificării mișcării scurgerii 66

3.3. Metoda de rezolvare a problemei de planificare a mișcării scurgerii 72

3.4. Algoritmi euristici pentru controlul dinamic al mișcării fluxului 77

3.5. Concluzii la capitolul 3 81

Capitolul 4. Simulare WSN cu chiuvetă mobilă 83

4.1. Introducere 83

4.2. Studiul posibilității de a efectua un experiment la scară largă 83

4.3. Simulare 92

4.4. Concluzii la capitolul 4 113

Concluzia 114

Literatura 116

Introducere în lucrare

Relevanța lucrării

Progresele recente ale tehnologiei au făcut posibilă crearea unor computere ieftine, miniaturale, cu un consum extrem de scăzut de energie, care pot fi conectate în rețea și pot comunica între ele prin canale de comunicație fără fir. Rețelele unor astfel de dispozitive sunt numite rețele de senzori fără fir (WSN), care, în special, subliniază scopul lor principal - colectarea datelor de la senzori pentru acumularea ulterioară, analiza și emiterea comenzilor de control.

Tendințele actuale în domeniul WSN-urilor sunt crearea de noi platforme hardware, dezvoltarea stivelor de protocoale de rețea și a sistemelor de operare specializate, dezvoltarea algoritmilor de acces mediu și rutare pentru topologii complexe de rețea care vizează creșterea eficienței energetice a WSN-urilor, ceea ce permite creșterea toata viata ( durata de viață a bateriei) BSS.

Cercetarea desfășurată în teză se află la intersecția a două direcții prioritare în dezvoltarea științei, tehnologiei și ingineriei în Federația Rusă: „Sisteme de informare și telecomunicații” și „Eficiență energetică, economie de energie, energie nucleară”. Companiile de vârf sunt implicate activ în creșterea eficienței rețelelor de senzori organizații rusești, inclusiv Institutul de Inginerie Radio și Electronică care poartă numele. V.A. Kotelnikov RAS, Institutul de Mecanică de Precizie și tehnologie informatică ei. S.A. Lebedev RAS, Universitatea de Stat Nizhny Novgorod, Institutul de Aviație din Moscova, precum și cele internaționale - Universitatea din California din Berkeley, Massachusetts Universitatea de Tehnologie(SUA) și multe altele.

Una dintre problemele care împiedică îmbunătățirea eficienței energetice

WSN este problema consumului inegal de energie de către nodurile rețelei, care constă în faptul că rețeaua devine inoperabilă în momentul în care mai multe noduri rămân fără energie, în timp ce majoritatea celorlalte au o aprovizionare semnificativă cu energie.

Există o serie de metode care vizează rezolvarea acestei probleme. Acestea includ selecția individuală a capacității bateriei, densitatea nodurilor, puterea transmițătorului, utilizarea protocoalelor de rutare eficiente din punct de vedere energetic și poziționarea nodurilor de rețea. Relativ recent a fost propus noua clasa metode promițătoare care utilizează mobilitatea nodurilor rețelei ca resursă pentru echilibrarea energiei, prevăzând schimbări dinamice în configurația (topologia) rețelei.

Un obstacol serios în calea cercetărilor ulterioare este lipsa modelelor matematice ale unei rețele de senzori reconfigurabile dinamic. În acest sens, sarcina cercetării și dezvoltării unui model cuprinzător care să permită, în primul rând, estimarea duratei de viață a rețelelor autonome, ale căror configurații se modifică în timp, și în al doilea rând, optimizarea funcționării acestora după criteriul maximizării duratei de viață, este relevante.

Obiectul cercetării îl reprezintă modelele și metodele de reconfigurare dinamică a rețelelor de senzori.

Subiectul studiului îl reprezintă utilizarea modelelor și metodelor de reconfigurare dinamică a rețelelor de senzori cu un receptor mobil pentru evaluarea și creșterea duratei de viață a acestora.

Scopul lucrării de disertație este de a dezvolta un model matematic și o metodă pentru reconfigurarea dinamică a unei rețele de senzori fără fir pentru a crește durata de viață a acesteia.

Pentru a atinge acest obiectiv, au fost rezolvate următoarele sarcini:

Se efectuează o revizuire și o analiză a abordărilor pentru definirea conceptului de durată de viață a rețelei de senzori și este dată o nouă definiție.

A fost dezvoltat un model matematic al unei rețele de senzori reconfigurabile dinamic cu o chiuvetă mobilă.

A fost dezvoltată o metodă numerică pentru rezolvarea problemei de planificare a mișcării scurgerii.

Au fost studiați și dezvoltați algoritmi euristici pentru controlul dinamic al fluxului mobil în cazul schimbării condițiilor de funcționare a rețelei.

A fost dezvoltat un set de programe de simulare pentru a obține dependențe ale duratei de viață de parametrii de funcționare a rețelei.

Metode de cercetare. Lucrarea de disertație utilizează metode de teorie a mulțimilor, teoria grafurilor, programare liniară liniară și întreagă și metode de simulare.

Noutatea științifică a lucrării este următoarea:

1. Este dată o nouă definiție a duratei de viață a unei rețele de senzori, care face posibilă înregistrarea momentului eșecului acesteia, ținând cont de posibila autovindecare.

   A fost dezvoltat un model de rețea de senzori care permite estimarea duratei sale de viață în timpul reconfigurărilor dinamice.

   A fost dezvoltată o metodă de reconfigurare dinamică a unei rețele de senzori, care permite optimizarea mișcării fluxului după criteriul maximizării duratei de viață a acesteia.

   4. A fost dezvoltat un algoritm pentru a controla mișcarea unei chiuvete mobile într-o rețea de senzori, ținând cont de posibilele modificări ale condițiilor de funcționare a acesteia.

   Semnificație practică. A fost creat un set de programe de calculator pentru a simula funcționarea unei rețele de senzori wireless reconfigurabile dinamic, precum și pentru a simula algoritmi de planificare a mișcării unui canal mobil.

   A fost creat un prototip de dimensiuni mici al unui dispozitiv de rețea cu senzori fără fir pe baza unui transceiver al standardului IEEE 802.15.4, care implementează algoritmii necesari pentru a sprijini mobilitatea drenajului, inclusiv poziționarea acestuia în spațiu.

   Fiabilitatea și validitatea rezultatelor obținute este confirmată de conformitatea acestora cu datele teoretice și practice cunoscute publicate în literatura de specialitate, precum și de rezultatele pozitive ale implementării lor într-o serie de proiecte practice.

   Principalele dispoziții depuse pentru apărare:

   1. 1. Determinarea duratei de viață a unei rețele de senzori cu auto-vindecare.

         Un model al unei rețele de senzori care permite estimarea duratei sale de viață în timpul reconfigurărilor dinamice.

         O metodă de reconfigurare dinamică a unei rețele de senzori, care permite optimizarea mișcării fluxului în funcție de criteriul maximizării duratei de viață a acesteia.

         Un algoritm pentru controlul mișcării unui dren mobil într-o rețea de senzori, ținând cont de posibilele modificări ale condițiilor de funcționare a acestuia.

         Aprobarea lucrării. Principalele rezultate ale lucrării de disertație au fost raportate și discutate în cadrul conferințelor științifice și tehnice ale studenților, absolvenților și tinerilor specialiști ai MIEM NRU HSE (2008 - 2013), seminarul științific și practic HSE „Analiză de sistem, management și sisteme informatice„(19.03.2013), XVI și XVII Conferință-școală-seminar internațională studențească „Noile tehnologii informaționale” (2008-2009), la seminariile internaționale de cercetare la Universitatea din Sheffield și la Universitatea din Birmingham (Marea Britanie, 2011). Rezultatele muncii incluse în rapoartele științifice și tehnice de cercetare și dezvoltare „Dezvoltare de software în scopul implementării tehnologia de informație către industrie” (număr înregistrare de stat R&D 01201056220), „Dezvoltarea unui sistem activ de colectare a datelor wireless în intralogistică” (număr de înregistrare de stat R&D 01200961253).

         Rezultatele lucrării au fost aplicate în proiectarea unei rețele reconfigurabile dinamic în cadrul unui proiect comun de cercetare ruso-german.

         Obținut brevet de model de utilitate nr. 87259 din 11 iunie 2009, brevet de model de utilitate nr. 98623 din data de 30 iunie 2010, brevet de model de utilitate nr. 121947 din 10 noiembrie 2012, brevet de invenție nr. 2429549 din 2 iunie 30.

         Structura și scopul disertației Lucrarea constă dintr-o introducere, 4 capitole, o concluzie, o bibliografie care include 95 de titluri și 4 anexe. Volumul total al disertației, cu excepția anexelor, este de 128 de pagini.

         Metode de creștere a duratei de viață a WSN-urilor

         Să trecem la o descriere a posibilelor metode de creștere a timpului de funcționare autonomă a unui WSN. Cele mai simple includ îmbunătățirea caracteristicilor hardware ale dispozitivelor: reducerea consumului de energie al componentelor individuale, optimizarea plasării acestora pe un cip sau placa de circuit imprimat sau creșterea capacității bateriei. Studiul acestor posibilități se referă la domenii conexe (electronică, radiofizică, chimie, proiectare de circuite etc.) și nu vor fi abordate în această disertație.

         Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că metoda are atât limitări fizice (transmiterea datelor pe un canal radio pe o anumită distanță, cât și prelucrarea datelor de către un microprocesor, necesită anumite costuri energetice), cât și limitări de cost (utilizarea unor componente mai eficiente din punct de vedere energetic). conduce la costuri mai mari ale sistemelor). În plus, utilizarea bateriilor de mare capacitate duce inevitabil la o creștere a dimensiunii dispozitivelor, în timp ce însuși conceptul de rețele de senzori presupune miniaturizarea acestora.

         Din punctul de vedere al algoritmilor software pentru prelucrarea datelor la nodurile sistemului, sunt posibile următoarele opțiuni:

         Comprimarea datelor. Această metodă are limitele sale, în plus, în rețelele de senzori datele în sine sunt de obicei mici ca volum, așa că comprimarea lor nu are prea mult efect.

         Acumularea datelor și transmiterea lor ulterioară în blocuri mari. Metoda se bazează pe faptul că, în standardele wireless moderne, orice transmisie a unui pachet digital este asociată cu costuri generale suplimentare (vezi și secțiunile 1.1.2, 2.3.3). Prin urmare, este mai profitabil să transmiteți date în blocuri mari într-un singur pachet. Cercetările recente în domeniul convertoarelor miniaturizate de energie alternativă (MEH, Micro-Energy Harveters) au deschis o serie de oportunități pentru crearea de noduri de rețea de senzori complet autonome, menținând în același timp dimensiunea redusă. Sunt o serie de cunoscute soluții gata făcute pentru conectarea nodurilor senzorilor la miniatură panouri solare, convertoare de energie vibrațională și generatoare termice bazate pe elementul Peletier.

         Cu toate acestea, până în prezent, niciuna dintre soluțiile pentru colectarea și transformarea energiei alternative nu și-a găsit încă aplicație în masă rețele reale colectarea datelor constând din sute de noduri, în primul rând din cauza costului ridicat, care include costul întreținerii regulate. Dar, în viitor, această abordare poate deveni una dintre cele mai importante și poate rezolva în cele din urmă problema duratei de viață limitate a WSN-urilor.

         După cum sa menționat mai sus, rețelele de senzori sunt concepute în primul rând pentru colectarea datelor. Aceasta înseamnă că există unul sau mai multe noduri dedicate către care circulă informații din întreaga rețea. Aceste noduri (chiuvete), de regulă, au o sursă de energie constantă, interfețe pentru conectarea la rețele locale, globale sau dispozitive de calcul mai puternice. Astfel, într-o rețea de senzori există o direcție preferențială a traficului util, rezultând un volum de trafic mai mare de ordin de mărime care trece prin nodurile de rutare situate în apropierea chiuvetelor.

         Progresele tehnologice moderne au făcut posibilă producerea de microprocesoare cu un consum foarte scăzut de energie, capabile să îndeplinească o gamă largă de sarcini. Cu toate acestea, pentru a transmite date printr-un canal de comunicație fără fir, este necesar să cheltuiți o cantitate de energie mai mare (a se vedea Tabelul 1.1).

         Din tabel este evident că cu cât trec mai multe date printr-un nod de rețea fără fir, cu atât este mai mare consumul de energie. În consecință, în rețea apare problema dezechilibrului consumului de energie (Fig. 1.3), ceea ce duce la faptul că elementele autonome situate lângă nodul(ele) central(e) de colectare a datelor defectează mai devreme decât altele din cauza descarcării propriilor baterii. și, ca rezultat, durata de viață a bateriei rețelei de senzori scade.

         Pentru a egaliza consumul de energie al tuturor nodurilor de rețea, sunt utilizate diferite metode de echilibrare a energiei. Să dăm scurtă descriere metode de bază.

         Construirea unei rețele eterogene presupune utilizarea unui număr de posibilități:

         1. Selectarea individuală a capacității bateriei în funcție de poziția dispozitivelor în structura rețelei și de funcțiile pe care le îndeplinesc. În acest caz, dispozitivele repetoare de cheie pot fi echipate cu baterii de mare capacitate. Această abordare este una dintre cele mai simple, dar în același timp duce la o scalabilitate scăzută a rețelei și o slabă adaptare a acesteia la condițiile de operare în schimbare. De asemenea, nevoia de a dezvolta diferite soluții de proiectare pentru diferite elemente duce la creșterea costului sistemelor finale.

         2. Densitatea diferită a nodurilor de rețea în funcție de intensitatea așteptată a traficului într-o anumită zonă. Această soluție are ca scop asigurarea redundanței în structura rețelei și duplicarea funcțiilor nodurilor individuale. Deci, dacă următorul router eșuează, funcțiile acestuia vor fi transferate unui element vecin, care nu a fost folosit în niciun fel până în acel moment.

         Metodele software includ utilizarea protocoalelor de rutare bazate pe metrica energiei reziduale a nodurilor sau a coordonatelor virtuale, alternarea transmisiei pe distanță lungă și pe distanță scurtă, poziționarea nodurilor și gruparea.

         Este cunoscut faptul că protocoalele de rutare ale rețelelor tradiționale folosesc metrici care vizează creșterea debitului rețelei sau reducerea întârzierilor în datele transmise. Valori similare pot fi numărul de noduri intermediare (hopuri) către destinație, debitului canal de comunicare, nivel de încărcare a liniei. În rețelele de senzori, este adesea folosită o metrică a energiei reziduale a nodurilor de pe calea către chiuvetă. În acest caz, dintr-o varietate de rute alternative, este selectată cea pe care nodurile au fie energie reziduală mai mare.

         O metodă de echilibrare promițătoare este utilizarea mobilității componentelor individuale ale rețelei. O serie de studii au arătat că mobilitatea poate oferi cel mai mare beneficiu în ceea ce privește creșterea duratei de viață a bateriei de rețea. Prin urmare, această abordare va fi studiată în detaliu în lucrarea de disertație.

         Calculul consumului de energie și al duratei de viață a nodurilor WSN

         În general, este clar că un nod de rețea de colectare a datelor fără fir poate fi considerat funcțional atâta timp cât poate citi cu precizie citirile de la senzori, poate efectua calculele necesare și poate transmite date în rețea. Când proiectați și instalați o rețea, este important să estimați în avans timpul aproximativ de funcționare al fiecărui nod înainte ca bateriile acestuia să fie înlocuite. Pentru a face acest lucru, este important să înțelegeți ce factori afectează durata de viață a bateriei.

         În special, este bine cunoscut faptul că consumul de energie elemente individuale rețeaua depinde de următorii factori care trebuie luați în considerare la modelarea unui WSN:

         Caracteristicile hardware (capacitatea bateriei, consumul de energie al microcontrolerului, transceiverului, senzorilor și altor componente electronice).

         Frecvența colectării și transmiterii datelor în funcție de aplicație. De exemplu, în sistemele larg răspândite de control al climei și monitorizarea mediului, este suficient să colectați informații la fiecare câteva secunde sau chiar zeci de secunde, deoarece parametri precum temperatura sau umiditatea se modifică fără probleme. Ca o consecință, majoritatea timp, senzorul poate fi în modul de repaus. În același timp, transmisia audio necesită o frecvență mare de colectare a datelor (8 kHz, 16 kHz, 32 kHz și mai mult), ceea ce elimină practic posibilitatea ca un element de rețea să se afle într-un mod de consum redus.

         Protocoale ale straturilor fizice și de legătură de date, definind, în primul rând, mecanisme de control al accesului la mediu. În modul de acces media asincron, cum ar fi CSMA/CA, repetoarele nu pot fi în modul de repaus, altfel dispozitivele finale nu își vor putea transmite datele. Modul sincron de acces la mediu se caracterizează prin faptul că toate elementele pot intra într-un mod de putere redusă de ceva timp, deoarece funcționarea întregii rețele este coordonată de cadre sincrone speciale (toate elementele de rețea cunosc timpul de transmisie al rețelei). următorul astfel de cadru). Cu toate acestea, acest mod este dificil de implementat în rețelele distribuite care folosesc zeci sau sute de routere. Cu toate acestea, au fost deja dezvoltați o serie de algoritmi și protocoale menite să reducă consumul de energie al dispozitivelor de rețea: Berkeley MAC (B-MAC), Sensor MAC (S-MAC), D-MAC, algoritm adaptiv pentru livrarea rapidă a mesajelor.

         Topologia rețelei, care determină cantitatea de informații care trece prin fiecare element (inclusiv transmisia de mesaje). Rețelele de senzori folosesc atât topologii simple (stea, inel, arbore), cât și structuri de plasă mai complexe.

         Protocolul de rutare utilizat care adaugă trafic de serviciu suplimentar în rețea. În domeniul rețelelor de senzori, cele mai utilizate protocoale sunt clasa AODV (ad-hoc on-demand distance vector), caracterizată prin aceea că informațiile de rutare nu sunt stocate în memoria elementelor pentru o perioadă lungă de timp și nu sunt actualizate în mod regulat. Dacă este necesară transmiterea unui mesaj, se face mai întâi o solicitare de rută. Abia după aceasta mesajul în sine este trimis. Au fost propuse metode de codificare a rețelei pentru a reduce cantitatea de trafic transmis printr-o rețea.

         Să formalizăm afirmațiile de mai sus sub forma unei metode de calcul a duratei de viață.

         În orice rețea de senzori există trei tipuri de noduri - dispozitive finale, routere (relee) și chiuvete. Drenajele nu prezintă interes din punct de vedere al duratei de viață a bateriei: după cum sa menționat deja, acestea sunt de obicei conectate la surse de alimentare care au o capacitate cu un ordin de mărime mai mare.

         Să luăm în considerare mai detaliat metodologia de calcul a duratei de viață a dispozitivelor terminale și a repetoarelor. Se bazează pe următoarele ipoteze:

         Algoritmul de operare al dispozitivului este strict determinist, pt factori externi, care sunt variabile aleatoare, așteptarea matematică este cunoscută.

         Nu există efect de recuperare a bateriei. Dacă este necesar, poate fi luată în considerare prin creșterea energiei inițiale a dispozitivului. Apoi, cunoscând energia inițială a bateriei 0 și puterea consumată de dispozitiv, puteți estima aproximativ durata de viață a acesteia folosind formula:

         Dispozitivul terminal este proiectat să citească citirile de la propriii senzori și să le transmită în rețea. Principala sa diferență față de un repetor este lipsa capacității de a transmite date end-to-end prin el însuși de la alte dispozitive. Când se utilizează un model de evenimente sau un model de transmisie programată (vezi secțiunea 1.1.3), acesta funcționează de obicei conform schemei ciclice prezentate în Fig. 2.2.

         Metodă de rezolvare a problemei de planificare a mișcării scurgerii

         Este evident că problema de programare liniară cu numere întregi parțiale este în general NP-hard soluția exactă nu poate fi obținută într-un timp acceptabil; valori mari chiar și pe cele mai puternice computere. Complexitatea se datorează prezenței variabilelor întregi și, în consecință, naturii combinatorii a tehnicilor generale de rezolvare a unor astfel de probleme.

         Necesitatea de a rezolva probleme la scară largă se datorează următorului factor practic. Rezultatele modelării prin simulare (vezi capitolul următor) indică faptul că mobilitatea gestionată este recomandabil să fie utilizată în rețele mari formate din câteva sute de noduri. Astfel de rețele acoperă suprafețe de câteva zeci de kilometri pătrați. Având în vedere necesitatea de a menține întârzierile de transmisie a datelor în anumite limite, numărul total de poziții colectoare trebuie să fie, de asemenea, mare.

         Metoda propusă mai jos are ca scop reducerea complexității de calcul a problemei menținând în același timp valoarea funcției obiectiv aproape de optim. Metoda ia în considerare următoarele caracteristici ale domeniului subiectului luat în considerare:

         1. Găsirea rutei optime nu este scopul problemei de optimizare, deoarece se crede că fluxul este nelimitat în resurse. Prin urmare, nu este necesar să găsiți o cale care să treacă prin fiecare vârf o dată.

         2. Costurile energetice pentru reconfigurarea rețelei, determinate de valorile lui ег-к, sunt neglijabile în comparație cu costurile de transmitere a datelor.

         Să împărțim problema (3.4) în două subsarcini. Prima subproblemă (LP) este similară cu problema de optimizare (3.1), adică implică un singur set de constrângeri fără a lua în considerare energia suplimentară j. Ca urmare a soluționării sale, se găsește un subset A doua subsarcină (RUTA) va rezolva problema construirii unui traseu folosind submulțimea găsită de poziții V și un set de restricții privind mișcarea canalului, specificate de matricea D. . Această problemă poate fi rezolvată de unul dintre algoritmii euristici, de exemplu, „Mergeți la cel mai apropiat vârf nevizitat”. Cu toate acestea, în cursul rezolvării, se poate constata că este fundamental imposibil să se construiască o astfel de rută. De exemplu, în Fig. Figura 3.3 prezintă un exemplu de soluție la problema LP, din care este imposibil să se construiască un traseu. Vârfurile din VS care sunt incluse în mulțimea Y ​​obținută ca urmare a rezolvării problemei LP sunt indicate cu gri.

         Soluția problemei va fi tk = min n ni. Evident, traseul curgerii va include doar punctul k, adică va rezulta un scenariu de curgere staționară.

         Teorema 3.3.2. Fie VQ setul de vârfuri cărora le este interzisă vizitarea la pasul i al algoritmului. Apoi procesul iterativ se efectuează în maximum m pași (unde m este numărul de vârfuri din graficul pozițiilor sink Gs), dacă VQ C VQ + .

         Demonstrație Conform algoritmului, V0l = 0. Pe baza condițiilor teoremei, \VQ\ \VQ+ . Să luăm cazul extrem de adăugare secvențială a unui element la VQ la fiecare iterație. Atunci \V0l\ = 0, \V02\ = 1,... \V0m\ = m - 1. Dar conform Lemei 3.3.1, dacă \VQ\ = m - 1, procesul de iterație se oprește.

         Din Teorema 3.3.2 urmează unul dintre algoritmii posibili pentru rezolvarea problemei ITER - mărirea setului Vo la fiecare pas. Pentru aceasta sunt propuse mai multe euristici:

         Vo = Vo U (k): k Є VA, Vj Є V: tj tk. Adică din vârfurile obținute în urma rezolvării problemei LP se selectează cel pentru care timpul de rezidență al drenului este cel mai mic.

         Vo = Vo U Vk: Vj Є , j = k: 2iyti 2iy.ti. Cu alte cuvinte, subgraful conectat cu cel mai scurt timp total de rezidență la chiuvetă este adăugat la Vo.

         Un alt algoritm posibil este creșterea treptată a mulțimii V\ până când se formează un graf conex V. Pentru aceasta, se propune următoarea euristică. La prima etapă, sunt identificate două subgrafe cu cel mai mare timp de rezidență total al canalului de scurgere. După aceasta, folosind algoritmi grafici standard, de exemplu algoritmul Floyd-Warshell, sau algoritmul Dijkstra dacă numărul de vârfuri într-unul dintre cele două grafice este mic, se găsesc cele mai scurte căi între toate perechile de vârfuri (,).

         Algoritmi euristici pentru controlul dinamic al mișcării fluxului

         În sistemele reale, este adesea imposibil să colectați în prealabil toate informațiile necesare pentru rezolvarea problemelor (3.1), (3.4). În plus, cantitățile cheie pentru modelul (2.1) se pot schimba în timp. Mai jos sunt câteva dintre scenariile practice care sunt motive posibile:

         1. Modificări ale situației de interferență în anumite zone. Acest lucru poate, la rândul său, să fie asociat cu desfășurarea unei noi rețele în același interval de frecvență sau similar. Într-un astfel de caz, probabilitatea repetării transmisiilor de pachete crește și, în consecință, crește consumul de energie al elementelor situate în această zonă.

         2. Reconfigurarea elementelor de rețea. În unele cazuri, este necesar să se schimbe algoritmii de operare ai dispozitivelor individuale. De exemplu, poate fi necesar să modificați frecvența de trimitere a mesajelor de testare.

         3. Schimbarea conditiile climatice funcționarea nodurilor. Ca rezultat, bateriile lor își pot consuma energia mai repede. În astfel de cazuri, este recomandabil să utilizați controlul dinamic al mișcării unui canal de scurgere mobil. Pentru a descrie formal algoritmul de control dinamic al fluxului, introducem câteva notații suplimentare: S(k) este o submulțime de vârfuri ale graficului GS, incluzând k și vârfurile adiacente lui k, acelea. S(k) = (k) U (j: (k,j) Є Es).

         Să notăm și cu D(k) mulțimea de noduri, înconjurătoare poziția drenului sau, cu alte cuvinte, un set de noduri care se conectează direct la dren atunci când acesta se află în poziția k: D(k) = Є Vn: (u, і) Є Ep(k), unde și Є Vn este drenarea nodului.

         Studiul posibilității de a efectua un experiment la scară largă

         Capitolul este dedicat modelării duratei de viață a WSN-urilor reconfigurabile dinamic, realizată cu scopul de a obține estimări cantitative ale mobilității controlate a canalului, precum și de a găsi conditii optime pentru utilizarea sa.

         În prima etapă, a fost investigată posibilitatea de a efectua un experiment la scară largă pe platformele hardware existente și s-a ajuns la concluzia că un experiment cu drepturi depline este foarte dificil, având în vedere starea actuală a hardware-ului și software-ului.

         În a doua etapă, modelarea prin simulare a fost realizată folosind pachetul software dezvoltat.

         În ceea ce privește echipamentele pentru partea fixă ​​a rețelei, există o selecție uriașă de dispozitive pentru diferite sarcini. Întreaga gamă de echipamente poate fi împărțită aproximativ în trei grupuri:

         1. Componente electronice- microcontrolere, transceiver, etc., care stau la baza dezvoltarii solutiilor, incepand chiar de la nivel scăzut. 2. Platforme middleware, dezvoltate de obicei de universitățile de cercetare în scopul efectuării de experimente.

         3. Sisteme încorporate create pentru a rezolva probleme specifice.

         Teoretic, este posibil să se efectueze un experiment la scară largă prin asamblarea unei platforme specializate din componente individuale bazate pe unul dintre numeroasele module wireless disponibile produse de companii precum Texas Instruments, Atmel, NXP, Telegesis, Freescale etc.

         Autorul disertației a participat la un proiect comun ruso-german de creare a unui sistem de colectare activă a datelor wireless în intralogistică. Pe parcursul proiectului, a fost dezvoltată o platformă software și hardware specializată pentru rețelele de senzori bazată pe modulul wireless NXP Jennic JN5148. La momentul dezvoltării, aceste module aveau cele mai bune caracteristici din punct de vedere al capacităților de calcul și al modurilor de economisire a energiei.

         Proiectul a testat un model de rețea de senzori wireless cu surse de alimentare autonome (2.1), precum și o metodă de reconfigurare dinamică a acesteia prin utilizarea nodurilor mobile.

         O caracteristică a sistemului de colectare a datelor dezvoltat în intralogistică este că elementul mobil nu este stocul, ci nodurile senzoriale, care sunt plasate pe transportor împreună cu mărfurile în containere pentru a le monitoriza. Tabelul 4.1 prezintă parametrii monitorizați și senzorii utilizați la elaborarea aspectului. Pentru fiecare parametru este indicată frecvența maximă de colectare a datelor în sistem (pentru un prototip de 10 noduri s-a folosit o frecvență de 15 ori mai mică decât cea maximă).

         O altă opțiune pentru efectuarea unui experiment la scară completă este utilizarea sisteme gata făcute bazat pe rețele fără fir dezvoltate inițial pentru a rezolva probleme specifice. Deci, în timpul cercetării disertației, a fost efectuat un experiment folosind echipamentele unei companii angajate în monitorizarea securității la Moscova (vezi Anexa A). Caracteristica cheie cel luat în considerare sistem de securitate este că fluxurile de date din acesta sunt cunoscute în prealabil din algoritmul de funcționare al nodurilor și statisticile acumulate și, prin urmare, este posibil să se aplice metoda de reconfigurare dinamică a rețelei, descriind funcționarea acesteia în funcție de puterea consumată de dispozitive. . În sistemul pe baza căruia a fost efectuat experimentul, existau 9 dispozitive releu și aproximativ 4 mii de dispozitive terminale (vezi Fig. 4.3).

         Repetoarele de sistem sunt conectate la o sursă de alimentare constantă, dar sunt echipate și cu o baterie de rezervă de 12V. Scopul experimentului a fost acela de a studia posibilitatea creșterii duratei de funcționare autonomă a repetoarelor de sistem în timpul unei întreruperi de urgență a curentului electric prin utilizarea metodei de reconfigurare dinamică a rețelei. Reconfigurarea a constat în schimbarea topologiilor prin controlul programului, succesiunea modificării a fost determinată ca urmare a rezolvării problemei (3.4). Ca rezultat, a fost posibilă creșterea duratei de viață a repetoarelor individuale cu 25-40%.

         Cu toate acestea, niciunul dintre experimentele de mai sus nu ne-a permis să dezvăluim pe deplin potențialul complet al utilizării metodelor de reconfigurare dinamică a rețelei, în primul rând datorită dimensiunii mici a rețelei în sine (numărul de repetoare).

         Opțiunea cea mai preferată pentru efectuarea unui experiment la scară largă este utilizarea unor platforme hardware și software specializate pentru cercetarea științifică, în principal datorită faptului că acestea au o flexibilitate mult mai mare în ceea ce privește posibilele modificări ale protocoalelor de nivel inferior necesare pentru reglarea fină. tranzițiile dispozitivului între diferite moduri de funcționare, inclusiv transmisia de date fără fir.

         Una dintre cele mai de succes platforme de cercetare pentru WSN s-a dovedit a fi dezvoltarea Universității din California, Berkeley, furnizată anterior prin intermediul companiei de arbalete (xbow) și implementată în prezent de MEMSIC. Acestea includ platformele TelosB (Fig. 4.4, a), MicaZ (Fig. 4.4, b), Imote2 (Fig. 4.4, c).

         Toate soluțiile de mai sus acceptă sistemul de operare TinyOS, conceput special pentru utilizarea în rețelele de senzori. Imote2 este o platformă cu un ordin de mărime mai productivă, cu toate acestea, are caracteristici de consum de energie mai proaste. Toate cele trei soluții sunt dezvoltate conform standardului IEEE 802.15.4, în timp ce TelosB și MICAZ folosesc transceiver cu design propriu al Universității Berkeley, care nu sunt certificate în multe țări din întreaga lume, inclusiv Rusia. Acest fapt este un obstacol serios în calea utilizării lor ca echipamente pentru experimente la scară largă. TelosB conține senzori de temperatură, lumină și umiditate integrați;

         FireFly Nodes este o platformă de rețea de senzori fără fir dezvoltată la Realime & Multimedia Systems Lab de la Universitatea Carnegie Mellon din Pittsburgh, SUA. Acesta, ca și altele, este conceput pentru colectarea, procesarea și comunicațiile de date în rețele mesh. Cu toate acestea, un pas semnificativ înainte față de soluțiile anterioare a fost introducerea unui sistem global de sincronizare a nodurilor, care asigură că întreaga rețea poate trece la un mod de consum redus.

         Teze similare cu Modelarea pe durata de viață a rețelelor de senzori reconfigurabile dinamic cu receptor mobil

Vreau să dedic articolul meu tehnologiilor rețelelor de senzori fără fir, care, mi se pare, au fost lipsite pe nedrept de atenția comunității Habra. Principalul motiv pentru aceasta, văd, este că tehnologia nu a devenit încă răspândită și, în cea mai mare parte, este de interes pentru cercurile academice. Dar cred că în viitorul apropiat vom vedea multe produse bazate într-un fel sau altul pe tehnologiile unor astfel de rețele. De câțiva ani cercetez rețelele de senzori, am scris o teză de doctorat pe această temă și o serie de articole în reviste ruse și străine. Am dezvoltat și un curs despre rețelele de senzori fără fir, pe care l-am predat la Nijni Novgorod Universitatea de Stat(Nu ofer un link către curs, dacă sunteți interesat, pot oferi linkul în privat). Având experiență în acest domeniu, vreau să o împărtășesc cu comunitatea respectată, sper să vă intereseze.

Informații generale

Rețelele de senzori fără fir au primit o mare dezvoltare recent. Astfel de rețele, constând din multe noduri miniaturale echipate cu un transceiver, un microprocesor și un senzor de putere redusă, pot lega împreună rețelele globale de calculatoare și lumea fizică. Conceptul de rețele de senzori fără fir a atras atenția multor oameni de știință. institute de cercetareși organizațiile comerciale, care asigurau un flux mare lucrări științifice pe acest subiect. Un mare interes pentru studiul unor astfel de sisteme se datorează posibilităților largi de utilizare a rețelelor de senzori. Rețelele de senzori fără fir, în special, pot fi utilizate pentru a prezice defecțiunile echipamentelor în sistemele aerospațiale și automatizarea clădirilor. Datorită capacității lor de a se auto-organiza, de a fi autonome și de a avea o toleranță ridicată la erori, astfel de rețele sunt utilizate în mod activ în sistemele de securitate și aplicațiile militare. Utilizarea cu succes a rețelelor de senzori fără fir în medicină pentru monitorizarea sănătății este asociată cu dezvoltarea senzorilor biologici compatibili cu circuitele integrate ale nodurilor senzoriale. Dar rețelele de senzori fără fir sunt cele mai răspândite în domeniul monitorizării. mediuși ființe vii.

Fier

Din cauza lipsei unei standardizări clare în rețelele de senzori, există mai multe platforme diferite. Toate platformele îndeplinesc cerințele de bază cerințe de bază la rețelele de senzori: consum redus de energie, timp lung de funcționare, emițătoare-receptoare cu putere redusă și prezența senzorilor. Principalele platforme includ MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

• Microprocesor: Atmel ATmega128L
• frecventa 7,3728 MHz
• Memorie flash de 128 KB pentru programe
• 4 KB SRAM pentru date
• 2 UART-uri
• Autobuzul SPI
• Autobuz I2C
• Radio: ChipCon CC2420
• Memorie flash externă: 512 KB
• conector suplimentar cu 51 de pini
• opt I/O analogice pe 10 biți
• 21 I/O digitale
• Trei LED-uri programabile
• Port JTAG
• Alimentat de două baterii AA

TelosB

• Microprocesor: MSP430 F1611
• frecventa de 8 MHz
• Memorie flash de 48 KB pentru programe
• 10 KB RAM pentru date
• Autobuzul SPI
• ADC/DAC pe 12 biți încorporat
• Controler DMA
• Radio: ChipCon CC2420
• Memorie flash externă: 1024 KB
• conector suplimentar cu 16 pini
• Trei LED-uri programabile
• Port JTAG
• Opțional: senzori de lumină, umiditate, temperatură.
• Alimentat de două baterii AA

Intel Mote 2

• Microprocesor PXA271 XScale 320/416/520 MHz
• 32 MB memorie flash
• 32 MB RAM
• Interfață mini-USB
• Conector I-Mote2 pentru dispozitive externe (31+21 pini)
• Radio: ChipCon CC2420
• Indicatoare LED
• Alimentat de trei baterii AAA

Fiecare platformă este interesantă în felul său și are propriile sale caracteristici. Personal, am avut experiență de lucru cu platformele TelosB și Intel Mote 2. Laboratorul nostru și-a dezvoltat și propria platformă, dar este comercială și nu pot vorbi despre asta în detaliu.

Cea mai comună în urmă cu 3 ani a fost utilizarea chipset-ului CC2420 ca transceiver de putere redusă.

Software și transfer de date

Principalul standard pentru transmisia de date în rețelele de senzori este IEE802.15.4, care a fost conceput special pentru rețelele fără fir cu emițătoare-receptoare de putere redusă.

Nu există standarde software în rețelele de senzori. Există câteva sute de protocoale diferite de procesare și transmitere a datelor, precum și sisteme de management al nodurilor. Cel mai comun sistem de operare este cel cu sursă deschisă– TinyOs (în timp ce eram la Universitatea Stanford, l-am întâlnit personal pe unul dintre dezvoltatori). Mulți dezvoltatori (în special pentru sisteme comerciale) își scriu sistemul de control, adesea în Java.

Programul de control al nodului senzorului care rulează sistemul de operare TinyOs este scris în limbajul nesC.

Este de remarcat faptul că, din cauza costului ridicat al echipamentelor și a complexității instalării rețelelor de senzori, s-au răspândit diverse sisteme de modelare, în special sistemul TOSSIM, special conceput pentru simularea funcționării nodurilor care rulează TinyOs.

Concluzie

Rețelele de senzori devin din ce în ce mai răspândite în Rusia. Când am început să lucrez la ele în 2003, numărul de oameni din Rusia care erau familiarizați cu această tehnologie putea fi numărat pe o mână. În Rusia, binecunoscutele Luxsoft Labs au fost implicate în acest lucru.

Lucrez cu rețele de senzori de 6 ani și vă pot spune multe despre aceste tehnologii. Dacă comunitatea Habra este interesată și am ocazia, atunci voi fi bucuros să scriu o serie de articole pe această temă. Pot atinge lucruri precum: lucru real cu platforma TmoteSky, caracteristici de programare pentru sistemul TinyOs în limbajul nesC, rezultate originale ale cercetărilor obținute în laboratorul nostru, impresii de 1,5 luni de muncă la Universitatea Stanford, într-un proiect pe senzor. retelelor.

Vă mulțumesc tuturor pentru atenție, vă voi răspunde cu plăcere la întrebări.

Invenţia se referă la reţele de senzori fără fir pentru sisteme automate de monitorizare. Rezultatul tehnic este de a asigura o rutare eficientă, de a prelungi durata de viață a rețelei și de a crește fiabilitatea. O metodă și un sistem pentru echilibrarea traficului distribuit într-o rețea de senzori fără fir este propusă pe baza unui algoritm de rutare de la nodul sursă la nodul de destinație, unde rețeaua de senzori fără fir este reprezentată ca un grafic G (N, M), unde N reprezintă rețea. nodurile, iar M sunt margini, există K rute, iar informația este generată la viteza Qc și transmisă prin canalul de comunicație C la viteza qc și i-lea nod are o rezervă de energie E i , iar fiecare muchie ij are o greutate/preț e ij , care corespunde energiei pentru transmiterea unui pachet de date de la nodul i la j, iar durata de viață Ti a fiecărui nod este definită ca

La fiecare nod se determină o tabelă de rutare și se configurează un vector de transmisie a mesajelor, opțiunile de rută sunt analizate folosind cei mai optimi vectori rezumativi, care sunt calculati din tabelul de rutare. Pentru a face acest lucru, se determină durata de viață a întregii rețele . Maximizarea duratei de viață este definită ca maximizarea T sys, iar pentru a atinge durata maximă de viață a întregii rețele, rutele sunt distribuite, unde alegerea rutei în rețea se bazează pe utilizarea celor mai puțin costisitoare transmisii la fiecare nod, iar cele mai costisitoare sunt eliminat. 2 n. si 9 salariu f-ly, 4 bolnav.

Desene pentru brevetul RF 2528415

Domeniul tehnologiei la care se referă invenția

Invenția se referă la domeniul comunicațiilor fără fir și poate fi utilizată în sisteme de monitorizare automatizate care funcționează atât independent, cât și ca parte a sistemelor de management al informațiilor pe mai multe niveluri, în special în sisteme de monitorizare a parametrilor de mediu sau industriali în timp real cu noduri distribuite pe suprafețe mari. și neavând linii de comunicație cu fir și linii electrice.

De ultimă oră

În prezent, rețelele de senzori își ocupă tot mai mult locul în aplicațiile de monitorizare pentru diferite locuri și evenimente. În legătură cu dezvoltarea tehnologiei de comunicații fără fir, a devenit posibilă dezvoltarea rețelelor de senzori distribuite fără fir (DSN). Rețelele de senzori distribuiți diferă de rețelele convenționale prin faptul că au resurse energetice limitate, putere de calcul redusă, necesitatea unor locații mai dense și costuri reduse pe nod. Aceste caracteristici din alte rețele (de exemplu, celulare) determină noi scopuri și obiective pentru aplicarea lor. Rețelele de senzori fără fir au fost utilizate pe scară largă în multe domenii ale activității umane și, prin urmare, acum primesc o mare atenție.

O rețea de senzori distribuite constă din multe noduri multifuncționale, autonome și ieftine, care sunt situate în zona de monitorizare. Fiecare nod constă dintr-un set de blocuri, cum ar fi: un senzor utilizat pentru a primi date din mediu, o unitate de recepție și transmisie a datelor, un microcontroler pentru procesarea și controlul semnalelor și o sursă de energie. Procesorul este alimentat de o baterie autonomă cu o resursă de energie finită, ceea ce duce la restricții semnificative asupra consumului de energie. Întreținerea nodurilor de senzori, cum ar fi înlocuirea bateriilor, este costisitoare, mai ales când nodurile sunt situate în locuri greu accesibile, astfel încât majoritatea rețelelor de senzori nu necesită întreținere și funcționează până când bateria se epuizează. Această proprietate a rețelelor de senzori este foarte importantă atunci când se dezvoltă algoritmi de rutare în RSN, care fac posibilă creșterea eficienței consumului de resurse energetice ale rețelei.

Astfel, există multe modalități de economisire a resurselor energetice ale nodurilor dintr-o rețea de senzori, iar Fig. 1 arată clasificarea acestora. Metodele pot fi împărțite în trei grupe mari - conservarea energiei folosind cicluri de lucru bazate pe cantitatea de informații transmise și pe mobilitate.

Ciclurile de operare includ controlul topologiei și managementul energiei. Controlul topologiei are ca scop utilizarea sau reducerea conexiunilor redundante în rețea pentru a economisi resurse. Consumul poate fi controlat prin utilizarea diferitelor protocoale de control al accesului media (protocoale MAC) și moduri de operare a dispozitivului care economisesc energie. A doua clasă de metode de conservare a resurselor energetice se bazează pe cantitatea de informații transmise, precum și pe obținerea acestor informații în mod economic. Energia cheltuită pentru procesarea informațiilor este incomparabil mai mică decât energia necesară pentru transmiterea acesteia, astfel încât sunt utilizate procesarea datelor în rețea, compresia sau predicția datelor. Repetoarele sunt, de asemenea, folosite pentru a economisi energie pe nodurile rețelei de senzori.

Metodele de rutare pot fi împărțite în următoarele categorii: directe, ierarhice și rutare în funcție de localizare geografică.

Rutarea directă presupune transmiterea de mesaje de la nod la nod într-o rețea, unde fiecare nod îndeplinește aceeași funcție de transmisie și/sau de retransmisie, spre deosebire de rutarea ierarhică, unde unul sau mai multe noduri sunt alocate pentru colectarea și procesarea informațiilor. Dezavantajul rutării directe este că rețelele care colectează informații dintr-o zonă vor trimite o mulțime de informații redundante, mai ales dacă densitatea rețelei de senzori este mare. Pentru a evita redundanța informațiilor, se folosesc algoritmi speciali care au ca scop obținerea de informații nu de la noduri, ci dintr-o zonă specifică a rețelei. De exemplu, este cunoscut algoritmul Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN), unde stația de bază trimite o solicitare către o anumită regiune a rețelei de senzori. La primirea unei cereri, nodurile de regiune îndeplinesc cerința cererii, comunică local și trimit înapoi un răspuns generalizat.

Cu rutarea ierarhică, pentru colectare și procesare este necesară utilizarea nodurilor cu o cantitate mare de energie, care, deși permite economisirea transferului de date deja procesate de un volum semnificativ mai mic, este adesea inacceptabilă din cauza omogenității dispozitivelor. utilizate sau alte dificultăți. Pentru a nu folosi noduri specializate, există mai multe tehnologii. Astfel, se cunoaște tehnologia Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), atunci când funcția de colectare este preluată pe rând de mai multe noduri ale rețelei de senzori, selectate după un anumit algoritm, distribuind astfel sarcina nodului de colectare.

Rutarea geografică este numită și rutare geometrică deoarece direcția geometrică către stația de bază este folosită pentru a găsi ruta. Există, de asemenea, rutarea folosind coordonatele virtuale, care sunt construite nu numai în funcție de poziția reală a nodului, dar iau în considerare și denivelările naturale ale suprafeței, obstacolele, nivelul canalului de transmisie etc.

Este, de asemenea, cunoscută rutarea multi-stream, unde livrarea unui mesaj de la un nod este posibilă pe mai multe căi. Recent, s-a acordat multă atenție rutării la cerere de la stația de bază, de exemplu, pe baza găsirii celei mai scurte căi și menținerii acesteia ținând cont canal prostși defecțiunea unităților. Cu toate acestea, nodurile situate la cea mai scurtă distanță se epuizează rapid, ceea ce duce la întreruperi de comunicare și la o scădere a duratei de viață a rețelei, care este adesea înțeleasă ca durata de viață a primului nod care eșuează. Prin urmare, este nevoie de a crea o tehnologie pentru maximizarea duratei de viață a unei rețele de senzori, care poate fi rezolvată printr-una sau alta metodă de programare liniară.

Deci, la fel de aproape în esență solutie tehnica brevetul cunoscut RU 2439812 C1, publicat în 2012-01-10, IPC H04W 36/00, care dezvăluie o rețea de senzori cu auto-configurare a multor senzori și dispozitive de acționare bazate pe rutare în funcție de locația geografică. O rețea de senzori constă dintr-un dispozitiv central de procesare a datelor (DPU) și N stații de bază (BS), situate uniform sau haotic de-a lungul limitelor zonei de acoperire a rețelei, unde BS sunt referite spațial la coordonatele de poziționare globale și conțin memorie pentru stocarea valoarea coeficientului de încredere, care este un număr între valorile minime și maxime specificate. Factorul de încredere pentru BS este setat aproximativ egal cu valoarea maximă. În aria de acoperire a rețelei de senzori, nodurile M sunt distribuite uniform sau haotic, cu M>>N. Nodurile sunt echipate cu o memorie concepută pentru a stoca valorile coordonatelor de referință spațială, care sunt inițializate cu valori aleatorii în timpul procesului de producție, și pentru a stoca un coeficient de încredere, care este inițializat cu o valoare aproximativ egală cu valoarea minimă a încrederii. coeficient. Fiecare nod și BS stabilește o conexiune cu cel mult K noduri învecinate și BS, iar valoarea lui K depinde de caracteristicile lățimii de bandă a canalului de comunicație, de caracteristicile de performanță și de consumul de energie al microprocesoarelor incluse în componența lor. După stabilirea unei conexiuni, nodurile și BS efectuează operația de determinare reciprocă a valorilor coordonatelor spațiale. Pentru a face acest lucru, fiecare nod sau BS transferă ciclic valorile propriei memorie pentru stocarea valorilor coordonatelor de referință spațială și memorie pentru stocarea valorii coeficientului de încredere. În fiecare ciclu de procesare, nodul primește valorile coordonatelor și coeficienților de încredere de la toate dispozitivele învecinate cu care se stabilește o conexiune și determină valorile calculate ale propriilor coordonate și ale propriului coeficient de încredere folosind metoda medierii ponderate. a valorilor propriilor coordonate și coordonatele dispozitivelor învecinate, folosind coeficienți de încredere ca coeficienți de ponderare a dispozitivului însuși și a dispozitivelor învecinate. Astfel, nodurile rețelei de senzori primesc o referință spațială. Pentru a direcționa un mesaj de la centrul de date către un nod cu coordonate (x, y, z), acesta transmite mesajul către una sau mai multe BS cele mai apropiate de coordonatele necesare. BS-urile specificate transmit mesajul către nodurile cele mai apropiate, iar nodurile secvenţial - către nodurile lor cele mai apropiate în direcţia vectorului îndreptat către punctul dorit (x, y, z). Nodurile legate spațial de puncte situate la o distanță care nu depășește raza de sensibilitate a rețelei de senzori r percep mesajul ca fiind adresat acestora. Arbitrajul suplimentar al nodurilor pentru a selecta destinatarul final al mesajului, precum și trimiterea confirmării primirii mesajului, se efectuează după caz, pe baza cerințe tehnice la funcționarea rețelei. Pentru a direcționa mesajele de la un nod la centrul de procesare a datelor, nodurile sunt echipate suplimentar cu memorie pentru stocarea unei liste de coordonate ale celei mai apropiate BS. Pentru a transmite un mesaj către DCU, un nod transmite un mesaj către unul sau mai multe noduri învecinate în direcția unui vector îndreptat către punctul cu coordonatele BS când mesajul ajunge la BS, acesta transmite mesajul direct către DCU și, dacă este necesar, trimite un mesaj de confirmare a transmisiei către nodul de transmisie.

Dezavantajul unei astfel de rețele de senzori cu auto-configurare și metoda de funcționare a acesteia este complexitatea echipamentului utilizat, asociată cu necesitatea de a seta și utiliza coordonatele de referință spațială ale nodurilor și stațiilor de bază, iar această soluție nu oferă o perioadă lungă de timp. durata de viață a întregii rețele în ansamblu.

Ca cel mai apropiat analog - un prototip, putem propune o metodă de rutare cu durată de viață maximă într-o rețea wireless Ad-hoc, dezvăluită în publicația Arvind Sankar și Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty- a treia Conferință Anuală Comună a IEEE, Societăți de Calculatoare și Comunicații, vol.2, p.p.1089-1097, unde se formulează problema maximizării duratei de viață a unei rețele de senzori, care se rezolvă prin metoda de programare liniară, și anume, un algoritm este propus pentru a minimiza suma funcțiilor potențiale ale tuturor cozilor.

Dezavantajul acestei metode este eficiența scăzută, deoarece nodurile situate la cea mai scurtă distanță sunt adesea epuizate rapid, ceea ce duce la întreruperi de comunicare și la o scădere a duratei de viață a rețelei.

Astfel, există necesitatea de a rezolva problemele de mai sus din stadiul tehnicii.

Esența invenției

Rezultatul tehnic către care se urmărește invenția propusă este, în special: asigurarea de rutare eficientă și extinderea duratei de viață a unei rețele de senzori wireless pentru monitorizarea în timp real a diferitelor obiecte și parametri, unde informațiile fiecărui nod sunt importante, creșterea funcționalității, a fiabilității. și reducerea costurilor de utilizare a sistemelor de monitorizare. Utilizarea soluției propuse va îmbunătăți eficiența de funcționare a obiectului controlat datorită unei durate de viață mai lungi a bateriei de alimentare autonomă, ceea ce va permite înregistrarea și transmiterea datelor privind parametrii obiectului și/sau a mediului pentru o perioadă mai lungă de timp. .

Esența metodei propuse pentru echilibrarea traficului distribuit într-o rețea de senzori fără fir este aplicarea unui nou algoritm de rutare de la nodul sursă la nodul destinație. Comunicarea între nodurile menționate în rețeaua de senzori este realizată, de exemplu, prin protocolul Zigbee, sau bandă de frecvență radio fără licență, sau rețea radio digitală mobilă, sau orice alt protocol de comunicație fără fir adecvat. O rețea de senzori distribuiti poate fi reprezentată ca un grafic G (N, M), care definește un set de noduri menționate și conexiuni între ele, unde N sunt noduri de rețea, iar M sunt margini, și există și K rute. Informația este generată la viteza Qc și transmisă prin canalul de comunicație C la viteza qc, și i-a un nod are o rezervă de energie E i , iar fiecare muchie ij are o greutate/preț e ij , care corespunde energiei pentru transmiterea unui pachet de date de la nodul i la j, în timp ce durata de viață Ti a fiecărui nod este definită ca

Apoi, se determină tabelul de rutare la fiecare nod și se stabilește vectorul de transmitere a mesajului, se efectuează analiza opțiuni posibile rute în funcție de cei mai optimi vectori de sumar, care sunt calculate din tabelul de rutare în acest scop, se determină durata de viață a întregii rețele T sys;

Astfel, maximizarea duratei de viață este definită ca maximizare T sys, iar pentru a atinge durata maximă de viață a întregii rețele, rutele sunt distribuite pentru informațiile transmise, în timp ce alegerea rutei de trafic în rețea se bazează pe utilizarea celor mai puțin costisitoare transmisii. pe fiecare nod, iar la construirea traseului, cele mai costisitoare sunt noduri excluse pe baza lui Ti calculată.

Cel puțin un nod sursă conține un senzor auto-alimentat pentru măsurarea și monitorizarea parametrilor fizici (valori), care monitorizează într-o zonă dată a rețelei și transmite mesaje (pachete de date) cu parametrii măsurați către cel puțin un nod de destinație.

Alternativ, în fiecare nod, pentru a aduce datele de monitorizare într-o formă uniformă, procesarea primară a parametrilor fizici primiți de la senzori poate fi efectuată, de exemplu, prin stocarea lor în memorie, mediere și conversie analog-digitală. în codul corespunzător. Diferiți parametri sunt utilizați ca parametri măsurați pentru monitorizarea, de exemplu, mediul înconjurător, cum ar fi temperatura, presiunea, umiditatea, iluminarea, fumul, nivelul de vibrații etc.

Alternativ, selecția rutei la formarea și/sau actualizarea tabelului de rutare se face în conformitate cu combinații de criterii precum lungimea rutei, măsurată prin numărul de routere prin care este necesar să se treacă la nodul de destinație; capacitatea canalului de comunicare; proiectat timpul total transferuri; costul canalului de comunicare; cantitatea de energie rămasă la nod.

Opțional, metoda actualizează suplimentar valorile duratei de viață Ti a fiecărui nod sau a întregului sistem T sys în conformitate cu combinația de criterii menționată, efectuată la trimiterea unui mesaj de la nodul sursă către nodul destinație sau când este detectată o întrerupere a conexiunii între noduri.

Alternativ, după construirea unei tabele de rutare, funcția de transmitere a pachetelor de-a lungul căilor (rute) optime este implementată la trimiterea unui pachet, fiecare nod de rețea plasează adresa următorului nod în antetul pachetului la nivelul de control al accesului la media (MAC);

Un sistem de echilibrare a traficului distribuit într-o rețea de senzori distribuiti este, de asemenea, propus pe baza unui algoritm de rutare de la un nod sursă la un nod destinație într-o rețea de senzori distribuite conform metodei propuse, care conține: un nod destinație conectat printr-un canal de comunicație fără fir la nodul sursă, care este un modul senzor în care este amplasat transceiver-ul, un senzor de parametri fizici, un microcontroler pentru procesare și control și o sursă de energie autonomă, iar nodul destinație conține un transceiver, mijloace pentru stocarea informațiilor primite și mijloace pentru procesare și afișarea informațiilor primite de la modulele senzorilor pentru a construi un model al obiectului sau spațiului studiat.

Alternativ, modulele senzorului pot fi împărțite în grupuri, iar fiecare grup este conectat fără fir la nodul de destinație prin intermediul propriului emițător-receptor. Monitorizarea în timp real a parametrilor de mediu sau industriali se realizează punctual într-o zonă dată, unde primul subset al setului menționat de noduri sursă îndeplinește funcții de monitorizare, iar al doilea subset de noduri sursă îndeplinește doar funcțiile de primire și transmitere a pachetelor de date. cu parametrii fizici măsurați primiți de la primul subset de noduri sursă.

Acestea și altele constructive și caracteristici funcționale iar avantajele invenţiei propuse vor deveni evidente din descriere detaliată opțiunile sale, care trebuie citite împreună cu desenul.

Scurtă descriere a desenelor

Figura 1 prezintă o clasificare binecunoscută a metodelor de economisire a energiei nodurilor dintr-o rețea de senzori.

Figura 2 prezintă algoritmul pentru construirea unei rețele de senzori bazată pe sondaj.

Figura 3 prezintă o rețea de senzori sub forma unui grafic G (N, M).

Figura 4 prezintă opțiunile pentru determinarea rutelor.

Descrierea detaliată a invenţiei

Se propune un algoritm pe care se bazează tehnologia de colectare și transmitere automată a datelor prin RSS-ul propus (rețea de auto-organizare fără fir autonomă). dispozitive mobile) la un singur punct pentru a construi un model al obiectului sau spațiului studiat. Acest model poate fi folosit în principal pentru a construi rețele de monitorizare a parametrilor de mediu sau industriali în timp real, monitorizarea stării ciclu de viață clădiri și structuri, în proiectarea și construcția zonelor de agrement și a instalațiilor de construcții sanitare și de stațiuni, precum și în diverse alte domenii ale industriei auto, transportului feroviar, construcții de drumuri și medicină.

Invenția propusă poate crește semnificativ funcționalitatea, fiabilitatea și poate reduce costul utilizării unor astfel de sisteme pentru monitorizare. Reducerea costurilor este indisolubil legată de unificarea constructivă, funcțională și software a părților din care este construit sistemul, ceea ce necesită o analiză amănunțită a cerințelor și cercetarea modalităților de construire a unei platforme software și hardware universale pentru crearea sistemelor de monitorizare a mediului ecologic. starea mediului înconjurător bazată pe tehnologia rețelei de senzori fără fir. Pentru a face acest lucru, se studiază diverși parametri: temperatură, presiune, umiditate, iluminare, fum, vibrații, care sunt colectați prin rețele de senzori auto-organizate. RSS constă din dispozitive finale, routere intermediare, un coordonator de rețea și un punct dedicat de colectare a datelor, uneori acest punct este numit gateway de rețea, care servește la convertirea datelor dintr-un canal radio într-o rețea organizată pe optic sau fire de cupru- Ethernet. Senzorii pentru colectarea parametrilor fizici sunt atașați la nodurile de rețea - dispozitive finale, care prin coordonatorul de rețea sunt construite într-o singură structură, de exemplu, prin protocolul ZigBee. Acest lucru vă permite să implementați o rețea de monitorizare într-o perioadă scurtă de timp, cu costuri minime și fiabilitate destul de ridicată.

Fiecare unitate PCC este echipată cu o sursă de alimentare autonomă, care le permite să fie instalate în locuri greu accesibile pentru a efectua citirile necesare cu costuri minime de muncă. O caracteristică a invenției propuse este crearea unui software și hardware unic scalabil, constând dintr-un set de module necesare implementării, care vă permite să controlați dispozitivele pentru timpul de funcționare maxim posibil și, în același timp, să generați automat un model de încredere. a unui mediu spațial eterogen. Comunicarea între dispozitive are loc pe un canal radio în diferite standarde de comunicare, inclusiv protocolul Zigbee, într-un interval de frecvență fără licență sau printr-o rețea radio digitală mobilă. Datele colectate pentru prelucrare fac posibilă utilizarea unui astfel de sistem pentru a construi un model ecologic 3D al mediului/spațiului sau obiectului studiat, reducând semnificativ timpul necesar procesării și obținerii de informații și resurse financiare. Esența algoritmului propus, numit două ladder-logic, este de a controla elementele RSS, care permite echilibrarea sarcinii pe nodurile de rețea în așa fel încât datele transmise să fie trimise la cel mai apropiat nod de rețea nu aleatoriu, ci la cea care are cea mai mare rezervă de energie la momentul actual . Algoritmul de funcționare RSS utilizat vă permite să modificați încărcarea pe nodurile rețelei în așa fel încât întreaga rețea să rămână operațională pentru cel mai lung timp posibil.

Utilizarea RSS poate oferi avantaje semnificative atât din punct de vedere tehnologic cât și economic față de sistemele tradiționale de colectare și prelucrare a datelor. Creșterea fundamentală a productivității colectării și procesării telemetriei digitale, realizată prin utilizarea RSS, permite pătrunderea agresivă pe piață și trecerea la soluții tehnologice de nouă generație, făcând astfel posibilă și ușor de implementat apariția de noi sisteme automatizate. operand in timp real pe baza tehnologii cloud. Pe măsură ce tehnologia avansează, ar trebui să existe o tranziție de la rețelele locale de monitorizare interconectate la sisteme de monitorizare, supraveghere și predicție pe scară largă bazate pe PSS fără fir.

Figura 2 prezintă un exemplu de rutare și construirea unei rețele de senzori bazate pe sondaje. RSS-ul este format din multe noduri ieftine, autonome, multifuncționale care sunt situate în zona de monitorizare. Fiecare nod constă dintr-un set de blocuri, cum ar fi un senzor utilizat pentru a primi date din mediu, o unitate de recepție și transmisie a datelor, un microcontroler pentru procesarea și controlul semnalelor și o sursă de energie de dimensiuni mici. Procesorul este alimentat de o baterie autonomă cu o resursă de energie finită, ceea ce duce la restricții semnificative asupra consumului de energie. Întreținerea nodurilor de senzori, cum ar fi înlocuirea bateriei, este costisitoare, mai ales când nodurile sunt situate în locații greu accesibile, astfel încât majoritatea rețelelor de senzori nu necesită întreținere și funcționează până când bateria se epuizează.

Algoritmul de rutare vă permite să construiți o rută bazată pe solicitări și răspunsuri. Coordonatorul de rețea 1 trimite o cerere de difuzare HELLO și primește răspunsuri de la ruter(e) 2. Fiecare router trimite, de asemenea, o cerere de difuzare și primește răspunsuri de la dispozitivele învecinate, acestea pot fi alte routere sau dispozitive finale 3. Pe baza răspunsurilor primite (puterea semnalului). , timpul de răspuns și alți parametri), coordonatorul construiește un tabel de rutare pe fiecare router. În continuare, alegerea rutei se realizează într-un algoritm standard prin determinarea graficului de greutate cu valoarea totală minimă.

De regulă, nodurile senzorilor sunt echipate cu același tip de dispozitive cu un anumit set de funcții. După instalare, în timpul funcționării, nodurile senzorilor trebuie să se organizeze într-o rețea de comunicații, în care fiecare nod utilizează numai acele funcții care sunt necesare pentru a rezolva sarcina. De asemenea, rutarea are loc automat. Pe lângă rutarea primară, este necesară și reconstruirea obișnuită a rețelei, deoarece dispozitivele pot pierde un canal de comunicare sau pot eșua din motive legate de factori externi sau interni.

Funcționarea fiecărui nod senzor are ca scop măsurarea diverșilor parametri de mediu, cum ar fi temperatura, presiunea, iluminarea, umiditatea, fumul, nivelurile de vibrații etc. O astfel de varietate de parametri implică diverse domenii de aplicare, de exemplu, colectarea datelor și monitorizarea mediului. , monitorizarea diferitelor unități de producție, situate fie într-o singură clădire, fie pe o suprafață mare, instalații din industria petrolului și gazelor, instalații de transport, aplicații militare etc. Rețelele de senzori îndeplinesc diverse sarcini, care pot fi împărțite aproximativ în două categorii. Prima categorie de sarcini este legată de detectarea evenimentelor care apar foarte rar, dar necesită notificare și/sau localizare imediată. A doua categorie (monitorizare) include sarcini de măsurare continuă a unei cantități pe o perioadă lungă de timp. Aici timpul de întârziere poate fi egal cu timpul caracteristic de modificare a parametrului măsurat. Monitorizarea poate fi efectuată punctual pe orice zonă cu măsurarea punctului, majoritatea nodurilor joacă rolul de transmițători și doar o mică parte a nodurilor efectuează monitorizarea direct.

Este propus un algoritm de rutare cu echilibrare a traficului într-o rețea de senzori distribuiti. Pentru a face acest lucru, o rețea de senzori distribuite poate fi reprezentată ca un grafic G (N, M) cu N noduri și M muchii, care reprezintă un set de noduri existente și posibile conexiuni între aceasta, așa cum se arată în Fig. 3. Fiecare i-lea nod are inițial o rezervă de energie E i . Fiecare muchie ij are o greutate/cost e ij , care corespunde energiei pentru a transmite un pachet de date de la nodul i la j. Se presupune că există K rute, iar informația este generată cu o viteză de Q c și transmisă pe un canal de comunicație C cu o viteză de q c .

Durata de viață T i a fiecărui nod va fi egală într-un astfel de sistem

Conform algoritmului utilizat, tabelul de rutare este determinat de coordonatorul de pe fiecare nod. Este construit vectorul de transmitere a mesajului. În continuare, se efectuează o analiză a posibilelor opțiuni de rută în funcție de cei mai optimi vectori rezumativi, care sunt calculați din tabelul de rutare. Astfel, scopul este de a economisi energia totală cheltuită pe întreaga rețea pentru transmiterea unui pachet. Acest lucru este eficient pentru rețelele de date, unde durata de viață a rețelei este determinată de timpul în care rețeaua este capabilă să transmită mesaje.

În rețelele în care fiecare nod îndeplinește simultan două funcții: măsurarea unei cantități și transmiterea de mesaje, adică rețeaua de senzori îndeplinește funcția de monitorizare mărimi fiziceîntr-o zonă dată, valoarea fiecărui nod este importantă pentru a completa imaginea.

Apoi definim durata de viață a întregului sistem T sys ca:

Problema maximizării duratei de viață va arăta astfel: maximizarea T sys, iar pentru a atinge durata maximă de viață a întregului sistem este necesară distribuirea rutelor pentru informațiile transmise. Esența metodei de rutare propusă cu echilibrarea traficului în RSN este aceea că alegerea rutei de trafic în rețea se bazează pe utilizarea celor mai puțin costisitoare transmisii la fiecare nod care poate fi implicat în transmisia de date. Cu alte cuvinte, cele mai costisitoare hop-uri (secțiune de tranzit sau tranziție în rețea între două noduri de rețea prin care se transmite traficul) sunt excluse din posibilele opțiuni pentru traseul unui pachet de date, economisind astfel energie la fiecare nod și reducând probabilitatea a eșecului nodului, care elimină colapsul întregii rețele de măsurare din cauza faptului că un nod a încetat deja să efectueze măsurătorile curente.

Selectarea unei opțiuni de traseu (prezentată în Fig. 4) la formarea și actualizarea tabelului de rutare se face în conformitate cu combinații de criterii precum: lungimea rutei, măsurată prin numărul de routere prin care este necesar să treacă la destinație. ; capacitatea canalului de comunicare; timpul de tranzit total estimat; costul canalului de comunicare; cantitatea de energie rămasă la nod.

După construirea tabelului de rutare, algoritmul implementează funcția de transmitere a pachetelor pe căi optime prin faptul că la trimiterea unui pachet printr-un router, fiecare nod de rețea locală plasează adresa următorului destinatar în antetul pachetului la nivel MAC. Astfel, în exemplul prezentat în Fig. 3, pe baza costurilor totale minime (greutate/preț) la noduri (Fig. 4), se va selecta ruta 1, cu costul total greutate/preț - 9, ca fiind valoarea minima. Astfel, trecerea traficului prin nodurile rutei 1 va duce în curând la epuizarea completă a energiei a nodului 4, ceea ce va dezactiva aceste noduri și va elimina posibilitatea de a colecta parametrii la punctele de cercetare necesare.

Cu toate acestea, atunci când se utilizează algoritmul de echilibrare a traficului distribuit propus pe baza coeficienților de ponderare, va fi selectată ruta 2, ceea ce va permite rețelei de senzori să existe un ordin de mărime mai lung. Acest lucru este posibil datorită faptului că sarcina pe toate nodurile, în cazul algoritmului propus, este distribuită mai sistematic pe toate nodurile rețelei.

Invenţia propusă poate fi implementată utilizând diverse funcţionale şi/sau hardware, software, procesoare scop specialși/sau combinații ale acestora. De preferinţă, invenţia este implementată ca o combinaţie de hardware şi software. Software-ul este, de preferinţă, implementat ca un program de aplicaţie implementat material pe un dispozitiv de stocare/citire a programelor. Programul de aplicație poate fi descărcat sau executat de un computer care conține orice arhitectură, și este implementat pe o platformă de calcul având hardware: una sau mai multe unități centrale de procesare, memorie cu acces aleatoriu și interfețe de intrare/ieșire. Cele de mai sus diverse opțiuni Exemplele de realizare ale invenţiei sunt prezentate doar în scopuri de înţelegere şi de exemplu şi nu trebuie limitate la aceste exemple.

FORMULA INVENŢIEI

1. O metodă pentru echilibrarea traficului distribuit bazată pe un algoritm de rutare de la un nod sursă la un nod destinație într-o rețea de senzori distribuite,

în acest caz, o rețea de senzori distribuiti este reprezentată ca un grafic G (N, M), care caracterizează setul de noduri menționate și conexiunile dintre acesta, unde N sunt noduri de rețea, iar M sunt margini, există K rute și informația este generată cu o viteză de Q c și transmisă pe un canal de comunicație C cu viteza q c , iar nodul i are o rezervă de energie E i , iar fiecare muchie ij are o greutate/preț e ij , care corespunde energiei. pentru transmiterea unui pachet de date de la nodul i la j,

În acest caz, durata de viață T i a fiecărui nod este determinată ca

tabelul de rutare este determinat pe fiecare nod și vectorul de transmitere a mesajului este setat,

se efectuează o analiză a posibilelor opțiuni de rută în funcție de cei mai optimi vectori rezumativi, care sunt calculati din tabelul de rutare, în acest scop se determină durata de viață a întregii rețele T sys

în acest caz, maximizarea duratei de viață este definită ca maximizare T sys, iar pentru a atinge durata maximă de viață a întregii rețele, rutele sunt distribuite pentru informațiile transmise, în timp ce alegerea rutei de trafic în rețea se bazează pe utilizarea celui mai mic. transmisii costisitoare la fiecare nod, iar la construirea rutei, cele mai costisitoare sunt excluse.

2. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că cel puţin un nod sursă conţine un senzor autoalimentat care măsoară şi monitorizează parametrii fizici într-o zonă dată şi transmite pachete de date cu parametri fizici măsuraţi către cel puţin către un nod destinaţie.

3. Procedeu conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că senzorii utilizaţi ca senzori măsoară parametrii fizici pentru monitorizarea mediului pe baza monitorizării următorilor parametri: temperatură, presiune, umiditate, iluminare, fum, nivel de vibraţii.

4. Metodă conform revendicării 3, caracterizată prin aceea că cel puţin un nod sursă realizează procesarea primară a parametrilor fizici obţinuţi de la senzorii menţionaţi, de exemplu, acumulare, mediere, conversie analog-digitală.

5. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că comunicarea între nodurile din rețeaua de senzori se realizează folosind protocolul Zigbee, sau într-un domeniu de frecvență radio fără licență, sau printr-o rețea radio digitală mobilă, sau prin orice alt protocol de comunicație fără fir. .

6. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că canalul de comunicaţie dintre nodul sursă şi nodul destinaţie conţine un router care interacţionează cu aceste noduri.

7. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că alegerea rutei la formarea și/sau actualizarea tabelului de rutare se face în conformitate cu combinații de criterii precum lungimea rutei, măsurată prin numărul de routere prin care este necesar să se efectueze. trece la nodul de destinație, capacitatea canalului de comunicație, timpul total de transmisie estimat, cantitatea de energie reziduală la nod, costul canalului de comunicație.

8. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, după construirea tabelului de rutare, funcția de transmitere a pachetelor de-a lungul rutelor optime este implementată la trimiterea unui pachet, unde fiecare nod de rețea plasează adresa următorului nod în antetul pachetului la nivel de control al accesului media (nivel MAC).

9. Metodă conform oricăreia dintre revendicările 1, 6, 7, caracterizată prin aceea că metoda include suplimentar etapa de actualizare a valorilor duratei de viață Ti a fiecărui nod sau a duratei de viață a întregului sistem T sys în conformitate cu cu combinația menționată de criterii, efectuată la trimiterea unui mesaj de la nodul sursă la nodul destinație sau când este detectată o întrerupere a conexiunii între noduri.

10. Sistem distribuit de echilibrare a traficului într-o rețea de senzori fără fir pentru monitorizarea parametrilor fizici conform metodei conform oricăreia dintre revendicările 1 la 9, care conține o multitudine de noduri sursă conectate între ele și un nod destinație conectat la cel puțin unul. nodul sursă, care este un modul senzor în care se află un transceiver, un senzor de parametri fizici, un microcontroler pentru procesare și control și o sursă de alimentare autonomă, modulele senzorilor sunt împărțite în grupuri și fiecare grup este conectat la nodul de destinație prin intermediul acestuia. propriul emițător-receptor, în timp ce nodul destinație conține un transceiver, mijloace de stocare a informațiilor primite și mijloace de procesare și afișare a informațiilor primite de la modulele senzori pentru a construi un model al obiectului sau spațiului studiat.

11. Sistem conform revendicării 10, caracterizat prin aceea că monitorizarea este efectuată punctual într-o zonă dată, în care cel puţin un subset al multitudinii de noduri sursă îndeplineşte funcţii de monitorizare prin intermediul senzorilor săi de parametri fizici şi un alt subset de noduri sursă. efectuează prin intermediul emițătoarelor sale doar funcțiile de primire și transmitere a pachetelor de date cu parametri fizici măsurați primite de la submulțimea menționată de noduri sursă.

Rețele de senzori distribuite

Ce sunt rețelele de senzori fără fir?

Senzori și dispozitiv de recepție

Rețelele de senzori fără fir sunt construite din noduri numite cheltuitori (paiul) - dispozitive autonome mici alimentate cu baterii și microcipuri cu comunicație radio la o frecvență - de exemplu 2,4 GHz. Special software permite moților să se organizeze în rețele distribuite, să comunice între ei, să interogă și să schimbe date cu cele mai apropiate noduri, distanța până la care de obicei nu depășește 100 de metri.

În literatura în limba engleză se numește o astfel de rețea rețea de senzori fără fir(WSN) este o rețea fără fir constând din dispozitive autonome distribuite geografic care utilizează senzori pentru a monitoriza în comun condițiile fizice sau de mediu din diferite zone.

Pot măsura parametri precum temperatura, sunetul, vibrația, presiunea, mișcarea obiectelor sau aerul. Dezvoltarea rețelelor de senzori fără fir a fost inițial motivată de aplicații militare precum supravegherea câmpului de luptă. În prezent, rețelele de senzori fără fir sunt utilizate din ce în ce mai mult în multe domenii ale vieții civile, inclusiv monitorizarea industrială și a mediului, asistența medicală și controlul traficului. Domeniul de aplicare devine din ce în ce mai larg.

Principii de bază de funcționare

Diagrama rețelei pe 3 niveluri. Nivelul 1 de senzori și gateway. Server de nivel 2. Client subțire nivel 3

Fiecare nod de rețea: risipitor echipat cu un transceiver radio sau alt dispozitiv de comunicare fără fir, un mic microcontroler și o sursă de alimentare, de obicei o baterie. Posibilă utilizare a bateriilor de iluminat solar sau a altor surse alternative de energie

Datele de la elementele îndepărtate sunt transmise prin rețea între cele din apropiere, de la nod la nod, printr-un canal radio. Ca rezultat, un pachet de date este transmis de la cel mai apropiat mote la gateway. Gateway-ul este de obicei conectat la server printr-un cablu USB. Pe server - datele colectate sunt procesate, stocate și pot fi accesate printr-un shell WEB unui număr mare de utilizatori.

Costul unui nod senzor variază de la sute de dolari la câțiva cenți, în funcție de dimensiunea rețelei de senzori și de complexitatea acesteia.

Hardware și standarde

Gateway (2 bucăți), conectat la un laptop cu un cablu USB. Laptopul este conectat la Internet prin UTP și acționează ca un server

Dispozitive tactile cu antenă radio

Hardware-ul nodului fără fir și protocoalele de comunicare de rețea dintre noduri sunt optimizate pentru consumul de energie pentru a asigura o viață lungă a sistemului cu surse de alimentare autonome. În funcție de modul de funcționare, durata de viață a unui nod poate ajunge la câțiva ani.

O serie de standarde sunt în prezent fie ratificate, fie în curs de dezvoltare pentru rețelele de senzori fără fir. ZigBee este un standard conceput pentru utilizare în lucruri precum controlul industrial, detecția încorporată, colectarea de date medicale și automatizarea clădirilor. Dezvoltarea Zigbee este facilitată de un mare consorțiu de companii industriale.

• WirelessHART este o continuare a protocolului HART pentru automatizarea industrială. WirelessHART a fost adăugat la protocolul HART general ca parte a specificației HART 7, care a fost aprobată de HART Communications Foundation în iunie 2007.
• 6lowpan este un standard declarat pentru stratul de rețea, dar nu a fost adoptat încă.
• ISA100 este o altă lucrare în încercarea de a intra în tehnologia WSN, dar este construit pentru a include mai larg feedback control în zona dvs. Implementarea ISA100 pe baza standardelor ANSI este programată să fie finalizată până la sfârșitul anului 2008.

WirelessHART, ISA100, ZigBee și toate se bazează pe același standard: IEEE 802.15.4 - 2005.

Software de rețea de senzori fără fir

sistem de operare

Sistemele de operare pentru rețelele de senzori fără fir sunt mai puțin complexe decât sistemele de operare de uz general din cauza limitărilor de resurse din hardware-ul rețelei de senzori. Din acest motiv, sistem de operare nu este nevoie să activați suportul pentru interfața utilizator.

Hardware-ul rețelelor de senzori fără fir nu diferă de sistemele tradiționale încorporate și, prin urmare, un sistem de operare încorporat poate fi utilizat pentru rețelele de senzori

Aplicații de vizualizare

Program pentru vizualizarea rezultatelor măsurătorilor și generarea de rapoarte MoteView v1.1

Datele din rețelele de senzori fără fir sunt de obicei stocate ca date digitale într-o stație de bază centrală. Există multe programe standard, cum ar fi TosGUI MonSense, GNS, care facilitează vizualizarea acestor cantități mari de date. În plus, Open Consortium (OGC) specifică standarde pentru interoperabilitatea și interoperabilitatea metadatelor de codare care vor permite supravegherea sau controlul în timp real al unei rețele de senzori fără fir de către oricine prin intermediul unui browser web.

Pentru a lucra cu date care provin de la nodurile rețelei de senzori fără fir, sunt utilizate programe care facilitează vizualizarea și evaluarea datelor. Un astfel de program este MoteView. Acest program vă permite să vizualizați datele în timp real și să le analizați, să construiți tot felul de grafice și să emiteți rapoarte în diferite secțiuni.

Beneficiile utilizării

• Nu este nevoie să așezați cabluri pentru alimentarea cu energie și transmiterea datelor;
• Cost redus de componente, instalare, punere în funcțiune și întreţinere sisteme;
• Viteza și simplitatea implementării rețelei;
• Fiabilitatea și toleranța la defecțiuni a întregului sistem în ansamblu în cazul defecțiunii unor unități sau componente individuale;
• Posibilitatea implementării și modificării rețelei la orice unitate fără a interfera cu funcționarea unității în sine
• Capacitatea de a instala rapid și, dacă este necesar, sub ascuns întregul sistem în ansamblu.

Fiecare senzor are dimensiunea unui capac de bere (dar în viitor dimensiunea lor poate fi redusă de sute de ori) conține un procesor, memorie și un transmițător radio. Astfel de acoperiri pot fi împrăștiate pe orice teritoriu și ele însele vor stabili conexiuni între ele, vor forma un singur rețea fără firși începeți să transmiteți date către cel mai apropiat computer.

Integrați într-o rețea wireless, senzorii pot monitoriza parametrii de mediu: mișcare, lumină, temperatură, presiune, umiditate etc. Monitorizarea poate fi efectuată pe o suprafață foarte mare, deoarece senzorii transmit informații de-a lungul unui lanț de la vecin la vecin. Tehnologia le permite să funcționeze ani de zile (chiar decenii) fără a schimba bateriile. Rețelele de senzori sunt simțurile universale ale computerului, iar toate obiectele fizice din lume echipate cu senzori pot fi recunoscute de computer. În viitor, fiecare dintre miliardele de senzori va primi o adresă IP și ar putea chiar să formeze ceva ca o rețea globală de senzori. Până acum, doar armata și industria au fost interesate de capacitățile rețelelor de senzori. Potrivit celui mai recent raport de la ON World, care este specializată în cercetarea pieței rețelelor de senzori, piața se confruntă cu o creștere semnificativă în acest an. Un alt eveniment notabil anul acesta a fost lansarea primului sistem ZigBee din lume pe un singur cip (fabricat de Ember). Dintre marile companii industriale din SUA chestionate de ON World, aproximativ 29% folosesc deja rețele de senzori, iar alți 40% plănuiesc să le implementeze în decurs de 18 luni. În America au apărut peste o sută de firme comerciale care sunt angajate în crearea și întreținerea rețelelor de senzori.

Până la sfârșitul acestui an, numărul de senzori de pe planetă va depăși 1 milion. Acum nu doar numărul de rețele este în creștere, ci și dimensiunea acestora. Pentru prima dată, mai multe rețele de peste 1000 de noduri, inclusiv una cu 25 de mii de noduri, au fost create și funcționează cu succes.

Sursa: Web PLANET

Aplicații

Aplicațiile WSN sunt multe și variate. Ele sunt utilizate în sistemele comerciale și industriale pentru a monitoriza datele care sunt dificil sau costisitoare de monitorizat folosind senzori cu fir. WSN-urile pot fi utilizate în zone greu accesibile unde pot rămâne mulți ani (monitorizare ecologică a mediului) fără a fi necesară înlocuirea surselor de alimentare. Ei pot controla acțiunile infractorilor unei instalații protejate

WSN este, de asemenea, utilizat pentru monitorizare, urmărire și control. Iată câteva aplicații:

• Monitorizarea fumului și detectarea incendiilor din pădurile mari și turbării
• Sursă suplimentară de informații pentru Centrele de Criză ale Administrației Subiecților Federației Federației Ruse
• Detectarea stresului potențial seismic
• Observații militare
• Detectarea acustică a mișcării obiectelor în sistemele de securitate.
• Monitorizarea ecologică a spațiului și a mediului
• Monitorizarea proceselor industriale, utilizare în sisteme MES
• Monitorizare medicala

Automatizarea clădirilor:

	monitorizarea temperaturii, fluxului de aer, prezența oamenilor și controlul echipamentelor pentru menținerea microclimatului;
	controlul luminii;
	managementul energiei;
	colectarea citirilor de la contoarele rezidentiale pentru gaz, apa, electricitate etc.;
	sistem de paza si alarma incendiu;
	monitorizarea stării structuri portante cladiri si structuri.

Automatizare industriala:

	control de la distanță și diagnosticare a echipamentelor industriale;
	întreținerea echipamentelor în funcție de starea curentă (prognoza marjei de siguranță);
	monitorizarea proceselor de productie;