Kablosuz Sensör Ağ Mimarisi ve Uygulamaları

Şu anda, WSN (Kablosuz Sensör Ağı) işlemcideki teknik gelişimi, iletişim ve gömülü bilgi işlem cihazlarının düşük güç kullanımı nedeniyle ticari ve endüstriyel uygulamalarda kullanılan en standart hizmettir. Kablosuz sensör ağ mimarisi, sıcaklık, nem, basınç, konum, titreşim, ses vb. Gibi çevreyi gözlemlemek için kullanılan düğümlerle oluşturulmuştur. Bu düğümler, akıllı algılama gibi çeşitli görevleri gerçekleştirmek için çeşitli gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılabilir. komşu düğümlerin keşfi, veri işleme ve depolama, veri toplama, hedef izleme, izleme ve kontrol etme, senkronizasyon, düğüm lokalizasyonu ve baz istasyonu ile düğümler arasında etkili yönlendirme. Şu anda, WSN'ler gelişmiş bir adımda organize edilmeye başlıyor. 10 ila 15 yıl içinde dünyanın İnternet üzerinden kendilerine giriş sağlayan WSN'lerle korunacağını beklemek garip değil. Bu, İnternet'in fiziksel bir n / w haline gelmesi olarak ölçülebilir. Bu teknoloji, tıp, çevre, ulaşım, askeri, eğlence, yurt savunması, kriz yönetimi ve ayrıca akıllı alanlar gibi birçok uygulama alanı için sonsuz potansiyeli ile heyecan verici.

Kablosuz Sensör Ağı nedir?

A Kablosuz Sensör Ağı bir tür kablosuz ağdır Bu, çok sayıda dolaşan, kendi kendini yöneten, dakika, düşük güçlü aygıtlar adı verilen sensör düğümleri içerir. Bu ağlar, verileri özenle toplamak, işlemek ve operatörlere aktarmak için ağa bağlı, uzamsal olarak dağıtılmış, küçük, pille çalışan, gömülü çok sayıda aygıtı kapsamaktadır ve bilgi işlem ve işleme yeteneklerini kontrol etmiştir. Düğümler, ağlar oluşturmak için birlikte çalışan küçük bilgisayarlardır.

Kablosuz Sensör Ağı

Sensör düğümü, çok işlevli, enerji açısından verimli bir kablosuz cihazdır. Motların endüstriyel alanda uygulamaları yaygındır. Bir sensör düğümleri koleksiyonu, belirli uygulama hedeflerine ulaşmak için çevredeki verileri toplar. Motlar arasındaki iletişim, alıcı-vericiler kullanılarak birbirleriyle yapılabilir. Bir kablosuz sensör ağında, mot sayısı yüzlerce / hatta binlerce olabilir. Sensör n / ws'nin aksine, Ad Hoc ağlarında herhangi bir yapı olmadan daha az düğüm olacaktır.

Kablosuz Sensör Ağ Mimarisi

En yaygın kablosuz sensör ağ mimarisi, OSI mimarisi Modelini izler. WSN'nin mimarisi beş katman ve üç çapraz katman içerir. Çoğunlukla sensör n / w'de, uygulama, taşıma, n / w, veri bağlantısı ve fiziksel katman olmak üzere beş katmana ihtiyaç duyarız. Üç çapraz düzlem, yani güç yönetimi, hareketlilik yönetimi ve görev yönetimidir. WSN'nin bu katmanları, n / w'yi gerçekleştirmek ve ağın tam verimliliğini artırmak için sensörlerin birlikte çalışmasını sağlamak için kullanılır. Lütfen aşağıdaki bağlantıyı takip edin Kablosuz sensör ağı türleri ve WSN topolojileri

WSN Mimarilerinin Türleri

WSN'de kullanılan mimari sensör ağ mimarisidir. Bu tür bir mimari, hastaneler, okullar, yollar, binalar gibi farklı yerlerde uygulanabileceği gibi, güvenlik yönetimi, afet yönetimi ve kriz yönetimi gibi farklı uygulamalarda da kullanılmaktadır. Kablosuz sensörde kullanılan iki tür mimari vardır. aşağıdakileri içeren ağlar. 2 tür kablosuz sensör mimarisi vardır: Katmanlı Ağ Mimarisi ve Kümelenmiş Mimari. Bunlar aşağıda açıklanmıştır.

• Katmanlı Ağ Mimarisi
• Kümelenmiş Ağ Mimarisi

Katmanlı Ağ Mimarisi

Bu tür bir ağ, yüzlerce sensör düğümü ve bir baz istasyonu kullanır. Burada ağ düğümlerinin düzenlenmesi eşmerkezli katmanlar halinde yapılabilir. Beş katman ve aşağıdakileri içeren 3 çapraz katmandan oluşur.

Mimarideki beş katman:

• Uygulama katmanı
• Taşıma katmanı
• Ağ katmanı
• Veri Bağlantısı Katmanı
• Fiziksel katman

Üç çapraz katman şunları içerir:

• Güç Yönetim Düzlemi
• Hareketlilik Yönetim Düzlemi
• Görev Yönetim Düzlemi

Bu üç çapraz katman, esas olarak ağı kontrol etmek ve ayrıca genel ağ verimliliğini artırmak için sensörlerin tek bir işlev görmesini sağlamak için kullanılır. Yukarıda bahsedilen beş WSN katmanı aşağıda tartışılmaktadır.

Kablosuz Sensör Ağ Mimarisi

Uygulama katmanı

Uygulama katmanı trafik yönetiminden sorumludur ve verileri olumlu bilgileri bulmak için net bir biçimde dönüştüren çok sayıda uygulama için yazılım sunar. Tarım, askeri, çevre, tıp gibi farklı alanlarda sayısız uygulamada düzenlenmiş sensör ağları.

Taşıma katmanı

Taşıma katmanının işlevi, bu işlevi sunmayı amaçlayan birçok protokolün yukarı akışta pratik olduğu yerlerde tıkanıklıktan kaçınma ve güvenilirlik sağlamaktır. Bu protokoller, kayıp tanıma ve kayıp kurtarma için farklı mekanizmalar kullanır. Taşıma katmanı, bir sistemin diğer ağlarla iletişim kurması planlandığında tam olarak gereklidir.

Güvenilir bir kayıp kurtarma sağlamak enerji açısından daha verimlidir ve TCP'nin WSN'ye uygun olmamasının ana nedenlerinden biri budur. Genel olarak, Taşıma katmanları Paket güdümlü, Olay güdümlü olarak ayrılabilir. Taşıma katmanında STCP (Sensör İletim Kontrol Protokolü), PORT (Fiyat Odaklı Güvenilir Taşıma Protokolü ve PSFQ (hızlı pompa yavaş getirme) gibi bazı popüler protokoller vardır.

Ağ katmanı

Ağ katmanının ana işlevi yönlendirmedir, uygulamaya dayalı birçok görevi vardır, ancak aslında ana görevler güç tasarrufu, kısmi bellek, tamponlar ve sensörün evrensel bir kimliği yoktur ve kendi kendine organize ol.

Yönlendirme protokolünün basit fikri, protokolden protokole değişen, metrik adı verilen ikna edici bir ölçeğe göre güvenilir bir şerit ve fazlalık şeritleri açıklamaktır. Bu ağ katmanı için birçok mevcut protokol vardır, bunlar düz yönlendirme ve hiyerarşik yönlendirmeye ayrılabilir veya zamana dayalı, sorguya dayalı ve olay güdümlü olarak ayrılabilir.

Veri Bağlantısı Katmanı

Veri bağlantı katmanı, veri çerçevesi algılama, veri akışları, MAC ve hata kontrolünü çoğaltmaktan sorumludur, nokta-nokta (veya) nokta-çok noktasının güvenilirliğini onaylar.

Fiziksel katman

Fiziksel katman, fiziksel ortamın üzerine bir bit akışını aktarmak için bir kenar sağlar. Bu katman, frekansın seçilmesinden, bir taşıyıcı frekansın üretilmesinden, sinyal tespitinden, Modülasyon ve veri şifrelemesinden sorumludur. IEEE 802.15.4, düşük maliyetli belirli alanlar ve düşük maliyetli, güç tüketimi, yoğunluk ve pil ömrünü iyileştirmek için iletişim aralığı olan kablosuz sensör ağları için tipik olarak önerilmektedir. CSMA / CA, yıldız ve eşler arası topolojiyi desteklemek için kullanılır. IEEE 802.15.4.V'nin birkaç sürümü vardır.

WSN'de bu tür bir mimariyi kullanmanın temel faydaları, her düğümün, diğer sensör ağ mimarisi türlerine kıyasla güç kullanımının düşük olması nedeniyle, komşu düğümlere daha az mesafeli, düşük güç aktarımlarını içermesidir. Bu tür bir ağ ölçeklenebilir ve yüksek bir hata toleransı içerir.

Kümelenmiş Ağ Mimarisi

Bu tür mimaride, ayrı ayrı sensör düğümleri, kümeleri kullandığı için 'Leach Protokolü' ne bağlı olan kümeler olarak bilinen gruplara eklenir. 'Sızıntı Protokolü' terimi, 'Düşük Enerjili Uyarlanabilir Kümeleme Hiyerarşisi' anlamına gelir. Bu protokolün temel özellikleri esas olarak aşağıdakileri içerir.

Kümelenmiş Ağ Mimarisi

• Bu, iki katmanlı bir hiyerarşi kümeleme mimarisidir.
• Bu dağıtılmış algoritma, sensör düğümlerini kümeler olarak bilinen gruplar halinde düzenlemek için kullanılır.
• Ayrı olarak oluşturulan her kümede, kümenin baş düğümleri TDMA (Zaman bölmeli çoklu erişim) planlarını oluşturacaktır.
• Ağın enerjisini verimli hale getirmek için Data Fusion konseptini kullanır.

Bu tür bir ağ mimarisi, veri füzyon özelliği nedeniyle oldukça kullanılır. Her kümede, her düğüm, verileri almak için kümenin başından etkileşime girebilir. Tüm kümeler topladıkları verileri baz istasyonuyla paylaşacak. Bir kümenin oluşumu ve her kümedeki baş seçimi, bağımsız olduğu kadar otonom dağıtılmış bir yöntemdir.

Kablosuz Algılayıcı Ağ Mimarisinin Tasarım Sorunları

Kablosuz sensör ağ mimarisinin tasarım sorunları esas olarak aşağıdakileri içerir.

• Enerji tüketimi
• Yerelleştirme
• Kapsam
• Saatler
• Hesaplama
• Üretim maliyeti
• Donanım Tasarımı
• Hizmet kalitesi

Enerji tüketimi

WSN'de güç tüketimi ana sorunlardan biridir. Enerji kaynağı olarak pil, sensör düğümleri ile donatılarak kullanılır. Sensör ağı, tehlikeli durumlar içinde düzenlenmiştir, bu nedenle pilleri başka türlü şarj etmek için karmaşık hale gelir. Enerji tüketimi temel olarak sensör düğümlerinin iletişim, algılama ve veri işleme gibi işlemlerine bağlıdır. İletişim boyunca enerji tüketimi çok yüksektir. Böylece verimli yönlendirme protokolleri kullanılarak her katmanda enerji tüketiminden kaçınılabilir.

Yerelleştirme

Ağın çalışması için temel ve kritik sorun sensör yerelleştirmesidir. Böylece sensör düğümleri, konumlarını bilmemeleri için geçici bir şekilde düzenlenir. Düzenlendikten sonra sensörün fiziksel konumunu belirlemenin zorluğu, yerelleştirme olarak bilinir. Bu zorluk GPS, işaret düğümleri, yakınlığa dayalı yerelleştirme yoluyla çözülebilir.

Kapsam

Kablosuz sensör ağındaki sensör düğümleri, verileri tespit etmek için bir kapsama algoritması kullanır ve aynı zamanda bunları yönlendirme algoritması boyunca batmaları için iletir. Tüm ağı kapsamak için sensör düğümleri seçilmelidir. En az ve en yüksek maruz kalma yolu algoritmaları gibi verimli yöntemler ve kapsama tasarım protokolü önerilir.

Saatler

WSN'de saat senkronizasyonu ciddi bir hizmettir. Bu senkronizasyonun ana işlevi, sensör ağları içindeki yerel saat düğümleri için sıradan bir zaman ölçeği sunmaktır. Bu saatler, izleme ve izleme gibi bazı uygulamalarda senkronize edilmelidir.

Hesaplama

Hesaplama, her bir düğümde devam eden verilerin toplamı olarak tanımlanabilir. Hesaplamadaki ana sorun, kaynakların kullanımını azaltması gerektiğidir. Baz istasyonunun ömrü daha tehlikeli ise, baz istasyona veri aktarılmadan önce her düğümde veri işleme tamamlanacaktır. Her düğümde, bazı kaynaklarımız varsa, tüm hesaplama havuzda yapılmalıdır.

Üretim maliyeti

WSN'de çok sayıda sensör düğümü düzenlenmiştir. Dolayısıyla, tek düğüm fiyatı çok yüksekse, genel ağ fiyatı da yüksek olacaktır. Sonuçta, her bir sensör düğümünün fiyatı daha az tutulmalıdır. Bu nedenle, kablosuz sensör ağındaki her sensör düğümünün fiyatı zorlu bir sorundur.

Donanım Tasarımı

Güç kontrolü, mikro denetleyici ve iletişim birimi gibi herhangi bir sensör ağının donanımını tasarlarken enerji açısından verimli olmalıdır. Düşük enerji kullanacak şekilde tasarımı yapılabilir.

Hizmet kalitesi

Hizmet kalitesi veya QoS hiçbir şey değildir, ancak verilerin zamanında dağıtılması gerekir. Çünkü gerçek zamanlı sensör tabanlı uygulamaların bazıları esas olarak zamana bağlıdır. Dolayısıyla, veriler alıcıya zamanında dağıtılmazsa, veriler işe yaramaz hale gelecektir. WSN'lerde, sık sık değişebilen ağ topolojisi gibi farklı QoS sorunları türleri vardır ve yönlendirme için kullanılan erişilebilir bilgi durumu kesin olmayabilir.

Kablosuz Sensör Ağının Yapısı

WSN'nin yapısı, esas olarak bir yıldız, ağ ve karma yıldız gibi radyo iletişim ağları için kullanılan çeşitli topolojilerden oluşur. Bu topolojiler aşağıda kısaca tartışılmıştır.

Yıldız Ağı

Bir yıldız ağı gibi iletişim topolojisi, yalnızca baz istasyonunun uzak düğümlere bir mesaj iletebildiği veya alabildiği her yerde kullanılır. Birbirine mesaj iletmesine izin verilmeyen çok sayıda düğüm mevcuttur. Bu ağın faydaları, uzak düğümlerin güç kullanımını minimumda tutabilen basitliği içerir.

Ayrıca hem baz istasyonu hem de uzak düğüm arasında daha az gecikmeyle iletişime izin verir. Bu ağın ana dezavantajı, baz istasyonunun tüm ayrı düğümler için radyo menzili içinde olması gerektiğidir. Diğer ağlar gibi sağlam değildir çünkü ağı idare etmek için tek bir düğüme bağlıdır.

Mesh Ağı

Bu tür bir ağ, radyo iletimi aralığındaki ağ içinde bir düğümden diğerine veri aktarımına izin verir. Bir düğümün bir mesajı başka bir düğüme iletmesi gerekiyorsa ve bu, radyo iletişim menzilinin dışındaysa, mesajı tercih edilen düğüme göndermek için bir ara düğüm gibi bir düğüm kullanabilir.

Bir örgü ağın ana yararı, ölçeklenebilirliğin yanı sıra yedekliliktir. Tek bir düğüm çalışmayı durdurduğunda, bir uzak düğüm, aralık içindeki herhangi bir başka düğüm tipi ile görüşebilir ve ardından mesajı tercih edilen konuma iletebilir. Ek olarak, ağ aralığı, tek düğümler arasındaki aralık aracılığıyla otomatik olarak sınırlanmaz, sisteme bir dizi düğüm ekleyerek basitçe genişletilebilir.

Bu tür bir ağın ana dezavantajı, çoklu atlama gibi iletişimi gerçekleştiren ağ düğümleri için güç kullanımıdır, genellikle pil ömrünü sık sık sınırlama kapasitesine sahip olmayan diğer düğümlerden daha yüksektir. Dahası, bir hedefe doğru iletişim sekmelerinin sayısı arttığında, özellikle düğümlerin düşük güç süreci bir zorunluluksa, mesajı göndermek için geçen süre de artacaktır.

Hibrit Yıldız - Mesh Ağı

Star ve mesh gibi iki ağ arasındaki hibrit, kablosuz sensör düğümlerinin güç tüketimini minimumda tutarken güçlü ve esnek bir iletişim ağı sağlar. Bu tür ağ topolojisinde, daha az güce sahip sensör düğümlerinin mesajları iletmesine izin verilmez.
Bu, en az güç kullanımını sürdürmeye izin verir.

Ancak, diğer ağ düğümlerine, ağdaki bir düğümden diğerine mesaj iletmelerine izin vererek çoklu atlama özelliği ile izin verilir. Genellikle, çoklu atlama kapasitesine sahip düğümler yüksek güce sahiptir ve sıklıkla şebeke hattına bağlanır. Bu, ZigBee adı verilen, yaklaşan standart örgü ağ üzerinden uygulanan topolojidir.

Kablosuz Sensör Düğümünün Yapısı

Kablosuz bir sensör düğümü yapmak için kullanılan bileşenler, algılama, işleme, alıcı-verici ve güç gibi farklı birimlerdir. Aynı zamanda bir güç jeneratörü, bir konum bulma sistemi ve bir mobilize edici gibi bir uygulamaya bağlı olan ek bileşenler içerir. Genel olarak, algılama birimleri iki alt birim, yani ADC'ler ve sensörler içerir. Burada sensörler, ADC yardımı ile dijital sinyallere dönüştürülebilen analog sinyaller üretir ve daha sonra işlem ünitesine iletir.

Genel olarak, bu birim, tahsis edilmiş algılama görevlerini gerçekleştirmek için sensör düğümünün diğer düğümlerle çalışmasını sağlamak için eylemleri yerine getirmek üzere küçük bir depolama birimi aracılığıyla ilişkilendirilebilir. Sensör düğümü, bir alıcı-verici ünitesi yardımıyla ağa bağlanabilir. Sensör düğümünde, temel bileşenlerden biri bir sensör düğümüdür. Güç üniteleri, güneş pilleri gibi güç süpürme üniteleri ile desteklenirken, diğer alt üniteler uygulamaya bağlıdır.

Kablosuz algılama düğümleri işlevsel blok şeması yukarıda gösterilmiştir. Bu modüller, geniş uygulamaların gereksinimlerini karşılamak için çok yönlü bir platform sağlar. Örneğin düzenlenecek sensörlere göre sinyal koşullandırma bloğunun değiştirilmesi yapılabilir. Bu, kablosuz algılama düğümü ile birlikte farklı sensörlerin kullanılmasına izin verir. Benzer şekilde, radyo bağlantısı belirli bir uygulama ile değiştirilebilir.

Kablosuz Sensör Ağının Özellikleri

WSN'nin özellikleri aşağıdakileri içerir.

• Pilli düğümler için Güç sınırlarının tüketimi
• Düğüm hatalarını yönetme kapasitesi
• Düğümlerin bazı hareketliliği ve düğümlerin heterojenliği
• Geniş bir dağıtım ölçeğine ölçeklenebilirlik
• Sıkı çevre koşullarını sağlama yeteneği
• Kullanımı kolay
• Katmanlar arası tasarım

Kablosuz Sensör Ağlarının Avantajları

WSN'nin avantajları aşağıdakileri içerir

• Taşınmaz altyapı olmadan ağ düzenlemeleri yapılabilir.
• Dağlar, deniz üstü, kırsal alanlar ve derin ormanlar gibi ulaşılamayan yerlere uygun.
• Ek bir iş istasyonunun gerekli olduğu sıradan bir durum varsa esnektir.
• Yürütme fiyatlandırması ucuzdur.
• Bol miktarda kablolamayı önler.
• Yeni cihazlar için herhangi bir zamanda konaklama sağlayabilir.
• Merkezi izleme kullanılarak açılabilir.

Kablosuz Sensör Ağ Uygulamaları

Kablosuz sensör ağları, çok çeşitli ortam durumlarını izlemek için akıllı olan düşük örnekleme hızı, sismik, manyetik, termal, görsel, kızılötesi, radar ve akustik gibi çok sayıda farklı sensör türü içerebilir. Sensör düğümleri, aktüatörlerin sabit algılama, olay kimliği, olay algılama ve yerel kontrolü için kullanılır. Kablosuz sensör ağlarının uygulamaları temel olarak sağlık, askeri, çevre, ev ve diğer ticari alanları içerir.

WSN Uygulaması

• Askeri Uygulamalar
• Sağlık Uygulamaları
• Çevresel Uygulamalar
• Home Uygulamalar
• Ticari uygulamalar
• Alan izleme
• Sağlık izleme
• Çevresel / Dünya duyumları
• Hava kirliliği izleme
• Orman yangını algılama
• Heyelan tespiti
• Su kalitesi izleme
• Endüstriyel izleme

Bu nedenle, bu tamamen bir kablosuz sensör ağı , kablosuz sensör ağ mimarisi, özellikleri ve uygulamaları. Bu kavramı daha iyi anladığınızı umuyoruz. Ayrıca, herhangi bir sorunuz veya bilinmesi gereken kablosuz sensör ağı proje fikirleri , lütfen aşağıdaki yorum bölümünde yorum yaparak değerli önerilerinizi iletin. İşte sana bir soru farklı kablosuz sensör ağ türleri nelerdir?