WSN, акроним за безжични сензорни мрежи, открива и реагира на физически условия и условия на околната среда, като топлина, налягане, светлина и т.н., чрез своята сензорна мрежа.
Напредъкът в безжичните технологии и сензорите на микро електромеханичната система (MEMS) направи възможно интелигентното внедряване на сензори с ниска мощност в широка област, създавайки евтини WSN за военни и граждански приложения.
В раздела по-долу ще обсъдим видовете WSN, техните компоненти и приложения, както и техните предимства и недостатъци и приложения.
Съдържание
Какво е значението на мрежа?
Мрежовите връзки свързват устройства, които позволяват обмен на информация и споделяне на ресурси. Тези интегрирани устройства използват комуникационни протоколи като TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP и т.н., които са набор от правила за предаване на данни през безжични или кабелни мрежи.
По принцип има два вида мрежи: кабелни и безжични. Кабелните и безжичните мрежи се различават в зависимост от скоростта на трансфер на данни, сигурността на данните, комуникационния обхват и цената.
Кабелната мрежа се категоризира според взаимното свързване на устройства чрез физически кабели, докато безжичните мрежи зависят от радиовълните за свързване на устройството. Налични са различни безжични технологии като Wi-Fi, Bluetooth и др.
Безжичната сензорна мрежа (WSN), както гласи името, е безжична технология и комуникацията се осъществява чрез радиосигнали.
Какво е безжична сензорна мрежа (WSN)?
Безжичната сензорна мрежа, наричана още WSN, е колекция от специализирани сензори, подредени на различни места в специфични структури за записване и наблюдение на физически параметри на околната среда и организиране на получените данни на централизирано място.
Тези физически параметри включват, но не се ограничават до температура, налягане, вятър и влажност, наред с други фактори.
Кредит за изображение: electronicshub
WSN мрежата се състои от базови станции и възли, разположени на различни места, които взаимодействат безжично. WSN структурата може да бъде реализирана с помощта на четири различни подхода, а именно от точка до точка, тип звезда, дърво и мрежи.
Подреждането на WSN може да бъде категоризирано в пет типа въз основа на физическата среда: подземни, наземни, подводни, мултимедийни и мобилни WSN.
Новите сензорни дизайни използват инженерни и технологични постижения, за да свържат физическите и цифровите области за ефективни резултати.
WSN се състои от възли със сензори, откриващи физически и екологични промени, които предават данни към базова станция за анализ и изходни отчети.
Интегрирането на безжични сензорни мрежи с GPS или RFID може да подобри покритието и да създаде сложни системи за проследяване или наблюдение.
WSN имат за цел да събират информация за околната среда, за да подобрят безопасността, производителността и предотвратяването на инциденти, като същевременно опазват околната среда.
Компоненти на WSN
Нека да видим списъка с компоненти, които правят WSN. Основно има две части в WSN: сензорен възел и мрежова архитектура.
Сензорен възел
Сензорният възел се състои от следните компоненти:
- Захранване: За захранване на всички компоненти на мрежата.
- Сензорен модул: Състои се от сензор и ADC (аналогово-цифров преобразувател). Сензорът събира аналогови данни и ADC ги променя в цифров формат. Сензорните възли имат не само сензорна функция, но и компоненти за обработка, комуникация и съхранение. Sensor Node събира и анализира физически данни и ги корелира и обединява с данни от други сензори.
- Процесор: Състои се от памет и микропроцесор. Той интелигентно обработва и манипулира данните.
- Комуникационна система: Радиосистема за предаване и приемане на данни.
- Базова станция: Това е изключителен възел с висока изчислителна енергия и способност за обработка.
Кредит за изображение: electronicshub
Клъстерна глава: Това е сензорен възел с висока честотна лента, използван за извършване на функции за обединяване и агрегиране на данни в WSN. Въз основа на системните изисквания и приложения, повече от една клъстерна глава ще бъде вътре в клъстера.
В безжична сензорна мрежа (WSN) сензорен възел комуникира с други сензорни възли, разположени в големи области, за да наблюдават физическата среда и базова станция (BS) чрез безжична комуникация. Сензорните възли събират данни и ги изпращат до базовата станция. Базовите станции обработват данните и споделят актуализирана информация с потребителите онлайн.
Мрежова архитектура
Когато всички сензорни възли са свързани към базовата станция, това се нарича Single-hop мрежова архитектура. Когато данните се предават на дълги разстояния, те консумират повече енергия от събирането на данни и изчисленията, така че в такива случаи обикновено се използва мрежова архитектура с няколко хопа чрез използване на междинни възли вместо единична връзка, свързваща сензорния възел с базовата станция.
Кредит за изображение: electronicshub
Има два начина за прилагане на тези структури: плоска мрежова архитектура и йерархична мрежова архитектура.
В плоската архитектура базовата станция командва всички сензорни възли, а сензорните възли отговарят чрез равноправни възли, използвайки път с множество хопове.
В йерархичната мрежова архитектура главите на клъстерите получават информация от група сензорни възли и предават данни към базовата станция.
Други компоненти на WSN
- Релеен възел: Междинният възел се използва за комуникация със съседния възел. Той подобрява надеждността на мрежата и няма сензор за процес или контролно оборудване.
- Актьорски възел: Възел от висок клас се използва за изпълнение и конструиране на решение в зависимост от изискванията на приложението. Обикновено тези възли са богати на ресурси устройства, оборудвани с висококачествени възможности за обработка, висока мощност на предаване и живот на батерията.
- Шлюз: Шлюзът е интерфейс между сензорни мрежи и външни мрежи. В сравнение със сензорния възел и главата на клъстера, шлюзовият възел е най-мощен по отношение на паметта за програми и данни, използвания процесор, обхвата на трансивъра и възможността за разширяване чрез външна памет.
Видове безжични сензорни мрежи (WSN)
Има пет различни типа WSN:
- Под вода: Подводната безжична сензорна мрежа използва сензорни възли и превозни средства под водата за събиране на данни. Той има проблеми с висока латентност и неизправности на сензора и има ограничен брой неакумулаторни батерии.
- Под земята: Този тип наблюдава подземните условия, тъй като те работят изцяло под земята, а възлите на поглътителите, разположени над земята, предават данни към базовата станция. Струва повече от наземните мрежи поради скъпото оборудване и поддръжка.
- Наземна: Този тип мрежа се използва на сушата за наблюдение на условията на околната среда в различни райони. Хиляди безжични сензорни възли в наземните WSN са разположени в ad hoc или предварително планирана структура, за да комуникират ефективно с базовите станции.
- Мултимедия: WSN могат да проследяват и наблюдават мултимедийни събития като видео, изображения и аудио. Те имат достъпни сензорни възли с камери и микрофони, които безжично свързват, извличат, компресират и корелират данни.
- Мобилни: Мобилните WSN се състоят от сензорни възли, които могат да се движат и комуникират, докато изпълняват сензорни функции. Мобилните безжични сензорни мрежи предлагат повече гъвкавост, по-широко покритие, по-добър капацитет на канала и пестят енергия в сравнение със стационарните сензорни мрежи.
Разполагането на типа WSN се основава на изискванията за приложение и земя.
Различни структури на WSN
Има четири типа мрежови структури, но тяхното внедряване засяга латентността, капацитета и устойчивостта, тъй като маршрутизирането и обработката на данни се променят с различни мрежови структури. Така че оценката на изискванията и естеството на приложението трябва да бъдат известни преди разгръщането на WSN структурата.
Възлите могат също да бъдат свързани към интернет и да прехвърлят данни към облачната платформа за допълнителен анализ.
Кредит за изображение: Researchgate
- Точка до точка или шинна структура: Сензорите в тази мрежа могат да комуникират директно един с друг без централен хъб. Тази структура е широко използвана и осигурява сигурна комуникация.
- Звездна структура: Звездната мрежа използва базова станция като централен хъб за комуникация с всички сензори и е лесна за изпълнение и изисква ниска мощност. Един от недостатъците на тази структура е зависимостта от една базова станция за комуникация.
- Дървовидна или хибридна структура: Състои се от структури от точка до точка и звезда. В тази структура сензорите са подредени в дървовидна конфигурация и предаването на данни става чрез разклонения между тях. Използва по-малко енергия от другите структури.
- Мрежеста структура: В тази структура предаването на данни се извършва между сензори в рамките на техните обхвати на предаване за комуникация с множество хопове без необходимост от централна базова станция. Сензорите могат да използват междинни сензори за предаване на данни към сензори извън тяхната зона на радиопокритие. Следователно е известен с мащабируемостта и излишъка. Смята се за най-надеждната, тъй като няма отделна точка на повреда, но изисква повече мощност.
Приложения на WSN
WSN се използват широко в множество сектори, където се изисква измерване, проследяване или наблюдение. Те се разпространяват в една област, измервайки температура, звук и други параметри в различни приложения.
- Те се използват за наблюдение на региони чрез разполагане на сензори за откриване на опити за проникване, така че се използват широко в армията за откриване на враждебни нашествия.
- Те са популярни сред граждански приложения като минно дело, здравеопазване, наблюдение, селско стопанство и други условия за наблюдение.
- Безжичните сензорни възли откриват паркирани превозни средства чрез магнитометри, докато микрорадари и магнитометри могат да се използват за проследяване.
- WSN е много популярен в наблюдението и наблюдението на околната среда/земята, като предотвратяване на природни бедствия, откриване на свлачища, наблюдение на качеството на водата, откриване на горски пожари и наблюдение на местообитанията. Също така широко се счита за решения за промишлен мониторинг като изправност на машини, отпадъчни води, структурно здраве и др.
Предимства и недостатъци на безжичните сензорни мрежи
В този раздел ще разгледаме предимствата и недостатъците на WSN:
Предимства
- WSN са предпочитани пред кабелните системи за наблюдение поради тяхното удобство, надеждност, достъпност и лекота на внедряване.
- WSN елиминира необходимостта от кабели или жици.
- Компетентността на WSN се дължи на много фактори: прецизност на отчитане, обхват на покритие, устойчивост на грешки, свързаност, ниско човешко участие, функционалност при предизвикателни условия и динамично планиране на сензора.
- Позволява централизирано наблюдение на всички възли в WSN.
- Адаптивен към физически дялове без никакъв проблем.
- Протоколи за маршрутизиране за комуникация в среда с ограничена производителност и честотна лента, създаване на самоорганизиращи се ad hoc мрежи, които използват комуникация с няколко хопа.
- Той използва базирани на безжична технология алгоритми за сигурност, за да създаде надеждна мрежа за потребителите.
- Позволява лесно интегриране на нови възли или устройства за мащабируемост.
Недостатъци
- WSN са изправени пред предизвикателства като ограничена честотна лента, висока консумация на енергия, скъпи разходи за възли, модели за внедряване и ограничения на дизайна на хардуера/софтуера.
- Безжичните сензорни мрежи са податливи на хакване.
- WSN са предназначени за нискоскоростни приложения и не са подходящи за високоскоростна комуникация.
- Скъпо за изграждане на WSN мрежи.
- Цялата мрежа може да се изключи в WSN, базирани на звездна топология, ако централният възел се повреди.
Ресурси за обучение
#1. Изграждане на безжични сензорни мрежи с помощта на Arduino
Книга за изграждане на безжична мрежа с ниска мощност с оборудване Arduino и XBee. Включва обяснения за разработване на сложни проекти чрез илюстративни примери. Книгата предоставя подробни снимки и екранни снимки и обяснява проект за домашна автоматизация, който може да се следва такъв, какъвто е, или да се персонализира.
Ще научите как да свързвате безжично платки Arduino с помощта на XBee модули и да контролирате околната среда въз основа на обратна връзка от мрежови сензори. Използвайте софтуера XCTU на Windows, OS X или Linux за събиране и съхранение на данни от сензори в облачна платформа или лична база данни. Също така взаимодействайте с устройствата на ZigBee Home Automation.
Тази книга може да се използва от разработчици на вградени системи и ентусиасти с разбиране за Arduino, за да разширят своите проекти с помощта на безжични технологии.
#2. Изграждане на безжични сензорни мрежи: със ZigBee, XBee, Arduino и обработка
Тази книга набляга на изграждането на ZigBee мрежа с помощта на радиостанции XBee и Arduino, струващи под $100. Създайте регулируеми сензорни и задействащи системи и придобийте знания за тънкостите на XBee като управление на захранването и маршрутизиране на източника. Разработете шлюзове за взаимно свързване със съседни мрежи, включително интернет.
Тази книга ще помогне на различни хора да придобият знания и умения, за да следват своите проекти, като следват примерите във всяка глава, включително изобретатели, хакери, занаятчии, студенти, любители и учени.
Това е чудесен ресурс за създаване на интелигентни интерактивни джаджи, а сензорните системи са достъпни чрез използване на безжичния мрежов протокол ZigBee и радиостанции Series 2 XBee.
#3. Индустриални безжични сензорни мрежи (IWSN): протоколи и приложения
Тази публикация представя нови резултати от изследвания върху промишлени безжични сензорни мрежи. Докладите, включени в специалното издание, допринасят за напредъка в изследванията на IWSN и се очаква да вдъхновят по-нататъшни изследвания и внедряване.
IWSN са от решаващо значение поради нарастващото използване на безжични сензорни мрежи в ежедневието и индустрията, които имат високи стандарти за устойчивост, надеждност и навременност във всеки мрежов слой.
#4. Изграждане на безжични сензорни мрежи с ESP32 LoRa
Това ръководство е за внедряване на основна безжична сензорна мрежа (WSN) с ESP32 в мрежата LoRa.
Той обхваща различни теми като подготовка на средата за разработка, конфигуриране на ESP32 LoRa, изпращане и получаване на данни, обработка на прекъсване на LoRa приемник, излъчване на съобщения в мрежата LoRa и създаване на WSN приложение с ESP32 LoRa.
Заключителни думи
Безжичните сензорни мрежи (WSN) станаха жизненоважни за различни приложения за наблюдение и проследяване. WSN напредна от основен сензорен мониторинг до усъвършенствано отчитане, обработка и анализ.
Технологията WSN се трансформира значително, за да събере ценни знания и да осигури желаните резултати.
След това проверете работата на модела на архитектурата на TCP/IP протокола.