Ковалевский Никита Алексеевич

Реферат

Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем – сенсорных сетей.

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks – WSN) состоят из миниатюрных вычислительно–коммуникационных устройств – мотов (от англ. motes – пылинки), или сенсоров [1] . Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память – флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого–цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики.

1. Актуальность темы

Из достаточно большого числа примеров использования беспроводных сенсорных сетей выделим два. Наиболее известным является, пожалуй, развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР [1] . Там с помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания. Компания BP проанализировала, может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна. Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети.

Примером еще одного реализованного пилотного проекта является развертывание сенсорной сети на базе военно-воздушных сил США во Флориде [1] . Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числе движущихся. Применение сенсорной сети позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками. Соответствующее прикладное программное обеспечение разрабатывается несколькими американскими университетами.

Актуальность исследований беспроводных сенсорных сетей очевидна. Уже сейчас во многих отраслях их начинают использовать. Это и мониторинг экологии, авто трафика, погоды. С совершенствованием технологий и осложнения различных производств потребность в беспроводных сенсорных сетях будет только расти. Но прежде чем внедрять сети их необходимо тщательно протестировать, поэтому и нужно проводить исследования в этой области.

14 стр., 6529 слов

Язык социальных сетей как социокультурный феномен

... годы. Противники виртуального общения бьют тревогу, утверждая, что социальные сети убивают коммуникабельность и даже культуру слова. Слово - ... - сообщества, но и серьезно влияет на речевое поведение всего общества в целом. Язык становится не только средством общения, ... части ее ЗАГЛАВНЫМИ БУКВАМИ), который повсеместно в Сети трактуется как повышение голоса. Недостаточность или невозможность передачи в ...

2. Особенности мобильных сенсорных сетей

Мобильные сенсорные сети, в отличии от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей, имеют массу преимуществ: [2]

  • полное отсутствие каких бы то ни было кабелей – электрических, коммуникационных и т.д.;
  • надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом;
  • в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10–20% сенсоров (мотов);
  • отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.

Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Они могут состоять из различных типов датчиков, например сейсмических, датчиков определения магнитного поля, тепловых, инфракрасных, акустических, которые в состоянии осуществлять самые разнообразные измерения условий окружающей среды. Беспроводные сенсорные сети – это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:

  • системы обороны и обеспечение безопасности;
  • контроль окружающей среды;
  • мониторинг промышленного оборудования;
  • охранные системы;
  • мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
  • управление энергоснабжением;
  • контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;
  • пожарная сигнализация;
  • складской учет;
  • слежение за транспортировкой грузов;
  • мониторинг физиологического состояния человека;
  • контроль персонала.

Сенсоры могут использоваться для непрерывного зондирования, обнаружения и идентификации событий. Концепция микро зондирования и беспроводное соединение обещают много новых областей применения для таких сетей [3] .

3. Архитектура сенсорных сетей

Узлы, как правило, расположены случайным образом по всей территории наблюдения. Каждый из них может осуществлять сбор данных и знает маршрут передачи данных обратно в центральный узел, конечному пользователю по кратчайшему маршруту. Пример расчета маршрута показан на рисунке 2 [4] .

Данные передаются с помощью multi–hop архитектуры сети. Стек протоколов включают в себя информацию о мощности и информации о маршрутах, содержит данные о сетевых протоколах, помогает эффективно общаться посредствам беспроводной среды, и содействует совместной работе узлов. Стек протоколов состоит из уровня приложений, транспортного уровня, сетевого уровня, канального уровня, физического уровня, слоя управления питанием, слоя управления мобильностью и слоя планирования задач (Рис. 3) [3] .

В зависимости от задач по сбору данных, различные виды прикладного программного обеспечения могут быть построены на уровне приложений. Транспортный уровень помогает поддерживать поток данных, если это требуется. Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию данных, предоставленных транспортным уровнем. Поскольку среда имеет посторонние шумы и узлы могут быть перемещены, протокол MAC должен минимизировать возникновение коллизий при передаче данных между соседними узлами. Физический уровень отвечает за возможность передачи информации. Эти протоколы помогают узлам выполнять задачи при экономии электроэнергии. Слой управления питанием определяет, как узел должен использовать энергию. Например, узел может отключить приемник после получения сообщения от одного из своих соседей. Это поможет избежать получения дубликата сообщения. Кроме того, когда узел имеет низкий заряд батареи, он передает своим соседям информацию о том, что не может участвовать в маршрутизации сообщений. Всю оставшуюся энергию он будет использовать для сбора данных. Слой управления мобильностью (MAC) определяет и регистрирует передвижение узлов, поэтому всегда существует маршрут для передачи данных в центральный узел и узлы могут определять своих соседей.

43 стр., 21161 слов

Средства передачи данных, оборудование, создание сети

... сети на основе высоко надежных и защищенных сетей передачи данных. При создании информационной сети предприятие получает ряд преимуществ: Единое информационное пространство; Оперативность получения информации ... данных Безопасность: o защита данных от несанкционированного доступа o избирательный контроль и мандатный доступ o средства ... количество сегментов, содержащих узлы, – 1024. Повторитель ...

А зная своих соседей, узел может сбалансировать энергопотребление, работая совместно с ними. Менеджер задач планирует и составляет расписания сбора информации для каждого региона отдельно. Не все узлы в одном регионе необходимы для выполнения задач зондирования в одно и то же время. Как результат, некоторые узлы выполняют больше задач, чем другие, это зависит от их мощности. Все эти слои и модули необходимы для того чтобы узлы работали вместе и стремились к максимальной энергоэффективности, оптимизации маршрута передачи данных в сети, а также совместно использовали ресурсы друг друга. Без них, каждый узел будет работать индивидуально. С точки зрения всей сенсорной сети эффективнее, если узлы будут работать совместно друг с другом, что способствует продлению времени жизни самой сетей [5] .

4. Стандарты беспроводной связи

Среди наиболее известных беспроводных технологий можно выделить: Wi–Fi, Wi–Max, Bluetooth, Wireless USB и относительно новую технологию – ZigBee, которая изначально разрабатывалась с ориентацией на промышленные применения.

Каждая из этих технологий имеет свои уникальные характеристики, которые определяют соответствующие области применения. Попытаемся сформулировать требования, которым должна удовлетворять технология связи для ее успешного применения в промышленности [6] . Допустим, имеется некий промышленный объект, состоящий из нескольких насосных электроприводов, устройства сбора информации с различных технологических датчиков, например, датчиков давления, температуры, расхода, в том числе установленных удаленно, операторского пульта и диспетчерского пункта. Управление насосами производится с операторского пульта, а в диспетчерском пункте производится непрерывный мониторинг системы.

Очевидно, что оптимальным вариантом с точки зрения простоты и удобства было бы объединение всех устройств, участвующих в обмене информацией, в единую информационную сеть, работающую в одном стандарте. Поскольку на промышленном объекте могут быть установлены устройства различной сложности и, соответственно, стоимости, то программно–аппаратный комплекс, обеспечивающий доступ каждого устройства в информационную сеть, должен быть достаточно дешевым. Также технология связи должна обеспечивать необходимую дальность и скорость соединений. А если принять во внимание то, что промышленная установка может быть дополнена новыми узлами (например, еще одним насосом или устройством сбора информации), то от технологии связи требуется возможность масштабирования. Ну и, конечно же, коммуникационная технология должна обеспечивать надежность и безопасность передачи информации [7] . Рассмотренный случай является типичным примером распределенной системы управления, где каждый из узлов, являясь интеллектуальным, выполняет свою локальную задачу автоматизации, а связи между узлами являются «слабыми» – в основном по сети передаются команды оперативного управления и смены установок регулируемых переменных, сообщения о состоянии оборудования и технологического процесса. Каждый узел, например, на базе преобразователя частоты имеет собственные каналы связи с технологическими датчиками, и необходимость в передаче больших потоков данных отсутствует.

5 стр., 2191 слов

Характеристика органов чувств по скорости передачи информации, ...

... около 107 бит/с при подключении программ, содержащихся в памяти. 1.3 Характеристика органов чувств по скорости передачи информации: морфологические и функциональные системы Развитие материи в процессе движения ... равен приблизительно 10 мс. Таким образом, орган слуха выполняет два задания: снабжает организм информацией и обеспечивает самосохранение, противостоит повреждающему действию акустического ...

Анализ беспроводных технологий показывает, что высокоскоростные технологии Wi–Fi, Wi–Max, Bluetooth, Wireless USB предназначены в первую очередь для обслуживания компьютерной периферии и устройств мультимедиа. Они оптимизированы для передачи больших объемов информации на высоких скоростях, работают в основном по топологии «точка–точка» или «звезда» и малопригодны для реализации сложных разветвленных промышленных сетей с большим количеством узлов. Напротив, технология ZigBee имеет достаточно скромные показатели скорости передачи данных и расстояния между узлами, но обладает следующими важными, с точки зрения применения в промышленности, преимуществами [8, 9] :

  1. Она ориентирована на преимущественное использование в системах распределенного мульти-микропроцессорного управления со сбором информации с интеллектуальных датчиков, где вопросы минимизации энергопотребления и процессорных ресурсов являются определяющими.
  2. Предоставляет возможность организации самоконфигурируемых сетей со сложной топологией, в которых маршрут сообщения автоматически определяется не только числом исправных или включенных/выключенных на текущий момент устройств (узлов), но и качеством связи между ними, которое автоматически определяется на аппаратном уровне.
  3. Обеспечивает масштабируемость – автоматический ввод в работу узла или группы узлов сразу после подачи питания на узел.
  4. Гарантирует высокую надежность сети за счет выбора альтернативного маршрута передачи сообщений при отключениях/сбоях в отдельных узлах.
  5. Поддерживает встроенные аппаратные механизмы шифрации сообщений AES–128, исключая возможность несанкционированного доступа в сеть.

5. Моделирование

В ходе проведенной работы было проведено моделирование нескольких сенсорных сетей в среде NS2 (Network Simulator 2).

Основные параметры сценариев представлены на рисунке 4.

В итоге были построены сенсорные сети на базе двух топологий: звезда и дерево [10] . Результаты полученные в NAM визуализаторе показаны на рисунке 5.

Выводы

С развитием вычислительной техники и средств связи наступила эра беспроводных сетей и распределенных вычислений. Пройдет еще несколько лет – и беспроводные технологии свяжут между собой огромные количество цифровых устройств, превратив информационные технологии во всепроницающую и вездесущую силу эпохи информационного общества.

13 стр., 6120 слов

Социальные сети, как инструмент для развития бизнеса

... помощью ресурсов web 2. 0. Как отмечает сам исследователь, еще 2 года назад было в 2,5 раза меньше инструментов продвижения в социальных сетях. Возможности продвижения товаров и услуг в социальных сетях развиваются ...

В ходе магистерской работы будут проведены более глубокие исследования мобильных сенсорных сетей с использованием параллельных моделирующих сред. Это поможет в короткие сроки проанализировать данные полученные от моделирования больших сенсорных сетей, состоящих из тысяч узлов.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

[Электронный ресурс]//URL: https://psystars.ru/referat/besprovodnyie-sensornyie-seti/

  1. Сергиевский М. Беспроводные сенсорные сети [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://compress.ru/… .
  2. Judith B. Cardell Introduction to Wireless Sensor Networks [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.science.smith.edu/~jcardell/…
  3. Akyildiz I.F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Wireless sensor networks: a survey [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://citeseer.ist.psu.edu/…
  4. Lewis F.L. Wireless Sensor Networks [Электронный ресурс]. – Режим доступа: . .
  5. Mark A. Perillo, Wendi B. Heinzelman Wireless Sensor Network Protocols [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ece.rochester.edu/… .
  6. Незнамов Ю. Перспективы использования беспроводных ZigBee–интерфейсов в электроприводе [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru/… .
  7. Bilel Nefzi, Ye–Qiong Song PERFORMANCE ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF ZIGBEE ROUTING PROTOCOL [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://hal.inria.fr/…
  8. Talipov E. Sensor network 802.15.4 AODV simulation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elmurod.net/…
  9. David Gascon Understanding 802.15.4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sensor-networks.org/…
  10. Zheng J. 802.15.4 and ZigBee Routing Simulation at Samsung/CUNY [Электронный ресурс]. – Режим доступа: .