A WSN, a Wireless Sensor Networks rövidítése, érzékeli és reagál a fizikai és környezeti feltételekre, például hőre, nyomásra, fényre stb., szenzorhálózatán keresztül.
A vezeték nélküli technológia és a Micro Electro Mechanical System (MEMS) szenzorok fejlődése lehetővé tette az alacsony fogyasztású érzékelők intelligens telepítését széles területen, így olcsó WSN-eket hoztak létre katonai és polgári alkalmazásokhoz.
Az alábbi részben a WSN-ek típusait, azok összetevőit és alkalmazásait, valamint előnyeiket és hátrányaikat, valamint alkalmazásaikat tárgyaljuk.
Tartalomjegyzék
Mi a hálózat jelentése?
A hálózat olyan eszközöket kapcsol össze, amelyek lehetővé teszik az információcserét és az erőforrások megosztását. Ezek az integrált eszközök olyan kommunikációs protokollokat használnak, mint a TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP stb., amelyek a vezeték nélküli vagy vezetékes hálózatokon keresztüli adatátvitel szabályai.
Alapvetően kétféle hálózat létezik: vezetékes és vezeték nélküli. A vezetékes és a vezeték nélküli hálózatok az adatátviteli sebesség, az adatbiztonság, a kommunikációs hatótáv és a költségek alapján különböznek egymástól.
A vezetékes hálózatok besorolása az eszközök fizikai kábeleken keresztül történő összekapcsolása alapján történik, míg a vezeték nélküli hálózatok rádióhullámoktól függenek az eszközök csatlakoztatásához. Különféle vezeték nélküli technológiák állnak rendelkezésre, például Wi-Fi, Bluetooth stb.
A Wireless Sensor Network (WSN), ahogy a neve is mutatja, egy vezeték nélküli technológia, és a kommunikáció rádiójeleken keresztül történik.
Mi az a Wireless Sensor Network (WSN)?
A Wireless Sensor Network, más néven WSN, speciális érzékelők gyűjteménye, amelyek meghatározott struktúrákban különböző helyeken vannak elhelyezve a fizikai környezeti paraméterek rögzítésére és figyelésére, valamint a kapott adatok központi helyen történő rendszerezésére.
Ezek a fizikai paraméterek többek között többek között a hőmérséklet, a nyomás, a szél és a páratartalom.
Kép jóváírása: electronicshub
A WSN hálózat különböző helyeken elhelyezett bázisállomásokból és csomópontokból áll, amelyek vezeték nélkül működnek együtt. A WSN-struktúra négy különböző megközelítéssel valósítható meg, nevezetesen pont-pont, csillag-, fa- és hálótípusok.
A WSN-elrendezések a fizikai környezet alapján öt típusba sorolhatók: földalatti, földi, víz alatti, multimédiás és mobil WSN-ek.
Az új szenzortervek mérnöki és technológiai fejlesztéseket alkalmaznak a fizikai és digitális birodalmak áthidalására a hatékony eredmények érdekében.
A WSN a fizikai és környezeti változásokat észlelő érzékelőkkel ellátott csomópontokból áll, amelyek adatokat továbbítanak a bázisállomásnak elemzés és kimeneti jelentések céljából.
A vezeték nélküli érzékelőhálózatok GPS-szel vagy RFID-vel történő integrálása növelheti a lefedettséget, és kifinomult nyomkövető vagy megfigyelő rendszereket hozhat létre.
A WSN-ek célja, hogy környezeti információkat gyűjtsenek a biztonság, a termelékenység és a balesetmegelőzés fokozása érdekében, miközben védik a környezetet.
A WSN összetevői
Lássuk a WSN-t létrehozó összetevők listáját. A WSN alapvetően két részből áll: Szenzorcsomópont és Hálózati architektúra.
Érzékelő csomópont
Az érzékelő csomópont az alábbi összetevőkből áll:
- Tápegység: A hálózat összes összetevőjének táplálására.
- Érzékelő egység: Érzékelőből és ADC-ből (analóg-digitális konverter) áll. Az érzékelő analóg adatokat gyűjt, és az ADC digitális formátumra változtatja. A szenzorcsomópontok nemcsak érzékelési funkcióval rendelkeznek, hanem feldolgozó, kommunikációs és tárolási összetevőket is. A Sensor Node összegyűjti és elemzi a fizikai adatokat, valamint korrelálja és egyesíti azokat más érzékelőktől származó adatokkal.
- Feldolgozó egység: Memóriából és mikroprocesszorból áll. Intelligensen dolgozza fel és kezeli az adatokat.
- Kommunikációs rendszer: Adatátvitelre és -vételre szolgáló rádiórendszer.
- Bázisállomás: Ez egy rendkívüli csomópont nagy számítási energiával és feldolgozási képességgel.
Kép jóváírása: electronicshub
Fürtfej: Ez egy nagy sávszélességű érzékelő csomópont, amely adatfúziós és adataggregációs funkciók végrehajtására szolgál a WSN-ben. A rendszerkövetelmények és az alkalmazások alapján egynél több fürtfej lesz a fürtön belül.
A vezeték nélküli érzékelőhálózatban (WSN) egy érzékelőcsomópont vezeték nélküli kommunikáción keresztül kommunikál a nagy területeken elhelyezett többi érzékelőcsomóponttal, hogy felügyelje a fizikai környezetet és a bázisállomást (BS). Az érzékelő csomópontok adatokat gyűjtenek és elküldik a bázisállomásnak. A bázisállomások feldolgozzák az adatokat, és online megosztják a frissített információkat a felhasználókkal.
Hálózati architektúra
Ha minden érzékelő csomópont csatlakozik a bázisállomáshoz, ezt egyugrásos hálózati architektúrának nevezik. Ha az adatokat nagy távolságra továbbítják, az több energiát fogyaszt, mint az adatgyűjtés és a számítás, ezért ilyen esetekben általában a többugrásos hálózati architektúrát használják közbenső csomópontok alkalmazásával az érzékelő csomópontot a bázisállomással összekötő szinguláris kapcsolat helyett.
Kép jóváírása: electronicshub
E struktúrák megvalósításának két módja van: lapos hálózati architektúra és hierarchikus hálózati architektúra.
Lapos architektúrában a bázisállomás parancsot ad az összes érzékelőcsomópontnak, és az érzékelő csomópontok egyenrangú csomópontokon keresztül válaszolnak többugrásos útvonalon.
A hierarchikus hálózati architektúrában a fürtfejek információt kapnak érzékelő csomópontok csoportjától, és adatokat továbbítanak a bázisállomásnak.
A WSN egyéb összetevői
- Továbbító csomópont: A szomszédos csomóponttal való kommunikációhoz egy félúti csomópont szolgál. Növeli a hálózat megbízhatóságát, és nem rendelkezik folyamatérzékelővel vagy vezérlőberendezéssel.
- Aktor csomópont: Csúcskategóriás csomópontot használnak a döntés végrehajtására és létrehozására az alkalmazás követelményeitől függően. Ezek a csomópontok általában erőforrásokban gazdag eszközök, amelyek kiváló minőségű feldolgozási képességekkel, nagy átviteli teljesítménnyel és akkumulátor-élettartammal vannak felszerelve.
- Átjáró: Az átjáró egy interfész szenzorhálózatok és külső hálózatok között. Az érzékelő csomóponthoz és a fürtfejhez képest az átjáró csomópont a legerősebb a program- és adatmemória, a használt processzor, az adó-vevő hatótávolság és a külső memórián keresztüli bővítési lehetőség tekintetében.
Vezeték nélküli érzékelőhálózatok (WSN) típusai
Öt különböző típusú WSN létezik:
- Víz alatti: A víz alatti vezeték nélküli érzékelőhálózat érzékelőcsomópontokat és a víz alatti járműveket használ az adatok gyűjtésére. Magas késleltetési és érzékelőhibás működési problémákkal rendelkezik, és korlátozott mennyiségű nem tölthető akkumulátorral rendelkezik.
- Földalatti: Ez a típus figyeli a föld alatti viszonyokat, mert teljes egészében a föld alatt működnek, és a föld felett elhelyezett nyelőcsomópontok adatokat továbbítanak a bázisállomásnak. A drága berendezések és karbantartás miatt többe kerül, mint a földi hálózatok.
- Földi: Ezt a típusú hálózatot a szárazföldön használják a különböző területek környezeti feltételeinek nyomon követésére. A földi WSN-ekben több ezer vezeték nélküli érzékelőcsomópont van telepítve ad hoc vagy előre megtervezett struktúrában a bázisállomásokkal való hatékony kommunikáció érdekében.
- Multimédia: A WSN-ek nyomon követhetik és figyelhetik a multimédiás eseményeket, például a videót, a képalkotást és a hangot. Megfizethető érzékelőcsomópontjaik vannak kamerákkal és mikrofonokkal, amelyek vezeték nélkül csatlakoztatják, visszakeresik, tömörítik és korrelálják az adatokat.
- Mobil: A mobil WSN-ek érzékelő csomópontokból állnak, amelyek mozoghatnak és kommunikálhatnak az érzékelési funkciók végrehajtása közben. A mobil vezeték nélküli szenzorhálózatok nagyobb rugalmasságot, szélesebb lefedettséget, jobb csatornakapacitást és energiamegtakarítást kínálnak a helyhez kötött szenzorhálózatokhoz képest.
A WSN típus telepítése az alkalmazási és földi követelményeken alapul.
A WSN-ek különböző struktúrái
Négyféle hálózati struktúra létezik, de megvalósításuk hatással van a késleltetésre, a kapacitásra és a robusztusságra, mivel az adatútválasztás és -feldolgozás változik a különböző hálózati struktúrákkal. Tehát a WSN-struktúra telepítése előtt ismerni kell a követelmények értékelését és az alkalmazás jellegét.
A csomópontok az internethez is kapcsolhatók, és további elemzés céljából adatokat vihetnek át a felhőplatformra.
A kép jóváírása: Researchgate
- Pont-pont vagy buszstruktúra: A hálózat érzékelői központi hub nélkül közvetlenül tudnak kommunikálni egymással. Ezt a szerkezetet széles körben használják, és biztonságos kommunikációt biztosít.
- Csillagok felépítése: A Star hálózat egy bázisállomást használ központi elosztóként az összes érzékelővel való kommunikációhoz, és egyszerű a megvalósítása, és alacsony energiaigényű. Ennek a szerkezetnek az egyik hátránya, hogy a kommunikáció egyetlen bázisállomásától függ.
- Fa vagy hibrid szerkezet: Pont-pont és csillagszerkezetekből áll. Ebben a felépítésben az érzékelők faszerű konfigurációban vannak elrendezve, és az adatátvitel a köztük lévő elágazásokon keresztül történik. Kevesebb energiát használ, mint más szerkezetek.
- Hálóstruktúra: Ebben a struktúrában az adatátvitel az átviteli tartományukon belüli érzékelők között történik a többugrásos kommunikációhoz, központi bázisállomás nélkül. Az érzékelők közbenső érzékelőket használhatnak arra, hogy adatokat továbbítsanak a rádió lefedettségi területén kívüli érzékelőknek. Ezért ismert a méretezhetőségéről és a redundanciájáról. Ezt tartják a legmegbízhatóbbnak, mivel nincs egyetlen hibapont, de több energiát igényel.
A WSN alkalmazásai
A WSN-eket széles körben használják számos olyan szektorban, ahol mérésre, nyomon követésre vagy felügyeletre van szükség. Egy területen elterjedtek, és különféle alkalmazásokban mérik a hőmérsékletet, a hangot és egyéb paramétereket.
- A behatolási kísérletek észlelésére szolgáló érzékelők bevetésével régiók megfigyelésére alkalmazzák őket, ezért széles körben használják a hadseregben ellenséges inváziók észlelésére.
- Népszerűek az olyan polgári alkalmazások körében, mint a bányászat, az egészségügy, a felügyelet, a mezőgazdaság és egyéb megfigyelési feltételek.
- A vezeték nélküli szenzorcsomópontok magnetométereken keresztül érzékelik a parkoló járműveket, míg nyomon követésre mikroradarok és magnetométerek használhatók.
- A WSN nagyon népszerű a környezeti/földi megfigyelésben és érzékelésben, mint például a természeti katasztrófák megelőzése, a földcsuszamlás-észlelés, a vízminőség-figyelés, az erdőtüzek észlelése és az élőhelyek megfigyelése. Szintén széles körben elterjedt az ipari felügyeleti megoldásokban, mint például a gépek állapota, szennyvíz, szerkezeti állapot stb.
A vezeték nélküli szenzoros hálózatok előnyei és hátrányai
Ebben a részben áttekintjük a WSN előnyeit és hátrányait:
Előnyök
- Kényelmük, megbízhatóságuk, megfizethetőségük és könnyű telepíthetőségük miatt előnyben részesítik a WSN-eket a vezetékes megfigyelőrendszerekkel szemben.
- A WSN szükségtelenné teszi a kábeleket vagy vezetékeket.
- A WSN-ek jártassága számos tényezőnek köszönhető: érzékelési pontosság, lefedettség tartomány, hibatűrés, kapcsolódás, csekély emberi részvétel, funkcionalitás kihívást jelentő körülmények között és dinamikus érzékelő ütemezés.
- Lehetővé teszi a WSN összes csomópontjának központosított megfigyelését.
- Probléma nélkül illeszthető a fizikai partíciókhoz.
- Útválasztási protokollok korlátozott teljesítményű és sávszélességű környezetben történő kommunikációhoz, önszerveződő ad hoc hálózatok létrehozása, amelyek többugrásos kommunikációt használnak.
- Vezeték nélküli technológián alapuló biztonsági algoritmusokat használ, hogy megbízható hálózatot hozzon létre a felhasználók számára.
- Lehetővé teszi az új csomópontok vagy eszközök egyszerű integrálását a méretezhetőség érdekében.
Hátrányok
- A WSN-ek olyan kihívásokkal néznek szembe, mint a korlátozott sávszélesség, a magas energiafogyasztás, a drága csomóponti költségek, a telepítési modellek és a hardver/szoftver tervezési korlátai.
- A vezeték nélküli szenzorhálózatok hajlamosak a feltörésre.
- A WSN-eket alacsony sebességű alkalmazásokhoz tervezték, és nem alkalmasak nagy sebességű kommunikációra.
- Drága a WSN hálózatok kiépítése.
- A teljes hálózat leállhat csillag topológia alapú WSN-ekben, ha a központi csomópont meghibásodik.
Tanulási források
#1. Vezeték nélküli érzékelőhálózatok építése Arduino segítségével
Könyv egy vezeték nélküli, alacsony fogyasztású hálózat felépítéséről Arduino és XBee berendezésekkel. Szemléltető példákon keresztül magyarázatokat tartalmaz az összetett projektek fejlesztéséről. A könyv részletes képeket és képernyőképeket tartalmaz, és elmagyaráz egy otthoni automatizálási projektet, amely nyomon követhető vagy testreszabható.
Megtanulja, hogyan csatlakoztathat vezeték nélkül Arduino kártyákat XBee modulok segítségével, és hogyan vezérelheti a környezetet a hálózati érzékelők visszajelzései alapján. Használja az XCTU szoftvert Windows, OS X vagy Linux rendszeren az érzékelőadatok gyűjtésére és tárolására felhőplatformon vagy személyes adatbázisban. Ezenkívül kommunikálhat a ZigBee Home Automation eszközökkel.
Ezt a könyvet a beágyazott rendszerek fejlesztői és az Arduino-hoz értő rajongók használhatják projektjeik vezeték nélküli technológiával történő bővítésére.
#2. Vezeték nélküli érzékelőhálózatok kiépítése: ZigBee, XBee, Arduino és Processing segítségével
Ez a könyv hangsúlyozza a ZigBee hálózat felépítését XBee rádiók és Arduino használatával, amelyek költsége 100 dollár alatt van. Hozzon létre állítható érzékelő- és működtetőrendszereket, és szerezzen ismereteket az XBee bonyolultságáról, például az energiagazdálkodásról és a forrásirányításról. Átjárók fejlesztése a szomszédos hálózatokkal való összekapcsoláshoz, beleértve az internetet is.
Ez a könyv segít különböző egyéneknek ismereteket és készségeket szerezni projektjeik megvalósításához az egyes fejezetekben található példák követésével, beleértve a feltalálókat, a hackereket, a kézműveseket, a diákokat, a hobbitokat és a tudósokat.
Kiváló forrás az intelligens interaktív kütyük létrehozásához, és a szenzorrendszerek a ZigBee vezeték nélküli hálózati protokoll és a Series 2 XBee rádiók használatával érhetők el.
#3. Ipari vezeték nélküli érzékelőhálózatok (IWSN): Protokollok és alkalmazások
Ez a kiadvány az ipari vezeték nélküli szenzorhálózatokkal kapcsolatos új kutatási eredményeket mutatja be. A különszámban szereplő cikkek hozzájárulnak az IWSN-ekkel kapcsolatos kutatás előmozdításához, és várhatóan további kutatásra és telepítésre ösztönöznek.
Az IWSN-ek kulcsfontosságúak a vezeték nélküli szenzorhálózatok mindennapi életben és az iparban való növekvő használata miatt, amelyek minden hálózati rétegben magas robusztussági, megbízhatósági és időszerűségi szabványokkal rendelkeznek.
#4. Vezeték nélküli érzékelőhálózatok építése ESP32 LoRa segítségével
Ez az útmutató egy alapvető vezeték nélküli érzékelőhálózat (WSN) megvalósítására szolgál ESP32-vel a LoRa hálózaton.
Különböző témákat fed le, mint például a fejlesztői környezet előkészítése, az ESP32 LoRa konfigurálása, az adatok küldése és fogadása, a LoRa vevő megszakításának kezelése, az üzenetek sugárzása a LoRa hálózaton, és WSN alkalmazás létrehozása ESP32 LoRa segítségével.
Végső szavak
A vezeték nélküli szenzorhálózatok (WSN) létfontosságúakká váltak a különféle megfigyelési és nyomkövetési alkalmazásokban. A WSN az alapvető szenzorfigyeléstől a fejlett érzékelés, feldolgozás és elemzés felé haladt.
A WSN technológia jelentősen átalakult, hogy értékes tudást gyűjtsön és a kívánt eredményeket biztosítsa.
Ezután nézze meg a TCP/IP protokoll architektúra modelljének működését.