شبکه بی‌سیم حسگر

شبکه بی‌سیم حسگر

شبکه بی‌سیم حسگر (Wireless Sensor Network/ WSN) به یک شبکه بیسیم از حسگرهای خودراهبر که با فاصله پخش شده باشند و برای نشان دادن گروهی از کمیت های فیزیکی یا شرایط محیطی مانند دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا آلوده کننده ها، در مکانهای مختلف یک محدوده کاربرد دارد. شبکه حسگرها با انگیزه استفاده در تجهیزات نظامی که برای نظارت بر صحنه جنگ استفاده می‌شد توسعه پیدا کرد. اما امروزه شبکه بی سیم حسگرها در صنعت و بسیاری از مقاصد غیر نظامی استفاده می‌شود که شامل نمایش و کنترل فرآیند های صنعتی، سلامت دستگاهها، نمایش یک محدوده و یا خانه، تجهیزات سلامتی، خانه‌های هوشمند و کنترل ترافیک می‌شود.

بعلاوهٔ یک یا چند سنسور، یک گره از شبکه معمولا مجهز به یک فرستنده و گیرنده بی سیم، یک میکروکنترلر کوچک، و یک منبع انرژی (معمولا یک باتری) است. اندازه یک گره سنسوری بسته اندازه بسته بندی آن تغییر کرده و تا یک دانه شن قابل کوچک سازی است. که قطعات این شنریزه در ابعاد میکروسکوپی هنوز باید ساخته شود. همینطور قیمت هر گره حسگر می‌تواند بین چند صد دلار تا چند سنت بسته به اندازه، پیچیدگی مورد نیاز یک گره متفاوت باشد. قیمت و اندازه محدود کننده هر گره باعث محدودیت هایی مثل انرژی، حافظه، سرعت پردازش و پهنای باند می‌شود.

شبکه سنسورها معمولا به صورت یک شبکه‌های بی‌سیم ادهاک است که هر گره از الگوریتم مسیر دهی multi-hop استفاده می‌کند.(تعداد زیادی گره یک بسته اطلاعاتی را جلو برده و به ایستگاه مرکزی میرساند).

در حال حاضر شبکه‌های بیسیم حسگر یکی از موضوعات فعال تحقیقی در علوم کامپیوتر و ارتباطات است که تعداد بیشماری کارگاه و کنفرانس هر ساله در این زمینه انجام می‌شود نظارت بر محیط

 آنها برای استفاده یا گیرنده‌های بی سیم متنوع و زیاد است در کاربردهای تجاری و صنعتی برای کنترل داده‌ها و برای استفاده در جایی که استفاده از گیرنده‌های بی سیمی مشکل و گران است به کار می‌روند. برای مثال این شبکه‌ها می‌توانند در محیط های بیابانی هم گسترش یابند و سالها باقی بمانند. کاربرد دیگر اعلام خطر ورود مهاجم به یک محل کنترل شده و سپس ردیابی مهاجم باشد.

تعدای از استفاده‌های خاص شامل نظارت محل های مسکونی ، ردیابی هدف‌های متحرک، کنترل راکتور هسته ای، آشکار سازی حریق، نظارت ترافیک و غیره .... می‌باشد.

نظارت بر محیط

کنترل یا نظارت بر محیط نوعی استفاده از گیرنده بی سیم است. در نظارت محیط ، گیرنده بی سیم در ناحیه‌ای پراکنده می‌شود که تعدادی پدیده یا حادثه باید تحت نظارت باشد. برای مثال تعداد زیادی از این گره‌های فرستنده و دریافت کننده می‌توانند در میدان جنگ برای آشکار کردن تجاوز دشمن بجای استفاده از مین های زمینی گسترش داده شوند.

زمانی که این حس گر یا گیرنده اتفاقی را که تحت نظر بوده (گرما، فشار ، صدا ، نور ، زمین هایی با خواص مغناطیسی و لرزش و ارتعاش و غیره) پیدا می‌کند، لازم است که اتفاق به یکی از پایگاه‌ها گزارش شود. این پایگاه بر اساس نوع کاربری شبکه عملی مناسب، مانند ارسال پیغام به اینترنت یا ماهواره و یا پردازش محلی داده، را انجام می‌دهد.

مشخصه ها

مشخصه‌های منحصر به فرد گیرندهٔ بی سیم :

گره‌های گیرنده با مقیاس کم

قدرت محدود که می‌توان ذخیره یا تخلیه شود

شرایط محیطی نا مناسب

نقص های گره

ترک گره

شبکه دینامیک توپو لوژی

نقص ارتباطات

غیر یکنواختی گره ها

گسترش با مقیاس بالا

عملکرد خودکار

گره‌های گیرنده را می‌توان کامپیوتر های کوچکی تصور کرد. کاملاً اساسی و در وجه مشترکشان در ساختار و اجزاء آنها معمولاً شامل واحد پردازنده و قدرت اشتباه محاسبهٔ محدود و حافظهٔ محدود هستند گیرنده‌ها (شامل شرایط خاص مدارها) دستگاه ارتباطی (معمولاً فرستنده و گیرنده رادیویی و نوری متناوب) و منبع انرژی هم معمولاً از باتری است.

سخت افزار:

فصل اصلی گره گیرنده شامل : اصلی ترین موضوع با قیمت کم با گره‌های گیرنده کوچک است . با ملاحضه به این اهداف ، گره‌های گیرنده در حال حاضر در اصل نمونه‌های اولیه هستند . از کوچک سازی و کاهش هزینه متوجه می شویم که اهداف اخیر و آینده در پیشرفت رشته MEMS و NEMS است و تعدادی از گره‌های گیرنده پایین ارائه می‌شوند و تعدادی از گره‌ها هنوز در مرحله تحقیق هستند  

استانداردها::

زمانیکه مسیر اصلی کامپیوترها درخور استانداردها ست – تنها استاندارد رسمی که در شبکه‌های ارتباطی گیرنده بی سیم پذیرفته شده ISO 18000-7 و 610wpan و بی سیم HART و در پایین تعداد دیگری از استانداردها که تحقیق شده اند برای استفاده توسط محققین این رسته: :

Zig Bee

Wibree

نرم افزارها:

انرژی منبع کمیاب گره‌های شبکه بی سیم است و تعیین کننده عمر شبکه ارتباطی گیرنده‌های بی سیم (WSN) است بطور متوسط می‌توانند در تعداد بالایی در محیطهای گوناگون گسترش یابند در مناطق دور افتاده و دشمن ، همراه ارتباطات تک کاره به عنوان کلید برای این علت الگوریتم و پروتکل احتیاج دارد به دنبال این پیامدها :

بیشینه سازی عمر .

توانمندی و تحمل عیب

روش تنظیم .و نصب خودکار

بعضی از موضوع های داغ در تحقیق نرم افزارهای(حسگر)

امنیت

قابلیت انتقال و ترک ( زمانی که گره‌های گیرنده و یا پایگاه‌ها در حال حرکت اند).

میان افزار ، طراحی سطح متوسط اولیه بین نرم افزار و سخت افزار است.

سیستم عامل:

سیستم عامل برای گره‌های شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم به نوعی پیچیدگی اش کمتر از اهداف کلی سیستم عامل است . هردو به دلیل احتیاجات خاص و درخواست شکبه ارتباطی خاص و به دلیل اضطرار یا تحمیل منبع در پایگاه سخت افزاری شبکه گیرنده است برای مثال کاربرد استفاده شبکه گیرنده معمولاً همکاری متقابل مثل یک کامپیوتر نیست. به همین علت ، سیستم عامل احتیاجی به پشتیبانی کاربرد ندارد علاوه برآن تحمیل یا اضطرار منبع در دوره حافظه و نقشه حافظه سخت افزار را پشتیبانی می‌کند و ساختمانی می سازد مثل حافظه مجازی که هردو غیر ضروری و غیر ممکن برای انجام دادن هستند. شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم ، سخت افزارهایش فرقی با سیستم های سنتی تعبیه شده ندارد و بنابراین استفاده از سیستم عامل تعبیه شده ممکن است مثل ecos یا VC/OS برای گیرنده شبکه ارتباطی و اگرچه مثل سیستم عامل طراحی شده اند با خواص بلادرنگ و برخلاف سیستم عامل تعبیه شده سنتی اگر ، سیستم عامل هدف مخصوص شبکه‌های ارتباطی گیرنده است . اغلب پشتیبانی بلادرنگ ندارد. Tiny Os شاید اولین سیستم عاملی باشد که مخصوصا طراحی شده برای شبکه ارتباطی گیرنده بر خلاف بیشتر سیستم عامل های دیگر Tiny Os براساس برنامه کامپیوتری یا فرآیندی که هر مرحله اجرا مربوط به تحمیلات خارجی است برنامه نویسی می‌کند و مدل را به جای طرح برنامه‌ای که بیش از یک مسیر منطقی استفاده می‌کند و هر مسیر هم‌زمان اجرا می‌شود که می گوییم (multithread).

TinyOs برنامه دستوری که تشکیل شده از گرا و کارهایی که تداوم پیدا می‌کند در تکامل معنایی زمانی که پیشامد خارجی رخ می‌دهد و مانند وارد شدن اطلاعات و خواندن گیرنده.

TinyOs خبر می‌دهد از گرای مناسبی که اتفاقات را شرح می‌دهد گرا می‌تواند ارسال کند کارهایی را که برنامه ریزی شده با هسته اصلی TinyOs در زمانی عقب تر. هردوی سیستم TinyOsو برنامه نوشته شده برای TinyOs که آنها نوشته شده اند با برنامه نویسی C است. Nesc طراحی شده برای یافتن Race-Condition (حالت نا معینی که به هنگام عملکرد هم‌زمان دستورالعمل های دو کامپیوتر به وجود می‌آید و امکان شناخت این مسئله که کدام یک از آنها ابتدا تمام خواهد شد وجود ندارد) بین وظایف و گراها.

و همچنین سیستم های عاملی هستند که اجازه برنامه نویسی در C را می‌دهند مثل سیستم عامل هایی شامل Contiki و MANTIS و BT nut و SOS و Nano-RK .

Contiki طراحی شده اند برای پشتیبانی و اندازه گیری بارگیری در شبکه و پشتیبانی زمان اجرای بارگیری در استاندارد فایلهای ELF . هسته Contiki را برنامه کامپیوتری یا فرآیند کامپیوتری است که هر مرحله اجرا مربوطه به عملیات خارجی است Event-driven اما سیستم پشتیبانی می‌کنند از (طرح برنامه‌ای که بیش از یک مسیر منطقی است و هر سیر هم‌زمان اجرا می‌شود) Multithread در زمینه پیش درخواست ها – علاوه بر آن شامل خطوط برجسته‌ای که فراهم می‌کند خطوطی را که مثل برد برنامه نویسی اما با حافظه خیلی کوچک در بالای سر.

برخلاف Event-driven ، هسته Contiki و MANTIS و Nano-RK هسته‌هایی که بر اساس قبضه‌ای انحصاری Multithread است . با قبضه‌ای انحصاری Multithread که کاربرها صراحتا احتیاجی به ریز پردازنده برای دیگر پردازش ها ندارند . در عوض هسته زمان را تقسیم می‌کند به پردازش های فعال و تصمیم می‌گیرد که کدام پردازش می‌تواند کار کند ولی می‌تواند استفاده از برنامه نویسی را راحت کند.

شبکه ارتباطی و گیرنده مثل TinyOs و Contiki و SOS و Even-driven سیستم عاملی است که ترکیب اولی SOS که پشتیبانی برای ظرفیت بارگیری. سیستم عامل کامل ساخته شده از ظرفیت های کوچک‌تر و سریع SOS همچنین تمرکز در پشتیبانی برای مدیریت حافظه دینامیک است .

میان افزار:

تلاش و تحقیق های قابل ملاحضه‌ای که اخیرا در طراحی میان افزار شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم است . این نگرش کلی می‌تواند دسته بندی بشود به : توزیع پایگاه داده‌ها ، عامل حرکت ، پایگاه رویدادها .

زبان برنامه نویسی:

برنامه نویسی گره‌های گیرنده مشکل است زمانی که مقایسه شوند با سیستم های کامپیوتری معمولی. منبع اجباری طبیعی از این گره‌ها بالا می‌رود به مدل های برنامه نویسی جدید. اگرچه بیشتر گره‌های بطور جاری برنامه ریزی شده اند در C

C@t (زمان@محاسبات در نقطه‌ای از فضا)

DSL ( توزیع ترکیبات زمانی )

Galsc

Nec C

Proto thread

SNACK

SQTL

الگوریتم:

WSN متشکل از تعداد زیادی از گره‌های گیرنده هستند . از این رو الگوریتم برای WSN توزیع الگوریتمی است. در WSN منبع کمیاب انرژی است؛ و یکی از گرانترین عامل انرژی انتقال اطلاعات است . برای این دلیل تحقیق الگوریتمی در WSN بیشتر تمرکز می‌کند . در مطالعه و طراحی آگاهانه از انرژی الگوریتم برای انتقال اطلاعات از گره‌های گیرنده به پایگاه انتقال اطلاعات معمولاً Multi-hop ( از یک گره به یک گره به طرف پایگاه ) به علت رشد چند برابر در هزینه انرژی انتقالات رادیویی نسبت به مساحت انتقال.

نگرش های الگوریتمی با تفکیک خود WSN از نگرش پروتکل با این حقیقت که مدهای ریاضی که استفاده می‌شوند انتزاعی تر هستند . کلی تر هستند اما گاهی اوقات کمتر واقعی هستند در مدل هایی که استفاده می‌شود طراحی پروتکل

شبیه سازی:

پایگاهای هستند که مخصوصا طراحی شده اند برای شبیه سازی کرئن شبکه ارتباطی گیرنده مثل TOSSIM ، که قسمتی از TinyOs و شبیه سازی قدیمی شبکه که استفاد می‌شود مثل Sn-2 ، لیست وسیعی از ابزارهای شبیه شازی برای شبکه ارتباطی گیرنده بی سیم می‌تواند پیدا شود و در CRUISE WSN که ابزار شبیه سازی پایگاه معلومات

تجسم فکری داده ها:

از شبکه ارتباطی بی سیم اطلاعات جمع آوری می‌شوند و معمولاً ذخیره می‌شوند به فرم و اطلاعات عددی در پایگاه مرکزی . برنامه‌های متعددی هستند مثل Tosgui و Sensor و MonSense ( Gsn که آسان می‌کند جستجو این مقدار اطلاعات علاوه بر آن Geopatial cosortinm که استانداردهای خاص برای توانایی وجه مشترک شان و رمز گذاری اطلاعات که این توانایی را دارد که مرتب کند سایت های نا همگون را در اینترنت که به هر کسی اجازه می‌دهد به طور انفرادی کنترل شبکه‌های ارتباطی گیرنده بی سیم بپردازد از طریق نرم افزار که برای جستجو در اینترنت ذخیره شد..

شبکه بی سیم حسگر