Sieci bezprzewodowych czujników, znane jako WSN (ang. Wireless Sensor Networks), wykorzystują rozproszoną sieć czujników do detekcji i reagowania na zmiany w otaczającym środowisku, takie jak temperatura, ciśnienie czy natężenie światła.
Dynamiczny rozwój technologii bezprzewodowej oraz systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) umożliwił tworzenie rozległych sieci czujników o niskim poborze energii, które znajdują zastosowanie zarówno w sektorze wojskowym, jak i cywilnym, oferując przy tym korzystne koszty.
W dalszej części artykułu przyjrzymy się bliżej różnym typom sieci WSN, ich elementom składowym, zastosowaniom, a także omówimy ich mocne i słabe strony.
Czym jest sieć?
Sieć to połączenie urządzeń, które umożliwia wymianę informacji i współdzielenie zasobów. Urządzenia te posługują się protokołami komunikacyjnymi, takimi jak TCP/IP, UDP, FTP, HTTP czy SMTP, które stanowią zestaw zasad regulujących przesył danych w sieciach bezprzewodowych oraz przewodowych.
Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje sieci: przewodowe i bezprzewodowe. Różnią się one między sobą szybkością transmisji danych, poziomem bezpieczeństwa, zasięgiem oraz kosztami implementacji.
Sieci przewodowe opierają swoje działanie na fizycznych połączeniach za pomocą kabli, natomiast sieci bezprzewodowe wykorzystują fale radiowe do komunikacji między urządzeniami. Dostępnych jest wiele technologii bezprzewodowych, takich jak Wi-Fi czy Bluetooth.
Sieć bezprzewodowych czujników (WSN) jest przykładem technologii bezprzewodowej, gdzie komunikacja odbywa się za pomocą sygnałów radiowych.
Co to jest sieć bezprzewodowych czujników (WSN)?
Bezprzewodowa sieć czujników (WSN) to zespół specjalistycznych czujników, które są rozmieszczane w różnych miejscach w obrębie określonej struktury, aby rejestrować i monitorować fizyczne parametry otoczenia oraz przekazywać te dane do centralnej lokalizacji.
Do monitorowanych parametrów zaliczają się między innymi temperatura, ciśnienie, prędkość wiatru i wilgotność.
Źródło obrazu: electronicshub
Sieć WSN składa się z węzłów czujnikowych i stacji bazowych, które komunikują się ze sobą drogą bezprzewodową. Strukturę sieci WSN można zrealizować na cztery różne sposoby: jako sieć punkt-punkt, gwiazda, drzewo lub siatka.
W zależności od środowiska fizycznego, w którym działają, sieci WSN dzielimy na pięć rodzajów: podziemne, naziemne, podwodne, multimedialne i mobilne.
Nowoczesne czujniki wykorzystują zaawansowane technologie, by skutecznie łączyć świat fizyczny z cyfrowym, zapewniając precyzyjne rezultaty.
WSN składa się z węzłów, które za pomocą czujników rejestrują zmiany w otoczeniu i przesyłają te dane do stacji bazowej, gdzie są analizowane i raportowane.
Integracja sieci WSN z systemami GPS lub RFID pozwala na rozszerzenie zasięgu i tworzenie zaawansowanych systemów monitorowania i śledzenia.
Głównym celem sieci WSN jest gromadzenie danych środowiskowych w celu podniesienia poziomu bezpieczeństwa, produktywności, a także zapobiegania wypadkom przy jednoczesnej trosce o środowisko.
Elementy składowe WSN
Poniżej przedstawiono listę elementów, które wchodzą w skład sieci WSN. W zasadzie WSN składa się z dwóch głównych części: węzłów czujnikowych oraz architektury sieci.
Węzeł czujnika
Węzeł czujnikowy składa się z następujących podzespołów:
- Zasilanie: służy do zasilania wszystkich komponentów sieci.
- Moduł detekcyjny: obejmuje czujnik oraz przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Czujnik rejestruje dane analogowe, a przetwornik ADC konwertuje je na format cyfrowy. Węzły czujnikowe nie tylko wykrywają, ale również przetwarzają, komunikują się i przechowują dane. Węzeł czujnikowy gromadzi, analizuje, koreluje i łączy dane z różnych źródeł.
- Moduł przetwarzania: składa się z pamięci oraz mikroprocesora, które inteligentnie przetwarzają i manipulują zebranymi danymi.
- System komunikacyjny: radiowy system do nadawania i odbierania danych.
- Stacja bazowa: to węzeł o dużej mocy obliczeniowej i możliwościach przetwarzania danych.
Źródło obrazu: electronicshub
Głowica klastra: węzeł czujnikowy o dużej przepustowości służący do fuzji i agregacji danych w sieci WSN. W zależności od specyfiki systemu i wymagań aplikacji, w klastrze może znajdować się więcej niż jedna głowica.
W sieci WSN węzeł czujnikowy komunikuje się z innymi węzłami czujnikowymi rozmieszczonymi na rozległym obszarze, aby monitorować środowisko fizyczne oraz ze stacją bazową (BS) za pomocą łączności bezprzewodowej. Węzły czujnikowe gromadzą dane i przesyłają je do stacji bazowej. Stacje bazowe przetwarzają dane i udostępniają zaktualizowane informacje użytkownikom online.
Architektura sieci
Połączenie wszystkich węzłów czujnikowych bezpośrednio ze stacją bazową określa się mianem architektury sieci z jednym przeskokiem. W przypadku przesyłania danych na duże odległości, zużywa się więcej energii niż w przypadku samego zbierania i obliczeń, dlatego częściej stosuje się architekturę sieci z wieloma przeskokami, w której wykorzystuje się węzły pośrednie zamiast bezpośredniego połączenia między czujnikiem a stacją bazową.
Źródło obrazu: electronicshub
Struktury te można implementować na dwa sposoby: jako płaską lub hierarchiczną architekturę sieci.
W architekturze płaskiej stacja bazowa wydaje polecenia wszystkim węzłom czujnikowym, które komunikują się ze sobą za pośrednictwem węzłów równorzędnych wykorzystując ścieżkę z wieloma przeskokami.
W hierarchicznej architekturze sieci głowice klastrów zbierają dane z grupy węzłów czujnikowych i przekazują je do stacji bazowej.
Pozostałe komponenty WSN
- Węzeł przekaźnikowy: węzeł pośredniczący, który służy do komunikacji z sąsiednimi węzłami. Zwiększa niezawodność sieci, ale nie jest wyposażony w czujniki ani elementy sterujące.
- Węzeł aktora: zaawansowany węzeł służący do podejmowania decyzji i wykonywania akcji w oparciu o wymagania danej aplikacji. Zazwyczaj są to węzły o dużych zasobach, wysokiej mocy obliczeniowej, dużej mocy transmisji i długiej żywotności baterii.
- Brama: stanowi interfejs między siecią czujników a sieciami zewnętrznymi. W porównaniu z węzłem czujnikowym czy głowicą klastra, węzeł bramowy ma największe możliwości pod względem pamięci, procesora, zasięgu i możliwości rozbudowy.
Rodzaje sieci bezprzewodowych czujników (WSN)
Wyróżnia się pięć głównych typów sieci WSN:
- Podwodne: podwodne sieci WSN wykorzystują węzły czujnikowe oraz pojazdy podwodne do zbierania danych. Charakteryzują się dużymi opóźnieniami, podatnością na awarie czujników i ograniczoną pojemnością baterii, których nie można łatwo wymienić.
- Podziemne: monitorują warunki panujące pod ziemią. Węzły pomiarowe znajdują się pod powierzchnią, a węzły przekazujące dane umieszczone na ziemi przesyłają dane do stacji bazowej. Ze względu na drogi sprzęt i konserwację są bardziej kosztowne niż sieci naziemne.
- Naziemne: są wykorzystywane na powierzchni ziemi do monitorowania warunków środowiskowych różnych obszarów. Składają się z tysięcy bezprzewodowych węzłów czujnikowych rozmieszczanych ad hoc lub według zaplanowanej struktury w celu skutecznej komunikacji ze stacjami bazowymi.
- Multimedialne: umożliwiają monitorowanie i śledzenie zdarzeń multimedialnych, takich jak wideo, obrazy i dźwięk. Węzły czujników wyposażone w kamery i mikrofony bezprzewodowo łączą się, pobierają, kompresują i korelują dane.
- Mobilne: składają się z węzłów, które mogą się poruszać i komunikować podczas wykonywania zadań pomiarowych. Oferują większą elastyczność, zasięg, przepustowość i oszczędność energii w porównaniu z sieciami stacjonarnymi.
Wybór konkretnego typu sieci WSN zależy od wymagań danej aplikacji i otoczenia.
Struktury sieci WSN
Wyróżnia się cztery podstawowe struktury sieciowe, a ich implementacja wpływa na opóźnienia, pojemność i niezawodność, ponieważ routing i przetwarzanie danych zmienia się w zależności od rodzaju struktury. Dlatego przed wdrożeniem struktury WSN należy dokładnie przeanalizować wymagania danej aplikacji.
Węzły można również połączyć z internetem, co umożliwia przesyłanie danych do platformy chmurowej w celu dalszej analizy.
Źródło obrazu: Researchgate
- Struktura punkt-punkt (magistrala): czujniki w tej sieci komunikują się bezpośrednio ze sobą, bez udziału centralnego koncentratora. Jest powszechnie stosowana i zapewnia bezpieczną komunikację.
- Struktura gwieździsta: wykorzystuje stację bazową jako centralny koncentrator, który komunikuje się ze wszystkimi czujnikami. Jest prosta we wdrożeniu i charakteryzuje się niskim poborem mocy. Wadą tej struktury jest zależność komunikacji od jednej stacji bazowej.
- Struktura drzewiasta (hybrydowa): łączy cechy struktur punkt-punkt i gwieździstych. Czujniki rozmieszczone są w konfiguracji drzewa, a transmisja danych odbywa się poprzez rozgałęzienia. Zużywa mniej energii niż inne struktury.
- Struktura siatkowa: transmisja danych odbywa się pomiędzy czujnikami w ich zasięgu. Wymaga większej mocy obliczeniowej i nie potrzebuje stacji bazowej. Czujniki mogą przesyłać dane do czujników znajdujących się poza ich zasięgiem radiowym, wykorzystując czujniki pośrednie. Jest znana ze skalowalności i redundancji. Uważana jest za najbardziej niezawodną, ponieważ nie ma pojedynczego punktu awarii.
Zastosowania WSN
Sieci WSN są szeroko stosowane w różnych sektorach, gdzie wymagany jest pomiar, śledzenie lub nadzór. Są wykorzystywane do monitorowania temperatury, dźwięku i innych parametrów w różnych zastosowaniach.
- Stosowane są do monitorowania terenów poprzez rozmieszczanie czujników wykrywających próby włamań. Są powszechnie wykorzystywane w wojsku do detekcji wrogich najazdów.
- Są popularne w sektorze cywilnym, np. w górnictwie, ochronie zdrowia, nadzorze, rolnictwie i innych dziedzinach.
- Bezprzewodowe węzły czujników wykrywają zaparkowane pojazdy za pomocą magnetometrów, a mikroradary i magnetometry służą do śledzenia.
- WSN są szeroko stosowane w monitorowaniu środowiska i Ziemi, np. w zapobieganiu klęskom żywiołowym, wykrywaniu osuwisk, monitorowaniu jakości wody, wykrywaniu pożarów lasów i monitorowaniu siedlisk. Używa się ich również w przemyśle do monitorowania stanu maszyn, ścieków, stanu konstrukcji itp.
Zalety i wady sieci bezprzewodowych czujników
W tej sekcji przeanalizujemy zalety i wady sieci WSN:
Zalety
- Sieci WSN są preferowane w porównaniu z przewodowymi systemami monitorowania ze względu na wygodę, niezawodność, przystępność cenową i łatwość wdrożenia.
- Eliminują potrzebę stosowania kabli i przewodów.
- Dzięki precyzji wykrywania, szerokiemu zasięgowi, odporności na awarie, łączności, niewielkiemu zaangażowaniu człowieka, funkcjonalności w trudnych warunkach i dynamicznemu planowaniu czujników, WSN osiągają wysoką skuteczność.
- Umożliwiają scentralizowane monitorowanie wszystkich węzłów w sieci.
- Możliwość dostosowania do różnych warunków bezproblemowo.
- Wykorzystują protokoły routingu do komunikacji w środowiskach o ograniczonej wydajności i przepustowości, tworząc samoorganizujące się sieci ad hoc przy użyciu komunikacji z wieloma przeskokami.
- Stosują algorytmy bezpieczeństwa oparte na technologii bezprzewodowej, aby stworzyć niezawodną sieć dla użytkowników.
- Umożliwiają łatwą integrację nowych węzłów lub urządzeń w celu zwiększenia skalowalności.
Wady
- Sieci WSN napotykają wyzwania, takie jak ograniczona przepustowość, duże zużycie energii, wysokie koszty węzłów, skomplikowane modele wdrażania oraz ograniczenia sprzętowe i programowe.
- Są podatne na włamania.
- Są przeznaczone do zastosowań o niskiej szybkości transmisji danych i nie nadają się do komunikacji z dużą prędkością.
- Wdrożenie sieci WSN generuje duże koszty.
- W sieciach o strukturze gwiazdy awaria węzła centralnego może spowodować zatrzymanie całej sieci.
Zasoby edukacyjne
#1. Budowanie bezprzewodowych sieci czujników z Arduino
Książka ta opisuje tworzenie energooszczędnych sieci bezprzewodowych z wykorzystaniem sprzętu Arduino i XBee. Zawiera szczegółowe objaśnienia, a także przykłady ilustrujące proces projektowania. Prezentuje projekt automatyki domowej wraz ze zdjęciami i zrzutami ekranu, który może być realizowany zgodnie z instrukcją lub modyfikowany według własnych potrzeb.
Z książki dowiesz się, jak bezprzewodowo łączyć płytki Arduino za pomocą modułów XBee oraz sterować środowiskiem w oparciu o informacje zwrotne z czujników sieciowych. Oprogramowanie XCTU na Windows, OS X lub Linux umożliwi zbieranie i przechowywanie danych z czujników w chmurze lub w prywatnej bazie danych. Nauczysz się również korzystać z urządzeń automatyki domowej ZigBee.
Książka przeznaczona jest dla programistów systemów wbudowanych i entuzjastów znających Arduino, którzy chcą wzbogacić swoje projekty o technologie bezprzewodowe.
#2. Budowanie bezprzewodowych sieci czujników: z ZigBee, XBee, Arduino i Processing
Książka skupia się na tworzeniu sieci ZigBee za pomocą radia XBee i Arduino, przy łącznym koszcie poniżej 100 dolarów. Uczy jak budować regulowane systemy wykrywania i uruchamiania oraz przekazuje wiedzę na temat zarządzania energią i kierowaniem źródłami w XBee. W książce opisano także jak tworzyć bramy umożliwiające połączenia z innymi sieciami, w tym z internetem.
Książka pomaga zdobyć wiedzę i umiejętności potrzebne do realizacji projektów osobom o różnym stopniu zaawansowania, takim jak wynalazcy, hakerzy, rzemieślnicy, studenci, hobbystów i naukowcy. Każdy rozdział zawiera przykłady ułatwiające naukę.
Jest doskonałym źródłem wiedzy do tworzenia inteligentnych, interaktywnych gadżetów oraz systemów czujników wykorzystujących protokół sieci bezprzewodowej ZigBee i radia Series 2 XBee.
#3. Przemysłowe bezprzewodowe sieci czujników (IWSN): protokoły i aplikacje
Publikacja przedstawia najnowsze badania dotyczące przemysłowych sieci czujników bezprzewodowych. Artykuły zamieszczone w wydaniu specjalnym przyczyniają się do rozwoju badań nad IWSN i mają inspirować do dalszych działań w tym zakresie.
Sieci IWSN odgrywają kluczową rolę ze względu na coraz powszechniejsze wykorzystanie sieci bezprzewodowych w życiu codziennym i w przemyśle. Charakteryzują się one wysokimi standardami niezawodności i terminowości w każdej warstwie sieci.
#4. Budowa bezprzewodowych sieci czujników z ESP32 LoRa
Ten przewodnik opisuje jak wdrożyć podstawową sieć WSN wykorzystując ESP32 w sieci LoRa.
Omawia takie tematy jak przygotowanie środowiska programistycznego, konfiguracja ESP32 LoRa, przesyłanie i odbieranie danych, obsługa przerwań odbiornika LoRa, rozgłaszanie komunikatów w sieci LoRa oraz tworzenie aplikacji WSN z ESP32 LoRa.
Podsumowanie
Sieci bezprzewodowych czujników (WSN) stały się nieodzowne w wielu aplikacjach monitorujących i śledzących. Technologia WSN przeszła ewolucję od podstawowego monitorowania czujników do zaawansowanego wykrywania, przetwarzania i analizy.
Technologia WSN dynamicznie się rozwija, aby gromadzić wartościową wiedzę i zapewniać precyzyjne rezultaty.
Zachęcamy również do zapoznania się z modelem architektury protokołu TCP/IP.