WSN, skrót od Wireless Sensor Networks, wykrywa i reaguje na warunki fizyczne i środowiskowe, takie jak ciepło, ciśnienie, światło itp., za pośrednictwem swojej sieci czujników.
Postępy w technologii bezprzewodowej i czujnikach systemu mikroelektromechanicznego (MEMS) umożliwiły inteligentne rozmieszczenie czujników o niskim poborze mocy na dużym obszarze, tworząc niedrogie sieci WSN do zastosowań wojskowych i cywilnych.
W poniższej sekcji omówimy typy WSN, ich komponenty i zastosowania oraz ich zalety i wady oraz zastosowania.
Spis treści:
Jakie jest znaczenie sieci?
Networking łączy urządzenia, które pozwalają na wymianę informacji i udostępnianie zasobów. Te zintegrowane urządzenia wykorzystują protokoły komunikacyjne, takie jak TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP itp., które są zbiorem reguł przesyłania danych w sieciach bezprzewodowych lub przewodowych.
Zasadniczo istnieją dwa rodzaje sieci: przewodowa i bezprzewodowa. Sieci przewodowe i bezprzewodowe różnią się szybkością przesyłania danych, bezpieczeństwem danych, zasięgiem komunikacji i kosztami.
Sieć przewodowa jest klasyfikowana na podstawie wzajemnych połączeń urządzeń za pomocą fizycznych kabli, podczas gdy sieci bezprzewodowe wykorzystują fale radiowe do łączenia urządzeń. Dostępne są różne technologie bezprzewodowe, takie jak Wi-Fi, Bluetooth itp.
Wireless Sensor Network (WSN), jak sama nazwa wskazuje, jest technologią bezprzewodową, a komunikacja odbywa się za pomocą sygnałów radiowych.
Co to jest bezprzewodowa sieć czujników (WSN)?
Bezprzewodowa sieć czujników, zwana także WSN, to zbiór wyspecjalizowanych czujników rozmieszczonych w różnych lokalizacjach w określonych strukturach w celu rejestrowania i monitorowania fizycznych parametrów środowiska oraz organizowania wynikowych danych w scentralizowanej lokalizacji.
Te parametry fizyczne obejmują między innymi temperaturę, ciśnienie, wiatr i wilgotność.
Źródło obrazu: electronicshub
Sieć WSN składa się ze stacji bazowych i węzłów umieszczonych w różnych lokalizacjach, które współdziałają bezprzewodowo. Strukturę WSN można zaimplementować przy użyciu czterech różnych podejść, a mianowicie typów punkt-punkt, gwiazda, drzewo i siatka.
Układ WSN można podzielić na pięć typów w zależności od środowiska fizycznego: podziemne, naziemne, podwodne, multimedialne i mobilne WSN.
Nowe projekty czujników wykorzystują postępy inżynieryjne i technologiczne, aby połączyć sferę fizyczną i cyfrową w celu uzyskania wydajnych wyników.
WSN składa się z węzłów z czujnikami wykrywającymi zmiany fizyczne i środowiskowe, które przesyłają dane do stacji bazowej w celu analizy i raportów wyjściowych.
Integracja bezprzewodowych sieci czujników z GPS lub RFID może zwiększyć zasięg i stworzyć zaawansowane systemy śledzenia lub monitorowania.
Sieci WSN mają na celu gromadzenie informacji środowiskowych w celu zwiększenia bezpieczeństwa, produktywności i zapobiegania wypadkom przy jednoczesnej ochronie środowiska.
Składniki WSN
Zobaczmy listę składników tworzących WSN. Zasadniczo WSN składa się z dwóch części: Sensor Node i Network Architecture.
Węzeł czujnika
Węzeł czujnika składa się z następujących elementów:
- Zasilacz: Do zasilania wszystkich elementów sieci.
- Jednostka wykrywająca: składa się z czujnika i przetwornika ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy). Czujnik zbiera dane analogowe, a ADC zamienia je na format cyfrowy. Węzły czujników mają nie tylko funkcję wykrywania, ale także przetwarzają, komunikują się i przechowują komponenty. Sensor Node zbiera i analizuje dane fizyczne oraz koreluje je i łączy z danymi z innych czujników.
- Jednostka przetwarzająca: składa się z pamięci i mikroprocesora. Inteligentnie przetwarza dane i manipuluje nimi.
- System komunikacyjny: System radiowy do transmisji i odbioru danych.
- Stacja bazowa: Jest to niezwykły węzeł o dużej mocy obliczeniowej i możliwościach przetwarzania.
Źródło obrazu: electronicshub
Głowa klastra: Jest to węzeł czujnikowy o dużej przepustowości używany do wykonywania funkcji fuzji danych i agregacji danych w sieci WSN. W zależności od wymagań systemowych i aplikacji w klastrze będzie znajdować się więcej niż jedna głowica klastra.
W sieci czujników bezprzewodowych (WSN) węzeł czujnikowy komunikuje się z innymi węzłami czujnikowymi rozmieszczonymi na dużych obszarach w celu monitorowania środowiska fizycznego i stacji bazowej (BS) za pośrednictwem komunikacji bezprzewodowej. Węzły Sensor zbierają dane i wysyłają je do stacji bazowej. Stacje bazowe przetwarzają dane i udostępniają zaktualizowane informacje użytkownikom online.
Architektura sieci
Gdy wszystkie węzły czujników są podłączone do stacji bazowej, nazywa się to architekturą sieci z jednym przeskokiem. Gdy dane są przesyłane na duże odległości, zużywają więcej energii niż gromadzenie danych i obliczenia, dlatego w takich przypadkach powszechnie stosuje się architekturę sieci z wieloma przeskokami, wykorzystując węzły pośrednie zamiast pojedynczego łącza łączącego węzeł czujnika ze stacją bazową.
Źródło obrazu: electronicshub
Istnieją dwa sposoby implementacji tych struktur: Płaska architektura sieci i Hierarchiczna architektura sieci.
W architekturze płaskiej stacja bazowa wydaje polecenia wszystkim węzłom czujnikowym, a węzły czujnikowe odpowiadają za pośrednictwem węzłów równorzędnych przy użyciu ścieżki z wieloma przeskokami.
W hierarchicznej architekturze sieci głowy klastrów odbierają informacje z grupy węzłów czujników i przekazują dane do stacji bazowej.
Inne składniki WSN
- Węzeł przekaźnikowy: węzeł pośredni służy do komunikacji z sąsiednim węzłem. Zwiększa niezawodność sieci i nie jest wyposażony w czujnik procesu ani sprzęt kontrolny.
- Węzeł aktora: Zaawansowany węzeł służy do wykonywania i konstruowania decyzji w zależności od wymagań aplikacji. Zazwyczaj te węzły to urządzenia bogate w zasoby, wyposażone w wysokiej jakości możliwości przetwarzania, dużą moc transmisji i żywotność baterii.
- Brama: Brama to interfejs między sieciami czujników a sieciami zewnętrznymi. W porównaniu z węzłem czujnikowym i głowicą klastra, węzeł bramkowy ma największe możliwości pod względem pamięci programu i danych, zastosowanego procesora, zasięgu nadajnika-odbiornika oraz możliwości rozbudowy poprzez pamięć zewnętrzną.
Rodzaje bezprzewodowych sieci czujników (WSN)
Istnieje pięć różnych typów WSN:
- Pod wodą: Podwodna bezprzewodowa sieć czujników wykorzystuje węzły czujników i pojazdy znajdujące się pod wodą do zbierania danych. Ma duże opóźnienia i problemy z awarią czujnika oraz ma ograniczoną liczbę baterii, których nie można ładować.
- Underground: Ten typ monitoruje warunki pod ziemią, ponieważ działają całkowicie pod ziemią, a węzły Sink umieszczone nad ziemią przesyłają dane do stacji bazowej. Kosztuje więcej niż sieci naziemne ze względu na drogi sprzęt i konserwację.
- Sieć naziemna: Ten typ sieci jest używany na lądzie do monitorowania warunków środowiskowych różnych obszarów. Tysiące bezprzewodowych węzłów czujnikowych w naziemnych sieciach WSN jest rozmieszczonych ad hoc lub z góry zaplanowaną strukturą, aby wydajnie komunikować się ze stacjami bazowymi.
- Multimedia: sieci WSN mogą śledzić i monitorować zdarzenia multimedialne, takie jak wideo, obrazy i dźwięk. Mają niedrogie węzły czujników z kamerami i mikrofonami, które bezprzewodowo łączą, pobierają, kompresują i korelują dane.
- Mobilne: mobilne sieci WSN składają się z węzłów czujników, które mogą się poruszać i komunikować podczas wykonywania funkcji wykrywania. Mobilne bezprzewodowe sieci czujników oferują większą elastyczność, większy zasięg, lepszą przepustowość kanałów i oszczędność energii w porównaniu ze stacjonarnymi sieciami czujników.
Wdrożenie typu WSN opiera się na wymaganiach aplikacji i podłoża.
Różne struktury WSN
Istnieją cztery typy struktur sieciowych, ale ich implementacja wpływa na opóźnienia, pojemność i niezawodność, ponieważ routing i przetwarzanie danych zmienia się w zależności od różnych struktur sieciowych. Tak więc ocena wymagań i charakter aplikacji powinna być znana przed wdrożeniem struktury WSN.
Węzły można również połączyć z Internetem i przesyłać dane do platformy chmurowej w celu dalszej analizy.
Źródło obrazu: Researchgate
- Struktura punkt-punkt lub magistrala: Czujniki w tej sieci mogą komunikować się bezpośrednio ze sobą bez centralnego koncentratora. Ta struktura jest szeroko stosowana i zapewnia bezpieczną komunikację.
- Struktura gwiezdna: Sieć gwiezdna wykorzystuje stację bazową jako centralny koncentrator do komunikacji ze wszystkimi czujnikami, jest prosta do wdrożenia i wymaga niewielkiej mocy. Jedną z wad tej struktury jest zależność komunikacji od jednej stacji bazowej.
- Struktura drzewiasta lub hybrydowa: składa się ze struktur punkt-punkt i gwiazda. W tej strukturze czujniki są rozmieszczone w konfiguracji drzewiastej, a transmisja danych odbywa się poprzez rozgałęzienia między nimi. Zużywa mniej energii niż inne konstrukcje.
- Struktura siatki: W tej strukturze transmisja danych odbywa się między czujnikami w ich zakresach transmisji w celu komunikacji wieloprzeskokowej bez potrzeby stosowania centralnej stacji bazowej. Czujniki mogą wykorzystywać czujniki pośrednie do przesyłania danych do czujników znajdujących się poza ich obszarem zasięgu radiowego. Stąd jest znany ze skalowalności i redundancji. Jest uważany za najbardziej niezawodny, ponieważ nie ma pojedynczego punktu awarii, ale wymaga większej mocy.
Zastosowania WSN
WSN są szeroko stosowane w wielu sektorach, w których wymagany jest pomiar, śledzenie lub nadzór. Rozprzestrzeniają się na obszarze, mierząc temperaturę, dźwięk i inne parametry w różnych zastosowaniach.
- Są wykorzystywane do monitorowania regionów poprzez rozmieszczanie czujników w celu wykrywania prób włamań, dlatego są szeroko stosowane w wojsku do wykrywania wrogich inwazji.
- Są popularne wśród zastosowań cywilnych, takich jak górnictwo, opieka zdrowotna, nadzór, rolnictwo i inne warunki monitorowania.
- Bezprzewodowe węzły czujników wykrywają zaparkowane pojazdy za pomocą magnetometrów, a do śledzenia można wykorzystać mikroradary i magnetometry.
- WSN jest bardzo popularny w monitorowaniu i wykrywaniu środowiska / Ziemi, takim jak zapobieganie klęskom żywiołowym, wykrywanie osuwisk, monitorowanie jakości wody, wykrywanie pożarów lasów i monitorowanie siedlisk. Jest również szeroko stosowany w przemysłowych rozwiązaniach do monitorowania, takich jak stan maszyn, ścieki, stan konstrukcji itp.
Zalety i wady bezprzewodowych sieci czujników
W tej sekcji przyjrzymy się zaletom i wadom WSN:
Zalety
- Sieci WSN są preferowane w stosunku do przewodowych systemów monitorowania ze względu na wygodę, niezawodność, przystępność cenową i łatwość wdrożenia.
- WSN eliminuje potrzebę stosowania kabli lub przewodów.
- Biegłość WSN wynika z wielu czynników: precyzji wykrywania, zasięgu pokrycia, odporności na awarie, łączności, niewielkiego zaangażowania człowieka, funkcjonalności w trudnych warunkach i dynamicznego planowania czujników.
- Umożliwia scentralizowane monitorowanie wszystkich węzłów w sieci WSN.
- Możliwość dostosowania do partycji fizycznych bez żadnego problemu.
- Protokoły routingu do komunikacji w środowisku o ograniczonej wydajności i przepustowości, tworząc samoorganizujące się sieci ad hoc wykorzystujące komunikację z wieloma przeskokami.
- Wykorzystuje algorytmy bezpieczeństwa oparte na technologii bezprzewodowej, aby stworzyć niezawodną sieć dla użytkowników.
- Umożliwia łatwą integrację nowych węzłów lub urządzeń w celu zwiększenia skalowalności.
Niedogodności
- Sieci WSN stają przed wyzwaniami, takimi jak ograniczona przepustowość, wysokie zużycie energii, wysokie koszty węzłów, modele wdrażania oraz ograniczenia projektowe dotyczące sprzętu/oprogramowania.
- Bezprzewodowe sieci czujników są podatne na włamania.
- Sieci WSN są przeznaczone do zastosowań o niskiej szybkości i nie nadają się do komunikacji z dużą szybkością.
- Drogie w budowie sieci WSN.
- Cała sieć może zostać zamknięta w WSN opartych na topologii gwiazdy, jeśli węzeł centralny ulegnie awarii.
Zasoby edukacyjne
# 1. Budowanie bezprzewodowych sieci czujników za pomocą Arduino
Książka o budowaniu sieci bezprzewodowej o niskim poborze mocy z wykorzystaniem sprzętu Arduino i XBee. Zawiera wyjaśnienia dotyczące opracowywania złożonych projektów za pomocą ilustrujących przykładów. Książka zawiera szczegółowe zdjęcia i zrzuty ekranu oraz wyjaśnia projekt automatyki domowej, który można śledzić w obecnej postaci lub dostosowywać.
Dowiesz się, jak bezprzewodowo łączyć płytki Arduino za pomocą modułów XBee i sterować środowiskiem na podstawie informacji zwrotnych z czujników sieciowych. Używaj oprogramowania XCTU w systemach Windows, OS X lub Linux do zbierania i przechowywania danych z czujników na platformie chmurowej lub w osobistej bazie danych. Korzystaj także z urządzeń automatyki domowej ZigBee.
Ta książka może być używana przez programistów systemów wbudowanych i entuzjastów znających Arduino, aby rozszerzyć swoje projekty z wykorzystaniem technologii bezprzewodowej.
#2. Budowanie bezprzewodowych sieci czujników: z ZigBee, XBee, Arduino i przetwarzaniem
Ta książka kładzie nacisk na budowanie sieci ZigBee przy użyciu radia XBee i Arduino kosztującego mniej niż 100 USD. Twórz regulowane systemy wykrywania i uruchamiania oraz zdobywaj wiedzę na temat zawiłości XBee, takich jak zarządzanie energią i kierowanie źródłami. Opracuj bramki umożliwiające połączenia z sąsiednimi sieciami, w tym z Internetem.
Ta książka pomoże różnym osobom zdobyć wiedzę i umiejętności potrzebne do realizacji ich projektów, podążając za przykładami z każdego rozdziału, w tym wynalazcom, hakerom, rzemieślnikom, studentom, hobbystom i naukowcom.
Jest doskonałym źródłem informacji do tworzenia inteligentnych, interaktywnych gadżetów, a systemy czujników są dostępne dzięki wykorzystaniu protokołu sieci bezprzewodowej ZigBee i radiotelefonów Series 2 XBee.
#3. Przemysłowe bezprzewodowe sieci czujników (IWSN): protokoły i aplikacje
Niniejsza publikacja przedstawia nowe wyniki badań nad przemysłowymi bezprzewodowymi sieciami czujników. Artykuły zawarte w wydaniu specjalnym przyczyniają się do postępu badań nad IWSN i oczekuje się, że zainspirują do dalszych badań i wdrażania.
IWSN mają kluczowe znaczenie ze względu na rosnące wykorzystanie bezprzewodowych sieci czujników w życiu codziennym i przemyśle, które charakteryzują się wysokimi standardami niezawodności, niezawodności i terminowości w każdej warstwie sieci.
#4. Budowa bezprzewodowych sieci czujników z ESP32 LoRa
Ten przewodnik ma zaimplementować podstawową sieć czujników bezprzewodowych (WSN) z ESP32 w sieci LoRa.
Obejmuje różne tematy, takie jak przygotowanie środowiska programistycznego, konfiguracja ESP32 LoRa, wysyłanie i odbieranie danych, obsługa przerwań odbiornika LoRa, rozgłaszanie komunikatów w sieci LoRa oraz tworzenie aplikacji WSN z ESP32 LoRa.
Ostatnie słowa
Bezprzewodowe sieci czujników (WSN) stały się niezbędne dla różnych aplikacji monitorowania i śledzenia. WSN przeszedł od podstawowego monitorowania czujników do zaawansowanego wykrywania, przetwarzania i analizy.
Technologia WSN znacznie się zmieniła, aby gromadzić cenną wiedzę i zapewniać pożądane wyniki.
Następnie sprawdź działanie modelu architektury protokołu TCP/IP.