Architettura della rete di sensori wireless e sue applicazioni

Attualmente, WSN (Wireless Sensor Network) è i servizi più standard utilizzati nelle applicazioni commerciali e industriali, a causa del suo sviluppo tecnico in un processore, comunicazione e utilizzo a basso consumo di dispositivi informatici incorporati. L'architettura di rete del sensore wireless è costruita con nodi che vengono utilizzati per osservare l'ambiente circostante come temperatura, umidità, pressione, posizione, vibrazione, suono, ecc. Questi nodi possono essere utilizzati in varie applicazioni in tempo reale per eseguire varie attività come il rilevamento intelligente, una scoperta dei nodi vicini, elaborazione e archiviazione dei dati, raccolta dei dati, tracciamento dei target, monitoraggio e controllo, sincronizzazione, localizzazione dei nodi e instradamento efficace tra la stazione base e i nodi. Attualmente, le WSN stanno iniziando a essere organizzate in una fase avanzata. Non è imbarazzante aspettarsi che tra 10 o 15 anni il mondo sarà protetto con WSN con accesso tramite Internet. Questo può essere misurato mentre Internet diventa un n / w fisico. Questa tecnologia è entusiasmante con un potenziale infinito per molte aree di applicazione come medicina, ambiente, trasporti, militare, intrattenimento, difesa nazionale, gestione delle crisi e anche spazi intelligenti.

Cos'è una rete di sensori wireless?

Un wireless Sensor Network è un tipo di rete wireless che include un gran numero di dispositivi circolanti, auto-diretti, minuti ea bassa potenza denominati nodi di sensori chiamati motes. Queste reti coprono certamente un numero enorme di dispositivi embedded distribuiti nello spazio, piccoli, alimentati a batteria che sono collegati in rete per raccogliere, elaborare e trasferire con cura i dati agli operatori e hanno controllato le capacità di elaborazione e elaborazione. I nodi sono minuscoli computer, che lavorano insieme per formare reti.

Rete di sensori wireless

Il nodo del sensore è un dispositivo wireless multifunzionale ed efficiente dal punto di vista energetico. Le applicazioni dei granuli in ambito industriale sono molto diffuse. Una raccolta di nodi sensori raccoglie i dati dall'ambiente circostante per raggiungere obiettivi applicativi specifici. La comunicazione tra i granuli può essere effettuata tra loro utilizzando ricetrasmettitori. In una rete di sensori wireless, il numero di granuli può essere dell'ordine di centinaia o addirittura migliaia. A differenza del sensore n / ws, le reti ad hoc avranno meno nodi senza alcuna struttura.

Architettura della rete di sensori wireless

L'architettura di rete di sensori wireless più comune segue il modello di architettura OSI. L'architettura del WSN include cinque livelli e tre livelli incrociati. Principalmente nel sensore n / w, abbiamo bisogno di cinque livelli, ovvero applicazione, trasporto, n / w, collegamento dati e livello fisico. I tre piani incrociati sono la gestione dell'alimentazione, la gestione della mobilità e la gestione delle attività. Questi strati del WSN vengono utilizzati per realizzare il n / w e far lavorare i sensori insieme al fine di aumentare la completa efficienza della rete. Si prega di seguire il collegamento sottostante per Tipi di reti di sensori wireless e topologie WSN

Tipi di architetture WSN

L'architettura utilizzata in WSN è l'architettura della rete di sensori. Questo tipo di architettura è applicabile in luoghi diversi come ospedali, scuole, strade, edifici e viene utilizzato in diverse applicazioni come gestione della sicurezza, gestione dei disastri e gestione delle crisi, ecc. Esistono due tipi di architetture utilizzate nei sensori wireless reti che includono quanto segue. Esistono 2 tipi di architetture di sensori wireless: architettura di rete stratificata e architettura cluster. Questi sono spiegati di seguito.

• Architettura di rete stratificata
• Architettura di rete in cluster

Architettura di rete stratificata

Questo tipo di rete utilizza centinaia di nodi sensori e una stazione base. Qui la disposizione dei nodi di rete può essere eseguita in strati concentrici. Comprende cinque strati e 3 strati incrociati che includono quanto segue.

I cinque livelli nell'architettura sono:

• Livello applicazione
• Livello di trasporto
• Livello di rete
• Livello di collegamento dati
• Livello fisico

I tre strati incrociati includono quanto segue:

• Piano di gestione dell'energia
• Piano di gestione della mobilità
• Piano di gestione delle attività

Questi tre strati incrociati vengono utilizzati principalmente per controllare la rete e per far funzionare i sensori come uno solo al fine di migliorare l'efficienza complessiva della rete. I cinque livelli di WSN sopra menzionati sono discussi di seguito.

Architettura della rete di sensori wireless

Livello applicazione

Il livello dell'applicazione è responsabile della gestione del traffico e offre software per numerose applicazioni che convertono i dati in una forma chiara per trovare informazioni positive. Reti di sensori organizzate in numerose applicazioni in diversi campi come agricolo, militare, ambientale, medico, ecc.

Livello di trasporto

La funzione del livello di trasporto è di fornire affidabilità e prevenzione della congestione laddove molti protocolli destinati a offrire questa funzione sono pratici a monte. Questi protocolli utilizzano meccanismi dissimili per il riconoscimento e il recupero della perdita. Il livello di trasporto è esattamente necessario quando un sistema è pianificato per contattare altre reti.

Fornire un ripristino affidabile delle perdite è più efficiente dal punto di vista energetico e questo è uno dei motivi principali per cui TCP non è adatto per WSN. In generale, i livelli di trasporto possono essere separati in Packet driven, Event-driven. Esistono alcuni protocolli popolari nel livello di trasporto, ovvero STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol e PSFQ (pump slow fetch quick).

Livello di rete

La funzione principale del livello di rete è il routing, ha molte attività basate sull'applicazione, ma in realtà le attività principali sono il risparmio energetico, la memoria parziale, i buffer e il sensore non hanno un ID universale e devono essere auto-organizzato.

La semplice idea del protocollo di routing è spiegare una corsia affidabile e corsie ridondanti, secondo una scala convincente chiamata metrica, che varia da protocollo a protocollo. Esistono molti protocolli esistenti per questo livello di rete, possono essere separati in instradamento semplice e instradamento gerarchico o possono essere separati in guidati dal tempo, guidati da query e guidati da eventi.

Livello di collegamento dati

Il livello di collegamento dati è responsabile del rilevamento di frame di dati multiplexing, flussi di dati, MAC e controllo degli errori, conferma l'affidabilità del punto – punto (o) punto– multipunto.

Livello fisico

Il livello fisico fornisce un vantaggio per il trasferimento di un flusso di bit al di sopra del supporto fisico. Questo livello è responsabile della selezione della frequenza, della generazione di una frequenza portante, del rilevamento del segnale, della modulazione e della crittografia dei dati. IEEE 802.15.4 è suggerito come tipico per aree particolari a bassa velocità e reti di sensori wireless con basso costo, consumo energetico, densità, raggio di comunicazione per migliorare la durata della batteria. CSMA / CA viene utilizzato per supportare la topologia star e peer to peer. Esistono diverse versioni di IEEE 802.15.4.V.

I principali vantaggi dell'utilizzo di questo tipo di architettura in WSN è che ogni nodo comporta semplicemente trasmissioni a bassa distanza ea bassa potenza ai nodi vicini, a causa dei quali l'utilizzo dell'energia è basso rispetto ad altri tipi di architettura di rete di sensori. Questo tipo di rete è scalabile e include un'elevata tolleranza ai guasti.

Architettura di rete in cluster

In questo tipo di architettura, i nodi sensori separatamente si aggiungono a gruppi noti come cluster che dipendono dal 'protocollo di leach' perché utilizza cluster. Il termine 'Leach Protocol' sta per 'Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy'. Le proprietà principali di questo protocollo includono principalmente quanto segue.

Architettura di rete in cluster

• Si tratta di un'architettura di clustering gerarchica a due livelli.
• Questo algoritmo distribuito viene utilizzato per organizzare i nodi del sensore in gruppi, noti come cluster.
• In ogni cluster formato separatamente, i nodi principali del cluster creeranno i piani TDMA (Time-division multiple access).
• Utilizza il concetto di Data Fusion in modo da rendere la rete efficiente dal punto di vista energetico.

Questo tipo di architettura di rete è estremamente utilizzata a causa della proprietà di fusione dei dati. In ogni cluster, ogni nodo può interagire attraverso la testa del cluster per ottenere i dati. Tutti i cluster condivideranno i dati raccolti con la stazione base. La formazione di un cluster, così come la sua selezione della testa in ogni cluster, è un metodo distribuito indipendente e autonomo.

Problemi di progettazione dell'architettura di rete di sensori wireless

I problemi di progettazione dell'architettura di rete dei sensori wireless includono principalmente quanto segue.

• Consumo energetico
• Localizzazione
• Copertura
• Orologi
• Calcolo
• Costo di produzione
• Progettazione di hardware
• Qualità del servizio

Consumo energetico

In WSN, il consumo di energia è uno dei problemi principali. Come fonte di energia, la batteria viene utilizzata dotandosi di nodi sensori. La rete di sensori è organizzata all'interno di situazioni pericolose, quindi diventa complicata per cambiare altrimenti ricaricare le batterie. Il consumo di energia dipende principalmente dalle operazioni dei nodi del sensore come la comunicazione, il rilevamento e l'elaborazione dei dati. Durante la comunicazione, il consumo di energia è molto alto. Pertanto, il consumo di energia può essere evitato a ogni livello utilizzando protocolli di instradamento efficienti.

Localizzazione

Per il funzionamento della rete, il problema fondamentale, oltre che critico, è la localizzazione dei sensori. Quindi i nodi dei sensori sono disposti in modo ad hoc in modo che non sappiano della loro posizione. La difficoltà di determinare la posizione fisica del sensore una volta che sono stati disposti è nota come localizzazione. Questa difficoltà può essere risolta tramite GPS, nodi beacon, localizzazione basata sulla prossimità.

Copertura

I nodi dei sensori nella rete di sensori wireless utilizzano un algoritmo di copertura per rilevare i dati e trasmetterli per passare attraverso l'algoritmo di instradamento. Per coprire l'intera rete, è necessario scegliere i nodi del sensore. Sono consigliati metodi efficienti come algoritmi del percorso di esposizione minima e massima e protocollo di progettazione della copertura.

Orologi

In WSN, la sincronizzazione dell'orologio è un servizio serio. La funzione principale di questa sincronizzazione è quella di offrire una scala temporale ordinaria per i nodi degli orologi locali all'interno delle reti di sensori. Questi orologi devono essere sincronizzati all'interno di alcune applicazioni come il monitoraggio e il monitoraggio.

Calcolo

Il calcolo può essere definito come la somma dei dati che continua attraverso ogni nodo. Il problema principale nel calcolo è che deve ridurre l'utilizzo delle risorse. Se la durata della stazione base è più pericolosa, l'elaborazione dei dati sarà completata in ogni nodo prima della trasmissione dei dati verso la stazione base. Ad ogni nodo, se abbiamo delle risorse, l'intero calcolo dovrebbe essere fatto al sink.

Costo di produzione

In WSN, è organizzato il gran numero di nodi del sensore. Quindi, se il prezzo del singolo nodo è molto alto, anche il prezzo complessivo della rete sarà alto. Infine, il prezzo di ogni nodo sensore deve essere mantenuto inferiore. Quindi il prezzo di ogni nodo di sensori all'interno della rete di sensori wireless è un problema impegnativo.

Progettazione hardware

Quando si progetta l'hardware di una rete di sensori come il controllo dell'alimentazione, il microcontrollore e l'unità di comunicazione devono essere efficienti dal punto di vista energetico. Il suo design può essere fatto in modo tale da utilizzare a bassa energia.

Qualità del servizio

La qualità del servizio o QoS non è altro che i dati devono essere distribuiti nel tempo. Perché alcune delle applicazioni basate su sensori in tempo reale dipendono principalmente dal tempo. Quindi, se i dati non vengono distribuiti in tempo al destinatario, i dati diventeranno inutili. Nelle WSN, esistono diversi tipi di problemi di QoS come la topologia di rete che possono modificare frequentemente così come lo stato accessibile delle informazioni utilizzate per il routing può essere impreciso.

Struttura di una rete di sensori wireless

La struttura di WSN comprende principalmente varie topologie utilizzate per reti di comunicazioni radio come una stella, una maglia e una stella ibrida. Queste topologie sono discusse di seguito in breve.

Star Network

La topologia di comunicazione come una rete a stella viene utilizzata ovunque solo la stazione base può trasmettere o ricevere un messaggio verso i nodi remoti. Sono disponibili numerosi nodi a cui non è consentito trasmettere messaggi tra loro. I vantaggi di questa rete sono principalmente la semplicità, in grado di mantenere al minimo l'utilizzo di energia dei nodi remoti.

Consente inoltre comunicazioni con minore latenza tra la stazione base e un nodo remoto. Lo svantaggio principale di questa rete è che la stazione base dovrebbe trovarsi nel raggio della radio per tutti i nodi separati. Non è robusto come le altre reti perché dipende da un singolo nodo per gestire la rete.

Rete Mesh

Questo tipo di rete consente la trasmissione dei dati da un nodo all'altro all'interno della rete che si trova nel raggio di trasmissione radio. Se un nodo deve trasmettere un messaggio a un altro nodo e questo è fuori dalla portata delle comunicazioni radio, può utilizzare un nodo come un intermedio per inviare il messaggio al nodo preferito.

Il vantaggio principale di una rete mesh è la scalabilità e la ridondanza. Quando un singolo nodo smette di funzionare, un nodo remoto può conversare con qualsiasi altro tipo di nodo all'interno dell'intervallo, quindi inoltra il messaggio verso la posizione preferita. Inoltre, l'intervallo di rete non è automaticamente limitato all'intervallo tra i singoli nodi, ma può estendersi semplicemente aggiungendo un numero di nodi al sistema.

Lo svantaggio principale di questo tipo di rete è l'utilizzo di energia per i nodi di rete che eseguono le comunicazioni come il multi-hop di solito sono più alti di altri nodi che non hanno questa capacità di limitare frequentemente la durata della batteria. Inoltre, quando il numero di salti di comunicazione aumenta verso una destinazione, aumenterà anche il tempo impiegato per inviare il messaggio, in particolare se il processo a bassa potenza dei nodi è una necessità.

Stella ibrida - Rete mesh

Un ibrido tra le due reti come star e mesh fornisce una rete di comunicazione forte e flessibile mantenendo al minimo il consumo di energia dei nodi dei sensori wireless. In questo tipo di topologia di rete, i nodi del sensore con meno potenza non sono autorizzati a trasmettere i messaggi.
Ciò consente di mantenere il minimo utilizzo di energia.

Tuttavia, altri nodi di rete sono autorizzati con la capacità di multi-hop consentendo loro di trasmettere messaggi da un nodo a un altro sulla rete. Di solito, i nodi con capacità multi-hop hanno una potenza elevata e sono spesso collegati alla linea di rete. Questa è la topologia implementata attraverso l'imminente rete mesh standard chiamata ZigBee.

Struttura di un nodo sensore wireless

I componenti utilizzati per creare un nodo sensore wireless sono unità diverse come rilevamento, elaborazione, ricetrasmettitore e alimentazione. Include anche componenti aggiuntivi che dipendono da un'applicazione come un generatore di corrente, un sistema di localizzazione e un mobilizzatore. Generalmente, le unità di rilevamento includono due subunità, vale a dire ADC e sensori. Qui i sensori generano segnali analogici che possono essere modificati in segnali digitali con l'aiuto di ADC, dopodiché trasmettono all'unità di elaborazione.

Generalmente, questa unità può essere associata tramite una piccola unità di memoria per gestire le azioni per far funzionare il nodo del sensore con gli altri nodi per ottenere i compiti di rilevamento assegnati. Il nodo sensore può essere connesso alla rete con l'ausilio di un'unità ricetrasmittente. Nel nodo sensore, uno dei componenti essenziali è un nodo sensore. Le unità di potenza sono supportate tramite unità di recupero dell'energia come le celle solari, mentre le altre subunità dipendono dall'applicazione.

Un diagramma a blocchi funzionale dei nodi di rilevamento wireless è mostrato sopra. Questi moduli offrono una piattaforma versatile per affrontare i requisiti di applicazioni estese. Ad esempio, in base ai sensori da predisporre, può essere eseguita la sostituzione del blocco di condizionamento del segnale. Ciò consente di utilizzare diversi sensori insieme al nodo di rilevamento wireless. Allo stesso modo, il collegamento radio può essere scambiato per un'applicazione specifica.

Caratteristiche della rete di sensori wireless

Le caratteristiche di WSN includono quanto segue.

• Il consumo dei limiti di potenza per i nodi con batterie
• Capacità di gestire gli errori dei nodi
• Una certa mobilità dei nodi ed eterogeneità dei nodi
• Scalabilità su larga scala di distribuzione
• Capacità di garantire condizioni ambientali rigorose
• Semplice da usare
• Design a strati incrociati

Vantaggi delle reti di sensori wireless

I vantaggi di WSN includono quanto segue

• Gli accordi di rete possono essere realizzati senza infrastrutture inamovibili.
• Adatto a luoghi non raggiungibili come montagne, mare, zone rurali e foreste profonde.
• Flessibile se si verifica una situazione casuale quando è necessaria una postazione di lavoro aggiuntiva.
• Il prezzo di esecuzione è poco costoso.
• Evita molti cablaggi.
• Potrebbe fornire sistemazioni per i nuovi dispositivi in ​​qualsiasi momento.
• Può essere aperto utilizzando il monitoraggio centralizzato.

Applicazioni di rete di sensori wireless

Le reti di sensori wireless possono comprendere numerosi tipi diversi di sensori come bassa velocità di campionamento, sismico, magnetico, termico, visivo, infrarosso, radar e acustico, che sono intelligenti per monitorare un'ampia gamma di situazioni ambientali. I nodi dei sensori vengono utilizzati per il rilevamento costante, l'ID evento, il rilevamento di eventi e il controllo locale degli attuatori. Le applicazioni delle reti di sensori wireless includono principalmente aree sanitarie, militari, ambientali, domestiche e altre aree commerciali.

Applicazione WSN

• Applicazioni militari
• Applicazioni sanitarie
• Applicazioni ambientali
• Applicazioni domestiche
• Applicazioni commerciali
• Monitoraggio dell'area
• Monitoraggio sanitario
• Rilevamenti ambientali / terrestri
• Monitoraggio dell'inquinamento atmosferico
• Rilevazione di incendi boschivi
• Rilevamento di frane
• Monitoraggio della qualità dell'acqua
• Monitoraggio industriale

Quindi, si tratta solo di ciò che è un file rete di sensori wireless , architettura, caratteristiche e applicazioni della rete di sensori wireless. Ci auguriamo che tu abbia una migliore comprensione di questo concetto. Inoltre, qualsiasi domanda o da sapere idee per progetti di reti di sensori wireless , per favore dai i tuoi preziosi suggerimenti commentando nella sezione commenti qui sotto. Ecco una domanda per te, quali sono i diversi tipi di reti di sensori wireless?