Ασύρματο δίκτυο αισθητήρων

Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (ΑΔΑ / wireless sensor network - WSN) αποτελείται από διασκορπισμένους αυτόνομους αισθητήρες, οι οποίοι αξιοποιούνται για την παρακολούθηση φυσικών ή περιβαλλοντολογικών συνθηκών, όπως η θερμοκρασία, ο ήχος, η ατμοσφαιρική πίεση κτλ. και μέσω συνεργασίας με σκοπό την μεταφορά των δεδομένων αυτών μέσω του δικτύου σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Τα πιο μοντέρνα δίκτυα είναι ικανά και να μεταβιβάζουν αλλά και να δέχονται πληροφορίες πράγμα που τους επιτρέπει να ελέγχουν την δραστηριότητα των αισθητήρων. Το κίνητρο για την ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων με αισθητήρες ήταν οι στρατιωτικές εφαρμογές όπως η παρακολούθηση των πεδίων μάχης. Σήμερα τέτοια δίκτυα χρησιμοποιούνται σε πολλές καταναλωτικές και βιομηχανικές εφαρμογές, στην εποπτεία και τον έλεγχο της βιομηχανικής παραγωγής, στην παρακολούθηση των μηχανημάτων υγείας και σε πολλά άλλα.

Το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από κόμβους - ο αριθμός των οποίων κυμαίνεται από μερικές έως αρκετές εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες, όπου κάθε κόμβος συνδέεται σε έναν, ή κάποιες φορές σε περισσότερους αισθητήρες. Όλοι όμως αποτελούνται από ορισμένα χαρακτηριστικά κομμάτια: ένα ραδιοπομποδέκτη με μια εσωτερική κεραία ή μια σύνδεση με μια εξωτερική κεραία, ένα μικροελεγκτή, ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα για τη διασύνδεση με τους αισθητήρες και μια πηγή ενέργειας, συνήθως μια μπαταρία ή μια ενσωματωμένη μορφή συγκομιδής ενέργειας. Ένας αισθητήριος κόμβος μπορεί να ποικίλει σε μέγεθος από εκείνο ενός κουτιού παπουτσιών μέχρι το μέγεθος ενός κόκκου σκόνης, αν και λειτουργικοί "κόκκοι" πραγματικά μικροσκοπικών διαστάσεων δεν έχουν ακόμα δημιουργηθεί. Το κόστος των αισθητήριων κόμβων συνιστά συνάρτηση της πολυπλοκότητας των αισθητήρων και ποικίλει, ξεκινώντας από μερικά και φτάνοντας έως μερικές εκατοντάδες δολάρια. Οι περιορισμοί σε μέγεθος και κόστος συνεπάγονται αντίστοιχους σε πόρους όπως ενέργεια, μνήμη, υπολογιστική ταχύτητα και στο εύρος ζώνης των επικοινωνιών. Η τοπολογία των αισθητήρων μπορεί να διαφέρει από ένα δίκτυο τοπολογίας αστέρος σε ένα αναπτυγμένο ασύρματο δίκτυο πλέγματος multi-hop. Η πολλαπλασιαστική τεχνική μεταξύ των λυκίσκων του δικτύου μπορεί να είναι η δρομολόγηση ή ο καταιγισμός διακίνησης.Dargie, W. and Poellabauer, C., "Fundamentals of wireless sensor networks: theory and practice", John Wiley and Sons, 2010 ISBN 978-0-470-99765-9, pp. 168–183, 191–192Sohraby, K., Minoli, D., Znati, T. "Wireless sensor networks: technology, protocols, and applications, John Wiley and Sons", 2007 ISBN 978-0-471-74300-2, pp. 203–209

Στην επιστήμη των υπολογιστών και των τηλεπικοινωνιών, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι ένας ενεργός τομέας έρευνας με πολυάριθμα εργαστήρια και συνέδρια που διοργανώνονται κάθε χρόνο.

 Εφαρμογές  
 Παρακολούθηση περιοχής 
Η παρακολούθηση περιοχής είναι μια κοινή εφαρμογή των αισθητηριακών δικτύων. Στην παρακολούθηση περιοχής, το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων έχει αναπτυχθεί σε μια περιοχή όπου κάποιο φαινόμενο πρέπει να παρακολουθηθεί. Ένα παράδειγμα από τον στρατό είναι η χρήση των αισθητήρων ώστε να ανιχνευθεί η εχθρική εισβολή. Ένα πολιτικό παράδειγμα είναι η γεω-περίφραξη του φυσικού αερίου ή στους αγωγούς πετρελαίου.

 Περιβαλλοντική / γεωσκόπηση
Ο όρος Περιβαλλοντικά δίκτυα αισθητήρων έχει εξελιχθεί για να καλύψει πολλές εφαρμογές των ασύρματων δικτύων αισθητήρων για την έρευνα της γεωλογίας.Hart, J. K. and Martinez, K. (2006) Environmental Sensor Networks:A revolution in the earth system science? Earth-Science Reviews, 78 . pp. 177-191. Αυτό περιλαμβάνει την παρακολούθηση με αισθητήρες ηφαιστείων,G. Werner-Allen, K. Lorincz, M. Welsh, O. Marcillo, J. Johnson, M. Ruiz, J. Lees, "Deploying a Wireless Sensor Network on an Active Volcano," IEEE Internet Computing, vol. 10, no. 2, pp. 18-25, 2006 ωκεανών,I. Vasilescu, K. Kotay, D. Rus, M. Dunbabin, and P. Corke. 2005. Data collection, storage, and retrieval with an underwater sensor network. In Proceedings of the 3rd international conference on Embedded networked sensor systems (SenSys '05. ACM, New York, NY, USA, 154-165. παγετώνων,Martinez, K, Hart, J. K. and Ong, R (2009) Deploying a Wireless Sensor Network in Iceland. Lecture Notes in Computer Science, Proc. Geosensor Networks, 5659, 131-137. δασών κτλ. Ορισμένοι από τους κύριους τομείς αναφέρονται παρακάτω.

 Παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα 
Ο βαθμός ρύπανσης του αέρα πρέπει να μετράται συχνά προκειμένου να προστατευθεί ο άνθρωπος και το περιβάλλον από κάθε είδους ζημιά που οφείλεται στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Σε επικίνδυνο περιβάλλον, η παρακολούθηση των επιβλαβών αερίων σε πραγματικό χρόνο είναι μια ανησυχητική διαδικασία γιατί ο καιρός μπορεί να αλλάξει με σοβαρές επιπτώσεις με άμεσο τρόπο. Ευτυχώς, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων έχουν ξεκινήσει να παράγουν συγκεκριμένες λύσεις για τους ανθρώπους.
 Εσωτερικός έλεγχος
Για την  παρακολούθηση των επίπεδων του φυσικού αερίου σε ευάλωτες περιοχές απαιτείτε η χρήση εξειδικευμένου, σύγχρονου εξοπλισμού, ικανού να ικανοποιήσει τους βιομηχανικούς κανονισμούς. Οι ασύρματες εσωτερικές λύσεις παρακολούθησης διευκολύνουν την συνεχή ενημέρωση μεγάλων περιοχών καθώς και την εξασφάλιση της ακριβούς συγκέντρωσης αερίου.

 Εξωτερικός έλεγχος
Ο εξωτερικός έλεγχος της ποιότητας του αέρα χρειάζεται την χρήση ακριβών ασύρματων αισθητήρων, ανθεκτικά στην βροχή και στον άνεμο, καθώς και μεθόδους εξοικονόμησης ενέργειας για να βεβαιωθεί η επάρκεια ενέργειας στο μηχάνημα που θα έχει πιθανόν δύσκολη πρόσβαση.

 Παρακολούθηση της ρύπανσης του αέρα 
Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων έχουν αναπτυχθεί σε διάφορες πόλεις (Στοκχόλμη, Λονδίνο και Μπρισμπέιν) για την παρακολούθηση της συγκέντρωσης των επικίνδυνων αερίων για τους πολίτες. Αυτά μπορούν να επωφεληθούν από τις ασύρματες ζεύξεις ad-hoc και όχι από τις ενσύρματες εγκαταστάσεις που επίσης τα κάνουν πιο ευκίνητα για δοκιμαστικές μετρήσεις σε διάφορες περιοχές. Υπάρχουν διάφορες αρχιτεκτονικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τέτοιες εφαρμογές, καθώς και διάφορα είδη ανάλυσης δεδομένων και εξόρυξης δεδομένων που μπορούν να διεξαχθούν.

 Ανίχνευση δασικών πυρκαγιών 
Ένα δίκτυο αισθητήριων κόμβων μπορεί να εγκατασταθεί σε ένα δάσος για να ανιχνεύει πότε έχει εκδηλωθεί πυρκαγιά. Οι κόμβοι μπορούν να είναι εξοπλισμένοι με αισθητήρες για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, την υγρασία και τα αέρια που παράγονται από φωτιά στα δέντρα ή τη βλάστηση. Η έγκαιρη ανίχνευση είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή δράση των πυροσβεστών, χάρη στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, η πυροσβεστική θα είναι σε θέση να γνωρίζει πότε μια πυρκαγιά ξεκίνησε και πώς εξαπλώνεται.

 Ανίχνευση κατολισθήσεων 
Ένα σύστημα ανίχνευσης κατολίσθησης κάνει χρήση ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων για να ανιχνεύσει τις μικρές κινήσεις του εδάφους και αλλαγές στις διάφορες παραμέτρους που μπορεί να συμβούν πριν ή κατά τη διάρκεια μιας κατολίσθησης. Μέσα από τα δεδομένα που συλλέγονται μπορεί να είναι δυνατόν να γνωρίζουμε την εμφάνιση των κατολισθήσεων πολύ πριν αυτό συμβεί στην πραγματικότητα.J.D. Kenney, D.R. Poole, G.C. Willden, B.A. Abbott, A.P. Morris, R.N. McGinnis, and D.A. Ferrill, "Precise Positioning with Wireless Sensor Nodes: Monitoring Natural Hazards in All Terrains", 2009 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, San Antonio, TX, USA, Oct. 2009.

 Παρακολούθηση της ποιότητας των υδάτων 
Η παρακολούθηση της ποιότητας του νερού περιλαμβάνει την ανάλυση των ιδιοτήτων του νερού σε φράγματα, ποτάμια, λίμνες και ωκεανούς, καθώς και τα υπόγεια αποθέματα νερού.T.L. Dinh, W. Hu, P. Sikka, P. Corke, L. Overs and S. Brosnan, "Design and Deployment of a Remote Robust Sensor Network: Experiences from an Outdoor Water Quality Monitoring Network", 2007 32nd IEEE Conference on Local Computer Networks Η χρήση πολλών ασύρματων αισθητήρων που διανέμονται επιτρέπει τη δημιουργία μιας πιο ακριβούς εικόνας της κατάστασης των υδάτων, και επιτρέπει τη μόνιμη εγκατάσταση σταθμών παρακολούθησης σε περιοχές με δύσκολη πρόσβαση, χωρίς την ανάγκη του εγχειριδίου ανάκτησης δεδομένων.

 Πρόληψη φυσικών καταστροφών 
Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να ενεργήσουν αποτελεσματικά για να αποτραπούν οι συνέπειες των φυσικών καταστροφών, όπως οι πλημμύρες. Ασύρματοι κόμβοι έχουν αναπτυχθεί με επιτυχία σε ποτάμια όπου οι μεταβολές της στάθμης του νερού θα πρέπει να παρακολουθείτε σε πραγματικό χρόνο.

 Βιομηχανική παρακολούθηση 
Παρακολούθηση μηχανημάτων υγείας 
Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων έχουν αναπτυχθεί για την βασική συντήρηση των μηχανημάτων (Condition-based maintenance - CBM), δεδομένου ότι προσφέρουν σημαντική εξοικονόμηση κόστους και επιτρέπουν νέες λειτουργίες. Σε ενσύρματα συστήματα, η εγκατάσταση των αισθητήρων συχνά περιορίζεται από το κόστος της καλωδίωσης. Προηγουμένως απρόσιτες περιοχές, περιστρεφόμενα μηχανήματα, επικίνδυνες ή ζώνες περιορισμένης πρόσβασης και τα κινητά περιουσιακά στοιχεία μπορούν πλέον να επιτευχθούν με ασύρματους αισθητήρες.

 Καταγραφή δεδομένων 
Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων χρησιμοποιούνται επίσης για τη συλλογή δεδομένων για την παρακολούθηση των περιβαλλοντικών πληροφοριών, αυτό μπορεί να είναι τόσο απλό όσο η παρακολούθηση της θερμοκρασίας σε ένα ψυγείο η περίπλοκο όσο η παρακολούθηση του επιπέδου του νερού σε δεξαμενές υπερχείλισης σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Οι στατιστικές πληροφορίες μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για να δείξουν πώς τα συστήματα λειτουργούσαν. Το πλεονέκτημα των ασύρματων δικτύων αισθητήρων έναντι των συμβατικών καταγραφέων είναι η "ζωντανή" τροφή δεδομένων που έχουν σαν δυνατότητα.

 Βιομηχανική λογική και έλεγχος των αιτήσεων 
Σε πρόσφατη έρευνα ένας τεράστιος αριθμός πρωτοκόλλων επικοινωνίας ασύρματων δικτύων αισθητήρων έχουν αναπτυχθεί. Ενώ η προηγούμενη έρευνα εστιάζεται κυρίως στην ενημέρωση για την ενέργεια, πιο πρόσφατες έρευνες έχουν αρχίσει να εξετάζουν ένα ευρύτερο φάσμα θεμάτων, όπως η αξιοπιστία των ασύρματων συνδέσεων,Anastasi et al.A Comprehensive Analysis of the MAC Unreliability Problem in IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks , DOI 10.1109/TII.2010.2085440. τις δυνατότητες σε πραγματικό χρόνο,R. Matischek: Real-Time Communication MAC Protocols for Wireless Sensor Networks , 2012, ISBN 978-3-8300-6349-0. ή την ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας. Τα νέα αυτά στοιχεία θεωρούνται καταλυτικά για μελλοντικές εφαρμογές σε βιομηχανικές και εφαρμογές ελέγχου σχετικών ασύρματων  εννοιών και μερική αντικατάσταση ή την ενίσχυση συμβατικών ενσύρματων δικτύων με τεχνικές WSN.

 Παρακολούθηση νερού/αποβλήτων υδάτων 
Η παρακολούθηση της ποιότητας και του επιπέδου του νερού περιλαμβάνει πολλές δραστηριότητες, όπως τον έλεγχο της ποιότητας των υπόγειων ή επιφανειακών υδάτων και την εξασφάλιση υποδομών ύδρευσης της χώρας, προς όφελος ανθρώπων και ζώων. Η περιοχή της παρακολούθησης της ποιότητας του νερού χρησιμοποιεί ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και πολλοί κατασκευαστές έχουν ξεκινήσει νέες και προηγμένες εφαρμογές για το σκοπό αυτό.

 Παρατήρηση της ποιότητας των υδάτων
Η όλη διαδικασία περιλαμβάνει την εξέταση των ιδιοτήτων του νερού σε φράγματα, ποτάμια, ωκεανούς, λίμνες και στους υπόγειους υδάτινους πόρους. Ασύρματοι αισθητήρες που διαχέονται στο νερό επιτρέπουν στους χρήστες να κάνουν έναν ακριβή χάρτη της κατάστασης των υδάτων καθώς και τη μόνιμη κατανομή των σταθμών παρατήρησης σε περιοχές με δύσκολη πρόσβαση χωρίς χειρωνακτική ανάκτηση των δεδομένων.

 Διαχείριση του δικτύου διανομής των υδάτων 
Οι κατασκευαστές των αισθητήρων του δικτύου διανομής νερού επικεντρώνονται στην παρατήρηση των δομών διαχείρισης των υδάτων, όπως βαλβίδες και σωληνώσεις, αλλά και να τους επιτρέπετε η απομακρυσμένη πρόσβαση σε μετρητές νερού.

 Πρόληψη των φυσικών καταστροφών
Οι συνέπειες των φυσικών κινδύνων, όπως οι πλημμύρες μπορεί να προληφθούν αποτελεσματικά με τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Οι ασύρματοι κόμβοι κατανέμονται σε ποτάμια, έτσι ώστε οι αλλαγές της στάθμης του νερού μπορεί να ελέγχεται αποτελεσματικά.

 Γεωργία 
Η χρήση ασύρματων δικτύων αισθητήρων στο πλαίσιο του γεωργικού κλάδου είναι όλο και περισσότερο κοινή. Η χρήση ενός ασύρματου δικτύου απελευθερώνει τον αγρότη από τη διατήρηση της καλωδίωσης σε ένα δύσκολο περιβάλλον. Συστήματα νερού, τροφοδοσίας, βαρύτητας, μπορούν να παρακολουθούνται χρησιμοποιώντας πομπούς πίεσης για να παρακολουθούν τα επίπεδα δεξαμενή νερού, αντλίες μπορούν να ελέγχονται με τη χρήση ασύρματων I / Ο συσκευών και η χρήση του νερού μπορεί να μετρηθεί και να μεταδίδεται ασύρματα σε ένα κεντρικό σημείο ελέγχου για τιμολόγηση. Ο Αυτοματισμός άρδευσης επιτρέπει την πιο αποτελεσματική χρήση του νερού και μειώνει τα απόβλητα.

 Ακριβής γεωργία
Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων επιτρέπουν στους χρήστες να κάνουν ακριβή παρακολούθηση της καλλιέργειας κατά το χρόνο της ανάπτυξής της. Ως εκ τούτου, οι αγρότες μπορούν να γνωρίζουν άμεσα την κατάσταση του αντικειμένου σε όλα τα στάδια του, κάτι το οποίο θα διευκολύνει τη διαδικασία λήψης απόφασης σχετικά με το χρόνο της συγκομιδής.

 Διαχείριση της άρδευσης
Όταν παραδίδονται τα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο, οι αγρότες είναι σε θέση να επιτύχουν έξυπνη άρδευση. Τα στοιχεία που αφορούν τα πεδία, όπως η θερμοκρασία και το επίπεδο υγρασίας του εδάφους παραδίδονται στους αγρότες μέσω των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Όταν κάθε φυτό ενώνεται με ένα προσωπικό σύστημα άρδευσης, οι αγρότες μπορούν να παρέχουν το ακριβές ποσό του νερού που χρειάζεται κάθε φυτό και ως εκ τούτου, να επιτύχουν τη μείωση του κόστους και την βελτίωση της ποιότητας του τελικού προϊόντος. Τα δίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση των διαφόρων ενεργοποιητών στα συστήματα χρησιμοποιώντας όχι ενσύρματη υποδομή.

 Θερμοκήπια
Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ελέγχουν τα επίπεδα θερμοκρασίας και υγρασίας στο εσωτερικό εμπορικών θερμοκηπίων. Όταν η θερμοκρασία και η υγρασία πέφτει κάτω από συγκεκριμένα επίπεδα, ο διαχειριστής του θερμοκηπίου πρέπει να ειδοποιείτε μέσω e-mail ή στο κινητό τηλέφωνο με μήνυμα κειμένου, ή τα συστήματα υποδοχής μπορεί να πυροδοτήσουν τα συστήματα υδρονέφωσης, να ανοίξουν τους αεραγωγούς, ενεργοποίηση των περσίδων, ή να ελέγξουν μια ευρεία ποικιλία αντιδράσεων του συστήματος. Πρόσφατες έρευνες σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων στη βιομηχανία γεωργίας δίνουν έμφαση στη χρήση της σε θερμοκήπια, ιδιαίτερα για τις μεγάλες εκμεταλλεύσεις με συγκεκριμένες καλλιέργειες. Τέτοια μικροκλίματα έχουν ανάγκη την διατήρηση ακριβούς κατάστασης καιρικών συνθηκών ανά πάσα στιγμή. Επιπλέον, με τη χρήση πολλαπλών κατανεμημένων αισθητήρων θα ελέγχετε καλύτερα η παραπάνω διαδικασία, σε ανοικτή επιφάνεια, καθώς και στο έδαφος.

 Παθητικός εντοπισμός και παρακολούθηση 
Η εφαρμογή των WSN στο παθητικό εντοπισμό και την παρακολούθηση των μη συνεργάσιμων στόχων (δηλαδή, άτομα που δεν φορούν οποιοδήποτε ταμπέλα) έχει προταθεί από τη διάχυτη αξιοποίηση  χαμηλού κόστους φύσης της εν λόγω τεχνολογίας και τις ιδιότητες των ασύρματων ζεύξεων που είναι εγκατεστημένα σε ένα δίκτυο υποδομής WSN.F. Viani, P. Rocca, M. Benedetti, G. Oliveri, A. Massa , "Electromagnetic passive localization and tracking of moving targets in a WSN-infrastructured environment " in Inverse Problems, vol. 26, (2010), p. 1-15. - DOI: 10.1088/0266-5611/26/7/074003

 Παρακολούθηση έξυπνου σπιτιού 
Παρακολούθηση των δραστηριοτήτων που εκτελούνται σε ένα έξυπνο σπίτι επιτυγχάνονται με τη χρήση ασύρματων αισθητήρων, ενσωματωμένων σε αντικείμενα καθημερινής χρήσης, σχηματίζοντας ένα WSN. Όταν η κατάσταση αλλάζει σε αντικείμενα που βασίζονται στην ανθρώπινη χειραγώγηση συλλαμβάνεται από το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων που επιτρέπουν τη δραστηριότητα σε Υπηρεσίες υποστήριξης.Surie, D., Laguionie, O., Pederson, T.: "Wireless Sensor Networking of Everyday Objects in a Smart Home Environment". In Proceedings of the 4th International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing, Sydney, Australia, pp. 189-194, (2008)

 Χαρακτηριστικά 
Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός WSN περιλαμβάνουν:
 Τους περιορισμούς κατανάλωσης ενέργειας για κόμβους που κάνουν χρήση μπαταριών ή τη συγκομιδή της ενέργειας 
 Δυνατότητα να αντιμετωπιστούν αποτυχίες του κόμβο 
 Η κινητικότητα των κόμβων
 Αποτυχίες επικοινωνίας
 Η ετερογένεια των κόμβων
 Κλιμάκωσης σε μεγάλη κλίμακα της ανάπτυξης
 Ικανότητα να αντέχει σε σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες
 Ευκολία στη χρήση

Κόμβοι αισθητήρων μπορούν να χαρακτηριστούν ως μικροί υπολογιστές, πολύ βασικό όσον αφορά τις διεπαφές τους και τα συστατικά τους. Συνήθως αποτελούνται από μια μονάδα επεξεργασίας με περιορισμένη υπολογιστική ισχύ και περιορισμένη μνήμη, αισθητήρες ή MEMS - Microelectromechanical systems(συμπεριλαμβανομένων ειδικών κυκλωμάτων κλιματισμού), μια συσκευή επικοινωνίας (συνήθως ράδιο πομποδέκτες ή εναλλακτική οπτική), και μια πηγή ενέργειας συνήθως με τη μορφή μιας μπαταρίας. Άλλα πιθανά εγκλείσματα είναι ενότητες συγκομιδής ενέργειας, δευτεροβάθμια ASICs (application-specific integrated circuit), και ενδεχομένως της δευτεροβάθμιας διεπαφής επικοινωνίας (π.χ. RS-232 ή USB). Οι βασικοί σταθμοί είναι ένα ή περισσότερα συστατικά του WSN με πολύ μεγαλύτερη υπολογιστική δύναμη, την ενέργεια και την επικοινωνία των πόρων. Ενεργούν ως πύλη μεταξύ των κόμβων αισθητήρων και του τελικού χρήστη, καθώς προωθούν συνήθως τα δεδομένα από το WSN σε ένα διακομιστή. Άλλες ειδικές συνιστώσες στη δρομολόγηση δικτύων είναι οι δρομολογητές, οι οποίοι έχουν σχεδιαστεί για τον υπολογισμό, και τη διανομή τους πίνακες δρομολόγησης.

 Πλατφόρμες 

 Πρότυπα και προδιαγραφές 
Πολλά πρότυπα είτε έχουν ήδη επικυρωθεί είτε είναι υπό ανάπτυξη από οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων WAVE2M για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Υπάρχει ένας αριθμός από οργανισμούς τυποποίησης στον τομέα των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Το IEEE επικεντρώνεται στις φυσικά και στρώματα MAC. Το Internet Engineering Task Force λειτουργεί από 3 επίπεδα και άνω. Εκτός από αυτά, οι οργανισμοί όπως η Διεθνής Εταιρεία Αυτοματισμού προσφέρει κάθετες λύσεις, που καλύπτουν όλα τα στρώμα πρωτοκόλλου. Τέλος, υπάρχουν επίσης πολλοί μη τυποποιημένοι, ιδιόκτητοι μηχανισμοί και προδιαγραφές. Πρότυπα που χρησιμοποιούνται πολύ λιγότερο σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων σε σχέση με άλλα συστήματα υπολογιστών τα οποία κάνουν τα περισσότερα συστήματα ανίκανα για άμεση επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων συστημάτων. Ωστόσο, περιλαμβάνουν κυρίαρχα πρότυπα που χρησιμοποιούνται συνήθως σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων επικοινωνίας:
 WirelessHART
 IEEE 1451
 ZigBee / 802.15.4
 ZigBee IP
 6LoWPAN

 Hardware 
Μια σημαντική πρόκληση σε ένα WSN είναι η παραγωγή χαμηλού κόστους και μικροσκοπικών αισθητήριων κόμβων. Υπάρχει ένας αυξανόμενος αριθμός των μικρών επιχειρήσεων που παράγουν WSN υλικό και η εμπορική κατάσταση μπορεί να συγκριθεί με αυτή των οικιακών υπολογιστών τη δεκαετία του 1970. Πολλοί από τους κόμβους είναι ακόμη στο στάδιο της έρευνας και της ανάπτυξης, ιδίως το λογισμικό τους. Επίσης εγγενείς στην υιοθέτηση αισθητήρα του δικτύου είναι η χρήση των πολλών χαμηλών μεθόδων ισχύος για απόκτηση δεδομένων.

 Software 
Η ενέργεια είναι ο πιο σπάνιος πόρος στους κόμβους WSN, και καθορίζει τη διάρκεια ζωής των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι γραφτό να αναπτύσσονται σε μεγάλους αριθμούς σε διάφορα περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων των απομακρυσμένων και εχθρικών περιοχών, όπου ad-hoc επικοινωνίες αποτελούν βασικό συστατικό. Για το λόγο αυτό, οι αλγόριθμοι και τα πρωτόκολλα αυτά θα πρέπει να αντιμετωπίσουν τα ακόλουθα ζητήματα:
 Μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής
 Αντοχή και ανοχή σε σφάλματα
 Αυτορρύθμιση

Μεγιστοποίηση διάρκειας ζωής: Ενέργεια / κατανάλωση ισχύος των αισθητηρίων μηχανημάτων θα πρέπει να ελαχιστοποιηθούν και οι κόμβοι αισθητήρων θα πρέπει να είναι υψηλής ενεργειακής απόδοσης εφόσον η περιορισμένη πηγή ενέργειας τους καθορίζει τη διάρκεια της ζωής τους. Για εξοικονόμηση ενέργειας ο κόμβος θα πρέπει να κλείσει την παροχή εκπομπής/λήψης ραδιοκυμάτων όταν δεν είναι σε χρήση.

Μερικά από τα σημαντικά θέματα έρευνας λογισμικού στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) είναι:
 Λειτουργικά συστήματα
 Ασφάλεια
 Κινητικότητα

 Λειτουργικά συστήματα 
Τα λειτουργικά συστήματα ασύρματων κόμβων του δικτύου αισθητήρων είναι συνήθως λιγότερο πολύπλοκα από τα γενικής χρήσης λειτουργικά συστήματα. Τα πιο έντονα μοιάζουν με τα ενσωματωμένα συστήματα, για δύο λόγους. Πρώτον, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων συνήθως έχουν αναπτυχθεί με μια συγκεκριμένη εφαρμογή κατά νου, όχι ως μια γενική πλατφόρμα. Δεύτερον, η ανάγκη για χαμηλό κόστος και χαμηλή ισχύ οδηγεί τους κόμβους να έχουν χαμηλής ισχύος μικροελεγκτές εξασφαλίζοντας ότι οι μηχανισμοί, όπως η εικονική μνήμη είναι είτε περιττά ή υπερβολικά δαπανηρή για την εφαρμογή της.

Επομένως, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν τα ενσωματωμένα λειτουργικά συστήματα όπως ECOS και στο UC / OS για τα δίκτυα αισθητήρων. Ωστόσο, τα εν λόγω λειτουργικά συστήματα συχνά σχεδιάζονται με ιδιότητες πραγματικού χρόνου.

Το TinyOS είναι ίσως το πρώτοTinyOS Programming, Philip Levis, Cambridge University Press, 2009 λειτουργικό σύστημα ειδικά σχεδιασμένο για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Το TinyOS βασίζεται σε ένα event-driven μοντέλο προγραμματισμού αντί multithreading. Τα TinyOS προγράμματα αποτελούνται από μηχανισμούς χειρισμού συμβάντων και εργασιών με run-to-completion σημασιολογία. Όταν ένα εξωτερικό συμβάν, όπως ένα εισερχόμενο πακέτο δεδομένων ή μια ανάγνωση του αισθητήρα, TinyOS σηματοδοτεί τον κατάλληλο χειρισμό συμβάντων ώστε να χειριστούν την εκδήλωση. Οι χειριστές των συμβάντων μπορούν να δημοσιεύουν εργασίες που έχουν προγραμματιστεί από τον πυρήνα TinyOS κάποια στιγμή αργότερα.

Το LiteOS είναι ένα νεόκτιστο λειτουργικό σύστημα για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, το οποίο παρέχει UNIX-όπως η αφαίρεση και η υποστήριξη για τη γλώσσα προγραμματισμού C.

Το Contiki είναι ένα λειτουργικό σύστημα που χρησιμοποιεί ένα απλό στυλ προγραμματισμού σε C, παρέχοντας παράλληλα προόδους όπως 6LoWPAN και Protothreads.

Το RIOT υλοποιεί μια δομή microkernel. Παρέχει multithreading με το πρότυπο API και επιτρέπει την ανάπτυξη σε C/C++. RIOT υποστηρίζει κοινά πρωτόκολλα Ίντερνετ, όπως 6LoWPAN, IPv6, RPL, TCP, και UDP.Oliver Hahm, Emmanuel Baccelli, Mesut Günes, Matthias Wählisch, Thomas C. Schmidt, RIOT OS: Towards an OS for the Internet of Things, In: Proc. of the 32nd IEEE INFOCOM. Poster Session, Piscataway, NJ, USA:IEEE Press, 2013.

 Συνεργασία σε απευθείας σύνδεση πλατφορμών διαχείρισης των δεδομένων του αισθητήρα 

Η συνεργασία σε απευθείας σύνδεση πλατφορμών διαχείρισης των δεδομένων του αισθητήρα είναι on-line υπηρεσίες βάσεων δεδομένων που επιτρέπουν στους ιδιοκτήτες των αισθητήρων να εγγράφονται και να συνδέουν τις συσκευές τους για να μεταφέρουν τα δεδομένα σε μια ηλεκτρονική βάση δεδομένων για αποθήκευση και επίσης επιτρέπει στους προγραμματιστές να συνδέονται με τη βάση δεδομένων και να δημιουργούν τις δικές τους εφαρμογές με βάση αυτά τα δεδομένα. Παραδείγματα όπως η Xively και η Wikisensing πλατφόρμα. Τέτοιες πλατφόρμες απλοποιούν την απευθείας συνεργασία των χρηστών σε διάφορα σύνολα δεδομένων που κυμαίνονται από την ενέργεια και το περιβάλλον δεδομένων σε πληροφορίες που συλλέγονται από υπηρεσίες μεταφορών. Άλλες υπηρεσίες περιλαμβάνουν τη δυνατότητα στους προγραμματιστές να ενσωματώνουν γραφήματα σε πραγματικό χρόνο και widgets σε ιστοσελίδες, την ανάλυση και την επεξεργασία ιστορικών στοιχείων που πάρθηκαν από τις τροφοδοσίες δεδομένων, στέλνουν σε πραγματικό χρόνο ειδοποιήσεις από κάθε ροή δεδομένων για τον έλεγχο των σεναρίων, συσκευών και περιβαλλόντων.

Η αρχιτεκτονική του συστήματος Wikisensing περιγράφεται στα βασικά στοιχεία των συστημάτων αυτών και περιλαμβάνουν APIs και τις διεπαφές για online συνεργάτες, ένα middleware που περιέχει την επιχειρηματική λογική που απαιτείται για τα δεδομένα διαχείρισης του αισθητήρα και επεξεργασία και αποθήκευση του κατάλληλου μοντέλο για την αποτελεσματική αποθήκευση και ανάκτηση των μεγάλων όγκων δεδομένων.

 Προσομοίωση της ΑΔΑ 
Επί του παρόντος, ο πράκτορας που βασίζεται στη μοντελοποίηση και την προσομοίωση είναι το μόνο παράδειγμα που επιτρέπει την προσομοίωση των πολύπλοκων συμπεριφορών στα περιβάλλοντα των ασύρματων αισθητήρων (όπως συρρέουν).Muaz Niazi, Amir Hussain (2011). A Novel Agent-Based Simulation Framework for Sensing in Complex Adaptive Environments. IEEE Sensors Journal, Vol.11 No. 2, 404–412. Paper  Agent-based προσομοίωση των ασύρματων αισθητήρων και ad-hoc δίκτυα είναι ένα σχετικά νέο πρότυπο. Το Agent-based μοντέλο βασίστηκε αρχικά στην κοινωνική προσομοίωση.

Προσομοιωτές δικτύων, όπως OPNET, NS2 NetSim μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσομοιωθεί ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων.

 Άλλες έννοιες 
 Κατανεμημένα δίκτυα αισθητήρων 
Εάν μια κεντρική δομή χρησιμοποιείται σε ένα δίκτυο αισθητήρων και ο κεντρικός κόμβος αποτύχει, τότε ολόκληρο το δίκτυο θα καταρρεύσει, όμως η αξιοπιστία του δικτύου αισθητήρων μπορεί να αυξηθεί με τη χρήση ενός κατανεμημένου αρχιτεκτονικού ελέγχου. Ο κατανεμημένος έλεγχος χρησιμοποιείται σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων για τους ακόλουθους λόγους:
 Οι κόμβοι αισθητήρων είναι επιρρεπείς σε αποτυχία
 Για την καλύτερη συλλογή των δεδομένων
 Να παρέχουν κόμβους με εφεδρικό σύστημα σε περίπτωση αποτυχίας του κεντρικού 
Επίσης, δεν υπάρχει κεντρικό όργανο για την κατανομή των πόρων και θα πρέπει να είναι αυτό οργανωμένη.

 Ενοποίηση δεδομένων και Sensor Web 

Τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν από ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι συνήθως αποθηκευμένα με τη μορφή των αριθμητικών δεδομένων σε έναν κεντρικό σταθμό βάσης. Επιπλέον, το Open Geospatial Consortium (OGC) προσδιορίζει τα πρότυπα για την διαλειτουργικότητα των διεπαφών και κωδικοποιήσεις μεταδεδομένων που επιτρέπουν ολοκλήρωση σε πραγματικό χρόνο των ετερογενών ιστών αισθητήρων στο Internet, επιτρέποντας σε κάθε άτομο την παρακολούθηση ή τον έλεγχο Ασυρμάτων Δικτύων Αισθητήρων μέσω ενός προγράμματος περιήγησης στο Web.

 Εσωτερικό  δίκτυο επεξεργασίας 
Για να μειωθεί το κόστος της επικοινωνίας μερικοί αλγόριθμοι εξαλείφουν ή μειώνουν τις περιττές πληροφορίες των αισθητηρίων κόμβων και την αποφυγή διαβίβασης των στοιχείων, που δεν έχουν καμία χρήση. Όπως οι κόμβοι μπορούν να επιθεωρούν τα δεδομένα που προωθούν μπορούν επίσης να μετρήσουν τους μέσους όρους ή την κατευθυντικότητα για παράδειγμα των αναγνώσεων από άλλους κόμβους. Για παράδειγμα, στην ανίχνευση και την παρακολούθηση των αιτήσεων, είναι γενικά περίπτωση όπου  γειτονικοί κόμβοι αισθητήρων παρακολούθησης περιβαλλοντικών εγγράφουν χαρακτηριστικά παρόμοιες αξίες. Αυτό το είδος του πλεονασμού δεδομένων λόγω της χωρικής συσχέτισης μεταξύ των παρατηρήσεων του αισθητήρα εμπνέει τις τεχνικές για τη συγκέντρωση και εξόρυξη δεδομένων στο δίκτυο.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 IEEE 802.15.4 Standardization Committee

Κατηγορία:Ασύρματο δίκτυο