Безжична сетилна мрежа

Безжичната сетична мрежа или БСМ (|wireless sensor network, ''WSN'') — мрежа состои од просторно распределени автономни сетилници за следење на физичките услови на околината, како што се температура, звук, притисок, итн. и кооперативно ги положуваат своите податоци преку мрежата до главното место. Посовремените мрежи се директно двонасочени, и исто така овозможуваат''контрола'' над активноста на сензорот. Развојот на безжичната сетилна мрежа е инспирирана од воени примени како што е надзорот на бојното поле, а денес такви мрежи се користат во многу индустриски и потрошувачки примени, како што се индустриските процеси за следење и контрола на машините, за медицински надзор итн.
Безжичната сетилна мрежа е составена од неколку стотици до неколку илјадници "јазли" каде што еден јазол е поврзан со еден (или понекогаш повеќе) сетилници. Секој таков јазол на сетилната мрежа е составен од неколку делови: приемник со внатрешна антена или поврзување со надворешна антена, микроконтролер, електронски кола за поврзување на сетилниците и извор на енергија, обичнa батерија или вградена форма за собирање на енергијата. Сетилните јазли исто така може да варираат во однос на големината, може да се колку кутија за чевли или колку зрно прашина, иако тоа „зрно“ со вистински микроскопски димензии допрва треба да биде создадено. Цената на сетилните јазли е исто така променлива, таа се движи од неколку до стотици долари, во зависност од комплексноста на поединечните сетилни јазли. На ограничувањата на големината и цената на сетилните јазли се јавуваат соодветни ограничувања на ресурсите како што се енергетиката, меморијата, пресметковни брзини и комуникацискиот пропусен опсег. Топологијата на БСМ може да варира од едноставна ѕвездена мрежа до напредна мулти-хоп безжична решеткава мрежа. Техниките на пропагација може да се случат со помош на насочување или поплавување. Во сметачките и телекомуникациските науки, безжичните сетилни мрежи се активно истражувани во област со бројни работилници каде што секоја година се организираат конференции.
1 Примени
1.1 Надзор на површината
Надзорот врз површината е честа примена на БСМ. Во оваа област, БСМ е распореден преку одреден регион каде што некој феномен треба да биде чуван под надзор. Воен пример за употреба на сетилниците е дека тие детектираат непријателски упад, а цивилен пример е гео-ограда на гас, нафта и нафтоводи.
1.2 Mониторирање на Животната средина/ Земјата
Терминот сетилни мрежи за животната средина се развил за да се покријат многу примени на БСМ за научни истражувања на Земјата. Ова вклучува набљудување на
вукланите, океаните, ледниците, шумите, итн.
1.2.1 Надзор врз квалитетот на воздухот
Степенот на загадувањето на воздухот мора да се мери почесто со цел да се заштитат луѓето и животната средина од каква било штета поради загадувањето на воздухот. Во
опасните средини, следењето во точно одредено време на стакленичките гасови е важен процес, бидејќи времето може да се промени брзо и со тоа ги менува клучните параметри за квалитет.
* Внатреен надзор
Набљудувањето на нивото на гас во ранливите области бара користиње на хигх-енд, софистицирана опрема која е во состојба да ги задоволи индустриските прописи. Безжичниот внатрешен надзор нуди решенија со кои лесно може да се следат големите области и да се одреди точниот степен на концентрацијата на гас.
* Надворешен надзор
Надворешниот надзор на квалитетот на воздухот има потреба од прецизни безжични сетилници, отпорни решенија за дожд и ветер како и подготовка на енергични методи за да се осигура голема слобода на машината која најверојатно ќе има тежок процес.
1.2.2 Надзор врз загадувањето на воздухот
Безжичните сетилни мрежи се распоредени во неколку градови (Стокхолм, Лондон и Бризбејн) и тие ја следат концентрацијата на штетни гасови кои влијаат врз граѓаните. Тие
може да ги користат ад хок безжичните наместо жичните инсталации, кои ги прави повеќе подвижни за извршување на читањата во различни области.
Постојат различни градби кои може да се користат за такви примени, како и различни видови анализи на податоци,рударски податоци коишто може да се
спроведуваат.
1.2.3 Откривање на шумски пожар
Мрежа од сетилни јазли може да се инсталира во шумата за да се открие кога настанал пожарот. Јазлите може да бидат опремени со сетилници за мерење на температурата,
влажноста и гасовите, кои произлегле од пожар во дрвата или растителноста. Раното откривање е од клучно значење за успешното работење на пожарникарите, благодарение на
безжичните сетилни мрежи,пожарникарите ќе бидат способни да дознаат кога огнот започнал и на кој начин почнал да се шири.
1.2.4 Откривање на лизгање на земјиштето
Системот за откривање на лизгање на земјиштето ги користи безжичните сетилни мрежи за откривање на мали движења на почвата и промени во различни параметри кои може да се случат пред или за време на лизгање на земјиштето. Преку собраните податоци можно е да се дознае за лизгање на земјиштето уште пред тоа всушност да се случи.
1.2.5 Надзор врз квалитетот на водата
Надзорот врз квалитетот на водата вклучува анализа на својствата на водата во браните, реките, езерата и океаните, и подземните резерви. Употребата на многуте безжични сетилници овозможува да се создаде по прецизна карта за состојбата на водата и постојано
распоредување на мерни станици во места кои се тешко пристапни, без потреба од рачно пронаоѓање податоци.
1.2.6 Превенција на природните катастрофи
Безжичните сетилни мрежи може ефикасно да реагираат со цел да се спречат последиците од природните катастрофи, како што се поплавите. Безжичните јазли се успешно распоредени во реките каде што промените во водостојот треба да се следат во секое време.
1.3 Индустриски надзор
1.3.1 Надзор врз состојбата на машините
Безжичните сетилни мрежи се развиени за состојбата на машините-засновани на одржување (CBM), затоа што тие нудат значителни заштеди на трошоците и овозможуваат нова функционалност. Во жичните системи, инсталација на доволно сетилници често е ограничена со трошоците на жичните инсталации. Претходно недостапните места, вртечките машини како и опасните области, сега може да се постигнат со безжичните сетилници.
1.3.2 Складирање на податоци
Безжичните сетилни мрежи исто така се користат за собирање на податоци за следење на информации за животната средина, тоа може да биде едноставно како следење на температурата во фрижидер сè до мерење на водостојот во претекувањето на резервоарот во атомските централи. Статистичките податоци подоцна може да се користат за да се покаже како работат системите.
1.3.3 Индустриски примени за контрола
Во неодамнешно истражување на голем број на безжични сетилни мрежи создадени се протоколите за комуникација. Додека претходните истражувања главно беа фокусирани на моќта на свеста, неодамнешните студии почнаа да разгледуваат поширок спектар на аспекти, како што се способноста на безжичната сигурност во денешно време или квалитетот на услугите. Овие нови аспекти се сметаат како можност за идните примени во индустријата кои делумно ќе ги заменат или подобрат конвенционалните жици засновани на мрежи од страна на БСМ техниките.
1.3.4 Надзор врз отпадните води
Надзорот врз квалитетот и водостојот вклучува многу активности како што се проверка на квалитетот на подземните и површинските води и обезбедување на водоводната инфраструктура на земјата за доброто на луѓето и животните. Областа на квалитетот на водата се следи со помош на безжичните сетилни мрежи и за оваа цел многу производители започнаа да лансираат нови и напредни примени.* Набљудување на квалитетот на водата
Целиот овој процес вклучува испитување на водата во реки, океаните, езерата и исто така, во подземните водни ресурси. Безжичните распределени сетилници им овозможуваат на корисниците да создадат прецизна мапа за состојбата на водата.
* Спречување на природни катастрофи
На последиците од природните опасности, како поплавите, може делотворно да се превенира со безжичните сетилни мрежи. Безжичните јазли се распределуваат во реките, така што промените на водостојот може делотворно да се следат.
1.4 Земјоделство
Користењето на безжичните сетилни мрежи во рамките на земјоделската индустрија сè повеќе се зголемува, со користењето на безжичната мрежа земјоделецот се ослободува од одржувањето на електрични инсталации во тешки средини. Гравитацијата на напојната вода може да се следи со користење предаватели за следење на водостојот во резервоарите, пумпите може да се контролираат со безжични I / O уреди и користењето на водата може да се мери и безжично да се пренесува назад кон контролната централа. Афтоматизацијата за наводнување овозможува поефикасно користење на водата и ја намалува штетата .* Прецизност на земјоделството
Безжичните сетилни мрежи им овозможуваат на корисниците прецизен надзор врз културата за време на нејзиниот раст. Оттука, земјоделците веднаш може да ја дознаат состојбата на предметот низ сите негови фази со што би го олесниле процесот на одлучување во однос на времето на жетвата.
* Управување со наводнувањето
Кога податоците за точното време им се пренесени на земјоделците тие се во можност разумно да ги распоредат наводнувањата. Податоци за областа како што се температурата,нивото и влага на почвата им се доставуваат на земјоделците преку безжичните сетилни мрежи. Кога секое растение е проследено со личен систем за наводнување, земјоделците може да го знаат точниот износ на вода која му е потребна на едно растение и оттаму, се доаѓа до намалување на трошоците и подобрување на квлаитетот на производот.
* Пластеници
Безжичните сетилни мрежи исто така може да се користат за контрола на температурата и нивото на влажност внатре во оранжериите. Кога температурата и влажноста на воздухот ќе паднат под одредени нивоа, сопственикот мора да биде известен преку e-mail или мобилен телефон. Неодамнешно истражување за безжичните сетилни мрежи во земјоделската индустрија стави акцент на нивната употреба во оранжериите, особено за голема експлоатација на културите. Микроклиматскиот амбиент треба да ги зачува правите временски услови во секое време. Покрај тоа, со користење на повеќе одделни сетилници подобро ќе се контролира процесот на отворена површина, како и во почвата.
1.5 Пасивна локализација и следење
Примената на БСМ во пасивната локализација и следењето на некооперативните цели им била експлоатирана преку големата присутност и ниската цена на оваа технологија, како и својствата на безжичните врски кои се оформени во мрежестата БСМ инфраструктура.
1.6 Надзор врз паметен дом
Надзорот на активностите кои се спроведуваат во еден паметен дом се постига со користење на безжичните сетилници вградени во секојдневните предмети кои ја сочинуваат БСМ мрежата.
2 Особености
Главните одлики на БСМ:
* Скратена потрошувачка на енергијата за јазлите со користење на батерии
* Способност за справување со грешките на јазлите
* Подвижност на јазлите
* Грешки во комуникацијата
* Хетерогеност на јазлите
* Приспособливост на големи спроведувања
* Способност за издржување во тешки услови
* Лесно за користење
Базните станици претставуваат една или повеќе компоненти на БСМ со многу повеќе енергија и комуникациски извори.Тие дејствуваат како пристапница (порта) помеѓу сетилните јазли и последниот корисник.Други посебни делови од него се насочувачите кои за цел имаат да ги пребројуваат, пресметуваат и распределуваат насочувачките табели.
3 Платформи
3.1 Стандарди и спецификации
Неколку стандарди се одобрени во моментов и некои се сè уште во развој од страна на неколку организации, вклучувајќи ги и WAVE2M за безжични сетилни мрежи. Постојат голем број на тела за стандартизација во областа на БСМ. IEEE се фокусира на физичкиот и MAC слојот. На крајот, постојат неколку нестандардни, комерцијални механизми и спецификации.
Стандардите се користат далеку помалку во БСМ во споредба со другите сметачки системи што ги прави повеќето системи неспособни за директна комуникација помеѓу
различни системи. Сепак доминантните стандарди кои најчесто се користат во БСМ комуникацијата се:
* WirelessHART
* IEEE 1451
* ZigBee / 802.15.4
* ZigBee IP
* 6LoWPAN
3.2 Машинска опрема
Главен предизвик на БСМ е да се произведуваат ''мали'' сетилни јазли со ''ниска цена''. Постојат голем број на мали компании кои произведуваат БСМ-уреди и комерцијалната ситуација може да се спореди со домашните сметачи во 1970-тите. Многу од јазлите сè уште се во истражување или во фаза на развој, конкретно нивната програмска опрема. Исто така својствено за сетилната мрежа е усвојувањето и употребата на метод преку кој со многу мала енергија се доаѓа до собирање на податоците. Во многу примени, БСМ комуницира со Local Area Network или Wide Area Network преку пристапница. Пристапницата дејствува како мост помеѓу БСМ и другите мрежи. Ова им овозможува на податоци да бидат зачувани и обработени од страна на уредот со повеќе ресурси.
3.3 Програмска опрема
Енергијата е најважниот ресурс на БСМ јазлите и таа го одредува животниот век на БСМ.
БСМ се наменети да бидат распоредени во голем број и во различни средини, вклучувајќи далечни и непријателски региони, каде што ад хок комуникацијата е најважна компонента. Поради оваа причина алгоритмите и протоколите мора да одговорат на следните прашања:
* Максимизација на животниот век
* Толеранција на грешки
* Самопоставување
Максимизација на животниот век: Потрошувачката на енергијата на сетилните уреди треба да се сведе на минимум и сетилните јазлите треба да бидат енергетски ефикасни затоа што нивниот ограничен извор на енергија го определува нивниот животен век. За да се зачува енергијата треба да се исклучи струјата на предавателот кога не е во употреба.
Некои од поважните теми за истражување во БСМ-програмската опрема се:
* Оперативните системи
* Безбедноста
* Подвижноста
3.3.1 Оперативни системи
Оперативен систем за безжичните сетилни јазли е обично поедноставен од оперативниот систем за општа намена. Оперативните системи многу заликуваат на вградени системи од две причини. Прво, безжичните сетилни мрежи обично се распоредени со одредена примена на ум, а не како општа платформа. Второ, потребата за ниска цена и мала енергија доведува до повеќето безжични сетилни јазли да имаат ниски-енергетски микроконтролери осигурувајќи се дека механизмите како што се виртуелната меморија се непотребни или премногу скапи за да се вметнат. Затоа е можно да се користат вградени оперативни системи како eCos или uC/оперативен систем за сетилни мрежи. Меѓутоа, овие оперативни системи често се дизајнирани со точно одредени пропорции.
TinyOS е можеби првиот оперативен систем специјално дизајниран за безжични сетилни мрежи. Кога надворешен настан, како што се влезните пакет податоци или сетилниците за читање, TinyOS сигнализира на соодветните справувачи да се справат со настанот.
LiteOS е ново развиен оперативен систем за безжичните сетилни мрежи кој обезбедува UNIX-како апстракција и поддршка за C програмскиот јазик.
Contiki е оперативен систем кој користи поедноставен стил на програмирање во C, додека обезбедува напредок,како 6LoWPAN и Protothreads.
3.4 Онлајн соработка на сетилните податоци за управување со платформата
Онлајн соработката на сетилните податоци за управување со платформата во онлајн базата на податоци се услуги кои им овозможуваат на сопствениците на сетилници да ги регистрираат и поврзат нивните уреди на начин преку кој ќе се хранат со податоци од онлајн базата за чување на податоци и, исто така, им овозможува на програмерите да се поврзат и да изградат своите примени врз основа на истите. Примерите вклучуваат Xively и . Таквите платформи ја
олеснуваат онлајн соработката меѓу корисниците во различни сетови на податоци кои се движат од енергијата на животната средина.
4 Поврзано
* Интелигентен амбиент
* Заднопритисочно насочување
* Список на ад хок насочувачки протоколи
* Сетилнамрежа