WSN, forkortelse for trådløse sensornettverk, registrerer og reagerer på fysiske forhold og miljøendringer som temperatur, trykk og lys gjennom et nettverk av sensorer.
Utviklingen innen trådløs teknologi og mikroelektromekaniske systemer (MEMS) har gjort det mulig å distribuere energieffektive sensorer over store områder. Dette har ført til kostnadseffektive WSN-løsninger for både militære og sivile formål.
I de følgende avsnittene vil vi utforske ulike typer WSN, deres komponenter og bruksområder, samt deres fordeler og ulemper.
Hva betyr et nettverk?
Nettverk forbinder enheter for å muliggjøre informasjonsutveksling og ressursdeling. Disse integrerte enhetene bruker kommunikasjonsprotokoller som TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, og SMTP. Dette er regler for overføring av data over trådløse eller kablede nettverk.
I hovedsak finnes det to typer nettverk: kablet og trådløst. Disse skiller seg med hensyn til dataoverføringshastighet, sikkerhet, kommunikasjonsrekkevidde og kostnader.
Kablede nettverk benytter fysiske kabler for å koble enheter sammen, mens trådløse nettverk bruker radiobølger. Det finnes flere trådløse teknologier, som Wi-Fi og Bluetooth.
Trådløse sensornettverk (WSN) bruker radiosignaler for kommunikasjon, som navnet antyder.
Hva er et trådløst sensornettverk (WSN)?
Et trådløst sensornettverk (WSN) består av spesialiserte sensorer plassert på ulike steder for å samle inn og overvåke fysiske miljøparametere. Dataene samles på et sentralt sted.
Disse parameterne kan inkludere temperatur, trykk, vind og fuktighet, blant andre faktorer.
Et WSN-nettverk består av basestasjoner og noder som samhandler trådløst. WSN-strukturen kan implementeres på fire forskjellige måter: punkt-til-punkt, stjerne, tre og maske.
WSN kan deles inn i fem kategorier basert på det fysiske miljøet: underjordiske, terrestriske, undervanns-, multimedia- og mobile WSN-er.
Nyere sensordesign benytter fremskritt innen teknologi og ingeniørvitenskap for å knytte sammen den fysiske og digitale verden, noe som gir effektive resultater.
WSN består av sensorer som registrerer fysiske og miljømessige endringer, og overfører data til en basestasjon for analyse og rapportering.
Ved å integrere trådløse sensornettverk med GPS eller RFID kan man forbedre dekningen og skape avanserte sporings- og overvåkingssystemer.
Målet med WSN er å samle miljøinformasjon for å forbedre sikkerhet, produktivitet og forebygge ulykker, samtidig som man beskytter miljøet.
Komponenter i et WSN
La oss se nærmere på de komponentene som utgjør et WSN. Hovedsakelig er det to deler: sensornoder og nettverksarkitektur.
Sensornode
En sensornode består av følgende elementer:
- Strømforsyning: Gir energi til alle komponenter i nettverket.
- Sensorenhet: Består av en sensor og en ADC (analog-til-digital-omformer). Sensoren samler inn analoge data, og ADC konverterer dem til et digitalt format. Sensornoder har ikke bare sensorfunksjoner, men også komponenter for prosessering, kommunikasjon og lagring. En sensor node samler inn og analyserer fysiske data, og korrelerer dem med data fra andre sensorer.
- Behandlingsenhet: Består av minne og mikroprosessor. Denne enheten behandler og manipulerer data.
- Kommunikasjonssystem: Et radiosystem for dataoverføring og mottak.
- Basestasjon: En node med høy prosesseringskapasitet og beregningsevne.
Klyngehode: En sensornode med høy båndbredde som utfører datafusjon og dataaggregering i WSN. Basert på systemkrav og bruksområder, kan det være flere klyngehoder i en klynge.
I et WSN kommuniserer sensornodene med andre noder utplassert i store områder for å overvåke miljøet, og med en basestasjon (BS) via trådløs kommunikasjon. Sensornodene samler inn data og sender dem til basestasjonen, som behandler dataene og deler oppdatert informasjon med brukere online.
Nettverksarkitektur
Når alle sensornodene er koblet til basestasjonen direkte, kalles det en Single-hop nettverksarkitektur. For overføring av data over lange avstander, som krever mer energi enn datainnsamling og beregning, brukes ofte multi-hop-nettverksarkitektur. Her brukes mellomnoder i stedet for en enkelt kobling mellom sensornoden og basestasjonen.
Det finnes to måter å implementere disse strukturene på: flat og hierarkisk nettverksarkitektur.
I flat arkitektur kontrollerer basestasjonen alle sensornoder. Sensornodene kommuniserer med hverandre via peer-noder ved hjelp av en multi-hop-bane.
I hierarkisk nettverksarkitektur mottar klyngehoder informasjon fra en gruppe sensornoder og videresender data til basestasjonen.
Andre komponenter i WSN
- Relé node: En mellomnode som brukes til å kommunisere med tilstøtende noder. Den forbedrer nettverkets pålitelighet. Denne noden har ikke sensorer eller kontrollutstyr.
- Aktørnode: En avansert node som utfører og konstruerer en beslutning basert på applikasjonskrav. Disse nodene har vanligvis høy prosessorkraft, høy overføringseffekt og lang batterilevetid.
- Gateway: Et grensesnitt mellom sensornettverket og eksterne nettverk. Sammenlignet med sensornodene og klyngehodene, har gateway-noden høy kapasitet når det gjelder program- og dataminne, prosessorytelse, sender-/mottakerrekkevidde, og mulighet for utvidelse gjennom eksternt minne.
Typer trådløse sensornettverk (WSN)
Det finnes fem ulike typer WSN:
- Undervannsnettverk: Bruker sensornoder og undervannsfarkoster for å samle inn data. Disse har høy latens og problemer med sensorfeil, og bruker begrensede, ikke-oppladbare batterier.
- Undergrunnsnettverk: Overvåker forhold under bakken. Synknoder over bakken overfører data til basestasjonen. Dette er dyrere enn overflatenettverk på grunn av kostbart utstyr og vedlikehold.
- Terrestriske nettverk: Brukes på land for å overvåke miljøforhold. Tusenvis av sensornoder kan distribueres i ad hoc- eller forhåndsplanlagte strukturer for å kommunisere effektivt med basestasjoner.
- Multimedianettverk: Kan spore og overvåke multimediahendelser som video, bilder og lyd. De har rimelige sensornoder med kameraer og mikrofoner som kobler til trådløst, henter, komprimerer og korrelerer data.
- Mobile nettverk: Består av sensornoder som kan bevege seg og kommunisere mens de utfører sine funksjoner. De gir mer fleksibilitet, bredere dekning, bedre kanalkapasitet og sparer energi sammenlignet med stasjonære nettverk.
Valget av WSN-type avhenger av bruksområde og krav.
Ulike strukturer i WSN
Det finnes fire typer nettverksstrukturer, og implementeringen påvirker latens, kapasitet og robusthet siden datakommunikasjon og prosessering endres. Derfor bør kravene og bruksområdet vurderes før en WSN-struktur implementeres.
Nodene kan også kobles til internett og overføre data til en skyplattform for videre analyse.
- Punkt-til-punkt eller bussstruktur: Sensorer kan kommunisere direkte med hverandre uten et sentralt knutepunkt. Denne strukturen er mye brukt og gir sikker kommunikasjon.
- Stjernestruktur: En basestasjon fungerer som et sentralt knutepunkt for alle sensorer. Det er enkelt å implementere, og krever lite strøm. En ulempe er at kommunikasjonen er avhengig av en enkelt basestasjon.
- Tre- eller hybridstruktur: Kombinerer punkt-til-punkt og stjernestrukturer. Sensorer er organisert i en trelignende konfigurasjon, og dataoverføring skjer gjennom grener. Denne strukturen krever mindre energi.
- Maskestruktur: Dataoverføring skjer mellom sensorer innenfor overføringsområdet, uten behov for en sentral basestasjon. Sensorer kan bruke mellomliggende sensorer for å overføre data til sensorer utenfor deres radiodekningsområde. Denne strukturen er kjent for skalerbarhet og redundans. Den regnes som den mest pålitelige, men krever mer strøm.
Bruksområder for WSN
WSN brukes i mange sektorer der måling, sporing eller overvåking er nødvendig. De distribueres over et område og måler temperatur, lyd og andre parametere i ulike applikasjoner.
- Brukes til å overvåke områder ved å distribuere sensorer for å oppdage inntrengingsforsøk. Dette brukes ofte i militæret for å oppdage fiendtlige invasjoner.
- Populært i sivile applikasjoner som gruvedrift, helsevesen, overvåking, landbruk og andre overvåkingsforhold.
- Trådløse sensornoder oppdager parkerte kjøretøy ved hjelp av magnetometre. Mikroradarer og magnetometre kan brukes til sporing.
- WSN er populært innen miljø- og jordovervåking, som naturkatastrofeforebygging, skreddeteksjon, vannkvalitetsovervåking, skogbrannovervåking og habitatovervåking. Det er også mye brukt i industrielle overvåkningsløsninger som maskinhelse, avløpsvann og strukturell helse.
Fordeler og ulemper med trådløse sensornettverk
La oss se på fordelene og ulempene ved WSN:
Fordeler
- WSN foretrekkes fremfor kablede overvåkingssystemer på grunn av bekvemmelighet, pålitelighet, rimelige priser og enkel distribusjon.
- WSN eliminerer behovet for kabler.
- WSN er effektive på grunn av presis sanseevne, dekningsområde, feiltoleranse, tilkoblingsmuligheter, minimal menneskelig involvering, funksjonalitet i vanskelige forhold og dynamisk sensorplanlegging.
- Muliggjør sentralisert overvåking av alle noder innenfor WSN.
- Kan tilpasses fysiske skillevegger uten problemer.
- Ruting av protokoller for å kommunisere i miljøer med begrenset ytelse og båndbredde, og skaper selvorganiserende ad hoc-nettverk som bruker multi-hop kommunikasjon.
- Bruker trådløs teknologi og sikkerhetsalgoritmer for å skape et pålitelig nettverk for brukere.
- Enkel integrasjon av nye noder eller enheter for skalerbarhet.
Ulemper
- WSN har utfordringer som begrenset båndbredde, høyt energiforbruk, kostnader for noder, distribusjonsmodeller og begrensninger i maskin- og programvaredesign.
- Trådløse sensornettverk er utsatt for hacking.
- WSN er designet for lavhastighetsapplikasjoner og er ikke egnet for høyhastighetskommunikasjon.
- Det kan være dyrt å bygge WSN.
- Hele nettverket kan stoppe å fungere i stjernetopologi-baserte WSN-er hvis den sentrale noden svikter.
Læringsressurser
#1. Bygge trådløse sensornettverk med Arduino
En bok om å bygge et trådløst, strømeffektivt nettverk med Arduino- og XBee-utstyr. Den inkluderer forklaringer på utvikling av komplekse prosjekter gjennom illustrerende eksempler. Boken gir detaljerte bilder og skjermbilder og forklarer et hjemmeautomatiseringsprosjekt som kan følges eller tilpasses.
Du vil lære å koble til Arduino-kort trådløst med XBee-moduler, og kontrollere miljøet basert på tilbakemeldinger fra nettverkssensorer. Bruk XCTU-programvare på Windows, OS X eller Linux for å samle og lagre sensordata i en skyplattform eller personlig database. Du vil også lære å samhandle med ZigBee Home Automation-enheter.
Boken er rettet mot utviklere av innebygde systemer og entusiaster med Arduino-kunnskap som ønsker å utvide sine prosjekter ved hjelp av trådløs teknologi.
#2. Bygge trådløse sensornettverk: med ZigBee, XBee, Arduino og Processing
Denne boken legger vekt på å bygge et ZigBee-nettverk ved hjelp av XBee-radioer og Arduino til en kostnad på under $100. Lag justerbare sensor- og aktiveringssystemer, og lær om XBee-forviklinger som strømstyring og kilderuting. Utvikle gatewayer for tilkobling med andre nettverk, inkludert Internett.
Denne boken er en ressurs for oppfinnere, hackere, håndverkere, studenter, hobbyister og forskere som ønsker å utvikle sine egne prosjekter.
Dette er en god ressurs for å lage smarte interaktive enheter, og sensorsystemer ved hjelp av ZigBee trådløse nettverksprotokoll og Series 2 XBee-radioer.
#3. Industrielle trådløse sensornettverk (IWSN): Protokoller og applikasjoner
Denne publikasjonen presenterer ny forskning om industrielle trådløse sensornettverk. Artiklene fremmer forskningen på IWSN og forventes å inspirere til videre forskning og distribusjon.
IWSN er viktig på grunn av den økende bruken av trådløse sensornettverk i hverdagen og industrien, som stiller høye krav til robusthet, pålitelighet og aktualitet i hvert lag av nettverket.
#4. Bygge trådløse sensornettverk med ESP32 LoRa
Denne veiledningen tar for seg implementeringen av et grunnleggende trådløst sensornettverk (WSN) med ESP32 på LoRa-nettverket.
Den dekker ulike emner, som klargjøring av utviklingsmiljøet, konfigurering av ESP32 LoRa, sending og mottak av data, håndtering av LoRa-mottakeravbrudd, kringkasting av meldinger og oppretting av en WSN-applikasjon med ESP32 LoRa.
Siste ord
Trådløse sensornettverk (WSN) har blitt avgjørende for ulike overvåkings- og sporingsapplikasjoner. WSN har utviklet seg fra grunnleggende sensorovervåking til avansert sensing, prosessering og analyse.
WSN-teknologien har utviklet seg betydelig for å gi verdifull innsikt og ønskede resultater.
Etter dette kan du lære mer om hvordan TCP/IP-protokollarkitekturmodellen fungerer.