Draadloze sensornetwerkarchitectuur en zijn toepassingen

Momenteel, WSN (draadloos sensornetwerk) is de meest standaardservice die wordt gebruikt in commerciële en industriële toepassingen, vanwege de technische ontwikkeling in een processor, communicatie en laag stroomverbruik van embedded computerapparatuur. De draadloze sensornetwerkarchitectuur is gebouwd met knooppunten die worden gebruikt om de omgeving te observeren, zoals temperatuur, vochtigheid, druk, positie, trillingen, geluid, enz. Deze knooppunten kunnen in verschillende real-time toepassingen worden gebruikt om verschillende taken uit te voeren, zoals slimme detectie, een ontdekking van naburige knooppunten, gegevensverwerking en -opslag, gegevensverzameling, doeltracering, bewaking en besturing, synchronisatie, knooppuntlokalisatie en effectieve routering tussen het basisstation en de knooppunten. Momenteel beginnen WSN's in een verbeterde stap georganiseerd te worden. Het is niet vreemd om te verwachten dat over 10 tot 15 jaar de wereld beschermd zal zijn met WSN's met toegang tot hen via internet. Dit kan worden gemeten naarmate het internet een fysieke n / w wordt. Deze technologie is opwindend en heeft een oneindig potentieel voor veel toepassingsgebieden, zoals medisch, milieu, transport, leger, amusement, thuislandverdediging, crisisbeheer en ook slimme ruimtes.

Wat is een draadloos sensornetwerk?

A Draadloos Sensornetwerk is een soort draadloos netwerk dat omvat een groot aantal circulerende, zelfgestuurde, minuscule apparaten met een laag vermogen, genaamd sensorknooppunten die motes worden genoemd. Deze netwerken bestrijken zeker een groot aantal ruimtelijk verspreide, kleine, op batterijen werkende, ingebedde apparaten die in een netwerk zijn aangesloten om zorgvuldig gegevens te verzamelen, verwerken en overdragen aan de operators, en het heeft de mogelijkheden van computergebruik en verwerking gecontroleerd. Knooppunten zijn kleine computers die samenwerken om netwerken te vormen.

Draadloos sensornetwerk

Het sensorknooppunt is een multifunctioneel, energiezuinig draadloos apparaat. De toepassingen van stofjes in de industrie zijn wijdverbreid. Een verzameling sensorknooppunten verzamelt de gegevens uit de omgeving om specifieke toepassingsdoelstellingen te bereiken. De communicatie tussen motes kan met elkaar worden gedaan met behulp van transceivers. In een draadloos sensornetwerk kan het aantal motten in de orde van honderden / zelfs duizenden zijn. In tegenstelling tot sensor n / ws zullen Ad Hoc-netwerken minder knooppunten hebben zonder enige structuur.

Draadloze sensornetwerkarchitectuur

De meest voorkomende draadloze sensornetwerkarchitectuur volgt het OSI-architectuurmodel. De architectuur van de WSN omvat vijf lagen en drie kruislagen. Meestal hebben we bij sensor n / w vijf lagen nodig, namelijk applicatie, transport, n / w, datalink en fysieke laag. De drie dwarsvlakken zijn namelijk energiebeheer, mobiliteitsbeheer en taakbeheer. Deze lagen van de WSN worden gebruikt om de n / w te bereiken en de sensoren te laten samenwerken om de volledige efficiëntie van het netwerk te verhogen. Volg de onderstaande link voor Typen draadloze sensornetwerken en WSN-topologieën

Typen WSN-architecturen

De architectuur die in WSN wordt gebruikt, is de netwerkarchitectuur van sensoren. Dit soort architectuur is toepasbaar op verschillende plaatsen, zoals ziekenhuizen, scholen, wegen, gebouwen, en wordt ook gebruikt in verschillende toepassingen zoals beveiligingsbeheer, rampenbeheer en crisisbeheer, enz. Er zijn twee soorten architecturen die worden gebruikt in draadloze sensoren netwerken die de volgende bevatten. Er zijn 2 soorten draadloze sensorarchitecturen: gelaagde netwerkarchitectuur en geclusterde architectuur. Deze worden hieronder uitgelegd.

• Gelaagde netwerkarchitectuur
• Geclusterde netwerkarchitectuur

Gelaagde netwerkarchitectuur

Dit soort netwerk maakt gebruik van honderden sensorknooppunten en een basisstation. Hier kan de rangschikking van netwerkknooppunten worden gedaan in concentrische lagen. Het bestaat uit vijf lagen en drie dwarslagen, waaronder de volgende.

De vijf lagen in de architectuur zijn:

• Applicatielaag
• Transport laag
• Netwerklaag
• Datalinklaag
• Fysieke laag

De drie dwarslagen omvatten de volgende:

• Power Management Plane
• Mobiliteitsmanagementvliegtuig
• Taakbeheervliegtuig

Deze drie dwarslagen worden voornamelijk gebruikt om het netwerk te besturen en om de sensoren als één te laten functioneren om de algehele netwerkefficiëntie te verbeteren. De bovengenoemde vijf lagen van WSN worden hieronder besproken.

Draadloze sensornetwerkarchitectuur

Applicatielaag

De applicatielaag is verantwoordelijk voor verkeersmanagement en biedt software voor tal van applicaties die de data in een duidelijke vorm omzetten om positieve informatie te vinden. Sensornetwerken gerangschikt in tal van toepassingen op verschillende gebieden, zoals landbouw, leger, milieu, medisch, enz.

Transport laag

De functie van de transportlaag is om congestievermijding en betrouwbaarheid te leveren, waar veel protocollen die bedoeld zijn om deze functie te bieden, ofwel praktisch zijn op de upstream. Deze protocollen gebruiken verschillende mechanismen voor verliesherkenning en herstel van verliezen. De transportlaag is precies nodig wanneer een systeem in contact moet komen met andere netwerken.

Het bieden van een betrouwbaar verliesherstel is energiezuiniger en dat is een van de belangrijkste redenen waarom TCP niet geschikt is voor WSN. Over het algemeen kunnen transportlagen worden gescheiden in pakketgestuurd, gebeurtenisgestuurd. Er zijn enkele populaire protocollen in de transportlaag, namelijk STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol en PSFQ (pump slow fetch quick).

Netwerklaag

De belangrijkste functie van de netwerklaag is routering, het heeft veel taken op basis van de applicatie, maar eigenlijk zijn de belangrijkste taken energiebesparing, gedeeltelijk geheugen, buffers en sensor hebben geen universele ID en moeten wees zelf georganiseerd.

Het simpele idee van het routeringsprotocol is om een ​​betrouwbare rijstrook en redundante rijstroken uit te leggen, volgens een overtuigende schaal die een metriek wordt genoemd en die van protocol tot protocol varieert. Er zijn veel bestaande protocollen voor deze netwerklaag, ze kunnen worden onderverdeeld in platte routing en hiërarchische routing of kunnen worden gescheiden in tijdgestuurd, vraaggestuurd en gebeurtenisgestuurd.

Datalinklaag

De datalinklaag is aansprakelijk voor multiplexing dataframedetectie, datastromen, MAC en foutcontrole, en bevestigt de betrouwbaarheid van punt-punt (of) punt-multipunt.

Fysieke laag

De fysieke laag biedt een voorsprong voor het overbrengen van een stroom bits boven het fysieke medium. Deze laag is verantwoordelijk voor de selectie van de frequentie, het genereren van een draaggolffrequentie, signaaldetectie, modulatie en gegevensversleuteling. IEEE 802.15.4 wordt voorgesteld als typisch voor specifieke gebieden met lage tarieven en draadloze sensornetwerken met lage kosten, stroomverbruik, dichtheid, het bereik van communicatie om de levensduur van de batterij te verbeteren. CSMA / CA wordt gebruikt om star & peer-to-peer-topologie te ondersteunen. Er zijn verschillende versies van IEEE 802.15.4.V.

De belangrijkste voordelen van het gebruik van dit soort architectuur in WSN zijn dat elk knooppunt eenvoudigweg over minder afstand en laag vermogen transmissies naar de naburige knooppunten omvat, waardoor het stroomverbruik laag is in vergelijking met andere soorten sensornetwerkarchitectuur. Dit type netwerk is schaalbaar en heeft een hoge fouttolerantie.

Geclusterde netwerkarchitectuur

In dit soort architectuur worden afzonderlijke sensorknooppunten toegevoegd aan groepen die bekend staan ​​als clusters die afhankelijk zijn van het 'Leach Protocol' omdat het clusters gebruikt. De term ‘Leach Protocol’ staat voor ‘Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy’. De belangrijkste eigenschappen van dit protocol zijn voornamelijk de volgende.

Geclusterde netwerkarchitectuur

• Dit is een hiërarchische clusteringarchitectuur met twee niveaus.
• Dit gedistribueerde algoritme wordt gebruikt om de sensorknooppunten in groepen te rangschikken, ook wel clusters genoemd.
• In elk cluster dat afzonderlijk wordt gevormd, zullen de hoofdknooppunten van het cluster de TDMA-plannen (Time-division multiple access) creëren.
• Het maakt gebruik van het Data Fusion-concept om het netwerk energiezuinig te maken.

Dit soort netwerkarchitectuur wordt extreem gebruikt vanwege de datafusie-eigenschap. In elk cluster kan elk knooppunt communiceren via het hoofd van het cluster om de gegevens te verkrijgen. Alle clusters zullen hun verzamelde gegevens delen met het basisstation. De vorming van een cluster, evenals de kopselectie in elk cluster, is zowel een onafhankelijke als autonome gedistribueerde methode.

Ontwerpkwesties van draadloze sensornetwerkarchitectuur

De ontwerpkwesties van draadloze sensornetwerkarchitectuur omvatten voornamelijk de volgende.

• Energieverbruik
• Lokalisatie
• Dekking
• Klokken
• Berekening
• Productiekosten
• Ontwerp van hardware
• Kwaliteit van de dienstverlening

Energieverbruik

Bij WSN is stroomverbruik een van de belangrijkste problemen. Als energiebron wordt de batterij gebruikt door uit te rusten met sensorknooppunten. Het sensornetwerk is gerangschikt in gevaarlijke situaties, dus het wordt ingewikkeld om anders batterijen te vervangen. Het energieverbruik hangt voornamelijk af van de bewerkingen van de sensorknooppunten, zoals communicatie, detectie en gegevensverwerking. Tijdens de communicatie is het energieverbruik erg hoog. Energieverbruik kan dus op elke laag worden vermeden door efficiënte routeringsprotocollen te gebruiken.

Lokalisatie

Voor de werking van het netwerk is sensorlokalisatie het fundamentele en kritische probleem. Sensorknooppunten zijn dus ad-hoc gerangschikt, zodat ze niet weten waar ze zich bevinden. De moeilijkheid om de fysieke locatie van de sensor te bepalen nadat deze is gerangschikt, staat bekend als lokalisatie. Deze moeilijkheid kan worden opgelost via GPS, bakenknooppunten, lokalisatie op basis van nabijheid.

Dekking

De sensorknooppunten in het draadloze sensornetwerk gebruiken een dekkingsalgoritme voor het detecteren van gegevens en verzenden ze om door het routeringsalgoritme te zinken. Om het hele netwerk te bestrijken, moeten de sensorknooppunten worden gekozen. Daar worden efficiënte methoden aanbevolen, zoals algoritmen voor het laagste en hoogste belichtingspad en een protocol voor het ontwerpen van dekking.

Klokken

In WSN is kloksynchronisatie een serieuze dienst. De belangrijkste functie van deze synchronisatie is het bieden van een gewone tijdschaal voor de knooppunten van lokale klokken binnen sensornetwerken. Deze klokken moeten worden gesynchroniseerd binnen sommige toepassingen, zoals monitoring en tracking.

Berekening

De berekening kan worden gedefinieerd als de som van gegevens die door elk knooppunt gaan. Het belangrijkste probleem bij berekeningen is dat het het gebruik van bronnen moet verminderen. Als de levensduur van het basisstation gevaarlijker is, zal de gegevensverwerking op elk knooppunt worden voltooid voordat gegevens naar het basisstation worden verzonden. Als we bij elk knooppunt enkele bronnen hebben, moet de hele berekening bij de gootsteen worden uitgevoerd.

Productie kosten

In WSN is het grote aantal sensorknooppunten gerangschikt. Dus als de prijs voor één knooppunt erg hoog is, zal de totale netwerkprijs ook hoog zijn. Uiteindelijk hoeft de prijs van elk sensorknooppunt lager gehouden te worden. De prijs van elk sensorknooppunt binnen het draadloze sensornetwerk is dus een veeleisend probleem.

Hardware-ontwerp

Bij het ontwerpen van de hardware van een sensornetwerk, zoals vermogensregeling, microcontroller en communicatie-eenheid, moeten energiezuinig zijn. Het ontwerp kan zo worden uitgevoerd dat het energiezuinig is.

Kwaliteit van de dienstverlening

De kwaliteit van de service of QoS is niets anders dan, de gegevens moeten in de tijd worden verspreid. Omdat sommige van de real-time sensorgestuurde applicaties voornamelijk afhankelijk zijn van tijd. Dus als de gegevens niet op tijd naar de ontvanger worden gedistribueerd, worden de gegevens onbruikbaar. In WSN's zijn er verschillende soorten QoS-problemen, zoals netwerktopologie die vaak kan worden gewijzigd, en de toegankelijke staat van informatie die voor routering wordt gebruikt, kan onnauwkeurig zijn.

Structuur van een draadloos sensornetwerk

De structuur van WSN omvat voornamelijk verschillende topologieën die worden gebruikt voor radiocommunicatienetwerken, zoals een ster, mesh en hybride ster. Deze topologieën worden hieronder kort besproken.

Star Network

De communicatietopologie wordt net als een sternetwerk overal gebruikt waar alleen het basisstation een bericht kan verzenden of ontvangen naar afgelegen knooppunten. Er is een aantal knooppunten beschikbaar die geen berichten naar elkaar mogen verzenden. De voordelen van dit netwerk zijn voornamelijk eenvoud, waardoor het stroomverbruik van externe knooppunten tot een minimum kan worden beperkt.

Het maakt ook communicatie mogelijk met minder latentie tussen het basisstation en een extern knooppunt. Het belangrijkste nadeel van dit netwerk is dat het basisstation voor alle afzonderlijke knooppunten binnen het radiobereik moet zijn. Het is niet robuust zoals andere netwerken omdat het afhankelijk is van een enkel knooppunt om het netwerk af te handelen.

Mesh-netwerk

Dit type netwerk maakt de verzending van de gegevens van het ene knooppunt naar het andere mogelijk binnen het netwerk dat binnen het bereik van radiotransmissie valt. Als een knooppunt een bericht naar een ander knooppunt moet verzenden en dat zich buiten het radiocommunicatiebereik bevindt, kan het een knooppunt zoals een tussenpersoon gebruiken om het bericht naar het voorkeursknooppunt te sturen.

Het belangrijkste voordeel van een mesh-netwerk is zowel schaalbaarheid als redundantie. Wanneer een individueel knooppunt niet meer werkt, kan een knooppunt op afstand converseren met elk ander type knooppunt binnen het bereik en het bericht vervolgens doorsturen naar de gewenste locatie. Bovendien wordt het netwerkbereik niet automatisch beperkt tot het bereik van enkele knooppunten dat kan worden uitgebreid door simpelweg een aantal knooppunten aan het systeem toe te voegen.

Het belangrijkste nadeel van dit type netwerk is het stroomverbruik, want de netwerkknooppunten die de communicatie uitvoeren, zoals multi-hop, zijn meestal hoger dan die van andere knooppunten die niet de capaciteit hebben om de levensduur van de batterij vaak te beperken. Bovendien, wanneer het aantal communicatiehops toeneemt naar een bestemming, zal de tijd die nodig is om het bericht te verzenden ook toenemen, vooral als het proces met laag vermogen van de knooppunten een noodzaak is.

Hybride Star - Mesh-netwerk

Een hybride tussen de twee netwerken, zoals ster en mesh, zorgt voor een sterk en flexibel communicatienetwerk terwijl het stroomverbruik van draadloze sensorknooppunten tot een minimum wordt beperkt. In dit soort netwerktopologie mogen de sensorknooppunten met minder vermogen de berichten niet verzenden.
Dit maakt onderhoud mogelijk met het minste stroomverbruik.

Maar andere netwerkknooppunten zijn toegestaan ​​met de mogelijkheid van multi-hop door hen in staat te stellen berichten van het ene knooppunt naar het andere op het netwerk te verzenden. Gewoonlijk hebben de knooppunten met de multi-hop-capaciteit een hoog vermogen en worden ze vaak op het lichtnet aangesloten. Dit is de geïmplementeerde topologie via het aanstaande standaard mesh-netwerk genaamd ZigBee.

Structuur van een draadloos sensorknooppunt

De componenten die worden gebruikt om een ​​draadloos sensorknooppunt te maken, zijn verschillende eenheden, zoals detectie, verwerking, transceiver en voeding. Het bevat ook extra componenten die afhankelijk zijn van een toepassing, zoals een stroomgenerator, een locatiebepalingssysteem en een mobilizer. Over het algemeen bevatten detectie-eenheden twee subeenheden, namelijk ADC's en sensoren. Hier genereren sensoren analoge signalen die met behulp van ADC kunnen worden omgezet in digitale signalen, waarna deze naar de verwerkingseenheid worden verzonden.

Over het algemeen kan deze eenheid worden gekoppeld via een kleine opslageenheid om de acties af te handelen om het sensorknooppunt te laten werken met de andere knooppunten om de toegewezen detectietaken uit te voeren. Het sensorknooppunt kan met behulp van een zendontvanger op het netwerk worden aangesloten. In het sensorknooppunt is een van de essentiële componenten een sensorknooppunt. De power-units worden ondersteund door power scavenge units zoals zonnecellen, terwijl de andere subunits afhankelijk zijn van de toepassing.

Een functioneel blokschema van draadloze detectieknooppunten wordt hierboven weergegeven. Deze modules bieden een veelzijdig platform om aan de eisen van brede toepassingen te voldoen. Op basis van de aan te brengen sensoren kan bijvoorbeeld de vervanging van het signaalconditioneringsblok plaatsvinden. Dit maakt het mogelijk om verschillende sensoren te gebruiken samen met het draadloze detectieknooppunt. Evenzo kan de radioverbinding worden uitgewisseld voor een gespecificeerde toepassing.

Kenmerken van draadloos sensornetwerk

De kenmerken van WSN zijn onder meer de volgende.

• Het verbruik van vermogenslimieten voor knooppunten met batterijen
• Capaciteit om knooppuntfouten af ​​te handelen
• Enige mobiliteit van knooppunten en heterogeniteit van knooppunten
• Schaalbaarheid naar een grootschalige distributie
• Mogelijkheid om strikte omgevingsvoorwaarden te garanderen
• Makkelijk te gebruiken
• Cross-layer ontwerp

Voordelen van draadloze sensornetwerken

De voordelen van WSN zijn onder meer de volgende

• Netwerkarrangementen kunnen worden uitgevoerd zonder onroerende infrastructuur.
• Geschikt voor de niet-bereikbare plaatsen zoals bergen, boven de zee, landelijke gebieden en diepe bossen.
• Flexibel als er een losse situatie is waarbij een extra werkplek nodig is.
• Uitvoeringsprijzen zijn niet duur.
• Het vermijdt veel bedrading.
• Het kan op elk moment accommodatie bieden voor de nieuwe apparaten.
• Het kan worden geopend door middel van gecentraliseerde monitoring.

Draadloze sensornetwerktoepassingen

Draadloze sensornetwerken kunnen talrijke verschillende soorten sensoren bevatten, zoals een lage bemonsteringsfrequentie, seismisch, magnetisch, thermisch, visueel, infrarood, radar en akoestisch, die slim zijn om een ​​breed scala aan omgevingssituaties te bewaken. Sensorknooppunten worden gebruikt voor constante detectie, gebeurtenis-ID, gebeurtenisdetectie en lokale besturing van actuatoren. De toepassingen van draadloze sensornetwerken omvatten voornamelijk gezondheids-, militaire, milieu-, thuis- en andere commerciële gebieden.

WSN-applicatie

• Militaire toepassingen
• Gezondheidstoepassingen
• Milieutoepassingen
• Home Toepassingen
• Commerciele applicaties
• Gebiedsbewaking
• Gezondheidszorgmonitoring
• Milieu- / aardewaarnemingen
• Monitoring van luchtverontreiniging
• Detectie van bosbranden
• Detectie van aardverschuivingen
• Monitoring van de waterkwaliteit
• Industriële monitoring

Dit gaat dus allemaal over wat een is draadloos sensornetwerk , draadloze sensornetwerkarchitectuur, kenmerken en toepassingen. We hopen dat u dit concept beter begrijpt. Verder eventuele vragen of om over te weten ideeën voor draadloze sensornetwerken , geef alstublieft uw waardevolle suggesties door te reageren in de commentaarsectie hieronder. Hier is een vraag voor jou, wat zijn de verschillende soorten draadloze sensornetwerken?