تبلیغات
مهندسی مخابرات - نگاهی به شبكه‌های بی‌سیم حسگر

مهندسی مخابرات

دوشنبه 2 خرداد 1390

نگاهی به شبكه‌های بی‌سیم حسگر

نویسنده: سارا عارفی   طبقه بندی: آموختنی ها، 

در این مقاله به یکی از شبکه‌های مخابراتی می‌پردازیم که با کاربردهای جالب و خاص خود، توجه متخصصان را به خود جلب کرده است: شبکه‌های بی‌سیم حسگر. در این مقاله برآنیم تا خوانندگان را به طور اجمالی با چیستی، ویژگی‌ها و فاکتورهای اساسی طراحی در شبکه‌های بی‌سیم حسگر آشنا کنیم. امیدواریم این مقاله مقدمه تلاش‌های پیگیر علاقه‌‌مندان برای پژوهش‌های بیشتر در این حوزه باشد.

مقدمه:


پیشرفت‌های اخیر در زمینه الكترونیك و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه كوچك، قیمت مناسب و كاربری‌های گوناگون داده است. این حسگرهای كوچك كه توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی (بر اساس نوع حسگر) پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبكه‌های موسوم به شبكه‌های بی‌سیم حسگر WSN شده‌اند.

یك شبكه حسگر متشكل از تعداد زیادی گره‌های حسگری است كه در یك محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌های حسگری، از ‌قبل‌تعیین‌شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امكان را فراهم می‌آورد که بتوانیم آنها را در مکان‌های خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.

از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکل‌ها و الگوریتم‌های شبکه‌های حسگری باید دارای توانایی‌های خودساماندهی باشند. دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگری، توانایی همكاری و هماهنگی بین گره‌های حسگری است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مركز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یك سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی كه به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند.

با اینكه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، تركیب صدها حسگر كوچك امكانات جدیدی را عرضه می‌كند. ‌در واقع قدرت شبكه‌های بی‌سیم حسگر در توانایی به‌كارگیری تعداد زیادی گره كوچك است كه خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یك سیستم به كار گرفته شوند.

گستره كاربری شبكه‌های بی‌سیم حسگر بسیار وسیع بوده و از كاربردهای كشاورزی، پزشكی ‌و صنعتی تا كاربردهای نظامی را شامل می‌شود. به عنوان مثال یكی از متداول‌ترین كاربردهای این تكنولوژی، نظارت بر یك محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یك كارخانه شیمیایی در محیط وسیع كارخانه می‌تواند توسط صدها حسگر كه به طور خودكار یك شبكه بی‌سیم را تشكیل می‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مركز اطلاع داده شود.

در این سیستم‌ها بر خلاف سیستم‌های سیمی قدیمی، از یك سو هزینه‌های پیكربندی و آرایش شبكه كاسته می‌شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاه‌های كوچكی را كه تقریباً به اندازه یك سكه هستند، را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبكه به سادگی با اضافه كردن چند گره گسترش می‌یابد و نیازی به طراحی پیكربندی پیچیده نیست.

ویژگی‌های عمومی یك شبكه حسگر

علاوه بر نكاتی كه تاكنون درباره شبكه‌های حسگر به عنوان مقدمه آشنایی با این فناوری بیان كردیم، این شبكه‌ها دارای یك سری ویژگی‌های عمومی نیز هستند. مهم‌ترین این ویژگی‌ها عبارت است از:

1. بر خلاف شبكه‌های بی‌سیم سنتی، همه گره‌ها در شبكه‌های بی‌سیم حسگر نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیك‌ترین برج كنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلكه حسگرها به خوشه‌هایی (سلول‌هایی) تقسیم می‌شوند که هر خوشه (سلول) یک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب می‌کند.

این سرگروه‌ها وظیفه جمع‌آوری اطلاعات را بر عهده دارند. جمع‌آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره‌ها به ایستگاه پایه و در نتیجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می‌شود. ‌البته چگونگی انتخاب سرگروه خود بحثی تخصصی است كه در تئوری شبكه‌های بی‌سیم حسگر مفصلاً مورد بحث قرار می‌گیرد.

2. پروتكل‌های شبكه‌ای نظیر به نظیر یك‌سری ارتباطات مش مانند را جهت انتقال اطلاعات بین هزاران دستگاه كوچك با استفاده از روش چندجهشی ایجاد می‌كنند. معماری انطباق‌پذیر مش، قابلیت تطبیق با گره‌های جدید جهت پوشش دادن یك ناحیه جغرافیایی بزرگ‌تر را دارا است. علاوه بر این، سیستم می‌تواند به طور خودكار از دست دادن یك گره یا حتی چند گره را جبران كند.

3. هر حسگر موجود در شبكه دارای یک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. یکی از اهداف شبکه‌های حسگری این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنج حسگری یک گره قرار گیرد تا شبكه قابلیت پوشش همه منطقه موردنظر را داشته باشد.
یک حسگر با شعاع حسگری r را می‌توان با یک دیسک با شعاع r مدل کرد. این دیسک نقاطی را که درون این شعاع قرار می‌گیرند، تحت پوشش قرار می‌دهد. بدیهی است که برای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه این دیسک‌ها باید کل نقاط منطقه را بپوشانند.

با این که توجه زیادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها می‌شود، احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هیچ حسگری قرار نگیرد. این نقاط تحت عنوان حفره‌های پوششی نامیده می‌شوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه یک منطقه هدف داشته باشیم، هر نقطه در منطقه باید طوری توسط حداقل n حسگر پوشش داده شود که هیچ حفره پوششی ایجاد نشود. این موضوع لازم به ذکر است که مسأله حفره پوششی بسته به نوع کاربرد مطرح می‌گردد. در برخی کاربردها احتیاج است که درجه بالایی از پوشش جهت داشتن دقت بیشتر داشته باشیم.

ساختار ارتباطی شبکه‌های حسگر
گره‌های حسگری در یک منطقه پراکنده می‌شوند. همان‌طور كه قبلاً هم اشاره كردیم گره‌های حسگری دارای توانایی خودساماندهی هستند. هر کدام از این گره‌های پخش‌شده دارای توانایی جمع‌کردن اطلاعات و ارسال آنها به پایانه‌ای موسوم به sink است. این اطلاعات از یک مسیر چند مرحله‌ای که زیرساخت مشخصی ندارد به سینک فرستاده می‌شوند و سینک می‌تواند توسط لینک ماهواره یا اینترنت با گره task manager ارتباط برقرار کند.
طراحی یک شبکه تحت تأثیر فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها عبارتند از: تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری، محدودیت‌های سخت‌افزاری، محیط انتقال و مصرف توان که در زیر به شرح آنها می‌پردازیم.

فاکتورهای طراحی
فاکتورهای بیان‌شده در بالا از اهمیت فراوانی در طراحی پروتکل‌های شبکه‌های حسگر برخوردار هستند؛ در ادامه درباره هر یك از آنها توضیحات مختصری ارائه می‌كنیم.

تحمل خرابی:
برخی از گره‌های حسگری ممکن است از کار بیفتند یا به دلیل پایان توانشان، عمر آنها تمام شود، یا آسیب فیزیکی ببینند و از محیط تأثیر بگیرند. از کار افتادن گره‌های حسگری نباید تأثیری روی کارکرد عمومی شبکه داشته باشد. بنابراین تحمل خرابی را "توانایی برقرار نگه داشتن عملیات شبکه حسگر علی‌رغم از کار افتادن برخی از گره‌ها" تعریف می‌كنیم. ‌در واقع یك شبكه حسگر خوب با از كار افتادن تعدادی از گره‌های حسگری، به سرعت خود را با شرایط جدید (تعداد حسگرهای كمتر) وفق داده و كار خود را انجام می‌دهد.

قابلیت گسترش:
تعداد گره‌های حسگری که برای مطالعه یک پدیده مورد استفاده قرار می‌گیرند، ممکن است در حدود صدها و یا هزاران گره باشد. مسلماً تعداد گره‌ها به کاربرد و دقت موردنظر بستگی دارد؛ به طوری‌ كه در بعضی موارد این تعداد ممکن است به میلیون‌ها عدد نیز برسد. یك شبكه باید طوری طراحی شود كه بتواند چگالی بالای گره‌های حسگری را نیز تحقق بخشد. این چگالی می‌تواند از چند گره تا چند صد گره در یک منطقه که ممکن است کمتر از 10 متر قطر داشته باشد، تغییر کند.

هزینه تولید:
از آنجایی که شبکه‌های حسگری از تعداد زیادی گره‌های حسگری تشکیل شده‌اند، هزینه یک گره در برآورد کردن هزینه کل شبکه بسیار مهم است. اگر هزینه یک شبکه حسگری گران‌تر از هزینه استفاده از شبكه‌های مشابه قدیمی باشد، در بسیاری موارد استفاده از آن مقرون به صرفه نیست. در نتیجه قیمت هر گره حسگری تا حد ممكن باید پایین نگه داشته شود.

ویژگی‌های سخت‌افزاری:
یک گره حسگری از 4 بخش عمده تشکیل شده است: 1- واحد حسگر ، 2- واحد پردازش، 3- واحد دریافت و ارسال و 4- واحد توان.

البته بسته به كاربرد، شبكه‌های حسگر می‌توانند شامل اجزای دیگری چون: سیستم پیداکردن مکان جغرافیایی، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در گره‌های متحرک نیز باشند. در زیر اندكی درباره بخش‌های اصلی هر حسگر توضیح می‌دهیم.

1. واحد‌های حسگری معمولاً از دو بخش حسگرها و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال تشکیل می‌شوند. حسگرها بر اساس دریافت‌هایشان از پدیده مورد مطالعه، سیگنال‌های آنالوگ را تولید می‌كنند. سپس این سیگنال‌ها توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال به سیگنال دیجیتال تبدیل شده و به بخش پردازش سپرده می‌شوند.

2. بخش پردازش که معمولاً با یک حافظه کوچک همراه است، همکاری گره با گره‌های دیگر را در جهت انجام وظایف محول شده به هر حسگر مدیریت می‌کند.

3. بخش فرستنده و گیرنده، گره را به شبکه متصل می‌کند. بخش توان نیز یکی از مهم‌ترین بخش‌های یک گره حسگری است. توان موردنیاز ممکن است با بخش‌های جمع‌آوری توان، مانند سلول‌های خورشیدی تأمین شود. به موازات تولید توان، تلاش برای كاهش مصرف توان در شبكه بسیار مهم است. صرفه جویی در مصرف توان در حالت كلی از دو طریق ممكن است. یك راه ساخت حسگرهایی با مصرف انرژی كمتر و راه دیگر به كاربردن روش‌های مدیریت توان در طراحی نرم‌افزاری شبكه است. مثلاً ارسال TDMA از نظر مصرف توان مناسب است؛ زیرا در فاصله هر شیار زمانی كه اطلاعات هر حسگر ارسال نمی‌شود، حسگر در حالت انتظار كه مصرف انرژی بسیار كمی دارد، قرار می‌گیرد.

روش‌های مناسب پیكربندی هندسی شبكه و یا انتخاب Parent می‌تواند مصرف انرژی را كاهش دهد. برای مطالعه جزئیات بیشتر در این باره مراجع [4] و [3] مناسب‌اند. همان‌طور كه گفتیم هر حسگر ممکن است بخش‌های دیگری را نیز که به کاربرد خاص شبکه مربوط است دارا باشد. به عنوان نمونه، اکثر تکنیک‌های مسیریابی و وظایف حسگری نیازمند دانش دقیقی از مکان‌یابی جغرافیایی است. در نتیجه متداول است که گره‌های حسگری دارای سیستم موقعیت‌یابی نیز باشند. علاوه بر این در برخی موارد گره حسگری لازم است که متحرک باشد، لذا در مواقع لزوم بخشی نیز برای حرکت در نظر گرفته می‌شود.

تمام این زیر‌‌بخش‌ها باید در یک قالب کوچک قرار بگیرند. اندازه مورد نیاز ممکن است حتی کوچک‌تر از یک سانتی‌متر مکعب باشد. علاوه بر اندازه، محدودیت‌های فراوان دیگری نیز برای گره‌های حسگری وجود دارد؛ این گره‌ها باید توان بسیار کمی مصرف کنند، در یک محیط با چگالی بالا (از نظر تعداد گره‌ها) کار کنند، قیمت تمام شده آنها ارزان باشد، قابل رها کردن در محیط و همچنین خودکار باشند، بدون وقفه کار کنند و قابلیت سازگاری با محیط داشته باشند.

سخن پایانی
به نظر می‌رسد که شبکه‌های WSN کلاس جدیدی از شبکه‌های مخابراتی را به ما معرفی کرده‌اند. این شبکه‌ها به ما این قدرت را می‌دهند که بفهمیم در یک محیط فیزیکی که حتی حضور انسانی ممکن نیست؛ چه می‌گذرد. این توانمندی مهم و منحصر به فرد با ترکیب قابلیت‌های حسگرهای الکترونیکی و فناوری‌های پیشرفته شبکه‌های مخابراتی حاصل شده است. البته پیشرفت‌های بیشتر در این حوزه منوط به انجام تحقیقات بیشتر مخصوصاً در حوزه استانداردسازی و مباحث اقتصادی است. هرچند امروزه تولید انبوه و ارزان‌قیمت تراشه‌های الکترونیکی ممکن شده است؛ اما در حال حاضر برای تولید و ایجاد شبکه‌ای کم هزینه برای کاربرد‌های صنعتی و کشاورزی و نیز توسعه بازار تجاری آن به تلاش‌های بیشتری نیاز است.

مراجع:

[1] Ian F. Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci
“A Survey on Sensor Networks” . IEEE Communications Magazine , August 2002
[2] David Culler, Deborah Estrin, Mani Srivastava, “ Overview of Sensor Networks” .
IEEE Computer Society, August 2004
[3] F.L.Lewis, “Wireless Sensor Networks”, John Wiley, New York, 2004.
[4] Nadieh Mohamadi Moghadam,” Different architecture in wireless sensor networks” Master of Science Seminar at Iran university of science and technology, Fall 2005 (in Persian)

نظرات() 
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
نظرات پس از تایید نشان داده خواهند شد.

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :