Langattoman anturin verkkoarkkitehtuuri ja sen sovellukset

Tällä hetkellä, WSN (langaton anturiverkko) on tavallisimpia palveluja kaupallisissa ja teollisissa sovelluksissa, koska se on teknisesti kehittynyt prosessorissa, viestinnässä ja sulautettujen tietokonelaitteiden pienitehoisessa käytössä. Langattoman anturin verkkoarkkitehtuuri on rakennettu solmuilla, joita käytetään ympäristön, kuten lämpötilan, kosteuden, paineen, sijainnin, tärinän, äänen jne. Tarkkailuun. Näitä solmuja voidaan käyttää useissa reaaliaikaisissa sovelluksissa erilaisten tehtävien suorittamiseen, kuten älykäs tunnistus, löytö naapurisolmuista, tietojen käsittelystä ja varastoinnista, tietojen keräämisestä, kohteen seurannasta, seurannasta ja ohjauksesta, synkronoinnista, solmujen paikannuksesta ja tehokkaasta reitityksestä tukiaseman ja solmujen välillä. Tällä hetkellä WSN: t ovat alkaneet organisoitua parannetussa vaiheessa. Ei ole hankalaa olettaa, että 10–15 vuoden kuluttua maailmaa suojataan WSN: llä Internetin kautta. Tämä voidaan mitata siitä, että Internetistä tulee fyysinen n / w. Tällä tekniikalla on äärettömän potentiaali monilla sovellusalueilla, kuten lääketieteen, ympäristön, liikenteen, armeijan, viihteen, kotimaan puolustus, kriisinhallinta ja myös älykkäät tilat.

Mikä on langaton anturiverkko?

Langaton Sensor Network on eräänlainen langaton verkko joka sisältää suuren määrän kiertäviä, itseohjautuvia, pienitehoisia, vähän virtaa käyttäviä laitteita, nimeltään anturisolmut, nimeltään motes. Nämä verkot kattavat varmasti valtavan määrän alueellisesti hajautettuja, pieniä, paristokäyttöisiä, upotettuja laitteita, jotka on verkotettu keräämään, käsittelemään ja siirtämään tietoja huolellisesti operaattoreille, ja se on hallinnut tietojenkäsittelyn ja käsittelyn ominaisuuksia. Solmut ovat pieniä tietokoneita, jotka yhdessä muodostavat verkkoja.

Langaton anturiverkko

Anturisolmu on monitoiminen, energiatehokas langaton laite. Motes-sovellukset teollisuudessa ovat yleisiä. Anturisolmujen kokoelma kerää tietoja ympäristöstä tiettyjen sovellustavoitteiden saavuttamiseksi. Äänien välinen viestintä voidaan suorittaa keskenään lähetin-vastaanottimilla. Langattomassa anturiverkossa moottoreiden määrä voi olla luokkaa satoja / jopa tuhansia. Toisin kuin anturit n / ws, Ad Hoc -verkoissa on vähemmän solmuja ilman rakennetta.

Langattoman anturin verkkoarkkitehtuuri

Yleisin langattoman anturin verkkoarkkitehtuuri noudattaa OSI-arkkitehtuurimallia. WSN: n arkkitehtuuri sisältää viisi ja kolme poikkikerrosta. Enimmäkseen anturissa n / w vaaditaan viisi tasoa, nimittäin sovellus, kuljetus, n / w, datalinkki ja fyysinen kerros. Kolme tasoa ovat nimittäin virranhallinta, liikkuvuuden hallinta ja tehtävien hallinta. Näitä WSN-kerroksia käytetään n / w: n saavuttamiseksi ja antureiden saamiseksi toimimaan yhdessä verkon täydellisen tehokkuuden parantamiseksi. Seuraa alla olevaa linkkiä Langattomien anturiverkkojen ja WSN-topologioiden tyypit

WSN-arkkitehtuurien tyypit

WSN: ssä käytetty arkkitehtuuri on anturiverkkoarkkitehtuuri. Tällaista arkkitehtuuria voidaan käyttää eri paikoissa, kuten sairaaloissa, kouluissa, teillä, rakennuksissa, ja sitä käytetään erilaisissa sovelluksissa, kuten turvallisuudenhallinnassa, katastrofien hallinnassa ja kriisinhallinnassa jne. Langattomissa antureissa käytetään kahden tyyppisiä arkkitehtuureja verkot, jotka sisältävät seuraavat. Langattomia anturiarkkitehtuureja on 2 tyyppiä: Layered Network Architecture ja Clustered Architecture. Nämä selitetään seuraavasti.

• Kerroksinen verkkoarkkitehtuuri
• Klusteroitu verkkoarkkitehtuuri

Kerroksinen verkkoarkkitehtuuri

Tällainen verkko käyttää satoja anturisolmuja sekä tukiasemaa. Tässä verkkosolmujen järjestely voidaan tehdä samankeskisiksi kerroksiksi. Se käsittää viisi kerrosta sekä 3 ristikerrosta, jotka sisältävät seuraavat.

Viisi tasoa arkkitehtuurissa ovat:

• Sovelluskerros
• Kuljetuskerros
• Verkkokerros
• Data Link Layer
• Fyysinen kerros

Kolme poikkikerrosta sisältävät seuraavat:

• Virranhallintataso
• Liikkuvuuden hallinnan taso
• Tehtävänhallintataso

Näitä kolmea ristikerrosta käytetään pääasiassa verkon ohjaamiseen sekä antureiden saamiseksi toimimaan yhtenä yhtenäisenä verkon yleisen tehokkuuden parantamiseksi. Edellä mainittuja viittä WSN-kerrosta käsitellään jäljempänä.

Langattoman anturin verkkoarkkitehtuuri

Sovelluskerros

Sovelluskerros on vastuussa liikenteen hallinnasta ja tarjoaa ohjelmistoja lukuisille sovelluksille, jotka muuntavat tiedot selkeässä muodossa positiivisen tiedon löytämiseksi. Anturiverkot on järjestetty lukuisiin sovelluksiin eri aloilla, kuten maatalous-, sotilas-, ympäristö-, lääketieteellinen jne.

Kuljetuskerros

Kuljetuskerroksen tehtävänä on välttää ruuhkien välttäminen ja luotettavuus, kun monet tämän toiminnon tarjoamiseen tarkoitetut protokollat ​​ovat joko käytännöllisiä ylävirtaan. Nämä protokollat ​​käyttävät erilaisia ​​mekanismeja menetysten tunnistamiseen ja menetysten palauttamiseen. Siirtokerros tarvitaan juuri silloin, kun järjestelmän on tarkoitus ottaa yhteyttä muihin verkkoihin.

Luotettavan häviön talteenoton tarjoaminen on energiatehokkaampaa, ja se on yksi tärkeimmistä syistä, miksi TCP ei sovi WSN: ään. Yleensä kuljetuskerrokset voidaan erottaa paketti-, tapahtuma-ajettaviksi. Siirtokerroksessa on joitain suosittuja protokollia, nimittäin STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Hintakeskeinen luotettava kuljetusprotokolla ja PSFQ (pumpun hidas haku nopeasti).

Verkkokerros

Verkkokerroksen päätoiminto on reititys, sillä on paljon sovellukseen perustuvia tehtäviä, mutta itse asiassa päätehtävät ovat virransäästö, osamuistilla, puskureilla ja anturilla ei ole universaalia tunnusta ja ne on olla itseorganisoitunut.

Reititysprotokollan yksinkertainen ajatus on selittää luotettava kaista ja redundantit kaistat vakuuttavan mittakaavan mukaan, joka vaihtelee protokollasta toiseen. Tälle verkkokerrokselle on paljon olemassa olevia protokollia, ne voidaan erottaa tasaiseksi reititykseksi ja hierarkkiseksi reititykseksi tai voidaan erottaa aika-, kysely- ja tapahtumavetoisiksi.

Data Link Layer

Datalinkkikerros on vastuussa datakehyksen havaitsemisen, datavirtojen, MAC: n ja virheenhallinnan multipleksoinnista, vahvistaen piste-piste (tai) piste-monipiste -toiminnon luotettavuuden.

Fyysinen kerros

Fyysinen kerros tarjoaa reunan bittivirran siirtämiseksi fyysisen väliaineen yläpuolelle. Tämä kerros vastaa taajuuden valinnasta, kantotaajuuden muodostamisesta, signaalin havaitsemisesta, moduloinnista ja datan salauksesta. IEEE 802.15.4: ää suositellaan tyypilliseksi matalan nopeuden tietyille alueille ja langattomille anturiverkkoille, joiden kustannukset, virrankulutus, tiheys ja tiedonsiirtoalue parantavat akun käyttöikää. CSMA / CA: ta käytetään tähtien ja peer to peer topologian tukemiseen. IEEE 802.15.4.V: stä on useita versioita.

Suurin hyöty tällaisen arkkitehtuurin käytöstä WSN: ssä on, että jokainen solmu sisältää yksinkertaisesti pienempiä etäisyyksiä, pienitehoisia lähetyksiä naapurisolmuihin, minkä vuoksi virrankäyttö on vähäistä verrattuna muihin anturiverkkoarkkitehtuuriin. Tällainen verkko on skaalautuva ja sisältää suuren vikasietoisuuden.

Klusteroitu verkkoarkkitehtuuri

Tällaisessa arkkitehtuurissa anturisolmut lisätään erikseen ryhmiin, jotka tunnetaan klustereina ja jotka riippuvat 'Leach-protokollasta', koska se käyttää klustereita. Termi ”Leach Protocol” tarkoittaa ”vähän energiaa mukauttavaa klusterointihierarkiaa”. Tämän protokollan tärkeimmät ominaisuudet sisältävät pääasiassa seuraavat.

Klusteroitu verkkoarkkitehtuuri

• Tämä on kaksitasoinen hierarkian klusterointiarkkitehtuuri.
• Tätä hajautettua algoritmia käytetään anturisolmujen järjestämiseen ryhmiin, joita kutsutaan klustereiksi.
• Jokaisessa erikseen muodostetussa klusterissa klusterin pääsolmut luovat TDMA-suunnitelmat (Time-division multiple access).
• Se käyttää Data Fusion -konseptia, jotta se tekee verkosta energiatehokkaan.

Tällaista verkkoarkkitehtuuria käytetään erittäin paljon datan fuusio-ominaisuuden vuoksi. Jokaisessa klusterissa jokainen solmu voi olla vuorovaikutuksessa klusterin pään kautta saadakseen tietoja. Kaikki klusterit jakavat kerätyt tiedot kohti tukiasemaa. Klusterin muodostaminen samoin kuin sen pään valinta kussakin klusterissa on riippumaton ja itsenäinen hajautettu menetelmä.

Langattoman anturin verkkoarkkitehtuurin suunnittelukysymykset

Langattoman anturiverkkoarkkitehtuurin suunnittelukysymykset sisältävät lähinnä seuraavat.

• Energiankulutus
• Lokalisointi
• Kattavuus
• Kellot
• Laskenta
• Tuotantokustannukset
• Laitteiston suunnittelu
• Palvelun laatu

Energiankulutus

WSN: ssä virrankulutus on yksi pääkysymyksistä. Energialähteenä akkua käytetään varustamalla anturisolmuilla. Anturiverkko on järjestetty vaarallisissa tilanteissa, joten muuten muuten ladattavien paristojen vaihtaminen on monimutkaista. Energiankulutus riippuu pääasiassa anturisolmujen toiminnasta, kuten viestinnästä, tunnistamisesta ja tietojenkäsittelystä. Koko viestinnän ajan energiankulutus on erittäin korkea. Joten energiankulutus voidaan välttää jokaisella kerroksella käyttämällä tehokkaita reititysprotokollia.

Lokalisointi

Verkon toiminnan kannalta perus- ja kriittinen ongelma on anturin lokalisointi. Joten anturisolmut on järjestetty tapauskohtaisesti, jotta he eivät tiedä sijainnistaan. Anturin fyysisen sijainnin määrittämisen vaikeutta, kun ne on järjestetty, kutsutaan lokalisoinniksi. Tämä vaikeus voidaan ratkaista GPS: n, majakasolmujen, läheisyyden perusteella lokalisoinnin avulla.

Kattavuus

Langattoman anturiverkon anturisolmut käyttävät peittoalgoritmia datan havaitsemiseen sekä lähettävät ne uppoamaan reititysalgoritmin läpi. Anturisolmut tulisi valita kattamaan koko verkko. Siellä suositellaan tehokkaita menetelmiä, kuten pienimmän ja suurimman altistumisreitin algoritmeja sekä peittosuunnitteluprotokollaa.

Kellot

WSN: ssä kellosynkronointi on vakava palvelu. Tämän synkronoinnin päätehtävä on tarjota tavallinen aikataulu anturiverkkojen paikallisten kellojen solmuille. Nämä kellot on synkronoitava joissakin sovelluksissa, kuten seuranta ja seuranta.

Laskenta

Laskenta voidaan määritellä datan summana, joka jatkuu jokaisen solmun läpi. Laskennan pääkysymys on, että sen on vähennettävä resurssien käyttöä. Jos tukiaseman käyttöikä on vaarallisempi, tietojenkäsittely saadaan päätökseen kussakin solmussa ennen datan lähettämistä kohti tukiasemaa. Jos meillä on jokaisessa solmussa resursseja, koko laskenta tulisi tehdä altaassa.

Tuotantokustannus

WSN: ssä suuri määrä anturisolmuja on järjestetty. Joten jos yhden solmun hinta on erittäin korkea, myös verkon kokonaishinta on korkea. Viime kädessä jokaisen anturisolmun hinta on pidettävä vähemmän. Joten langattoman anturiverkon jokaisen anturisolmun hinta on vaativa ongelma.

Laitteiston suunnittelu

Määritettäessä mitä tahansa anturiverkon laitteistoa, kuten virranhallintaa, mikro-ohjaimen ja viestintäyksikön on oltava energiatehokkaita. Sen suunnittelu voidaan tehdä siten, että se käyttää vähän energiaa.

Palvelun laatu

Palvelun laatu tai QoS ei ole muuta kuin, tiedot on jaettava ajoissa. Koska jotkut reaaliaikaiset anturipohjaiset sovellukset riippuvat pääasiassa ajasta. Joten jos tietoja ei jaeta ajoissa vastaanottimeen, data muuttuu hyödyttömäksi. WSN: ssä on erityyppisiä QoS-asioita, kuten verkon topologia, joka voi muuttua usein, samoin kuin reitityksessä käytettävän tiedon käytettävissä oleva tila voi olla epätarkka.

Langattoman anturiverkon rakenne

WSN: n rakenne käsittää pääasiassa erilaisia ​​radioviestintäverkoissa käytettyjä topologioita, kuten tähti, verkko ja hybriditähti. Näitä topologioita käsitellään jäljempänä lyhyesti.

Tähtiverkko

Tähtiverkon kaltaista tietoliikennetopologiaa käytetään aina, kun vain tukiasema voi lähettää tai vastaanottaa sanoman etäsolmuihin. Käytettävissä on useita solmuja, joiden ei sallita lähettää viestejä toisilleen. Tämän verkon edut koostuvat pääasiassa yksinkertaisuudesta, joka pystyy pitämään etäisolmujen virrankulutuksen minimissä.

Se mahdollistaa myös tiedonsiirron vähemmän viiveellä tukiaseman ja etäsolmun välillä. Tämän verkon tärkein haittapuoli on, että tukiaseman tulisi olla kaikkien erillisten solmujen radioalueella. Se ei ole vankka kuin muut verkot, koska verkon käsittely riippuu yhdestä solmusta.

Mesh-verkko

Tällainen verkko sallii datan siirtämisen yhdestä solmusta toiseen radion lähetysalueella olevan verkon sisällä. Jos solmun on lähetettävä viesti toiselle solmulle ja se on radioviestintävälin ulkopuolella, se voi käyttää solmua kuten välituotetta lähettääkseen sanoman ensisijaista solmua kohti.

Verkkoverkon tärkein etu on skaalautuvuus ja redundanssi. Kun yksittäinen solmu lakkaa toimimasta, etäsolmu voi keskustella minkä tahansa muun tyyppisen solmun kanssa alueen sisällä ja välittää sitten viestin kohti ensisijaista sijaintia. Lisäksi verkkoaluetta ei rajoiteta automaattisesti yksittäisten solmujen välisen alueen kautta, ja se voi laajentua yksinkertaisesti lisäämällä järjestelmään useita solmuja.

Tämäntyyppisen verkon tärkein haittapuoli on virran käyttö verkkosolmuille, jotka suorittavat viestintää kuten multi-hop ovat yleensä suurempia kuin muut solmut, joilla ei ole tätä kapasiteettia rajoittaa akun käyttöikää usein. Lisäksi, kun tietoliikenteen hyppyjen määrä kasvaa määränpäätä kohti, myös viestin lähettämiseen kuluva aika kasvaa, varsinkin jos solmujen pienitehoinen prosessi on välttämätön.

Hybrid Star - Mesh-verkko

Kahden verkon, kuten tähti ja verkko, hybridi tarjoaa vahvan ja joustavan tietoliikenneverkon pitäen langattomien anturisolmujen virrankulutuksen minimissä. Tämän tyyppisessä verkkotopologiassa anturisolmut, joilla on vähemmän tehoa, eivät saa lähettää viestejä.
Tämä sallii ylläpidon pienimmän virrankulutuksen.

Mutta muut verkkosolmut ovat sallittuja multi-hop-ominaisuudella sallimalla niiden lähettää viestejä verkon yhdestä solmusta toiseen. Yleensä solmuilla, joilla on monihyppykapasiteetti, on suuri teho ja ne kytketään usein verkkojohtoon. Tämä on toteutettu topologia tulevan vakioverkkoverkon kautta nimeltä ZigBee.

Langattoman anturisolmun rakenne

Langattoman anturisolmun valmistuksessa käytetyt komponentit ovat erilaisia ​​yksiköitä, kuten tunnistaminen, käsittely, lähetin-vastaanotin ja teho. Se sisältää myös lisäkomponentteja, jotka riippuvat sovelluksesta, kuten voimageneraattori, sijainninetsintäjärjestelmä ja mobilisoija. Yleensä tunnistusyksiköt sisältävät kaksi alayksikköä, nimittäin ADC: t sekä anturit. Tässä anturit tuottavat analogisia signaaleja, jotka voidaan muuttaa digitaalisiksi signaaleiksi ADC: n avulla, minkä jälkeen ne lähettävät prosessointiyksikköön.

Yleensä tämä yksikkö voidaan liittää pienen tallennusyksikön kautta käsittelemään toimia, jotka antavat anturisolmun toimimaan muiden solmujen kanssa allokoitujen tunnistustehtävien saavuttamiseksi. Anturisolmu voidaan liittää verkkoon lähetin-vastaanotinyksikön avulla. Anturisolmussa yksi keskeisistä komponenteista on anturisolmu. Tehoyksiköitä tuetaan virransyöttöyksiköillä, kuten aurinkokennoilla, kun taas muut alayksiköt riippuvat sovelluksesta.

Langattomien tunnistussolmujen toiminnallinen lohkokaavio on esitetty yllä. Nämä moduulit tarjoavat monipuolisen alustan vastaamaan laaja-alaisten sovellusten vaatimuksiin. Esimerkiksi järjestettävien anturien perusteella signaalinkäsittelylohko voidaan vaihtaa. Tämä sallii erilaisten anturien käytön langattoman anturin kanssa. Samoin radiolinkki voidaan vaihtaa määritetylle sovellukselle.

Langattoman anturiverkon ominaisuudet

WSN: n ominaisuuksiin kuuluvat seuraavat.

• Paristoja sisältävien solmujen tehorajojen kulutus
• Kyky käsitellä solmujen vikoja
• Jotkut solmujen liikkuvuus ja solmujen heterogeenisuus
• Skaalautuvuus laajaan jakeluasteeseen
• Kyky varmistaa tiukat ympäristöolosuhteet
• Helppo käyttää
• Monikerroksinen muotoilu

Langattomien anturiverkkojen edut

WSN: n etuihin kuuluvat seuraavat

• Verkkojärjestelyt voidaan toteuttaa ilman kiinteää infrastruktuuria.
• Sopii tavoittamattomiin paikkoihin, kuten vuoret, meren yli, maaseutualueet ja syvät metsät.
• Joustava, jos satunnaisessa tilanteessa tarvitaan ylimääräinen työasema.
• Toteutushinnoittelu on halpaa.
• Se välttää paljon johdotuksia.
• Se voi tarjota majoitusta uusille laitteille milloin tahansa.
• Se voidaan avata käyttämällä keskitettyä valvontaa.

Langattomat anturiverkkosovellukset

Langattomat anturiverkot voivat käsittää lukuisia erityyppisiä antureita, kuten matalan näytteenottotaajuuden, seismiset, magneettiset, lämpö-, visuaaliset, infrapuna-, tutka- ja akustiset, jotka ovat älykkäitä seuraamaan monenlaisia ​​ympäristötilanteita. Anturisolmuja käytetään jatkuvaan tunnistamiseen, tapahtuman tunnukseen, tapahtumien havaitsemiseen ja toimilaitteiden paikalliseen ohjaukseen. Langattomien anturiverkkojen sovellukset sisältävät pääasiassa terveys-, sotilas-, ympäristö-, koti- ja muita kaupallisia alueita.

WSN-sovellus

• Sotilaalliset sovellukset
• Terveyssovellukset
• Ympäristösovellukset
• Kotisovellukset
• Kaupalliset sovellukset
• Alueen seuranta
• Terveydenhuollon seuranta
• Ympäristö- / maapallotunnistukset
• Ilman pilaantumisen seuranta
• Metsäpalojen havaitseminen
• Maanvyörymisen havaitseminen
• Veden laadun seuranta
• Teollisuuden seuranta

Näin ollen kyse on siitä, mikä on a langaton anturiverkko , langattoman anturin verkkoarkkitehtuuri, ominaisuudet ja sovellukset. Toivomme, että ymmärrät paremmin tämän käsitteen. Lisäksi kaikki kyselyt tai tietää langattoman anturiverkon projektiideoita , anna arvokkaat ehdotuksesi kommentoimalla alla olevassa kommenttiosassa. Tässä on kysymys sinulle, mitkä ovat erityyppiset langattomat anturiverkot?