بخش هفتم: شبکه های بی سیم حسگر

این حسگرهای کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی (بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده ای برای ایجاد و گسترش شبکه های موسوم به شبکه های بی سیم حسگر WSN شده اند.

● نگاهی به شبکه های بی سیم حسگر

در این مقاله قصد داریم به یکی دیگر از این شبکه های مخابراتی می پردازیم که با کاربردهای جالب و خاص خود، توجه متخصصان را به خود جلب کرده است شبکه های بیسیم حسگر. در این مقاله برآنیم تا خوانندگان را به طور اجمالی با چیستی، ویژگی ها و فاکتورهای اساسی طراحی در شبکه های بی سیم حسگر آشنا کنیم. امیدواریم این مقاله مقدمه تلاش های پیگیر علاقه مندان برای پژوهش های بیشتر در این حوزه باشد.

مقدمهپیشرفت های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربری های گوناگون داده است. این حسگرهای کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی (بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده ای برای ایجاد و گسترش شبکه های موسوم به شبکه های بی سیم حسگر WSN شده اند.

یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره های حسگری است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع آوری اطلاعات از محیط می پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره های حسگری، از قبل تعیین شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم می آورد که بتوانیم آنها را در مکان های خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.

از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکل ها و الگوریتم های شبکه های حسگری باید دارای توانایی های خودساماندهی باشند. دیگر خصوصیت های منحصر به فرد شبکه های حسگری، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره های حسگری است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره ای که مسیول پردازش و نتیجه گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می دهد و سپس داده های نیمه پردازش شده را ارسال می کند.

با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می کند. در واقع قدرت شبکه های بی سیم حسگر در توانایی به کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.

گستره کاربری شبکه های بی سیم حسگر بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی و صنعتی تا کاربردهای نظامی را شامل می شود. به عنوان مثال یکی از متداول ترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه می تواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بی سیم را تشکیل می دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شود.

در این سیستم ها بر خلاف سیستم های سیمی قدیمی، از یک سو هزینه های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته می شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاه های کوچکی را که تقریباً به اندازه یک سکه هستند را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبکه به سادگی با اضافه کردن چند گره گسترش می یابد و نیازی به طراحی پیکربندی پیچیده نیست.

● ویژگی های عمومی یک شبکه حسگر

علاوه بر نکاتی که تا کنون درباره شبکه های حسگر به عنوان مقدمه آشنایی با این فناوری بیان کردیم، این شبکه ها دارای یک سری ویژگی های عمومی نیز هستند. مهم ترین این ویژگی ها عبارت است از:

1) بر خلاف شبکه های بی سیم سنتی، همه گره ها در شبکه های بی سیم حسگر نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیک ترین برج کنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلکه حسگرها به خوشه هایی (سلول هایی) تقسیم می شوند که هر خوشه (سلول) یک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب می کند.

این سرگروه ها وظیفه جمع آوری اطلاعات را بر عهده دارند. جمع آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره ها به ایستگاه پایه و در نتیجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می شود. البته چگونگی انتخاب سرگروه خود بحثی تخصصی است که در تیوری شبکه های بی سیم حسگر مفصلاً مورد بحث قرار می گیرد.

2) پروتکل های شبکه ای همتا به همتا یک سری ارتباطات مش مانند را جهت انتقال اطلاعات بین هزاران دستگاه کوچک با استفاده از روش چندجهشی ایجاد می کنند. معماری انطباق پذیر مش، قابلیت تطبیق با گره های جدید جهت پوشش دادن یک ناحیه جغرافیایی بزرگ تر را دارا است. علاوه بر این، سیستم می تواند به طور خودکار از دست دادن یک گره یا حتی چند گره را جبران کند.

3) هر حسگر موجود در شبکه دارای یک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. یکی از اهداف شبکه های حسگری این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنج حسگری یک گره قرار گیرد تا شبکه قابلیت پوشش همه منطقه موردنظر را داشته باشد.

یک حسگر با شعاع حسگری r را می توان با یک دیسک با شعاع r مدل کرد. این دیسک نقاطی را که درون این شعاع قرار می گیرند، تحت پوشش قرار می دهد. بدیهی است که برای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه این دیسک ها باید کل نقاط منطقه را بپوشانند.

با این که توجه زیادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها می شود، احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هیچ حسگری قرار نگیرد. این نقاط تحت عنوان حفره های پوششی نامیده می شوند. 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. شکل 2 این موضوع را نشان می دهد. این موضوع لازم به ذکر است که مساله حفره پوششی بسته به نوع کاربرد مطرح می گردد. در برخی کاربردها احتیاج است که درجه بالایی از پوشش جهت داشتن دقت بیشتر داشته باشیم.

الف) حفره پوششی

ب) استفاده از حسگری اضافی (با ناحیه پوششی پررنگ) جهت حذف حفره پوششی

● ساختار ارتباطی شبکه های حسگر

گره های حسگری همانند شکل 3 در یک منطقه پراکنده می شوند. همان طور که قبلاً هم اشاره کردیم گره های حسگری دارای توانایی خودساماندهی هستند. هر کدام از این گره های پخش شده دارای توانایی جمع کردن اطلاعات و ارسال آنها به پایانه ای موسوم به sink است. این اطلاعات از یک مسیر چند مرحله ای که زیرساخت مشخصی ندارد به سینک فرستاده می شوند و سینک می تواند توسط لینک ماهواره یا اینترنت با گره task manager ارتباط برقرار کند.

طراحی یک شبکه تحت تاثیر فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها عبارتند از: تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری، محدودیت های سخت افزاری، محیط انتقال و مصرف توان که در زیر به شرح آنها می پردازیم.

● فاکتورهای طراحی

فاکتورهای بیان شده در بالا از اهمیت فراوانی در طراحی پروتکل های شبکه های حسگر برخوردار هستند؛ در ادامه درباره هر یک از آنها توضیحات مختصری ارایه می کنیم.

▪ تحمل خرابی:

برخی از گره های حسگری ممکن است از کار بیفتند یا به دلیل پایان توانشان، عمر آنها تمام شود، یا آسیب فیزیکی ببینند و از محیط تاثیر بگیرند. از کار افتادن گره های حسگری نباید تاثیری روی کارکرد عمومی شبکه داشته باشد. بنابراین تحمل خرابی را "توانایی برقرار نگه داشتن عملیات شبکه حسگر علی رغم از کار افتادن برخی از گره ها" تعریف می کنیم. در واقع یک شبکه حسگر خوب با از کار افتادن تعدادی از گره های حسگری، به سرعت خود را با شرایط جدید (تعداد حسگرهای کمتر) وفق داده و کار خود را انجام می دهد.

▪ قابلیت گسترش:

تعداد گره های حسگری که برای مطالعه یک پدیده مورد استفاده قرار می گیرند، ممکن است در حدود صدها و یا هزاران گره باشد. مسلماً تعداد گره ها به کاربرد و دقت موردنظر بستگی دارد؛ به طوری که در بعضی موارد این تعداد ممکن است به میلیون ها عدد نیز برسد. یک شبکه باید طوری طراحی شود که بتواند چگالی بالای گره های حسگری را نیز تحقق بخشد. این چگالی می تواند 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 شبکه های حسگری از تعداد زیادی گره های حسگری تشکیل شده اند، هزینه یک گره در برآورد کردن هزینه کل شبکه بسیار مهم است. اگر هزینه یک شبکه حسگری گران تر از هزینه استفاده از شبکه های مشابه قدیمی باشد، در بسیاری موارد استفاده از آن مقرون به صرفه نیست. در نتیجه قیمت هر گره حسگری تا حد ممکن باید پایین نگه داشته شود.

▪ ویژگی های سخت افزاری:

یک گره حسگری از 4 بخش عمده تشکیل شده است:

1) واحد حسگر

2) واحد پردازش

3 واحد دریافت و ارسال

4) واحد توان.

البته بسته به کاربرد، شبکه های حسگر می توانند شامل اجزای دیگری چون: سیستم پیداکردن مکان جغرافیایی، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در گره های متحرک نیز باشند.

بخش هفتم: شبکه های بی سیم حسگر

مطالب مشابه :

مسیریابی در شبکه هاي حسگر بیسیم‬ (WSN)

تعریفی ساده از شبکه های حسگر (بر گرفته از پایان نامه کارشناسی میثم فلاحی)

پروژه بررسی پروتکل های مسیر یابی در شبکه های حسگر بی سیم

شبکه های حسگر بیسیم

شبکه های حسگر برای مخابره با بی سیم شناختی :

منبع امتحان درس شبکه های حسگر بیسیم

بخش هفتم: شبکه های بی سیم حسگر

انتشار سریع و کارآمد اطلاعات در شبکه های حسگر بی سیم مبتنی بر رویداد

بررسی کلید از پیش مشترک در شبکه های حسگر بی سیم