در این قسمت قصد داریم به یکی از این شبکه‌های مخابراتی بپردازیم که با کاربردهای جالب و خاص خود، توجه متخصصان را به خود جلب کرده است، شبکه‌های حسگر بیسیم. در این قسمت بر آنیم تا خوانندگان را به طور اجمالی با چیستی، ویژگی‌ها و فاکتورهای اساسی طراحی در شبکه‌های حسگر بیسیم آشنا کنیم.
یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گرههای حسگری است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمعآوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گرههای حسگری، از قبل تعیین شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان 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 خود ساماندهی باشند. دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگری، توانایی همکاری و هماهنگی بین گرههای حسگری است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گرهای که مسئول پردازش و نتیجه گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده های نیمه پردازش شده را ارسال میکند.
با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه میکند. در واقع قدرت شبکه‌های حسگر بیسیم در توانایی به‌کارگیری 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 شبکه‌های حسگر بیسیم بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی و صنعتی تا کاربردهای نظامی را شامل می‌شود. به عنوان مثال یکی از متداول‌ترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه می‌تواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بیسیم را تشکیل می‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شود.
در این سیستم‌ها بر خلاف سیستم‌های سیمی قدیمی، از یک سو هزینه‌های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته می‌شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاههای 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 می‌یابد و نیازی به طراحی پیکربندی پیچیده نیست.
با تکیه بر پیشرفت‌های تکنولوژی در سال‌های اخیر امکان ایجاد و پیادهسازی حسگرهای کم هزینه و کوچک از نظر تکنیکی و اقتصادی فراهم شده است. حسگرها بر حسب محیط پیرامون خود شرایط محدود و مشخصی را اندازه‌گیری کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. شبکه کردن تعداد زیادی حسگر با قابلیت‌های بالا عملیات خودکاری را که می‌تواند نیاز برخی کاربردها باشد امکان‌پذیر میکند. یک شبکه حسگر بیسیم شامل صدها یا هزاران گره از حسگرهای بالا می‌باشد.
این حسگرها توانایی ارتباط برقرار کردن با یکدیگر یا به طور مستقیم به یک ایستگاه پایه‌ی[۵۲] (BS) خارجی را دارند. تعداد بیشتر حسگرها امکان حس کردن از منطقه‌ی جغرافیایی بزرگ‌تر، با دقت بالاتر را به ما خواهد داد. به طور کلی هر گره حسگر شامل بخش‌های حس کردن، پردازش، انتقال، حرکت، سیستم موقعیتیابی و باطری که بعضی از آن‌ها در برخی کاربردها می‌تواند اختیاری باشد خواهد بود. همین شکل معماری ارتباطی یک شبکه حسگر بیسیم را هم نشان می‌دهد. گرههای حسگر معمولاً در یک محدودهی حسی پراکنده هستند. محدودهی حسی به منطقه‌ای گفته می‌شود که گرههای حسگر باید از آن منطقه اطلاعات جمع کنند.
گرههای حسگر بین خودشان همکاری‌های لازم را انجام می‌دهند تا جایی که امکان دارد اطلاعات با کیفیت بالاتری را در مورد محیط فیزیکی تولید کنند. هر گره حسگر پایه‌ی تصمیماتش را بر اساس مأموریتش، اطلاعاتی که هم اکنون دارد و دانش از منابع انرژی، ارتباطی و محاسباتی می‌گذارد. هرکدام از این گرههای حسگر پراکنده در محیط قابلیت جمع آوری و مسیریابی داده به حسگرهای دیگر یا به یک ایستگاه پایه‌ی بیرونی را دارند.
ایستگاه پایه می‌تواند یک گره ثابت باشد یا متحرک که قابلیت ارتباط دادن شبکه حسگر را با یک شبکه‌ی ارتباطی بیرونی دارد. این شبکه‌ی خارجی می‌تواند اینترنت باشد و یک کاربر که به داده‌های گزارش داده شده دسترسی داشته باشد.
شبکه کردن گرههای حسگر خودکار می‌تواند تأثیرات عمیقی روی کارایی بسیاری از کاربردهای نظامی و عمرانی داشته باشد. به عنوان مثال تصویر کردن یک منطقه‌ی هدف، کشف نفوذ دشمن، نظارت بر آب و هوا، دیده بانی امنیتی و تاکتیکی، محاسبات توزیع شده، کشف شرایط محدود شده مثل حرکت، صدا، نور و کنترل انبارداری و مدیریت بحران.
آرایش یک شبکه‌ی حسگر در هر یک از این کاربردها می‌تواند کاملاً متفاوت باشد. به عنوان مثال در مدیریت بحران تعداد زیادی حسگر از یک بالگرد می‌توانند به سمت پایین پرتاب شوند.
شبکهبندی چنین حسگرهایی با مکان‌یابی بازمانده‌ها، پیدا کردن مناطق ریسکی و آگاهسازی تیم نجات از کل وضعیت می‌تواند به عملیات نجات کمک کند. در سال‌های اخیر تحقیقات بیشتر روی توانایی همکاری بین حسگرها در جمع آوری داده‌ها و پردازش در همکاری و مدیریت معطوف بوده‌اند. به هر حال گرههای حسگر از نظر ذخیره انرژی و پهنای باند دارای محدودیت هستند. نیاز به تکنیک‌های ابداعی که بتواند ناکارآمدی محدودیت انرژی را کم کند و طول عمر شبکه را افزایش بدهد به شدت حس می‌شود. هنگامی که دردسر آرایش مقدار بسیار زیادی گره حسگر اضافه شود، چالش‌های طراحی و مدیریت شبکه‌های حسگر بیسیم را افزایش می‌دهد و ضرورت آگاهی از انرژی در تمام لایه‌های شبکه را بیش از پیش ایجاب میکند. به عنوان مثال در لایه‌ی شبکه دلخواه این است که کشف مسیر و باز پخش داده از گرههای حسگر به BS از نظر انرژی بهینه باشند.
تکنیک‌های ابداعی که بتواند ناکارآمدی محدودیت انرژی را کم کند و طول عمر شبکه را افزایش بدهد به شدت حس می‌شود. هنگامی که دردسر آرایش مقدار بسیار زیادی گره حسگر اضافه شود، چالش‌های طراحی و مدیریت شبکه‌های حسگر بیسیم را افزایش می‌دهد و ضرورت آگاهی از انرژی در تمام لایه‌های شبکه را بیش از پیش ایجاب میکند. به عنوان مثال در لایه‌ی شبکه دلخواه این است که کشف مسیر و باز پخش داده از گرههای حسگر به BS از نظر انرژی بهینه باشند.]۴۱[
تاریخچه شبکه‌های حسگر
اگرچه تاریخچه شبکه‌های حسگر را به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن را به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا نسبت می‌دهند ولی این ایده می‌توانسته در ذهن طراحان ربات‌های متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه‌های بیسیم موبایل نیز شکل گرفته باشد.
ویژگی‌ها
وجود برخی ویژگی‌ها در شبکه حسگر انداز، آن را از سایر شبکه‌های سنتی و بیسیم متمایز میکند. از آن جمله عبارتند از:
-
- تنگناهای سختافزاری شامل محدودیت‌های اندازه فیزیکی، منبع انرژی، قدرت پردازش، ظرفیت حافظه
-
- تعداد بسیار زیاد گره‌ها
-
- چگالی بالا در توزیع گره‌ها در ناحیه عملیاتی
-
- وجود استعداد خرابی در گره‌ها
-
- تغییرات توپولوژی به صورت پویا و احیاناً متناوب
-
- استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گره‌ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
داده محور بودن شبکه به این معنی که گره‌ها کد شناسایی ندارند.
کاربرد شبکه‌های حسگر بیسیم
کشاورزی دقیق
استفاده از شبکه‌های حسگر بیسیم در کشاورزی اجازه می‌دهد آبیاری به طور دقیق انجام شود و بارور کردن خاک به وسیله قرار دادن حسگرها در داخل خاک انجام می‌شود. برای این کار تعداد حسگرهای نسبتاً کمی نیاز است تقریباً یکسان سود در هر صد متر مربع. به همین نحو، برای کنترل آفت در زمین کشاورزی می‌توانیم از این شبکه استفاده کنیم. همچنین، پرورش چارپایان اهلی می‌توانند از این شبکه‌ها بهره ببرند با قرار دادن یک حسگر در روی هر گاو یا خوک که وضعیت سلامتی حیوان را (به وسیله دمای بدن و …) کنترل میکند و تولید یک پیام هشدار اگر مقدار علایم حیاتی از مقدار آستانه تجاوز کند.
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
مراقبت بهداشتی و پزشکی
نصب حسگرها بر روی بدن بیماران جهت کنترل علائم حیاتی آن‌ها زمانیکه نیاز هست این بیماران برای یک مدت زمان زیادی تحت کنترل باشند و راهنمایی بیماران برای مصرف دارو (حسگرهای جاسازی شده در بستههای دارو تا زمانی که یک بیمار دارو را به صورت اشتباه مصرف کرد یک پیام هشدار ایجاد کند).
کنترل محیط
شبکه های حسگر بیسیم می‌توانند برای کنترل و نظارت بر محیط بکار بروند. برای نمونه می‌توانند برای کنترل مواد آلاینده در محیط‌هایی که زباله‌ها دفع می‌شوند بکار بروند. نمونه دیگر، نظارت بر فرسایش خاک در یک محیط است. یک مثال دیگر می‌تواند برای شمارش تعداد گیاهان و حیواناتی که در یک مکان خاص زندگی می‌کنند، به کار رود.
کاربردهای نظامی
شبکه های حسگر بیسیم می‌توانند به عنوان بخش مهمی از سیستم‌های ارتباطی، نظارتی، ناوبری، هوشمند و پردازش نظامی مورد استفاده قرار گیرند. گاهی اوقات در این شبکه‌ها گره‌ها با فرستنده و گیرندههای ماهوارهای جهانی GPS همراه می‌شوند که در موقعیتیابی دقیق مناطق جنگی مورد استفاده واقع می‌شوند.]۴۱[
ویژگی‌های عمومی یک شبکه حسگر
علاوه بر نکاتی که تا کنون درباره شبکه‌های حسگر به عنوان مقدمه آشنایی با این فناوری بیان کردیم، این شبکه‌ها دارای یک سری ویژگی‌های عمومی نیز هستند. مهم‌ترین این ویژگی‌ها عبارت است از:
۱) بر خلاف شبکه‌های بیسیم سنتی، همه گره‌ها در شبکه‌های حسگر بیسیم نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیک‌ترین برج کنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلکه حسگرها به خوشه‌هایی (سلول‌هایی) تقسیم می‌شوند که هر خوشه (سلول) یک سرگروه خوشه موسوم به والد[۵۳] انتخاب میکند.
این سرگروه‌ها وظیفه جمع آوری اطلاعات را بر عهده دارند. جمع آوری 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 که در تئوری شبکه‌های حسگر بیسیم مفصلاً مورد بحث قرار می‌گیرد.
۲) پروتکل‌های شبکه ای همتا به همتا یک سری ارتباطات مش[۵۴] مانند را جهت انتقال اطلاعات بین هزاران دستگاه کوچک با بهره گرفتن از روش چند جهشی ایجاد می‌کنند. معماری انطباق پذیر مش، قابلیت تطبیق با گرههای جدید جهت پوشش دادن یک ناحیه جغرافیایی بزرگ‌تر را دارا است. علاوه بر این، سیستم می‌تواند به طور خودکار از دست دادن یک گره یا حتی چند گره را جبران کند.
۳) هر حسگر موجود در شبکه دارای یک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. یکی از اهداف شبکه‌های حسگر این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنج حسگری یک گره قرار گیرد تا شبکه قابلیت پوشش همه منطقه مورد نظر 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 مسئله 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 که قبلاً هم اشاره کردیم گرههای حسگری دارای توانایی خود ساماندهی هستند. هر کدام از این گرههای پخش شده دارای توانایی جمع کردن اطلاعات و ارسال آن‌ها به پایانهای موسوم به چاهک است. این اطلاعات از یک مسیر چند مرحله ای که زیرساخت مشخصی ندارد به چاهک فرستاده می‌شوند و چاهک می‌تواند توسط پیوند ماهواره یا اینترنت با گره مدیر وظیفه[۵۵] ارتباط برقرار کند.
فاکتورهای موثر بر طراحی شبکه
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 بیان شده در بالا از اهمیت فراوانی در طراحی پروتکل‌های شبکه‌های حسگر برخوردار هستند؛ در ادامه درباره هر یک از آن‌ها توضیحات مختصری ارائه می‌کنیم.
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 نگهداشتن عملیات شبکه حسگر علی رغم از کار افتادن برخی از گره‌ها” تعریف می‌کنیم. در واقع یک شبکه حسگر خوب با از کار افتادن تعدادی از گرههای حسگری، به سرعت خود را با شرایط جدید (تعداد حسگرهای کمتر) وفق داده و کار خود را انجام می‌دهد.
