Kiến trúc mạng cảm biến không dây và các ứng dụng của nó

Hiện tại, WSN (Mạng cảm biến không dây) là dịch vụ tiêu chuẩn nhất được sử dụng trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp, vì sự phát triển kỹ thuật của nó trong bộ xử lý, giao tiếp và sử dụng năng lượng thấp của các thiết bị tính toán nhúng. Kiến trúc mạng cảm biến không dây được xây dựng với các nút được sử dụng để quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, vị trí, độ rung, âm thanh, v.v. Các nút này có thể được sử dụng trong các ứng dụng thời gian thực khác nhau để thực hiện các tác vụ khác nhau như phát hiện thông minh, khám phá các nút lân cận, xử lý và lưu trữ dữ liệu, thu thập dữ liệu, theo dõi mục tiêu, giám sát và điều khiển, đồng bộ hóa, bản địa hóa nút và định tuyến hiệu quả giữa trạm gốc và các nút. Hiện tại, WSN đang bắt đầu được tổ chức theo một bước nâng cao. Không có gì khó hiểu khi hy vọng rằng trong 10 đến 15 năm nữa thế giới sẽ được bảo vệ bằng WSN với sự đồng ý của chúng thông qua Internet. Điều này có thể được đo lường khi Internet trở thành một không gian vật lý. Công nghệ này rất thú vị với tiềm năng vô hạn cho nhiều lĩnh vực ứng dụng như y tế, môi trường, giao thông, quân sự, giải trí, bảo vệ tổ quốc, quản lý khủng hoảng và cả không gian thông minh.

Mạng cảm biến không dây là gì?

Một không dây Mạng cảm biến là một loại mạng không dây bao gồm một số lượng lớn các thiết bị tuần hoàn, tự định hướng, phút, công suất thấp được đặt tên là các nút cảm biến được gọi là motes. Các mạng này chắc chắn bao gồm một số lượng lớn các thiết bị nhúng được phân phối theo không gian, ít, hoạt động bằng pin, được kết nối với nhau để thu thập, xử lý và truyền dữ liệu một cách cẩn thận cho các nhà khai thác và nó đã kiểm soát khả năng tính toán và xử lý. Các nút là những máy tính nhỏ, chúng hoạt động cùng nhau để tạo thành mạng.

Mạng cảm biến không dây

Nút cảm biến là một thiết bị không dây đa chức năng, tiết kiệm năng lượng. Các ứng dụng của motes trong công nghiệp rất phổ biến. Tập hợp các nút cảm biến thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh để đạt được các mục tiêu ứng dụng cụ thể. Việc liên lạc giữa các con có thể được thực hiện với nhau bằng cách sử dụng bộ thu phát. Trong mạng cảm biến không dây, số lượng moes có thể theo thứ tự hàng trăm / thậm chí hàng nghìn. Ngược lại với sensor n / ws, mạng Ad Hoc sẽ có ít nút hơn mà không có bất kỳ cấu trúc nào.

Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Kiến trúc mạng cảm biến không dây phổ biến nhất tuân theo Mô hình kiến ​​trúc OSI. Kiến trúc của WSN bao gồm năm lớp và ba lớp chéo. Hầu hết trong cảm biến n / w, chúng tôi yêu cầu năm lớp, đó là ứng dụng, truyền tải, n / w, liên kết dữ liệu và lớp vật lý. Ba mặt phẳng chéo cụ thể là quản lý năng lượng, quản lý tính di động và quản lý nhiệm vụ. Các lớp này của WSN được sử dụng để thực hiện n / w và làm cho các cảm biến hoạt động cùng nhau để nâng cao hiệu quả hoàn chỉnh của mạng. Vui lòng theo liên kết dưới đây cho Các loại mạng cảm biến không dây và cấu trúc liên kết WSN

Các loại kiến ​​trúc WSN

Kiến trúc được sử dụng trong WSN là kiến ​​trúc mạng cảm biến. Loại kiến ​​trúc này có thể áp dụng ở những nơi khác nhau như bệnh viện, trường học, đường xá, tòa nhà cũng như nó được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như quản lý an ninh, quản lý thảm họa & quản lý khủng hoảng, v.v. Có hai loại kiến ​​trúc được sử dụng trong cảm biến không dây mạng bao gồm những điều sau đây. Có 2 loại kiến ​​trúc cảm biến không dây: Kiến trúc mạng phân lớp và kiến ​​trúc phân cụm. Chúng được giải thích như sau.

• Kiến trúc mạng phân lớp
• Kiến trúc mạng cụm

Kiến trúc mạng phân lớp

Loại mạng này sử dụng hàng trăm nút cảm biến cũng như một trạm gốc. Ở đây việc sắp xếp các nút mạng có thể được thực hiện thành các lớp đồng tâm. Nó bao gồm năm lớp cũng như 3 lớp chéo bao gồm những phần sau.

Năm lớp trong kiến ​​trúc là:

• Lớp ứng dụng
• Lớp vận chuyển
• Lớp mạng
• Lớp liên kết dữ liệu
• Lớp vật lý

Ba lớp chéo bao gồm:

• Mặt phẳng quản lý năng lượng
• Mặt phẳng quản lý di động
• Mặt phẳng quản lý tác vụ

Ba lớp chéo này chủ yếu được sử dụng để điều khiển mạng cũng như làm cho các cảm biến hoạt động như một để nâng cao hiệu quả mạng tổng thể. Năm lớp WSN được đề cập ở trên được thảo luận dưới đây.

Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng chịu trách nhiệm quản lý lưu lượng và cung cấp phần mềm cho nhiều ứng dụng giúp chuyển đổi dữ liệu ở dạng rõ ràng để tìm kiếm thông tin tích cực. Các mạng cảm biến được bố trí trong nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, quân sự, môi trường, y tế, v.v.

Lớp vận chuyển

Chức năng của lớp truyền tải là cung cấp khả năng tránh tắc nghẽn và độ tin cậy trong đó rất nhiều giao thức nhằm cung cấp chức năng này hoặc thực tế ở phía trên. Các giao thức này sử dụng các cơ chế khác nhau để nhận biết tổn thất và khôi phục tổn thất. Lớp truyền tải là chính xác cần thiết khi một hệ thống được lên kế hoạch liên hệ với các mạng khác.

Cung cấp khả năng khôi phục tổn thất đáng tin cậy sẽ tiết kiệm năng lượng hơn và đó là một trong những lý do chính khiến TCP không phù hợp với WSN. Nói chung, các lớp Giao thông vận tải có thể được phân tách thành Hướng gói, Hướng sự kiện. Có một số giao thức phổ biến trong lớp truyền tải là STCP (Giao thức điều khiển truyền cảm biến), PORT (Giao thức truyền tải đáng tin cậy theo định hướng giá và PSFQ (bơm nhanh tìm nạp chậm).

Lớp mạng

Chức năng chính của lớp mạng là định tuyến, nó có rất nhiều tác vụ dựa trên ứng dụng, nhưng thực ra, các tác vụ chính là tiết kiệm năng lượng, một phần bộ nhớ, bộ đệm và cảm biến không có ID chung và phải được tự tổ chức.

Ý tưởng đơn giản của giao thức định tuyến là giải thích một làn đường đáng tin cậy và các làn dự phòng, theo một thang đo thuyết phục được gọi là thước đo, thay đổi giữa các giao thức. Có rất nhiều giao thức hiện có cho lớp mạng này, chúng có thể được tách thành định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp hoặc có thể tách thành định tuyến theo thời gian, theo hướng truy vấn và theo sự kiện.

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm phát hiện khung dữ liệu ghép kênh, luồng dữ liệu, MAC và kiểm soát lỗi, xác nhận độ tin cậy của điểm – điểm (hoặc) điểm – đa điểm.

Lớp vật lý

Lớp vật lý cung cấp một cạnh để truyền một luồng bit lên trên phương tiện vật lý. Lớp này chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa dữ liệu. IEEE 802.15.4 được đề xuất là điển hình cho các khu vực cụ thể có tốc độ thấp và mạng cảm biến không dây với chi phí thấp, tiêu thụ điện năng, mật độ, phạm vi giao tiếp để cải thiện tuổi thọ pin. CSMA / CA được sử dụng để hỗ trợ cấu trúc liên kết sao & ngang hàng. Có một số phiên bản của IEEE 802.15.4.V.

Những lợi ích chính của việc sử dụng kiểu kiến ​​trúc này trong WSN là mọi nút chỉ liên quan đến việc truyền tải ít khoảng cách hơn, công suất thấp đến các nút lân cận do việc sử dụng năng lượng thấp hơn so với các loại kiến ​​trúc mạng cảm biến khác. Loại mạng này có khả năng mở rộng cũng như bao gồm khả năng chịu lỗi cao.

Kiến trúc mạng cụm

Trong kiểu kiến ​​trúc này, các nút cảm biến riêng biệt thêm vào các nhóm được gọi là các cụm phụ thuộc vào “Giao thức Leach” vì nó sử dụng các cụm. Thuật ngữ ‘Leach Protocol’ là viết tắt của “Hệ thống phân cụm thích ứng năng lượng thấp”. Các thuộc tính chính của giao thức này chủ yếu bao gồm những điều sau đây.

Kiến trúc mạng cụm

• Đây là kiến ​​trúc phân cụm phân cấp hai tầng.
• Thuật toán phân tán này được sử dụng để sắp xếp các nút cảm biến thành các nhóm, được gọi là các cụm.
• Trong mỗi cụm được hình thành riêng biệt, các nút đầu của cụm sẽ tạo ra các kế hoạch TDMA (Đa truy cập phân chia theo thời gian).
• Nó sử dụng khái niệm Data Fusion để làm cho mạng sử dụng năng lượng hiệu quả.

Loại kiến ​​trúc mạng này được sử dụng rất nhiều do thuộc tính tổng hợp dữ liệu. Trong mọi cụm, mọi nút đều có thể tương tác thông qua phần đầu của cụm để lấy dữ liệu. Tất cả các cụm sẽ chia sẻ dữ liệu đã thu thập của họ về trạm gốc. Việc hình thành một cụm, cũng như lựa chọn đầu của nó trong mỗi cụm, là một phương pháp phân phối độc lập cũng như tự trị.

Các vấn đề thiết kế của kiến ​​trúc mạng cảm biến không dây

Các vấn đề thiết kế của kiến ​​trúc mạng cảm biến không dây chủ yếu bao gồm những điều sau đây.

• Tiêu thụ năng lượng
• Bản địa hóa
• Phủ sóng
• Đồng hồ
• Tính toán
• Chi phí sản xuất
• Thiết kế phần cứng
• Chất lượng dịch vụ

Tiêu thụ năng lượng

Trong WSN, tiêu thụ điện năng là một trong những vấn đề chính. Là một nguồn năng lượng, pin được sử dụng bằng cách trang bị các nút cảm biến. Mạng cảm biến được bố trí trong các tình huống nguy hiểm nên việc thay đổi pin sạc khác trở nên phức tạp. Mức tiêu thụ năng lượng chủ yếu phụ thuộc vào hoạt động của các nút cảm biến như giao tiếp, cảm nhận và xử lý dữ liệu. Trong suốt quá trình giao tiếp, mức tiêu thụ năng lượng rất cao. Vì vậy, có thể tránh tiêu thụ năng lượng ở mọi lớp bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến hiệu quả.

Bản địa hóa

Đối với hoạt động của mạng, vấn đề cơ bản cũng như quan trọng là bản địa hóa cảm biến. Vì vậy, các nút cảm biến được sắp xếp theo cách đặc biệt để chúng không biết về vị trí của chúng. Khó khăn khi xác định vị trí thực của cảm biến khi chúng đã được sắp xếp được gọi là bản địa hóa. Khó khăn này có thể được giải quyết thông qua GPS, các nút đèn hiệu, bản địa hóa dựa trên khoảng cách gần.

Phủ sóng

Các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây sử dụng thuật toán phủ sóng để phát hiện dữ liệu cũng như truyền chúng đi chìm thông qua thuật toán định tuyến. Để phủ toàn bộ mạng, nên chọn các nút cảm biến. Khuyến nghị các phương pháp hiệu quả như thuật toán đường dẫn tiếp xúc tối thiểu và cao nhất cũng như giao thức thiết kế vùng phủ.

Đồng hồ

Trong WSN, đồng bộ hóa đồng hồ là một dịch vụ nghiêm túc. Chức năng chính của đồng bộ hóa này là cung cấp một khoảng thời gian thông thường cho các nút của đồng hồ cục bộ trong mạng cảm biến. Các đồng hồ này phải được đồng bộ trong một số ứng dụng như giám sát cũng như theo dõi.

Tính toán

Tính toán có thể được định nghĩa là tổng dữ liệu tiếp tục qua mỗi nút. Vấn đề chính trong tính toán là nó phải giảm việc sử dụng tài nguyên. Nếu tuổi thọ của trạm gốc nguy hiểm hơn thì việc xử lý dữ liệu sẽ được hoàn thành tại mỗi nút trước khi truyền dữ liệu về phía trạm gốc. Tại mỗi nút, nếu chúng ta có một số tài nguyên thì toàn bộ tính toán sẽ được thực hiện tại phần chìm.

Chi phí sản xuất

Trong WSN, số lượng lớn các nút cảm biến được sắp xếp. Vì vậy, nếu giá một nút rất cao thì giá mạng tổng thể cũng sẽ cao. Cuối cùng, giá của mỗi nút cảm biến phải được giữ ít hơn. Vì vậy, giá của mỗi nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây là một vấn đề khó khăn.

Thiết kế phần cứng

Khi thiết kế bất kỳ phần cứng nào của mạng cảm biến như điều khiển nguồn, bộ điều khiển vi mô & bộ giao tiếp phải tiết kiệm năng lượng. Thiết kế của nó có thể được thực hiện theo cách mà nó sử dụng năng lượng thấp.

Chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ hay QoS không là gì khác ngoài việc dữ liệu phải được phân phối đúng lúc. Bởi vì một số ứng dụng dựa trên cảm biến thời gian thực chủ yếu phụ thuộc vào thời gian. Vì vậy, nếu dữ liệu không được phân phối đúng thời gian đến người nhận thì dữ liệu sẽ trở nên vô dụng. Trong WSN, có nhiều loại vấn đề QoS khác nhau như cấu trúc liên kết mạng có thể sửa đổi thường xuyên cũng như trạng thái có thể truy cập của thông tin được sử dụng để định tuyến có thể không chính xác.

Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

Cấu trúc của WSN chủ yếu bao gồm các cấu trúc liên kết khác nhau được sử dụng cho các mạng truyền thông vô tuyến như ngôi sao, lưới và ngôi sao lai. Những cấu trúc liên kết này được thảo luận ngắn gọn bên dưới.

Mạng sao

Cấu trúc liên lạc giống như mạng hình sao được sử dụng ở bất cứ nơi nào mà chỉ có trạm gốc mới có thể truyền hoặc nhận thông báo tới các nút ở xa. Có một số nút có sẵn không được phép truyền thông điệp cho nhau. Các lợi ích của mạng này chủ yếu bao gồm sự đơn giản, có khả năng giữ cho việc sử dụng năng lượng của các nút ở xa ở mức tối thiểu.

Nó cũng cho phép liên lạc với độ trễ ít hơn giữa các trạm gốc cũng như một nút từ xa. Hạn chế chính của mạng này là trạm gốc phải nằm trong phạm vi vô tuyến của tất cả các nút riêng biệt. Nó không mạnh mẽ như các mạng khác vì nó phụ thuộc vào một nút duy nhất để xử lý mạng.

Mạng lưới

Loại mạng này cho phép truyền dữ liệu từ nút này sang nút khác trong mạng nằm trong phạm vi truyền dẫn vô tuyến. Nếu một nút cần truyền một thông điệp đến một nút khác và nằm ngoài phạm vi liên lạc vô tuyến, thì nó có thể sử dụng một nút như một trung gian để gửi thông điệp tới nút ưu tiên.

Lợi ích chính của mạng mesh là khả năng mở rộng cũng như dự phòng. Khi một nút riêng lẻ ngừng hoạt động, một nút từ xa có thể liên lạc với bất kỳ loại nút nào khác trong phạm vi, sau đó chuyển tiếp thông báo đến vị trí ưu tiên. Ngoài ra, phạm vi mạng không bị giới hạn tự động thông qua phạm vi giữa các nút đơn lẻ mà nó có thể mở rộng đơn giản bằng cách thêm một số nút vào hệ thống.

Hạn chế chính của loại mạng này là việc sử dụng năng lượng cho các nút mạng thực hiện các giao tiếp như multi-hop thường cao hơn các nút khác không có khả năng hạn chế tuổi thọ của pin thường xuyên. Hơn nữa, khi số lượng các bước truyền thông tin tăng lên về phía đích, thì thời gian gửi thông điệp cũng sẽ tăng lên, đặc biệt nếu quá trình năng lượng thấp của các nút là cần thiết.

Ngôi sao lai - Mạng lưới

Sự kết hợp giữa hai mạng như star và mesh cung cấp một mạng truyền thông mạnh mẽ và linh hoạt trong khi vẫn duy trì mức tiêu thụ điện năng của các nút cảm biến không dây ở mức tối thiểu. Trong loại cấu trúc liên kết mạng này, các nút cảm biến có công suất thấp hơn không được phép truyền thông điệp.
Điều này cho phép duy trì việc sử dụng điện năng ít nhất.

Tuy nhiên, các nút mạng khác được phép với khả năng đa bước bằng cách cho phép chúng truyền thông điệp từ nút này sang nút khác trên mạng. Thông thường, các nút có công suất nhiều bước nhảy có công suất cao và thường xuyên được cắm vào đường dây chính. Đây là cấu trúc liên kết được thực hiện thông qua mạng lưới tiêu chuẩn sắp tới được gọi là ZigBee.

Cấu trúc của nút cảm biến không dây

Các thành phần được sử dụng để tạo một nút cảm biến không dây là các đơn vị khác nhau như cảm biến, xử lý, bộ thu phát và nguồn. Nó cũng bao gồm các thành phần bổ sung phụ thuộc vào một ứng dụng như máy phát điện, hệ thống tìm kiếm vị trí & một người vận động. Nói chung, các đơn vị cảm biến bao gồm hai đơn vị con là ADC cũng như các cảm biến. Tại đây các cảm biến tạo ra tín hiệu tương tự có thể được thay đổi thành tín hiệu kỹ thuật số với sự trợ giúp của ADC, sau đó nó truyền đến bộ phận xử lý.

Nói chung, đơn vị này có thể được liên kết thông qua một bộ lưu trữ nhỏ để xử lý các hành động nhằm làm cho nút cảm biến hoạt động với các nút khác để đạt được các nhiệm vụ cảm biến được phân bổ. Nút cảm biến có thể được kết nối với mạng với sự trợ giúp của bộ thu phát. Trong nút cảm biến, một trong những thành phần thiết yếu là nút cảm biến. Các đơn vị năng lượng được hỗ trợ thông qua các đơn vị thu thập điện năng như pin mặt trời trong khi các đơn vị con khác phụ thuộc vào ứng dụng.

Sơ đồ khối chức năng của các nút cảm biến không dây được hiển thị ở trên. Các mô-đun này cung cấp một nền tảng linh hoạt để giải quyết các yêu cầu của các ứng dụng rộng rãi. Ví dụ, dựa trên các cảm biến được bố trí, việc thay thế khối điều hòa tín hiệu có thể được thực hiện. Điều này cho phép sử dụng các cảm biến khác nhau cùng với nút cảm biến không dây. Tương tự như vậy, liên kết vô tuyến có thể được trao đổi cho một ứng dụng cụ thể.

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Các đặc điểm của WSN bao gồm những điều sau đây.

• Mức tiêu thụ của Giới hạn nguồn cho các nút có pin
• Khả năng xử lý các lỗi nút
• Một số tính di động của các nút và Tính không đồng nhất của các nút
• Khả năng mở rộng đến quy mô phân phối lớn
• Khả năng đảm bảo các điều kiện môi trường nghiêm ngặt
• Đơn giản để sử dụng
• Thiết kế nhiều lớp

Ưu điểm của mạng cảm biến không dây

Những ưu điểm của WSN bao gồm những điều sau

• Việc sắp xếp mạng lưới có thể được thực hiện mà không cần cơ sở hạ tầng cố định.
• Thích hợp với những nơi không thể tới được như núi, biển, vùng nông thôn và rừng sâu.
• Linh hoạt nếu có tình huống bất thường khi cần thêm một máy trạm.
• Giá thi công không đắt.
• Nó tránh được nhiều hệ thống dây điện.
• Nó có thể cung cấp chỗ ở cho các thiết bị mới bất cứ lúc nào.
• Nó có thể được mở bằng cách sử dụng giám sát tập trung.

Ứng dụng mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như tốc độ lấy mẫu thấp, địa chấn, từ tính, nhiệt, hình ảnh, hồng ngoại, radar và âm thanh, rất thông minh để theo dõi một loạt các tình huống xung quanh. Các nút cảm biến được sử dụng để phát hiện liên tục, ID sự kiện, phát hiện sự kiện & điều khiển cục bộ các thiết bị truyền động. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây chủ yếu bao gồm y tế, quân sự, môi trường, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.

Ứng dụng WSN

• Ứng dụng quân sự
• Ứng dụng sức khỏe
• Ứng dụng môi trường
• Ứng dụng Trang chủ
• Ứng dụng thương mại
• Giám sát khu vực
• Theo dõi chăm sóc sức khỏe
• Cảm nhận về môi trường / Trái đất
• Giám sát ô nhiễm không khí
• Phát hiện cháy rừng
• Phát hiện trượt đất
• Giám sát chất lượng nước
• Giám sát công nghiệp

Vì vậy, đây là tất cả về những gì là mạng cảm biến không dây , kiến ​​trúc, đặc điểm và ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Chúng tôi hy vọng rằng bạn đã hiểu rõ hơn về khái niệm này. Hơn nữa, bất kỳ câu hỏi nào hoặc cần biết về ý tưởng dự án mạng cảm biến không dây , hãy đóng góp ý kiến ​​quý báu của bạn bằng cách bình luận trong phần bình luận bên dưới. Dưới đây là một câu hỏi cho bạn, các loại mạng cảm biến không dây khác nhau là gì?