توضیحات

مقاله مروری بر شبکه های حسگر بی سیم

پیشرفت 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 اید های برای ایجاد وگسترش شبکه های موسوم

به شبکه های حسگربیسیم شده اند.

در این مقاله ضمن مروری بر شبکه های حسگر بی سیم به بررسی روش های

شبکه کردن حسگرها، فاکتورهای طراحی،پروتکل مدیریت شبکه و روش

های کاهش توان شامل روشی برای توازن انرژی و روشی برای جلوگیری از

داده های تکراری می پردازیم و برخی از کار بردهای شبکه حسگر بی سیم را

در سیستم های نظامی و امنیتی، کاربردهای پزشکی و کشاورزی و… را بررسی و بیان میکنیم

مقاله مروری بر شبکه های حسگر بی سیم

کلمات کلیدی: گره ،گره حسگر، شبکه حسگر بی سیم، حسگرها، اطلاعات

۱۰صفحه فایل ورد (Word) فونت ۱۴ منابع دارد +شکل و تصاویر

پس از پرداخت آنلاین میتوانید فایل کامل این پروژه را دانلود کنید 

مقدمه

.
پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و

کاربری‌های 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 ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبکه‌های موسوم به شبکه‌های بی‌سیم حسگرشده اند.

۲ – شبکه های حسگر بی سیم چیست؟

شبکه های حسگر دسته ای از شبکه های خودبرپا هستند که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.

این دسته از شبکه ها طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شوند،که شامل

گره هایی معمولآ با تعداد زیاد می باشند که می توانند ثابت یا متحرک باشند. با توجه به نیاز نداشتن این شبکه ها به یک

سیستم کنترل کننده مرکزی برای برپایی و ادامه فعالیت آنها هزینه کمتری نسبت به سایر شبکه ها

خواهند داشت. حسگرها سیستمی با توان

پردازشی و توان اندک می باشند، بنابراین حوزه فعالیت آنها محدود می باشد. وظیفه غالب

در این نوع شبکه ها جمع آوری اطلاعات از گره های موجود و ارسال آنها به کاربر می باشد.

در این شبکه ها یک یا چند گره به نام sink وظیفه جمع آوری اطلاعات و ارسال آنها را به کاربر دارند.( شکل۱)

گره‌های حسگری دارای توانایی خودساماندهی هستند. هر کدام از این گره‌ها معمولآ به

صورت تصادفی در محیط پخش‌ می شوند. اطلاعات جمع آوری شده از یک مسیر چند مرحله‌ای

که زیرساخت مشخصی ندارد به سینک فرستاده می‌شوند و سینک می‌تواند

توسط لینک ماهواره یا اینترنت با گرهی به نام task manager ارتباط برقرار کند.

۳- شبکه کردن حسگرها

از دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگر، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های

حسگر است. . به عنوان نمونه اگر بخواهند برخی

اطلاعات درباره یک جنگل به دست بیاورند، حسگرها را در یک منطقه توزیع می کنند و مزیت

آن این است که نیاز نیست به صورت دستی در محیط قرار بگیرند. به صورت تصادفی

و معمولا با استفاده از هواپیما این کار انجام می شود.(شکل۲) پس از توزیع در

شکل (۱): ساختار شبکه حسگر

یک منطقه ، به صورت خود سازمان ده شبکه خودشان را راه اندازی می کنند و از آن محیط اطلاعات جمع آوری می کنند و به ایستگاه مرکزی می

.فرستند. 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

نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده

را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های 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 بی‌سیم حسگر

در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و

سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.

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.

۴- فاکتورهای طراحی

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.

۴-۱- 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

شکل (۲):نحوه عملکرد شبکه حسگر

عمومی شبکه داشته باشد. بنابراین تحمل خرابی را “توانایی برقرار نگه داشتن

عملیات شبکه حسگر علی‌رغم 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.

۴-۲- 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 که در بعضی موارد این تعداد

ممکن است به میلیون‌ها عدد نیز برسد. یک شبکه باید طوری طراحی شود که

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 ۱۰ متر

قطر داشته باشد، تغییر کند. شکل ۳روند کوچک شدن گره ها را نشان می دهد.

شکل (۳): روند کوچک شدن گره ها

۴-۳- 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 شبکه‌های 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.

۴-۴- ویژگی‌های سخت‌افزاری

یک گره حسگری از ۴ بخش عمده تشکیل شده است:
الف) واحد حسگر
ب) واحد پردازش
ج) واحد دریافت و ارسال

مقاله مروری بر شبکه های حسگر بی سیم

د) واحد توان.
البته بسته به کاربرد، شبکه‌های حسگر می‌توانند شامل اجزای دیگری چون:

سیستم پیداکردن مکان جغرافیایی، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در

گره‌های متحرک نیز باشند.(شکل۴)

الف) واحد حسگر
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 می‌کنند. سپس این سیگنال‌ها توسط

مبدل آنالوگ به دیجیتال به سیگنال دیجیتال تبدیل شده و به بخش پردازش سپرده می‌شوند.
ب) واحد پردازش
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.
ج) واحد دریافت و ارسال
بخش فرستنده و گیرنده، گره را به شبکه متصل می‌کند

د) واحد توان
بخش توان نیز یکی از مهم‌ترین بخش‌های یک گره حسگری است. توان

موردنیاز ممکن است با بخش‌های جمع‌آوری توان، مانند سلول‌های خورشیدی تأمین شود.

۵- روش های کاهش توان
به موازات تولید توان، تلاش برای کاهش مصرف توان در شبکه بسیار مهم است.

صرفه جویی در مصرف توان در حالت کلی از دو طریق ممکن است. یک راه

ساخت حسگرهایی با مصرف انرژی کمتر و راه دیگر به کاربردن روش‌های

مدیریت توان در طراحی نرم‌افزاری شبکه است. مثلاً ارسال TDMA از نظر مصرف

توان مناسب است؛ زیرا در فاصله هر شیار زمانی که اطلاعات هر حسگر ارسال نمی‌شود

، حسگر در حالت انتظار که مصرف انرژی بسیار کمی دارد، قرار می‌گیرد.

مقاله مروری بر شبکه های حسگر بی سیم

روش‌های مناسب پیکربندی هندسی شبکه و یا انتخاب Parent می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد.. 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.

۵-۱- روشی برای توازن انرژی

ارتباطات بیسیم به صورت خودکار باهم و با محیط کار می کنند و کاهش توان

و قیمت را در پی دارند. گره های حسگر اطلاعاتشان را معمولآ به یک چاهک

یا Monitoring Station ارسال می کنند. اگر همه گره ها ارتباط مستقیمی

با Monitoring Station داشته باشند (مخصوصآ در فواصل طولانی) به سرعت

منابع توان زیادی از شبکه می کشند. بنابراین به صورت سازمان یافته رفتار

مقاله مروری بر شبکه های حسگر بی سیم

شکل (۴): اجزای شبکه حسگر
است. بهترین روش برای ذخیره انرژیsleep بودن تعداد زیاد حسگرهاست.

در راه بهینه سازی سه مشکل جدا ازهم وجود دارد:
الف) پوشش دهی کل ناحیه مورد نظر. ب) ارسال درخواست ها به صورت

انتشاری از طرف Monitoring Station به سمت گره ها. ج) انبوه داده های اطلاعاتی از طرف گره ها به سمت Monitoring Station

در شکل۵ دو روش درخواست و تقاضا وجود دارد.
a) روش event_ driven است ؛ یعنی گره ها active هستند و به محض

دریافت event جدید آن ار دریافت و به Monitoring Station گزارش می دهند.
………………………………