Bezprzewodowe sieci sensorowe

Bezprzewodowe sieci sensorowe (ang. Wireless Sensor Networks)to sieci składające się z rozproszonych, autonomicznych urządzeń, integrujacych w sobie urządzenie pomiarowe i nadajnik/odbiornik radiowy. Wielkości mierzone w węzłach sieci sensorowej to np.: temperatura, ciśnienie, wilgotność, wibracje, przyspieszenie, skład chemiczny substancji (np. atmosfery) itp. Dane pomiarowe mogą być wstępnie przetwarzane przez węzły sieci a następnie przekazywane drogą radiową do punktów centralnych, gdzie następuje ich właściwa obróbka (rys. 1).

Pierwsze zastosowania sieci sensorowych wiążą się nierozłącznie z aplikacjami militarnymi.Stosowane były one jako narzędzia wykrywania ruchu jednostek nieprzyjaciela na zadanym terenie. Szybko jednak obszar zastosowań rozszerzył się o aplikacje cywilne. Obecnie bezprzewodowe sieci sensorowe stosuje się głównie w:

Każdy węzeł sieci sensorowej może posiadać jeden lub więcej czujników. Mogą to być np. czujniki temperatury, wilgotności, ciśnienia, promieniowania, przyspieszenia itp. Sygnał elektryczny z czujnika jest zamieniany na postać cyfrową i propagowany w sieci zgodnie z przyjętym protokołem transmisji. Za obsługę pomiaru i przesyłu danych odpowiada mikrokontroler, który stanowi pomost między sensorami a układami radiowymi, odpowiadającymi za nadawanie i odbiór. Najczęściej wykorzystywane w aplikacjach pasma częstotliwościowe to zakresy ISM (Industrial Scientific and Medical): 433MHz, 866MHz oraz 2.4GHz, chociaż oczywiście stosowane są i inne.

Węzły bezprzewodowej sieci sensorowej wymagają autonomicznego źródła zasilania. Najczęściej jest to bateria. Jej pojemność decyduje o czasie życia węzłów. W zależności od zużycia energii i typu baterii węzły sieci mogą działać od kilku godzin do nawet kilku lat. Najnowsze rozwiązania przewidują możliwość uzupełniania zasobów energią odzyskaną z otoczenia, poprzez zastosowanie przetworników konwertujących energię kinetyczną, cieplną lub słoneczną na energię elektryczną. Zawsze jednak kluczową sprawą minimalizacja poboru energii, poprzez odpowiednią konstrukcję sprzętową, dobór algorytmów pomiarowych i sterujących a także właściwą organizację przesyłu danych w sieci (protokół komunikacyjny).

W zależności od wymagań, stosuje się różne topologie sieci sensorowych. Najprostsza to sieć gwiazdowa (rys. 2a), w której wszystkie węzły komunikują się z jednym, centralnym punktem (stacją bazową). Są to tzw. sieci typu single-hop, gdzie pakiet danych trafia bezpośrednio od nadawcy do odbiorcy. Jeżeli monitorowany obszar jest większy niż zasięg transmisji pojedynczego węzła, wówczas konieczne jest zastosowanie sieci typu multi-hop, gdzie pakiet danych przesyłany jest między kilkoma węzłami, zanim dotrze do adresata. Pojawia się więc zagadnienie poszukiwania optymalnej trasy przesyłu pakietu (ang. routing). W tym przypadku sieć nie jest już gwiazdowa i może mieć nawet bardzo skomplikowaną i zmieniającą się w czasie strukturę (rys. 2b).

Rys.2. Popularne topologie sieci sensorowych: a) gwiazda, b) struktura nieregularna

W przypadku dużych i rozległych sieci, stosowane jest grupowanie węzłów w podsieci. W danej podsieci (tzw. klastrze) wybierany jest jeden węzeł centralny, który może komunikować się z innym węzłem centralnym w sąsiednim klastrze. W ten sposób ogranicza się liczbę węzłów mogących się ze sobą komunikować, co powoduje że droga dla pakietów danych jest lepiej kontrolowana. Ma to niebagatelny wpływ na zużycie energii. Problemem jest zwiększona aktywność węzła centralnego, przez który muszą przechodzić wszystkie pakiety wymieniane między klastrami. Automatycznie zużywa on więcej energii niż pozostałe węzły sieci. Aby zmniejszyć te dysproporcje, co jakiś czas funkcję węzła centralnego przyjmuje (np. losowo) inny węzeł sieci.

Scenariusz stosowania bezprzewodowych sieci sensorowych jest bardzo często podobny. Zostają one umieszczone w różnych punktach zadanego obszaru, często bardzo rozległego geograficznie. Następnie, wymieniając informacje zgodnie z protokołem radiowym urządzenia te „odkrywają” swoich sąsiadów z którymi mogą się porozumiewać. Zaczyna się tworzyć mapa logicznych połączeń w sieci. Na jej podstawie można szukać najlepszej drogi dla pakietów danych z punktu widzenia przyjętego kryterium, np. zużycia energii, ilości węzłów pośredniczących, czasu transmisji itp. Ta sieć połączeń może być stała, lub zmieniać się dynamicznie wraz ze zmieniającymi się warunkami propagacji, ruchami obiektów na trasie propagacji fal czy też ruchami samych węzłów sieci. W tym przypadku istotne jest zapewnienie stałej łączności między urządzeniami.

Dane pomiarowe zbierane przez węzły sieci sensorowych są zazwyczaj ściśle powiązane z obszarem, na którym węzeł ten się znajduje. Przykładem mogą być systemy kontroli dostępu, gdzie wykrywana jest aktywność w pewnym miejscu (np. czujniki ruchu umieszczone w korytarzu).Często jednak nie wiadomo gdzie dokładnie umieszczony został sensor – jego pozycja musi więc zostać ustalona. Proces ten często nazywa się lokalizacją węzłów sieci. Stosowane rozwiązania opierają się na pomiarze czasu propagacji fali radiowej oraz na pomiarze poziomu mocy odebranej. Dokładniejsze rezultaty można uzyskać stosując technologię GPS, ale jest ona droga i może niekorzystnie wpłynąć na zużycie energii. Alternatywą, sprawdzającą się szczególnie dobrze w przypadku dobrze zdeterminowanych przestrzeni (takich jak np. wnętrza budynków) jest zastosowanie radiolatarni nadających unikalne sygnały – np. o różnej częstotliwości lub czasie trwania. Węzeł odbierający sygnał od takich radiolatarni jest w stanie na podstawie np. pomiaru poziomu mocy i częstotliwości określić swoją pozycję.

Zastosowanie bezprzewodowych sieci sensorowych pozwala mierzyć szereg parametrów fizycznych na praktycznie dowolnie rozległym obszarze, gwarantując wysoką elastyczność i szeroki wachlarz opcji konfiguracji. Umiejętny dobór rozwiązań pozwala na szybkie zestawianie niezawodnych sieci mogących pracować bez nadzoru przez bardzo długi czas. Niepotrzebnie rozbudowana funkcjonalność odbija się jednakże niekorzystnie na zużyciu energii i prowadzi do skrócenia czasu życia węzłów sieci. Często okazuje się, iż opłaca się tworzyć własne aplikacje, dopasowane do konkretnych wymagań. Pozwala to zazwyczaj osiągnąć żądany kompromis między sprzecznymi parametrami sieci (np. długi czas działania i duża przepływność), niedostępny dla standardowych rozwiązań. Stąd też wynika mnogość pomysłów, dotyczących chociażby organizacji przepływu danych w sieci.