Elemente arhitecturale de baza ale reṭelelor cu senzori - Tipuri de senzori ṣi tehnologia senzorilor

Elemente arhitecturale de baza ale reṭelelor cu senzori

In aceasta secṭiune vom scoate in evidenṭa elementele de baza ṣi totalitatea caracteristicilor de design a reṭelelor de senzori. Aceste elemente ṣi principiile legate de design trebuie sa fie plasate in contextul mediului reṭelei wireless cu senzori, care este caracterizat de urmatorii factori: populaṭie mare de senzori (trebuie sa fie suportate de sistem mai mult de 64000 de clienṭi), fluxuri mari de date, date incomplete sau incerte, probabilitate mare a defectarii unui nod, probabilitate mare de cadere a legaturii dintre doua noduri datorita fenomenului de interferenṭa, constrangeri in ceea ce priveṣte energia electrica disponibila ṣi puterea de procesare, topologie multi-hop, lipsa de cunoṣtinṭe la nivel global cu privire la reṭea ṣi susṭinerea administrativa limitata a reṭelei. Dezvoltarea reṭelelor cu senzori se bazeaza pe progresele din domeniile senzoriale, de comuncaṭii ṣi de calcul (algoritmi de manevrare a datelor, hardware ṣi software). Pentru a gestiona in mod corespunzator resursele ṣi aṣa puṭine ale reṭelei wireless cu senzori, protocoalele de routare trebuie sa cunoasca nivelul energiei ramase disponibila. Routarea centrata pe date ṣi prelucrarea in cadrul reṭelei reprezinta concepte importante care sunt asociate intrinsec cu reṭelele de senzori. Schemele de routare end-to-end propuse in literatura pentru reṭelele mobile ad-hoc nu sunt potrivite pentru WSN-uri.

Tipuri de senzori ṣi tehnologia senzorilor

O reṭea de senzori este compusa dintr-un numar mare de noduri senzor ce sunt amplasate dens intr-o arie considerata. Nodurile senzor pot fi amplasate spre exemplu in aer liber, intr-un teatru de lupta in faṭa sau in spatele liniilor inamice, in interiorul unor utilaje industriale, la fundul unei mase mari de apa, intr-o arie contaminata din punct de vedere chimic sau biologic, intr-o cladire comerciala, intr-o locuinṭa personala sau chiar in interiorul corpului uman. Un nod senzor are in mod uzual capabilitaṭi de procesare ṣi de stocare incorporate. Nodul poate avea unul sau mai mulṭi senzori ce monitorizeaza domeniul acustic, seismic, radio, infraroṣu, optic, magnetic, chimic sau biologic. Nodul are interfeṭe de comunicare, acestea de cele mai multe ori fiind legaturi wireless catre domenii vecine. De asemenea nodul senzor are de obicei cunoṣtinṭe in ceea ce priveṣte locaṭia ṣi pozitionarea sa, informaṭii obṭinute prin sistemul global de poziṭionare (GPS) sau printr-un algoritm de poziṭionare locala. Este de notat ca mecanismele bazate pe GPS se pot dovedi de multe ori prea costisitoare sau neconvenabile din cauza dimensiunilor lor. Nodurile senzor sunt amplasate intr-o arie fizica denumita camp de senzori. Fiecare dintre nodurile senzor amplasate are in mod normal capacitatea de a colecta date, de a le analiza ṣi de a le routa catre un punct prestabilit. Figura de mai jos ne arata o topologie tipica pentru o reṭea de senzori wireless.

Figura 4.1 Aranjament tipic al unei reṭele de cu senzori [2]

Urmatoarele aspecte sunt importante in ceea ce priveṣte reṭelele wireless cu senzori: tipul senzorului, plasarea senzorului, consumul de putere al senzorului, mediul de operare, capabilitaṭile acestuia de calcul ṣi prelucrare a semnalului, conectivitatea ṣi telemetria sau controlul dispozitivelor de la distanṭa (conceptul de remote senzor). Un aspect critic in acest context este faptul ca localizarea nodului ṣi timpul bine definit sunt esenṭiale pentru operarea corecta a unei reṭele de senzori. Acest lucru este aproape opus arhitecturii predominante a Internetului unde locaṭia serverului este de obicei irelevanta ṣi latenṭa nu reprezinta in majoritatea aplicaṭiilor un factor cheie sau un scop explicit. In reṭelele cu senzori, sincronizarea timpului ṣi localizarea sunt necesare pentru a detecta evenimente de interes in mediul aflat sub observare. Locaṭia trebuie sa fie determinata atat in spaṭiul local tridimensiuonal (spre exemplu trebuie sa se raspunda la intrebarea "La care etaj ṣi in ce apartament este detectat fumul?" sau "Care este temperatura la altitudinea h?") cat ṣi intr-un spaṭiu mai larg pentru a evalua nivelurile de detectare legate de un set sau o matrice de senzori ("Care este direcṭia vantului in contextul contaminarii aerului borna kilometrica k, k+1, k+2 etc. pe o autostrada aglomerata?"). Localizarea este folosita pentru buna funcṭionare a astfel de aplicaṭii care presupun localizarea in spaṭiu a unei ṭinte sau a unui eveniment.

Suportul a trei componente este esenṭial in domeniul reṭelelor cu senzori incorporaṭi ṣi anume: tehnici de incorporare, reṭelistica ṣi tehnici senzoriale. Incorporarea implica inglobarea a numeroase dispozitive pentru monitorizarea lumii fizice ṣi interacṭionarea cu aceasta. Dispozitivele sunt noduri nelegate la o baza, de dimensiuni mici care sunt echipate cu un subsistem de control ṣi comunicaṭii. Amplasamentul spaṭio-temporal dens este foarte intalnit. Reṭelistica implica conceptul de conectivitate fizica ṣi logica. Conexiunea logica are ca scop sprijinirea coordonarii ṣi a altor sarcini de nivel inalt. Conectivitatea logica presupune de obicei suportul unei legaturi wireless radio. Detectarea fenomenelor de interes presupune prezenṭa acestor capacitaṭi intr-un mediu bine definit, de obicei pentru masurarea parametrilor fizici. Reṭelele de senzori au urmatoarele caracteristici:

Nodurile senzor sunt amplasate intr-o maniera densa;

Nodurile senzor sunt predispuse la defecṭiuni ṣi erori;

Topologia unei reṭele de senzori se schimba foarte des;

Nodurile senzor au putere, capacitaṭi computaṭionale ṣi memorie foarte limitata;

Nodurile senzor pot sa nu aiba o identificare globala datorita numarului mare de senzori.

Unele reṭele solicita sisteme senzoriale cu un timp de viaṭa lung ṣi rezistente la condiṭiile de mediu intalnite. Sistemele nesupravegheate ce se auto-alimenteaza sunt cele mai intalnite.

ADC = Convertor Analog - Digital

Figura 4.2 Schema unui nod senzor tipic [1]

Consumul de putere este de obicei o problema ce trebuie sa fie tratata corespunzator ṣi reprezinta o constrangere de design. In majoritatea cazurilor, circuitistica ṣi antenele sunt elementele principale ce consuma majoritatea puterii disponibile. Senzorii sunt elemente fie active fie pasive. Senzorii pasivi sunt cei seismici, cei acustici, cei ce masoara umiditatea ṣi temperatura. Senzorii pasivi in forma de matrice includ dispozitive de masurare a particulelor biochimice ṣi echipamente optice. Senzorii pasivi sunt echipamente cu consum redus de energie. Tendinṭele actuale de dezvoltare ne conduc in direcṭia VLSI (very large scale integration), a optoelectronicii integrate ṣi a nanotehologiilor. Componentele unui nod senzorial sunt:

Unitatea de procesare;

Actuatorul;

Unitatea de comuncare;

Unitatea de puterel

Alte unitaṭi specifice aplicaṭiilor avute in vedere.

Figura de mai jos reprezinta un exemplu unui senzor in miniatura.

Pe langa scopul de a monitoriza toate aspectele de interes dintr-o anumita arie, exista dorinṭa de a construi, de a amplasa ṣi de a controla sisteme incorporate de control ce nu au nevoie de supraveghere, sisteme numite reṭele de control. Un asemenea sistem de control acṭioneaza asupra mediului in care este plasat intr-un mod autonom sau prin intermediul telemetriei ṣi a indicaṭiilor primite de la un nod central. Aplicaṭiile cheie au nevoie de mai mult decat de proprietaṭiile senzoriale: ele au nevoie de control ṣi de puterea de a acṭiona. Cand spunem a acṭiona ne referim la o activitate externa senzorului in sine spre exemplu deschiderea unei valve, emisia unui fluid intr-un mediu sau chiar pornirea unui motor in scopul de a schimba locaṭia curenta a senzorului. Printre aplicaṭiile ce necesita control ṣi puterea de a acṭiona se numara: transportul, agricultura high-tech, monitorizarea medicala, intervenṭiile intr-un camp de lupta etc. Pe langa problemele obiṣnuite (precum fiabilitatea) sistemele ce necesita puterea de a acṭiona trebuie sa aiba in vedere si alti factori precum siguranṭa in operare.

Figura 4.3 Senzor in miniatura dezvoltat de UC-Berkeley [1]

Senzorii sunt de obicei amplasaṭi intr-o densitate mare ṣi in cantitaṭi mari. O reṭea wireless cu senzori dispune de noduri distribuite dens care suporta senzorii, prelucrarea semnalului, calculele incorporate ṣi conectivitatea. Senzorii sunt legaṭi logic prin mijloace proprii de organizare (senzorii ce sunt desfaṣuraṭi in aranjamente pereche master-slave punct-la-punct sunt de asemenea de interes). Reṭelele wireless transmit informaṭii catre staṭii de colectare care achiziṭioneaza unele sau chiar toate informaṭiile. Retelele wireless cu senzori au caracterisici unice precum constrangerile de putere ṣi durata de viaṭa limitata a bateriei, achiziṭiile de date redundante, ciclu de obligaṭii mic ṣi fluxuri de acelaṣi tip. In consecinṭa, noile netodologii de design necesita un set de discipline incluzand informaṭii de transport, management operaṭional ṣi de reṭea, confidenṭialitate, integritate, disponibilitate ṣi prelucrare la nivel local. Uneori colectarea datelor de la reṭelele wireless poate fi o provocare deoarece conectivitatea poate fi intermitenta datorita bateriei slabe sau a altori defecṭiuni. Un exemplu poate fi o reṭea dependenta de puterea soarelui pentru reincarcarea bateriilor.

S-a menṭionat anterior faptul ca dimensiunile senzorilor cuprind mai multe ordine de marime. La capatul cel mai redus de scara se gasesc senzorii biologici, microscopici pasivi (precum e Smart Dust) ṣi alte ansambluri de funcṭii pe un singur chip de siliciu. La celalalt capat de scara gasim platforme precum sunt protocoalele de identificare, dispozitivele cu rol de colectare, senzorii de colectare a datelor controlabile despre vreme, senzorii biologici, radarele ṣi senzorii de trafic subacvatic pe baza de sonar. Unele se refera la ultima generaṭie de senzori, in special senzorii in miniatura, care sunt direct incorporaṭi intr-o infrastructura fizica avand rolul de microsenzori. O reṭea cu senzori suporta orice tip de senzor. Strict, microsenzorii constituie un subdomeniu al familiei generale de senzori de reṭea. Microsenzorii cu prelucre pot fi utilizaṭi pentru a studia ṣi monitoriza o varietate de fenomene ṣi medii din imediata apropiere.

Activitatatea ṣi controlul unei cladiri de birouri, a locuinṭelor, a vehiculelor sau chiar a unui intreg oraṣ poate fi facilitata de catre senzori pe masura ce tehnologiile comerciale devin disponibile. Datorita acestor reṭele cu senzori cladirile sau chiar autovehiculele pot auto-detecta defecte structurale cauzate de diferite elemente sau pur ṣi simplu datorita degradarii in timp. De asemenea se pot detecta agenṭi nocivi in aerul dintr-o locuinṭa sau chiar dintr-un spaṭiu public. O data detectaṭi agenṭii nocivi, devine doar o chestiune de timp pana la depistarea sursei de contaminare ṣi eliminarea acesteia.

1)     Senzorii:

Din punctul de vedere al dimensiunilor, senzorii pot fi:

Mici - de dimensiuni nanometrice;

Medii - de dimensiuni micrometrice;

Mari - de ordinul centimetrilor cubi sau a decimetriloc cubi.

Din punctul de vedere al mobilitaṭii, senzorii pot fi:

Staṭionari - spre exemplu senzorii seismici;

Mobili - spre exemplu senzorii de pe vehiculele robot.

Din punctul de vedere al tipului lor, senzorii pot fi:

Pasivi - senzori acustici, seismici, video, infraroṣu, magnetici;

Activi - radar.

2)     Comunicarea:

Din punctul de vedere al reṭelisticii:

Fara fir - in majoritatea aplicaṭiilor;

Cu fir - mai rar intalnite.

Din punctul de vedere al largimii de banda:

De banda ingusta - in majoritatea aplicaṭiilor;

De banda larga - mai rar intalnite.

3)     Mediul de operare:

Din punctul de vedere al operaṭiei de monitorizare solicitate:

Distribuit - monitorizarea unei arii vaste;

Localizat - monitorizarea unei ṭinte precise.

Din punctul de vedere al numarului de site-uri:

Numar mare de site-uri - in majoritatea aplicaṭiilor C1WSN;

Numar mic de site-uri - mai rar.

Din punctul de vedere al acoperirii spaṭiale:

Dens - pentru C1WSN: raza redusa multi-hop ṣi pentru C2WSN: raza redusa single-hop point-to-point;

Din punctul de vedere al amplasarii:

Fix ṣi planificat;

Ad-hoc.

Din punctul de vedere al mediului de amplasare:

Benign - spre exemplu o locuinṭa;

Ostil - spre exemplu un teatru de lupta.

Din punctul de vedere al naturii:

Cooperativa - spre exemplu controlul traficului aerian;

Necooperativa - obiective militare.

Din punctul de vedere al compoziṭiei:

Eterogen - tipuri diferite de senzori;

Omogen - aceleaṣi tipuri de senzori.

Din punctul de vedere al disponibilitaṭii energiei:

Constrans - pentru senzori mici;

Neconstrans - pentru senzori mari.

4)     Arhitectura de procesare:

Centralizata - toate datele vor fi transmise catre un sediu central;

Distribuita;

Hibrid.