Reṭele wireless cu senzori

Reṭele wireless cu senzori

O reṭea wireless cu senzori (WSN - Wireless Sensor Network) este formata din senzori autonomi distrubuiṭi intr-un spaṭiu, folosiṭi pentru a monitoriza diverse evenimente sau condiṭii atmosferice precum temperatura, sunetul, vibraṭia, presiunea aerului sau miṣcarea. Dezvoltarea reṭelelor wireless cu senzori a fost motivata de realizarea proiectelor militare precum monitorizarea campului de lupta. In ziua de astazi ele sunt folosite in domenii precum cel industrial (exemplu: monitorizarea si controlul unor maṣini) sau civil (exemplu: monitorizarea habitatului, aplicaṭii medicale, controlul traficului sau automatizarea casei).

In afara de senzori, fiecare nod dintr-o reṭea wireless de senzori este in mod normal echipat cu un transciever radio (transciever = transmitor + reciever) sau cu un alt echipament de comunicaṭie wireless, un mic mictrocontroller ṣi o sursa de energie (in mod normal o baterie).

Reṭelele wireless cu senzori constituie o particularitate a reṭelelor ad-hoc in care nodurile sunt "senzori inteligenti" - dispozitive mici de aproximativ marimea unei monede, dotate cu funcṭii avansate de simṭ (temperatura, acustica, presiune etc).

Senzorii comunica intre ei pentru a realiza o imagine globala a regiunii monitorizate. Aceasta regiune devine accesibila utilizatorului extern prin unul sau mai multe noduri de legatura denumite gateway-uri.

Figura 3.2 Reṭea tipica de senzori [1]

Pentru a intelege mai bine funcṭionarea reṭelelor wireless cu senzori, vom descrie o aplicaṭie sub forma de scenariu. Sa presupunem o situaṭie in care o reṭea wireless de senzori este utilizata pentru a monitoriza de la distanṭa o cladire de birouri in scopul de a detecta cat mai repede evenimente anormale precum tentativa de efracṭie sau incendiul. Vom considera ca in fiecare camera cat ṣi pe holuri avem instataṭi senzori prevazuṭi cu camere de luat vederi nocturne, senzori de caldura, detectori de miscare si senzori de detecṭie a fumului, o baterie si capacitaṭi de prelucrare si de comunicare fara fir. Fiecare nod acopera cate o camera sau dupa caz, intreaga lungime a holului in care este plasat. Nodul senzor aduna date despre temperatura din aria sa, compoziṭia chimica a aerului din incapere ṣi detecteaza variaṭiile termice din camera. Fiecare sensor iṣi ṣtie pozitia sa relativ la cladirea in care a fost plasat, poziṭia lor este fixa. Periodicm senzorii fac schimb de date cu nodurile vecine pentru a detecta situaṭii neobiṣnuite care ar putea fi cauzate de o tentativa de intrare prin efracṭie sau de inceputul unui foc (se detecteaza miscare intr-o camera sau se detecteaza particule de fum in aer). Aceste date de rutina sunt agregate si propagate in intreaga reṭea si pot fi percepute de un observator extern care colecteaza ṣi interpreteaza aceste date. In eventualitatea unei anomalii se intervine cu o procedura de urgenṭa: nodul senzor care a detectat starea anormala comunica cu vecinii ṣi declanṣeaza un mesaj de alarma pentru poziṭia in care se afla. Acest mesaj va conṭine tipul hazardului (intrare prin efracṭie sau pericol de incendiu) ṣi localizarea hazardului (poziṭia senzorului in cladire) ṣi va avea prioritate maxima. Astfel observatorul va putea interveni rapid cu o masura adecvata.

Este de precizat faptul ca exemplul prezentat mai sus se inscrie in caracteristicile unei reṭele wireless cu senzori tipice, si anume:

Reṭea omogena: Nodurile au aceleaṣi caracteristici, in special cele ce se refera la aparatele de comunicare.

Trebuie facuta insa o excepṭie de la aceasta regula, ṣi anume, cazul in care diferite tipuri de noduri senzor inteligente sunt utilizate in aceeaṣi reṭea. Exista posibilitatea ca unele noduri sa fie "supernoduri" cu memorie mai mare sau cu un interval mai mung de transmisie. Acestea pot fi utilizate in combinaṭie cu noduri senzori standard pentru a creṣte capacitatea de monitorizare a reṭelei. Acest fapt duce la marirea numarului claselor de dispozitive diferite folosite in reṭeaua studiata insa acest numar este foarte limitat - 2 sau 3 clase.

Reṭea relativ dispersata: Senzorii sunt plasaṭi in diferite incaperi astfel incat sa nu existe arii acoperite de mai mult de un senzor;

Reṭea staṭionara sau cvasistaṭionara: Nodurile senzor care compun reṭeaua wireless sunt staṭionari sau se deplaseaza doar la intervale de timp considerate foarte lungi (poate de domeniul lunilor sau al anilor). Pot exista si excepṭii de la aceasta regula cum ar fi cazul monitorizarii modelului de migrare al unei anumite specii de pasare;

Marimea reṭelei: De obicei numarul de noduri care alcatuiesc o reṭea wireless cu senzori este destul de mare, variind pana la cateva zeci de mii de noduri. In cazul studiat putem avea cateva zeci, poate sute de senzori depinzand de dimensiunea cladirii monitorizate.

Desigur, pe langa scenariul prezentat pot exista si alte aplicatii ale unei reṭele wireless cu senzori precum:

Monitorizarea unei arii: este o aplicaṭie des intalnita a WSN-urilor. In acest domeniu, reṭelele WSN sunt amplasate intr-o regiune intinsa unde exista fenomene de observat. De exemplu, un numar mare de noduri poate fi amplasat pe un camp de lupta pentru a detecta intruziunile inamice (in loc de a folosi mine antipersonal). Cand senzorii detecteaza un eveniment (precum modificarea parametrilor de caldura, presiune, sunet, lumina, vibraṭii etc) evenimentul trebuie raportat catre una din staṭiile de baza care pot lua acṭiuni in consecinṭa (de exemplu trimiterea unui mesaj prin Internet sau catre un satelit). In funcṭie de aplicaṭia considerata, se pot impune diferite politici de propagare a datelor;

Monitorizarea unui ecosistem: un numar mare de WSN-uri au fost amplasate pentru monitorizarea diferitelor ecosisteme. Multe dintre acestea au fost pe termen scurt data fiind natura proiectului (acesta fiind in starea de prototip). Exemple de asemenea proiecte de o durata mai lunga pot fi: "The PermaSense Project" (proiectul monitoriza starea permafrost-ului din Alpii Elveṭieni) sau "Glacier Monitoring;

Detecṭia vehiculelor: un WSN poate folosi mai mulṭi senzori pentru a detecta prezenṭa sau absenṭa vehiculelor pornind de la motociclete pana la vagoane de tren;

Detecṭia de intruziune: senzori echipaṭi cu o camera pot fi folosiṭi pentru a forma o reṭea care monitorizeaza o zona cu acces restricṭionat. Daca reṭeaua este corect instalata, intruṣii pot fi detectaṭi ṣi un mesaj de alarma se va propaga rapid observatorului extern.

Reṭelele wireless ca ṣi reṭelele ad-hoc au atras atenṭia atat in in cercetare cat ṣi in cea industriala in ultimii ani. Au fost concepute un numar de modele de senzori inteligenṭi ṣi implementarea lor de catre comunitatea de cercetare academica au dus la numeroase realizari. Dintre acestea cele mai renumite modele sunt Berkeley Motes ṣi Smart Dust. Smart Dust este o reṭea wireless ce conṭine senzori de dimensiuni infime ce pot detecta spre exemplu lumina, temperatura sau vibraṭiile. Conceptul a fost introdus de catre Kristofer Pister de la Universitatea din California in anul 2001. In prezent se lucreaza la reducerea dimensiunilor senzorilor de la ordinul milimetrilor la cel al micrometrilor.

Acele proiecte care au fost ulterior finanṭate au produs rezultate precum proiectul Zebranet. Acest proiect foloseste o reṭea de senzori wireless pentru a monitoriza habitatul zebrelor din Kenya. Nodurile senzor sunt amplasate pe zebre pentru a le observa miṣcarile iar observatorul, avand si el un nod wireless colecteaza informaṭii de la senzori cand se alfa in proximitatea unei zebre. Trebuie precizat ca in acest proiect avem de a face cu o zona mare de monitorizare in care toate nodurile (zebrele dar ṣi observatorul) sunt mobile. Senzorii trebuie sa fie de asemenea rezistenṭi la intemperii. Nu exista o infrastructura prestabilita iar mecanismele de colectare ṣi de stocare a datelor sunt inteligente (nu este nevoie ca observatorul si zebra sa se afle in contact pentru ca datele sa fie transmise). Datele ce se urmaresc sunt: poziṭia zebrelor (reactualizata o data la 3 minute - prin intermediul GPS), indicaṭii asupra luminozitaṭii mediului in care se afla zebra (daca zebra se afla la soare sau la umbra), indicaṭii asupra vitezei de deplasare a zebrei ṣi rata paṣilor acesteia. Informaṭia transmisa de un senzor este de circa 256 bytes pe ora - aproximativ 6KB pe zi.

Nodurile senzor inteligente sunt, de asemenea, fabricate ṣi comercializate de catre unii producatori din domeniul electronicii. Sunt de menṭionat Crossbow, companie ce produce pe o scara larga nodurile senzor Motes dezvoltate la UC Berkeley, dar si alte compani precum Intel, Philips, Siemens, STMicroelectronics care au in curs de dezvoltare propria platforma de noduri senzor inteligent.

In ceea ce priveste standardizarea in domeniul reṭelelor wireless cu senzori, cel mai notabil demers in aceasta directie este standardul IEEE 802.15.4, in prezent in curs de dezvoltare, care defineṣte protocoalele fizice ṣi cele de nivel MAC pentru monitorizare ṣi control la distanṭa, ca ṣi aplicaṭii ale reṭelei cu senzori.

ZigBee (ZigBee Alliance 2004) este o industrie de consorṭiu care in prezent implica mai mult de 225 de membrii reprezentand 22 de ṭari de pe 4 continente cu scopul de a promova standardul IEEE 802.15.4. Insa deṣi acceptarea atator companii este de bun augur, progresul nu este atat de lin deoarece adoptarea unei singure soluṭii si decretarea ei ca standard nu este deloc un lucru uṣor.  In momentul de faṭa tehnologia de implementare a reṭelelor wireless cu senzori este destul de matura, dar aplicaṭiile bazate pe reṭele cu senzori nu au fost complet definite. Se depun eforturi continuie pentru a gasi pieṭe importante pentru aplicaṭii ale reṭelelor wireless cu senzori. Dintre toate aplicaṭiile considerate, de departe, cea mai profitabila pare a fi cea de control ṣi automatizare a locuinṭei. Cu toate acestea, se asteapta ca piaṭa de componente senzor wireless sa creasca cu o rata de 20% pe an in urmatorii ani.

In ciuda celor spuse anterior exista inca destule impedimente cu care se confrunta reṭelele cu senzori wireless, impedimente ce deocamdata le impiedica a fi dezvoltate pe scara larga. Dintre acestea cele mai importante sunt:

Problema energiei: Reducerea consumului de energie al nodului este de importanṭa vitala in cadrul reṭelelor wireless cu senzori (ca ṣi in cadrul reṭelelor ad-hoc dealtfel). Datorita dorinṭei constante de miniaturizare a senzorilor, dimensiunile bateriilor au trebuit scazute ṣi ele iar acest lucru duce la o scadere  a capacitaṭii de stocare a bateriei ṣi deci, energia disponibila va fi foarte limitata. Insa in ciuda acestui deficit se aṣteapta ca reṭeaua sa funcṭioneze timp de o perioada foarte indelungata (luni sau chiar ani). Deoarece inlocuirea sau reincarcarea bateriilor este de obicei imposibila, unul din obiectivele de design primare este de a folosi aceasta cantitate limitata de energie cat mai eficient posibil;

Resurse constranse de calcul: Am specificat deja faptul ca energia disponibila este foarte limitata iar acest fapt duce la scaderea drastica a puterii de calcul. Daca resursele din reṭelele ad-hoc sunt rare, situaṭia este mult mai grea in cazul reṭelelor wireless cu senzori. Protocoalele pentru reṭelele wireless cu senzori trebuie sa depuna eforturi pentru a furniza QoS-ul (Quality of Service) dorit in ciuda resurselor extrem de reduse;

Comunicaṭii de slaba calitate: Reṭelele cu senzori sunt adesea utilizate in medii dure  ṣi, uneori, acestea iṣi desfasoara activitatea in condiṭii climaterice extreme (Exemplul ZebraNet). In aceste situaṭii calitatea de comunicare radio ar putea fi extrem de slaba ṣi, astfel, indeplinirea sarcinilor impuse este dificila. Mai mult, protocoalele pentru operaṭia reṭelei trebuie sa fie rezistente la erorile senzorului, care poate reprezenta un eveniment probabil;

Prelucrarea datelor: Avand in vedere constrangerile energetice si calitatea slaba a comunicaṭiei, datele colectate de nodul senzor vor trebui sa fie comprimate la nivel local ṣi agregate cu date similare generate de noduri vecine. Acest fapt inseamna ca puṭine resurse sunt folosite pentru a comunica date observatorului extern. De asemenea, exista posibilitatea ca observatorul sa fie interesat in a primi date de o precizie ridicata intr-un scenariu iar in altul sa solicite date de o precizie mai scazuta. Rezulta de aici ca mecanismul de conexiune a datelor ar trebui sa aiba posibilitatea de a oferi diferite niveluri de compresie ṣi agregare. Acest aspect reprezinta compromisul intre precizia datelor ṣi resursele consumate pentru obṭinerea acelor date.

Lipsa aplicaṭiilor uṣor de comercializat. Deṣi mai multe companii electronice ṣi producatoare de chip-uri au inceput comercializarea nodurilor senzor, este mult mai dificil pentru aceste companii sa comercializeze aplicaṭii bazate pe reṭele de senzori. Vanzarea aplicaṭiilor ar duce cu siguranṭa la creṣterea veniturilor deoarece senzorii comercializaṭi sunt relativ ieftini. Cele mai multe scenarii de aplicaṭii ale unei reṭele cu senzori insa, sunt foarte specifice iar profitul companiei ce ar dezvolta un scenariu general ar fi mic.

Componentele de baza ale unei reṭele cu senzori sunt:

a)     Un ansamblu de senzori de distribuire sau de localizare;

b)     O reṭea de interconectare - de obicei wireless;

c)      Un punct central al grupului de informaṭii;

d)     Un set de resurse de calcul pentru punctul central pentru a putea manevra date de corespondenṭa.

In esenṭa o reṭea cu senzori reprezinta o infrastructura compusa din senzori de masurare, calcule ṣi elemente de comunicare care ofera unui administrator capacitatea de a instrumenta, observa ṣi reactiona la evenimente ṣi fenomene intr-un mediu specificat. Administratorul este, de obicei, o entitate civila, guvernamentala, comerciala sau industriala. Mediul poate fi lumea fizica, un sistem biologic sau un cadru tehnologic de informaṭii. Sistemele de reṭea cu senzori sunt percepute de observatori ca o tehnologie importanta care va cunoaṣte o dezvoltare majora in urmatorii ani cu o supraabundenṭa de aplicaṭii, cum e chiar securitatea naṭionala. Exemplele tipice de aplicaṭii includ, dar nu se limiteaza la date de colectare, monitorizare, supraveghere si telemetrie medicala. Senzorul mai are rol de control ṣi de activare.

Nodurile senzor ṣi de calcul sunt considerate o parte a reṭelei cu senzori. Unele calcule pot fi efectuate insa si de catre reṭea. Metodele algoritmice de management ale datelor au un rol important in reṭelele cu senzori wireless datorita cantitaṭii de date colectate. De multe ori insa, datorita condiṭiilor diferite ce se intalnesc la fiecare locaṭie, infrastructura de calcul ṣi comunicare asociata diferitelor reṭele cu senzori wireless este variabila ṣi in acelaṣi timp specifica condiṭiilor intalnite. Nodul putere este de asemenea un element de design de luat in considerare.

Reṭelele wireless cu senzori sunt percepute de catre cercetatori ca fiind un domeniu nou, emergent ṣi provocator al reṭelelor profunde de mica putere fara fir cu o cantitate redusa de resurse de prelucrare ṣi memorie. Senzorii deṭin mai multe roluri funcṭii si capabilitaṭi in cadrul unei astfel de reṭele. Datorita progreselor tehnologice recente dar ṣi a numeroaselor potenṭiale aplicaṭii, domeniul reṭelelor wirelss cu senzori avanseaza rapid. Exemplele acestor progrese sunt numeroase dar dintre acestea cele mai notabile sunt reṭelele radar utilizate in controlul de trafic aerian, reṭeaua de energie electrica naṭionla ṣi staṭiile meteorologice la nivel naṭional. Aceste sisteme folosesc calculatoare de specialitate ṣi protocoale de comunicare specifice, deci, in consecinṭa sunt foarte scumpe. Insa se pot gasi ṣi exemple mai ieftine precum reṭelele wireless cu senzori intocmite pentru noi aplicaṭii in securitatea fizica, securitatea locuinṭei, sanatate ṣi comerṭ. Reṭelele cu senzori reprezinta un domeniu multidisciplinar care implica, printre altele, posturile de radio, inteligenṭa artificiala, managementul bazelor de date, arhitecturi de sisteme pentru administrarea infrastructurii de catre operator, optimizarea resurselor disponibile, algoritmi de management al puterii ṣi tehnologia platforma (hardware ṣi software cum ar fi sistemele de operare).

Oportunitaṭi importante pentru dezvoltarea unei noi generaṭii de senzori ṣi actuatori sunt oferite de progresele din comunicaṭiile cu ṣi fara fir, de dezvoltarile in domeniul IT (aici ne referim la procesoarele de mare putere, chipurile de memorie cu acces aleator, prelucrarea digitala a semnalului ṣi reṭelele de calcul), de tehnicile avansate in inginerie dar nu in ultimul rand de cvasiomniprezenṭa Internetului. Desigur aceste progrese tehnologice ofera pe langa avantajele evidente ṣi posibilitatea scaderii costului senzorilor si actuatorilor.

In ziua de astazi exista o varietate foarte mare de senzori, incepand cu senzori ai campului electric ṣi magnetic, senzori de frecvenṭa, senzori optici sau electrooptici, senzori de infraroṣii, senzori seismici ṣi de presiune, senzori termici sau de umiditate, senzori biochimici. Senzorii au ajuns sa fie consideraṭi dispozitive ieftine si  "inteligente" echipate cu multiple elemente de simṭ; sunt noduri multifuncṭionale low-cost, low-power care sunt legate din punct de vedere logic de un nod central. Un ṭel comercial declarat este acela de a dezvolta un sistem microelectro-mecanic (MEMS) bazat pe sisteme de senzori la un volum de . Senzorii sunt interconectaṭi printr-o serie de legaturi (link-uri) wireless de tip multi hop, de mica distanṭa ṣi de mica putere. Ei folosesc in mod uzual Internetul sau o alta reṭea de acest tip. In general, reṭelele wireless de senzori se folosesc de tehnici de transmisiuni orientate pe conexiune si acces aleatoriu la canal care sunt in acest moment incorporate in familia de standarde IEEE 802.

De obicei senzorii sunt amplasaṭi in numar mare ṣi intr-o densitate mare. O reṭea wireless cu senzori este compusa din noduri care au roluri senzoriale, de procesare a semnalelor, de procesare a datelor si de conectivitate. Reṭelele wireless in mod tipic transmit informaṭii catre staṭii de colectare a informaṭiei care au rolul de a agrega o parte din, sau toata informaṭia. WSN-urile au caracteristici unice precum constrangerile de putere dar ṣi viaṭa limitata a bateriei, achiziṭia de date redundanta ṣi fluxuri many-to-one (mai mulṭi catre unul). In unele cazuri se poate dovedi dificil procedeul de extragere a datelor dintr-o astfel de reṭea datorita constrangerii de putere. Fluxul de date poate deveni intermitent datorita unei baterii aproape terminata. Spre exemplu putem considera cazul unui sistem dependent de razele solare pentru a iṣi reincarca bateriile.