Hajautetut anturiverkot. Langattomat hajautetut anturiverkot. Mitä ovat langattomat anturiverkot

Koko: px

Aloita näyttäminen sivulta:

Transkriptio

1 SISÄLLYSLUETTELO 1 Yleistä tietoa Tietoja langattomista anturiverkoista 1.1 Langattomat anturiverkot ja standardit Wi-Fi-standardi WiMAX-standardi Bluetooth standardi HomeRF-standardi ZigBee-standardi 1.2 Reititysmenetelmät langattomissa verkoissa 2 Verkkosimulaattorien ominaisuuksien tarkastelu ja vertailu ja sopivimman simulaattorin valinta 2.1 Langattomien anturiverkkojen mallinnustyökalujen katsaus NS-simulaattori Cooja-simulaattori TOSSIM-simulaattori (TinyOS Simulator) OMNeT++-simulaattori 3 NS:n vertaileva analyysi -2 ja simulaattorityökalut OMNeT Yleiset vertailuominaisuudet 3.2 Johtopäätös 3.3 AODV-reititysprotokolla 3.4 AODV-protokollan toiminnan mallintaminen NS-2:ssa ja OMNeT AODV-mallin toiminnan mallinnus NS:ssä AODV-malli OMNeT++:ssa 4 Reititysmallin kehitys ja ohjelmistototeutus järjestelmässä langaton kommunikaatio 4.1 Verkon mallinnus 4.2 Ohjelmiston asennus ja konfigurointi 4.3 Langattoman viestintämallin ohjelmistototeutus 5 Saatujen tulosten analyysi 5.1 Verkon viiveiden analyysi 5.2 Verkon solmujen keskihajonta 5.3 Pakettilähetys verkossa 5.4 Melunsieto lähetyksen aikana 5.5 Energiankulutus solmuista 5.6 Johtopäätökset 6 Hengenturvallisuus 6.1 Järjestelmän laskenta ilmastointi 6.2 Keinovalaistuksen laskenta PÄÄTELMÄT LUETTELO KÄYTETTYJÄ LÄHTEISIÄ LUETTELO LYHENTEITÄ LIITTEET

2 JOHDANTO Langattomat anturiverkot kehittävät aktiivisesti automaatio- ja ohjausjärjestelmiä, valvontaa ja ohjausta. Vuorovaikutuksessa ohjauslaitteiden kanssa anturit luovat hajautetun, itseorganisoituvan järjestelmän tiedon keräämiseen, käsittelyyn ja siirtoon. Käsite "itseorganisoituva verkko" määritellään järjestelmäksi, jossa laitteet "osaavat" löytää toisensa ja muodostaa verkon, ja jos jokin solmuista epäonnistuu, ne voivat muodostaa uusia reittejä viestien välittämiseen. Anturiverkkotekniikka ei vaadi kalliita kaapeleita sekä apulaitteita (kaapelikanavat, liittimet, kaapit jne.) verkon rakentamiseen. Ja koska anturiverkko tukee tällä hetkellä käytössä olevia päärajapintoja ja protokollia, se on mahdollista integroida olemassa olevaan verkkoon ilman suuria rekonstruktioita. Pienikokoiset ja siksi energiatehokkaat anturit (käyttöikä voi olla useita vuosia) mahdollistavat niiden sijoittamisen vaikeapääsyisiin paikkoihin ja suurille alueille. Langattomat ratkaisut ovat välttämättömiä, kun jatkuvasti liikkuvia tai usein liikkuvia solmuja on tarpeen liittää verkkoon. Langattomien ratkaisujen haittana on kuitenkin niiden alhaisempi luotettavuus, sekä taatun tiedonsiirron sisällä rajoitettu aika, ja siinä mielessä, että lähetetyt tiedot suojataan luvattomalta käytöltä. Anturiverkkojen kehittäminen ja käyttöönotto kaikilla elämänalueilla tuo ihmiskunnalle valtavan määrän etuja. Langattomien anturiverkkojen aihetta ei ole vielä riittävästi tutkittu, niitä on Tämä hetki useita ratkaisemattomia ongelmia ja rajoituksia, mutta edut houkuttelevat yrityksiä kehittämään standardeja anturiverkkojen tiedonsiirtoon, kuten ZigBee-standardia. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on tutkia kiinteiden ja kiinteiden laitteiden ominaisuuksia ja parametreja mobiililaitteet anturiverkko ZigBee-järjestelmässä.

3 Luku 1. Yleistä tietoa langattomista anturiverkoista 1.1. Langattomat anturiverkot ja standardit Langattomat anturiverkot (WSN) ovat tämän hetken lupaavimpia tietoliikennejärjestelmien kehittämisalueita, jotka luovat uusia mahdollisuuksia tieteelliselle tutkimukselle. Solmujen miniatyyrikoko (yhden kuutiometrin kokoinen levy), integroitu radioliitäntä, alhainen virrankulutus, melko edullinen merkki tämä verkko erittäin hyödyllinen käytettäväksi niillä elämänalueilla, joissa on tarpeen rakentaa valvonta- ja ohjausjärjestelmiä tai valvoa turvallisuutta. Langatonta anturiverkkoa tarvitaan ensisijaisesti alueilla, joilla kaapelien vetäminen on yleensä mahdotonta teknisistä, taloudellisista tai organisatorisista syistä. Anturiverkkosolmu (sensor network node) on levy, joka sisältää lähetin-vastaanottimen, mikro-ohjaimen, paristot, muistin ja anturin. Antureita voidaan käyttää monin eri tavoin, useimmiten käytetään lämpötila-, paine-, kosteus-, valoantureita ja harvemmin värähtely- tai kemiallisia mittausantureita. Moottorit on varustettu erityisellä ohjelmisto, jonka avulla he järjestävät verkoston ja vaihtavat tietoja keskenään. Useimmat langattomat anturiverkot käyttävät Berkeleyn yliopistossa kehitettyä TinyOS-ohjelmistoa. Suurin etäisyys, jolle viesti voidaan lähettää, on enintään 100 metriä. Datan vastaanottamista ja lähettämistä varten jokainen solmu on varustettu antennilla. Anturiverkon toimintaprosessi on esitetty kuvassa 1.1. Kuva 1.1 Anturiverkon moottien prosessi

4 Anturiverkon solmut voivat olla kiinteitä, kiinnitettyinä tiettyyn paikkaan tai ne voivat olla myös kiinnitettyjä liikkuviin objekteihin ja liikkua vapaasti, samalla kun ne ovat osa verkkoa. Motit välittävät tietoa toisilleen, ja ne motit, jotka ovat lähellä yhdyskäytävää, lähettävät sille kaiken kertyneen tiedon. Jos jotkin moottorit epäonnistuvat, verkko jatkaa toimintaansa uudelleenkonfiguroinnin jälkeen. Kuva 1.2 näyttää sisäinen organisaatio anturiverkkosolmu. Kuva 1.2 Anturiverkkosolmu Monet tiedonsiirtostandardit, kuten Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, HomeRF, ZigBee ja niin edelleen, jakavat 2,4 GHz:n alueen, mikä häiritsee toisiaan Wi-Fi-standardin Wi-Fi-tavaramerkki Wi-Fi Alliance langattomille. IEEE-standardiin perustuvat verkot Kannettava tietokone tai kommunikaattori ilman Internet-yhteyttä on nykyään lähes hyödytön laitteisto. Wi-Fi:n laajan käytön myötä Internet-yhteyden ongelman ratkaisemiseksi termi on tullut tunnetuksi. Huolimatta siitä, että aluksi joissakin WECA:n lehdistötiedotteissa oli ilmaus Wireless Fidelity, tästä sanamuodosta on nyt luovuttu, eikä termiä Wi-Fi ole tulkittu millään tavalla. Alunperin kassajärjestelmiin tarkoitetut tuotteet tuotiin markkinoille WaveLAN-brändillä ja ne tarjosivat tiedonsiirtonopeudet 1-2 Mbit/s. Wi-Fin luoja Vic Hayes oli tiimissä, joka kehitti standardeja, kuten IEEE b, IEEE a ja IEEE g. Tyypillisesti Wi-Fi-verkkorakenne sisältää vähintään yhden tukiaseman ja vähintään yhden asiakkaan.

5 On myös mahdollista yhdistää kaksi asiakasta point-to-point-tilassa (Ad-hoc), kun tukiasemaa ei käytetä ja asiakkaat ovat yhteydessä Verkkosovittimet suoraan. Tukiasema lähettää verkkotunnuksensa (SSID) käyttämällä erityisiä signalointipaketteja nopeudella 0,1 Mbps joka 100 ms. Siksi 0,1 Mbps on Wi-Fi:n pienin tiedonsiirtonopeus. Tietäen verkon SSID:n asiakas voi selvittää, onko yhteys tiettyyn tukiasemaan mahdollinen. Kun kaksi tukiasemaa, joilla on identtiset SSID-tunnukset, ovat kantaman sisällä, vastaanotin voi valita niiden välillä signaalinvoimakkuustietojen perusteella. Wi-Fi-standardi antaa asiakkaalle täydellisen vapauden valita yhteyden kriteerit. Wi-Fi-laitteet laajalle levinnyt nykyaikaiset markkinat. Laitteiden yhteensopivuus taataan Wi-Fi-logolla varustetun pakollisen sertifikaatin kautta. Wi-Fi-laitteiden säteily on tiedonsiirtohetkellä kaksi suuruusluokkaa (100 kertaa) pienempi kuin kännykkä. Teknologian avulla voit ottaa verkon käyttöön ilman kaapeleita, mikä voi vähentää verkon käyttöönoton ja/tai laajentamisen kustannuksia. Paikkoja, joihin kaapelia ei voida asentaa, kuten ulkona ja historiallisesti arvokkaissa rakennuksissa, voidaan palvella langattomilla verkoilla. Tekniikka mahdollistaa mobiililaitteiden pääsyn verkkoon. WEP-salausstandardi voidaan rikkoa suhteellisen helposti myös oikealla konfiguraatiolla (algoritmin heikon vahvuuden vuoksi). Vaikka uudemmat laitteet tukevat kehittyneempää WPA- ja WPA2-tietojen salausprotokollaa, monet vanhemmat tukiasemat eivät tue sitä ja ne on vaihdettava. IEEE i (WPA2) -standardin käyttöönotto kesäkuussa 2004 toi saataville tehokkaamman todennus- ja salausjärjestelmän, jota käytetään uusissa laitteissa. WPA- ja WPA2-protokollat vaativat salasanan, joka on vahvempi kuin mitä käyttäjä tyypillisesti määrittää. IEEE-standardi määrittelee kaksi ad-hoc-verkon (BSS Basic Service Set) ja infrastruktuurin ESS Extended Service Setin toimintatilaa. Ad-hoc-tila (tunnetaan myös nimellä "point-to-point") on yksinkertainen verkko, jossa viestintä asemien (asiakkaiden) välillä muodostetaan suoraan ilman erityistä tukiasemaa. Infrastruktuuri-ESS-tilassa langaton verkko koostuu vähintään yhdestä langalliseen verkkoon yhdistetystä tukiasemasta ja tietystä joukosta langattomia asiakasasemia. Langattoman verkon järjestämiseen suljetussa tilassa käytetään monisuuntaisilla antenneilla varustettuja lähettimiä. On syytä muistaa, että joskus 2,4 GHz:n radioaallot eivät välttämättä kulje seinien läpi, joissa on paljon metalliraudoitusta (teräsbetonirakennuksissa nämä ovat kantavia seiniä), joten tällaisella seinällä erotetuissa huoneissa sinun on asennettava omat tukiasemat. IEEE-standardin mukaan toimivan tukiaseman tai asiakasaseman lähettimen lähettämä teho ei ylitä 0,1 W, mutta

6 monia valmistajia langattomat pisteet pääsy rajoittaa tehoa vain ohjelmiston avulla, ja riittää vain nostaa teho 0,2-0,5 W. Vertailun vuoksi matkapuhelimen lähettämä teho on suuruusluokkaa suurempi (jopa 2 W puhelun aikana). Koska verkkoelementit sijaitsevat matkapuhelimesta poiketen kaukana päästä, voidaan yleisesti ottaen langattomia tietokoneverkkoja pitää terveyden kannalta turvallisempana kuin matkapuhelimia. IEEE-standardin mukaiset langattomat verkkotuotteet tarjoavat neljä suojaustasoa: fyysinen, SSID-palvelujoukon tunniste, MAC ID -median käytönvalvontatunnus ja salaus. Monet organisaatiot käyttävät lisäsalausta (kuten VPN:ää) suojautuakseen tunkeutumiselta. Tällä hetkellä pääasiallinen WPA2-murtomenetelmä on salasanan arvaus, joten on suositeltavaa käyttää monimutkaisia aakkosnumeerisia salasanoja, jotta salasanan arvaustehtävä olisi mahdollisimman vaikea WiMAX-standardi WiMAX (englanniksi: Worldwide Interoperability for Microwave Access) tietoliikennetekniikka kehitetty tarjoamaan yleismaailmallista langatonta viestintää pitkien etäisyyksien päähän useille laitteille (työasemilta ja kannettavat tietokoneet ennen matkapuhelimet). Perustuu IEEE-standardiin, jota kutsutaan myös nimellä Wireless MAN (WiMAXia pitäisi pitää slanginimenä, koska se ei ole tekniikka, vaan sen foorumin nimi, jossa Wireless MAN sovittiin). WiMAX soveltuu Wi-Fi-tukiasemien yhdistämiseen toisiinsa ja muihin Internetin segmentteihin liittyvän ongelman ratkaisemiseen sekä langattoman laajakaistayhteyden tarjoamiseen vaihtoehtona kiinteille linjoille ja xdsl:lle. WiMAXin avulla voit käyttää Internetiä suurilla nopeuksilla, paljon suuremmalla peitolla kuin Wi-Fi-verkot. Tämä mahdollistaa teknologian käytön runkokanavina, joiden jatkeena ovat perinteiset vuokra- ja xdsl-linjat sekä paikallisverkot. Tämän seurauksena tämä lähestymistapa mahdollistaa skaalautuvien nopeiden verkkojen luomisen kaupunkien sisällä. WiMAX on pitkän kantaman järjestelmä, joka kattaa kilometrejä tilaa ja joka tyypillisesti käyttää lisensoitua taajuutta (vaikka myös lisensoimattomia taajuuksia voidaan käyttää) tarjoamaan pisteestä pisteeseen Internet-yhteyden palveluntarjoajalta loppukäyttäjälle. Perheen erilaiset standardit tarjoavat erilaisia yhteyksiä mobiilista (samanlainen kuin matkapuhelinten tiedonsiirto) kiinteään (vaihtoehto langalliselle yhteydelle, jossa käyttäjän langaton laite on sidottu paikkaan).

7 Toisin kuin WiMAX, Wi-Fi on lyhyemmän kantaman järjestelmä, joka kattaa tyypillisesti kymmeniä metrejä ja joka käyttää luvattomia taajuuskaistoja verkkoon pääsyn tarjoamiseen. Tyypillisesti käyttäjät käyttävät Wi-Fiä päästäkseen omaan paikallisverkkoonsa, joka ei välttämättä ole yhteydessä Internetiin. Jos WiMAXia voi verrata matkaviestintä, silloin Wi-Fi on enemmän kuin lankapuhelin langaton puhelin(radiopuhelin). WiMAXilla ja Wi-Fi:llä on täysin erilaiset Quality of Service (QoS) -mekanismit. WiMAX käyttää mekanismia, joka perustuu yhteyden muodostamiseen tukiaseman ja käyttäjän laitteen välille. Jokainen yhteys perustuu erityiseen ajoitusalgoritmiin, joka voi taata QoS-parametrin kullekin yhteydelle. Wi-Fi puolestaan käyttää samanlaista QoS-mekanismia kuin Ethernetissä, jossa paketeille asetetaan eri prioriteetit. Tämä lähestymistapa ei takaa samaa QoS:ää jokaiselle yhteydelle. Edut kuuluvat koko WiMAX-perheelle, mutta sen versiot eroavat merkittävästi toisistaan. Standardin kehittäjät etsivät optimaalisia ratkaisuja sekä kiinteisiin että mobiilisovelluksiin, mutta kaikkia vaatimuksia ei ollut mahdollista yhdistää yhden standardin sisällä. Vaikka useat perusvaatimukset ovat samat, teknologian keskittyminen erilaisiin markkinarakoihin on johtanut kahden erillisen version luomiseen standardista (tai pikemminkin niitä voidaan pitää kahdena eri standardina). Jokainen WiMAX-spesifikaatio määrittelee sen toimintataajuusalueet, kaistanleveyden, säteilytehon, lähetys- ja pääsymenetelmät, signaalin koodaus- ja modulaatiomenetelmät, radiotaajuuksien uudelleenkäytön periaatteet ja muut indikaattorit. Siksi standardin IEEE e- ja d-versioihin perustuvat WiMAX-järjestelmät ovat käytännössä yhteensopimattomia. Suurin ero näiden kahden tekniikan välillä on, että kiinteä WiMAX mahdollistaa vain staattisten tilaajien palvelemisen, kun taas mobiili on keskittynyt työskentelemään käyttäjien kanssa, jotka liikkuvat jopa 150 km/h nopeuksilla. Liikkuvuus tarkoittaa verkkovierailutoimintojen olemassaoloa ja "saumatonta" vaihtoa tukiasemien välillä, kun tilaaja liikkuu (kuten verkoissa tapahtuu matkapuhelinviestintä). Tietyssä tapauksessa mobiilia WiMAXia voidaan käyttää myös kiinteän verkon käyttäjien palvelemiseen. Mobiili-WiMAX-tekniikan keksimisen myötä mobiililaitteiden kehittämiseen kiinnitetään entistä enemmän huomiota, mukaan lukien erityiset matkapuhelimet (samanlaiset kuin tavalliset matkapuhelimet). mobiili älypuhelin) ja tietokoneiden oheislaitteet (USB-radiomoduulit ja PC-kortit). Laitteet WiMAX-verkkojen käyttöön ovat useiden valmistajien toimittamia ja ne voidaan asentaa sekä sisätiloihin (normaalin xdsl-modeemin kokoiset laitteet) että ulos. On huomattava, että sisätiloihin sijoitettavat laitteet, jotka eivät vaadi asennukseen ammattitaitoa, ovat tietysti kätevämpiä, mutta voivat toimia huomattavasti lyhyemmällä etäisyydellä tukiasemasta kuin ammattilaitteet.

8 asennettu ulkoisia laitteita . Siksi sisätiloihin asennetut laitteet vaativat paljon suurempia investointeja verkkoinfrastruktuurin kehittämiseen. Yleisesti ottaen WiMAX-verkot koostuvat seuraavista pääosista: tuki- ja tilaaja-asemat sekä laitteet, jotka yhdistävät tukiasemat toisiinsa, palveluntarjoajaan ja Internetiin. IEEE-standardiperheen verkkojen rakenne on samanlainen kuin perinteiset GSM-verkot (tukiasemat toimivat jopa kymmenien kilometrien etäisyyksillä; niiden asentamiseen ei tarvitse rakentaa torneja, asennus talojen katoille on sallittu, asemien välisen suoran näkyvyyden ehdoilla). WiMAXia käytetään sekä "viimeisen mailin" ongelman ratkaisemiseen että verkkoyhteyden tarjoamiseen toimisto- ja piiriverkkoihin. Tukiaseman liittämiseksi tilaaja-asemaan käytetään suurtaajuista radioaaltoaluetta 1,5 - 11 GHz. Ihanteellisissa olosuhteissa tiedonsiirtonopeudet voivat saavuttaa 70 Mbit/s ilman, että tukiaseman ja vastaanottimen välillä tarvitaan näköyhteyttä. Näköyhteyttä muodostetaan tukiasemien välille taajuusalueella 10-66 GHz, tiedonsiirtonopeudet voivat olla 140 Mbit/s. Tässä tapauksessa vähintään yksi tukiasema on kytketty palveluntarjoajan verkkoon perinteisillä langallisilla yhteyksillä. Kuitenkin mitä enemmän BS:itä on kytketty palveluntarjoajan verkkoihin, sitä suurempi on tiedonsiirtonopeus ja koko verkon luotettavuus. Bluetooth Bluetooth -standardi varmistaa tiedonvaihdon laitteiden, kuten henkilökohtaisten tietokoneiden (pöytäkoneet, taskut, kannettavat tietokoneet), matkapuhelimet, tulostimet, digitaalikamerat, hiiret, näppäimistöt, ohjaussauvat, kuulokkeet, kuulokkeet, välillä luotettavalla, edullisella ja yleisesti saatavilla olevalla radiotaajuudella lyhyen kantaman viestintään. Langattoman linkin avulla nämä laitteet voivat kommunikoida, kun ne ovat 1-200 metrin säteellä toisistaan (kantama riippuu suuresti esteistä ja häiriöistä), jopa eri huoneissa. On syytä huomata, että AIRcable on julkaissut Host XR Bluetooth -sovittimen, jonka kantama on noin 30 km. Jotta Bluetooth-laitteet toimivat yhdessä, niiden kaikkien on tuettava yhteistä profiilia. Profiili on joukko toimintoja tai ominaisuuksia, jotka ovat saatavilla tietylle Bluetooth-laitteelle. Bluetooth-tekniikka perustuu lisensoimattomaan (melkein kaikkialla paitsi Venäjällä) taajuusalueelle 2,4-2,4835 GHz. Tässä tapauksessa käytetään leveitä suojakaistoja: taajuusalueen alaraja on 2 GHz ja yläraja 3,5 GHz. Taajuus (spektrin keskikohdan sijainti) asetetaan ± 75 kHz:n tarkkuudella. Taajuusryömintä ei sisälly tähän väliin. Signaali koodataan käyttämällä kaksitasoista GFSK-järjestelmää (Gaussian Frequency Shift Keying). Looginen 0 ja 1 vastaavat kahta eri taajuuksilla. Määritetyllä taajuuskaistalla

9, 79 radiokanavaa, kukin 1 MHz. HomeRF-standardi HomeRF on langaton tekniikka, joka on suunnattu erityisesti kotona luotuihin verkkoihin. HomeRF:n perusideana on, että kotikäyttäjillä on täysin erilaiset tarpeet kuin yrityskäyttäjillä. Tämä tarkoittaa, että heidän tarvitsemansa ratkaisut on suunniteltu erityisesti heille. HomeRF pyrkii palvelemaan tätä markkinarakoa tarjoamalla laitteita, jotka ovat suhteellisen helppoja asentaa, helppokäyttöisiä ja edullisempia kuin nykyään. langattomat ratkaisut yrityksen mittakaavassa. HomeRF perustuu useisiin olemassa oleviin ääni- ja datastandardeihin ja yhdistää ne yhdeksi ratkaisuksi. Se toimii 2,4 GHz ISM-taajuuskaistalla FHSS:n avulla. Taajuushypyt tapahtuvat 50-100 kertaa sekunnissa. Häiriöistä pääsee eroon erottamalla signaalit ajassa ja taajuudessa. HomeRF käyttää pienitehoisia radiolähettimiä, jotka ovat samanlaisia kuin Bluetooth-tekniikkaan perustuvissa henkilökohtaisissa langattomissa verkoissa. Ero näiden kahden tekniikan välillä on siinä, että HomeRF on suunnattu vain kotimarkkinoille, mukaan lukien SWAP (Standard Wireless Access Protocol), jonka HomeRF mahdollistaa tehokkaamman multimediasovellusten käsittelyn. Lähettimet toimivat m etäisyydellä tukiasemasta ja ne voidaan rakentaa Compact Flash -kortteihin ZigBee-standardi ZigBee on joukon ylemmän tason verkkoprotokollia, jotka käyttävät pieniä, pienitehoisia IEEE-standardiin perustuvia radiolähettimiä. Tämä standardi kuvaa langattomia henkilökohtaisia verkkoja (WPAN). ZigBee on kohdistettu sovelluksiin, jotka vaativat pitkiä ajoaikoja akun kesto akuista ja korkeasta tiedonsiirron turvallisuudesta alhaisilla siirtonopeuksilla. ZigBee-tekniikan pääominaisuus on, että suhteellisen alhaisella virrankulutuksella se tukee yksinkertaisten langattomien tietoliikennetopologioiden ("point-to-point" ja "star") lisäksi myös monimutkaisia langaton verkko verkkotopologialla viestivälitteellä ja reitityksellä. Tämän tekniikan käyttöalueita ovat langattomien anturiverkkojen rakentaminen, asuin- ja rakennustilojen automatisointi, yksilöllisten diagnostisten lääketieteellisten laitteiden, teollisuuden valvonta- ja ohjausjärjestelmien luominen sekä kulutuselektroniikan ja elektroniikan kehittäminen. henkilökohtaiset tietokoneet.

10 Tuotenimi tulee mehiläisten käyttäytymisestä sen jälkeen, kun he palaavat pesään. ZigBee-protokollalla muodostettuja verkkoja alettiin harkita vuonna 1998, jolloin tarve itseorganisoituville viestintäjärjestelmille syntyi. ZigBee toimii teollisilla, tieteellisillä ja lääketieteellisillä (ISM) radiotaajuuksilla: 868 MHz Euroopassa, 915 MHz Yhdysvalloissa ja Australiassa ja 2,4 GHz useimmissa maailman maissa (useimmilla lainkäyttöalueilla maailmassa). Koska ZigBee-laite on suurimman osan ajasta lepotilassa, virrankulutus voi olla hyvin alhainen, mikä johtaa pitkän akun käyttöiän. ZigBee-laite voi herätä (eli siirtyä lepotilasta aktiiviseen tilaan) enintään 15 ms:ssa ja sen vasteviive voi olla hyvin alhainen, etenkin verrattuna Bluetoothiin, jonka viive syntyy siirtyessä lepotilasta aktiiviseen tilaan. tila on tyypillisesti enintään kolme sekuntia. Kun otetaan huomioon sellaiset kriteerit kuin sirujen hinta, alhaiset kustannukset ja teknologian kehityksen nopeus, alhainen virrankulutus ja melunsieto, voidaan sanoa, että ZigBee on nyt usein paras valinta. Siruja ZigBeen toteuttamiseen valmistavat sellaiset tunnetut yritykset kuin Texas Instruments, Freescale, Atmel, STMicroelectronics, OKI jne. Tämä takaa tämän tekniikan komponenttien alhaiset hinnat. ZigBee on tekniikka, joka täyttää hitaiden ja vähätehoisten langattomien verkkojen markkinaraon, jotka on suunniteltu ohjausjärjestelmille iso määrä komponentit, kuten rakennusten valaistusjärjestelmät, teollisuuslaitteiden valvontajärjestelmät jne. Tällä hetkellä ZigBee-moduulit ovat melko saavutettavissa: ETRX2, ETRX3, Telegesis. Niihin tutustumista varten on olemassa aloitussarjoja, jotka sisältävät koordinaattorimoduulin USB-liittimellä ja kolme muuta moduulia, jotka voidaan konfiguroida ohjaamaan reititintä tai päätelaitetta lämpötila- ja valoantureilla, testipainikkeilla jne. Tässä on vertailutaulukko tärkeimmistä standardeista

11 Taulukko 1.1 Langattomien verkkostandardien vertailuominaisuudet ZigBee-standardi WiFi Bluetooth(IEEE) (IEEE b) (IEEE) Taajuusalue 2, GHz 2,4-2,483 GHz 2,4-2,483 GHz Kaistanleveys kbit/s,1 Protokollapinon koko, kbbytes Yli 1000 yli 250 Jatkuva akun kesto, vrk Solmujen enimmäismäärä verkko Kantavuus, m Area Remote Transmission Korvaussovellusvalvonta ja multimediayhteystietojen langallinen hallinta (Internet, posti, video) Taulukossa 1.1 esitetyt ominaisuudet osoittavat, että optimaalinen standardi anturiverkolle on ZigBee 1.2. Reititysmenetelmät langattomissa verkoissa Reititystä on kolmenlaisia - yksinkertainen, kiinteä ja mukautuva. Perimmäinen ero niiden välillä on se, missä määrin topologian ja verkon kuormituksen muutokset otetaan huomioon reitinvalintaongelmaa ratkaistaessa. Yksinkertainen reititys eroaa siinä, että reittiä valittaessa ei oteta huomioon verkon topologian eikä sen tilan (kuorman) muutoksia. Se ei tarjoa suunnattua pakettisiirtoa ja sen tehokkuus on alhainen. Sen etuja ovat reititysalgoritmin toteuttamisen helppous ja verkon vakaan toiminnan varmistaminen sen yksittäisten elementtien epäonnistuessa. Yksinkertaisten reititysten lajikkeet ovat saaneet käytännön sovellutuksia: satunnainen ja lumivyöry. Satunnaisen reitityksen erikoisuus on, että yksi satunnaisesti valittu vapaa suunta valitaan lähettämään paketti viestintäsolmulta. Paketti "vaeltelee" verkon läpi ja saavuttaa äärellisellä todennäköisyydellä koskaan määränpäähän. Tämä ei takaa optimaalista paketin toimitusaikaa eikä tehokasta kaistanleveyden käyttöä.

12 verkkokykyä. Flood-reititys (tai: kaikkien vapaiden lähtösuuntien täyttäminen paketeilla) sisältää paketin lähettämisen solmusta kaikkiin suuntiin, paitsi sieltä, mistä paketti saapui tähän solmuun. Koska tämä tapahtuu jokaisessa solmussa, tapahtuu pakettien "kertojan" ilmiö, mikä heikentää käyttöä dramaattisesti. kaistanleveys verkkoja. Tämän estämiseksi on välttämätöntä merkitä paketin kopiot ja tuhota sen läpi toistuvasti kulkevat kaksoiskappaleet kussakin solmussa. Tämän menetelmän pääetu on taattu optimaalinen aika paketin toimitukselle vastaanottajalle, koska kaikista paketin lähetyssuunnista ainakin yksi tarjoaa sellaisen ajan. Menetelmää voidaan käyttää kuormittamattomissa verkoissa, kun vaatimukset pakettien toimituksen ajan ja luotettavuuden minimoimiseksi ovat melko korkeat. Kiinteälle reititykselle on ominaista se, että reittiä valittaessa otetaan huomioon verkon topologian muutokset eikä sen kuormituksen muutoksia. Kullekin kohdesolmulle valitaan lähetyssuunta reittitaulukosta (hakemistosta), joka määrittää lyhimmät reitit. Hakemistot kootaan verkonhallintakeskuksessa. Ne käännetään uudelleen ja muokataan, kun verkon topologia muuttuu. Sopeutumattomuus kuormituksen muutoksiin johtaa viiveisiin verkkopaketteissa. Kiinteitä reitityksiä on yksi- ja monipolkuisia. Ensimmäinen on rakennettu yhdelle reitille pakettien siirtämiseksi kahden tilaajan välillä, mikä liittyy epävakauteen vikaan ja ylikuormitukseen, ja toinen perustuu useisiin mahdollisia tapoja kahden tilaajan välillä, joista valitaan ensisijainen polku. Kiinteää reititystä käytetään verkoissa, joissa on vähän muuttuvaa topologiaa ja vakiintuneita pakettivirtoja. Adaptiivista reititystä kutsutaan reititykseksi, jossa päätökset pakettien lähetyksen suunnasta tehdään ottaen huomioon sekä topologian että verkon kuormituksen muutokset. Mukautuvaan reititykseen on olemassa useita muunnelmia, jotka eroavat reitin valinnassa käytetyistä tiedoista. Sellaiset muutokset kuin paikallinen, hajautettu, keskitetty ja hybridireititys ovat yleistyneet. Paikallinen adaptiivinen reititys perustuu tietyssä solmussa saatavilla olevan tiedon käyttöön ja sisältää: reittitaulukon, joka määrittää pakettien lähetyksen kaikki suunnat tästä solmusta; tiedot lähtöviestintälinjojen tilasta (toimivat tai eivät toimi); lähetystä odottavien pakettien jonon pituus. Tietoa muiden viestintäsolmujen tilasta ei käytetä. Reittitaulukko määrittää lyhyimmät reitit, jotka varmistavat paketin toimituksen vastaanottajalle minimiajassa. Tämän menetelmän etuna on, että reitinvalintapäätös tehdään viimeisimmän solmun tiladatan perusteella. Tämän menetelmän haittana on, että se on "likinäköinen", koska reitti valitaan ottamatta huomioon koko verkon globaalia tilaa.

13 Siksi on aina olemassa vaara, että paketti lähetetään ylikuormitettua reittiä pitkin. Hajautettu adaptiivinen reititys perustuu paikallista reititystä varten määritellyn tiedon ja viereisiltä verkkosolmuilta vastaanotettujen tietojen käyttöön. Jokaisessa solmussa muodostetaan reittitaulukko (hakemisto) kaikkiin kohdesolmuihin, jossa ilmoitetaan reitit, joilla on minimaalinen pakettiviive. Ennen kuin verkko alkaa toimia, tämä aika arvioidaan verkon topologian perusteella. Verkkotoiminnan aikana solmut vaihtavat ajoittain ns. viivetaulukoita naapurisolmujen kanssa, jotka osoittavat solmun kuormituksen (pakettijonon pituuden). Viivetaulukoiden vaihdon jälkeen jokainen solmu laskee uudelleen viiveet ja säätää reittejä ottaen huomioon saapuvan tiedon ja jonojen pituuden itse solmussa. Latenssitaulukoita voidaan vaihtaa paitsi ajoittain, myös asynkronisesti, jos kuormituksessa tai verkon topologiassa tapahtuu äkillisiä muutoksia. Naapurisolmujen tilan huomioiminen reittiä valittaessa lisää merkittävästi reititysalgoritmien tehokkuutta, mutta tämä saavutetaan verkon kuormituksen lisäämisen kustannuksella palvelutiedoilla. Lisäksi tieto solmujen tilan muutoksista etenee verkosta suhteellisen hitaasti, joten reitin valinta tehdään jokseenkin vanhentuneen tiedon perusteella. Keskitetylle adaptiiviselle reititykselle on tunnusomaista se, että kunkin verkkosolmun reititystehtävä ratkaistaan reitityskeskuksessa (RC). Jokainen solmu generoi ajoittain viestin tilastaan (jonojen pituudesta ja tietoliikennelinjojen toimivuudesta) ja lähettää sen CM:lle. Näiden tietojen perusteella kullekin solmulle käännetään reittitaulukko CM:ään. Luonnollisesti viestien lähettäminen CM:lle, reittitaulukoiden muodostaminen ja jakelu - kaikki tämä liittyy aikaviiveisiin, joten tämän menetelmän tehokkuuden menettämiseen, erityisesti verkon suureen kuormituksen aaltoiluun. Lisäksi on olemassa vaara verkon hallinnan menettämisestä, jos CM epäonnistuu. Hybridi adaptiivinen reititys perustuu CM:n verkon solmuille lähettämien reititystaulukoiden käyttöön yhdistettynä solmujen jonojen pituuden analysointiin. Näin ollen tässä toteutetaan keskitetyn ja paikallisen reitityksen periaatteet. Hybridireititys kompensoi keskitetyn reitityksen (keskuksen luomat reitit ovat jokseenkin vanhentuneita) ja paikallisen (menetelmän "likinäköisyys") puutteita ja näkee niiden edut: keskuksen reitit vastaavat verkon globaalia tilaa ja ottamalla huomioon Solmun nykyinen tila varmistaa ongelman oikea-aikaisen ratkaisun. .

14 Luku 2. Verkkosimulaattorien ominaisuuksien tarkastelu ja vertailu ja sopivimman simulaattorin valinta 2.1. Katsaus langattomien anturiverkkojen mallinnustyökaluihin Tehokkain väline tietoliikennejärjestelmien laatuindikaattoreiden arvioinnissa on simulaatiomallinnus. Tätä tarkoitusta varten on tällä hetkellä kehitetty suuri määrä verkkosimulaattoreita. Katsotaanpa yleisimpiä niistä Simulaattori NS-2 NS-2 on ohjelmisto avoin lähdekoodi(Avoimen lähdekoodin ohjelmisto), joka on suunniteltu langallisten ja langattomien (matkaviestintä) järjestelmien diskreettien tapahtumien mallintamiseen. Simulaattorin pääkielet ovat C++ ja Tcl (Tool Command Language). OTCL:ää (Object Tcl) käytetään simulaatioiden luomiseen. Ohjelma on vapaasti saatavilla, sen voi ladata ohjelman verkkosivuilta ja käyttää akateemisiin tarkoituksiin. Simulaattori tukee suurta määrää protokollia, verkkotyyppejä, verkkoelementtejä ja tiedonsiirtomalleja. Ad-hoc-verkkojen simuloimiseksi tuetaan AODV-, DSDV-, DSR- ja TORA-reititysprotokollia, jotka vaativat lisämuokkauksia mobiilisolmujen kanssa toimimisen varmistamiseksi. NS-2-simulaattorissa on IEEE-standardia toteuttava malli, jonka LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area) -mallin komponenttien rakenne ja sen päätoiminnot on esitetty kuvassa 2.1.

15 Kuva 2.1 LR-WPAN NS-2 -mallin komponenttirakenne On syytä mainita, että mallin ensimmäisissä versioissa ZigBee-verkkokerroksen perustoiminnot toteutettiin, mutta myöhemmin ne jätettiin julkisen saatavuuden ulkopuolelle, koska ne eivät täysin toimineet. noudattaa tätä standardia. Tältä osin tällä hetkellä on mahdollista käyttää vain NS-2:ssa olemassa olevia reititysprotokollia, jotka eivät täysin ota huomioon langattomien anturiverkkojen ominaisuuksia. Simulaattorin käytöstä on vähän dokumentaatiota ja vähän koulutuskirjallisuutta. On suositeltavaa viitata usein kysyttyjen kysymysten luetteloon ja analysoida lähde mallit. Simulator Cooja Network simulaattori Contiki-käyttöjärjestelmälle (OS), erityisesti suunniteltu langattomiin anturiverkkoihin, jonka avulla voit arvioida kehitetyn verkon ominaisuuksia ennen sen välitöntä käyttöönottoa. Contiki on kannettava käyttöjärjestelmä pienitehoisille laitteille, kuten anturisolmuille. Contiki-kirjastot ladataan ja käännetään simulaattorilla, ja verkkoa seurataan ja analysoidaan tiettyjen toimintojen avulla. Vaikka simulaattori on suunniteltu langattomiin anturiverkkoihin, se tukee myös TCP/IP-protokollapinoa. Kuva 2.2 näyttää Coola-simulaattorin työikkunan,

16 Kuva 2.2 Cooja-simulaattori-ikkuna Simulaattori käyttää Java-kieltä mallien luomiseen, mutta mahdollistaa ohjelmien kirjoittamisen verkkolaitteille C-kielellä. Cooja on laajennettava simulaattori, johon käytetään lisälaajennuksia ja rajapintoja. Käyttöliittymä kuvaa anturisolmun ominaisuudet, liitännäisten avulla voit konfiguroida simulaation, esimerkiksi ohjata simulaation nopeutta tai valvoa ja ohjata liikennettä anturisolmujen välillä. Simulaattori tukee useiden verkkojen samanaikaista simulointia. Yksi Cooja-simulaattorin ominaisuuksista on samanaikainen simulointi kolmella eri tasolla - verkkotasolla, käyttöjärjestelmätasolla ja konekoodin käskytasolla. Cooja kehitettiin alun perin Linuxille ja Windows/Cygwinille, mutta myöhemmin ilmestyi versio MacO:ille. Simulaattori TOSSIM (TinyOS Simulator) TinyOS on järjestelmä, joka on suunniteltu erityisesti anturiverkkoihin. Siinä on nesc-kielellä kuvattu komponenttiohjelmointimalli. TinyOS ei ole käyttöjärjestelmä perinteisessä mielessä. Se on ohjelmistoympäristö sulautetuille järjestelmille ja joukko komponentteja, jotka

17 avulla voit luoda simulaatiomalleja tietyllä sovelluksella, kuten TOSSIM. TOSSIM-simulaattori voi simuloida useiden tuhansien solmujen kokoisia verkkoja ja niitä analysoimalla ennustaa verkon käyttäytymistä suurella tarkkuudella. Mallinnalla verkkoja, joissa on mahdollisia häiriöitä ja virheitä, simulaattori luo yksinkertaisen, mutta samalla tehokkaan mallin kaikista verkon solmujen mahdollisista vuorovaikutuksista. TinyOS-laitteiden pienitehoista mallia kuvaava simulaattori simuloi anturisolmun käyttäytymistä suurella varmuudella, kuvailee sen ominaisuuksia ja suorittaa suuren määrän kokeita. Kehittäjien avuksi TOSSIM tukee graafista käyttöliittymää, joka tarjoaa yksityiskohtaisen visualisoinnin ja toiston käynnissä olevan simulaatiomallin toiminnoista. Annetaan Yleiset luonteenpiirteet TOSSIM-emulaattori: - Skaalautuvuus Simulaattori tukee verkkomallia, joka koostuu suuresta määrästä solmuja eri kokoonpanoilla. Suurin koskaan kehitetty TinyOS-verkko koostuu noin 850 solmusta, ja simulaattori pystyy tukemaan tällaisia malleja; - luotettavuus - simulaattori kuvaa solmujen erilaisia vuorovaikutuksia, joita voi esiintyä todellisessa verkossa; - Yhteyssimulaattori yhdistää rakennusalgoritmin sen graafiseen esitykseen, jolloin kehittäjät voivat testata ohjelmakoodi, joka edellyttää ajamista todellisessa laitteessa ja myös verkkovisualisaatioiden tuottamista. TOSSIM-arkkitehtuuri (Kuva 2.3) koostuu seuraavista elementeistä: - diskreetti tapahtumavirta; -sarja ohjelmistokomponentit, jotka korvaavat todellisten moottien vastaavat laitteistokomponentit; - viestintävälineet, jotka tarjoavat mahdollisuuden ulkoiset ohjelmat olla vuorovaikutuksessa emulaattorin kanssa.

18 Kuva 2.3 TOSSIM-emulaattorin arkkitehtuuri OMNeT++-simulaattori Tämä simulaattori on erillisiin tapahtumiin perustuva simulointijärjestelmä, jota voidaan käyttää esimerkiksi seuraaviin tehtäviin: - langallisten ja langattomien viestintäjärjestelmien mallintaminen; - mallinnusprotokollat; - jonoverkkojen mallintaminen. OMNeT++-ohjelma soveltuu minkä tahansa verkon mallintamiseen erillisen tapahtuman perusteella. Prosessi näytetään kätevästi viestejä vaihtavina objekteina. OMNeT++ käyttää C++-kieltä simulaatiomalleihin. Simulaatiomallit yhdistettynä kieleen korkeatasoinen NED:t kootaan suuriksi komponenteiksi ja muodostavat suuria järjestelmiä. Simulaattorissa on graafiset työkalut mallien luomiseen ja tulosten reaaliaikaiseen arviointiin. Ohjelmamallit kootaan uudelleenkäytettävistä komponenteista, joita kutsutaan moduuleiksi. Moduulit voidaan käyttää uudelleen monta kertaa ja yhdistää LEGO-palikoiden tapaan. Moduulit liitetään toisiinsa porttien avulla ja yhdistetään komposiittimoduuleiksi korkean tason NED-ohjelmointikielellä. Esiteltyjen moduulien määrä on rajoittamaton. Moduulit kommunikoivat välittämällä viestejä, jotka sisältävät mielivaltaisia tietorakenteita. Moduulit voivat lähettää

19 viestiä tiettyjen porttien ja yhteyksien kautta palvelimeen tai suoraan toisiinsa. Jälkimmäinen on hyödyllinen esimerkiksi langattomien verkkojen mallintamiseen. Kuva 2.4 Graafinen NED-editori Mallinnusprosessi voi toimia erilaisissa käyttöliittymissä. Graafisesti animoitu käyttöliittymä on kätevä verkon ja käyttöliittymän esittelyyn ja virheenkorjaukseen komentorivi kätevä muutosten tekemiseen. OMNeT++ komponentit: 1) juurisimulaatiokirjasto; 2) Eclipse-alustaan perustuva OMNeT++ IDE; 3) suoritettavan simulaation graafinen käyttöliittymä, linkit suoritettava tiedosto(Tkenv); 4) komentorivikäyttöliittymä simulaatioiden suorittamiseen (Cmdenv); 5) dokumentaatio, esimerkit. OMNeT++ toimii yleisimmissä käyttöjärjestelmissä: (Linux, Mac OS/X, Windows).

20 Kuva 2.5 NED-lähdekoodieditori Luku 3. NS-2- ja OMNeT-mallinnustyökalujen vertaileva analyysi Yleiset vertailuominaisuudet Tässä osassa suoritetaan vertaileva analyysi OMNeT++- ja NS-2-ohjelmistotuotteiden avulla luodaan simulaatiomalli langattomasta anturiverkosta (WSN) ja tarkistetaan sen parametrit. Tässä diplomityö Paljon huomiota kiinnitetään sellaisiin simulaattoreihin, kuten NS-2 ja OMNeT++, johtuen ensimmäisen yleisyydestä (MobiHoc-tutkimus paljasti noin 45% tämän simulaattorin käytöstä verkkomallinnukseen) ja OMNeT++-simulaattorirajapinnan yksinkertaisuudesta. Jos protokollien toteutus NS-2:ssa on julkisessa käytössä, niin saman protokollan käyttö OMNeT++:ssa on vaikeaa, koska näiden simulaattoreiden arkkitehtuuri on erilainen. Analyysia varten muotoiltiin ja täsmennettiin kriteerit, joiden mukaan jokaisesta järjestelmästä tutkittiin sekä langattoman anturiverkon mallintamismahdollisuutta että simuloitujen tapahtumien vastaavuutta verkossa tapahtuviin todellisiin tapahtumiin. Langattoman anturiverkon mallintamisen avulla voit arvioida likimääräisesti teoreettisia laskelmia, ennustaa todellisessa verkossa tapahtuvia toimia, kuvata verkon solmujen vuorovaikutusta, testata uusia protokollia, kuvata mahdolliset ratkaisut arkkitehtuurin optimoinnista,

21 valita tietyt topologiat uusien verkkoratkaisujen soveltamiseksi. Taulukossa (3.1) on esitetty yleiset vertailevat ominaisuudet NS-2- ja OMNeT-simulaattorien ominaisuuksista Johtopäätös Näin ollen OMNeT++-ohjelmassa on helppo oppia käyttöliittymä, se on ilmainen akateemisiin tarkoituksiin ja se toteuttaa järjestelmän perustoiminnot. ZigBee verkkokerros. Näin ollen se soveltuu täysin langattoman anturiverkon mallintamiseen ja tutkimukseen. Jatkotyötä varten valitsen OMNeT++-ohjelman. Mallinnamme langattoman anturiverkon AODV-reititysprotokollalla.

22 Taulukko 3.1 NS-2:n ja OMNeT++:n ominaisuuksien vertailuominaisuudet NS-2:n parametri OMNeT++ Joustavuus NS-2 on kehitetty OMNeT++:ssa simulaattorin joustavana TCP/IP-rakenteena, mallinnus. Näin ollen sillä voidaan simuloida verkkoja minkä tahansa verkon kanssa, jonka datakomponentit lähetetään paketteina. NS-2:lla on jäykkää vuorovaikutusta solmujen ja viestien lähetyksen kautta. protokollat, linkit, pakettien esitys, verkko-osoitteita, jolla on etunsa, mutta se ei salli sinun tehdä muutoksia. Synkronointi Discrete Events Discrete Events Platform Linux-järjestelmät, FreeBSD, Solaris. Linux, Unix, simulaatio Windows (Cygwin) Windows (Cygwin) Tuki Vuonseuranta Vuonseuranta graafinen simulaatiosimulaatio, käyttöliittymäkehitys ja topologian määrittely C++:ssa, analyysi- ja simulointitulokset Dokumentaatio NS-2 OMNeT++ -dokumentaatio on hajanaista, koulutuskirjallisuutta on vähän saatavilla , koulutusopaskirjallisuus, video-opetusohjelmat Skaalautuvuus NS-2:ssa ei ole OMNeT++:aa suuria verkkoja Skaalautuva tukemaan suuria verkkoja. simulointi Simulaattorista puuttuu suuret verkot. sovellusmallit ja vain protokollien toimittaminen, riippuen käytetyn tietokoneen laitteistomallien ominaisuuksista

23 3.3 AODV-reititysprotokolla AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) on dynaaminen reititysprotokolla langattomille ad-hoc-verkkoille. Tämän protokollan avulla mobiilisolmut voivat luoda nopeasti reitin uusiin suuntiin, eikä solmuja vaadita tallentamaan ei-aktiivisia reittejä muistiin. AODV-protokolla varmistaa oikea-aikaiset muutokset reitillä, jos verkkoyhteys katkeaa. Erottuva ominaisuus on antaa järjestysnumero reittiä päivitettäessä. Suositeltava reitti, jolla on suurin järjestysnumero. AODV-protokolla määritellään seuraavilla sanomatyypeillä: Route Request (RREQ), Response Message (RREP) ja Error Message (PERR). Protokollan toiminnasta voidaan antaa seuraava kuvaus. Kun solmun on lähetettävä dataa, se lähettää RREQ:n siirtoreitin luomiseksi. Reitin määritys tapahtuu, jos pyyntö saavuttaa vastaanottajan suoraan tai välisolmujen kautta. Reitti luodaan, jos pyytävä solmu vastaanottaa RREP-vastausviestin. Vastausviesti tulee tiukasti pyytävälle solmulle, eikä sitä lähetetä koko verkossa (kuva 3.1). Solmut myös valvovat aktiivisen reitin linkkiä. Jos yhteys katkeaa, lähetetään RERR-virhesanoma, joka ilmoittaa muille solmuille yhteyden katkeamisesta. Tämä viesti osoittaa, että tiedonsiirto tähän suuntaan ei ole mahdollista ja uusi reitti tarvitaan. Kuva 3.1 Reitin muodostaminen AODV on reititysprotokolla, joten se sisältää reititystaulukon. Tällainen taulukko luodaan myös tilapäisille lyhyille reiteille. Taulukko sisältää seuraavat kentät: - kohdeosoite; - vastaanottajan sarjanumero; - huomautus nykyisestä sarjanumerosta;

24 - muistiinpanot reitin tilasta (käytössä, ei toiminnassa, kunnostettu, kunnostettu); - releiden lukumäärä (kuinka monta relettä vaadittiin määränpäähän saavuttamiseksi); - reitin kesto. AODV-protokolla on suunniteltu mobiiliin ad-hoc-verkkoon, jonka koko vaihtelee kymmenestä tuhanteen solmuun, ja se pystyy käsittelemään alhaisia, keskisuuria ja suuria tiedonsiirtonopeuksia sekä eritasoisia dataliikennettä. AODV-protokolla toimii sovelluskerroksessa käyttämällä UDP:tä siirtoprotokollana. On normaalia, että solmu vastaanottaa RREP-vastauksen lähettämättä vastaavaa pyyntöä, ja tällaisen vastauksen vastaanottavan solmun on käsiteltävä se. Tämän protokollan edut ovat, että se ei luo lisäliikennettä Lähetettäessä tietoja jo muodostettua reittiä pitkin, ei myöskään tarvita suurta määrää muistia. Protokollan haittoja ovat se, että reitin luominen vie enemmän aikaa alussa.

25 3.4 AODV-protokollan toiminnan mallintaminen NS-2:ssa ja OMNeT AODV-mallin toiminnan mallinnus NS-2:ssa. Kuva 3.2 NS-2-arkkitehtuuri Kuvasta näkyy, että NS-2 koostuu TCL-, OTCL-, TCLCL-, Event Scheduler- ja Network -komponenteista. TCL:ää (Tool Command Language) käytetään luomaan erilaisia simulaatioskenaarioita NS-2:ssa. OTCL on sijoitettu ohjauskieleksi, jonka tarkoituksena on rakentaa simulaatioympäristö. TCLCL toimii yhdyssiteenä TCl- ja C++-kielellä kirjoitettujen simulaatioskriptien välillä. Ensinnäkin NS2 on simulaattori, joka koordinoi eri verkkokomponenttien malleja ja C++-kielellä toteutettuja tapahtumien ajoittajia. Verkkomallin luomiseksi OTCL käyttää C++-tiedostoja TCL:llä kirjoitetussa simulaatioskriptissä ja OTCL:ssä luotuja simulaatioohjelmia. Kuva 3.3 Mallin luontimenettely

26 Kuvassa on esitetty simulaatioiden suorittaminen NS-2:ssa. Ensin luodaan skripti, joka sisältää simulaatioskriptin, ja sitten syötetään tarvittavat parametrit. Simulaatioskripti on TCL-tiedosto, joka sisältää parametreja, kuten käytetyn protokollan, energianhallinnan, fyysisen kerroksen tiedot jne. Nämä parametrit luodaan NS-2:ssa käyttämällä C++:n olio-laajennusta. Tässä tapauksessa käytämme AODV-protokollaa reititysprotokollana simulaatioskenaariossa. AODV-protokolla on C++-tiedosto NS-2-hakemistossa. Tässä C++-tiedostossa AODV-protokolla on linkitetty simulaatioskriptiimme OTCL:n avulla.AODV-malli OMNeT++:ssa OMNeT++ on modulaarinen, jonka arkkitehtuuri on esitetty kuvassa 3.4. Mallinnuskomponenttikirjasto koostuu yksinkertaisista ja yhdistetyistä C++-kielellä kirjoitetuista moduuleista. Yksinkertaiset moduulit yhdistetään yhdistelmäryhmiksi, kuten LEGO-palikoita, jolloin luodaan OMNeT++-objekteja. Tämä ominaisuus on erittäin kätevä, koska ohjelmassa on valmiita moduulikirjastoja erilaisiin rakenteisiin. Kuva 3.5 OMNeT++-moduulit Simulointi suoritetaan käyttöliittymäkirjastojen (envir, Cmdenv, Tkenv) tarjoamassa ympäristössä. Ympäristö ohjaa tietojen syöttämistä, tulosten tulostamista, virheenkorjausta, visualisointia ja simulaatiomallin animaatiota.

27 OMNeT++:ssa AODV-protokolla on toteutettu mallinnuskomponenttien kirjastossa, NED-tiedosto luo moduuleja ja alimoduuleja. Kuva 3.6 mallin luominen NED:ssä Simulaatio luodaan ja konfiguroidaan sen perusteella NED-tiedostossa INI-tiedosto, määrittääksesi verkkoparametrit, simulointiajan jne. Kuva 3.7 Yksityiskohtainen verkkosimuloinnin luomisprosessi

28 AODV-protokollan toteutus OMNeT++:ssa ja NS2:ssa arvioidaan käyttämällä samaa simulaatioskenaariota. Luku 4. Reititysmallin kehittäminen ja ohjelmistototeutus langattomassa viestintäjärjestelmässä 4.1 Verkon mallinnus Verkon mallinnusskenaario sisältää; 1. Reititin - lähettää dataa, reitittää paketteja. 2. Koordinaattori muodostaa verkon ja määrittää asetukset, kun laite kytketään verkkoon. 3. Moduulisolmut ovat akkukäyttöisiä päätelaitteita. Solmut ovat ohjaimia tai antureita. Verkon solmujen määrä suunnitellaan tietyn sovelluksen tarpeiden mukaan. Kuva 4.1 Simulaatioskenaarion visualisointi Reitittimen ja koordinaattorin tehtävänä on järjestää yhteyksiä verkon isäntien välillä. Simulaatio ajetaan seitsemän eri ajanjakson ajan tasaisella nopeudella.

29 Taulukko 4.1 Parametrit Parametri Arvo Solmujen lukumäärä 50 Aikaväli 0, 20, 40, 80, 120, 160, 200 sekuntia Nopeus 20 m/s Simulaatioaika 200 s. AODV-protokollasimulaatio suoritetaan taulukossa 4.1 kuvattujen parametrien mukaisesti. Kuva 4.2 Verkon graafinen esitys Simulaation tulosten perusteella analysoimme saatua dataa yhdistäen ne vertailukaavioiksi.

30 Kuva 4.3 PDR NS-2:lle ja OMNeT++:lle Kuva 4.3 näyttää pakettien eheyden toimitussuhteen (PDR), joka on saatu käyttämällä kahta simulaattoria. Voidaan havaita, että PDR-suhde on samanlainen kaikissa kohdissa. Mutta jos tarkastelemme PDR-arvoa eri aikavälein, voimme nähdä, että pienin arvo saavutetaan OMNeT++:lla. Kuva 4.4 esittää kahdella simulaattorilla saadun suorituskyvyn tutkimuksen tulokset Kuva 4.4 Suorituskyky NS-2:lle ja OMNeT++:lle Simulaatiota suoritettaessa ja tuloksia analysoitaessa on otettu huomioon OMNeT++:n ja NS-2:n sisäinen rakenne. Simulaattorien ja niiden lähdekoodin analysoinnin jälkeen havaittiin eroja toteutuksessa, eli yhden simulaattorin simulaatioskenaariota on mahdotonta toistaa toisessa. On myös osoitettu, että vaikka valittaisiin samat parametrit, OMNeT++:lle ja NS-2:lle saadaan erilaisia tuloksia.

31 Tämä johtuu erosta simulaattoreiden toiminnassa simulointiprosessin aikana Ohjelmiston asennus ja konfigurointi Vaatimukset käyttöjärjestelmä Jotta OMNET++ ja MiXiM toimisivat oikein, seuraavat järjestelmävaatimukset on otettava huomioon: Tuetut alustat: Windows 7, 8 ja XP; Mac OS X 10.7, 10.8 ja 10.9; Linux-jakelut. OMNET++-ohjelmiston lataaminen voidaan ladata verkkosivulta: MiXiM voidaan ladata seuraavasta linkistä: Ohjelmiston asennus ja konfigurointi OMNET++:n asentamiseksi sinun on kopioitava omnetpp-4.5-src.tgz-arkisto haluttuun hakemistoon ja purettava tiedostot. . Etsi ja suorita mingwenv.cmd-tiedosto kansiosta. Asenna OMNET++ antamalla komento: $./configure Kuva 4.5 OMNET++:n asentaminen

32 Kun asennus on valmis, sinun on käännettävä OMNET++. Anna komento: $ make Kuva OMNET++-asennustiedostojen kääntäminen Käynnistä OMNET++ kirjoittamalla komento terminaaliin: $ omnetpp

33 Kuva OMNET++-työikkuna MiXiM:n asentamiseksi sinun on tuotava tiedostot OMNeT++:aan. Valitse valikosta Tiedostot > Tuo > Yleiset > Olemassa olevat projektit työtilaan. Napsauta seuraavaksi Seuraava. Valitse näkyviin tulevasta ikkunasta hakemisto, jossa on MiXiM-asennustiedostot. Muista valita kopioida projekti työtilaan -valintaruutu. Napsauta seuraavaksi Valmis. Kuva MiXiM:n asennus 4.3 Langattoman viestintämallin ohjelmistototeutus

34 MiXiM in OMNeT++ on mobiili- ja kiinteisiin langattomiin verkkoihin (langattomat anturiverkot, puettavat tietokoneverkot, ad-hoc-verkot, ajoneuvoverkot jne.) suunniteltu simulaatioympäristö. SISÄÄN graafinen editori OMNET++ MiXiM-mallinnusympäristö esitetään seuraavasti. Kuvaus toiminnoista, joita käytetään suoraan anturiverkkoa mallinnettaessa, on annettu. MiXiM-luokkien API-rakenne: a) Moduulit tärkeimmät luokat, ryhmitelty toiminnallisuuden mukaan: 1) sovellustason moduulit; 2) verkkokerroksen verkkokerroksen moduulit; 3) nic-verkkoliitännät; 4) isäntäliikkuvuutta tukevat liikkuvuusmoduulit; 5) utilis utilities; 6) perusperusmoduulit MiXiM; 7) matemaattisen näytön kartoitus; 8) protokollaluokat eri MiXiM:ssä toteutetuille protokollille; 9) Virrankulutus. b) Luokat: sensorappplayer testisovelluskerroksen luokka. Sisältää seuraavat argumentit: 1) Paketit: sovelluksessa lähetettyjen pakettien lukumäärä; 2) liikennetyyppi: kahden paketin luomisen välinen aikaväli (jaksolliset, eksponentiaaliset arvot); 3) trafficparam: liikennetyypin parametrit. Kuva 4.9 Kaavio sensorisovellussoittimelle c) liikkuvuus: MassMobilty-kuvaus mobiili malli(mota) tekee satunnaisia liikkeitä

35. Verkon mallintamiseksi sinun on luotava uusi projekti. Valitse valikosta Tiedostot > Uusi > Uusi OMNeT++-projekti: Kuva 4.10 Uuden projektin luominen Napsauta seuraavaa. Valitse seuraavassa ikkunassa kansio MiXiM-työkaluilla. Kuva 4.11 MiXiM-työkalut Teemme asetukset anturiverkon parametrien mukaisesti.

36 Kuva 4.12 Anturin verkkomallin asetukset Konfigurointitiedosto alkaa osiosta. Se määrittää yhteiset parametrit kaikille skenaarioille. Ennen verkon mallintamista on tarpeen määrittää seuraavat parametrit: - asemien lukumäärä (numnodes); - simulointiaika (sim-time-limit); - linkkikerroksen protokolla-asetukset. Simulaatio suoritetaan 10 laitteelle (numnodes = 10) 60 minuutin ajan (sim-timelimit = 60 min). Kaikki laitteet käyttävät IEEE-protokollaa (mixim.modules.node.host802154a;) linkkikerroksen protokollana. Koska tässä tapauksessa mallinnetaan liikkuvaa anturia, valitsemme Mass Mobility -parametrin (Liite 1). Graafisessa tilassa verkkotopologia alkuhetkellä t=0 näyttää tältä:

37 Kuva 4.13 Verkkotopologia Kuva Verkkotopologia aloituspisteessä (ennen simulaation aloittamista) Simuloinnin aikana topologia muuttuu ajoittain, mikä liittyy objektien liikkeeseen. Eri aikoina anturit vaihtavat sijaintiaan.

38 Kuva 4.15 Anturin sijainti 15. minuutilla Kuva 4.16 Anturin asento 42. minuutilla Kiinteiden antureiden simulointi suoritetaan myös 10 laitteelle (numnodes = 10) 60 minuutin ajan (sim-aikaraja = 60 min). Kaikki laitteet käyttävät IEEE-protokollaa (mixim.modules.node.host802154a;) linkkikerroksen protokollana. Koska tässä tapauksessa mallinnetaan kiinteä anturi, valitsemme parametrin "Stat ionarymobility" (Liite 2). Graafisessa tilassa verkkotopologia näyttää tältä:

39 Kuva 4.17 Verkon graafinen esitys Kuva 4.18 Verkon topologia Näin ollen kiinteiden ja liikkuvien antureiden mallinnus on suoritettu. Vertailevien ominaisuuksien suorittamisen helpottamiseksi anturit on sijoitettu huoneisiin, joissa on samat mitat. Anturiverkon antureille on tehty asetukset. Kaikki laitteet käyttävät linkkikerroksen protokollana IE EE -protokollaa Simulaatiota suoritettiin kymmenelle anturille tunnin ajan. MiXiM-työkaluilla luotiin langaton anturiverkko.

40 Kuvan 4.19 algoritmikaavio näyttää kuinka langaton verkko simuloitiin MiXiM-ympäristössä. Kuva 4.19 Järjestelmän rakenne Luku 5. Saatujen tulosten analyysi 5.1. Verkkoviiveiden analyysi Saatuamme simulaatiotulokset siirrymme verkon suorituskyvyn analysointiin. Saat simulaation tulokset sisältävän tiedoston valitsemalla Tiedosto > Uusi > Analyysitiedosto. Harkitse esimerkiksi

41 viiveiden kesto solmuissa (latenssi). Viiveet ZigBee-verkossa riippuvat verkon topologiasta ja voivat vaihdella merkittävästi nykyisen häiriötason ja liikenteen intensiteetin mukaan. OMNeT++:ssa vastaanotettua dataa analysoitaessa näytetään solmujen minimi- ja maksimiviiveet. Taulukko 5.1 Viiveet solmuissa (latenssi) Taulukko 5.2 Viiveet solmuissa (latenssi) Datan graafinen näyttö OMNeT++:n avulla:

42 Kuva 5.1 - Minimiviiveet kiinteissä antureissa Kuva 5.2 Kiinteiden antureiden enimmäisviiveet

43 Kuva 5.3 Mobiiliantureiden vähimmäisviiveet Kuva 5.4 Mobiiliantureiden enimmäisviiveet

44 Visuaalista näyttöä varten tiivistetään tiedot vertailukaavioon Kuva 5.5 Maksimiviiveet käytettäessä kiinteitä ja liikkuvia antureita Kuva 5.6 Minimiviiveet käytettäessä kiinteitä ja liikkuvia antureita Liikkuvien antureiden viiveet ovat pienemmät, mutta niiden indikaattorit ovat epävakaampia, mikä on joka liittyy niiden liikkumiseen huoneen kehän ympäri. Sen mukaisesti anturit voisivat eri ajankohtina olla hyvin lähellä toisiaan ja välittää viestejä esteettä, tai ne voisivat sijaita pitkän matkan päässä ja välittää viestin pitkällä viive. Samanlainen esimerkki näkyy kuvassa 5.6.

45 5.2. Keskipoikkeama verkkosolmuissa Häiriöiden ja poikkeamien lähteitä lähetyksen aikana lisensoimattomalla alueella voivat olla samalla alueella toimivat laitteet. Kun tämän tyyppisiä RF-laitteita käytetään, langattoman verkon kapasiteetti pienenee merkittävästi uudelleenlähetysten sekä välineen pääsystä kilpailevien laitteiden vuoksi. Tästä syystä sinun on oltava varovainen, kun suunnittelet ja otat käyttöön verkkoasi, ja harkitse muita laitteita, jotka voivat häiritä käyttämääsi verkkoa. ZigBeen ongelmana on, että WiFi-laitteet toimivat myös 2,4 Hz:n taajuudella ja ZigBee-liikenteen WiFi-liikenne voi häiritä toisiaan. Toinen ZigBeen ongelma on, että vaikka ilmoitettu nopeus on 250 kbps, todellinen nopeus on paljon pienempi, vaikka verkossa on kiinteä nopeus radiokanavassa. Tämä tapahtuu verkon vuorovaikutuksen aikana verkkosolmujen välillä ja tästä aiheutuu viiveitä paketin vahvistuksessa. Lisäksi tietojen käsittely pinon alemmilla tasoilla kestää myös jonkin aikaa. Harkitse verkkoviiveiden keskihajontaa (stddev). Keskihajonta (keskineliöpoikkeama) näyttää satunnaismuuttujan arvojen hajoamisen suhteessa sen keskiarvoon. Mitä suurempi hajonta, sitä vaikeampaa on hallita liikennettä (vastaanota paketit oikeassa järjestyksessä, vältä pakettien päällekkäisyyttä). Taulukko 5.3 Keskipoikkeama solmuissa Kiinteät anturit Mobiilianturit solmu=0 0,94 solmu=0 0 solmu=1 0 solmu=1 0,31 solmu=2 0 solmu=2 0,46 solmu=3 1,58 solmu=3 0 ,99 solmu=4 0 solmu= 4 0 solmu = 5 1,42 solmu = 5 0,79 solmu = 6 1,85 solmu = 6 0,29 solmu = 7 1,98 solmu = 7 0 solmu = 8 1,24 solmu = 8 0,35 solmu = 9 1,58 solmu = 9 0,41 histogrammista saadaan selvä Solmut 1,2,4 kiinteille antureille ja 0,4,7 liikkuville antureille eivät vastaanottaneet dataa, joten näiden solmujen poikkeama on 100%.

46 Esitetään tiedot graafisesti mukavuuden vuoksi: Kuva 5.7 Keskihajonta käytettäessä kiinteitä antureita Kuva 5.8 Keskihajonta liikkuvia antureita käytettäessä

47 Kuva 5.9 Kiinteiden ja liikkuvien antureiden keskihajonta 5.3 Pakettien siirto verkossa Lähetettyjen pakettien muodot ZigBee-verkoissa: datapaketti (käytetään tiedonsiirtoon); kuittauspaketti (käytetään onnistuneen tiedonsiirron vahvistamiseen); MAC-komentopaketti (käytetään MAC-ohjauskomentojen siirtojen järjestämiseen); signalointipaketti (koordinaattori käyttää synkronoidun pääsyn järjestämiseen). Pakettilähetyksen järjestyksen ohjaamiseksi käytetään numerointia (Data järjestysnumero), kehyssekvenssin tarkistussumma varmistaa virheettömän lähetyksen (Frame Check Sequence - FCS). Vahvistuspaketti tarjoaa palautetta vastaanottajalta lähettäjälle datapaketin onnistuneesta, virheettömästä lähetyksestä. MAC-komentopaketti tarvitaan kaukosäädin ja verkkolaitteiden konfigurointi. Antaa verkon koordinaattorin määrittää kaikki verkon orjat yksitellen verkon koosta riippumatta. Signalointipakettia tarvitaan päätelaitteiden aktivoimiseksi, koska ne ovat aktiivisia vain synkronointipakettien vastaanottamisen aikana.

48 Taulukko 5.4 Vastaanotettujen pakettien määrä kiinteät anturit Mobiilianturit solmu=0 18 solmu=0 0 solmu=1 0 solmu=1 9 solmu=2 0 solmu=2 9 solmu=3 16 solmu=3 6 solmu=4 0 solmu=4 0 solmu = 5 17 solmu = 5 6 solmu = 6 16 solmu = 6 9 solmu = 7 16 solmu = 7 1 solmu = 8 17 solmu = 8 3 solmu = 9 17 solmu = 9 9 Kuva 5.10 Kiinteiden antureiden vastaanottamien pakettien määrä

49 Kuva 5.11 Mobiiliantureiden vastaanottamien pakettien lukumäärä Kuten saadusta tiedosta voidaan nähdä, kiinteitä antureita käytettäessä kukin solmu vastaanotti keskimäärin 15 pakettia jaksoa kohti (mobiiliantureilla tämä on 8 pakettia), ts. kaikki lähetetyt paketit eivät päässeet vastaanottajiin, vaan osa katosi. Kuvat osoittavat, että liikkuvien antureiden katoamisen todennäköisyys on kaksi kertaa suurempi kuin kiinteillä antureilla. Tämä johtuu useista tekijöistä, kuten verkon datan heikkenemisestä, tilapäisistä keskeytyksistä tai langattoman yhteyden täydellisestä katkeamisesta, väärää työtä sensori Vertailevien tietojen näyttämiseksi selkeästi yhdistetään ne yhdeksi kaavioksi. Kuva 5.12 Pakettien vastaanotto kiinteiden ja mobiiliantureiden avulla

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) on tietoliikennetekniikka, joka on suunniteltu tarjoamaan yleismaailmallista langatonta viestintää pitkien etäisyyksien päähän useisiin

Kunnan budjettioppilaitos Lukio 7, Pavlovo, Nižni Novgorodin alue Tutkimustyö aiheesta Langattomat viestintäprotokollat Työn suoritti:

Langattomat tekniikat sisään paikalliset verkot Wi-Fi Wi-Fi-verkko Wi-Fi-verkko- radioverkko, jonka avulla voit siirtää tietoa esineiden välillä radiokanavien kautta. Standardit on kehittänyt Wi-Fi Alliance.

TIETOKONEVERKOT Verkko on kaksi tai useampia tietokoneita, jotka on kytketty toisiinsa tietoliikennekanavien kautta. Tietokoneverkon prototyyppi 1960-luvun alussa. siitä tuli päätelaite pääsy keskuskoneisiin, jotka ovat jaetuissa tilassa

UDC 004.735 P.V. Tšerepanov LIIKKUVIEN OBJEKTIEN KIINTEÄN TELEVIESTINTÄJÄRJESTELMÄN HALLINTA Tšerepanov Pavel Valerievich, Moskovan valtionyliopiston tietokonetekniikan laitoksen maisteri

STANDARDIRYHMÄ WiMAX A.Yu. Prokopenko Tieteellinen ohjaaja: teknisten tieteiden kandidaatti, apulaisprofessori B.A. Krylov Artikkeli on omistettu lyhyt yleiskatsaus WiMAX-langattomien verkkostandardien ryhmä. Johdanto Standardit

Skonodobov Gennadi Viktorovich (Skonodobov G.V.), Opiskelija Ohjaaja Tyutyakin Alexander Vasilievich (Tiutiakin A.V.), apulaisprofessori FSBEI HPE "State University UNPK" Langattoman teknologisen verkon toteuttamisesta

Mikä on tietokoneverkko? 1 Tietokoneverkko tämä on ryhmä tietokoneita, jotka on yhdistetty viestintälinjoilla: sähkökaapeleilla puhelinlinja valokuitukaapeli (optinen kuitu) radioviestintä (langaton).

Langattomat anturiverkot Aihe 6: Langattomien anturiverkkojen toiminnan simulointi MAI-osasto. 609, Terentyev M.N., [sähköposti suojattu] 1 Tällä luennolla Simuloinnin käsite Simulaatio WSN-simulaatiomenetelmien kehittämisessä

Paikallinen verkko Tietokoneverkko on kokoelma tietokoneita, jotka on kytketty toisiinsa viestintäkanavien ja kytkentävälineiden kautta yhtenäinen järjestelmä viestintää ja käyttäjien pääsyä ohjelmistoihin, teknisiin,

ITSEJÄRJESTÄVYYDEN MOBIILILAITTEISTEN VERKOSTON RAKENTAMINEN. Kazakov M.F. tieteellinen ohjaaja Ph.D. tekniikka. Tieteet Kazakov F.A. Siperian liittovaltion yliopisto Johdanto Yksi tiedon kehittämisen suunnista

Integrointialusta automatisoituja prosessinohjausjärjestelmiä varten – Järjestelmäoperaattori Sovelluksen kuvaus 1. TARKOITUS JA OMINAISUUDET Tämä ohjelmasarja on työkalu sovellusohjelmistojen kehittäminen

OHJEET ASENNUS- JA KÄYTTÖ T-11 LIITTYMÄMUUNNIN KANSSA. Versio 1.0 Vuosi 2011 Sisällys Esittely... 3 Yleistä... 3 Topologia muuntimien kytkemiseksi käänteiseen ACS:ään... 4 Asetusten muuttaminen

Nopea RT-N18U Wi-Fi-reititin(2,4 GHz, 600 Mbps) Energiatehokas prosessori ja TurboQAM-tekniikka tarjoavat tiedonsiirtonopeudet jopa 600 Mbps, mikä on 33 % nopeampi kuin perinteinen

Valko-Venäjän tasavallan opetusministeriö Oppilaitos Gomel valtion yliopisto niitä. F. Skaryna Fysiikan tiedekunta “Tietojärjestelmät ja verkot” Luento Langattomat teknologiat

Luento 13 Aihe: Verkkoteknologioiden perusteet. Viitemalli avoimien järjestelmien yhteenliitännät. Suunnitelma: 1. Paikallinen tietokoneverkko: käsite ja tarkoitus 2. Seitsemäntasoinen paikallisen tietokoneorganisaation malli

Internet-yhteyden muodostamismenetelmät Yleisimmät Internet-yhteyden muodostamistavat nykyään ovat: Modeemiyhteys (puhelinverkkoyhteys) Puhelinverkkoyhteys, ADSL-televisio, koaksiaalinen

Langaton (vain tietyt mallit) Käyttöopas 2006 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microsoft ja Windows ovat omistamia

Cisco Systemsin langattomat Wi-Fi-laitteet Sisältö 1. Soveltamisala...2 2. Standardit...2 3. Laitteet...2 3.1. Sisäkäyttöön tarkoitetut laitteet...3 3.1.1. Cisco Aironet

ASKUE-tietojen etäkeräys pienissä asuinrakennuksissa ZigBee-verkkojen kautta Modern automatisoidut järjestelmät energiavarojen kaupallinen kirjanpito (ASKUE) käyttävät matkapuhelinverkkoja etäkäyttöön

Monitoiminen mobiili itseorganisoituva radioverkko "MSR-Network" Verkkokerroksen protokollat: IPv6 (RFC 3513), DSR-reititys (RFC 4728), AODV (RFC 3561) Linkkikerroksen monikäyttömenetelmä:

LANGATON GPS/GLONASS-synkronointi parantaa sijoitetun pääoman tuottoprosenttia John Butler, tuotejohtaja, Cambium Network GPS/GLONASS-synkronointi vaikuttaa suoraan

MODBUS-PROTOKOLLIEN MUUNTAMINEN EDWARD LIN [sähköposti suojattu] Modbus RTU -laitteet ovat helppokäyttöisiä ja edullisia ylläpitää, minkä vuoksi tämä protokolla on saavuttanut suuren suosion. Nykyään kuitenkin enemmän ja enemmän

UDC 621.396 G.I. Pakhomov, S.I. Golovin, A.D. Kalashnikov, E.S. Kashirina, M.Yu. Tonkikh Permin kansallinen tutkimusammattikorkeakoulu Wi-Fi-TEKNOLOGIA JA WiMAX KAIVOSTEOLLISUUDELLA 258

KULJETUKSEN VALVONTAJÄRJESTELMÄ Liikenteen satelliittivalvonta- ja ohjausjärjestelmä Tukiasema ZyXEL G-202 EE Kokoonpano ja asetukset Sisältö AutoGRAPH-WiFi: Tukiasema ZyXEL G-202 EE Konfigurointi

Tämä laite toimii seuraavien käyttöjärjestelmien kanssa: Windows XP, Windows 2000 DWL-G650M Wireless Super G MIMO -kannettava tietokonesovitin Ennen kuin aloitat, sinulla on oltava seuraavat laitteet:

LANGATTOMIEN VERKOJEN TEORIA JA TILA Alekseeva E.N., Bayrushin F.T. Bashkir State University Ufa, Venäjä TEORIA JA VALTION LANGATTOMAT VERKOT Alekseeva E.N., Bairushin F.T. Bashkir State University

Galileosky Base Block Wi-Fi -päätteiden konfigurointi toiminnolla Liitäntäohjeet www.7gis.ru Sisältö Tarvittavat työkalut, laitteet, materiaalit... 3 Yleistä... 4 Asennus ja liitäntä

Käyttöohjeet "Mobile Client-Bank" -palvelun kanssa työskentelyyn (Android OS -laitteisiin) 2012 1 Sisältö 1. Mobiililaitteen vaatimukset....3 2. "Mobiili"-järjestelmän asennus

UDC 004.75 jakso. Tietojärjestelmät ja teknologiat LANGATTOMIEN ANTURIVERKKOJEN REITITYSPROTOKOLLAT Timkov A.V., Telyatnikov A.O. Donetskin kansallisen teknillisen yliopiston automatisoinnin laitos

Tämä tuote toimii seuraavien käyttöjärjestelmien kanssa: Windows XP, Windows 2000 DWL-G132 AirPlus G 802.11g/2.4GHz langaton USB-sovitin Ennen kuin aloitat Tarvitset seuraavat: Tietokone, jossa on ilmainen

Katsaus moderniin langattomat tekniikat

Anturin arkkitehtuuri

Kosketusanturi koostuu laitteistosta ja ohjelmistosta, kuten mikä tahansa tietoliikennesolmu. Yleensä anturi koostuu seuraavista

osajärjestelmät: havainto, tietojenkäsittely, valvonta, viestintä ja virransyöttö (kuva 1.1).

Kuva 1.1 – Anturin yleinen arkkitehtuuri.

Havaintoalijärjestelmä koostuu yleensä analoginen laite, joka ottaa tiettyjä tilastoja ja analogia-digitaalimuuntimen. Tietojenkäsittelyalijärjestelmä sisältää keskusprosessorin ja muistin, jotka mahdollistavat anturin tuottaman tiedon lisäksi myös viestintäalijärjestelmän oikean ja täydellisen toiminnan kannalta tarpeellisen palveluinformaation tallentamisen. Valvontaalijärjestelmän avulla anturi voi kerätä ympäristötietoja, kuten kosteus, lämpötila, paine, magneettikenttä, ilman kemiallinen analyysi jne. Anturia voidaan täydentää myös gyroskoopilla ja kiihtyvyysmittarilla, mikä mahdollistaa paikannusjärjestelmän rakentamisen.

Edistys langattoman viestinnän alalla ja mikropiirien miniatyrisoinnissa avaa uusia näköaloja tieto- ja tietokoneteknologiassa. Multi-hop-verkkojen lisäksi on olemassa monimutkaisempia reititysprotokollia, joissa seuraava solmu valitaan sen ominaisuuksien, esimerkiksi energiatason, luotettavuuden ja vastaavien, analyysin perusteella. Tilanne monimutkaistuu, kun langattoman anturiverkon solmut liikkuvat - verkon topologia muuttuu dynaamiseksi.

Anturin toteuttamiseksi pienenä tietoliikennelaitteena (enintään yksi kuutiosenttimetri) on otettava huomioon monet tekniset näkökohdat. Suorittimen taajuuden tulee olla vähintään 20 MHz, äänenvoimakkuus RAM-muisti vähintään 4 kt, siirtonopeus vähintään 20 kbps. Laitteiston optimointi pienentää anturin kokoa, mutta lisää sen hintaa. Käyttöjärjestelmä (OS) on optimoitava ottaen huomioon käytetyn keskusprosessorin arkkitehtuuri. Rajalliset resurssit ja pieni muistin koko kannustavat sijoittamaan käyttöjärjestelmän ROM-muistiin. Tällä hetkellä Tiny OS on laajalti käytetty avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmä, joka mahdollistaa joustavan antureiden ohjauksen. eri valmistajia. Verkottumisen alalla antureiden rajallinen virransyöttö asettaa merkittäviä rajoituksia

anturiverkoissa käytettävien radioteknologioiden käyttö. On myös huomattava, että keskusprosessorin rajoitettu suorituskyky ei salli tavallisten IP-verkkoreititysprotokollien käyttöä

– Optimaalisen polun algoritmin laskemisen monimutkaisuus ylikuormittaa keskusprosessoria. Tähän mennessä anturiverkkoja varten on kehitetty suuri määrä erityisiä reititysprotokollia.

Tiedonsiirtotekniikan kehittäminen anturiverkoissa on yksi tärkeimmistä tehtävistä anturiverkkoa rakennettaessa, koska sen erityinen arkkitehtoninen ja järjestelmän ominaisuudet asettaa joukon tiukkoja rajoituksia, joista on syytä korostaa seuraavaa:

Rajoitetut energiavarat, mikä tarkoittaa, että kantama on rajallinen;

Rajoitettu prosessorin suorituskyky;

Useiden solmujen samanaikainen toiminta rajoitetussa tilassa;

Solmujen vastaavuus, asiakas-palvelin-arkkitehtuuri ei ole sovellettavissa sen ominaisviiveiden vuoksi;

Toimiminen lisensoimattomalla taajuusspektrillä;

Halpa.

Tällä hetkellä anturiverkkojen kehitys perustuu edellä mainitsemaani IEEE 802.15.4 Zigbee -standardiin. Lisäksi huomautan, että Zigbee-allianssi olettaa, että ZigBee-standardin radioyhteyksiä käytetään sovelluksissa, kuten valvonta, tuotantoautomaatio, anturit, turvallisuus, ohjaus, Kodinkoneet ja paljon enemmän. Siten anturiverkkosovellukset voidaan jakaa useisiin pääkategorioihin:

Turvallisuus, hätätilanteet ja sotilasoperaatiot;

Lääketiede ja terveys;

Sää, ympäristö ja maatalous;

Tehtaat, tehtaat, talot, rakennukset;

Kuljetusjärjestelmät ja autot.

Tarkastelen anturiverkkojen erityissovelluksia yllä olevissa luokissa. Anturiverkkoja voidaan käyttää vähintään seuraavissa skenaarioissa.

Anturiverkkojen sovellus

Langattomilla anturiverkoilla on ainutlaatuiset ominaisuudet: helppo käyttöönotto, itseorganisoituminen ja vikasietoisuus. Uutena tiedonkeruumallina nousevia langattomia anturiverkkoja on käytetty laajoissa sovelluksissa, jotka liittyvät terveyteen, ympäristönhallintaan, energiaan, elintarviketurvallisuuteen ja valmistukseen.

Muutaman viime vuoden aikana on ollut monia merkkejä siitä, että anturiverkoista tulee todellisuutta. Useita anturisolmuprototyyppejä on luotu, mukaan lukien Motes Berkeleyssä, uAMPS MIT:ssä ja GNOMES Ricessä. Anturiverkkojen perustoiminnot ovat paikannus, tunnistus, seuranta ja havaitseminen. Sotilaallisten sovellusten lisäksi on ollut myös perustoimintoihin perustuvia siviilisovelluksia, jotka voidaan jakaa elinympäristön hallintaan, ympäristön valvontaan, terveydenhuoltoon ja muihin kaupallisiin tarkoituksiin.

sovellukset. Lisäksi Sibley loi hiljattain mobiilisensorin nimeltä Robomote, joka on varustettu pyörillä ja joka voi liikkua pellolla.

Yhdessä ensimmäisistä yrityksistä käyttää anturiverkkoja siviilisovelluksissa Berkeley ja Intel Research Laboratory käyttivät Mote-anturiverkkoa seuratakseen myrskylukemia Great Duck Islandsilla, Mainessa kesällä 2002. Kaksi kolmasosaa antureista asennettiin Mainen rannikolle, ja ne keräsivät tarvittavat (hyödylliset) tiedot reaaliajassa World Wide Webissä (Internet). Järjestelmä toimi yli 4 kuukautta ja toimitti tietoja

2 kuukauden ajan sen jälkeen, kun tiedemiehet lähtivät saarelta huonojen sääolosuhteiden vuoksi (talvi). Tämä elinympäristön seurantasovellus edustaa tärkeää anturiverkkosovellusten luokkaa. Mikä tärkeintä, verkkoanturit pystyvät keräämään tietoa vaarallisista ympäristöistä, jotka ovat epämiellyttäviä ihmisille. Valvontatutkimuksissa huomioitiin suunnittelukriteerit, mukaan lukien suunnittelun luominen, etäkäyttömahdollisuuden anturijärjestelmän luominen ja tiedonhallinta. Vaatimukset on yritetty saavuttaa useaan otteeseen, mikä on johtanut sarjan prototyyppisen sensoriverkkojärjestelmien kehittämiseen. Berkeleyn ja Intel Research Laboratoryn käyttämä anturijärjestelmä, vaikkakin primitiivinen, keräsi tehokkaasti mielenkiintoisia ympäristötietoja ja tarjosi tutkijoille tärkeää tietoa.

Anturiverkot ovat löytäneet sovelluksia havainnoinnin ja ennustamisen (arvaamisen) aloilta. Elävä esimerkki tällaisesta sovelluksesta on National Weather Servicen kehittämä automaattinen paikallisarviointi reaaliajassa (ALERT) -järjestelmä, jossa on langaton anturiverkko. Meteorologisilla/hydrologisilla mittauslaitteilla varustetut anturit tietyssä ympäristössä mittaavat tyypillisesti useita paikallisen sään ominaisuuksia, kuten vedenkorkeutta, lämpötilaa, tuulta. Tiedot välitetään näköyhteysradiolla tukiaseman antureiden kautta. Tulvaennustemalli mukautettiin käsittelemään tietoja ja antamaan automaattisia varoituksia. Järjestelmä tarjoaa tärkeää tietoa sateet ja vedenpinnat reaaliajassa arvioidaksesi mahdollisten tulvien mahdollisuutta missä tahansa maassa. Nykyinen (nykyinen) ALERT-järjestelmä on asennettu kaikkialle Yhdysvaltojen länsirannikolle, ja sitä käytetään tulvavaroituksiin Kaliforniassa ja Arizonassa.

Viime aikoina anturijärjestelmiä on käytetty intensiivisesti terveydenhuollon alalla, joita potilaat ja lääkärit käyttävät glukoosin seurantaan ja seurantaan, syövänilmaisimiin ja jopa tekoelimiin. Tutkijat ehdottavat mahdollisuutta istuttaa biolääketieteellisiä antureita ihmiskehoon eri tarkoituksiin. Nämä anturit välittävät tietoa ulkoiseen tietokonejärjestelmään kautta langaton käyttöliittymä. Useita biolääketieteellisiä antureita on integroitu sovellusjärjestelmään taudin diagnoosin ja hoidon määrittämiseksi. Biolääketieteelliset anturit lupaavat edistyneempää lääketieteellistä hoitoa.

Suurin ero langattomien anturiverkkojen ja perinteisten tietokone- ja puhelinverkkojen välillä on tietylle operaattorille tai palveluntarjoajalle kuuluvan pysyvän infrastruktuurin puuttuminen. Jokainen anturiverkon käyttäjäpääte pystyy toimimaan paitsi päätelaitteena myös kauttakulkusolmuna, kuten kuvassa 1.2 näkyy.

Kuva 1.2 – Esimerkki verkkoanturien kytkemisestä

Langattomat anturiverkot: Yleiskatsaus

Akuldiz I.F.

Käännös englannista: Levzhinsky A.S.

huomautus

Artikkelissa kuvataan anturiverkkojen käsitteitä, joiden toteutus mahdollisti mikrosähkömekaanisten järjestelmien, langattoman viestinnän ja digitaalisen elektroniikan yhdistämisen seurauksena. Anturiverkkojen tehtäviä ja mahdollisuuksia on tutkittu ja niiden kehittämiseen vaikuttavia seikkoja on tarkasteltu. Lisäksi tarkastellaan rakennuksen anturiverkkojen arkkitehtuuria, kehitettyjä algoritmeja ja protokollia jokaiselle arkkitehtuurin kerrokselle. Artikkeli pohtii kysymyksiä sensoriverkkojen toteuttamisesta.

1. Esittely

Viimeaikaiset edistysaskeleet mikrosähkömekaanisten järjestelmien (MEMS) teknologioissa, langattomassa viestinnässä ja digitaalisessa elektroniikassa ovat mahdollistaneet edullisien, vähän virtaa kuluttavien, ominaisuuksiltaan pienten ja suoraan toistensa kanssa kommunikoivien moottien luomisen. Anturiverkot perustuvat suuren määrän pienten solmujen yhteistyöhön, jotka koostuvat tiedonkeruu- ja käsittelymoduuleista, lähettimestä. Tällaisilla verkoilla on merkittäviä etuja perinteisiin antureisiin verrattuna. Tässä on kaksi perinteisten antureiden pääpiirrettä: Anturit voidaan sijoittaa kauas havaitusta ilmiöstä. Tämä lähestymistapa vaatii monia antureita, jotka käyttävät joitain kehittyneitä tekniikoita poimimaan kohteita melusta.
Voidaan ottaa käyttöön useita antureita, jotka keräävät vain tietoja. Suunnittele anturien sijainnit ja topologia huolellisesti. Ne välittävät havainnot keskussolmuihin, joissa tiedonkeruu ja käsittely suoritetaan.
Anturiverkko koostuu suuresta määrästä solmuja (mote), jotka sijaitsevat tiheästi lähellä havaittavaa ilmiötä. Moottoreiden asentoa ei tarvitse laskea etukäteen. Tämän ansiosta ne voidaan sijoittaa satunnaisesti vaikeapääsyisille alueille tai käyttää hätäapuoperaatioihin, jotka vaativat nopeaa reagointia. Toisaalta tämä tarkoittaa, että verkkoprotokollien ja moottien toiminnan algoritmien on kyettävä organisoitumaan itse. Toinen anturiverkkojen ainutlaatuinen ominaisuus on yksittäisten solmujen yhteistyö. Motes on varustettu prosessorilla. Siksi alkuperäisen tiedon välittämisen sijaan he voivat käsitellä sitä, tehdä yksinkertaisia laskelmia ja lähettää edelleen vain tarpeellista ja osittain käsiteltyä tietoa. Yllä kuvatut ominaisuudet tarjoavat laajan valikoiman sovelluksia anturiverkkoihin. Tällaisia verkkoja voidaan käyttää terveydenhuollon, armeijan ja turvallisuussovelluksissa. Lääkäri voi esimerkiksi seurata potilaan fysiologisia tietoja etänä. Tämä on kätevä sekä potilaalle että antaa lääkärille mahdollisuuden ymmärtää hänen nykyinen tilansa. Anturiverkkoja voidaan käyttää vieraiden kemiallisten tekijöiden havaitsemiseen ilmasta ja vedestä. Ne voivat auttaa määrittämään epäpuhtauksien tyypin, pitoisuuden ja sijainnin. Pohjimmiltaan anturiverkot mahdollistavat paremman ymmärryksen ympäristöstä. Oletamme, että langattomat anturiverkot ovat tulevaisuudessa olennainen osa elämäämme, enemmän kuin nykyaikaiset henkilökohtaiset tietokoneet. Näiden ja muiden langattomien anturiverkkojen käyttöä edellyttävien hankkeiden toteuttaminen vaatii erityismenetelmiä. Perinteisille langattomille ad hoc -verkkoille on kehitetty monia protokollia ja algoritmeja, joten ne eivät sovellu hyvin anturiverkkojen ainutlaatuisiin ominaisuuksiin ja vaatimuksiin. Tässä ovat erot anturi- ja vertaisverkkojen välillä: Anturiverkon solmujen määrä voi olla useita suuruusluokkaa suurempi kuin vertaisverkon solmujen lukumäärä.
Solmut sijaitsevat tiheästi.
Solmut ovat alttiita epäonnistumiselle.
Anturiverkkojen topologia voi muuttua usein
Vertaiskäyttäjät käyttävät ensisijaisesti yleislähetysviestejä, kun taas useimmat vertaisverkot perustuvat point-to-point-viestintään.
Solmujen teho, laskentateho ja muisti on rajoitettuja.
Solmuilla ei voi olla globaalia tunnistenumeroa (ID) suuren ylärajan ja suuren anturimäärän vuoksi.
Koska verkon solmut sijaitsevat tiheästi, naapurisolmut voivat olla hyvin lähellä toisiaan. Siksi monihyppyinen viestintä anturiverkoissa kuluttaa vähemmän energiaa kuin suora viestintä. Lisäksi voidaan käyttää pienitehoista tiedonsiirtosignaalia, mikä on hyödyllistä piilovalvonnassa. Multi-hop-viestintä voi tehokkaasti voittaa joitakin pitkän matkan signaalin etenemisen vaikeuksia langattomassa viestinnässä. Yksi tärkeimmistä solmujen rajoituksista on alhainen virrankulutus. Moteilla on rajalliset energialähteet. Joten vaikka perinteiset verkostot pyrkivät saavuttamaan Korkealaatuinen Mote-verkkoprotokollien tulisi keskittyä ensisijaisesti energiansäästöön. Niissä on oltava mekanismeja, jotka antavat käyttäjälle mahdollisuuden pidentää mootin käyttöikää joko vähentämällä läpimenoa tai lisäämällä tiedonsiirron latenssia. Monet tutkijat ovat tällä hetkellä mukana kehittämässä piirejä, jotka täyttävät nämä vaatimukset. Tässä artikkelissa tarkastellaan protokollia ja algoritmeja, joita tällä hetkellä on olemassa anturiverkkoja varten. Tavoitteenamme on tarjota parempi käsitys tämän alan ajankohtaisista tutkimuskysymyksistä. Pyrimme myös tutkimaan suunnittelun rajoitteita ja tunnistamaan työkaluja, joita voidaan käyttää suunnitteluongelmien ratkaisemiseen. Artikkeli on järjestetty seuraavasti: toisessa osiossa kuvataan anturiverkkojen potentiaalia ja hyödyllisyyttä. Luvussa 3 käsitellään tekijöitä, jotka vaikuttavat tällaisten verkkojen suunnitteluun. Tarkastelemme yksityiskohtaista tutkimusta nykyisistä menetelmistä tällä alalla osiossa 4. Ja teemme yhteenvedon osiossa 5.

2. Langattomien anturiverkkojen soveltaminen

Anturiverkot voivat koostua erilaisista antureista, kuten seismiset, magneettikenttä, lämpö-, infrapuna-, akustiset, jotka pystyvät suorittamaan monenlaisia ympäristöolosuhteiden mittauksia. Esimerkiksi kuten:
lämpötila,
kosteus,
autoliikenne,
salaman tila,
paine,
maaperän koostumus,
melutaso,
tiettyjen esineiden läsnäolo tai puuttuminen,
mekaaninen kuormitus
dynaamiset ominaisuudet, kuten kohteen nopeus, suunta ja koko.
Motesia voidaan käyttää tapahtumien jatkuvaan havaitsemiseen, havaitsemiseen ja tunnistamiseen. Mikrotunnistinkonsepti ja langaton yhteys lupaa monia uusia sovelluksia tällaisille verkoille. Olemme luokitelleet ne pääalueisiin: sotilaalliset sovellukset, ympäristötutkimus, terveydenhuolto, kodin ja muut kaupalliset sovellukset. Mutta on mahdollista laajentaa tätä luokitusta ja lisätä luokkia, kuten avaruustutkimus, kemiallinen käsittely ja katastrofiapu.

2.1. Sotilaalliset sovellukset

Langattomat anturiverkot voivat olla olennainen osa sotilaallista komento-, viestintä-, tiedustelu-, valvonta- ja paikannusjärjestelmiä (C4ISRT). Nopea käyttöönotto , itseorganisaatio ja vikasietoisuus ovat anturiverkkojen ominaisuuksia, jotka tekevät niistä lupaavan työkalun ongelmien ratkaisemiseen. Koska anturiverkot voivat perustua kertakäyttöisten ja halpojen solmujen tiheään käyttöön, osan tuhoaminen sotilasoperaatioiden aikana ei vaikuta sotilasoperaatioon yhtä paljon kuin perinteisten antureiden tuhoaminen. Siksi anturiverkkojen käyttö soveltuu paremmin taisteluihin. Listataanpa joitain muita tapoja käyttää tällaisia verkkoja: ystävällisten joukkojen aseiden ja ammusten tarkkailu, taistelujen tarkkailu; sijainnin suuntaus; taistelujen aiheuttamien vahinkojen arviointi; ydin-, biologisten ja kemiallisten hyökkäysten havaitseminen. Ystävällisten joukkojen, aseiden ja ammusten valvonta: Johtajat ja komentajat voivat jatkuvasti seurata joukkojensa tilaa, varusteiden ja ammusten tilaa ja saatavuutta taistelukentällä anturiverkkojen avulla. Jokaiseen ajoneuvoon, varusteluun ja kriittiseen ammukseen voidaan kiinnittää anturit, jotka ilmoittavat niiden tilasta. Nämä tiedot kerätään yhdessä avainsolmuissa ja lähetetään esimiehille. Tietoja voidaan myös välittää komentohierarkian ylemmille tasoille yhdistettäväksi muiden osien tietoihin. Taisteluhavaintoja: Kriittiset alueet, polut, reitit ja salmet voidaan peittää nopeasti anturiverkoilla vihollisjoukkojen toiminnan tutkimiseksi. Toiminnan aikana tai uusien suunnitelmien laatimisen jälkeen anturiverkkoja voidaan ottaa käyttöön milloin tahansa seuraamaan taistelua. Vihollisjoukkojen ja maaston tiedustelu: Anturiverkkoja voidaan käyttää kriittisille alueille, ja arvokasta, yksityiskohtaista ja oikea-aikaista tietoa vihollisvoimista ja maastosta voidaan kerätä muutamassa minuutissa, ennen kuin vihollinen voi siepata sen. Kohdistus: Anturiverkkoja voidaan käyttää älykkäissä ammusten kohdistusjärjestelmissä. Taistelun jälkeinen vahinkoarviointi: Välittömästi ennen hyökkäystä tai sen jälkeen voidaan ottaa käyttöön anturiverkkoja vaurioarviointitietojen keräämiseksi. Ydin-, biologisten ja kemiallisten hyökkäysten havaitseminen: Käytettäessä kemiallisia tai biologisia aseita, joiden käyttö on lähellä nollaa, kemiallisten tekijöiden oikea-aikainen ja tarkka havaitseminen on välttämätöntä. Anturiverkkoja voidaan käyttää varoitusjärjestelminä kemiallisista tai biologisista hyökkäyksistä, ja lyhyessä ajassa kerätyt tiedot auttavat vähentämään uhrien määrää dramaattisesti. Anturiverkkoja voidaan käyttää myös yksityiskohtaiseen tiedusteluun, kun tällaiset hyökkäykset havaitaan. Esimerkiksi säteilykontaminaation sattuessa on mahdollista tehdä tiedustelu altistamatta ihmisiä säteilylle.

2.2. Ympäristösovellus

Eräitä ekologian alueita, joilla anturiverkkoja käytetään: lintujen, pieneläinten ja hyönteisten liikkeiden seuranta; ympäristön tilan seuranta, jotta voidaan tunnistaa sen vaikutukset viljelykasveihin ja karjaan; kastelu; laajamittainen maan seuranta ja planeettojen tutkimus; kemiallinen/biologinen havaitseminen; metsäpalojen havaitseminen; meteorologinen tai geofysikaalinen tutkimus; tulvien havaitseminen; ja saastetutkimus. Metsäpalojen havaitseminen: Koska paloja voidaan sijoittaa strategisesti ja tiheästi metsään, ne voivat välittää palon tarkan alkuperän ennen kuin tulipalosta tulee hallitsematon. Miljoonia antureita voidaan ottaa käyttöön jatkuvasti. Ne voidaan varustaa aurinkopaneeleilla, koska solmut voidaan jättää valvomatta kuukausiksi tai jopa vuosiksi. Motit työskentelevät yhdessä suorittaakseen hajautettuja tunnistustehtäviä ja ylittääkseen esteitä, kuten puita ja kiviä, jotka estävät langallisia antureita. Ympäristön biotilan kartoitus: vaatii kehittyneitä lähestymistapoja tiedon integroimiseksi ajallisesti ja spatiaalisesti. Kaukokartoitusteknologian kehitys ja automaattinen tiedonkeruu ovat vähentäneet merkittävästi tutkimuskustannuksia. Näiden verkkojen etuna on, että solmut voidaan liittää Internetiin, jolloin etäkäyttäjät voivat ohjata, tarkkailla ja tarkkailla ympäristöä. Vaikka satelliitti- ja ilmaanturit ovat hyödyllisiä havainnoitaessa suurta monimuotoisuutta, kuten hallitsevien kasvilajien monimutkaisuutta, ne eivät mahdollista ekosysteemin suurimman osan muodostavien pienten elementtien havainnointia. Tämän seurauksena on olemassa tarve langattomien anturiverkkosolmujen kenttäkäyttöön. Yksi esimerkkisovellus on Etelä-Kalifornian luonnonsuojelualueen biologisen ympäristökartan laatiminen. Kolme toimipaikkaa on katettu verkossa, kussakin 25-100 solmua, joita käytetään jatkuvaan ympäristön seurantaan. Tulvien havaitseminen: Esimerkki tulvien havaitsemisesta on varoitusjärjestelmä Yhdysvalloissa. Varoitusjärjestelmään sijoitetut useat anturityypit havaitsevat sateen, vedenpinnan ja sään. Tutkimusprojektit, kuten Cornellin yliopiston COUGAR Device Database Project ja Rutgersin yliopiston DataSpace Project, tutkivat erilaisia lähestymistapoja vuorovaikutukseen verkon yksittäisten solmujen kanssa tilannekuvien ja pitkäaikaisen datan saamiseksi. Maatalous: Anturiverkoilla on myös se etu, että ne pystyvät tarkkailemaan reaaliajassa veden torjunta-ainetasoja, maaperän eroosion tasoa ja ilmansaasteiden tasoa.

2.3. Sovellus lääketieteessä

Yksi lääketieteen sovellus on vammaisille tarkoitettu laitteet; potilaan seuranta; diagnostiikka; lääkkeiden käytön seuranta sairaaloissa; ihmisen fysiologisten tietojen kerääminen; sekä lääkäreiden ja potilaiden seuranta sairaaloissa. Ihmisen fysiologinen seuranta: Anturiverkkojen keräämiä fysiologisia tietoja voidaan säilyttää pitkiä aikoja ja niitä voidaan käyttää lääketieteelliseen tutkimukseen. Asennetuilla verkkosolmuilla voidaan myös seurata ikääntyneiden liikkeitä ja esimerkiksi ehkäistä kaatumista. Nämä solmut ovat pieniä ja tarjoavat potilaalle suuremman liikkumisvapauden, samalla kun lääkärit voivat tunnistaa sairauden oireet etukäteen. Lisäksi ne auttavat varmistamaan potilaiden mukavamman elämän sairaalahoitoon verrattuna. Grenoble-Ranskan lääketieteelliseen tiedekuntaan luotiin "Terve älykäs koti" testatakseen tällaisen järjestelmän mahdollisuutta. . Lääkäreiden ja potilaiden seuranta sairaalassa: jokaisella potilaalla on pieni ja kevyt verkkosolmu. Jokaisella solmulla on oma erityinen tehtävänsä. Yksi voi esimerkiksi seurata sykettä, kun taas toinen ottaa verenpainelukemia. Lääkäreillä voi olla myös tällainen solmu, jonka avulla muut lääkärit voivat löytää heidät sairaalasta. Lääkkeiden seuranta sairaaloissa: Lääkkeisiin voidaan kiinnittää solmuja, jolloin väärien lääkkeiden annostelun mahdollisuus voidaan minimoida. Näin potilailla on solmuja, jotka määrittävät heidän allergiansa ja tarvittavat lääkkeet. Kuvatut tietokonejärjestelmät ovat osoittaneet, että ne voivat auttaa minimoimaan virheellisen lääkeannostelun sivuvaikutukset.

2.4. Kotikäyttöön

Kotiautomaatio: Älysolmut voidaan integroida kodinkoneisiin, kuten pölynimureihin, mikroaaltouuniin, jääkaappiin ja videonauhureihin. Ne voivat kommunikoida keskenään ja ulkoisen verkon kanssa Internetin tai satelliitin kautta. Näin loppukäyttäjät voivat helposti hallita laitteita kotona sekä paikallisesti että etänä. Älykäs ympäristö: Älykkään ympäristön suunnittelussa voi olla kaksi erilaista lähestymistapaa, eli ihmiskeskeinen tai teknologiakeskeinen. Ensimmäisen lähestymistavan tapauksessa älykkään ympäristön tulee mukautua loppukäyttäjien tarpeisiin vuorovaikutuksessa heidän kanssaan. Teknologiakeskeisiä järjestelmiä varten on kehitettävä uusia laitteistoteknologioita, verkkoratkaisuja ja väliohjelmistosovelluksia. Esimerkkejä siitä, kuinka solmuja voidaan käyttää älykkään ympäristön luomiseen, on kuvattu. Solmut voidaan rakentaa huonekaluihin ja laitteisiin, ne voivat kommunikoida keskenään ja huonepalvelimen kanssa. Huonepalvelin voi myös kommunikoida muiden huonepalvelimien kanssa saadakseen tietoa heidän tarjoamistaan palveluista, kuten tulostus, skannaus ja faksaus. Nämä palvelimet ja anturisolmut voidaan integroida olemassa oleviin sulautettuihin laitteisiin, ja ne muodostavat itseorganisoituvia, itsesäätyviä ja mukautuvia järjestelmiä, jotka perustuvat viitteessä kuvattuun ohjausteoriamalliin.

3. Anturiverkkomallien kehitykseen vaikuttavat tekijät.

Anturiverkkojen suunnittelu riippuu monista tekijöistä, joita ovat muun muassa vikasietoisuus, skaalautuvuus, tuotantokustannukset, toimintaympäristön tyyppi, anturiverkkotopologia, laitteistorajoitukset, viestintämalli ja energiankulutus. Monet tutkijat pohtivat näitä tekijöitä. Mikään näistä tutkimuksista ei kuitenkaan ole täysin ottanut huomioon kaikkia verkon suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä. Ne ovat tärkeitä, koska ne toimivat ohjenuorana sensoriverkkojen protokollan tai algoritmien kehittämisessä. Lisäksi näitä tekijöitä voidaan käyttää eri mallien vertailuun.

3.1. vikasietoisuus

Jotkut solmut voivat epäonnistua virran puutteen, fyysisten vaurioiden tai kolmannen osapuolen häiriön vuoksi. Solmuvian ei pitäisi vaikuttaa anturiverkon toimintaan. Tässä on kysymys luotettavuudesta ja vikasietoisuudesta. Vikasietokyky - kyky ylläpitää anturiverkon toimivuutta ilman vikaa, jos solmu epäonnistuu. Solmun luotettavuus Rk(t) eli vikasietoisuus mallinnetaan Poisson-jakauman avulla sen todennäköisyyden määrittämiseksi, ettei solmu epäonnistuu ajanjaksolla (0; t) On syytä kiinnittää huomiota siihen, että protokollat ja algoritmit voidaan orientoida anturiverkkojen rakentamisen vaatimalle vikasietotasolle. Jos ympäristö, jossa solmut sijaitsevat, on vähemmän herkkä häiriöille, protokollat voivat olla vähemmän joustavia. Esimerkiksi jos kodissa on kosteutta ja lämpötilaa valvovia solmuja, vikasietovaatimukset voivat olla alhaiset, koska tällaiset anturiverkot eivät voi epäonnistua eikä ympäristön "melu" vaikuta niiden toimintaan. Toisaalta, jos taistelukentällä käytetään solmuja valvontaan, joustavuuden on oltava korkea, koska valvonta on kriittistä ja solmut voivat tuhoutua sotilasoperaatioiden aikana. Tästä johtuen vikasietoisuuden taso riippuu anturiverkkojen sovelluksesta ja mallit on suunniteltava tätä silmällä pitäen.

3.2. Skaalautuvuus

Ilmiön tutkimiseen käytettyjen solmujen määrä voi olla satojen tai tuhansien luokkaa. Sovelluksesta riippuen luku voi saavuttaa ääriarvot (miljoonia). Uusien mallien pitäisi pystyä käsittelemään tätä määrää solmuja. Niiden on myös käytettävä tiheitä anturiverkkoja, jotka voivat vaihdella muutamasta solmupisteestä useisiin satoihin alueella, jonka halkaisija voi olla alle 10 m. Tiheys voidaan laskea mm.

3.3. Tuotantokulut

Koska anturiverkot koostuvat suuresta määrästä solmuja, yhden solmun kustannusten tulee olla sellaiset, että ne oikeuttavat verkon kokonaiskustannukset. Jos verkon hinta on korkeampi kuin perinteisten antureiden käyttöönotto, se ei ole taloudellisesti perusteltua. Tämän seurauksena kunkin solmun kustannusten tulisi olla alhaiset. Nyt Bluetooth-lähetintä käyttävän solmun hinta on alle 10 dollaria. PicoNoden hinta on noin 1 dollari. Sen vuoksi anturiverkkosolmun kustannusten on oltava paljon alle 1 dollarin, jotta niiden käyttö olisi taloudellisesti perusteltua. Halvana laitteena pidetyn Bluetooth-solmun hinta on 10 kertaa korkeampi kuin anturiverkkosolmujen keskimääräiset hinnat. Huomaa, että solmussa on myös joitain lisämoduuleja, kuten tiedonkeruumoduuli ja tietojenkäsittelymoduuli (kuvattu kohdassa 3.4.) Lisäksi ne voidaan varustaa paikannusjärjestelmällä tai tehogeneraattorilla anturiverkkojen sovelluksesta riippuen. . Tämän seurauksena solmun hinta on vaikea kysymys, kun otetaan huomioon toiminnallisuuden määrä jopa alle 1 dollarin hinnalla.

3.4. Laitteiston ominaisuudet

Anturiverkkosolmu koostuu neljästä pääkomponentista, kuten kuvassa 1 on esitetty. 1: tiedonkeruuyksikkö, prosessointiyksikkö, lähetin ja virtalähde. Lisämoduulien saatavuus riippuu verkkojen sovelluksesta, esimerkiksi paikannusmoduuleja, tehogeneraattoria ja mobilisaattoria (MAC) voi olla. Tiedonkeruumoduuli koostuu yleensä kahdesta osasta: antureista ja analogia-digitaalimuuntimista (ADC). Havaitun ilmiön perusteella anturin tuottama analoginen signaali muunnetaan digitaaliseksi signaaliksi ADC:n avulla ja syötetään sitten prosessointiyksikköön. Integroitua muistia käyttävä prosessointimoduuli hallitsee proseduureja, joiden avulla se voi tehdä yhteistyötä muiden solmujen kanssa määrättyjen valvontatehtävien suorittamiseksi. Lähetinyksikkö (lähetin-vastaanotin) yhdistää solmun verkkoon. Yksi solmun tärkeimmistä komponenteista on virtalähde. Virtalähdettä voidaan ladata esimerkiksi aurinkopaneeleilla.

Useimpien dataa lähettävien ja keräävien solmujen on tiedettävä sijaintinsa suurella tarkkuudella. Siksi sisään yleinen kaava sijaintimoduuli käytössä. Joskus saatetaan tarvita mobilisaattoria siirtämään yksikköä tarpeen mukaan määrättyjen tehtävien suorittamiseksi. Kaikki nämä moduulit on ehkä sijoitettava tulitikkurasian kokoiseen koteloon. Solmun koko voi olla alle kuutiosenttimetri ja se on riittävän kevyt pysyäkseen ilmassa. Koon lisäksi solmuille on joitain muita kovia rajoituksia. Heidän täytyy :
kuluttaa hyvin vähän energiaa,
työskennellä suuren määrän solmujen kanssa lyhyillä etäisyyksillä,
on alhaiset tuotantokustannukset
olla itsenäinen ja työskennellä ilman valvontaa,
sopeutua ympäristöön.
Koska solmut voivat jäädä pois käytöstä, anturiverkon käyttöikä riippuu yksittäisten solmujen virransyötöstä. Ruoka on rajallinen resurssi ja kokorajoitusten vuoksi. Esimerkiksi älykkään solmun kokonaisenergiareservi on noin 1 J. Wireless Integrated Network of Sensors (WINS) keskitaso latauksen, pitkän käyttöajan tulee olla alle 30 LA. Anturiverkkojen käyttöikää voidaan pidentää käyttämällä ladattavia akkuja, esimerkiksi saamalla energiaa ympäristöstä. Aurinkopaneelit ovat hyvä esimerkki latauksen käytöstä. Solmun datamoduuli voi olla passiivinen tai aktiivinen optinen laite, kuten älysolmussa, tai radiotaajuuslähetin (RF). RF-lähetys vaatii tiettyä kaistanleveyttä käyttävän modulaatiomoduulin, suodatusmoduulin, demoduloinnin, mikä tekee niistä monimutkaisempia ja kalliimpia. Lisäksi kahden solmun välisessä tiedonsiirrossa voi esiintyä häviöitä, koska antennit sijaitsevat lähellä maata. Radioviestintä on kuitenkin edullinen useimmissa olemassa olevissa anturiverkkomalleissa, koska tiedonsiirtotaajuudet ovat alhaiset (tyypillisesti alle 1 Hz) ja lähetysjaksonopeudet ovat korkeat lyhyiden etäisyyksien vuoksi. Nämä ominaisuudet mahdollistavat matalien radiotaajuuksien käytön. Energiatehokkaiden ja matalataajuisten radiolähettimien suunnittelu on kuitenkin edelleen tekninen haaste, eivätkä nykyiset Bluetooth-laitteiden valmistukseen käytetyt tekniikat ole tarpeeksi tehokkaita anturiverkkoihin, koska ne kuluttavat paljon virtaa. Vaikka prosessorit pienenevät ja tehostuvat jatkuvasti, solmun käsittely ja tallennus on edelleen sen heikko kohta. Esimerkiksi älysolmun käsittelymoduuli koostuu 4 MHz Atmel AVR8535 -prosessorista, mikro-ohjaimesta, jossa on 8 kilotavua käskyjä, flash-muistia, 512 tavua RAM-muistia ja 512 tavua EEPROM-muistia. Tämä moduuli, jossa on 3500 tavua käyttöjärjestelmälle ja 4500 tavua vapaata muistia koodille, käyttää TinyOS-käyttöjärjestelmää. Toisen lAMPS-solmun prototyypin prosessointimoduulissa on 59-206 MHz SA-1110-prosessori. IAMPS-solmut käyttävät monisäikeistä L-OS-käyttöjärjestelmää. Useimmat tiedonkeruutehtävät edellyttävät solmun sijainnin tuntemista. Koska solmut sijaitsevat tyypillisesti satunnaisesti ja ilman valvontaa, niiden on tehtävä yhteistyötä paikannusjärjestelmän avulla. Sijainnin tunnistamista käytetään monissa anturiverkkojen reititysprotokollissa (lisätietoja kohdassa 4). Jotkut ehdottavat, että jokaisessa solmussa pitäisi olla globaali paikannusjärjestelmä (GPS) -moduuli, joka toimii jopa 5 metrin tarkkuudella. Paperi väittää, että kaikkien solmujen varustaminen GPS:llä ei ole välttämätöntä sensoriverkkojen toiminnan kannalta. On olemassa vaihtoehtoinen lähestymistapa, jossa vain jotkut solmut käyttävät GPS:ää ja auttavat muita solmuja määrittämään sijaintinsa maassa.

3.5. Verkkotopologia

Se, että solmut voivat jäädä pois käytöstä ja niissä esiintyy usein vikoja, tekee verkon ylläpidosta haastavan tehtävän. Anturiverkon alueella voi sijaita sadoista useisiin tuhansiin solmuja. Ne leviävät kymmenen metrin päässä toisistaan. Solmutiheys voi olla suurempi kuin 20 solmua kuutiometrissä. Monien solmujen tiheä sijainti vaatii huolellista verkon ylläpitoa. Käsittelemme verkkotopologian ylläpitoon ja muuttamiseen liittyviä asioita kolmessa vaiheessa:

3.5.1. Itse solmujen esikäyttöönotto ja käyttöönotto voi koostua solmujen massiivisesta hajauttamisesta tai kunkin asentamisesta erikseen. Niitä voidaan laajentaa:

Hajallaan lentokoneesta,
asettamalla se rakettiin tai ammukseen
heitetty ulos katapultilla (esimerkiksi laivasta jne.),
tehtaan sijainti
henkilö tai robotti sijoittaa jokaisen solmun erikseen.
Vaikka anturien suuri määrä ja niiden automaattinen käyttöönotto yleensä estää sijoittamisen huolellisesti suunnitellun suunnitelman mukaan, alkuperäisen käyttöönoton suunnitelmissa tulee:
vähentää asennuskustannuksia,
poistaa kaiken ennakkojärjestelyn ja ennakkosuunnittelun tarpeen,
lisää sijoittelun joustavuutta,
edistää itseorganisaatiota ja vikasietoisuutta.

3.5.2. Verkoston jälkeinen vaihe

Kun verkko on otettu käyttöön, sen topologian muutos liittyy muutokseen solmujen ominaisuuksissa. Listataan ne:
asema,
saavutettavuus (häiriöiden, melun, liikkuvien esteiden jne. vuoksi),
akun varaus,
toimintahäiriöitä
muutos määrätyissä tehtävissä.
Solmuja voidaan laajentaa staattisesti. Laitteen vika on kuitenkin yleinen akun tyhjentymisen tai tuhoutumisen vuoksi. Anturiverkot, joissa solmujen liikkuvuus on korkea, ovat mahdollisia. Lisäksi solmut ja verkot suorittavat erilaisia tehtäviä, ja niihin voi kohdistua tahallisia häiriöitä. Siten anturiverkoston rakenne on alttiina toistuville muutoksille käyttöönoton jälkeen.

3.5.3. Lisäsolmun käyttöönottovaihe

Lisää solmuja voidaan lisätä milloin tahansa viallisten solmujen korvaamiseksi tai muuttuvien tehtävien vuoksi. Uusien solmujen lisääminen luo tarpeen järjestää verkko uudelleen. Useita solmuja sisältävän ja erittäin tiukat virrankulutusrajoitukset omaavan vertaisverkon topologian toistuvien muutosten käsitteleminen vaatii erityisiä reititysprotokollia. Tätä asiaa käsitellään tarkemmin osiossa 4.

3.6. Ympäristö

Solmut sijaitsevat tiheästi hyvin lähellä havaittua ilmiötä tai suoraan sen sisällä. Siten ne toimivat ilman valvontaa syrjäisillä maantieteellisillä alueilla. He voivat toimia
vilkkaissa risteyksissä,
isojen autojen sisällä
valtameren pohjalla,
tornadon sisällä,
valtameren pinnalla tornadon aikana,
biologisesti ja kemiallisesti saastuneilla alueilla
taistelukentällä,
talossa tai suuressa rakennuksessa,
suuressa varastossa,
kiinnitetty eläimiin
kiinnitetty nopeasti liikkuviin ajoneuvoihin
viemärissä tai joessa vesivirran mukana.
Tämä luettelo antaa käsityksen olosuhteista, joissa solmut voivat toimia. Ne voivat toimia korkean paineen alaisena merenpohjassa, ankarissa ympäristöissä, roskien keskellä tai taistelukentällä, äärimmäisissä lämpötiloissa, kuten lentokoneen moottorin suuttimessa tai arktisilla alueilla, erittäin meluisissa paikoissa, joissa on paljon häiriöitä.

3.7. Tiedonsiirtomenetelmät

Multi-hop-anturiverkossa solmut kommunikoivat langattomasti. Viestintä voidaan suorittaa radion, infrapunan tai optisten välineiden kautta. Jotta näitä menetelmiä voitaisiin käyttää maailmanlaajuisesti, siirtovälineen on oltava saatavilla kaikkialla maailmassa. Yksi radiovaihtoehto on käyttää teollisia, tieteellisiä ja lääketieteellisiä (ISM) taajuuksia, jotka ovat saatavilla ilman lisenssiä useimmissa maissa. Jotkut taajuustyypeistä, joita voidaan käyttää, on kuvattu kansainvälisessä taajuustaulukossa, joka on radio-ohjesäännön S5 artiklassa (nide 1). Osa näistä taajuuksista on jo käytössä langattomissa puheluissa ja langattomissa lähiverkoissa (WLAN). Pienikokoisissa ja edullisissa anturiverkoissa signaalivahvistinta ei tarvita. Laitteiston rajoitukset ja kompromissit antennin tehokkuuden ja energiankulutuksen välillä asettavat tiettyjä rajoituksia lähetystaajuuden valinnalle ultrakorkealla taajuusalueella. Ne tarjoavat myös 433 MHz ISM:ää Euroopassa ja 915 MHz ISM:ää Pohjois-Amerikassa. Mahdollisia lähetinmalleja näille kahdelle vyöhykkeelle käsitellään kohdassa. ISM-radiotaajuuksien käytön tärkeimmät edut ovat laaja taajuusalue ja maailmanlaajuinen saatavuus. Niitä ei ole sidottu tiettyyn standardiin, mikä tarjoaa suuremman vapauden toteuttaa energiansäästöstrategioita anturiverkoissa. Toisaalta on olemassa erilaisia sääntöjä ja rajoituksia, kuten erilaisia lakeja ja häiriöitä olemassa olevista sovelluksista. Näitä taajuuskaistoja kutsutaan myös säätelemättömiksi taajuuksiksi. Suurin osa tämän päivän solmulaitteistoista perustuu radiolähettimien käyttöön. Kohdassa kuvatut langattomat IAMPS-solmut käyttävät Bluetooth-yhteensopivia 2,4 GHz lähettimiä ja niissä on sisäänrakennettu taajuussyntetisaattori. Työssä kuvataan pienitehoisten solmujen suunnittelua, joissa käytetään yhtä radiolähetyskanavaa, joka toimii 916 MHz:n taajuudella. WINS-arkkitehtuuri käyttää myös radioviestintää. Toinen mahdollinen viestintätapa anturiverkoissa on infrapuna. Infrapunaviestintä on saatavilla ilman lupaa ja se on suojattu sähkölaitteiden aiheuttamilta häiriöiltä. IR-lähettimet ovat halvempia ja helpompia valmistaa. Monet nykypäivän kannettavat tietokoneet, kämmentietokoneet ja matkapuhelimet käyttävät IR-liitäntää tiedonsiirtoon. Tällaisen viestinnän suurin haittapuoli on suoran näkyvyyden vaatimus lähettäjän ja vastaanottajan välillä. Tämä tekee IR-viestinnästä ei-toivottavaa käytettäväksi anturiverkoissa lähetysvälineen vuoksi. Mielenkiintoista siirtomenetelmää käyttävät älykkäät solmut, jotka ovat automaattisen valvonnan ja tietojenkäsittelyn moduuleja. He käyttävät optista välinettä lähetykseen. On olemassa kaksi siirtomallia, passiivinen käyttäen kulmakuutioheijastinta (CCR) ja aktiivinen käyttämällä laserdiodeja ja ohjattuja peilejä (käsitelty). Ensimmäisessä tapauksessa integroitua valonlähdettä ei tarvita, vaan signaalin välittämiseen käytetään kolmen peilin konfiguraatiota (CCR). Aktiivinen menetelmä käyttää laserdiodia ja aktiivista laserviestintäjärjestelmää valonsäteiden lähettämiseen tarkoitettuun vastaanottimeen. Anturiverkkosovellusten epätavalliset vaatimukset tekevät siirtovälineiden valinnasta haastavaa. Esimerkiksi merisovellukset edellyttävät vesivälitteisten välineiden käyttöä. Tässä sinun on käytettävä pitkäaaltosäteilyä, joka voi tunkeutua veden pinnalle. Vaikeassa maastossa tai taistelukentällä voi tapahtua virheitä ja enemmän häiriöitä. Lisäksi voi käydä ilmi, että solmujen antenneilla ei ole vaadittua korkeutta ja säteilytehoa yhteydenpitoon muiden laitteiden kanssa. Siksi lähetysvälineen valintaan on liitettävä luotettavat modulaatio- ja koodausmenetelmät, jotka riippuvat lähetyskanavan ominaisuuksista.

3.8. Tehon kulutus

Langaton solmu, joka on mikroelektroninen laite, voidaan varustaa vain rajoitetulla virtalähteellä (

3.8.1. Yhteys

Solmu käyttää maksimaalisesti energiaa tiedonsiirtoon, joka sisältää sekä tiedon lähettämisen että vastaanottamisen. Voimme sanoa sen viestinnästä lyhyitä matkoja Pienellä säteilyteholla lähetys ja vastaanotto vaativat suunnilleen saman määrän energiaa. Taajuussyntetisaattorit, jännitteensäätöoskillaattorit, vaihelukitusoskillaattorit (PLL) ja tehovahvistimet vaativat energiaa, jonka resurssit ovat rajalliset. On tärkeää, että tässä tapauksessa emme ota huomioon vain pätötehoa, vaan otamme huomioon myös sähkönkulutuksen lähettimiä käynnistettäessä. Lähettimen käynnistäminen kestää sekunnin murto-osan, joten se kuluttaa hyvin vähän energiaa. Tätä arvoa voidaan verrata PLL:n estoaikaan. Kuitenkin, kun lähetetty paketti pienenee, käynnistysteho alkaa hallita energiankulutusta. Tämän seurauksena lähettimen jatkuva kytkeminen päälle ja pois päältä on tehotonta, koska Suurin osa energiasta menee tähän. Tällä hetkellä pienitehoisten radiolähettimien standardit Pt- ja Pr-arvot ovat 20 dBm ja Pout lähellä 0 dBm. Huomaa, että PC:lle suunnattu PicoRadio on -20 dBm. Pienikokoisten, edullisien lähettimien suunnittelua käsitellään lähteessä. Tulosten perusteella tämän paperin kirjoittajat, ottaen huomioon budjetti- ja energiankulutusarviot, uskovat, että Pt:n ja Pr:n arvojen tulisi olla vähintään suuruusluokkaa pienempiä kuin yllä annetut arvot.

3.8.2. Tietojenkäsittely

Energiankulutus tietojenkäsittelyn aikana on huomattavasti pienempi kuin tiedonsiirto. Teoksessa kuvattu esimerkki kuvaa itse asiassa tätä eroa. Perustuen Rayleighin teoriaan, jonka mukaan neljännes tehosta menetetään lähetyksen aikana, voidaan päätellä, että 1 kilotavun lähettäminen 100 metrin etäisyydellä energiankulutuksesta on suunnilleen sama kuin 3 miljoonan käskyn suorittaminen 100 miljoonan käskyn nopeudella. sekunnissa (MIPS )/W prosessori. Siksi paikallinen tietojenkäsittely on kriittistä energiankulutuksen minimoimiseksi multi-hop-anturiverkossa. Siksi solmuissa on oltava sisäänrakennetut laskentaominaisuudet ja niiden on kyettävä olemaan vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Kustannus- ja kokorajoitukset saavat meidät valitsemaan puolijohteet (CMOS) mikroprosessorien ydinteknologiaksi. Valitettavasti niillä on rajoituksia energiatehokkuudessa. CMOS vaatii virtaa aina, kun se vaihtaa tilaa. Tilojen vaihtamiseen tarvittava energia on verrannollinen kytkentätaajuuteen, kapasitanssiin (alueesta riippuen) ja jännitteen vaihteluihin. Siksi syöttöjännitteen alentaminen on tehokas tapa vähentää tehonkulutusta aktiivisessa tilassa. Dynaaminen jännitteen skaalaus, josta keskustellaan julkaisussa, pyrkii mukauttamaan prosessorin tehoa ja taajuutta työmäärän mukaan. Kun mikroprosessorin laskentakuormaa pienennetään, pelkkä taajuuden pienentäminen vähentää energiankulutusta lineaarisesti, mutta käyttöjännitteen pienentäminen vähentää energiankulutusta neliöllisesti. Toisaalta kaikkea mahdollista prosessorin suorituskykyä ei käytetä. Tämä toimii, jos otamme huomioon, että huippusuorituskykyä ei aina vaadita ja siksi prosessorin käyttöjännite ja taajuus voidaan mukauttaa dynaamisesti prosessointivaatimuksiin. Kirjoittajat ehdottavat työkuorman ennustusmenetelmiä, jotka perustuvat olemassa olevien kuormitusprofiilien mukautuvaan käsittelyyn ja useiden jo luotujen kaavioiden analysointiin. Muita prosessorin tehon vähentämisstrategioita käsitellään artikkelissa . On huomattava, että lisäpiirejä voidaan käyttää datan koodaamiseen ja dekoodaamiseen. Joissakin tapauksissa voidaan käyttää myös integroituja piirejä. Kaikissa näissä skenaarioissa anturiverkon rakenne, toiminta-algoritmit ja protokollat riippuvat vastaavasta energiankulutuksesta.

4. Anturiverkon arkkitehtuuri

Solmut sijaitsevat yleensä satunnaisesti koko havaintoalueella. Jokainen heistä voi kerätä dataa ja tietää reitin tiedon siirtämiseksi takaisin keskussolmuun, loppukäyttäjälle. Tiedot siirretään käyttämällä multi-hop-verkkoarkkitehtuuria. Keskussolmu voi kommunikoida tehtävänhallinnan kanssa Internetin tai satelliitin kautta. Keskussolmun ja kaikkien muiden solmujen käyttämä protokollapino on esitetty kuvassa. 3. Protokollapino sisältää tehotietoja ja reititystietoja, sisältää tietoa verkkoprotokollista, auttaa kommunikoimaan tehokkaasti langattoman median kautta ja helpottaa solmujen yhteistyötä. Protokollapino koostuu sovelluskerroksesta, siirtokerroksesta, verkkokerroksesta, datalinkkikerroksesta, fyysisestä kerroksesta, virranhallintakerroksesta, liikkuvuuden hallintakerroksesta ja tehtävien ajoituskerroksesta. Tiedonkeruutehtävistä riippuen sovellustasolla voidaan rakentaa erilaisia sovellusohjelmistoja. Kuljetuskerros auttaa ylläpitämään tietovirtaa tarvittaessa. Verkkokerros tarjoaa toimitettujen tietojen reitityksen kuljetuskerros . Koska ympäristö on meluisa ja solmut voivat liikkua, MAC-protokollan on minimoitava törmäysten esiintyminen siirrettäessä dataa naapurisolmujen välillä. Fyysinen kerros on vastuussa kyvystä välittää tietoa. Nämä protokollat auttavat solmuja suorittamaan tehtäviä energiaa säästäen. Tehonhallintakerros määrittää, kuinka solmun tulee käyttää energiaa. Solmu voi esimerkiksi sammuttaa vastaanottimen vastaanotettuaan viestin yhdeltä naapuriltaan. Tämä auttaa sinua välttämään kaksoisviestin. Lisäksi, kun solmun akun teho on alhainen, se ilmoittaa naapureilleen, ettei se voi osallistua viestien reitittämiseen. Se käyttää kaiken jäljellä olevan energian tiedon keräämiseen. Mobiiliohjauskerros (MAC) havaitsee ja tallentaa solmujen liikkeet, joten tiedoilla on aina reitti keskussolmuun ja solmut voivat määrittää naapurinsa. Ja naapurit tunteva solmu voi tasapainottaa energiankulutusta työskentelemällä heidän kanssaan. Tehtävienhallinta suunnittelee ja ajoittaa tiedonkeruun kullekin alueelle erikseen. Kaikkia saman alueen solmuja ei tarvita tunnistustehtävien suorittamiseen samanaikaisesti. Tämän seurauksena jotkut solmut suorittavat enemmän tehtäviä kuin toiset, riippuen niiden tehosta. Kaikki nämä kerrokset ja moduulit ovat välttämättömiä, jotta solmut voivat toimia yhdessä ja pyrkiä maksimaaliseen energiatehokkuuteen, optimoimaan tiedonsiirtoreitin verkossa ja jakamaan myös toistensa resursseja. Ilman niitä jokainen solmu toimii erikseen. Koko anturiverkon kannalta on tehokkaampaa, jos solmut toimivat yhdessä, mikä auttaa pidentämään itse verkon käyttöikää. Ennen kuin keskustelemme tarpeesta sisällyttää protokollaan moduulit ja ohjauskerrokset, käymme läpi kolme olemassa olevaa protokollapinoa, joka on esitetty kuvassa 3. Lähteessä käsitelty WINS-malli, jossa solmut on kytketty hajautettuun verkkoon ja heillä on pääsy Internetiin. Koska suuri määrä WINS-verkkosolmuja sijaitsee lyhyen matkan päässä toisistaan, multi-hop-viestintä vähentää energiankulutusta minimiin. Solmun vastaanottamat ympäristötiedot välitetään peräkkäin keskussolmuun tai WINS-yhdyskäytävälle muiden solmujen kautta, kuten kuvassa 2 on esitetty solmuille A, B, C, D ja E. WINS-yhdyskäytävä kommunikoi käyttäjän kanssa tavallisten verkkoprotokollien, kuten esim. Internet. WINS-verkkoprotokollapino koostuu sovelluskerroksesta, verkkokerroksesta, MAC-kerroksesta ja fyysisestä kerroksesta. Älykkäät solmut (tai mootit). Nämä solmut voidaan kiinnittää esineisiin tai jopa kellua ilmassa niiden pienen koon ja painon vuoksi. He käyttävät MEMS-tekniikkaa optiseen viestintään ja tiedonhankintaan. Moteissa voi olla aurinkopaneeleja lataamista varten päivän aikana. Ne edellyttävät näköyhteyttä kommunikoidakseen optisen lähettimen tukiaseman tai muun täplän kanssa. Vertaamalla mote-verkon arkkitehtuuria kuvassa 2 esitettyyn, voidaan sanoa, että älysolmut kommunikoivat tyypillisesti suoraan tukiaseman lähettimen kanssa, mutta myös yksi-yhteen-kommunikaatio on mahdollista. Toinen lähestymistapa anturiverkkojen protokollien ja algoritmien kehittämiseen perustuu fyysisen kerroksen vaatimuksiin. Protokollat ja algoritmit on suunniteltava fyysisten komponenttien, kuten mikroprosessorien ja vastaanottimien tyypin, mukaan. Tätä alhaalta ylös -lähestymistapaa käytetään IAMPS-mallissa ja se ottaa huomioon myös sovelluskerroksen, verkkokerroksen, MAC-kerroksen ja fyysisen kerroksen riippuvuuden isäntälaitteistosta. IAMPS-solmut ovat vuorovaikutuksessa loppukäyttäjän kanssa samalla tavalla kuin kuvassa 2 esitetyssä arkkitehtuurissa. Erilaisia järjestelmiä, kuten aikajakokanavaa (TDMA) tai taajuusjakokanavaa (FDMA) ja binaarimodulaatiota tai M-modulaatiota verrataan. lähde. Alhaalta ylös -lähestymistapa tarkoittaa, että solmun algoritmien on tunnettava laitteisto ja käytettävä mikroprosessorien ja lähettimien ominaisuuksia virrankulutuksen minimoimiseksi. Tämä voi johtaa erilaisten kokoonpanosuunnitelmien kehittämiseen. Ja erilaiset solmumallit johtavat erilaisiin anturiverkkoihin. Mikä puolestaan johtaa erilaisten algoritmien kehittämiseen niiden toimintaa varten.

Kirjallisuus

G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Loppuraportti älykkäiden ympäristöjen tutkimuskysymyksiä käsittelevästä vuorovaikutustyöpajasta, IEEE Personal Communications (lokakuu 2000) 36–40.
J. Agre, L. Clare, An Integrated Architecture for Cooperative Sensing Networks, IEEE Computer Magazine (toukokuu 2000) 106–108.
JOS. Akyildiz, W. Su, Power Aware Enhanced Routing (PAER) -protokolla anturiverkkoihin, Georgia Tech Technical Report, tammikuu 2002, toimitettu julkaistavaksi.
A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: epäsuora TCP mobiilikoneille, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, toukokuu 1995, pp. 136-143.
P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Mobiilipotilas: langattomat hajautetut sensoriverkot potilaiden seurantaan ja hoitoon, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on the lifetime of sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, kesäkuu 2001.
P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying thephysical world, IEEE Personal Communications (lokakuu 2000) 10.–15.

Hajautetut anturiverkot

Mitä langattomat anturiverkot ovat?

Anturit ja vastaanottolaite

Langattomat anturiverkot rakennetaan solmuista nimeltä tuhlaajia (mote) - pienet autonomiset laitteet, jotka toimivat paristoilla ja mikrosiruilla ja joissa on radioviestintä taajuudella - esimerkiksi 2,4 GHz. Erikoisohjelmiston avulla motit voivat organisoida itsensä hajautetuiksi verkkoiksi, kommunikoida keskenään, pollata ja vaihtaa tietoja lähellä olevien solmujen kanssa, joiden etäisyys ei yleensä ylitä 100 metriä.

Englanninkielisessä kirjallisuudessa tällaista verkkoa kutsutaan langaton anturiverkko(WSN) on langaton verkko, joka koostuu maantieteellisesti hajautetuista autonomisista laitteista, jotka antureiden avulla valvovat yhdessä fyysisiä tai ympäristöolosuhteita eri alueilla.

Ne voivat mitata parametreja, kuten lämpötilaa, ääntä, tärinää, painetta, esineiden tai ilman liikettä. Langattomien anturiverkkojen kehittämisen motiivina olivat alun perin sotilaalliset sovellukset, kuten taistelukenttävalvonta. Tällä hetkellä langattomia anturiverkkoja käytetään yhä enemmän monilla siviilielämän aloilla, mukaan lukien teollisuus- ja ympäristöseuranta, terveydenhuolto ja liikenteenohjaus. Sovellusalue laajenee.

Toimintaperiaatteet

3-tason verkkokaavio. 1. taso anturit ja yhdyskäytävä. 2. tason palvelin. Ohut asiakastaso 3

Jokainen verkkosolmu: tuhlari varustettu radiolähetin-vastaanottimella tai muulla langattomalla viestintälaitteella, pienellä mikro-ohjaimella ja virtalähteellä, yleensä akulla. Mahdollista käyttää aurinkovaloakkuja tai muita vaihtoehtoisia energialähteitä

Tietoa etäisistä elementeistä siirretään verkon yli lähellä olevien välillä solmusta solmuun, radiokanavaa pitkin. Tämän seurauksena datapaketti lähetetään lähimmästä moteista yhdyskäytävään. Yhdyskäytävä on yleensä yhdistetty palvelimeen USB-kaapelilla. Palvelimella - kerätyt tiedot käsitellään, tallennetaan ja ne ovat pääsyn WEB-kuoren kautta useille käyttäjille.

Anturisolmun hinta vaihtelee sadoista dollareista muutamaan senttiin riippuen anturiverkoston koosta ja sen monimutkaisuudesta.

Laitteisto ja standardit

Yhdyskäytävä (2 kpl), kytketty kannettavaan tietokoneeseen USB-kaapelilla. Kannettava tietokone on yhteydessä Internetiin UTP:n kautta ja toimii palvelimena

Kosketa radioantennilla varustettuja laitteita

Langattomien solmujen laitteisto ja verkkoviestintäprotokollat solmujen välillä on optimoitu virrankulutusta varten pitkäaikainen järjestelmän toiminta autonomisilla virtalähteillä. Toimintatavasta riippuen solmun käyttöikä voi olla useita vuosia.

Useita standardeja on tällä hetkellä joko ratifioitu tai kehitteillä langattomille anturiverkkoille. ZigBee on standardi, joka on suunniteltu käytettäväksi sellaisissa asioissa kuin teollinen ohjaus, sulautettu tunnistus, lääketieteellisen tiedon kerääminen ja rakennusautomaatio. Zigbeen kehitystä edesauttaa suuri teollisuusyritysten konsortio.

WirelessHART on jatkoa teollisuusautomaation HART-protokollalle. WirelessHART lisättiin yleiseen HART-protokollaan osana HART 7 -spesifikaatiota, jonka HART Communications Foundation hyväksyi kesäkuussa 2007.
6lowpan on ilmoitettu verkkokerroksen standardi, mutta sitä ei ole vielä otettu käyttöön.
ISA100 on toinen työ, jolla yritetään päästä WSN-tekniikkaan, mutta se on rakennettu sisällyttämään palauteohjaus laajemmin alaansa. ANSI-standardeihin perustuvan ISA100:n käyttöönotto on tarkoitus saattaa päätökseen vuoden 2008 loppuun mennessä.

WirelessHART, ISA100, ZigBee, ja ne kaikki perustuvat samaan standardiin: IEEE 802.15.4 - 2005.

Langattoman sensorin verkkoohjelmisto

käyttöjärjestelmä

Langattomien anturiverkkojen käyttöjärjestelmät ovat vähemmän monimutkaisia kuin yleiskäyttöiset käyttöjärjestelmät anturiverkkolaitteiston resurssirajoitusten vuoksi. Tästä johtuen käyttöjärjestelmän ei tarvitse ottaa käyttöön käyttöliittymien tukea.

Langattomien anturiverkkojen laitteisto ei eroa perinteisistä sulautetuista järjestelmistä, joten anturiverkkoihin voidaan käyttää sulautettua käyttöjärjestelmää

Visualisointisovellukset

Ohjelma mittaustulosten visualisointiin ja raporttien luomiseen MoteView v1.1

Langattomien anturiverkkojen tiedot tallennetaan tyypillisesti digitaalisena tietona keskustukiasemaan. On olemassa monia vakioohjelmia, kuten TosGUI MonSense, GNS, jotka helpottavat näiden suurten tietomäärien tarkastelua. Lisäksi Open Consortium (OGC) määrittelee koodauksen metatietojen yhteentoimivuuden ja yhteentoimivuuden standardit, jotka mahdollistavat reaaliaikaisen langattoman anturiverkon valvonnan tai ohjaamisen verkkoselaimen kautta.

Langattomien anturiverkkojen solmuista tulevien tietojen käsittelyssä käytetään ohjelmia, jotka helpottavat tietojen tarkastelua ja arviointia. Yksi tällainen ohjelma on MoteView. Tämän ohjelman avulla voit tarkastella tietoja reaaliajassa ja analysoida niitä, rakentaa kaikenlaisia kaavioita ja laatia raportteja eri osioissa.

Käytön edut

Ei tarvitse asentaa kaapeleita virransyöttöä ja tiedonsiirtoa varten;
Alhaiset komponenttien kustannukset, järjestelmän asennus, käyttöönotto ja huolto;
Verkon käyttöönoton nopeus ja yksinkertaisuus;
Koko järjestelmän luotettavuus ja vikasietoisuus yksittäisten yksiköiden tai komponenttien vian sattuessa;
Mahdollisuus toteuttaa ja muokata verkkoa missä tahansa laitoksessa häiritsemättä itse laitoksen toimintaa
Mahdollisuus nopeaan ja tarvittaessa hienovaraiseen koko järjestelmän asennukseen.

Jokainen anturi on olutkorkin kokoinen (mutta jatkossa niiden kokoa voidaan pienentää satoja kertoja) sisältää prosessorin, muistin ja radiolähettimen. Tällaiset kannet voivat olla hajallaan mille tahansa alueelle, ja ne muodostavat yhteyden toisiinsa, muodostavat yhden langattoman verkon ja alkavat lähettää tietoja lähimmälle tietokoneelle.

Langattomaan verkkoon integroidut anturit voivat valvoa ympäristöparametreja: liikettä, valoa, lämpötilaa, painetta, kosteutta jne. Valvontaa voidaan suorittaa erittäin laajalla alueella, koska anturit välittävät tietoa ketjua pitkin naapuriltaan naapurille. Teknologian ansiosta ne voivat toimia vuosia (jopa vuosikymmeniä) vaihtamatta paristoja. Anturiverkot ovat tietokoneen yleismaailmallisia aisteja, ja tietokone voi tunnistaa kaikki antureilla varustetut fyysiset esineet maailmassa. Tulevaisuudessa jokainen miljardeista antureista saa IP-osoitteen, ja ne voivat jopa muodostaa jotain globaalin anturiverkon kaltaista. Toistaiseksi vain armeija ja teollisuus ovat olleet kiinnostuneita anturiverkkojen kyvyistä. Anturiverkkojen markkinatutkimukseen erikoistuneen ON Worldin tuoreimman raportin mukaan markkinat ovat tänä vuonna kokemassa merkittävää nousua. Toinen merkittävä tapahtuma tänä vuonna oli maailman ensimmäisen ZigBee-järjestelmän julkaisu yhdellä sirulla (valmistaja Ember). ON Worldin haastattelemista suurista yhdysvaltalaisista teollisuusyrityksistä noin 29 % käyttää jo anturiverkkoja, ja 40 % aikoo ottaa ne käyttöön 18 kuukauden sisällä. Amerikassa on ilmestynyt yli sata kaupallista yritystä, jotka harjoittavat anturiverkkojen luomista ja ylläpitoa.

Tämän vuoden loppuun mennessä planeetan antureiden määrä ylittää miljoonan. Nyt ei vain verkkojen määrä, vaan myös niiden koko kasvaa. Ensimmäistä kertaa on luotu useita yli 1000 solmun verkkoja, joista yksi on 25 tuhatta solmua, ja ne toimivat menestyksekkäästi.

Lähde: Web PLANET

Sovellukset

WSN:n sovelluksia on monia ja erilaisia. Niitä käytetään kaupallisissa ja teollisissa järjestelmissä sellaisten tietojen tarkkailuun, joita on vaikea tai kallista seurata langallisten antureiden avulla. WSN:itä voidaan käyttää vaikeapääsyisillä alueilla, joissa ne voivat pysyä useiden vuosien ajan (ekologinen ympäristön seuranta) ilman tarvetta vaihtaa virtalähteitä. He voivat hallita suojatun laitoksen rikkojien toimintaa

WSN:ää käytetään myös valvontaan, seurantaan ja ohjaukseen. Tässä on joitain sovelluksia:

Savuvalvonta ja palonhavaitseminen suurilta metsiltä ja suoilta
Lisätietolähde Venäjän federaation subjektien hallinnon kriisikeskuksille
Seismisen potentiaalin stressin tunnistus
Sotilaalliset havainnot
Kohteen liikkeen akustinen havaitseminen turvajärjestelmissä.
Tilan ja ympäristön ekologinen seuranta
Teollisuuden prosessien valvonta, käyttö MES-järjestelmissä
Lääketieteellinen seuranta

Rakennusautomaatio:

	lämpötilan, ilmavirran, ihmisten läsnäolon ja laitteiden ohjauksen valvonta mikroilmaston ylläpitämiseksi;
	valaistuksen ohjaus;
	energian hallinta;
	kotitalouksien mittareiden lukemien kerääminen kaasulle, vedelle, sähkölle jne.;
	turva- ja palohälytysjärjestelmä;
	rakennusten ja rakenteiden kantavien rakenteiden kunnon seuranta.

Teollisuusautomaatio:

	teollisuuslaitteiden kauko-ohjaus ja diagnostiikka;
	laitteiden huolto nykytilan perusteella (turvamarginaalin ennustaminen);
	tuotantoprosessien seuranta;

Kireev A.O., Svetlov A.V. LANGATON ANTURIVERKOT OBJEKTURVATEKNOLOGIAN ALALLA

Vakiintunut termi "langaton sensoriverkko" (WSN) tarkoittaa uutta langattomien järjestelmien luokkaa, joka on hajautettu, itseorganisoituva ja vikasietoinen verkko miniatyyreistä elektronisista laitteista, joissa on autonomiset virtalähteet. Tällaisen verkon älykkäät solmut pystyvät välittämään viestejä pitkin ketjua, mikä tarjoaa merkittävän järjestelmän peittoalueen alhaisella lähetysteholla ja siten järjestelmän korkealla energiatehokkuudella.

Tällä hetkellä kiinnitetään paljon huomiota alueiden automatisoidun valvonnan järjestämiseen, jotta saadaan operatiivista tietoa tunkeilijan läsnäolosta, hänen liikkeestään ja luvattomista toimista valtiolle erityisen tärkeiden (ydinvoima-, hallitus-, sotilas-) laitosten vieressä olevilla alueilla. rajalla tai sijaitsee tiedusteluyksiköiden vastuualueella (seuranta vihollisen etulinjoja ja takaviestintää). Näiden ongelmien rationaaliseksi ratkaisemiseksi on tarpeen käyttää uuden sukupolven teknisiä keinoja ja algoritmeja, jotka eroavat olennaisesti nykyisistä. Lupaavimpana suunnana tällä alueella pitäisi olla langattomien anturiverkkojen luominen. Ne mahdollistavat laajojen alueiden täydellisen kohdennetun seurannan.

Kohteen turvajärjestelmiin liittyen WSN:iden on tunnistettava ja luokiteltava tunkeilija, määritettävä koordinaatit ja ennakoitava hänen liikkeensä liikeradat. Hajautetun älykkyyden hallussa järjestelmä varmistaa itsenäisesti tiedonkulkujen suunnan muutoksen, esimerkiksi ohittamalla epäonnistuneet tai tilapäisesti toimimattomat solmut, ja järjestää luotettavan tiedonsiirron koko valvotulla alueella ja keskuspisteeseen.

Lupaavia ovat myös WSN:t, joissa kunkin anturin lähetin-vastaanotin on itse asiassa kohteen tunnistusanturi (radiokanavan kantoaallon tason laskun vaikutus verkon peittoalueella olevan kohteen ilmestymisen vuoksi).

Lähetetyn tiedon korkean luotettavuuden ja suojauksen varmistamiseksi WSN-verkkojen tulisi kehittää omat radioprotokollansa, jotka kestävät viestintäkanavan ominaisuuksien muutoksia, radiohäiriöitä, sieppauksia ja tietojen jäljitelmiä. Tässä tapauksessa on suositeltavaa käyttää hajaspektritekniikoita - DSSS (suora sekvenssisekvenssi) ja FHSS (taajuushyppely) -menetelmiä.

Mitä tulee tiedonsiirtovälineeseen pääsyn mekanismeihin, on olemassa toisensa poissulkevia vaatimuksia järjestelmän korkealle energiatehokkuudelle ja minimaalisille aikaviiveille datan etenemiselle WSN:ssä. CSMA/CA:n (carrier sense multiple media access and törmäysten välttäminen) käyttämisessä perusalgoritmina on haittapuolensa - verkkolaitteiden on oltava jatkuvassa kuuntelutilassa, mikä johtaa energiankulutuksen kasvuun. Täysin asynkronisissa verkoissa tämä algoritmi on tehoton.

Tässä tilanteessa hyväksyttävin on "slotted" CSMA/CA-algoritmi, joka yhdistää synkronoidun pääsyn (TDMA-aikajako) ja kilpailullisen pääsyn periaatteet.

Langattomien anturiverkkojen alan avoimista standardeista vain ZigBee-standardi on tähän mennessä ratifioitu, joka perustuu aiemmin hyväksyttyyn 802.15.4-standardiin, joka kuvaa fyysistä kerrosta (PHY) ja media access layeria (MAC) langattomille henkilökohtaisille laitteille. alueverkot (WPAN). Tämä tekniikka kehitettiin alun perin tehtäviin, jotka eivät vaadi suuret nopeudet tiedon siirto. Tällaisten verkkojen laitteiden tulisi olla mahdollisimman halpoja ja erittäin alhaisella energiankulutuksella.

ZigBee-ratkaisujen kiistattomista eduista on huomattava myös merkittäviä haittoja. Esimerkiksi kolmen eri laiteluokan (koordinaattorit, reitittimet ja päätelaitteet) läsnäolo vähentää merkittävästi verkon vikasietokykyä sen yksittäisten elementtien vikaantuessa. Lisäksi tällainen rakenne edellyttää laitteiden sijoittelun suunnittelua järjestelmän suunnitteluvaiheessa, jolloin verkon vastustuskyky topologian muutoksille pienenee jyrkästi.

Mesh-verkot ovat vapaita kaikista näistä haitoista - monisoluisista vertaisverkoista, joissa jokainen solmu voi välittää paketteja toimituksen aikana. Tällaisen verkon solmut ovat samanarvoisia ja keskenään vaihdettavissa - seurauksena järjestelmän skaalautuvuus paranee ja sen vikasietoisuus kasvaa.

Turvajärjestelmän langattoman anturiverkon tulee valvoa mahdollisimman suurta aluetta. Tältä osin yksi tärkeimmistä vaatimuksista elementtipohjan valinnassa radiokanavan luomiseksi yksittäisten verkkosolmujen välille on suurin viestintäalue. Toiminnalla 433 MHz:n taajuusalueella (avoinna vapaaseen käyttöön Venäjällä) on useita etuja verrattuna toimintaan 2,4 GHz:n mikroaaltoalueella (jolle tuotetaan pääasiallinen ZigBee-laitteiden valikoima). Näin ollen 433 MHz:n alueella luotettavan tiedonsiirron kantama on useita kertoja suurempi kuin 2,4 GHz:n alueella samalla lähetinteholla. Lisäksi 433 MHz:n kaistalla toimivat laitteet kestävät melko hyvin radioaaltojen tiellä olevia esteitä, kuten sadetta, maaston muutoksia, puita jne. 433 MHz radioaallot leviävät paljon paremmin ahtaissa tiloissa, kuten metrotunneleissa. , kaupungin kaduilla jne. kuin radioaallot 2,4 GHz:n alueella. 2,4 GHz:n kaistan etu tiedonsiirtonopeudessa ei ole kriittinen tietoturvateknologioiden alalla, sillä siirrettävän tiedon määrä on yleensä merkityksetön ja rajoittuu kymmeniin tavuihin (telemetriaa lukuun ottamatta).

Siten WSN-solmun lähetin-vastaanottimen valinta kohteen suojausta varten suoritetaan 433 MHz:n alueella. Lähetin-vastaanottimilla on oltava korkea energiatehokkuus (syöttöjännite enintään

3,3 V, alhainen virrankulutus), toimivat lämpötila-alueella miinus 40 ... +85 ° C.

XE-MICS-lähetinvastaanottimilla on monien ISM-kaistaisten lähetin-vastaanottimen sirujen joukossa erityinen paikka. Kaksi tämän yrityksen mikropiiriä sopii käytettäväksi langattomissa anturiverkoissa: XE1203F ja

Nämä ovat integroituja yksisiruisia half-duplex-lähetin-vastaanottimia, jotka on rakennettu käyttämällä suoraa (Zero-IF) muunnosjärjestelmää ja tarjoavat 2-tasoisen taajuusmuutosavainnoinnin ilman vaihekatkoa (CPFSK) ja NRZ-koodausta. Siten XEMICS-lähetin-vastaanottimissa toteutettu kantoaaltomodulaation tyyppi mahdollistaa toimintataajuuskaistan järkevän käytön.

Yhteistä XE1203F- ja XE1205F-lähetin-vastaanottimille ovat erittäin alhainen virrankulutus: toiminta syöttöjännitealueella 2,4...3,6 V, kulutusvirrat:

0,2 µA lepotilassa;

14 mA vastaanottotilassa;

62 mA lähetystilassa (+15 dBm).

Toimintataajuusalue: 433-435 MHz. Lämpötila-alue: miinus 40. +85°С. Transi vastaanottimet

versit ovat identtisiä keskenään ja ne on rakennettu suoralla taajuusmuunnolla varustetun piirin mukaan. Näiden moduulien sisällä on sisäänrakennettu taajuussyntetisaattori, joka perustuu sigma-delta PLL-silmukkaan 500 Hz askelmalla.

Vastaanottimissa on RSSI (Received Signal Strength Indicator) -osoitin, joka yhdistettynä lähtötehon ohjelmointikykyyn mahdollistaa mukautuvan tehonhallinnan idean toteuttamisen. Lähetin-vastaanotin sisältää taajuudensäätölaitteen FEI (Frequency Error Indicator), jonka avulla voit saada tietoa vastaanottimen paikallisoskillaattorin taajuuspoikkeamasta ja järjestää automaattisen taajuuden ohjauksen.

Lähetin-vastaanottimissa on myös kuviontunnistustoiminto, jonka ansiosta lähetin-vastaanotin voi havaita ohjelmiston määrittämän sanan (enintään 4 tavua) vastaanotetusta tietovirrasta. Viimeistä ominaisuutta voidaan käyttää moduulien tunnistamiseen WSN:ssä, mikä vähentää palvelutavujen määrää lähetetyssä paketissa.

Tärkeimmät erot näiden kahden moduulin välillä ilmenevät erilaisten spektrinlaajennusmenetelmien käytössä.

XE1203F-lähetin-vastaanottimessa on laitteistollinen suorasekvenssisignaalispektrin laajennusyksikkö - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Kun DSSS-tila on aktivoitu, jokainen databitti koodataan 11-bittisellä Barker-koodilla: 101 1011 1000 tai 0x5B8h. Barker-koodin autokorrelaatiofunktiolla on selvä autokorrelaatiohuippu.

Toisin kuin XE1203F, XE1205F-lähetin-vastaanotin (ja siihen perustuva DP1205F-moduuli) on kapeakaistainen laite. Pienin sisäinen kaistanpäästösuodattimen arvo, joka voidaan asettaa 2-bittisellä konfigurointirekisterillä, on 10 kHz (käyttämällä erityistä Lisäasetukset, tämä arvo voidaan pienentää jopa 7 kHz:iin!). Mahdollisten kanavien määrä tässä tapauksessa

Tämä ominaisuus mahdollistaa XE1205F:n käytön tietyissä kapeakaistasovelluksissa. Kaistanleveyden kaventamista voidaan käyttää, jos datanopeus ja taajuuspoikkeama eivät ylitä 4800 bittiä ja 5 kHz, ja edellyttäen, että referenssioskillaattorin kellotaajuutta stabiloi erittäin stabiili resonaattori tai käytetään taajuuskorjausta.

Lähetin-vastaanotin käyttää 16-tavuista FIFO-puskuria lähetettyjen tai vastaanotettujen datatavujen tallentamiseen. Datatavut lähetetään ja vastaanotetaan FIFO-puskurista ulkoisen standardinmukaisen 3-johtimisen SPI-sarjaliitännän kautta.

Kapeakaistainen sekä lähettimen lyhyt palautumisaika kanavien välillä vaihdettaessa (~150 μs) mahdollistaa XE1205F-lähetin-vastaanottimen käytön radiojärjestelmien rakentamiseen taajuushyppelymenetelmällä (FHSS). Taajuushyppelymenetelmä tarkoittaa, että koko lähetykseen varattu toimintataajuuskaista jaetaan tiettyyn määrään taajuuskanavia. Hyppyjä kanavalta kanavalle tapahtuu synkronisesti tietyssä järjestyksessä (esimerkiksi lineaarisesti tai näennäissatunnaisesti).

Toinen XE1205F-lähetin-vastaanottimen etu on sen luokkansa ainutlaatuinen vastaanottimen herkkyys -121 dBm.

Mitä tulee tiedonsiirtonopeuksiin, XE1203F-moduulin ominaisuudet Barker-koodekkia käytettäessä vaikuttavat riittämättömiltä jopa turvajärjestelmille - vain 1,154 kBit. Tämä indikaattori ei salli energiatehokkaan WSN:n toteuttamista, koska CSMA/CA-protokollan tarjoama lepotila on liian lyhyt.

Objektien turvallisuuden langattomien anturiverkkosolmujen lähetin-vastaanottimien on tarjottava kyky:

mesh-verkon luominen laajemmalla kantamalla;

toteutus fyysisellä tasolla - FHSS-spektrin laajennustekniikat;

toteutus keskitason käyttöoikeustasolla - "slotted" CSMA/CA käyttösynkronoinnilla.

Edellä esitetyn perusteella voidaan päätellä, että XE1205F-lähetin-vastaanotinmoduulia kannattaa käyttää langattoman anturiverkon fyysisten ja MAC-tasojen organisoimiseen objektin turvaamiseksi.

KIRJALLISUUS

1. Varaguzin V. Radioverkot tietojen keräämiseen antureista, valvontaan ja hallintaan IEEE 802.15.4 -standardin perusteella // TeleMultiMedia. - 2005.-№6.- S23-27. - www.telemultimedia.ru

2. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I., Portnoy S.L., Shakhnovich I.V. Langattomat laajakaistaiset tiedonsiirtoverkot. - M.: Teknosfääri, 2005 - 592 s.

3. Baskakov S., Oganov V. MeshLogic™-alustaan perustuvat langattomat anturiverkot // Elektroninen

Komponentit. - 2006. - Nro 8. - P.65-69.

4. Goryunov G. Integroitu mikroaaltolähetin-vastaanotin XE1203. // Elektronisten komponenttien maailma. - 2004. - Nro 1. -