WSN, аббревиатура от Wireless Sensor Networks, обнаруживает и реагирует на физические условия и условия окружающей среды, такие как тепло, давление, свет и т. д., через свою сенсорную сеть.

Достижения в области беспроводных технологий и датчиков микроэлектромеханической системы (МЭМС) сделали возможным интеллектуальное развертывание маломощных датчиков на обширной территории, создавая недорогие беспроводные сети для военных и гражданских приложений.

В следующем разделе мы обсудим типы WSN, их компоненты и приложения, а также их преимущества и недостатки и приложения.

В чем смысл сети?

Сеть связывает устройства, которые позволяют обмениваться информацией и совместно использовать ресурсы. Эти интегрированные устройства используют протоколы связи, такие как TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP и т. д., которые представляют собой набор правил для передачи данных по беспроводным или проводным сетям.

По сути, существует два типа сетей: проводные и беспроводные. Проводные и беспроводные сети различаются по скорости передачи данных, безопасности данных, дальности связи и стоимости.

Проводная сеть классифицируется по взаимосвязи устройств через физические кабели, в то время как беспроводные сети зависят от радиоволн для подключения устройств. Доступны различные беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, Bluetooth и т. д.

Беспроводная сенсорная сеть (WSN), как следует из названия, представляет собой беспроводную технологию, а связь осуществляется посредством радиосигналов.

Что такое беспроводная сенсорная сеть (WSN)?

Сеть беспроводных датчиков, также называемая WSN, представляет собой набор специализированных датчиков, расположенных в разных местах в определенных структурах для записи и мониторинга физических параметров окружающей среды и организации полученных данных в централизованном месте.

Эти физические параметры включают, помимо прочего, температуру, давление, ветер и влажность, а также другие факторы.

Изображение предоставлено: electronicshub

Сеть WSN включает в себя базовые станции и узлы, расположенные в разных местах, которые взаимодействуют по беспроводной сети. Структура WSN может быть реализована с использованием четырех различных подходов, а именно двухточечного, звездообразного, древовидного и сетчатого типов.

Расположение БСС можно разделить на пять типов в зависимости от физической среды: подземные, наземные, подводные, мультимедийные и мобильные БСС.

В новых конструкциях датчиков используются инженерные и технологические достижения для объединения физических и цифровых сфер для получения эффективных результатов.

WSN состоит из узлов с датчиками, обнаруживающими физические изменения и изменения окружающей среды, которые передают данные на базовую станцию ​​для анализа и вывода отчетов.

Интеграция беспроводных сенсорных сетей с GPS или RFID может расширить зону покрытия и создать сложные системы отслеживания или мониторинга.

WSN нацелены на сбор информации об окружающей среде для повышения безопасности, производительности и предотвращения несчастных случаев при одновременной защите окружающей среды.

Компоненты WSN

Давайте посмотрим список компонентов, из которых состоит WSN. В основном в WSN есть две части: сенсорный узел и сетевая архитектура.

Сенсорный узел

Сенсорный узел состоит из следующих компонентов:

  • Блок питания: для питания всех компонентов сети.
  • Чувствительный блок: состоит из датчика и АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Датчик собирает аналоговые данные, а АЦП преобразует их в цифровой формат. Узлы датчиков не только имеют функцию обнаружения, но также имеют компоненты обработки, связи и хранения. Sensor Node собирает и анализирует физические данные, а также сопоставляет и объединяет их с данными других датчиков.
  • Блок обработки: состоит из памяти и микропроцессора. Он интеллектуально обрабатывает и манипулирует данными.
  • Система связи: радиосистема для передачи и приема данных.
  • Базовая станция: это необычный узел с высокой вычислительной мощностью и вычислительной мощностью.

Изображение предоставлено: electronicshub

Головка кластера: это узел обнаружения с высокой пропускной способностью, используемый для выполнения функций слияния и агрегации данных в WSN. В зависимости от системных требований и приложений внутри кластера будет находиться более одной головки кластера.

В беспроводной сенсорной сети (WSN) сенсорный узел связывается с другими сенсорными узлами, развернутыми на больших площадях, для мониторинга физической среды и базовой станции (BS) посредством беспроводной связи. Узлы датчиков собирают данные и отправляют их на базовую станцию. Базовые станции обрабатывают данные и обмениваются обновленной информацией с пользователями в режиме онлайн.

Сетевая архитектура

Когда все сенсорные узлы подключены к базовой станции, это называется сетевой архитектурой с одним переходом. Когда данные передаются на большие расстояния, это потребляет больше энергии, чем сбор и вычисление данных, поэтому в таких случаях обычно используется многоскачковая сетевая архитектура с использованием промежуточных узлов вместо единственного канала, соединяющего сенсорный узел с базовой станцией.

Изображение предоставлено: electronicshub

Существует два способа реализации этих структур: плоская сетевая архитектура и иерархическая сетевая архитектура.

В плоской архитектуре базовая станция отправляет команды всем сенсорным узлам, а сенсорные узлы отвечают через одноранговые узлы, используя многоскачковый путь.

В иерархической сетевой архитектуре головки кластеров получают информацию от группы сенсорных узлов и передают данные на базовую станцию.

Другие компоненты WSN

  • Узел ретрансляции: промежуточный узел используется для связи с соседним узлом. Он повышает надежность сети и не имеет технологического датчика или управляющего оборудования.
  • Узел актора: высокопроизводительный узел используется для выполнения и построения решения в зависимости от требований приложения. Как правило, эти узлы представляют собой устройства с богатыми ресурсами, оснащенные высококачественными возможностями обработки, высокой мощностью передачи и временем автономной работы.
  • Шлюз: Шлюз — это интерфейс между сенсорными сетями и внешними сетями. По сравнению с сенсорным узлом и головкой кластера, шлюзовой узел является наиболее мощным в отношении памяти программ и данных, используемого процессора, диапазона приемопередатчика и возможности расширения за счет внешней памяти.

Типы беспроводных сенсорных сетей (WSN)

Существует пять различных типов WSN:

  • Под водой: сеть подводных беспроводных датчиков использует сенсорные узлы и транспортные средства под водой для сбора данных. У него высокая задержка и проблемы со сбоями датчиков, а также ограниченное количество неперезаряжаемых батарей.
  • Подземный: этот тип отслеживает подземные условия, потому что они работают полностью под землей, а узлы Sink, расположенные над землей, передают данные на базовую станцию. Это стоит больше, чем наземные сети из-за дорогого оборудования и обслуживания.
  • Наземный: этот тип сети используется на суше для мониторинга условий окружающей среды в различных областях. Тысячи узлов беспроводных датчиков в наземных WSN развернуты в специальной или заранее спланированной структуре для эффективной связи с базовыми станциями.
  • Мультимедиа: WSN могут отслеживать и контролировать мультимедийные события, такие как видео, изображения и аудио. У них есть доступные сенсорные узлы с камерами и микрофонами, которые подключаются по беспроводной сети, извлекают, сжимают и коррелируют данные.
  • Мобильный: Мобильные WSN состоят из сенсорных узлов, которые могут перемещаться и обмениваться данными, выполняя сенсорные функции. Мобильные беспроводные сенсорные сети обеспечивают большую гибкость, более широкое покрытие, лучшую пропускную способность канала и экономию энергии по сравнению со стационарными сенсорными сетями.

Развертывание типа WSN основано на приложении и требованиях к земле.

Различные структуры WSN

Существует четыре типа сетевых структур, но их реализация влияет на задержку, пропускную способность и надежность, поскольку маршрутизация и обработка данных меняются в зависимости от различных сетевых структур. Таким образом, оценка требований и характер приложения должны быть известны до развертывания структуры WSN.

Узлы также могут быть подключены к Интернету и передавать данные на облачную платформу для дальнейшего анализа.

Изображение предоставлено: Researchgate

  • Структура «точка-точка» или «шина»: датчики в этой сети могут напрямую связываться друг с другом без какого-либо центрального концентратора. Эта структура широко используется и обеспечивает безопасную связь.
  • Звездообразная структура: звездообразная сеть использует базовую станцию ​​в качестве центрального концентратора для связи со всеми датчиками, она проста в реализации и требует малой мощности. Одним из недостатков этой структуры является зависимость от одной базовой станции для связи.
  • Древовидная или гибридная структура: включает в себя двухточечные и звездообразные структуры. В этой структуре датчики располагаются в древовидной конфигурации, а передача данных происходит по ветвям между ними. Он потребляет меньше энергии, чем другие конструкции.
  • Ячеистая структура: в этой структуре передача данных происходит между датчиками в пределах их диапазонов передачи для многоскачковой связи без необходимости в центральной базовой станции. Датчики могут использовать промежуточные датчики для передачи данных на датчики за пределами их зоны радиопокрытия. Следовательно, он известен своей масштабируемостью и избыточностью. Он считается самым надежным, так как не имеет единой точки отказа, но требует большей мощности.

Приложения БСС

WSN широко используются во многих секторах, где требуется измерение, отслеживание или наблюдение. Они распределяются по площади, измеряя температуру, звук и другие параметры в различных приложениях.

  • Они используются для наблюдения за регионами путем развертывания датчиков для обнаружения попыток вторжения, поэтому они широко используются в вооруженных силах для обнаружения враждебных вторжений.
  • Они популярны среди гражданских приложений, таких как горнодобывающая промышленность, здравоохранение, наблюдение, сельское хозяйство и другие условия мониторинга.
  • Узлы беспроводных датчиков обнаруживают припаркованные транспортные средства с помощью магнитометров, а для отслеживания можно использовать микрорадары и магнитометры.
  • WSN очень популярен в мониторинге и зондировании окружающей среды / Земли, таких как предотвращение стихийных бедствий, обнаружение оползней, мониторинг качества воды, обнаружение лесных пожаров и мониторинг среды обитания. Также широко используется в решениях для промышленного мониторинга, таких как состояние машин, сточные воды, состояние конструкций и т. д.

Преимущества и недостатки беспроводных сенсорных сетей

В этом разделе мы рассмотрим преимущества и недостатки WSN:

Преимущества

  • WSN предпочтительнее проводных систем мониторинга из-за их удобства, надежности, доступности и простоты развертывания.
  • WSN устраняет необходимость в кабелях или проводах.
  • Эффективность WSN обусловлена ​​многими факторами: точностью обнаружения, диапазоном покрытия, отказоустойчивостью, возможностью подключения, низким уровнем участия человека, функциональностью в сложных условиях и динамическим планированием датчиков.
  • Обеспечивает централизованный мониторинг всех узлов в WSN.
  • Адаптируется к физическим разделам без проблем.
  • Протоколы маршрутизации для связи в среде с ограниченной производительностью и пропускной способностью, создание самоорганизующихся одноранговых сетей, в которых используется многоскачковая связь.
  • Он использует алгоритмы безопасности на основе беспроводной технологии для создания надежной сети для пользователей.
  • Позволяет легко интегрировать новые узлы или устройства для масштабируемости.

Недостатки

  • WSN сталкиваются с такими проблемами, как ограниченная пропускная способность, высокое энергопотребление, высокая стоимость узлов, модели развертывания и ограничения аппаратного и программного обеспечения.
  • Беспроводные сенсорные сети подвержены взлому.
  • WSN предназначены для низкоскоростных приложений и не подходят для высокоскоростной связи.
  • Дорого строить сети WSN.
  • Вся сеть может отключиться в WSN на основе звездообразной топологии, если центральный узел выйдет из строя.

Образовательные ресурсы

№1. Создание беспроводных сенсорных сетей с использованием Arduino

Книга о построении беспроводной маломощной сети с оборудованием Arduino и XBee. Он включает в себя пояснения по разработке сложных проектов с помощью иллюстративных примеров. В книге представлены подробные изображения и скриншоты, а также объясняется проект домашней автоматизации, которому можно следовать как есть или настроить.

Вы узнаете, как беспроводным образом подключать платы Arduino с помощью модулей XBee и управлять окружающей средой на основе обратной связи от сетевых датчиков. Используйте программное обеспечение XCTU в Windows, OS X или Linux для сбора и хранения данных датчиков на облачной платформе или в личной базе данных. Кроме того, взаимодействуйте с устройствами домашней автоматизации ZigBee.

Эта книга может быть использована разработчиками встраиваемых систем и энтузиастами, разбирающимися в Arduino, для расширения своих проектов с использованием беспроводных технологий.

№ 2. Построение беспроводных сенсорных сетей: с ZigBee, XBee, Arduino и Processing

В этой книге особое внимание уделяется построению сети ZigBee с использованием радиостанций XBee и Arduino стоимостью менее 100 долларов. Создавайте настраиваемые системы обнаружения и срабатывания и изучайте тонкости XBee, такие как управление питанием и маршрутизация источников. Разработать шлюзы для взаимосвязи с соседними сетями, включая Интернет.

Эта книга поможет разным людям получить знания и навыки для реализации своих проектов, следуя примерам в каждой главе, включая изобретателей, хакеров, ремесленников, студентов, любителей и ученых.

Это отличный ресурс для создания интеллектуальных интерактивных гаджетов, а сенсорные системы доступны с использованием протокола беспроводной сети ZigBee и радиомодулей Series 2 XBee.

№3. Промышленные беспроводные сенсорные сети (IWSN): протоколы и приложения

В этой публикации представлены новые результаты исследований промышленных беспроводных сенсорных сетей. Документы, включенные в специальный выпуск, способствуют продвижению исследований IWSN и, как ожидается, будут стимулировать дальнейшие исследования и развертывание.

IWSN имеют решающее значение из-за растущего использования беспроводных сенсорных сетей в повседневной жизни и в промышленности, которые имеют высокие стандарты устойчивости, надежности и своевременности на каждом сетевом уровне.

№ 4. Создание сетей беспроводных датчиков с помощью ESP32 LoRa

Это руководство предназначено для реализации базовой беспроводной сенсорной сети (WSN) с ESP32 в сети LoRa.

Он охватывает различные темы, такие как подготовка среды разработки, настройка ESP32 LoRa, отправка и получение данных, обработка прерываний приемника LoRa, широковещательная передача сообщений в сети LoRa и создание приложения WSN с помощью ESP32 LoRa.

Заключительные слова

Сети беспроводных датчиков (WSN) стали жизненно важными для различных приложений мониторинга и отслеживания. WSN прошла путь от простого мониторинга датчиков до расширенного обнаружения, обработки и анализа.

Технология WSN значительно трансформировалась, чтобы собирать ценные знания и обеспечивать желаемые результаты.

Затем проверьте работу модели архитектуры протокола TCP/IP.