WSN, un acronim pentru Wireless Sensor Networks, detectează și răspunde la condițiile fizice și de mediu, cum ar fi căldura, presiunea, lumina etc., prin intermediul rețelei sale de senzori.
Progresele în tehnologia fără fir și senzorii Micro Electro Mechanical System (MEMS) au făcut posibilă implementarea inteligentă a senzorilor de putere redusă pe o zonă largă, creând WSN-uri ieftine pentru aplicații militare și civile.
În secțiunea de mai jos, vom discuta despre tipurile de WSN-uri, componentele și aplicațiile acestora, precum și avantajele și dezavantajele și aplicațiile acestora.
Cuprins
Care este semnificația unei rețele?
Rețeaua conectează dispozitive care permit schimbul de informații și partajarea resurselor. Aceste dispozitive integrate folosesc protocoale de comunicație precum TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP etc., care sunt un set de reguli pentru transmiterea datelor prin rețele fără fir sau cu fir.
Practic, există două tipuri de rețele: cu fir și fără fir. Rețelele cu fir și fără fir diferă în funcție de viteza de transfer de date, securitatea datelor, raza de comunicare și cost.
O rețea cu fir este clasificată prin interconectarea dispozitivelor prin cabluri fizice, în timp ce rețelele fără fir depind de undele radio pentru conectivitatea dispozitivului. Există diverse tehnologii wireless disponibile, cum ar fi Wi-Fi, Bluetooth etc.
Wireless Sensor Network (WSN), după cum spune și numele, este o tehnologie fără fir, iar comunicarea are loc prin semnale radio.
Ce este o rețea de senzori fără fir (WSN)?
O rețea de senzori fără fir, numită și WSN, este o colecție de senzori specializați aranjați în diferite locații în structuri specifice pentru a înregistra și monitoriza parametrii fizici de mediu și pentru a organiza datele rezultate într-o locație centralizată.
Acești parametri fizici includ, dar nu se limitează la, temperatură, presiune, vânt și umiditate, printre alți factori.
Credit imagine: electronicshub
O rețea WSN cuprinde stații de bază și noduri poziționate în diferite locații, care interacționează fără fir. Structura WSN poate fi implementată folosind patru abordări distincte, și anume tipuri de tip punct la punct, stea, arbore și ochiuri.
Un aranjament WSN poate fi clasificat în cinci tipuri în funcție de mediul fizic: WSN-uri subterane, terestre, subacvatice, multimedia și mobile.
Noile modele de senzori folosesc progresele ingineriei și tehnologice pentru a uni tărâmurile fizice și digitale pentru rezultate eficiente.
WSN constă din noduri cu senzori care detectează modificări fizice și de mediu care transmit date către o stație de bază pentru analiză și rapoarte.
Integrarea rețelelor de senzori fără fir cu GPS sau RFID poate îmbunătăți acoperirea și poate crea sisteme sofisticate de urmărire sau monitorizare.
WSN-urile urmăresc să culeagă informații de mediu pentru a spori siguranța, productivitatea și prevenirea accidentelor, protejând în același timp mediul.
Componentele unui WSN
Să vedem lista de componente care fac un WSN. În principal, există două părți în WSN: Nodul senzorului și Arhitectura de rețea.
Nod senzor
Nodul senzorului este format din următoarele componente:
- Sursă de alimentare: Pentru a alimenta toate componentele rețelei.
- Unitate de detectare: constă din senzor și ADC (convertor analog-digital). Senzorul adună date analogice, iar ADC le schimbă în format digital. Nodurile senzorilor nu numai că au o funcție de detectare, ci și componente de procesare, comunicare și stocare. Sensor Node colectează și analizează datele fizice și le corelează și le unește cu datele de la alți senzori.
- Unitate de procesare: Constă din memorie și microprocesor. Procesează și manipulează în mod inteligent datele.
- Sistem de comunicație: Un sistem radio pentru transmiterea și recepția de date.
- Stația de bază: este un nod extraordinar cu energie de calcul ridicată și capacitate de procesare.
Credit imagine: electronicshub
Cap de cluster: este un nod de detectare a lățimii de bandă mare utilizat pentru a efectua funcții de fuziune și agregare a datelor în WSN. Pe baza cerințelor de sistem și a aplicațiilor, mai mult de un cap de cluster va fi în interiorul clusterului.
Într-o rețea de senzori fără fir (WSN), un nod de senzori comunică cu alte noduri de senzori instalate în zone mari pentru a monitoriza mediul fizic și o stație de bază (BS) prin comunicare fără fir. Nodurile Senzor colectează date și le trimit la stația de bază. Stațiile de bază procesează datele și partajează informații actualizate cu utilizatorii online.
Arhitectura de rețea
Când toate nodurile senzorilor sunt conectate la stația de bază, se numește arhitectură de rețea cu un singur salt. Când datele sunt transmise pe distanțe lungi, consumă mai multă energie decât colectarea și calculul datelor, astfel încât în astfel de cazuri, arhitectura de rețea multi-hop este utilizată în mod obișnuit prin utilizarea nodurilor intermediare în loc de o legătură singulară care conectează nodul senzor la stația de bază.
Credit imagine: electronicshub
Există două moduri de implementare a acestor structuri: arhitectură de rețea plată și arhitectură de rețea ierarhică.
În arhitectura Flat, stația de bază comandă toate nodurile senzorilor, iar nodurile senzorilor răspund prin noduri egale folosind o cale multi-hop.
În arhitectura de rețea ierarhică, șefii de cluster primesc informații de la un grup de noduri senzori și transmit date către stația de bază.
Alte componente ale WSN
- Nod releu: Un nod intermediar este utilizat pentru a comunica cu nodul adiacent. Îmbunătățește fiabilitatea rețelei și nu are un senzor de proces sau echipament de control.
- Nod actor: un nod de ultimă generație este utilizat pentru a efectua și construi o decizie în funcție de cerințele aplicației. De obicei, aceste noduri sunt dispozitive bogate în resurse echipate cu capabilități de procesare de înaltă calitate, putere mare de transmisie și durata de viață a bateriei.
- Gateway: Gateway este o interfață între rețelele de senzori și rețelele externe. În comparație cu nodul senzor și capul cluster, nodul gateway este cel mai puternic în ceea ce privește memoria de programe și date, procesorul utilizat, raza transceiver-ului și posibilitatea de extindere prin memorie externă.
Tipuri de rețele de senzori fără fir (WSN)
Există cinci tipuri diferite de WSN:
- Subacvatic: rețeaua de senzori fără fir subacvatici utilizează noduri de senzori și vehicule sub apă pentru a colecta date. Are probleme de latență mare și defecțiuni ale senzorului și are baterii nereîncărcabile limitate.
- Subteran: Acest tip monitorizează condițiile subterane deoarece funcționează în întregime în subteran, iar nodurile Sink plasate deasupra solului transmit date către stația de bază. Costă mai mult decât rețelele terestre din cauza echipamentelor costisitoare și a întreținerii.
- Terestre: Acest tip de rețea este utilizat pe uscat pentru a monitoriza condițiile de mediu ale diferitelor zone. Mii de noduri de senzori wireless din WSN-urile terestre sunt implementate într-o structură ad-hoc sau pre-planificată pentru a comunica eficient cu stațiile de bază.
- Multimedia: WSN-urile pot urmări și monitoriza evenimente multimedia precum video, imagini și audio. Au noduri de senzori accesibile cu camere și microfoane care se conectează, preiau, comprimă și corelează fără fir datele.
- Mobile: WSN-urile mobile constau din noduri senzori care se pot mișca și comunica în timp ce efectuează funcții de detectare. Rețelele mobile de senzori fără fir oferă mai multă flexibilitate, o acoperire mai largă, o capacitate de canal mai bună și economisesc energie în comparație cu rețelele de senzori staționari.
Implementarea tipului WSN se bazează pe cerințele aplicației și la sol.
Diferite structuri ale WSN-urilor
Există patru tipuri de structuri de rețea, dar implementarea lor afectează latența, capacitatea și robustețea, deoarece rutarea și procesarea datelor se modifică cu diferite structuri de rețea. Deci, evaluarea cerințelor și a naturii aplicației ar trebui cunoscute înainte de implementarea structurii WSN.
Nodurile pot fi, de asemenea, conectate la internet și pot transfera date pe platforma cloud pentru analize ulterioare.
Credit imagine: Researchgate
- Structură punct la punct sau magistrală: Senzorii din această rețea pot comunica direct între ei, fără niciun hub central. Această structură este utilizată pe scară largă și oferă o comunicare sigură.
- Structura Star: Rețeaua Star folosește o stație de bază ca hub central pentru a comunica cu toți senzorii și este simplu de implementat și necesită o putere redusă. Unul dintre dezavantajele acestei structuri este dependența de o singură stație de bază pentru comunicare.
- Structură arborescentă sau hibridă: cuprinde structuri punct-la-punct și stele. În această structură, senzorii sunt aranjați într-o configurație asemănătoare arborelui, iar transmiterea datelor are loc prin ramuri între ei. Utilizează mai puțină energie decât alte structuri.
- Structura Mesh: În această structură, transmisia de date are loc între senzori în intervalele lor de transmisie pentru comunicarea multi-hop fără a fi nevoie de o stație de bază centrală. Senzorii pot folosi senzori intermediari pentru a transmite date către senzori din afara zonei lor de acoperire radio. Prin urmare, este cunoscut pentru scalabilitate și redundanță. Este considerat cel mai fiabil, deoarece nu există un punct singular de defecțiune, dar necesită mai multă putere.
Aplicații ale WSN
WSN-urile sunt utilizate pe scară largă în numeroase sectoare în care este necesară măsurarea, urmărirea sau supravegherea. Acestea se răspândesc pe o zonă, măsurând temperatura, sunetul și alți parametri în diverse aplicații.
- Sunt folosiți pentru a monitoriza regiuni prin desfășurarea de senzori pentru a detecta încercările de intruziune, așa că sunt folosiți pe scară largă în armată pentru a detecta invaziile ostile.
- Sunt populare printre aplicațiile civile, cum ar fi minerit, asistență medicală, supraveghere, agricultură și alte condiții de monitorizare.
- Nodurile senzoriale wireless detectează vehiculele parcate prin magnetometre, în timp ce microradarele și magnetometrele pot fi folosite pentru urmărire.
- WSN este foarte popular în monitorizarea și detectarea mediului/pământului, cum ar fi prevenirea dezastrelor naturale, detectarea alunecărilor de teren, monitorizarea calității apei, detectarea incendiilor forestiere și monitorizarea habitatelor. De asemenea, considerat pe scară largă în soluțiile de monitorizare industrială, cum ar fi sănătatea mașinii, apa uzată, sănătatea structurii etc.
Avantajele și dezavantajele rețelelor de senzori fără fir
În această secțiune, vom arunca o privire asupra avantajelor și dezavantajelor WSN:
Avantaje
- WSN-urile sunt preferate sistemelor de monitorizare prin cablu datorită confortului, fiabilității, accesibilității și ușurinței de implementare.
- WSN elimină nevoia de cabluri sau fire.
- Competențele WSN se datorează multor factori: precizia de detectare, intervalul de acoperire, toleranța la erori, conectivitate, implicarea umană scăzută, funcționalitatea în condiții dificile și programarea dinamică a senzorilor.
- Permite monitorizarea centralizată a tuturor nodurilor din cadrul WSN.
- Adaptabil la partiții fizice fără nicio problemă.
- Protocoale de rutare pentru a comunica într-un mediu limitat de performanță și lățime de bandă, creând rețele ad-hoc auto-organizate care utilizează comunicarea multi-hop.
- Utilizează algoritmi de securitate bazați pe tehnologie wireless pentru a crea o rețea de încredere pentru utilizatori.
- Permite integrarea ușoară a noilor noduri sau dispozitive pentru scalabilitate.
Dezavantaje
- WSN-urile se confruntă cu provocări precum lățime de bandă limitată, consum mare de energie, costuri costisitoare ale nodurilor, modele de implementare și constrângeri de proiectare hardware/software.
- Rețelele de senzori fără fir sunt susceptibile la hacking.
- WSN-urile sunt concepute pentru aplicații de viteză redusă și nepotrivite pentru comunicații de mare viteză.
- Construirea de rețele WSN este costisitoare.
- Întreaga rețea se poate închide în WSN-uri bazate pe topologie în stea dacă nodul central eșuează.
Resurse de învățare
#1. Construirea rețelelor de senzori fără fir folosind Arduino
O carte despre construirea unei rețele wireless, cu putere redusă, cu echipamente Arduino și XBee. Include explicații privind dezvoltarea proiectelor complexe prin exemple ilustrative. Cartea oferă imagini detaliate și capturi de ecran și explică un proiect de automatizare a locuinței care poate fi urmărit așa cum este sau personalizat.
Veți învăța cum să conectați fără fir plăcile Arduino folosind module XBee și să controlați mediul pe baza feedback-ului de la senzorii de rețea. Utilizați software-ul XCTU pe Windows, OS X sau Linux pentru colectarea și stocarea datelor senzorilor într-o platformă cloud sau o bază de date personală. De asemenea, interacționați cu dispozitivele ZigBee Home Automation.
Această carte poate fi folosită de dezvoltatorii de sisteme încorporate și de pasionații cu înțelegere Arduino pentru a-și extinde proiectele folosind tehnologia wireless.
#2. Construirea rețelelor de senzori fără fir: cu ZigBee, XBee, Arduino și procesare
Această carte pune accent pe construirea unei rețele ZigBee folosind radiouri XBee și Arduino care costă sub 100 USD. Creați sisteme de detectare și acționare reglabile și obțineți cunoștințe despre complexitățile XBee, cum ar fi gestionarea energiei și rutarea sursei. Dezvoltați gateway-uri pentru interconectarea cu rețelele adiacente, inclusiv internetul.
Această carte va ajuta diverși indivizi să dobândească cunoștințe și abilități pentru a-și urma proiectele, urmând exemplele din fiecare capitol, inclusiv inventatori, hackeri, artizani, studenți, pasionați și oameni de știință.
Este o resursă excelentă pentru crearea de gadgeturi interactive inteligente, iar sistemele de senzori sunt disponibile utilizând protocolul de rețea fără fir ZigBee și radiourile XBee din seria 2.
#3. Rețele de senzori fără fir industrial (IWSN): protocoale și aplicații
Această publicație prezintă noi descoperiri ale cercetării privind rețelele industriale de senzori fără fir. Lucrările incluse în numărul special contribuie la avansarea cercetării privind IWSN-urile și se așteaptă să inspire cercetări și implementări ulterioare.
IWSN-urile sunt cruciale datorită utilizării în creștere a rețelelor de senzori fără fir în viața de zi cu zi și în industrie, care au standarde ridicate de robustețe, fiabilitate și promptitudine în fiecare nivel de rețea.
#4. Construirea rețelelor de senzori fără fir cu ESP32 LoRa
Acest ghid este pentru a implementa o rețea de senzori fără fir (WSN) de bază cu ESP32 în rețeaua LoRa.
Acesta acoperă diverse subiecte, cum ar fi pregătirea mediului de dezvoltare, configurarea ESP32 LoRa, trimiterea și primirea datelor, gestionarea întreruperii receptorului LoRa, difuzarea mesajelor în rețeaua LoRa și crearea unei aplicații WSN cu ESP32 LoRa.
Cuvinte finale
Rețelele de senzori fără fir (WSN) au devenit vitale pentru diverse aplicații de monitorizare și urmărire. WSN a progresat de la monitorizarea de bază a senzorilor la detectarea, procesarea și analiză avansate.
Tehnologia WSN s-a transformat semnificativ pentru a aduna cunoștințe valoroase și pentru a oferi rezultatele dorite.
Apoi, verificați funcționarea modelului de arhitectură a protocolului TCP/IP.