تحقیق مقاله شبکه حسگر

شبکه حسگر/کارانداز (حس/کار)[1] شبکه ای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک. در هر گره تعدادی حسگر و/یا کارانداز وجود دارد. شبکه حس/کار بشدت با محیط فیزیکی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق کار انداز ها واکنش نشان می دهد. ارتباط بین گره ها بصورت بی سیم است. هرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است ودارای محدودیت هایی در قدرت پردازش, ظرفیت حافظه, منبع تغذیه, ... میباشد. این محدودیت ها مشکلاتی را بوجود می آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبکه از پشته پروتکلی شبکه های سنتی  پیروی می کند ولی بخاطر محدودیت ها و تفاوتهای وابسته به کاربرد, پروتکل ها باید باز نویسی شوند. این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگیها, محدودیت ها, کاربردها, ایده ها و چالش ها, به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می پردازد.

پیشرفتهای اخیر در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه های کوچک از یک سو و توسعه فناوری ارتباطات بی سیم از سوی دیگر زمینه ساز طراحی شبکه های حس/کار بی سیم شده است.تفاوت اساسی این شبکه ها ارتباط آن با محیط و پدیده های فیزیکی است شبکه های سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاه های اطلاعاتی را فراهم میکند در حالی که شبکه ی حس/کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است  با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده, بر اساس مشاهدات خود تصمیم گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می دهند. نام شبکه حس/کار بی سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شود. برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره اند شبکه های حس/کار نوعا تک منظوره هستند. در صورتی که گره ها توانایی حرکت داشته باشند شبکه می تواند گروهی از رباتهای کوچک در نظر گرفته شود که با هم بصورت تیمی کار می کنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شده است. از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاههای پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یک گره فرض گنیم ارتباط بین گره ها باید بطور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حس/کار بی سیم می باشد. اگرچه به نقلی تاریخچه شبکه های حس/کار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا برمیگردد. ولی این ایده می توانسته در ذهن طراحان رباتهای متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه های بی سیم موبایل نیز شکل گرفته باشد. به هر حال از آنجا که این فن نقطه تلاقی دیدگاه های مختلف است تحقق آن می تواند بستر پیاده سازی بسیاری از کاربردهای آینده باشد. کاربرد فراوان این نوع شبکه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در کامپیوتر و الکترونیک از جمله امنیت شبکه, ارتباط بلادرنگ‌, پردازش صوت و تصویر, داده کاوی, رباتیک ,طراحی خودکار سیستم های جاسازی شده[2]دیجیتال و...  میدان وسیعی برای پروهش محققان با علاقمندی های مختلف فراهم نموده است.

ساختار کلی شبکه حس/کار بی سیم

قبل از ارائه ساختار کلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می کنیم.

حسگر : وسیله ای که وجود شیئ  رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما, فشار, رطوبت, نور, شتاب سنج, مغناطیس سنج و...

کارانداز : با تحریک الکتریکی یک عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می دهد

گره حسگر: به گره ای  گفته می شود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.

گره کارانداز: به گره ای  گفته می شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.

گره حسگر/کارانداز: به گره ای  گفته می شود که مجهز به حسگر و کار انداز باشد.

شبکه حسگر : شبکه ای که فقط شامل گره های حسگر باشد. این شبکه نوع خاصی از شبکه حس/کاراست. در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده می باشد کاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.

میدان حسگر/کارانداز : ناحیه کاری که گره های شبکه حس/کار در آن توزیع میشوند.

چاهک[3]: گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حس/کار و گره مدیر وظیفه[4] را برقرار می کند.

گره مدیر وظیفه: گرهی که یک شخصی بعنوان کاربریا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها  از این گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگردد

شبکه حس/کار: شبکه ای متشکل از گره های حسگر و کار انداز یا حسگر/کارانداز است که حالت کلی شبکه های مورد بحث می باشد. به عبارت دیگر شبکه حس/کارشبکه ای است با تعداد زیادی گره که هر گره می تواند در حالت کلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی کارانداز باشد. در حالت خاص یک گره ممکن است فقط حسگر یا فقط کارانداز باشد. گره ها در ناحیه ای که میدان حس/کار نامیده می شود با چگالی زیاد پراکنده می شوند. یک چاهک پایش[5] کل شبکه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود. شکل(2) را ببینید. مدیریت وظایف میتواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به اینکه تصمیم گیری برای انجام واکنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودکار و نیمه خودکار وجود دارد. که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

گره مدیر وظیفه

چاهک

میدان حسگر/ کارانداز

حسگر

کارانداز

شکل(2) ساختار کلی شبکه حس/کار

ساختار خودکار : حسگر هایی که یک رخداد یا پدیده را تشخیص می دهند داده های دریافتی را به گره های کارانداز جهت پردازش و انجام واکنش مناسب ارسال می کنند. گره های کارانداز مجاور با هماهنگی با یکدیگر تصمیم گیری کرده و عمل می نمایند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها بصورت محلی انجام میشود.شکل(3) را ببینید.

ساختار نیمه خودکار:  در این ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهک هدایت شده و فرمان از طریق چاهک به گره های کار انداز صادر شود. شکل(3) را مشاهده کنید

چاهک

ناحیه رخداد

شکل(3) ساختار خودکار

چاهک

ناحیه رخداد

شکل(4) ساختار نیمه خودکار

از طرف دیگر در کاربردهای خاصی ممکن است از ساختار بخش بندی شده یا سلولی استفاده شود که در هر بخش یک سردسته[6] وجود دارد که داده های گره های دسته خود را به چاهک ارسال می کند. در واقع هر سردسته مانند یک مدخل[7] عمل میکند.

3- ساختمان گره

شکل(5) ساختمان داخلی گره حس/کار را نشان می دهد. هر گره شامل واحد حسگر/ کارانداز, واحد پردازش داده ها, فرستنده/گیرنده بی سیم و منبع تغذیه می باشد بخشهای اضافی واحد متحرک ساز, سیستم مکان یاب و تولید توان نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره ها وجود داشته باشد.واحد پردازش داده شامل یک پردازنده کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است داده ها را از حسگرها گرفته بسته به کاربرد پردازش محدودی روی آنها انجام داده و از طریق فرستنده ارسال می کند. واحد پردازش مدیریت هماهنگی و مشارکت با سایر گره ها در شبکه را انجام می دهد. واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبکه را برقرار می کند. واحد حسگر شامل یک سری حسگر و مبدل آنالوگ به دیجیتال است که اطلاعات آنالوگ را از حسگرگرفته و بصورت دیجیتال به پردازنده تحویل می دهد. واحد کارانداز شامل کارانداز و مبدل دیجیتال به آنالوگ است که فرامین دیجیتال را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می دهد. واحد تامین انرژی, توان مصرفی تمام بخشها را تامین می کند که اغلب یک باطری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حس/کار همه چیز را تحت تاثیر قرار می دهد. در کنار این بخش ممکن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلول های خورشیدی وجود داشته باشد در گره های متحرک واحدی برای متحرک سازی وجود دارد. مکان یاب موقعیت فیزیکی گره را تشخیص می دهد. تکنیکهای مسیردهی  و وظایف حسگری به اطلاعات مکان با دقت بالا نیاز دارند. یکی از مهمترین مزایای شبکه های حس/کار توانایی مدیریت ارتباط بین گره های در حال حرکت می باشد.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

حسگر

کارانداز

پردازنده

حافظه

مبدل دیجیتال به آنالوگ

فرستنده

گیرنده

 بی سیم

منبع تغذیه

سیستم مکان یاب

واحد متحرک ساز

واحد حسگر/ کارانداز

مولد انرژی

شکل(5) ساختمان داخلی گره  حسگر/کارانداز

4- ویژگی ها

وجود برخی ویژگی ها در شبکه حسگر/ کارانداز, آن را از سایر شبکه های سنتی و بی سیم متمایز می کند. از آن جمله عبارتند از:

< >تنگناهای سخت افزاری شامل محدودیتهای اندازه فیزیکی, منبع انرژی, قدرت پردازش, ظرفیت حافظهتعداد بسیار زیاد گره هاچگالی بالا در توزیع گره ها در ناحیه عملیاتیوجود استعداد خرابی در گره هاتغییرات توپولوژی بصورت پویا و احیانا متناوباستفاده از روش پخش همگانی[8] در ارتباط بین گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه داده محور[9] بودن شبکه به این معنی که گره ها کد شناسایی[10] ندارند  

کاربردها:

کاربردها به سه دسته نظامی تجاری پزشکی تقسیم می شوند. سیستم های ارتباطی, فرماندهی, شناسایی, دیده بانی ومیدان مین هوشمند, سیستم های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستم های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند. محیطهای هوشمند برای افراد سالخوده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربرد های آن است.کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شود مانند سیستم های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت, آتش سوزی(درجنگل), تشخیص آلودگی های زیست محیطی از قبیل آلودگی های شیمیای, میکروبی, هسته ای, سیستم های ردگیری, نظارت وکنترل وسایل نقلیه و ترافیک, کنترل کیفیت تولیدات صنعتی, مطالعه در مورد پدیده های طبیعی مثل گردباد, زلزله, سیل, تحقیق در مورد زندگی گونه های خاص از گیاهان و جانوران و .. در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار بعنوان گروهی از رباتهای کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می دهند استفاده میشود.

 پشته پروتکلی:

مطابق شکل زیر پشته پروتکلی از یکطرف دارای پنج لایه افقی شامل لایه های فیزیکی, پیوند داده, شبکه, انتقال, و کاربرد و از طرفی دارای سه لایه عمودی مدیریت توان, مدیریت جابجایی, و مدیریت وظیفه است. لایه فیزیکی وظیفه اش عملیات مدولاسیون و ارسال و دریافت در سطح پایین می باشد. لایه کنترل دسترسی رسانه باید قادر باشد با حداقل تصادم بروش پخش همگانی با هر گره همسایه ارتباط برقرار کند. لایه شبکه وظیفه مسیردهی داده هایی که از لایه انتقال می آید را بر عهده دارد. لایه انتقال وظیفه مدیریت جریان انتقال بسته ها را در صورت نیاز کاربرد, بر عهده دارد. بسته به کاری که شبکه برای آن طراحی شده انواع مختلف نرم افزارهای کاربردی می تواند روی لایه کاربرد استفاده شود و خدمات مختلفی را ارائه نماید. یک زبان پردازه نویسی بنام زبان وظیفه و پرسشگری حسگر[11] پیشنهاد شده که پرس وجوها و فرمانهای آن مبتنی بر با ویژگی داده محوری شبکه حس/کاراست. بعنوان مثال "چه تعداد لانه پرنده خالی در محدوده شمال شرقی جنگل وجود دارد"یا "اگر تا یک ساعت بعد تعدادلانه های خالی بیشتر از یک حد معینی شد اعلام شود"   برای اطلاعات بیشتر به  مراجعه کنید.

لایه عمودی مدیریت توان با دخالت در کلیه لایه های افقی چگونگی مصرف توان برای گره را تعیین می کند. در واقع برای کاهش مصرف انرژی به الگوریتم ها و پروتکل های توان آگاه[12] نیازمندیم. مثلا اینکه یک گره پس از دریافت یک پیغام از یکی از همسایه هایش دریافت کننده اش را خاموش کند باعث جلوگیری از دریافت دوباره پیغام و در نتیجه کاهش مصرف انرژی می گردد. ایده دیگری که می تواند همزمان استفاده شود این است گره ای  که به سطح پایین انرژی رسیده به همسایه هایش اعلام همگانی می کند که انرژی اش در حال اتمام است و نمی تواند در مسیردهی پیغامها شرکت داشته باشد. گره های همسایه پس از آن پیغام ها را از طریق گره های دیگر مسیردهی خواهند کرد. لایه عمودی مدیریت حرکت, به بکار گیری روشهای مکان آگاه[13] بر می گردد جابجایی گره را تشخیص داده و ثبت می کند بنابراین یک مسیر برگشت تا کاربر همیشه مدیریت می شود و رد گره متحرک دنبال می شود. مدیریت وظیفه وظایف گره ها را زمانبندی کرده و متعادل می سازد. مثلا اگر وظیفه حس به یک ناحیه معین محول شد همه گره های حسگر آن ناحیه لازم نیست عملیات حس را بطور همزمان انجام دهند بلکه این وظیفه می تواند بسته به کاربرد به برخی گره ها مثلا  به گره هایی قابلیت اطمینان بیشتر یا ترافیک کمتر یا انرژی بیشتر دارند محول شود. برای تضمین این نکته باید از الگوریتم های کارآگاه[14] استفاده نمود. با وجود موارد فوق گره ها در شبکه حس/کار می توانند با روشهای توان کارا[15] باهم کار کرده و داده ها را در یک شبکه متحرک حس/کار مسیر دهی کنند و منابع را بین گره ها به اشتراک گذارند.

[1] Wireless Sensor Actor Network (WSAN)

[2] Embeded System

[3] Sink

[4] Task Manager Node

[5] Monitoring

[6] ‍Cluster_Head

[7] Gateway

[8] Broadcast

[9] Data Centric

[10] ID (Identification code)

[11] Sensor Query and Tasking Language (SQTL)

[12] Power-Aware

[13] Location Aware

[14] Application Aware

[15] Power Efficient