Węzeł czujnika
Węzeł czujnika (znany również jako pyłek w Ameryce Północnej ) składa się z pojedynczego węzła z sieci czujników , który jest w stanie wykonać pożądane działanie, takie jak gromadzenie, przetwarzanie lub przesyłanie informacji do innych połączonych węzłów w sieci.
Historia
Chociaż bezprzewodowe sieci czujników istnieją od dziesięcioleci i są wykorzystywane do różnych zastosowań, takich jak pomiary trzęsień ziemi lub działania wojenne, współczesny rozwój małych węzłów czujników sięga 1998 r. projektu Smartdust i NASA. Sensor Web Jednym z celów projektu Smartdust było stworzenie autonomicznych czujników i komunikacji w obrębie milimetra sześciennego przestrzeni, chociaż projekt ten zakończył się wcześnie, doprowadził do powstania wielu innych projektów badawczych i głównych ośrodków badawczych, takich jak The Berkeley NEST i CENS. Naukowcy zaangażowani w te projekty ukuli ten termin mote odnosi się do węzła czujnika. Równoważnym terminem w projekcie NASA Sensor Webs dla fizycznego węzła czujnika jest pod , chociaż węzeł czujnika w sieci czujników może być samą inną siecią czujników. Fizyczne węzły czujników były w stanie zwiększyć swoją skuteczność i możliwości w połączeniu z prawem Moore'a . Ślad chipa zawiera bardziej złożone mikrokontrolery o niższej mocy . W ten sposób, dla tego samego rozmiaru węzła, można w nim upakować więcej możliwości krzemu. W dzisiejszych czasach motes skupia się na zapewnieniu najdłuższego zasięgu bezprzewodowego (kilkadziesiąt km), najniższego zużycia energii (kilka uA) i najłatwiejszego procesu rozwoju dla użytkownika.
składniki
Główne komponenty węzła czujnikowego zwykle obejmują mikrokontroler , nadajnik -odbiornik , pamięć zewnętrzną , źródło zasilania i jeden lub więcej czujników .
Czujniki
Czujniki są używane przez bezprzewodowe węzły czujników do przechwytywania danych z ich otoczenia. Są to urządzenia sprzętowe, które wytwarzają mierzalną reakcję na zmianę warunków fizycznych, takich jak temperatura lub ciśnienie. Czujniki mierzą dane fizyczne monitorowanego parametru i mają określone cechy, takie jak dokładność, czułość itp. Ciągły sygnał analogowy wytwarzany przez czujniki jest przetwarzany na postać cyfrową przez przetwornik analogowo-cyfrowy i przesyłane do administratorów w celu dalszego przetwarzania. Niektóre czujniki zawierają niezbędną elektronikę do konwersji nieprzetworzonych sygnałów na odczyty, które można pobrać za pośrednictwem łącza cyfrowego (np. I2C, SPI), a wiele konwertuje na jednostki, takie jak °C. Większość węzłów czujnikowych ma niewielkie rozmiary, zużywa mało energii, działa w dużych gęstościach objętościowych, jest autonomiczna i działa bez nadzoru oraz dostosowuje się do środowiska. Ponieważ bezprzewodowe węzły czujnikowe są zazwyczaj bardzo małymi urządzeniami elektronicznymi, można je wyposażyć jedynie w ograniczone źródło zasilania poniżej 0,5-2 amperogodzin i 1,2-3,7 woltów.
Czujniki dzielą się na trzy kategorie: czujniki pasywne, wszechkierunkowe; czujniki pasywne, wąskostrumieniowe; i aktywne czujniki. Czujniki pasywne wykrywają dane bez rzeczywistego manipulowania środowiskiem poprzez aktywne sondowanie. Są samozasilające; to znaczy energia jest potrzebna tylko do wzmocnienia ich sygnału analogowego. Aktywne czujniki aktywnie badają otoczenie, na przykład sonar lub czujnik radarowy, i wymagają ciągłej energii ze źródła zasilania. Czujniki wąskostrumieniowe mają dobrze zdefiniowane pojęcie kierunku pomiaru, podobnie jak kamera. Czujniki dookólne nie mają pojęcia o kierunku związanym z ich pomiarami.
Większość prac teoretycznych nad WSN zakłada wykorzystanie pasywnych, dookólnych czujników. Każdy węzeł czujnikowy ma określony obszar pokrycia, dla którego może wiarygodnie i dokładnie zgłaszać określoną wielkość, którą obserwuje. Kilka źródeł poboru mocy w czujnikach to: próbkowanie sygnału i konwersja sygnałów fizycznych na elektryczne, kondycjonowanie sygnału i konwersja analogowo-cyfrowa. Gęstość przestrzenna węzłów czujników w terenie może sięgać nawet 20 węzłów na metr sześcienny.
Kontroler
Kontroler wykonuje zadania, przetwarza dane i kontroluje funkcjonalność innych komponentów w węźle czujnikowym. Podczas gdy najbardziej powszechnym kontrolerem jest mikrokontroler , inne alternatywy, które można wykorzystać jako kontroler, to: mikroprocesor do komputerów stacjonarnych ogólnego przeznaczenia , cyfrowe procesory sygnałowe , układy FPGA i układy ASIC . Mikrokontroler jest często używany w wielu węzłach czujników ze względu na niski koszt, elastyczność łączenia z innymi urządzeniami (lub węzłami w sieci), łatwość programowania i niskie zużycie energii. Mikroprocesor ogólnego przeznaczenia generalnie zużywa więcej energii niż mikrokontroler, co czyni go niepożądanym wyborem dla węzła czujnikowego. [ potrzebne źródło ] Cyfrowe procesory sygnałowe mogą być wybierane do aplikacji szerokopasmowej komunikacji bezprzewodowej , ale w bezprzewodowych sieciach czujników komunikacja bezprzewodowa jest często skromna: tj. prostsza, łatwiejsza do przetworzenia modulacja i przetwarzanie sygnału zadania rzeczywistego wykrywania danych są mniej skomplikowane. Dlatego zalety DSP nie mają zwykle większego znaczenia dla bezprzewodowych węzłów sensorowych. Układy FPGA można przeprogramować i ponownie skonfigurować zgodnie z wymaganiami, ale zajmuje to więcej czasu i energii, niż jest to pożądane. [ potrzebne źródło ]
nadajnik-odbiornik
Węzły sensoryczne często wykorzystują pasmo ISM , które zapewnia bezpłatne radio , przydział widma i globalną dostępność. Możliwe do wyboru media transmisji bezprzewodowej to częstotliwość radiowa (RF), komunikacja optyczna (laser) i podczerwień . Lasery wymagają mniej energii, ale potrzebują linii wzroku do komunikacji i są wrażliwe na warunki atmosferyczne. Podczerwień, podobnie jak lasery, nie potrzebuje anteny , ale ma ograniczone możliwości emisji pojemność. Komunikacja oparta na częstotliwościach radiowych jest najbardziej odpowiednia i pasuje do większości aplikacji WSN. Sieci WSN zwykle używają częstotliwości komunikacyjnych bez licencji: 173, 433, 868 i 915 MHz ; i 2,4 GHz . Funkcjonalność zarówno nadajnika , jak i odbiornika są połączone w jednym urządzeniu zwanym transceiverem . Transceivery często nie mają unikalnych identyfikatorów. Stany operacyjne to nadawanie, odbiór, bezczynność i uśpienie. Transceivery obecnej generacji mają wbudowane automaty stanów , które wykonują niektóre operacje automatycznie.
Większość nadajników-odbiorników działających w trybie bezczynności ma zużycie energii prawie równe mocy zużywanej w trybie odbioru. Dlatego lepiej jest całkowicie wyłączyć transceiver niż pozostawiać go w trybie bezczynności, gdy nie nadaje ani nie odbiera. Podczas przełączania z trybu uśpienia do trybu nadawania w celu wysłania pakietu zużywana jest znaczna ilość energii.
Pamięć zewnętrzna
Z punktu widzenia energii najistotniejszymi rodzajami pamięci są wbudowane w mikrokontroler pamięci oraz pamięć Flash — pozaukładowa pamięć RAM jest rzadko, jeśli w ogóle, używana. Pamięci flash są używane ze względu na ich koszt i pojemność. Wymagania dotyczące pamięci są bardzo zależne od aplikacji. Dwie kategorie pamięci w zależności od celu przechowywania to: pamięć użytkownika używana do przechowywania danych związanych z aplikacjami lub danymi osobowymi oraz pamięć programu używana do programowania urządzenia. Pamięć programu zawiera również dane identyfikacyjne urządzenia, jeśli są obecne.
Źródło prądu
Bezprzewodowy węzeł sensoryczny jest popularnym rozwiązaniem, gdy doprowadzenie zasilania sieciowego do węzła sensorycznego jest utrudnione lub niemożliwe. Ponieważ jednak węzeł czujnika bezprzewodowego jest często umieszczany w trudno dostępnym miejscu, regularna wymiana baterii może być kosztowna i niewygodna. Ważnym aspektem w rozwoju bezprzewodowego węzła sensorycznego jest zapewnienie, że zawsze dostępna jest wystarczająca ilość energii do zasilania systemu. Węzeł czujnika zużywa energię do wykrywania, komunikacji i przetwarzania danych. Przesyłanie danych wymaga więcej energii niż jakikolwiek inny proces. Koszt energetyczny przesłania 1 Kb na odległość 100 metrów (330 stóp) jest w przybliżeniu taki sam, jak w przypadku wykonania 3 milionów instrukcji przez procesor o wydajności 100 milionów instrukcji na sekundę/W. [ potrzebne źródło ] Energia jest magazynowana w bateriach lub kondensatorach. Baterie, zarówno ładowalne, jak i jednorazowe, są głównym źródłem zasilania węzłów sensorycznych. Są one również klasyfikowane według materiału elektrochemicznego użytego na elektrody, takiego jak NiCd (niklowo-kadmowy), NiZn (niklowo-cynkowy), NiMH (niklowo-wodorkowy) i litowo-jonowy . Czujniki prądu są w stanie odnawiać swoją energię ze słonecznych , częstotliwości radiowych (RF), różnic temperatur lub wibracji . Zastosowano dwie zasady oszczędzania energii: Dynamiczne zarządzanie energią (DPM) i Dynamiczne skalowanie napięcia (DVS). DPM oszczędza energię, wyłączając części węzła czujnika, które nie są aktualnie używane lub aktywne. Schemat DVS zmienia poziomy mocy w węźle czujnika w zależności od niedeterministycznego obciążenia pracą. Zmieniając napięcie wraz z częstotliwością, można uzyskać kwadratową redukcję poboru mocy.