بخشی از مقاله
چکیده
در سال های اخیر شبکههای حسگر بیسیم تا حد زیادی توجه جامعه محققان و کاربران حقیقی را به خود معطوف کردهاند برای انجام وظایف در یک شبکه حسگر بیسیم باید گذر زمان و میزان انرژی مصرفی را در نظر داشته باشیم تا هم موعد کارها از بین نرود و هم طول عمر این شبکهها کاهش چشمگیر نداشته باشد. به بیان دیگر از بین محدودیتهای پیش روی این شبکهها، میزان و نحوه مصرف انرژی از اهمیت ویژهای برخوردار است. چرا که اتمام باتری حسگرها به معنای از بین رفتن آنها می باشد و با توجه به شرایط محیط کاربرد این شبکهها تعویض باتری های هزاران گره حسگرعملاً امری ناممکن است.
حالت ایده آل در شبکههای حسگر به گونه ای است که انرژی همه گرهها باهم و یا با برنامهریزی منظم به پایان برسد تا شبکه دارای بیشترین طول عمر ممکن باشد دغدغهی اصلی پیش روی ما این است که چگونه مصرف انرژی را در گرهها کاهش دهیم تا به این وسیله عمر شبکه نیز به زمان منطقی افزایش یابد. در این تحقیق ابتدا روش های کاهش مصرف انرژی در شبکههای حسگر بی سیم به صورت دسته بندی شده و نظام مند معرفی و مورد بررسی قرار میگیرند و روشهای مختلف شرح داده شده با هم مقایسه شده است و در نهایت کاربردهای نظامی شبکه حسگر بی سیم مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
مقدمه
شبکه حسگر بیسیم به مجموعه ای از حسگرها که به صورت خودبرپا و به صورت بیسیم با یکدیگر مرتبط شده اند و همگی پدیده خاصی را اصطلاحا حس می کنند گفته می شود .تعداد این حسگرها می تواند بسیار زیاد و دامنه پراکندگی آنها نیز می تواند بسیار وسیع باشد . حسگر های این شبکه می توانند به صورت دستی در مکانهای مورد نظر قرار گیرند و ثابت شوند و یا اینکه به صورت تصادفی در محل مورد نظر برای حس کردن پراکنده شوند.
هدف اصلی در این شبکه ها بعد از برپایی در درجه اول جمع آوری اطلاعات و بعد از آن هر چه بیشتر بودن عمر شبکه است. اگرچه تاریخچه شبکه های حسگر را به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن را به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا نسبت می دهند ولی این ایده می توانسته در ذهن طراحان ربات های متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه های بی سیم موبایل نیز شکل گرفته باشد. با توجه به آمار جمع آوری شده در پایگاه خبری و مصاحبه با افراد مطلع در فرماندهی مرزبانی ناجا سالیانه در ارتفاعات صعب العبور و در نوار مرزی قاچاق کالا، سوخت ،مواد مخدر و ... انجام می گیرد که نیروی انتظامی - مرزبانی ناجا - با انجام قاچاق موارد مذکور جلوگیری و برخورد می نماید.شایان ذکر است در اینگونه موارد امکان مقابله بطور صددرصد میسر نبوده و متاسفانه جان عده ای از کارکنان پرتلاش ناجا در این راه با خطرات متعددی مواجه می باشند.
با توجه به گستردگی حوزه مأموریتهای ناجا در سراسر کشور علیالخصوص مناطق صعبالعبور و دور از امکاناتی از قبیل آب، برق، گاز و جهت اسکان کارکنان و همچنین نصب و نگهداری تجهیزات حفاظتی و بهبود عملکرد کارکنان و سازمان ناجا، حفظ نیروی انسانی در مناطق پرخطر نظامی و جلوگیری از آسیب به نیروی انسانی، استفاده از شبکه های حس گری بی سیم ضرورت پیدا خواهد کرد و بدلایل فقدان امکانات موصوف، بحث استفاده از شبکه های حفاظتی و مراقبتی کم مصرف از قبیل استفاده از شبکه های حسگر بیسیم و بکارگیری راهکارهای کاهش مصرف انرژی در آن از اهمّیّت قابل توجهی برخوردار می باشد.هدف اصلی این تحقیق بهبود مصرف انرژی در شبکه های حس گر ناجا میباشد که در این راستا اهدف فرعی ذیل متصور میگردد :
-1 جلوگیری از اتلاف انرژی در شبکه حسگر بیسیم؛
-2 بالا بردن طول عمر شبکه حسگر بیسیم؛
-3 اولویتبندی روشهای بهبود مصرف انرژی در شبکههای حسگر متناسب با وظایف و ماموریتهای ناجا.
معرفی شبکه حسگر
شبکه حسگر/کارانداز - حس/کار - 3 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.
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 حسگرمستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است. با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده و 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 حسگربه 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 شده4 دیجیتال و... میدان وسیعی برای پژوهش محققان با علاقمندی های مختلف فراهم نموده است.
-1-1 ساختار کلی شبکه حسگر 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 حسگردر آن توزیع میشوند.
چاهک:5 گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حسگرو گره مدیر وظیفه6 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 پایش7 کل شبکه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود. شکل - - 1 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.
-2-1 معرفی شبکه ad hoc
در شبکههای بی سیم ساختارهای متمرکز و مجتمع مثل سرویس دهندهها، مسیریابها و…لزوماً موجود نیستندمثﻻً - در شبکههای ادهاک - ، به همین خاطر راه حلهای امنیتی آنها هم معمولاً غیر متمرکز، توزیع شده و مبتنی بر همکاری همه نودهای شبکهاست. به شبکه های Ad hocاصطلاحا Mobile Ad hoc Network یاMANET نیز می گویند. علت این نامگذاری آن است که ایستگاه ها در این شبکه می توانند به صورت آزادانه حرکت کنند. بطور دلخواه به سازماندهی خود بپردازند. پس توپولوژی شبکه های بی سیم ممکن است به سرعت و بصورت غیر قابل پیشبینی تغییر کنند.
