بخشی از مقاله
چکیده
با وجود تلاشهای پژوهشی قابلتوجه در روشهای انرژی آگاه برای شبکه حسگر بیسیم، محدودیت تامین انرژی هنوز هم یک مسئله حیاتی است. درسالهای اخیر، برداشت انرژی از منابع انرژی محیطی مانند خورشید، باد، ...، به طور فزایندهای توجه رو به رشدی را در تحقیقات شبکه حسگر بیسیم و همچنین بازار صنعت بدست آورده است. زیرا این تکنیک یک راهحل بسیار بالقوه برای افزایش طول عمر عملیات حسگر است.
با وجود اینکه تکنولوژی برداشت انرژی، دائمی شدن طول عمر شبکه حسگر را برقرار میسازد. با اینحال، توانایی برداشت انرژی به فاکتورهای متفاوتی بستگی دارد. زیرا منابع انرژی محیطی در معرض تغییرات مکانی و زمانی قرار دارند. بنابراین، به جای به حداکثر رساندن طول عمر شبکه، تحقق شبکه حسگر پایدار تحت محدودیتهای برداشت انرژی یکی از مسائل تحقیقاتی متمرکز است.
برای پرداختن به این مسائل، در این مقاله، علاوه بر معرفی و بررسی حوزههای مختلف شبکههای حسگر برداشتکننده انرژی، چالشها، ایدهها و عملکرد تکنولوژی برداشت انرژی در طراحی جنبههای مختلف شبکه حسگر مورد بررسی قرار میگیرد. ما معتقدیم که این دیدگاهها، بیشتر بهسمت استفاده از حسگرهای برداشتکننده انرژی و کاربردهای آنها، ایجاد انگیزه خواهد کرد. همچنین در مقاله، نمونههایی از تغییرات بر روی راهحلهای سنتی با هدف بهرهبرداری از وجود حسگرهای برداشت انرژی به منظور راهکارهای افزایش طولعمر آورده شده است.
.1 مقدمه
شبکه حسگر بیسیم1، شبکهای از همکاری گرههای حسگر با قابلیت حسکردن، محاسبات و ارتباطات میباشد که برای حسکردن و جمعآوری دادهها برای تجزیه و تحلیل کاربردهای خاص استفاده میشوند. بهطورکلی، یک شبکه حسگر بیسیم متشکل از چندین گره حسگر است که دادههای حس شده خود را به یک ایستگاهپایه2 مشترک برای پردازش دادهای بیشتر ارسال میکنند. یک شبکه حسگر کاربردی دارای چندین بعد طراحی مانند روشهای حس کردن و محاسبات گره حسگر، قابلیتهای ارتباطی و ذخیرهسازی، اندازه و قیمت حسگر، نوع منبع توان، معماری برای استقرار، پروتکلهایی برای انتشار اطلاعات و ارتباطات و ابزارهای مدیریتی میباشد. میتوان ویژگیهای معمول حسگرهای شبکه حسگر بیسیم را به شرح زیر فهرست کرد:
اندازه و وزن کوچک. زیرا آنها اغلب باید از دید پنهان باشند و یا باید در مناطقی قرار داده شوند که دسترسی به فضای کمی دارند.
قابلیتهای پردازشی کم. بهدلیل محدودیت در اندازه و وزن.
دسترسی به حافظه پایین. بهدلیل محدودیتهای وزن و اندازه.
اتصالات بیسیم. برای سهولت ارتباطی و از بین بردن کابلکشیهای گسترده.
دامنه رادیویی پایین. به دلیل محدودیتهای توان و محدودیتها در اندازه آنتن.
بهرهبرداری دائمی بدون مداخله انسان. به دلیل ماهیت کاربردها.
مهمترین این ویژگیها، بهرهبرداری دائمی3 است. این بدانمعناست که حسگرها باید قادر به تشکیل شبکههای خودسازمان و خودترمیم باشند. همچنین این مسئله را بیان میکند که حسگرها باید توسط یک منبع انرژی دائمی، تامین انرژی شوند. یک دستهبندی بارز و پرکاربرد، استفاده از حسگرهای مجهز به باتری میباشد. چندین مصداق از چنین کاربردهایی، نظارت بر زیستگاه - A.Mainwaring et al,2002 - ، نظارت بر آتشفشان G.Werner- 2006 - - Allen et al, ، نظارت بر سازه - -R.G.Lee, 2006 - ، و ردیابی خودروها - M.Karpiriski , 2006 - میباشد.
حسگرهای مورد استفاده در چنین استقرارهایی، تحرک و استقرار را در مکانهایی که بهسختی قابل جابهجایی هستند تسهیل میکند. هنگامیکه حسگرها مستقر شدند، آنها باید برای یک مدت زمان طولانی، عملیاتی باقی بمانند. با اینحال، مشکلات زیادی، با وجود عملیات شبکه حسگر بیسیم هنوز هم وجود دارد. بهخصوص طولانی شدن طولعمر شبکه4، یکی از مهمترین مسائل است. چون، باتریها در حسگر دارای انرژی ذخیره شده محدود هستند و بهطورکلی تعویض یا شارژ مجدد این باتریها ممکن نیست.
هنگامیکه توان باتری حسگر تمام شود، باتری بلا استفاده خواهد شد. طول عمر محدود حسگر، منجر به طولعمر محدود کاربردها، هزینههای اضافی، پیچیدگی تغییر باتریها میشود. حسگرها میتوانند از باتریهای بزرگ برای طول عمر طولانیتر استفاده کنند. اما درمقابل، افزایش هزینه، اندازه و وزن، نیز نیاز خواهد بود. همچنین این امکان وجود دارد که حسگرها از سختافزار کمتوان مانند یک پردازشگر کمقدرت و رادیو به بهای توانایی محاسباتی کمتر و محدوده انتقال پایینتر انتخاب شوند.
تکنیکهای متعددی برای افزایش طول عمر گرههای حسگر دارای باتری پیشنهاد شدند. برخی از این تکنیکها شامل پروتکلهای آگاه از انرژی - M.Buettner, 2006 - XMAC 5 ، - J.Polastre, 2004 - BMAC ، SMAC - W.Ye , 2002 - ، ذخیرهسازهای آگاه از توان، پروتکلهای مسیریابی و انتشار داده - M.Buettner, 2006 - ، - C.Intanagonwiwat, 2000 - و استراتژیهای سیکل کاری - P.Dutta, 2005 - ، - S.Ganeriwal, 2005 - ، نرخ حسکردن تطبیقپذیر - P.Kulkarni and Senseye, 2007 - ، معماریهای لایهای سیستم - O.Gnawali, - 2006 ، - - P.Kulkarni,2005 وجایگزینی حسگرهای اضافی - X.Wang, 2003 - ، - S.Kumar, 2008 - میباشند.
درحالیکه همه تکنیکهای بالا، مصرف انرژی را برای افزایش طول عمر یک گره حسگر، بهینه و تطبیقپذیر میکنند، اما طولعمر، همچنان محدودشده باقی میماند. تکنیکهای بالا به طولانیشدن طولعمر کاربردها و یا بازه زمانی بین جاگذاری باتری کمک میکنند. اما نگرانی مربوط به انرژی را برطرف نمیکنند. با یک منبع انرژی محدود، بندرت میتوان همه پارامترهای عملکردی را بطورهمزمان بهینه کرد. بعنوان مثال: ظرفیت باتری بالاتر، افزایش هزینه را اعمال میکند. سیکل کاری6 پایین، قابلیت اطمینان را کاهش میدهد. محدوده انتقال بالاتر، نیازمندیهای توان بالاتر و محدوده انتقال پایینتر، منجر به مسیرهای انتقال با تعداد گام بیشتر و مصرف انرژی در تعداد بیشتر حسگرها میشود.
نگرانیهای انرژی در شبکههای ارتباطی بیسیم، در سالهای اخیر موردتوجه محققین زیادی بوده است - -. - A.Ephremide, 2002 با توجه به ماهیت منطقه کاربردی حسگرها و بهدلیل اینکه منابع انرژی باید در ساختارهای موجود نصب شده باشند، تامین انرژی حسگرها از طریق منابع انرژی اصلی، یک اتلاف انرژی است و اغلب امکانپذیر نیست. طولعمر موثر آنها، اگرکه با باتریها طراحی شده باشند به شدت محدودشده میباشد.
با اینحال، حسگرها در محیطهایی مستقر میشوند که معمولا سرشار از فرصتهای جمعآوری انرژی هستند، مانند: نور خورشید7، باد8، ارتعاشات9، بیوشیمیایی10 واختلافات درجه حرارت.11 یک تکنیک جایگزین برای پرداختن به مسئله طولعمر محدود حسگر، استفاده از تکنولوژی برداشت انرژی12 است. تکنیک برداشت انرژی، اشاره به جمعآوری انرژی از منابع انرژی محیطی دارد.
