بخشی از مقاله
چکیده: شبکههای حسگر بیسیم از یک گره به نام سینک که قدرت محاسباتی و انرژی بیشتری دارد و از تعداد زیادی گره که از لحاظ قدرت محاسباتی و انرژی محدودیت دارند، تشکیل شده است ارتباط بین گرهها به صورت بی سیم است. هرگره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعاً از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیتهایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و ... است. حوزه شبکه حسگر به جهت محبوبیت آن در کمیتههای تحقیقاتی بسیار معروف است. این حوزه مجموعهای از گرههای سنسور خود-تنظیم شدهای است که قادر به ارتباط بیسیم هستند.
امنیت اولین دغدغه در حوزه اجتماعی کردن این شبکه برای استفادههای مشترک می باشد. در این تحقیق نیازمندی ها و تکنیک های امنیتی شبکه های حسگر از جمله :محرمانه بودن، احراز هویت، تمایت، در دسترس بودن و ... بررسی شده است. از جاییکه شبکههای حسگر بیسیم در کاربردهای حساس مختلفی همچون نظامی، پزشکی، نیروگاههای اتمی، نظارت محیط، مراقبتهای پزشکی و کنترل سیستم مورد استفاده قرار میگیرد در بخشی دیگر این تحقیق اربردی ها مختلف این نوع شبکه ها در صنعت مختلف بررسی شده است.
-1 مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم یکی از مهمترین اجزای تشکیلدهنده اینترنت اشیاء میباشند. لذا طراحی یک پروتکل مناسب که قادر باشد به خوبی در مصرف انرژی صرفهجویی کند و از این طریق در طولانی شدن عمر شبکه کمک کند، ضروری است. این طراحی مناسب، بر روی لایه کنترل دسترسی متوسط1 مؤثر است. یک شبکه حسگر از تعداد زیادی گره حسگر تشکیل شده که بصورت متراکمی در اطراف پدیده فیزیکی موردنظر پخش شدهاند . گرههای حسگر به جمع آوری دادههای گزارش شده از محیط میپردازند و این اطلاعات را به ایستگاه مرکزی ارسال میکنند.
دادههای حساس گزارش شده توسط گرههای حسگر معمولا در بسیاری از موارد از یک منطقه و ازپدیده های مشترک هستند. بنابراین افزونگی بالایی در داده ها خواهیم داشت. از آنجا که هر بسته از دادهها از هاپهایی بسیاری برای رسیدن به ایستگاه مرکزی عبور میکنند، منابع بسیاری از هر گره مصرف می شود. اخیرا کارهایی برای از بین بردن افزونگی داده ها در شبکههای حسگر انجام شده است2]،.[1
-2 شبکه حسگر بیسیم
شبکه حسگر شبکه ای از تعداد زیادی گره کوچک تشکیل شده است. در هر گره تعدادی حسگر و یا کارانداز وجود دارد. شبکه حسگر 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 از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیت هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه،منبع تغذیه و... میباشد. این محدودیت ها مشکلاتی را بوجود می آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است.[4]
نام شبکه حسگربی سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شود و شبکه های حسگر 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 برای مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شوند.
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 از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حسگر بی سیم می باشد. این ایده توانسته در ذهن طراحان رباتهای متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه های بی سیم موبایل نیز شکل گیرد. 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..[3]
1-2 خصوصیات شبکه های حسگر و تفاوت آن با شبکه های سنتی
خصوصیتهای منحصر به فرد شبکههای حسگر، توانایی همکاری و هماهنگی بین گرههای حسگر است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گرهای که مسئول پردازش و نتیجهگیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازشهای اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست اورده است، انجام میدهد و سپس دادههای نیمه پردازش شده را ارسال میکند. با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه میکند.
در واقع قدرت شبکههای حسگر بیسیم در توانایی بهکارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی همزمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند. وجود برخی ویژگیها در شبکه حسگر، آن را از سایر شبکههای سنتی و بیسیم متمایز می-کند که در می توان به موارد: تنگناهای سختافزاری شامل محدودیتهای اندازه فیزیکی، منبع انرژی، قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، تعداد بسیار زیاد گرهها، چگالی بالا در توزیع گرهها در ناحیه عملیاتی، وجود استعداد خرابی در گرهها، تغییرات توپولوژی بصورت پویا و احیانا متناوب و استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گرهها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه اشاره کرد.
در بخش زیر تفاوت هایی بین شبکه های حسگر و شبکه های سنتی بررسی شده است. در شبکه های حسگر بر خلاف سیستمهای سنتی قدیمی، از یک سو هزینههای پیکربندی و آرایش شبکه کاسته میشود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاههای کوچکی را که تقریباً به اندازه یک سکه هستند، را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبکه به سادگی با اضافه کردن چند گره گسترش مییابد و نیازی به طراحی پیکربندی پیچیده نیست.
بر خلاف شبکههای بیسیم سنتی، همه گره ها در شبکههای حسگر بیسیم نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیکترین برج کنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلکه حسگرها به خوشههایی - سلولهایی - تقسیم میشوند که هر خوشه - سلول - یک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب میکند که این سرگروه ها وظیفه جمعاوری اطلاعات را بر عهده دارند. جمعآوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گرهها به ایستگاه پایه و در نتیجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام میشود. البته چگونگی انتخاب سرگروه خود بحثی تخصصی است که در تئوری شبکههای حسگر بیسیم می تواند به عنوان یک پژوژه تخصصی بررسی شود.
هر حسگر موجود در شبکه دارای یک برد حسگری است که به نقاط موجود در آن برد احاطه کامل دارد. یکی از اهداف شبکههای حسگری این است که هر محل در فضای مورد نظر بایستی حداقل در رنج حسگری یک گره قرار گیرد تا شبکه قابلیت پوشش همه منطقه موردنظر را داشتهباشد که شبکه های سنتی این قابلیت را نداشتند7]،6،.[5
2-2 ساختار هر گره حسگر
گره حسگر بعنوان کوچکترین عنصر خودمختار یک شبکه حسگر شناخته میشود، برای طراحی الگوریتمها و پروتکلهای مناسب برای این شبکهها لازم است که اجزاء و تجهیزات یک گره و محدودیتهای سختافزاری آن شناخته شود زیرا اجزا درونی یک گره حسگر به این صورت است که هر گره حسگر به یکسری تجهیزات درونی مجهز است که وجود هر کدام، طبق وظیفه و شرایط احتمالی هر گره، ضروری میباشد7]،6،.[5
· حسگر: این بخش میتواند ترکیبی از چندین نوع حسگر باشد که میتوانند تغییرات چندین پارامتر مختلف از محیط را پشتیبانی کنند در واقع حسگر با حس محیط، میزان تغییرات پارامتر خاصی از محدوده حس خود در محیط را در قالب یک سیگنال الکتریکی ارائه میدهد.
· مبدل آنالوگ به دیجیتال:2 این بخش سیگنال دریافتی از بخش حسگر مربوطه را به دیجیتال تبدیل میکند تا در بخشهای بعدی پردازش براحتی انجام شود. 2 Analog-to-digita coverter - ADC -
· پردازنده:3 پردازنده مرکز گره بوده و تمام کنترل روال کاری گره و همچنین عملیات محاسباتی و پردازشی بر روی اطلاعات گره روی پردازنده انجام میگیرد.
· حافظه: برای پردازش و یا دادههای دریافت شده به طور موقت و ریز برنامههای مورد نیاز حافظه نیاز است که جهت ذخیره سازی اطلاعات لازم است.
· فرستنده و گیرنده:4 جهت برقراری ارتباط با سایر گرهها است.
· منبع تغذیه:5 فراهم سازی و تخصیص انرژی مصرفی مورد نیاز برای هر کدام از اجزاء از منبع تغذیه استفاده می شود در واقع در هر گره از یک باتری استفاده میشود که با توجه به شرایط خاص با نور آفتاب نیز قابل شارژ می باشد، و ممکن است بسته به شرایط این چنین نباشد زیرا درون گره نیز هر جزء به نیروی خاصی نیاز دارند که باید قدرت و انرژی مصرفی کل، بطوری بین اجزاء تقسیم و کنترل شود که صرفاً موقع نیاز مصرف گردد.
· سیستم موقعیتیاب:6 سیستم موقعیت یاب در برخی از گرهها تعبیه می شود و در بسیاری از گرهها جهت انجام عملیات موقعیتیابی گرهها استفاده می شود.
· واحد متحرکساز:7 این واحد در برخی از گره ها وجد دارد و در برخی نه و جهت متحرک ساختن گره مثل چرخیدن و یا جابجایی جزئی گره استفاده می شود.
-3 کاربرد شبکه های حسگر
کاربردهای شبکههای حسگر بیسیم به دو دسته نظارت و ردیابی تقسیم میشوند. - شکل. - 1 کاربردهای نظارت شامل نظارت بر فضاهای داخلی و خارجی، نضارت بر محیطهای خاص مثل انبار،آزمایشگاه یا کارخانه، نظارت بر سلامت بیمار و غیره میشود. کاربردهای ردیابی شامل ردیابی اشیا، حیوانات،انسانها و وسایل نقلیه میباشد. در ادامه تعدادی از کاربردهای پیادهسازی شده در دنیای واقعی شرح داده شده است.[8]
Macroscope of redwood سیستمی است که رشد درختهای منطقه سومانا در کالیفرنیا را نظارت و ثبت میکند. هر حسگر، دما، رطوبت هوا و اشعه خورشیدی فعال کننده فتوسنتز را اندازهگیری میکند. نودها در ارتفاعات مختلف روی درختان قرار گرفتهاند. زیستشناسان تغییرات میکروسکوپی در وضعیت هوا در اطراف درخت را درنظر میگیرند و تاثیر آن روی رشد درخت را ثبت میکنند.[29]
تحقیقات انجام شده در مقالهای منجر به راهاندازی سیستمی متشکل از حسگرها برای نظارت بر موجودات دریایی زیر آب شد. این شبکه از نودهای حسگر ایستا و پویا تشکیل شده است که از طریق لینکهای نقطه به نقطه و ارتباطات نوری سرعت بالا به هم متصل هستند. نودها همهپخشی را با استفاده از یک پروتکل صوتی که در پشته پروتکل TinyOs پیاده سازی شده است انجام می دهند. ضمن اینکه، دوربین و امکاناتی برای اندازهگیری دما و فشار دارند. نودهای پویا میتوانند در بین نودهای ایستا حرکت کنند تا اطلاعاتی جهت نگهداری شبکه، بازیابی و راه اندازی نودها جمعآوری کنند.[8]
Max سیستمی است که به انسانها کمک می کند وسایل اطراف را جستجو کنند و با هدف تامین امنیت و جستجوی بهینه اشیا توسعه یافته است. افراد بوسیله این شبکه میتوانند اشیای فیزیکی را در هر زمان جستجو وپیدا کنند. در واقع این سیستم برای هر شیء راهنمایی تنظیم میکند تا اطلاعات مکانی آن را ذخیره کند. همچنین برچسبهایی که برای امکانپذیر ساختن جستجو روی اشیا قرار میگیرند، میتوانند عمومی - قابل جستجو برای همه - و یا خصوصی - قابل جستجو برای افراد خاص - باشند.[8]
نمونهای از کاربردهای ردیابی در شبکه های حسگر بیسیم، سیستم CenWits است، که یک شبکه بدون اتصال مبتنی بر حسگر بوده و برای عملیات جستجو و نجات طراحی شده است . با استفاده از حسگرهایMica2 برکلی ساخته شده است. این سیستم از تعداد محدودی فرکانس رادیویی و امکانات پردازشی استفاده میکند. تعدادی حسگر به اهداف - انسانها - متصل میشوند و دستگاهی مسئول جمعآوری اطلاعات دریافتی از حسگرها است. مکان فعلی اهداف با استفاده از گیرنده GPS تعیین میشود. هدف CenWits تشخیص تخمینی مکانی برای انجام عملیات جستجو و نجات است.[8]
