بخشی از مقاله
چکیده:
شبکههای حسگر بیسیم از گرههای کوچکی با قابلیتهای حسکردن، پردازش و محاسبه کردن تشکیل شده است. پیشرفتهای اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازههای کوچک از یکسو و توسعه فناوری ارتباطات بیسیم از سوی دیگر زمینهساز طراحی شبکههای حس/کار بیسیم شده است. یکی از کاربردهای اساسی این شبکهها مربوط به محیطهایی میشود که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد، مانند کف اقیانوسها یا محیطهای نظامی به علت حضور دشمن و یا محیطهای آلوده از نظر شیمیایی و هستهای.
کوچکترین نمونه پیادهسازی سختافزاری گرههای حسگر غبار هوشمند است که یک گره یک میلیمتر مکعبی است اما همچنان تلاش بر این است که این گرهها به قدری کوچک شوند که بتوانند معلق در هوا باقی بمانند و به وسیله جریان هوا شناور شوند و برای ساعتها یا روزها موارد حسشده را ارسال نمایند. امنیت در برخی کاربردهای نظامی یک موضوع بحرانی است، مثلاً ارتباط بیسیم شبکه کار را برای فعالیتهای امنیتی دشوارتر مینماید. همچنین در این مقاله سعی میگردد تا با بررسی مدلها و روش های به کار رفته به یک تحلیل جامع در خصوص کاربرد این شبکهها دست یابیم.
.1 مقدمه
امروزه زندگی بدون ارتباطات بیسیم قابل تصور نیست. پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارهای کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارهای بیسیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروز ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریزحسگرها شده است. این ریزحسگرها توانایی انجام حسهای بیشمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حسکردن زلزله را دارا میباشند. همچنین جمعآوری اطلاعات در مناطق دور افتاده و مکانهایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کردهاند. اتومبیلها می توانند از ریزحسگرهای بی سیم برای کنترل وضعیت موتور، فشار تایرها، تراز روغن و . . . استفاده کنند.
خطوط مونتاژ می توانند از این حسگرها برای کنترل فرایند مراحل طول تولید استفاده کنند. در موقعیتهای راهبردی ریزحسگرها می توانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای ردگیری هدف - مانند ماشین یا انسان - استفاده شوند. در واقع تفاوت اساسی این شبکهها ارتباط آن با محیط و پدیدههای فیزیکی است. شبکههای سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاههای اطلاعاتی را فراهم میکند در حالی که شبکه حس/کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است و با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده و بر اساس مشاهدات خود تصمیمگیری نموده و عملیات مناسب را انجام میدهند.
نام شبکه حس/کار بی سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی میشود. برخلاف شبکههای سنتی که همه منظورهاند شبکهای حس/کار نوعاً تک منظوره هستند. در هر صورت شبکههای حسگر در نقاط مختلفی کاربرد دارند. برخی از این کاربردها عبارتند از صنایع نظامی مانند ردگیری اشیاء، بهداشت مانند کنترل علائم حیاتی، محیط مانند آنالیز زیستگاههای طبیعی، مصارف صنعتی از جمله عیب یابی خط تولید، سرگرمی و بازیهای مجازی و در مواردی در زندگی دیجیتالی به طور مثال ردگیری مکان پارک ماشین.
2. شبکه حسگر چیست ؟
یک شبکه حسگر شامل تعداد زیادی گرههای حسگر است که در یک محیط بطور گسترده پخش شده و به جمع آوری اطلاعات از محیط میپردازند. لزوما مکان قرار گرفتن گرههای حسگر، از قبل تعیین شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم میآورد که بتوانیم آنها را در مکانهای خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.
پروتکلها و الگوریتمهای شبکههای حسگر باید دارای تواناییهای خود سازماندهی باشند. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامیاطلاعات خام به مرکز یا به گرهی که مسئول پردازش و نتیجه گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازشهای اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده 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 بیسیم حسگر در توانایی به کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند ترکیب و سازماندهی شوند و در موارد متعددی جون مسیریابی همزمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.
.3 ویژگیهای عمومی یک شبکه حسگر
پروتکلهای شبکهای همتا به همتا یک سرویس ارتباطات مش مانند را جهت انتقال اطلاعات بین هزاران دستگاه کوچک با استفاده از روش چند جهشی ایجاد میکنند. معماری انطباق پذیر مش، قابلیت تطبیق با گرههای جدید جهت پوشش دادن یک ناحیه جغرافیایی بزرگتر را داراست. علاوه بر این، سیستم میتواند بطور خودکار از دست دادن یک یا حتی چند گره را جبران کند.بر خلاف شبکههای بیسیم سنتی، همه گرهها در شبکههای بیسیم حسگر نیازی به برقراری ارتباط مستقیم با نزدیکترین برج کنترل قدرت یا ایستگاه پایه ندارند، بلکه حسگرها به خوشههایی تقسیم میشوند که هر خوشه یک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب میکند.
هر حسگر موجود در شبکه دارای یک محدوده حسگری است که به نقاط موجود در آن محدوده احاطه کامل دارد. با اینکه توجه زیادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها میشود، احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هیچ حسگری قرار نگیرند. این نقاط تحت عنوان حفرههای پوششی نامیده میشوند .
.4 کاربردها کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم میشوند. سیستمهای ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیدهبانی و میدان مین هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی میباشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی، سیستمهای مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند، محیطهای هوشمند برای افراد سالخورده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربردهای آن است.
کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل میشود مانند سیستمهای امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتشسوزی در جنگل، تشخیص آلودگیهای زیست محیطی از قبیل آلودگیهای شیمیایی، میکروبی، هستهای، سیستمهای ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیدههای طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل و تحقیق در مورد زندگی گونههای خاص از گیاهان و جانوران و. . . در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار به عنوان گروهی از روباتهای کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام میدهند استفاده میشود.
.5 موضوعات مطرح عوامل متعددی در طراحی شبکه های حس/کار مؤثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که ما تنها به ذکر برخی از آنها بهطور خلاصه اکتفا میکنیم.
-1-5 تنگناهای سخت افزاری هر گره ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید به حد کافی کوچک، سبک و کم حجم نیز باشد. به عنوان مثال در برخی کاربردها گره باید به کوچکی یک قوطی کبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبک باشد که بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار کم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد.
اینها همه محدودیتهایی است که کار طراحی و ساخت گرههای حس/کار را با چالش مواجه میکند. ارائه طرحهای سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره به خصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فناوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سخت افزاری دارد.
-2-5همبندی همبندی ذاتی شبکه حس/کار، همبندی گراف است. به دلیل ارتباط بی سیم گره ها و پخش همگانی آنها، هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد. الگوریتمهای کارا در جمعآوری داده و کاربردهای ردگیری اشیاء شبکه را درخت پوشا در نظر میگیرند. چون ترافیک به شکلی است که داده ها از چند گره به سمت یک گره حرکت می کند.
مدیریت همبندی باید با دقت انجام شود، یک مرحله اساسی مدیریت همبندی راه اندازی اولیه شبکه است گرهایی که قبلاً هیچ ارتباط اولیهای نداشتهاند در هنگام جایگیری و شروع به کار اولیه باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. الگوریتم های مدیریت همبندی در راه اندازی اولیه باید امکان عضویت گره های جدید و حذف گره هایی که به دلایلی از کار می افتند را فراهم کنند. پویایی همبندی از خصوصیات شبکه های حس/کار است که امنیت آن را به چالش می کشد. ارائه روش های مدیریت همبندی پویا به طوری که موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است که جای کار زیادی دارد.
-3-5 قابلیت اطمینان هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار بهکلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از کار بیفتد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تأثیر قرار دهد. در واقع میخواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبکه قابل اطمینان بسازیم. برای گره k با نرخ خرابی lk قابلیت اطمینان با فرمول ذیل مدل می شود. که در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t بهشرط اینکه گره در بازه زمانی - 0 , t - خرابی نداشته باشد. به این ترتیب هرچه زمان میگذرد احتمال خرابی گره بیشتر می شود.
-4-5 مقیاس پذیری شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گره ها، مقیاس پذیر باشد. بهعبارت دیگر شبکه حس/کار از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیون ها گره کار کند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گره ها را نیز پشتیبانی کند. چگالی طبق فرمول پایین محاسبه می شود که بیانگر تعداد متوسط گره هایی است که در برد یک گره نوعی - مثلادایره ای با قطر10 متر - قرار میگیرد.
: A مساحت ناحیه کاری، : N تعداد گره در ناحیه کاری و : R برد ارسال رادیویی است. در بسیاری کاربردها توزیع گره ها اتفاقی صورت میگیرد و امکان توزیع با چگالی مشخص و یکنواخت وجود ندارد یا گره ها در اثر عوامل محیطی جابجا میشوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر کند. موضوع مقیاس پذیری به روش ها نیز مربوط می شود برخی روش ها ممکن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یک چگالی یا تعداد محدود از گره کار کند. در مقابل برخی روش ها مقیاس پذیر هستند.
-5-5 قیمت تمام شده چون تعداد گره ها زیاد است کاهش قیمت هر تک گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد که در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم، تأثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.
-6-5 شرایط محیطی طیف وسیعی از کاربردهای شبکههای حس/کار مربوط به محیطهایی است که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیایی، میکروبی، هستهای و یا مطالعات در کف اقیانوسها، فضا و یا محیطهای نظامی به علت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها میشود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گرها در نظر گرفته شود، مثلاً در دریا و محیطهای مرطوب گره حسگر در محفظهای که رطوبت را منتقل نکند قرار میگیرد.
-7-5 رسانه ارتباطی در شبکه های حس/کار ارتباط گره ها به صورت بی سیم و از طریق رسانه رادیویی، فرو سرخ - مادون قرمز - ، یا رسانههای نوری دیگر صورت میگیرد.
البته ارتباط فروسرخ ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می کند.
-8-5 توان مصرفی گره ها
گرههای شبکه حس/کار باید توان مصرفی کمی داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یک باتری 1/2 ولت با جریان 0/5 آمپر ساعت است که باید توان لازم برای مدت طولانی مثلاً 9ماه را تأمین کند. در بسیاری از کاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باتری عملاً عمر گره را مشخص می کند. به علت اینکه یک گره علاوه بر گرفتن اطلاعات - توسط حسگر - یا اجرای یک فرمان - توسط کارانداز - به عنوان رهیاب نیز عمل می کند بد عمل کردن گره باعث حذف آن از همبندی شده و سازماندهی مجدد شبکه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت.
