بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش شبکهای کاملا بیسیم از حسگرهای شتابسنج مبتنی بر تکنولوژی ZigBee و بر پایه توپولوژی مش بعنوان نمونه آزمایشگاهی طراحی و پیادهسازی شده است. هدف از انجام این پژوهش ساخت شبکه بیسیم پایه، مبتنی بر عملکرد حسگرهاست به گونه ای که قابلیت نصب و راهاندازی در محیطهایی همچون بدن انسان، ساختمان، فضای باز را داشته و قادر به جمعآوری و ارسال دادهها در کوتاهترین زمان و باکمترین خطای محاسباتی باشد.
شبکه طراحی شده با بکارگیری حسگرهای موجود اطلاعات محیط را به صورت بیسیم جمعآوری کرده، آنها را دستهبندی مینماید. در هر گره از شبکه بطور مستقل عملیات ساخت بسته قابل انتقال در شبکه بر اساس پروتکل مربوطه انجام شده و وارد شبکه مش میشود، سپس بصورت کاملا بیسیم به گره مرکزی انتقال مییابند و همزمان از گره مرکزی به کامپیوتر فرستاده میشوند.
دادههای آمده از شبکه در کامپیوتر گسسته شده و براساس نام و آدرس حسگر فرستنده دستهبندی میگردند. پس از آن دادهها در دیتابیس ذخیره شده و برای هرگونه تحلیل و نتیجهگیری آماده میشوند. براساس ساختار تعریف شده برای نوع بستههای انتقالداده در این شبکه، بستهها کاملا انعطافپذیر بوده و میتوانند برای هر نوع بسته اطلاعاتی در شبکههای دیگر مجددا پیکربندی شوند.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر، رشد بسیاری را در زمینه شبکههای حسگر، شاهد بودهایم. شبکههای حسگر شامل تعداد زیادی از گرههای حسگر بسیار کوچک می باشند که برای جمعآوری و پردازش اطلاعات محیطی، مورد استفاده قرار می گیرند و امکان مشاهده و انجام عکسالعمل مناسب با رخداد یا پدیده به وجود آمده را برای مدیر شبکه میسر میسازد. محیطی که شبکه حسگر در آن پیادهسازی شده است میتواند یک مکان فیزیکی، یک سیستم بیولوژیک و یا یک چارچوب مبتنی بر IT باشد.
سیستمهای حسگر در آینده به یکی از پرکاربردترین سیستمهای جهانی تبدیل شده و شاهد پیشرفتهای وسیعی در این زمینه خواهید بود. کاربردهای معمول این سیستم شامل جمع آوری داده ها، مانیتورینگ و کاوش کردن میباشد. از جمله این کاربرد ها می توان به استفاده در میدانهای جنگی، شناسایی محیطهای آلوده، نظارت بر محیط زیست، بررسی و تحلیل وضعیت بناهای ساختمانی، جادهها و بزرگراههای هوشمند، کاربردهای مختلف در زمینه پزشکی و... اشاره کرد . گرهها در شبکههای حسگر،معمولاً فاقد آدرسهای منحصر بفرد میباشند و آنچه بیشتر در این شبکهها حائز اهمیت است، اطلاعات جمعآوری شده توسط حسگرهای شبکه است. شبکه حسگر نیز مانند هر شبکهای دارای محدودیتهایی است از جمله به دلیل عدم دسترسی به گرهها پس از فرآیند پراکندن آنها در محیط، گرههای شبکه پس از مصرف انرژی موجود،عملاً بدون استفاده شده و خواهند مرد بعلاوه نرخ انتقال داده در این شبکهها معمولاً بالا نیست.
هر شبکه حسگر از تعداد زیادی گره ارزان قیمت با اندازه کوچک، تشکیل شده است و هر گره نیز از مجموعه ای از اجزای سخت افزاری تشکیل می شود که در کنار یکدیگر وظایف هر گره را به انجام می رسانند.
شبکه حسگر شامل 4 قسمت اصلی می باشد :
.1 حسگرهای قرار داده شده در محل
.2یک شبکه متصل به هم
.3یک نقطه مرکزی برای جمعآوری دادهها به صورت خوشهای
.4تعدادی منابع محاسبهگر در نقطه مرکزی برای کنترلدادهها
به دلیل حجم بالای دادههای جمعآوری شده، روشهای الگوریتمی برای مدیریت دادهها نقشی اساسی در شبکه ایفا میکند. علاوه بر آن میزان انرژی گره - طول عمر باتری - نیز یکی از کلیدهای مهم طراحی این نوع شبکهها می باشد. شبکههای حسگر را میتوان به دو دسته کلی تقسیم نمود:
1. شبکههای مبتنی بر مش که دارای مسیریابی پویا هستند. گرهها در این نوع از شبکهها به صورت چندگامی بوده و برای پیاده سازی شبکههای بزرگ و توزیعشده مناسب میباشند.
2. شبکههای نقطه به نقطهای ستارهای که ارتباطات تک گامی داشته، مسیریابی در آنها به صورت استاتیک بوده و برای برقراری ارتباطات کوتاه برد مانند شبکهسازی بین تجهیزات منزل مناسب میباشند.
هدف از انجام این پژوهش ساخت شبکه بیسیم پایه مبتنی بر تکنولوژی ZigBee است به همین جهت در بخش بعدی به معرفی این تکنولوژی و مقایسه آن با دیگر تکنولوژیهای روز دنیا در ضمینه شبکههای حسگر بیسیم پرداخته شده است. بخش سوم ارائه دهنده یک نمونه از پیکربندی حسگر شتابسنج بهعنوان حسگر تستی برای ایجاد شبکه است. در بخشهای چهارم و پنجم به ترتیب پیکربندیهای سختافزاری و نرمافزاری شبکه توضیح داده شده است و نهایتا بخش ششم به ارائه نتایج اختصاص داده شده است.
-2 تکنولوژی ZigBee
اوایل قرن 21 شروعی برای استانداردسازی دستگاههای تجاری مرتبط با حسگرها بوده است. به منظور ایجاد یک استاندارد برای شبکه حسگر بیسیم، طراحان و توسعه دهندگان به بررسی استاندارهای موجود پرداختند. در درجه اول دریافتند که استاندارد wifi برای کاربردهای درون ساختمانی بسیار پیچیده بوده و پهنای باند این استاندارد بسیار بیشتر از پهنای باند موردنیاز برای حسگر میباشد، دوم سیستمهای مادون قرمز نیز نیازمند دید مستقیم میباشند که این امر همیشه امکانپذیر نیست.بنابراین بلوتوث به عنوان اولین استاندارد برای برقراری ارتباطات بین گرههای شبکهی حسگر مورد استفاده قرار گرفت.
اما محققان خیلی زود دریافتند این استاندارد نیز پرهزینه و نسبتا پیچیده میباشد. نهایتا استاندارد جدیدی به نام ZigBee به وجود آمد که در باند فرکانسی 2,4 گیگاهرتز عمل کرده و توانایی انتقال 250 کیلوبیت داده در ثانیه را دارا میباشد. ZigBee به عنوان مکملی برای تکنولوژی بیسیم مانند بلوتوث و wifi طراحی شده و هدف از آن برقراری ارتباط در مکانهایی است که امکان به کارگیری کابل نبوده و نیازمند انرژی و هزینه بسیار کم میباشد. با وجود این پروتکل، شبکهی حسگر پیشرفت چشمگیری داشته است، به طوری که پیشبینی میشود در دههی آینده تعداد دستگاههای مجهز به ZigBee سه برابر بیشتر از دستگاههای عمل کننده با wifi شود . در جدول1 مقایسهای برروی تکنولوژیهای موجود در جهان برای ایجاد شبکه حسگرهای بیسیم صورت گرفته است.
جدول :1 مقایسه تکنولوژیهای روز دنیا به منظور ایجاد شبکه حسگرهای بیسیم
مطابق جدول1، ZigBee تنها تکنولوژی مبتنی بر استانداردهای بیسیم است که به طور منحصربهفردی با مصرف انرژی بسیار پایین، قدرت پایین در حسگرهای wireless و برای کنترل شبکه در هر مکانی طراحی شده است. ZigBee با دارار بودن ویژگی مقرون به صرفگی در کنار هوشمندی بالا، به طور موثری باعث بهبود در بهرهوری، امنیت، ایمنی، قابلیت اطمینان و راحتی در تولید محصولات شده است. استاندارد IEEE 802.15.4 طراحی استاندارد عمومیای برای ایجاد سختافزار و نرمافزار در شبکههای حسگر بیسیم - WSN - است که نیازمند قابلیت اطمینان بالا، هزینه و مصرف انرژی پایین ، مقیاس پذیری و سرعت پایین در انتقال داده هستند.
ZigBee از این پروتکل ارتباطی در پهنای باند اختصاصی که دیگر پروتکلها اجازه استفاده از آن را ندارند به انتقال اطلاعات میپردازد. هر ساختار شبکهای ZigBee از سه نوع دستگاه هماهنگکننده ZigBee، روتر ZigBee و گره انتهایی ZigBee استفاده میکند .[4] با بهکارگیری استاندارد IEEE 802.15.4 میتوان از دو توپولوژی ستارهای و نظیربهنظیر در لایه زیرین شبکه ZigBee استفاده کرد. همچنین توپولوژی مش ازترکیب توپولوژیهای ستارهای و نظیربهنظیر حاصل میشود.
در توپولوژی ستارهای تنها یک هماهنگکننده وجود دارد که با تمام گرههای انتهایی بطور مستقیم در ارتباط است. با توپولوژی نظیربهنظیر دو گره به هم متصل میشوند. در این بین حتما باید یه هماهنگکننده وجود داشته باشد و گره دیگری میتواند روتر یا گره انتهایی باشد. پیکربندی مش علاوه بر استفاده از گره هماهنگکننده، از مسیریاب نیز استفاده میکند. این گرهها باعث انتقال پیامهای موجود در سیستم بین مسیریابها و دستگاههای نهایی مختلف میشوند.
دو نوع آزمایش بر روی این ماژول براساس خصوصیات شتابسنج انجام میپذیرد که یکی در شرایط استاتیک و دیگری در شرایط داینامیک هستند.
تست در شرایط استاتیک میزان شتاب وارده بر هر یک از محورهای شتابسنج را اندازهگیری میکند. تست در شرایط داینامیک میزان تغییرات وارده بر هر یک از محورهای شتابسنج را اندازهگیری میکند. محدوده تغییرات در این حسگر بین 8g است. بنابراین میتوانیم به ارزش درستی این حسگر در شرایط مختلف اطمینان قابل ملاحضهای داشته باشیم.
شکل :1 توپولوژیهای ستارهای، مش و نظیربهنظیر
همین میزان زمان نیز برای دسترسی به یک کانال ارتباطی و انتقالداده از طریق آن کانال، برای هر گره کافی است. شبکههای ZigBee دارای قابلیتهای مختلفی از جمله ارسال سریع اطلاعات و قدرت تفکیک اطلاعات از هم، هدایت به حالت خواب و خواب عمیق هستند که همگی باعث کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر باتری در حسگرها میشوند. از میان برندهای مختلفی که به پیادهسازی پروتکل ZigBee پرداختند برند XBee به دلیل سهولت استفاده، هزینه مناسبتر و قابلیت اتصال به میکروکنترلرهای Arduino محبوبترین است.[1] در این پژوهش از سختافزار سری دوم XBee به همراه آنتن سیمی برای برد ارتباطی بالا در شبکه بهرهگرفتهایم
-3 پیاده سازی حسگر
هرشبکه به تعدادی حسگر و یک گره مرکزی نیازمند است. در این پژوهش به عنوان مثال شتاب سنج موجود برروی ماژول GY80 در قالب حسگر راه اندازی گردید. ماژول ADXL345 یک شتابسنج سه محوره کوچک، نازک و کم مصرف است که بوسیله تکنولوژی MEMS به همراه سه ماژول دیگر برروی GY80 تعبیه شدهاست. خروجیهای دیجیتالی ADXL345 با فرمت 16 بیتی از طریق رابط دیجیتالی I2C در دسترس هستند.[5] یکی دیگر از مهرههای اصلی حسگرها واحد پردازشگر مرکزی یا میکروکنترلرها هستند.
در ساخت $ ;/ʼ+ $ - از میکروکنترلر Arduino Nano بهره گرفته شده است. Arduino Nano با دارا بودن ویژگی کوچکی ابعاد، پشتیبانی از I2C و دارا بودن ارتباط سریال پورت توسط پینهای TX و RX یکی از بهترین گزینهها در ساخت حسگر $ ;/ʼ+ $ - است. همانطور که پیشتر گفته شد ماژول ADXL345 برای انتقالدادهها از رابط دیجیتالی I2C استفاده میکند.
شکل :2 مدار راهاندازی حسگر براساس المانهای Arduino Nano و GY80
شکل :3 پیادهسازی نمونه اولیه حسگر شتابسنج بر روی بردبرد - نمونه آزمایشگاهی -
برای وارد کردن حسگرها به شبکه لازم است تا ماژول XBee به مدار آنها اضافه گردد. طریقه بهمبندی ماژول XBee و Arduino در بخش پیکربندی سختافزاری شبکه توضیح داده خواهد شد.
