مقاله کاربرد فن آوری RFID و شبکههای بیسیم در سیالبهای شهری

بخشی از مقاله

کاربرد فن آوری RFID و شبکههای بیسیم در سیالبهای شهری
چکیده :
امروزه در مدیریت بحران و حوادث و سوانح بخصوص در مناطق شهری ایجاب مینماید دسترسی به اطالعات و داده ها توسط مدیران بحران و مرکز کنترل و هماهنگی عملیات ، امداد رسانی آسانتر و سریعتر صورت بگیرد. اتفاقات غیرمترقبه مانند : سیل،زلزله،آتش سوزی های مهیب و... همیشه به پراکندگی بیشتر می انجامد لذا داشتن مجموعه اطالعات دقیق از مناطق مختلف درون شهری و برون شهری ضروری است . هنگامی که سیل در یک شهر بوقوع میپیوندد رایج ترین اتفاق این است که زیر ساخت های ارتباطی مختل می شود.که در این مقاله زیر ساخت ارتباطی جایگزین برای ارائه خدمات اولیه به قربانیان و حادثه دیدگان ارائه شده است و در اینجا سیستمی هوشمند را ارائه میکنیم که مسئول اعالم هشدار سیل و رسیدگی به عملیات نجات در محیط های شهری است . ما سه نوع مختلف از شبکه های ارتباطی بی سیم داریم : شبکه های حسگر بیسیم برای اندازه گیری سطح رودخانه و سیستم اعالن هشدار سیل به مردمی که در مناطق مستعد زندگی می کنند ؛ شبکه سیار اد هاک برای پیامهای ارسال شده از طرف آسیب دیدگان بسوی تسهیلگران ، و شبکه های بیسیم مش برای گذاشتن و برداشتن اطالعات مردمی که در سرپناه اضطراری زندگی می کنند. شبکه های بیسیم مش ملزم به استفاده از فنآوری RFID است . مردمی که در سرپناه اضطراری و موقت اسکان یافته اند می توانند با استفاده از برچسب های هوشمند بالفاصله به لینک وب سایت ، ارسال ایمیل ، ارسال اس.ام.اس و یا شماره گیری تلفن اقدام نمایند.

کلمات کلیدی : شبکه های سیار اد هاک، شبکه های حسگر بیسیم، شبکه های بیسیم مش،عملیات امداد رسانی، هوش محیطی، RFID

-1 مقدمه :
هنگامی که یک فاجعه رخ می دهد، با توجه به تخریب زیر ساختهای ارتباطی ناجیان نمی توانند با بازماندگان ارتباط برقرار کنند و دلیل اصلی آن این است که ایستگاههای پایه و آنتن ها ، ممکن است توانایی برقراری ارتباط را بالفاصله بعد از حادثه را نداشته باشند. که برای رفع این مشکل،معماری بیسیم که به ادغام شبکه های سیار ادهاک وشبکه های حسگربیسیم،برای توزیع داده هاواطالعات درشبکه بمنظور تعامل وارتباط بین ناجیان وبازماندگان درحوادث ارائه شد.
در این نوع از فاجعه برای کاهش خطرات و کمک به حادثه دیدگان در عملیات جستجو و نجات و ارزیابی اولیه دلگرمی وجود دارد. سیل حادثه ای غم انگیز است که باعث ایجاد خسارت و آسیب به خانه های مردم ،مزارع و باغات کشاورزی و از بین رفتن قنات ها و ... میشود.همچنین در هنگام سیل تمامی سیستم های ارتباطی بعلت اضافه بار مختل میشوند و سیستم حمل و نقل جاده ای به علت ترافیک و صفهای بزرگی از وسایل نقلیه در حال فرار از سیل اند فلج میشود.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی های ارتباطی، برقراری ارتباطات مورد نیاز برای راه اندازی شبکه ها به کمک تکنیک های متفاوتی امکان پذیر می باشد. زمانی ارتباط بین ایستگاه های کاری در یک شبکه، فقط توسط کابل های Coaxial و اتصاالت BNC امکان پذیر بود. سپس با پیشرفت تکنولوژی اتصاالت موجود بهبود یافتند و کابلهای Twisted Pair و بعد کابل فیبرنوری یا Cable Fiber Optic پا به عرصه وجود گذاشتند. مزیت اصلی این پیشرفت ها افزایش سرعت انتقال دادهها و بهبود امنیت ارسال و دریافت داده ها می باشد.
بهمین دلیل،فرصتی برای استفاده از فن آوری اطالعات و ارتباطات به منظور توسعه و بهبود سیستم برای فرآیندهای پشتیبانی در عملیات امداد و نجات وجود دارد که این سیستم میتواند برای امدادگران و همچنین قربانیان و حادثه دیدگان مفید باشد.
یکی از اهداف اصلی این سیستم این است که به ارائه اطالعات در مورد مراکز تجمع ،پناهگاه های اضطراری،شرایط جاده ها،مناطق سیل زده و ... می پردازد.
در این مقاله یک چارچوب کلی از معماری شبکه های بیسیم برای وضعیتهای اضطراری ) مانند سیل رودخانه ای ( و همچنین ارائه نتایج طرح مقدماتی برای رسیدگی ، ثبت و ردیابی مردمی که در سرپناه اضطراری زندگی می کنند هنگامی که از تگ های هوشمند و برنامه های کاربردی استفاده می کنند پرداخته ایم.

-2 پیشینه:
هنگامی که سیل در منطقه ای رخ می دهد، خسارت های ناشی از سیستم های الکتریکی و قطع برق را می توان مشاهده کرد. همچنین، سیل باعث آسیب دیدگی زیرساخت شبکه های موجود و یا غیر قابل اعتماد شدن آنها می شود و وسایل ارتباطی در منطقه فاجعه دیده را نمی توان استفاده کرد. با توجه به خسارت های غیر منتظره در زیرساخت های ارتباطی، اگر شبکه اولیه در دسترس نباشد، شبکه های کامپیوتری را نمی توان استفاده نمود.معموالً، شبکه های تلفن همراه به دلیل تماس های تلفنی زیاد قطع شده اند. شبکه های بی سیمی قادرند در مواقع اضطراری برخی از خدمات و سرویس ها را ارایه کنند، و این به مفهوم هوش محیطی )AmI ( است 6[،5 ،]4 ، که تالش برای ایجاد تکنولوژی با قابلیت های ارتباطی و محاسباتی با کاربران یکپارچه شده است. بعالوه، این هوش محیطی به شکل یک فرد مجسم شده است که توسط رابطی هوشمند و بصری احاطه و در قطعات و اشیاء روزمره ساخته شده است، و همه آن ها در یک محیطی است که قادر به تشخیص و پاسخ به حضور و نیازهای افراد مختلف می باشند و به صورتکامالً محتاط و غیر قابل مشاهده هستند.

بررسی های زیادی درباره شرایط فاجعه ارائه شده است 3[، 7، 12،11، 14، 17، ]11، برخی از آنها برای حل مشکالت مربوط به بالیای طبیعی مانند طوفان، سونامی و زمین لرزه طراحی شده اند. کارهای دیگر، راه حل مربوط به AmI که در مراقبت های بهداشتی، سالمت اجتماعی، کمک محیط زندگی )AAL( و دستیار اصلی متمرکز شده است، پیشنهاد کرده اند. در مرجع ]11[، در خصوص این که چگونه محیط AmI ممکن است در آینده با اولین پاسخ برای خدمات اورژانسی استفاده شود، یک نظریه ارائه شده است. هم چنین، یک سناریوی آینده نگری برای هر یک از خدمات اورژانسی ارائه شده است.

فن آوری های AmI برای پشتیبانی از ارتباط میان اعضای یک تیم مجازی استفاده می شوند. با این حال، با توجه به دانش ما، بررسی های کافی درباره کاربرد AmI برای حل این شرایط فاجعه بار، در تحقیقات علمی منتشر شده وجود ندارد.
چارچوب پیشنهادی ما بر اساس سه نوع شبکه زیر است:
- MANET شبکه های سیار اد هاک
- WSN شبکه های حسگر بی سیم

- WMN شبکه های بی سیم مش -شبکههای توری بیسیم
متداول ترین امواج در ارتباطات شبکه ای امواج رادیویی هستند و سرعت استاندارد آنها 11 مگابیت بر ثانیه می باشد. تجهیزات و شبکه های کامپیوتری مبتنی بر این نوع موج، به دو دسته تقسیم می شوند:

-1 شبکه های بی سیم درون سازمانی یا In door
-2 شبکه های بی سیم برون سازمانی یا Out door
شبکه های نوع اول »In door«، در داخل محیط یک ساختمان ایجاد می گردند. جهت طراحی اینگونه شبکه ها می توان یکی از دو روش زیر را در نظر گرفت

Ad hoc Network -1
Infrastructure Network -2

در Network Ad hoc کامپیوتر ها و سایر ایستگاه های کاری دیگر، دارای یک کارت شبکه بی سیم می باشند و بدون نیاز به دستگاه متمرکز کننده مرکزی قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر خواهند بود. اینگونه شبکه سازی بیشتر در مواردی که تعداد ایستگاه های کاری محدود است - در شبکه های کوچک - مورد استفاده قرار می گیرند. در روش دوم یعنی Infrastructure Network، برای پیاده سازی شبکه بی سیم مورد نظر، از یک یا چند دستگاه متمرکز کننده مرکزی یا Access Point که به اختصار AP نامیده می شود، استفاده میشود. وظیفه یک AP برقراری ارتباط در شبکه می باشد.

شبکه های نوع دوم »Out door«، در خارج از محیط ساختمان ایجاد می گردند. در این روش از AP و همچنین آنتن ها جهت برقراری ارتباط استفاه می شود. معیار اصلی در زمان ایجاد اینگونه شبکه ها، در نظر داشتن ارتفاع دو نقطه و فاصله بین آنها و به عبارت دیگر، داشتن دید مستقیم یا Line of Sight می باشد.
در شبکه های بی سیم ممکن است یکی از سه توپولوژی زیر مورد استفاده قرار گیرند:

شبکه های سیار Ad hoc یا )MANET (Mobile ad hoc networks

پیشرفتها و دست آوردهای اخیر بشری با جود آوردن ,blue tooth نوع جدیدی از سیستمهای بیسیم یعنی شبکه های Mobile ad hoc را معرفی کردند. شبکه های Mobile ad hoc که آنها را گاهی شبکه های ”short live“ نیز می نامند می توانند در غیاب ساختار ثابت و متمرکز عمل کنند. بدین ترتیب در مکان هایی که امکان به راه اندازی سریع یک شبکه ی ثابت وجود ندارد کمک بزرگی محسوب می شوند. یک شبکه Ad hoc تشکیل شده از تجهیزات بی سیم قابل حمل که با یکدیگر به کمک تجهیزات ارتباط بی سیم و بدون بر قراری هیچگونه زیر ساختی، ارتباط برقرار می کنند.

برای شروع کار بهتر است ابتدا معنی واژه Ad hoc را بررسی نماییم. واژه Ad hoc التین بوده و به معنی و مفهوم For this purpose only یا «برای یک کاربرد خاص» می باشد. این واژه معموال در جاهایی کاربرد دارد که حل یک مشکل خاص یا انجام یک وظیفه ویژه مد نظر باشد و ویژگی مهم آن، عدم امکان تعمیم راه حل فوق به صورت یک راه حل عمومی و به کارگیری آن در مسائل مشابه می باشد. شبکههای بیسیم ادهاک، شامل مجموعهای از گرههای توزیع شدهاند که با همدیگر به طور بی سیم ارتباط دارند. نودها میتوانند کامپیوتر میزبان یا مسیریاب باشند. نودها به طور مستقیم بدون هیچگونه نقطه دسترسی با همدیگر ارتباط برقرار میکنند و سازمان ثابتی ندارند و بنابراین در یک توپولوژی دلخواه شکل گرفتهاند. هر نودی مجهز به یک فرستنده و گیرنده میباشد. مهمترین ویژگی این شبکهها وجود یک توپولوژی پویا و متغیر میباشد که نتیجه تحرک نودها میباشد. نودها در این شبکهها به طور پیوسته موقعیت خود را تغییر میدهند که این خود نیاز به یک پروتکل مسیریابی که توانایی سازگاری با این تغییرات را داشته، نمایان میکند.. شبکههای بی سیم ادهاک خود بر دو نوع میباشند: شبکههای حسگر هوشمند و شبکههای موبایل ادهاک. در مسیریابی در شبکههای ادهاک نوع حسگر سختافزار محدودیتهایی را بر شبکه اعمال میکند که باید در انتخاب روش مسیریابی مد نظر قرار بگیرند ازجمله اینکه منبع تغذیه در گرهها محدود میباشد و در عمل، امکان تعویض یا شارژ مجدد آن مقدور نیست؛ لذا روش مسیریابی پیشنهادی در این شبکهها بایستی از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن استفاده کند یعنی باید مطلع از منابع گره باشد و اگر گره منابع کافی نداشت بسته را به آن برای ارسال به مقصد نفرستد. خودمختاربودن و قابلیت انطباق گرهها را ایجاد کند.

به شبکه Ad hoc، شبکه Mesh نیز می گویند. علت این نام گذاری آن است که تمام ایستگاه های موجود در محدوده تحت پوشش شبکه Ad hoc، از وجود یکدیگر با خبر بوده و قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر می باشند. این امر شبیه پیاده سازی یک شبکه به صورت فیزیکی بر مبنای توپولوژی Mesh می باشد.
اولین شبکه Ad hoc در سال 1171 توسط DARPA بوجود آمد. این شبکه در آن زمان Packet Radio نامیده می شد.
از جمله مزایای یک شبکه Ad hoc می توان به موارد زیر اشاره نمود:
1. سرعت توسعه آن زیاد است.
2. به سادگی و به صرف هزینه پایین قابل پیاده سازی می باشد.
3. مانند سایر شبکه های بی سیم، به زیر ساخت نیاز ندارد.
4. پیکر بندی خودکار
5. هر یک از ایستگاه ها به عنوان یک روتر نیز ایفای نقش می کنند.
6. استقالل از مدیریت شبکه اصلی
7. انعطاف پذیر بودن به عنوان مثال، دسترسی به اینترنت از نقاط مختلف موجود در محدوده تحت پوشش شبکه امکان پذیر است.

.1 دو ایستگاه موجود در شبکه می توانند به طور مستقل از دیگر ایستگاه ها، با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و انتقال اطالعات بپردازند.
همانطور که در مزایای فوق اشاره شد «شماره »4 اینگونه شبکه ها دارای پیکربندی خودکار می باشند. یعنی اگر پس از راه اندازی شبکه، یکی از ایستگاه ها بنابر دالیلی از کار بیافتد - مثال فرض کنیم یکی از ایستگاه ها، یک دستگاه تلفن همراه باشد که به کمک بلوتوث وارد شبکه شده باشد و اکنون با دور شدن صاحب تلفن از محدوده تحت پوشش از شبکه خارج شود - در نتیجه شکافی در ارتباط بین ایستگاه ها بوجود خواهد آمد. با بروز چنین موردی شبکه Ad hoc به سرعت مشکل را شناسایی کرده و مجددا بصورت خودکار عمل پیکربندی و تنظیمات شبکه را بر اساس وضعیت جدید انجام خواهد داد و راه ارتباطی جدیدی برقرار خواهد کرد.
به شبکه های Ad hoc اصطالحا Mobile Ad hoc Network یا MANET 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 پیش بینی تغییر کنند. ]11[

شبکه توری (mesh network)
شبکه توری این امکان را به گره های شبکه می دهد که بتواند که داده ها را به گره های دیگر شبکه که در آن طیف انتقال قرار دارند منتقل نماید .

این حالتی است که امکان ارتباط چند هاب multi hob communications با یکدیگر را فراهم می کند. اگر یکی از گره ها بخواهد به گرهی دیگر اطالعات بفرستد می تواند از طریق گره های میانی و واسطه انجام گیرد . یکی از مزیت های این نوع شبکه این است که امکان مقیاس پذیری و بررسی خطاهای داده ها که بین حسگر های بی سیم و ایستگاه اصلی بوجود می آید قابل انجام است . نیز اگر یکی از گره ها دچار خرابی شود این امکان وجود دارد که از طریق گره های دیگر به ارسال و دریافت پیام بپردازیم . ضمن اینکه طیف شبکه محدود به یک گره خاص نمی شود و براحتی می توان با اضافه کردن گره های دیگر به گسترش شبکه پرداخت .

یک پیشنهاد برای انتقال و اشتراک گذاری اطالعات میان کاربران )مانند داوطلبان و پاسخ دهندگان اولیه( ارائه شده است. طرح پیشنهادی باید شامل اطالعاتی در مورد مکان هایی که در آن قربانیان سیل پناه می گیرند باشد )به عنوان مثال نام پناهگاه های اضطراری، بیمارستان ها، مدارس، حتی سردخانه( با هدف قرار گیری اعضای آن ها.

بنابراین،اولویت بسیار زیادی برای ایجاد یک لیست ازخدمات،وظایف وبیشترین اطالعات رایج در این شرایط اضطراری وجود دارد.از اینرو ، نرم افزارهای کاربردی از ساختار ارائه شده با توجه به این خدمات بایدطراحی شود.نماد برنامه های کاربردی و یا سرویس ها بر روی صفحه نمایش دستگاه های تلفن همراه نمایش داده خواهد شد. کاربران می توانند بر روی صفحه نمایش آیکون هایی مانند آب آشامیدنی، کمک های اولیه، سرپناه اضطراری، پیدا کردن خانواده، شخص مجروح، آمبوالنس، بیمارستان، پلیس، تیم امداد و نجات، و غیره را مشاهده کنند.

-3 معماری شبکه :
شکل 1، یک مدل جامع از شبکه های بی سیم را نشان می دهد. اول، )سمت راست( گره حسگر سنج تغییرات سطح رودخانه، این اطالعات به کاربران MANET فرستاده می شود، پس از آن شهروندان ساکن در مناطق کم ارتفاع که در معرض سیل یا خطر آب گرفتگی هستند یک پیام هشدار بر روی تلفن همراه خود دریافت میکنند )فلش هشدار سیل( که آنها را برای اقدامات مناسب در زمانی که فاجعه سیل رخ میدهد، آماده میکند. بسته به نوع پروتکل های موجود پس از یک فاجعه، شبکه های بی سیم ارائه شده، ممکن است از طریق یک تکنولوژی مانند : Wi-Fi، ZigBee ، GPRS، بلوتوث و GPS ارتباط برقرار کنند .

هر شبکه وظیفه ای را بر عهده دارد:

- WSN ، شرایط در حال تغییر طغیان رودخانه را محاسبه و اندازه گیری می کند. این شبکه یک سیستم نظارت معمولی برای ردیابی سطح رودخانه است. گره های حسگر سطح آب در حال افزایش تا ارتفاع زیاد را پیش بینی و یا تخمین میزند. به عنوان مثال، به محض اینکه یک گره WSN یک سیگنال بفرستد که سطح آب رودخانه افزایش یافته است، WMN و MANET توسطWSN هشدار داده می شوند، و WSN به نوبه خود به مردمی که در نزدیکی زمین های مستعد سیل زندگی می کنند هشدار میدهد که ممکن است سیل زده شوند.

- MANET ، شبکه اطالعات اورژانسی و نیازهای اساسی در ارتباط تلفن همراه را پشتیبانی می کند. این MANET برای امداد و نجات پس از وقوع حادثه است و توسط دستگاه های تیم امداد و نجات و داوطلبان تشکیل شده است.

- WMN، نجات موفقیت آمیز و عملیات امداد در حوادث سیل را پشتیبانی می کند. این شبکه بی سیم مش مسئول دریافت پیام از WSN و MANET و هماهنگی با یکدیگر است.