هندسة شبكات الاستشعار اللاسلكية وتطبيقاتها

جرب أداة القضاء على المشاكل





حاليا، WSN (شبكة المستشعرات اللاسلكية) هي أكثر الخدمات القياسية المستخدمة في التطبيقات التجارية والصناعية ، نظرًا لتطورها التقني في المعالج والاتصال والاستخدام المنخفض للطاقة لأجهزة الحوسبة المدمجة. تم تصميم بنية شبكة المستشعر اللاسلكي باستخدام العقد التي تُستخدم لمراقبة البيئة المحيطة مثل درجة الحرارة والرطوبة والضغط والموضع والاهتزاز والصوت وما إلى ذلك. يمكن استخدام هذه العقد في العديد من التطبيقات في الوقت الفعلي لأداء مهام مختلفة مثل الاكتشاف الذكي ، اكتشاف العقد المجاورة ، ومعالجة البيانات وتخزينها ، وجمع البيانات ، وتتبع الهدف ، والمراقبة والتحكم ، والمزامنة ، وتوطين العقدة ، والتوجيه الفعال بين المحطة الأساسية والعقد. في الوقت الحاضر ، بدأ تنظيم الشبكات اللاسلكية للشبكات اللاسلكية في خطوة محسّنة. ليس من المحرج توقع أنه خلال 10 إلى 15 عامًا سيتم حماية العالم بشبكات WSN مع الدخول إليها عبر الإنترنت. يمكن قياس ذلك لأن الإنترنت أصبح شيئًا ماديًا. هذه التكنولوجيا مثيرة مع إمكانات لا حصر لها للعديد من مجالات التطبيق مثل الطبية والبيئية والنقل والجيش والترفيه والدفاع عن الوطن وإدارة الأزمات وكذلك المساحات الذكية.

ما هي شبكة الاستشعار اللاسلكية؟

لاسلكي شبكة الاستشعار هي نوع واحد من الشبكات اللاسلكية يتضمن عددًا كبيرًا من الأجهزة المتداولة ، والموجهة ذاتيًا ، والدقيقة ، والمنخفضة الطاقة المسماة عقد الاستشعار التي تسمى motes تغطي هذه الشبكات بالتأكيد عددًا كبيرًا من الأجهزة الموزعة مكانيًا ، والقليلة ، والتي تعمل بالبطاريات ، والمتصلة بالشبكة لجمع البيانات ومعالجتها ونقلها بعناية إلى المشغلين ، وقد سيطرت على قدرات الحوسبة والمعالجة. العقد هي أجهزة كمبيوتر صغيرة تعمل بشكل مشترك لتشكيل الشبكات.




شبكة استشعار لاسلكي

شبكة استشعار لاسلكي

عقدة المستشعر عبارة عن جهاز لاسلكي متعدد الوظائف وموفر للطاقة. تطبيقات القوت في الصناعة واسعة الانتشار. تجمع مجموعة عقد الاستشعار البيانات من المناطق المحيطة لتحقيق أهداف تطبيق محددة. يمكن إجراء الاتصال بين الموتات مع بعضها البعض باستخدام أجهزة الإرسال والاستقبال. في شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية ، يمكن أن يكون عدد الموتات في حدود المئات / حتى الآلاف. على عكس أجهزة الاستشعار n / ws ، سيكون لشبكات Ad Hoc عدد أقل من العقد بدون أي بنية.



هندسة شبكة الاستشعار اللاسلكية

تتبع بنية شبكة الاستشعار اللاسلكية الأكثر شيوعًا نموذج بنية OSI. تتضمن بنية WSN خمس طبقات وثلاث طبقات متقاطعة. في الغالب في المستشعر n / w ، نحتاج إلى خمس طبقات ، وهي التطبيق ، النقل ، n / w ، ارتباط البيانات والطبقة المادية. المستويات الثلاثة المتقاطعة هي إدارة الطاقة وإدارة التنقل وإدارة المهام. تُستخدم طبقات WSN هذه لإنجاز n / w وجعل المستشعرات تعمل معًا من أجل رفع الكفاءة الكاملة للشبكة. يرجى اتباع الرابط أدناه ل أنواع شبكات الاستشعار اللاسلكية وطبولوجيا WSN

أنواع معماريات WSN

الهندسة المستخدمة في WSN هي بنية شبكة الاستشعار. هذا النوع من الهندسة المعمارية قابل للتطبيق في أماكن مختلفة مثل المستشفيات والمدارس والطرق والمباني وكذلك يتم استخدامه في تطبيقات مختلفة مثل إدارة الأمن وإدارة الكوارث وإدارة الأزمات وما إلى ذلك. هناك نوعان من البنى المستخدمة في أجهزة الاستشعار اللاسلكية الشبكات التي تشمل ما يلي. هناك نوعان من بنيات المستشعرات اللاسلكية: هندسة الشبكات ذات الطبقات ، والهندسة المعمارية العنقودية. هذه موضحة على النحو التالي.

  • هندسة الشبكات ذات الطبقات
  • بنية الشبكة العنقودية

هندسة الشبكات ذات الطبقات

يستخدم هذا النوع من الشبكات مئات من عقد الاستشعار بالإضافة إلى محطة أساسية. هنا يمكن ترتيب عقد الشبكة في طبقات متحدة المركز. وهي تتألف من خمس طبقات بالإضافة إلى 3 طبقات متقاطعة والتي تشمل ما يلي.


الطبقات الخمس في العمارة هي:

  • طبقة التطبيقات
  • طبقة النقل
  • طبقة الشبكة
  • طبقة وصل البيانات
  • الطبقة المادية

تشمل الطبقات الثلاث المتقاطعة ما يلي:

  • طائرة إدارة الطاقة
  • طائرة إدارة التنقل
  • طائرة إدارة المهام

تُستخدم هذه الطبقات الثلاث المتقاطعة بشكل أساسي للتحكم في الشبكة وكذلك لجعل المستشعرات تعمل كواحدة من أجل تعزيز كفاءة الشبكة الإجمالية. تتم مناقشة الطبقات الخمس المذكورة أعلاه من WSN أدناه.

هندسة شبكة الاستشعار اللاسلكية

هندسة شبكة الاستشعار اللاسلكية

طبقة التطبيقات

طبقة التطبيق مسؤولة عن إدارة حركة المرور وتقدم برامج للعديد من التطبيقات التي تحول البيانات في شكل واضح للعثور على معلومات إيجابية. شبكات الاستشعار مرتبة في العديد من التطبيقات في مختلف المجالات مثل الزراعة والعسكرية والبيئية والطبية ، إلخ.

طبقة النقل

تتمثل وظيفة طبقة النقل في توفير تجنب الازدحام والموثوقية حيث يكون الكثير من البروتوكولات التي تهدف إلى تقديم هذه الوظيفة إما عملية في المنبع. تستخدم هذه البروتوكولات آليات متباينة للتعرف على الخسائر واستردادها. تكون طبقة النقل مطلوبة تمامًا عندما يتم التخطيط لنظام للاتصال بالشبكات الأخرى.

يعد توفير استرداد موثوق به للخسارة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وهذا أحد الأسباب الرئيسية لعدم ملاءمة TCP لشبكة WSN. بشكل عام ، يمكن فصل طبقات النقل إلى حزم مدفوعة ، مدفوعة بالأحداث. هناك بعض البروتوكولات الشائعة في طبقة النقل وهي STCP (بروتوكول التحكم في نقل المستشعرات) ، و PORT (بروتوكول النقل الموثوق الموجه بالسعر و PSFQ (مضخة الجلب البطيء السريع).

طبقة الشبكة

تتمثل الوظيفة الرئيسية لطبقة الشبكة في التوجيه ، فهي تحتوي على الكثير من المهام بناءً على التطبيق ، ولكن في الواقع ، تتمثل المهام الرئيسية في الحفاظ على الطاقة ، والذاكرة الجزئية ، والمخازن المؤقتة ، والمستشعر ليس لديها معرّف عالمي ويجب أن كن منظمًا ذاتيًا.

الفكرة البسيطة لبروتوكول التوجيه هي شرح ممر موثوق به وممرات زائدة عن الحاجة ، وفقًا لمقياس مقنع يسمى متري ، والذي يختلف من بروتوكول إلى بروتوكول. هناك الكثير من البروتوكولات الحالية لطبقة الشبكة هذه ، ويمكن فصلها إلى توجيه مسطح وتوجيه هرمي أو يمكن فصلها إلى مدفوعة بالوقت واستعلام ومدفوع بالأحداث.

طبقة وصل البيانات

تكون طبقة ارتباط البيانات مسؤولة عن تعدد إرسال البيانات لاكتشاف إطار البيانات ، وتدفقات البيانات ، و MAC ، والتحكم في الأخطاء ، وتأكيد موثوقية نقطة - نقطة (أو) نقطة - متعددة النقاط.

الطبقة المادية

توفر الطبقة المادية حافة لنقل تيار من البتات فوق الوسط المادي. هذه الطبقة مسؤولة عن اختيار التردد ، وتوليد تردد الموجة الحاملة ، واكتشاف الإشارة ، والتضمين ، وتشفير البيانات. يُقترح IEEE 802.15.4 على أنه نموذجي لمناطق معينة ذات معدل منخفض وشبكات استشعار لاسلكية بتكلفة منخفضة واستهلاك طاقة وكثافة ونطاق اتصال لتحسين عمر البطارية. يستخدم CSMA / CA لدعم طوبولوجيا النجوم والنظير. توجد عدة إصدارات من IEEE 802.15.4.V.

تتمثل الفوائد الرئيسية لاستخدام هذا النوع من البنية في WSN في أن كل عقدة تتضمن ببساطة عمليات نقل منخفضة الطاقة ومسافة أقل إلى العقد المجاورة بسبب انخفاض استخدام الطاقة مقارنةً بأنواع أخرى من بنية شبكة المستشعرات. هذا النوع من الشبكات قابل للتطوير بالإضافة إلى أنه يتضمن درجة عالية من التسامح مع الخطأ.

بنية الشبكة العنقودية

في هذا النوع من البنية ، تضيف عقد الاستشعار المنفصلة إلى مجموعات تعرف باسم المجموعات التي تعتمد على 'بروتوكول Leach' لأنه يستخدم المجموعات. يشير مصطلح 'Leach Protocol' إلى 'التسلسل الهرمي للتكتل المتكيف منخفض الطاقة'. تشمل الخصائص الرئيسية لهذا البروتوكول بشكل أساسي ما يلي.

بنية الشبكة العنقودية

بنية الشبكة العنقودية

  • هذه بنية تجميع هرمية من مستويين.
  • تُستخدم هذه الخوارزمية الموزعة لترتيب عُقد المستشعر في مجموعات ، تُعرف باسم المجموعات.
  • في كل مجموعة يتم تشكيلها بشكل منفصل ، ستنشئ العقد الرئيسية للمجموعة خطط TDMA (الوصول المتعدد بتقسيم الوقت).
  • يستخدم مفهوم دمج البيانات بحيث يجعل الشبكة ذات كفاءة في استخدام الطاقة.

يتم استخدام هذا النوع من بنية الشبكة بشكل كبير بسبب خاصية دمج البيانات. في كل مجموعة ، يمكن أن تتفاعل كل عقدة من خلال رأس الكتلة للحصول على البيانات. ستشارك جميع المجموعات بياناتها التي تم جمعها تجاه المحطة الأساسية. يعد تشكيل الكتلة ، وكذلك اختيار رأسه في كل مجموعة ، طريقة توزيع مستقلة ومستقلة.

قضايا تصميم بنية شبكة الاستشعار اللاسلكية

تتضمن مشكلات تصميم بنية شبكة المستشعر اللاسلكي بشكل أساسي ما يلي.

  • استهلاك الطاقة
  • الموقع
  • تغطية
  • ساعات
  • حساب
  • تكليف الإنتاج
  • تصميم الأجهزة
  • جودة الخدمة

استهلاك الطاقة

في WSN ، يعد استهلاك الطاقة أحد المشكلات الرئيسية. كمصدر للطاقة ، يتم استخدام البطارية عن طريق تزويدها بعقد استشعار. يتم ترتيب شبكة المستشعرات في المواقف الخطرة بحيث تصبح معقدة لتغيير البطاريات التي يتم إعادة شحنها. يعتمد استهلاك الطاقة بشكل أساسي على عمليات عقد الاستشعار مثل الاتصال والاستشعار ومعالجة البيانات. من خلال الاتصال ، يكون استهلاك الطاقة مرتفعًا جدًا. لذلك ، يمكن تجنب استهلاك الطاقة في كل طبقة باستخدام بروتوكولات التوجيه الفعالة.

الموقع

بالنسبة لتشغيل الشبكة ، فإن المشكلة الأساسية والحرجة هي توطين أجهزة الاستشعار. لذلك يتم ترتيب عُقد المستشعرات بطريقة مخصصة بحيث لا تعرف مواقعها. تُعرف صعوبة تحديد الموقع المادي للمستشعر بمجرد ترتيبها بالتوطين. يمكن حل هذه الصعوبة من خلال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وعقد المنارة والتوطين بناءً على القرب.

تغطية

تستخدم عُقد المستشعر في شبكة المستشعرات اللاسلكية خوارزمية تغطية لاكتشاف البيانات وكذلك نقلها لتغرق في خوارزمية التوجيه. لتغطية الشبكة بأكملها ، يجب اختيار عقد الاستشعار. يوصى باستخدام طرق فعالة مثل خوارزميات مسار التعرض الأدنى والأعلى بالإضافة إلى بروتوكول تصميم التغطية.

ساعات

في WSN ، تعد مزامنة الساعة خدمة جادة. وتتمثل الوظيفة الرئيسية لهذه المزامنة في تقديم مقياس زمني عادي لعقد الساعات المحلية داخل شبكات الاستشعار. يجب مزامنة هذه الساعات في بعض التطبيقات مثل المراقبة والتتبع.

حساب

يمكن تعريف الحساب على أنه مجموع البيانات التي تستمر عبر كل عقدة. القضية الرئيسية في الحساب هي أنه يجب أن يقلل من استخدام الموارد. إذا كان العمر الافتراضي للمحطة الأساسية أكثر خطورة ، فسيتم إكمال معالجة البيانات في كل عقدة قبل نقل البيانات إلى المحطة الأساسية. في كل عقدة ، إذا كان لدينا بعض الموارد ، فيجب إجراء الحساب بالكامل في الحوض.

تكلفة الانتاج

في WSN ، يتم ترتيب عدد كبير من عقد الاستشعار. لذلك إذا كان سعر العقدة الواحدة مرتفعًا جدًا ، فسيكون السعر الإجمالي للشبكة مرتفعًا أيضًا. في النهاية ، يجب الاحتفاظ بسعر كل عقدة مستشعر أقل. لذا فإن سعر كل عقدة مستشعر داخل شبكة المستشعرات اللاسلكية يمثل مشكلة ملحة.

تصميم الأجهزة

عند تصميم أي جهاز لشبكة الاستشعار مثل التحكم في الطاقة ، يجب أن تكون وحدة التحكم الدقيقة ووحدة الاتصالات موفرة للطاقة. يمكن تصميمه بطريقة تستخدم طاقة منخفضة.

جودة الخدمة

جودة الخدمة أو جودة الخدمة ليست سوى ، يجب توزيع البيانات في الوقت المناسب. لأن بعض التطبيقات القائمة على أجهزة الاستشعار في الوقت الحقيقي تعتمد بشكل أساسي على الوقت. لذلك إذا لم يتم توزيع البيانات في الوقت المحدد نحو جهاز الاستقبال ، فستتحول البيانات إلى عديمة الفائدة. في شبكات WSN ، توجد أنواع مختلفة من مشكلات جودة الخدمة مثل هيكل الشبكة التي قد يتم تعديلها بشكل متكرر بالإضافة إلى حالة الوصول للمعلومات المستخدمة في التوجيه والتي يمكن أن تكون غير دقيقة.

هيكل شبكة الاستشعار اللاسلكية

يتكون هيكل WSN بشكل أساسي من طبولوجيا مختلفة تستخدم لشبكات الاتصالات الراديوية مثل النجم والشبكة والنجم الهجين. تتم مناقشة هذه الهياكل أدناه باختصار.

ستار نتوورك

يتم استخدام طوبولوجيا الاتصال مثل شبكة النجوم في أي مكان يمكن فيه للمحطة الأساسية فقط إرسال أو استقبال رسالة باتجاه العقد البعيدة. هناك عدد من العقد المتاحة التي لا يُسمح لها بنقل الرسائل إلى بعضها البعض. تشتمل فوائد هذه الشبكة بشكل أساسي على البساطة ، القادرة على الحفاظ على استخدام الطاقة للعقد البعيدة إلى الحد الأدنى.

كما أنه يتيح الاتصالات مع زمن انتقال أقل بين المحطة الأساسية بالإضافة إلى عقدة بعيدة. العيب الرئيسي لهذه الشبكة هو أن المحطة الأساسية يجب أن تكون في نطاق الراديو لجميع العقد المنفصلة. إنها ليست قوية مثل الشبكات الأخرى لأنها تعتمد على عقدة واحدة للتعامل مع الشبكة.

الشبكة التشعبية

يسمح هذا النوع من الشبكات بنقل البيانات من عقدة إلى أخرى داخل الشبكة الموجودة في نطاق الإرسال اللاسلكي. إذا احتاجت العقدة إلى إرسال رسالة إلى عقدة أخرى وكان ذلك خارج نطاق الاتصالات اللاسلكية ، فيمكنها استخدام عقدة مثل وسيط لإرسال الرسالة نحو العقدة المفضلة.

الفائدة الرئيسية للشبكة المعشقة هي قابلية التوسع والتكرار. عندما تتوقف عقدة فردية عن العمل ، يمكن للعقدة البعيدة أن تتحدث إلى أي نوع آخر من العقد داخل النطاق ، ثم تعيد توجيه الرسالة نحو الموقع المفضل. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتم تقييد نطاق الشبكة تلقائيًا من خلال النطاق بين العقد الفردية التي يمكن توسيعها ببساطة عن طريق إضافة عدد من العقد إلى النظام.

العيب الرئيسي لهذا النوع من الشبكات هو استخدام الطاقة لعقد الشبكة التي تنفذ الاتصالات مثل القفزات المتعددة وعادة ما تكون أعلى من العقد الأخرى التي لا تتمتع بهذه السعة للحد من عمر البطارية بشكل متكرر. علاوة على ذلك ، عندما يزداد عدد قفزات الاتصال نحو الوجهة ، فإن الوقت المستغرق لإرسال الرسالة سيزداد أيضًا ، لا سيما إذا كانت عملية الطاقة المنخفضة للعقد ضرورية.

هايبرد ستار - شبكة متشابكة

يوفر الهجين بين الشبكتين مثل star and mesh شبكة اتصالات قوية ومرنة مع الحفاظ على استهلاك الطاقة لعقد المستشعر اللاسلكي إلى الحد الأدنى. في هذا النوع من طوبولوجيا الشبكة ، لا يُسمح لعقد المستشعرات ذات الطاقة الأقل بنقل الرسائل.
هذا يسمح للصيانة بأقل استخدام للطاقة.

ولكن ، يُسمح لعقد الشبكة الأخرى بإمكانية القفزات المتعددة من خلال السماح لها بنقل الرسائل من عقدة إلى أخرى على الشبكة. عادةً ما تكون العقد ذات السعة متعددة القفزات ذات طاقة عالية ويتم توصيلها غالبًا بخط التيار الكهربائي. هذا هو الهيكل المطبق من خلال شبكة الشبكات القياسية القادمة التي تسمى ZigBee.

هيكل عقدة الاستشعار اللاسلكية

المكونات المستخدمة لإنشاء عقدة استشعار لاسلكية هي وحدات مختلفة مثل الاستشعار والمعالجة وجهاز الإرسال والاستقبال والطاقة. يتضمن أيضًا مكونات إضافية تعتمد على تطبيق مثل مولد الطاقة ونظام تحديد الموقع والمعبئ. بشكل عام ، تشتمل وحدات الاستشعار على وحدتين فرعيتين هما ADCs بالإضافة إلى أجهزة الاستشعار. تقوم المستشعرات هنا بتوليد إشارات تمثيلية يمكن تغييرها إلى إشارات رقمية بمساعدة ADC ، وبعد ذلك تنتقل إلى وحدة المعالجة.

بشكل عام ، يمكن ربط هذه الوحدة من خلال وحدة تخزين صغيرة للتعامل مع الإجراءات لجعل عقدة الاستشعار تعمل مع العقد الأخرى لتحقيق مهام الاستشعار المخصصة. يمكن توصيل عقدة المستشعر بالشبكة بمساعدة وحدة الإرسال والاستقبال. في عقدة المستشعر ، أحد المكونات الأساسية هو عقدة الاستشعار. يتم دعم وحدات الطاقة من خلال وحدات مسح الطاقة مثل الخلايا الشمسية بينما تعتمد الوحدات الفرعية الأخرى على التطبيق.

يظهر أعلاه مخطط كتلة وظيفية لعقد الاستشعار اللاسلكية. توفر هذه الوحدات منصة متعددة الاستخدامات للتعامل مع متطلبات التطبيقات الواسعة. على سبيل المثال ، بناءً على المستشعرات المراد ترتيبها ، يمكن استبدال كتلة تكييف الإشارة. يسمح هذا باستخدام أجهزة استشعار مختلفة مع عقدة الاستشعار اللاسلكي. وبالمثل ، يمكن استبدال ارتباط الراديو بتطبيق محدد.

خصائص شبكة الاستشعار اللاسلكية

تشمل خصائص WSN ما يلي.

  • حدود استهلاك الطاقة للعقد ذات البطاريات
  • القدرة على التعامل مع فشل العقدة
  • بعض تنقل العقد وعدم تجانس العقد
  • قابلية التوسع على نطاق واسع من التوزيع
  • القدرة على ضمان ظروف بيئية صارمة
  • سهلة الاستخدام
  • تصميم متعدد الطبقات

مزايا شبكات الاستشعار اللاسلكية

تشمل مزايا WSN ما يلي

  • يمكن تنفيذ ترتيبات الشبكة بدون بنية تحتية ثابتة.
  • مناسب للأماكن التي لا يمكن الوصول إليها مثل الجبال وفوق البحر والمناطق الريفية والغابات العميقة.
  • مرنة إذا كان هناك موقف غير رسمي عندما تكون محطة عمل إضافية مطلوبة.
  • تسعير التنفيذ غير مكلف.
  • يتجنب الكثير من الأسلاك.
  • قد يوفر أماكن إقامة للأجهزة الجديدة في أي وقت.
  • يمكن فتحه باستخدام المراقبة المركزية.

تطبيقات شبكة الاستشعار اللاسلكية

قد تشتمل شبكات المستشعرات اللاسلكية على العديد من الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار مثل معدل أخذ العينات المنخفض ، والزلازل ، والمغناطيسية ، والحرارية ، والبصرية ، والأشعة تحت الحمراء ، والرادار ، والصوت ، والتي تعتبر ذكية لمراقبة مجموعة واسعة من المواقف المحيطة. تُستخدم عقد الاستشعار للاستشعار المستمر ومعرف الحدث واكتشاف الأحداث والتحكم المحلي في المشغلات. تشمل تطبيقات شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل أساسي المجالات الصحية والعسكرية والبيئية والمنزل وغيرها من المجالات التجارية.

تطبيقات sWSN

تطبيق WSN

  • التطبيقات العسكرية
  • التطبيقات الصحية
  • التطبيقات البيئية
  • تطبيقات المنزل
  • تطبيقات تجارية
  • مراقبة المنطقة
  • مراقبة الرعاية الصحية
  • الإحساس البيئي / الأرض
  • مراقبة تلوث الهواء
  • كشف حرائق الغابات
  • كشف الانهيارات الأرضية
  • مراقبة جودة المياه
  • المراقبة الصناعية

وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بما هو ملف شبكة استشعار لاسلكي وبنية شبكة الاستشعار اللاسلكية وخصائصها وتطبيقاتها. نأمل أن يكون لديك فهم أفضل لهذا المفهوم. علاوة على ذلك ، أي استفسارات أو لمعرفة أفكار مشروع شبكة الاستشعار اللاسلكية ، يرجى تقديم اقتراحاتكم القيمة من خلال التعليق في قسم التعليقات أدناه. هنا سؤال لك، ما هي أنواع شبكات الاستشعار اللاسلكية المختلفة؟