11. Беспроводные сети (1245069), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Каждый мот должен будет обладать собственными сенсорами, вычислительнымузлом, подсистемами коммуникации и энергоснабжения. Группируясь вместе, моты автоматически будут создавать очень гибкие сети с малым потреблением питания. Области их применения могут варьироваться отсистем управления климатом до устройств для развлечения, взаимодействующих с другими информационными устройствами.Понятие умной пыли (англ. smartdust) было введено профессором Калифорнийского университета вБеркли Кристо-фером Пистером (англ. Kristofer Pister) в 2001 году, хотя ранее те же самые идеи фигурировалив научной фантастике (например, подробно описаны Станиславом Лемом в романе «Непобедимый» 1964 года).
В 2005 году выпущен обширный обзор, в котором собраны различные методы, которые могут свести размеры мотов умной пыли в сетях датчиков от более миллиметра к микрометрам.Устройства умной пыли будут основаны на низковольтной и глубоко низковольтной наноэлектронике ивключать микроисточники энергии вместе с твердотельными импульсными суперконденсаторами (наноион5ные суперконденсаторы). Разработки 2010-х годов в области нанорадио также могут использоваться как технологическая база для воплощения умной пыли на практике.Важнейшим фактором при работе БСС является ограниченная емкость батарей, устанавливаемых на моты. Следует учитывать, что заменить батареи чаще всего невозможно.
В связи с этим необходимо выполнятьна мотах только простейшую первичную обработку, ориентированную на уменьшение объема передаваемойИНФ, и, что самое главное, минимизировать число циклов приема и передачи данных. Для решения этой задачи разработаны специальные коммуникационные протоколы, наиболее известными из которых являются протоколы альянса ZigBee. Данный альянс (сайт www.zigbee.org) был создан в 2002 году именно для координацииработ в области БСС.
В него вошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips,Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI и многие другие(всего более 200 членов). Корпорация Intel в альянс не входит, хотя и поддерживает его деятельность.На данный момент ZigBee разработал единственный в этой области стандарт, который подкрепленналичием производства полностью совместимых аппаратных и программных продуктов. Протоколы ZigBeeпозволяют устройствам находиться в спящем режиме большую часть времени, что значительно продлеваетсрок службы батареи.Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями и даже тысячами мотов не так-топросто.
Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что БСС работают в нелицензированных частотныхдиапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Желательно также избегать повторной передачи одних и тех же данных, а кроме того, учитывать,что из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или накакое-то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку однойиз важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.Чаще всего мот должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере по отношению к тому другому моту, которому он будет передавать данные.
Т.е., сначала происходитидентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты — устройствастандарта ZigBee - по уровню сложности разбиваются на 3 класса.Высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзомдля передачи данных, собираемых всей БСС, для дальнейшей обработки.
В сенсорных сетях обычно используется один координатор.Средний по сложности мот является маршрутизатором, т.е. может принимать и передавать данные, атакже определять направления передачи.И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Т.о., получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 4). Кластер образуютмаршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координаторобычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.Рис.
4В России тоже проводятся разработки, связанные с созданием БСС. Так, компания «Высокотехнологичные системы» предлагает свою аппаратно-программную платформу MeshLogic/МешЛоджик (см. Приложение 3) для построения БСС (сайт www.meshlogic.ru). Основным отличием этой платформы от ZigBee являетсяориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 5). В таких сетях функциональные возможности6каждого ВКУ одинаковы. Возможность самоорганизации и самовосстановления сетей ячеистой топологиипозволяет в случае выхода части ВКУ из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Правда, в любом случае необходим центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, илишлюз для передачи данных на обработку узлу. Спонтанно создаваемые сети часто называют латинским термином Ad Hoc, что означает «для конкретного случая».Рис.
5В сетях MeshLogic каждое ВКУ может выполнять ретрансляцию пакетов, то есть по своим функциямнапоминает маршрутизатор ZigBee. Сети MeshLogic являются в полной мере самоорганизуемыми: никакогоузла-координатора не предусмотрено. В качестве радиочастотных приемо-передатчиков в MeshLogic могутиспользоваться различные устройства, в частности Cypress WirelessUSB, которые так же, как и устройствастандарта ZigBee, работают в диапазоне частот 2,4... 2,4835 ГГц. Следует отметить, что для платформыMeshLogic существуют только нижние уровни стека протоколов.
Считается, что верхние уровни, в частностисетевой и прикладной, будут создаваться под конкретные приложения. Конфигурации и основные параметрыдвух ВКУ MeshLogic и одного ВКУ стандарта ZigBee приведены в табл. 1.Таблица 1. Основные характеристики ВКУ различных производителейПараметрыПроцессорТактовая частотаОперативная памятьFlash-памятьТипДиапазон частотСкорость передачи данныхВыходная мощностьЧувствительностьML-Node-ZML-Node-UМикроконтроллерTexas Instruments MSP430От 32,768 кГц до 8 МГц10 Кбайт48 КбайтПриемопередатчикIEEE 802.15.4Cypress Wireless USBTM LP2400-2483,5 МГц250 Кбит/сОт 15,625 до 250 Кбит/сОт –24 до 0 дБмОт –35 до 4 дБм–95 дБм–93 дБмZigBitATmega12814 МГц8 Кбайт128 КбайтIEEE 802.15.42400-2483,5 МГц250 Кбит/сОт –28 до 3 дБм–101 дБмАнтеннаЧипВнешние интерфейсы1 или 2 чипаАЦПЦифровые интерфейсы12-разрядный, 7 каналовI2C/SPI/UART/USB10-разрядный, 3 каналаI2C/SPI/UART/IRQ/JTAGНапряжение питанияДругие параметрыОт 0,9 до 6,5 ВОт 1,8 до 3,6 ВРазмерыТемпературный диапазон44x33x10 ммОт –40 до 85 °CОт 0 до 70 °C19x14x3 ммОт 0 до 85 °CОтметим, что интегрированных сенсорных датчиков на этих платах нет.7Отличия БСС от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей:- полное отсутствие каких бы то ни было кабелей — электрических, коммуникационных и т.д.;- возможность компактного размещения или даже интеграции ВКУ в объекты окружающей среды;- надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаевсеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (ВКУ);- отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.БСС могут быть использованы во многих прикладных областях.
Это новая перспективная технология, ивсе связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. К основным областям примененияданной технологии:- системы обороны и обеспечение безопасности;- контроль окружающей среды; - мониторинг промышленного оборудования;- охранные системы; - мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;- управление энергоснабжением; - контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;- пожарная сигнализация; - складской учет; - слежение за транспортировкой грузов;- мониторинг физиологического состояния человека; - контроль персонала.Примеры использования БСС1. Развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР (British Petroleum - британская нефтегазовая компания). С помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания.
Компания BP проанализировала,может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации изначительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна.Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети.2.
Развертывание БСС на базе военно-воздушных сил США во Флориде (пилотный проект). Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числедвижущихся. Применение БСС позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками.В настоящее время масштабы проекта расширяются, и БСС устанавливается уже на полигоне размером10000x500 м.
Соответствующее прикладное ПО разрабатывается несколькими американскими университетами.Примечание 1: Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — устройства, объединяющие в себемикроэлектронные и микро-механические компоненты. Механическим компонентом может быть миниатюрное зеркальце — элемент системы сканирования (например, для технологии DLP (Digital Light Processing,Цифровая обработка света), либо примитивный инерциальный датчик, способный определить характерныедвижения, которые пользователь проделывает со своим устройством. МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовленияоднокристальных интегральных микросхем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
