Узлы беспроводной сенсорной сети

БСС состоит из узлов следующего типа:

1. СУ, образующие сенсорное поле в месте действия сети;

2. исполнительные устройства, воздействующие на контролируемый сен- сорными устройствами объект;

3. базовые станции (БС), выполняющие роль концентратора, маршрутиза- тора или шлюза в зависимости от возложенных на них функций.

Типичная структура СУ приведена на рис. 6.4. Она включает один или несколько датчиков, а также модули, позволяющие СУ самостоятельно прово- дить начальную обработку измеренных данных и поддерживать взаимодей- ствие с БСС.

Модуль сбора СУ преобразует измерения датчика из аналогового вида в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Вычис- литель реализует отбраковку измерений, в результате чего остаются только по- лезные данные.

Приемопередатчик образует радиоинтерфейс СУ с БСС и содержит порты для приема и передачи данных.

При необходимости в структуру СУ могут быть встроены система обна- ружения (система глобального позиционирования GPS) и мобилизатор (ориен- тация антенны при изменении местоположения или конфигурации).

 

 

Рис. 6.4. Структурная схема СУ

Блок питания обеспечивает энергией работу СУ. Время «жизни» СУ за- висит от срока службы элементов питания (часто обычные батареи). Также можно использовать подзаряжаемые, например солнечной энергией, батареи.

Размер корпуса СУ может быть от одного до нескольких десятков куби- ческих сантиметров.

На базе СУ строятся сенсорные сети мониторинга контролируемых объ- ектов, например, состояния охраняемой территории, окружающей среды и т.п. Как правило, такие сети являются однородными, то есть все СУ в сети одинако- вы с точки зрения затрат энергии батареи и функциональных возможностей.

В медицинских нательных сенсорных сетях (Wireless Body Area Network, WBAN) помимо СУ, измеряющих текущее состояние человека, используются исполнительные устройства (рис. 6.5), способные воздействовать на объект из- мерений. В структуре исполнительного устройства присутствует активный элемент, воздействующий на внешнюю среду под управлением контроллера принятия решения, например на устройство ввода инсулина больному диабе- том.

 

 

 

Рис. 6.5. Структурная схема исполнительного устройства

Медицинская нательная сенсорная сеть является примером гетерогенной сети – содержит два или больше типов сенсорных и исполнительных устройств, соответственно с различными энергетическими и функциональными возможно- стями.

На рис. 6.6 приведена структурная схема базовой станции сенсорных сетей.

 

 

 

 

Рис. 6.6. Структурная схема БС

В зависимости от программного обеспечения, реализуемого процессором, БС может выполнять функции:

• концентратора – агрегации данных, поступающих от СУ в выходной порт БС;

• маршрутизатора – вычисления адреса следующей БС, на которую бу- дут отправлены данные с ее выходного порта;

• шлюза – сопряжения БСС с другой сетью, например Интернетом, при котором пакеты БСС преобразуются в формат глобальной сети.

БС функционально может сочетать функции концентратора и маршрути- зации или концентратора и шлюза в одном узле.

 

6.3.2. Способы взаимодействия узлов в сенсорной сети

Организация передачи данных от СУ зависит от масштаба беспроводной сенсорной сети.

В отличие от сетей WiFi или WiMAX время «жизни» сенсорной сети сильно зависят от расхода энергии сенсорными устройствами. По этой причине все способы передачи данных в беспроводных сенсорных сетях нацелены на снижение количества операций, выполняемых системой передачи. Расход энер- гии происходит во время передачи данных, их обработки, вычисления маршру- та и т. д.

Все беспроводные сенсорные сети можно классифицировать на одноран- говые и иерархические.

В одноранговых сенсорных сетях все СУ выполняют одинаковые задачи. Существует два способа выбора головных узлов: случайно или предопределен- но. При случайном выборе создаются кластеры различных размеров.

Масштабирование одноранговых сенсорных сетей образует топологию

«дерево». Известны два алгоритма многошаговой маршрутизации в сенсорных сетях с древовидной топологией:

 

• алгоритм наводнения, при котором каждый узел сенсорной сети, полу- чая пакет данных, передает его всем своим соседям. Этот процесс продолжает-

ся до тех пор, пока пакет не поступает на шлюз или не достигает максимально возможного количества переходов. Алгоритм реализуется просто, но имеет не- достатки, связанные с дублированием сообщений, переданных в один и тот же сенсорный узел, и, как следствие, большое энергопотребление;

• алгоритм «распространения слухов» – улучшенный вариант алгоритма наводнения, при котором пакет передается единственному соседу, выбранному

случайным образом из таблицы маршрутизации. Алгоритм преодолевает про- блему дублирования сообщений, но увеличивает задержку их передачи.

Примером одноранговой беспроводной сенсорной сети может служить ме- дицинская сеть удаленного мониторинга пациентов. Например, несколько паци- ентов носят СУ в форме браслета для записи электрокардиограммы, которая пе- риодически передается лечащему врачу.

Все же чаще сенсорные сети покрывают большие географические райо- ны. В целях экономии энергии мощность радиопередачи должна быть сведена к минимуму. Поэтому многошаговое взаимодействие является более распростра- ненным вариантом беспроводной сенсорной сети и реализуется иерархической структурой (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Иерархическая структура беспроводной сенсорной сети

СУ нижнего уровня сначала передают данные головным узлам, вокруг которых СУ объединены в кластеры. Головной узел представляет собой базо- вую станцию с функцией концентратора. Эти функции включают агрегацию данных, формирование пакетов сенсорной сети и их ретрансляцию до ближай- шего маршрутизатора. Маршрутизаторы образуют ячеистую топологию mesh (сети), по которой транспортируются пакеты. За несколько хопов данные будут переданы на шлюз – выход сенсорной сети в глобальную сеть.

Таким образом, беспроводная сенсорная сеть может быть построена как совокупность кластеров, на которые разбивается создаваемое сенсорное поле.

 

Количество кластеров теоретически не ограничено. Это позволяет масштабиро- вать размер сети под покрытие сенсорным полем значительных территорий.

Алгоритмы маршрутизации в иерархических беспроводных сенсорных сетях получили название – алгоритмы иерархической маршрутизации.

Примером иерархических беспроводных сенсорных сетей могут быть си- стемы технологического учета электроэнергии, учета водоснабжения, охраны труда на вредном производстве и другие системы, контролирующие деятель- ность предприятий.

Из-за относительно большого количества СУ традиционная адресация на основе IP-протокола не применяется в сенсорных сетях в полном объеме. В сенсорных сетях получать данные иногда важнее, чем знать адреса СУ, с ко- торых они отправлены. Поэтому в беспроводной сенсорной сети адреса могут иметь только базовые станции.