فهرست
عنـــــــوان | صفحه |
چكیده | 1 |
مقدمه | 2 |
تاریخچه شبکههای حسگر بیسیم | 4 |
شبکه حسگر چیست؟ | 10 |
ساختار كلی شبكه حس/كار بی سیم | 10 |
ساختار خودكار: | 12 |
ساختار نیمه خودكار | 13 |
ساختمان گره | 13 |
ویژگی ها | 14 |
کاربردها | 15 |
پشته قراردادی | 15 |
موضوعات مطرح | 16 |
تنگناهای سخت افزاری | 16 |
همبندی | 17 |
قابلیت اطمینان | 17 |
مقیاس پذیری | 18 |
قیمت تمام شده | 19 |
شرایط محیطی | 19 |
رسانه ارتباطی | 19 |
توان مصرفی گره ها | 19 |
افزایش طول عمر شبكه | 20 |
ارتباط بیدرنگ و هماهنگی | 20 |
امنیت و مداخلات | 21 |
عوامل پیش بینی نشده | 22 |
نمونه پیادهسازی شده شبکه حس/كار | 23 |
ذره میکا | 24 |
بررسی نرمافزارهای شبیهسازی شبكه | 25 |
انعطاف در مدلسازی | 25 |
سهولت در مدلسازی | 25 |
اجرای سریع مدلها | 26 |
قابلیت مصورسازی | 26 |
قابلیت اجرای مجدد و تكراری شبیه سازی | 26 |
مدل سازی شبکه های بی سیم | 28 |
چند مثال و کاربرد | 29 |
نمونه های ایجاد شده توسط نرم افزار | 30 |
غرق سازی | 30 |
مثلث بندی | 31 |
پایش ترافیک | 32 |
گمشده جنگی در منطقه دشمن و تعقیب کننده | 34 |
جهان کوچک | 36 |
چالشهای شبکههای حسگر بیسیم | 36 |
کاربردهای شبکه های حسگر | 40 |
برخی از دیگرکاربردهای شبکه های حسگر : | 41 |
کاربردهای نظامی | 41 |
کاربردهای محیطی | 41 |
کاربردهای بهداشتی | 42 |
کاربردهای خانگی | 42 |
کاربردهای تجاری | 42 |
نتیجهگیری | 43 |
منابع | 44 |
عنـــــــوان | صفحه |
شكل (1) ساختار كلی شبكه حس/كار | 17 |
شکل (2) ساخنتر خود کار | 17 |
شکل (3) ساختار نیمه خودکار | 18 |
شكل (4) ساختمان داخلی گره حسگر/كارانداز | 19 |
شکل (5) پشته قراردادی | 21 |
شکل (6) ذره میکا | 28 |
شکل (7) ساختار داخلی غبار هوشمند | 29 |
شکل (8) نمایش Visualsense از مدل بیسیم تشخیص صوت | 32 |
شکل (9) نمایش مدل در حال اجرا | 33 |
شکل (10) تصویری از مثال غرقسازی | 36 |
شکل (11) تصویر مثال مثلث بندی | 37 |
شکل (12) تصویری که میدان حسگرها را به همراه مجراها و. . . نمایش می دهد | 40 |
شکل (13) تصویری از مدل Small World | 41 |
| |
چكیده
شبکههای حسگر بیسیم از گرههای کوچکی با قابلیتهای حسکردن، پردازش و محاسبه کردن تشکیل شده است. پیشرفتهای اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازههای کوچک از یکسو و توسعه فناوری ارتباطات بیسیم از سوی دیگر زمینهساز طراحی شبکههای حس/کار بیسیم شده است. یکی از کاربردهای اساسی این شبکهها مربوط به محیطهایی میشود که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد، مانند کف اقیانوسها یا محیطهای نظامی به علت حضور دشمن و یا محیطهای آلوده از نظر شیمیایی و هستهای. کوچکترین نمونه پیادهسازی سختافزاری گرههای حسگر غبار هوشمند است که یک گره یک میلیمتر مکعبی است اما همچنان تلاش بر این است که این گرهها به قدری کوچک شوند که بتوانند معلق در هوا باقی بمانند و به وسیله جریان هوا شناور شوند و برای ساعتها یا روزها موارد حسشده را ارسال نمایند. امنیت در برخی کاربردهای نظامی یک موضوع بحرانی است، مثلاً ارتباط بیسیم شبکه کار را برای فعالیتهای امنیتی دشوارتر مینماید. همچنین در این مقاله سعی میگردد تا با بررسی مدلها و روش های به کار رفته به یک تحلیل جامع در خصوص کاربرد این شبکهها دست یابیم.
كلمات كلیدی
شبکه حس/کار بیسیم، حسگر، کارانداز، گره، چاهک، گره مدیر وظیفه
مقدمه
امروزه زندگی بدون ارتباطات بیسیم قابل تصور نیست. پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارهای کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارهای بیسیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروز ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریزحسگرها شده است. این ریزحسگرها توانایی انجام حسهای بیشمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حسکردن زلزله را دارا میباشند. همچنین جمعآوری اطلاعات در مناطق دور افتاده و مکانهایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کردهاند. اتومبیلها می توانند از ریزحسگرهای بی سیم برای کنترل وضعیت موتور، فشار تایرها، تراز روغن و . . . استفاده کنند. خطوط مونتاژ می توانند از این حسگرها برای کنترل فرایند مراحل طول تولید استفاده کنند. در موقعیتهای راهبردی ریزحسگرها می توانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای ردگیری هدف (مانند ماشین یا انسان) استفاده شوند. در واقع تفاوت اساسی این شبکهها ارتباط آن با محیط و پدیدههای فیزیکی است. شبکههای سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاههای اطلاعاتی را فراهم میکند در حالی که شبکه حس/کار مستقیماﹰ با جهان فیزیکی در ارتباط است و با استفاده از حسگرها محیط فیزیكی را مشاهده کرده و بر اساس مشاهدات خود تصمیمگیری نموده و عملیات مناسب را انجام میدهند. نام شبكه حس/كار بی سیم یك نام عمومی است برای انواع مختلف كه به منظورهای خاص طراحی میشود. برخلاف شبكههای سنتی كه همه منظورهاند شبكههای حس/كار نوعاً تك منظوره هستند. در هر صورت شبکههای حسگر در نقاط مختلفی کاربرد دارند. برخی از این کاربردها عبارتند از صنایع نظامی مانند ردگیری اشیاء، بهداشت مانند کنترل علائم حیاتی، محیط مانند آنالیز زیستگاههای طبیعی، مصارف صنعتی از جمله عیب یابی خط تولید، سرگرمی و بازیهای مجازی و در مواردی در زندگی دیجیتالی به طور مثال ردگیری مکان پارک ماشین.
در این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگیها، قابلیتها، محدودیتها و برخی کاربردهای آن به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه میپردازیم. در بخش دوم مقاله معرفی از شبکه حسگر و برخی ویژگیهای آن خواهیم داشت. در بخش سوم تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر میکنیم. سپس در بخش چهارم ساختمان داخلی گره حسگر/کارانداز را تشریح کرده و برخی از ویژگیها، کاربردها و پشته قراردادی آن را بررسی میکنیم. در ادامه موضوعات مطرح در طراحی شبکههای حس/کار را بهطور خلاصه ذکر میکنیم و در بخش ششم به شناخت و بررسی نمونه پیادهسازیشده شبکه حس/کار (ذره میکا) میپردازیم. در ابتدای بخش هفتم نرمافزارهای شبیهسازی شبکه را بررسی میکنیم و سپس خصوصیات لازم برای شبیهسازهای شبکه را مورد مطالعه قرار میدهیم. در بخش هشتم شرح میدهیم که چطور مدلهایی از شبکههای حسگر بیسیم را ایجاد میکنند و برای مثال یک مدل پیشساخته را اجرا میکنیم. در ادامه در بخش نهم گزارش نمونههایی از پیادهسازی وایجاد گرههای حسگر شرح داده شده است. در بخش دهم برخی نمونههای ایجاد شده توسط نرمافزارها را مورد بررسی قرار میدهیم و در انتها نیز به نتیجهگیری مطالب گفتهشده خواهیم پرداخت.
تاریخچه شبکههای حسگر بیسیم
فناوری شبکههای حسگر[1] یکی از فناوریهای کلیدی برای آینده است، به گونهای که میتوان آن را پراهمیتترین فناوریها برای قرن 21 دانست. یک شبکه حسگر، ساختاری متشکل از اجزای حس کننده، محاسبه کننده و مخابراتی است که به یک مدیر، اجازه مشاهده و تنظیم مشاهدات را میدهد و همچنین عکسالعمل نشان دادن در برابر رویدادهایی که در یک ناحیه مشخص اتفاق میافتد را سادهتر ميسازد. منظور از مدیر، نوعاً میتواند یک هویت اجتماعی، دولتی، تجاری و یا صنعتی باشد. ناحیه مورد نظر میتواند جهان فیزیکی، یک سیستم بیولوژیکی و یا یک چارچوب خاص تکنولوژی اطلاعات باشد. سیستمهای حسگر شبکه شده، امروزه به صورت یک تکنولوژی بسیار مهم که در سالهای آینده آرایشهای مختلفی را تجربه خواهند کرد قابل بررسی برای کاربران خواهند بود . کاربردهای نوعی این نوع از حسگرها شامل جمع آوری داده، کنترل، نظارت و انجام اندازهگیریهای مختلف است. تجهیزات ارزان قیمت و هوشمند، همراه با چندین حسگر بر روی یک برد، که از طریق لینکهای بیسیم با یکدیگر شبکهای را تشکیل دادهاند امکانات و فرصتهای بسیاری را در مدیریت و کنترل شهرها، خانهها و حتی محیطهای پیرامون در اختیارمان قرار میدهند. علاوه بر این، شبکههای حسگر در مسائل دفاعی و نظامی، مانند بررسی امکانات دشمن و نظارت بر اعمال و رفتار آنها امکانات فراوانی را در اختیار ما قرار میدهند.
حسگرهای هوشمند میتوانند در هوا، در زمین، زیر آب، در داخل وسائل نقلیه و حتی در داخل ساختمانها نیز به کار برده شوند. یک سیستم از حسگرهای شبکه شده میتواند برای تشخیص و ردگیری رفتارها (مانند وسائل نقلیه بالدار و چرخدار، اشخاص و عوامل شیمیایی و یا بیولوژیکی)، هدفگیری به کمک سلاحهای پیشرفته و جلوگیری از نفوذ عوامل دشمن استفاده شود .
از جمله کاربردهای متداول شبکههای حسگر، میتوان به مقاصد نظامی، امنیت فیزیکی، کنترل ترافیک هوایی، نظارت ترافیکی، اتوماسیون صنعتی، روبوتها، حفاظت از بناها، کنترل و مدیریت شرایط بحرانی و تحقیقات در حیات جانداران اشاره کرد. ساختار شبکه و نوع حسگرهای به کار رفته بر حسب کاربرد این شبکهها متفاوت خواهد بود.
فناوری به کار رفته در این شبکهها برگرفته از تحقیقات انجام شده در فناوری حس کردن، ارتباطات و محاسبات ( شامل سخت افزار، نرم افزار و الگوریتمها) است. از این رو، معایب و مزایای برخاسته از این فناوریها، تحقیقات و پیشرفت فناوری شبکههای حسگر را تحت تاثیر قرار خواهد داد. از جمله شبکههایی که اخیراُ در دنیا استفاده شده میتوان شبکههای راداری استفاده شده در کنترل ترافیک هوایی و شبکههای توزیع نیروی برق را نام برد. این شبکهها قبل از این که از شبکههای حسگر در ساختار خود استفاده کنند از رایانهها و امکانات مخابراتی مخصوصی استفاده میکردند.
مشابه اغلب فناوریهای دیگر، کاربردهای نظامی محرک اصلی برای تحقیقات و توسعه در زمینه شبکههای حسگر بوده است. تاریخچه پیدایش شبکههای حسگر بیسیم(WSN) [2] را میتوان به صورت چهار فاز جدا در نظر گرفت. این چهار فاز به صورت مختصر در زیر آمدهاند.
فاز اول، شبکههای حسگر نظامی دوران جنگ سرد است. در دوران جنگ سرد سیستم ارزیابی صوتی [3] (SOSUS)، سیستمی متشکل از حسگرهای صوتی در زیر اقیانوسها برای آشکارسازی و ردیابی زیردریاییهای کشور شوروی به کار گرفته شد. پس از آن سالها نیز، همچنان شبکههای پیچیده صوتی برای کنترل و ردگیری زیردریاییها استفاده میشد. سیستم SOSUS، هم اکنون نیز برای سازمانهایی که در زمینه اقیانوسشناسی و مدیریت هوایی فعالیت دارند، برای کنترل فعالیتهای زمین لرزهای در داخل اقیانوسها و یا بررسی رفتار موجودات داخل آنها به کار گرفته میشوند. همچنین در طول جنگ سرد، شبکههای مربوط به رادارهای دفاع هوایی بهینهسازی شده و برای دفاع از ایالات متحده و کانادا استفاده شدند. شبکههایی با ساختار سلسله مراتبی[4] (پردازش در سطوح متوالی و انتقال اطلاعات از عامل به وجود آورنده آن به دست کاربر ) رشد کردند و در بیشتر موارد، عامل انسانی نقش اساسی و کلیدی در سیستمها ایفا میکرد(پردازش سیگنالهای صوتی، تغییر اطلاعات و ترکیب آنها).
فاز دوم، ابتکارات مرکز پروژههای تحقیقاتی پیشرفته دفاعی[5] (DARPA)بود. انگیزه اصلی برای تحقیق پیشرفته بر روی شبکههای حسگر، در اوائل سال 1980 و به وسیله برنامههایی که به وسیله DARPA، حمایت شدند بهوجود آمد. در این زمان، آرپانت (نسل اولیه اینترنت فعلی) با دویست میزبان در دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی استفاده میشد و آر. کان[6][6] (بنیانگذار پروتکل TCP/IP) مدیر سازمان فنون پردازش اطلاعات در DARPA بود. او میخواست بداند که آیا میتوان روش آرپانت را به شبکههای حسگر کشاند. در آن زمان چنین ایدهای با نبودن کامپیوترهای شخصی و ایستگاههای کاری، پردازش ضعیف و انتقال اطلاعات با سرعت پایین یک فکر جاهطلبانه به شمار میآمد. در واقع یکی از برنامههایDARPA ، در آن زمان آن بود که شبکههای حسگر توزیع شده را به صورت گرههای حسگر توزیع شدهای که بسیار کم هزینه هستند و میتوانند در یک حالت اشتراکی و به صورت خودگردان کار کنند به کار گیرند. در حقیقت این اهداف تقریباً همان چیزهایی بود که امروزه برای شبکههای حسگر بیسیم انتظار داریم.
تجهیزات برای شبکه حسگر پخش شده در سال 1978 معرفی شدند. این تجهیزات شامل حس کنندهها ( اغلب صوتی)، ارتباطی، روشهای پردازش و الگوریتمها ( شامل الگوریتمهای مکانیابی برای حس کنندهها) و نرم افزارهای پخش شده (قابل تغییر به طور دینامیکی بر روی سیستمها و زبانهای برنامهنویسی) بودند. به دلیل آن که در آن زمان، DARPA قویترین حمایت کننده تحقیقات هوش مصنوعی بود، بازار فروش محصولات بیشتر در این زمینه فعال بود (آشکارسازی سیگنال و روشهای حل مسائل به صورت گسترده) . به دلیل فقر امکانات و فناوری، برنامه شبکههای حسگر پخش شده مجبور شد با کمک روش محاسبات گسترده، پردازش سیگنال، ردگیری و محل آزمایش موجود حل شود.
تحقیقات در دانشگاه کارنجی ملون و پترزبورگ بر روی تهیه نرمافزاری که دارای قابلیت انعطاف و استفاده از منابع گسترده مورد نیاز برای مقاومت در برابر خرابی در شبکههای حسگر پخش شده باشد، متمرکز شد. آنها یک سیستم عامل به نام ACCENT تولید کردند که در آن امکاناتی از قبیل انتقال در شبکه، امکان بنا کردن دوباره سیستم و نوسازی شبکه وجود داشت . ��این سیستم عامل، سیستم عامل MACH را تکمیل کرد و از این رو توانست حالت تجاری به خود بگیرد. از کارهای دیگر این مرکز تحقیقات میتوان به وجود آوردن پروتکلهایی برای ایجاد ارتباط جهت پردازش داخلی در شبکه برای حمایت از نوسازی دینامیکی محاسبات مربوط به ارتباط فعال، ساخت زبان مخصوص واسط برای ساختن نرم افزار سیستم پخش شده و یک سیستم برای به وجود آوردن تعادل در بار دینامیکی و اصلاح خطا در نرم افزار شبکه پخش شده بود. در آن زمان تمامی این کارها به وسیله محیط آزمایش داخلی با منابع سیگنال، حس کنندههای صوتی و کامپیوترهای VAX که بوسیله اترنت به یکدیگر وصل بودند مورد ارزیابی قرار میگرفت.
محققین دانشگاه ماساچوست، تلاش خود را بر روی روشهای پردازش سیگنال هوشمند، برای چرخبالهای ردگیر با استفاده از آرایههای پخش شدهای از میکروفنهای صوتی و به کمک تجهیزاتی که از روشهای تطبیق و خلاصه سازی ( حذف اطلاعات جزئی در سطوح پایین سیگنال و استفاده از سطوح بالاتر سیگنال یا قله سیگنال) بهره میگرفتند، متمرکز کرده بودند. آنها ساختاری مفهومی برای تفکر درباره سیستمهای پردازش سیگنال با الهام از آنچه که سیگنالهای دنیای واقعی را انسان به صورت داخلی، پردازش و تفسیر میکند تهیه کردند. با کمک تجربیات مدل انسانی، روشی برای افزایش بهره سیگنال به نویز در محیطهای پر نویز ساخته شد. علاوه بر این MIT، زبان پردازش سیگنال و محیط محاسبه میان- کنشی برای آنالیز داده در این شبکهها و بهسازی الگوریتم را به وجود آورد.
در ادامه این پیشرفتها مشخص شد که ردگیری اهداف چندگانه در محیطهای گسترده به طور کامل از ردگیری متمرکز شده سختتر است. استفاده از اندازهگیری برای ردیابی و به دست آوردن مشخصات اهداف ( محل و سرعت) نیاز به شبکههای حسگر را به وجود آورد. در دهه 1980، مرکز سیستمهای هوشمند پیشرفته در ایالات متحده برای مسائل و مشکلات به وجود آمده از قبیل تعداد بالای اهداف که پس از پیداشدن بنا به دلائلی گم میشوند و هشدارهای دروغین، الگوریتمهایی را به وجود آورد. اکنون ردگیری چند-فرضیهای یکی از روشهای استاندارد برای مسائل ردگیری مشکل است. این الگوریتم برای ردگیری هواپیمایی که در ارتفاع کم پرواز میکرد اجرا شد و نتیجه خوبی را از خود نشان داد. به طوری که نمایش محل پرواز هواپیما، به وسیله حسکنندههای صوتی همانند نمایش آن در نمایشگر رادار بود. از آزمایشات دیگری که برای اثبات درستی برنامه شبکههای حسگر استفاده شد، مسئله ردگیری وسائل نقلیه متحرک و کنترل گرههای محلی بود.
فاز سوم، کاربردهای نظامی توسعه یافته و آرایش یافته در سالهای 1980 و 1990 (این میتواند نسل اول محصولات تجاری خوانده شود) بود. با وجود اینکه محققان شبکههای حسگر فعالیتهای بسیاری انجام میدادند، اما هنوز فناوری برای این شبکهها به صورت کامل آماده نبود. بر اساس نتایج به دست آمدهی تحقیقات بر روی شبکههای حسگر توزیع شده به وسیله DARPA، طراحان نظامی به دلیل اهمیت این شبکهها در میدان رزم، در سالهای 1980 و 1990 به منظور پذیرفتن تکنولوژی شبکه حسگر شروع به کار کردند و آن را به عنوان یک جز کلیدی در جنگهای شبکه-مرکز مد نظر قرار دادند. در محیطهای جنگی سنتی (قدیمی)، هر بخشی سلاحهایش را به صورتی نسبتاً مستقل مالک میشود اما در جنگهای شبکه-مرکز، سلاحها الزاماً وابسته به یک بخش ویژه نیستند، بلکه در عوض از طریق بهکارگیری حسگرهای توزیعشده، سیستمهای سلاحی و بخشهای مختلف با هم و بر روی یک شبکه حسگر مشارکت کرده و اطلاعات به طرف گره مناسب فرستاده میشود. مثالهایی از شبکههای حسگر در پهنه نظامی، شامل آرایههای حسگر آکوستیکی برای ضد حملات زیردریایی در جنگها و همچنین سیستم حسگر جنگی از راه دور و سیستمهای حسگر تاکتیکی از راه دور میباشند. در این زمان میتوانستند از شبکههای حسگر، برای بالابردن دقت در ردگیری و روشهای هندسی مختلف، افزایش دامنه آشکارسازی و کاهش زمان پاسخ دهی استفاده کنند. از طرف دیگر هزینه توسعه نیز به دلیل استفاده از شبکههای تجاری موجود پایین بود.
فاز چهارم، تحقیقات بر روی شبکههای حسگر در قرن بیست و یکم (این میتواند نسل دوم محصولات تجاری خوانده شود) است. پیشرفتهای بهوجود آمده در زمینههای مخابراتی و محاسباتی که در اواخر سالهای 1990 و اوائل سال 2000 بهدست آمد تحقیقات در مورد شبکههای حسگر را متحول کرده و آن را به اهداف نهایی خود نزدیک نموده است. حس کنندههای کوچک و ارزان قیمت ساخته شده بر اساس فناوری سیستمهای میکروالکترومکانیکی، شبکه بندی بیسیم و پردازشگرهای کم مصرف و ارزان قیمت اجازه میدهند تا از شبکههای بیسیم موردی برای مقاصد گوناگون استفاده کنیم. به همین دلیل محققان نیز برنامه جدیدی را بر روی شبکههای حسگر بر اساس پیشرفتهای موجود شروع کرده و روشهای جدید در شبکه بندی را توسعه داده اند، که از جمله این اقدامات میتوان به جاگذاری سریع حسگرها به صورت ادهاک و تطبیق شبکهها در محیطهای مختلف اشاره کرد. اقدام بعدی آنها در زمینه پردازش اطلاعات بود، یعنی اینکه چگونه میتوان اطلاعات را از شبکه حسگر به شکل مناسب، واقعی و در زمان مناسب استخراج کرد.
[1] C. Y. Chong, S. P. Kumar, "Sensor Networks: Evolution, Opportunities, and Challenges," Proceedings of the IEEE Transaction on Computers, Vol. 91, pp.23-27, May, 2003
[2] G. J. Pottie, W. J. Kaiser, "Wireless Integrated Sensor Networks," Communications of the ACM, May 2000. An overview with more of a signal processing viewpoint.
[3] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, "A Survey on Sensor Networks," IEEE Communications, Aug. 2002, pp.102-114
[4] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarsabramaniam and E. Cayirci, "Wireless Sensor Networks: A Survey," Computer Networks, Vol. 38, pp. 393-422, March 2002.
[5] J. Hill, R. Szewczyk, A. Woo, S. Hollar, D. Culler, and K. Pister, "System architecture directions for networked sensors," In Proceedings of the 9 th International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, November 2000.
برچسب ها:
تحقیق در مورد شبکه های حسگر بی سیم تحقیق درباره شبکه های حسگر بی بسیم شبکه های حسگر بی سیم انواع شبکه های حسگر بی سیم اجزای شبکه های حسگر بی سیم شبکه حسگر بی سیم چیست شبکه حسگر بیسیم تحقیق مقاله پاورپوینت طرح جابر برو