شبکههای حسگر بیسیم یا WSN چیست و چه کاربرد هایی دارد
شبکههای حسگر بیسیم یا WSNs چیست ؟
توسعه شبکههای حسگر بیسیم در ابتدا در نیروی نظامی آغاز شد و در مواردی همچون نظارت بر زمین نبرد تحت آزمون قرار گرفت. امروزه این شبکه‌ها کاربردهای صنعتی و مصرفی زیادی پیدا کرده‌اند. از میان این کاربردها میتوان به نظارت تولید کارخانه‌ای و کنترل آنها، نظارت بر سلامت ماشین و… اشاره کرد.
یک شبکه WSN از مجموعه‌ای از گرهها تشکیل شده است که میتوانند تعداد آنها از چندتا تا چندصد حسگر متغیر باشد. در این شبکه‌ها هر گره به گره دیگر (یا چند گره دیگر) متصل است. هر کدام از این حسگرهای شبکه، معمولا چند بخش دارند:
گیرنده/فرستنده رادیویی با آنتن داخلی یا اتصال به آنتن بیرونی
میکروکنترلر که مداری است الکترونیکی برای ارتباط برقرار کردن با سنسورها و منابع تغذیه
باتری یا شکل متصلی از دستگاه ذخیره‌سازی انرژی
یک گره حسگر در اندازههای متفاوت وجود دارد و میتواند به اندازه یک جعبه کفش یا حتی به اندازه گرد و غبار وجود داشته باشد، هر چند که عملکرد اصلی این گرههای میکروسکوپیک هنوز مشخص نشده است. هزینه این گرههای سنسوری متغیر است و از چند صد ریال تا چند صد میلیون ریال میتوان آنها را تهیه کرد و بستگی به ساختار درونی گره حسگر و پیچیدگی معماری آن دارد.
اندازه و هزینه در حسگرها با منابع مرتبط با آن، از جمله انرژی، حافظه، سرعت محاسباتی و پهنای باند ارتباطاتی نسبت مستقیم دارد. توپولوژی شبکههای WSN میتواند از یک حالت ستاره‌ای ساده تا یک شبکه مش پیچیده متغیر باشد.
کاربردهای WSN
نظارت منطقه‌ای
نظارت منطقه‌ای یکی از کاربردهای عمومی شبکههای حسگر بیسیم است. در این مورد، شبکه روی ناحیهای که پدیده‌ای باید در آن تحت نظارت قرار گیرد، پهن میشود. یکی از مثال‌های نظامی آن میتواند در مرزها باشد تا هجوم دشمنان را تشخیص دهد. یکی از کاربردهای عمومی این شبکه‌ها، استفاده آنها در خطوط لوله نفت و گاز است تا نشت لوله را سریعا شناسایی کند.
وقتی حسگرها رویداد مورد نظر را نظارت میکنند، این رویداد به یکی از ایستگاه‌های اصلی گزارش میشود، سپس عملکرد لازم در مقابل آن انجام میشود (پیغامی به اینترنت یا ماهواره ارسال شود)
در نهایت از کاربردهای دیگر نظارت منطقه‌ای میتوان به تشخیص حضور خودرو، و نوع آن (کامیون، موتورسیکلت یا خودروی سواری) اشاره کرد.
نظارت بر آلودگی هوا
شبکههای حسگر بیسیم برای تشخیص آلودگی هوا در شهرهای بزرگی همچون (استکهلم، لندن یا بریزبن) استفاده میشود تا شرایط آلودگی هوا برای شهروندان را بسنجد.
تشخیص آتش در جنگل‌ها
شبکهای از گرههای حسگر میتواند در جنگل قرار بگیرد و هنگام شروع آتش در آن، هشدار بموقع صادر کند. این گرهها که مجهز به حسگرهای کنترل دما، رطوبت و گازهای تولیدی از سوختن گیاهان هستند، هشدارهای لازم را در صورت آتشسوزی به واحد مرکزی ارسال میکنند. تشخیص سریع و بموقع باعث میشود، عملکرد آتش‌نشانان مفیدتر باشد و با هزینه بسیار کمتری خطر آتشسوزی کل جنگل رفع شود. به کمک همین حسگرها میتوان حتی جهت گسترده شدن آتش را کشف کرد.
گلخانه‌ها
این حسگرها میتوانند برای کنترل دما و رطوبت گلخانه‌ها نیز استفاده شوند. وقتی دما و رطوبت به پایین‌تر از حد استاندارد میرسد، مدیر گلخانه با دریافت یک ایمیل یا پیامک تلفن همراه از شرایط با خبر شده و عملکرد لازم را انجام میدهد. در موارد اتوماتیک‌تر، خود این حسگرها کنترل سیستمهای گرمایشی و تولید رطوبت را به‌دست میگیرند و تا رسیدن به شرایط ایده‌آل آنها را روشن نگه می‌دارند.
تشخیص زمین‌لرزه
سیستم تشخیص زمین‌لرزه از شبکه حسگرهای بیسیم استفاده میکند تا کوچکترین حرکت زمین و تغییرات پارامتریک آن را قبل یا هنگام زلزله ثبت کند و با توجه به این دادهها میتوان حتی زلزله را مدت‌ها پیش از وقوع آن، تشخیص داد.
کاربردهای صنعتی WSN
نظارت بر سلامت ماشینها
شبکههای حسگر بیسیم همچنین برای سیستمهای نگهداری از ماشین‌های صنعتی نیز به‌کار می‌آیند و علاوه بر امکاناتی که عرضه میکنند، میتوانند در هزینه صرفه‌جویی کنند. پیش‌از این تشخیص و کنترل سلامت نواحی از ماشین صنعتی که غیر قابل دسترسی یا سمی بود، ممکن نبود و حالا با کمک این حسگرها بسادگی میتوان آنها را کنترل کرد.
نظارت آب و فاضلاب
فرصت‌های زیادی برای استفاده از این شبکه‌ها در صنعت آب و فاضلاب وجود دارد. تاسیساتی که ارتباط دادهای ندارند، میتوانند از شبکههای بیسیم استفاده کرده و با کمک باتری (یا پنل خورشیدی) انرژی لازم برای حسگرها را تامین کنند.
دامداری
استفاده از شبکههای حسگر بیسیم در صنعت دامداری بشدت در حال عمومی شدن است؛ استفاده از یک شبکه حسگر میتواند دامدار را از نگهداری تجهیزات و سیم‌ها در محیطهای دشوار راحت کند. سیستمهای آبرسانی میتوانند با کمک حسگرهای فشار کنترل شده و به صورت خودکار آب لازم را برای دام‌ها تامین کنند و حتی مقدار آب را برای محاسبه و حسابداری به دست بیاورند.
حال کمی به عقب برگردیم و کلیات حسگرها را بررسی کنیم
شبکه حسگر چیست؟
شبكه حسگر/كارانداز (حس/كار) شبكهای است متشكل از تعداد زیادی گره كوچك. در هر گره تعدادی حسگر و/یا كارانداز وجود دارد. شبكه حس/كار به‌شدت با محیط فیزیكی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق كاراندازها واكنش نشان میدهد. ارتباط بین گره ها به صورت بیسیم است. هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعاً از لحاظ فیزیكی بسیار كوچك است ودارای محدودیتهایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه، . . . می باشد. این محدودیتها مشكلاتی را به وجود میآورد كه منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبكه از پشته قراردادی شبكههای سنتی پیروی می کند ولی به‌خاطر محدودیتها و تفاوتهای وابسته به كاربرد، قراردادها باید باز نویسی شوند.
اگرچه تاریخچه شبکه های حس/کار را به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن را به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریكا نسبت میدهند ولی این ایده می توانسته در ذهن طراحان روباتهای متحرك مستقل یا حتی طراحان شبكههای بی سیم سیار نیز شكل گرفته باشد.
2- ساختار كلی شبكه حس/كار بی سیم
قبل از ارائه ساختار كلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذكر میكنیم.
حسگر: وسیلهای كه وجود شیء، رخداد یك وضعیت یا مقدار یك كمیت فیزیكی را تشخیص داده و به سیگنال الكتریكی تبدیل میکند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتابسنج، مغناطیس سنج و. . .
كارانداز: با تحریك الكتریكی یك عمل خاصی مانند باز و بسته كردن یك شیر یا قطع و وصل یك كلید را انجام میدهد.
گره حسگر: به گرهی گفته میشود كه فقط شامل یك یا چند حسگر باشد.
گره كارانداز: به گرهی گفته میشود كه فقط شامل یك یا چند كارانداز باشد.
گره حسگر/كارانداز: به گرهی گفته میشود كه مجهز به حسگر و كارانداز باشد.
شبكه حسگر: شبكه ای كه فقط شامل گرههای حسگر باشد. این شبكه نوع خاصی از شبكه حس/كاراست. در كاربردهایی كه هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یك پدیده می باشد كاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.
میدان حسگر/کارانداز: ناحیه کاری که گرههای شبکه حس/کار در آن توزیع می شوند.
چاهک: گرهی که جمعآوری دادهها را به عهده دارد و ارتباط بین گرههای حس/کار و گره مدیر وظیفه را برقرار می کند.
گره مدیر وظیفه: گرهی که شخصی به عنوان کاربر یا مدیر شبكه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار می کند. فرمانهای کنترلی و پرس و جوها از این گره به شبکه ارسال شده و دادههای جمعآوری شده به آن بر میگردد.
شبكه حس/كار: شبكهای متشكل از گرههای حسگر و كارانداز یا حسگر/كارانداز است كه حالت كلی شبكههای مورد بحث میباشد. به عبارت دیگر شبكه حس/كارشبكهای است با تعداد زیادی گره كه هر گره می تواند در حالت كلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی كارانداز باشد. در حالت خاص یك گره ممكن است فقط حسگر یا فقط كارانداز باشد. گره ها در ناحیهای كه میدان حس/كار نامیده میشود با چگالی زیاد پراكنده میشوند. یك چاهك، پایش كل شبكه را بر عهده دارد. اطلاعات به وسیله چاهك جمع آوری میشود و فرمان‌ها از طریق چاهك منتشر میشود. همان‌طور که در شكل (1) مشاهده میگردد مدیریت وظایف می تواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به این‌كه تصمیمگیری برای انجام واكنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودكار و نیمه خودكار وجود دارد که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.
شكل (1) ساختار كلی شبكه حس/كار
ساختار خودكار: حسگرهایی كه یك رخداد یا پدیده را تشخیص میدهند دادههای دریافتی را به گرههای كارانداز جهت پردازش و انجام واكنش مناسب ارسال میكنند. گرههای كارانداز مجاور با هماهنگی با یكدیگر تصمیمگیری كرده و عمل مینمایند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها به صورت محلی انجام میشود. شكل (2) این ساختار را نشان میدهد.
ساختار نیمه خودكار: در این ساختار دادهها توسط گرهها به سمت چاهك هدایت شده و فرمان از طریق چاهك به گرههای كارانداز صادر شود. شكل (3) این ساختار را نشان میدهد.
از طرف دیگر در كاربردهای خاصی ممكن است از ساختار بخش بندی شده یا سلولی استفاده شود كه در هر بخش یك سرخوشه وجود دارد كه دادههای گرههای دسته خود را به چاهك ارسال می کند. در واقع هر سرخوشه مانند یك دروازه عمل میكند.
موارد دیگری که باید مورد بررسی قرار بگیرد :
3- ساختمان گره
شكل (5) ساختمان داخلی گره حس/كار را نشان میدهد. هر گره شامل واحد حسگر/ كارانداز، واحد پردازش دادهها، فرستنده/گیرنده بیسیم و منبع تغذیه میباشد. بخشهای اضافی واحد متحرك ساز، سیستم مكانیاب و تولید توان نیز ممكن است بسته به كاربرد در گرهها وجود داشته باشد. واحد پردازش داده شامل یك پردازنده كوچك و یك حافظه با ظرفیت محدود است که دادهها را از حسگرها گرفته و بسته به كاربرد پردازش محدودی روی آنها انجام داده و از طریق فرستنده ارسال می کند. واحد پردازش، مدیریت هماهنگی و مشاركت با سایر گرهها در شبكه را انجام میدهد.
واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبكه را برقرار می کند. واحد حسگر شامل یك سری حسگر و مبدل قیاسی به رقمی است كه اطلاعات قیاسی را از حسگر گرفته و به صورت رقمی به پردازنده تحویل میدهد. واحد كارانداز شامل كارانداز و مبدل رقمی به قیاسی است كه فرمانهای رقمی را از پردازنده گرفته و به كارانداز تحویل میدهد. واحد تأمین انرژی، توان مصرفی تمام بخشها را تأمین می کند كه اغلب یك باتری با انرژی محدود است.
محدودیت منبع انرژی یكی از تنگناهای اساسی است كه در طراحی شبكههای حس/كار همه چیز را تحت تأثیر قرار میدهد. در كنار این بخش ممكن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلولهای خورشیدی وجود داشته باشد. در گرههای متحرك واحدی برای متحركسازی وجود دارد. مكانیاب موقعیت فیزیكی گره را تشخیص میدهد. تكنیكهای مسیردهی و وظایف حسگری به اطلاعات مكان با دقت بالا نیاز دارند. یكی از مهمترین مزایای شبكههای حس/كار توانایی مدیریت ارتباط بین گرههای در حال حركت میباشد.شكل (4) ساختمان داخلی گره حسگر/كارانداز
3-1- ویژگی ها
وجود برخی ویژگی ها در شبكه حسگر/ كارانداز، آن را از سایر شبكه های سنتی و بی سیم متمایز می کند. از آن جمله عبارتند از:
تنگناهای سخت افزاری شامل محدودیت‌های اندازه فیزیكی، منبع انرژی، قدرت پردازش، ظرفیت حافظه
تعداد بسیار زیاد گره ها
چگالی بالا در توزیع گره ها در ناحیه عملیاتی
وجود استعداد خرابی در گره ها
تغییرات همبندی به صورت پویا و احیاناً متناوباستفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
داده محور بودن شبكه به این معنی كه گره ها كد شناسایی ندارند
3-2- کاربردها
کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم میشوند. سیستمهای ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیدهبانی و میدان مین هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی میباشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی، سیستمهای مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند، محیطهای هوشمند برای افراد سالخورده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربردهای آن است.
کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل میشود مانند سیستمهای امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتشسوزی در جنگل، تشخیص آلودگیهای زیست محیطی از قبیل آلودگیهای شیمیایی، میکروبی، هستهای، سیستمهای ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیدههای طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل و تحقیق در مورد زندگی گونههای خاص از گیاهان و جانوران و. . . در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار به عنوان گروهی از روباتهای کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام میدهند استفاده میشود.
3-3- پشته قراردادی
مطابق شکل زیر پشته قراردادی از یک‌طرف دارای پنج لایه افقی شامل لایههای فیزیکی، پیوند داده، شبکه، انتقال و کاربرد و از طرف دیگر دارای سه لایه عمودی مدیریت توان، مدیریت جابجایی و مدیریت وظیفه است.
لایه فیزیکی وظیفهاش عملیات مدولاسیون و ارسال و دریافت در سطح پایین میباشد. لایه کنترل دسترسی رسانه باید قادر باشد با حداقل تصادم به روش پخش همگانی با هر گره همسایه ارتباط برقرار کند. لایه شبکه وظیفه مسیردهی دادههایی که از لایه انتقال میآید را برعهده دارد. لایه انتقال وظیفه مدیریت جریان انتقال بستهها را در صورت نیاز کاربرد برعهده دارد.شکل (5) پشته قراردادی
بسته به کاربرد شبکه انواع مختلف نرمافزارهای کاربردی می تواند روی لایه کاربرد استفاده شود و خدمات مختلفی را ارائه نماید. یک زبان رویهنویسی به نام زبان وظیفه و پرسشگر حسگر پیشنهاد شده که پرسوجوها و فرمانهای آن مبتنی بر داده محوری شبکه حس/کار است. به عنوان مثال «چه تعداد لانه پرنده خالی در محدوده شمال شرقی جنگل وجود دارد» یا «اگر تا یک ساعت بعد تعداد لانههای خالی بیشتر از یک حد معینی شد اعلام شود.»
4- موضوعات مطرح
عوامل متعددی در طراحی شبکه های حس/کار مؤثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که ما تنها به ذکر برخی از آنها به‌طور خلاصه اکتفا میکنیم.
4-1- تنگناهای سخت افزاری
هر گره ضمن این‌كه باید كل اجزاء لازم را داشته باشد باید به حد كافی كوچك، سبك و كم حجم نیز باشد. به عنوان مثال در برخی كاربردها گره باید به كوچكی یك قوطی كبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یك سانتیمتر مكعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبك باشد كه بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار كم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. این‌ها همه محدودیتهایی است كه كار طراحی و ساخت گره های حس/كار را با چالش مواجه میكند.
ارائه طرحهای سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره به خصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فناوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در كاهش تنگناهای سخت افزاری دارد.
4-2-همبندی
همبندی ذاتی شبكه حس/كار، همبندی گراف است. به دلیل ارتباط بی سیم گره ها و پخش همگانی آنها، هر گره با چند گره دیگر كه در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد. الگوریتمهای كارا در جمعآوری داده و كاربردهای ردگیری اشیاء شبكه را درخت پوشا در نظر میگیرند. چون ترافیك به شکلی است كه داده ها از چند گره به سمت یك گره حركت می کند.
مدیریت همبندی باید با دقت انجام شود، یك مرحله اساسی مدیریت همبندی راه اندازی اولیه شبكه است گره هایی كه قبلاً هیچ ارتباط اولیهای نداشتهاند در هنگام جایگیری و شروع به كار اولیه باید بتوانند با یكدیگر ارتباط برقرار كنند.
الگوریتم های مدیریت همبندی در راه اندازی اولیه باید امكان عضویت گره های جدید و حذف گرههایی كه به دلایلی از كار می افتند را فراهم كنند. پویایی همبندی از خصوصیات شبكه های حس/كار است كه امنیت آن را به چالش میكشد. ارائه روش های مدیریت همبندی پویا به طوری كه موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است كه جای كار زیادی دارد.
4-3- قابلیت اطمینان
هر گره ممكن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار به‌كلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از كار بیفتد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است كه خرابی گره ها نباید عملكرد كلی شبكه را تحت تأثیر قرار دهد. در واقع می‌خواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یك شبكه قابل اطمینان بسازیم.
برای گره k با نرخ خرابی lk قابلیت اطمینان با فرمول ذیل مدل می شود. كه در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t به‌شرط این‌كه گره در بازه زمانی ( 0,t ) خرابی نداشته باشد. به این ترتیب هرچه زمان می‌گذرد احتمال خرابی گره بیشتر می شود.
4-4- مقیاس پذیری
شبكه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراكندگی گره ها، مقیاس پذیر باشد. به‌عبارت دیگر شبكه حس/كار از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیون ها گره كار كند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گره ها را نیز پشتیبانی كند. چگالی طبق فرمول پایین محاسبه می شود كه بیانگر تعداد متوسط گره هایی است كه در برد یك گره نوعی (مثلادایره ای با قطر10 متر) قرار میگیرد.
A : مساحت ناحیه كاری، N : تعداد گره در ناحیه كاری و R : برد ارسال رادیویی است.
در بسیاری كاربردها توزیع گره ها اتفاقی صورت میگیرد و امكان توزیع با چگالی مشخص و یكنواخت وجود ندارد یا گره ها در اثر عوامل محیطی جابجا میشوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر كند. موضوع مقیاس پذیری به روش ها نیز مربوط می شود برخی روش ها ممكن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یك چگالی یا تعداد محدود از گره كار كند. در مقابل برخی روش ها مقیاس پذیر هستند.
4-5- قیمت تمام شده
چون تعداد گره ها زیاد است كاهش قیمت هر تك گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد که در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم، تأثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.
4-6- شرایط محیطی
طیف وسیعی از كاربردهای شبكههای حس/كار مربوط به محیطهایی است كه انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیایی، میكروبی، هستهای و یا مطالعات در كف اقیانوسها، فضا و یا محیطهای نظامی به علت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران كه حضور انسان باعث فرار آنها میشود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گره ها در نظر گرفته شود، مثلاً در دریا و محیطهای مرطوب گره حسگر در محفظهای كه رطوبت را منتقل نكند قرار میگیرد.
4-7- رسانه ارتباطی
در شبكه های حس/كار ارتباط گره ها به صورت بی سیم و از طریق رسانه رادیویی، فرو سرخ (مادون قرمز)، یا رسانه‌های نوری دیگر صورت میگیرد. البته ارتباط فروسرخ ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می کند.
4-8- توان مصرفی گره ها
گرههای شبكه حس/كار باید توان مصرفی كمی داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یك باتری 2/1 ولت با جریان 5/0 آمپر ساعت است كه باید توان لازم برای مدت طولانی مثلاً 9 ماه را تأمین كند. در بسیاری از كاربردها باتری قابل تعویض نیست.
لذا عمر باتری عملاً عمر گره را مشخص می کند. به علت این‌كه یك گره علاوه بر گرفتن اطلاعات (توسط حسگر) یا اجرای یك فرمان (توسط كارانداز) به عنوان رهیاب نیز عمل می کند بد عمل كردن گره باعث حذف آن از همبندی شده و سازماندهی مجدد شبكه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت. در طراحی سخت افزار گرهها استفاده از طرحها و قطعاتی كه مصرف پایینی دارند و فراهمكردن امكان حالت خواب برای كل گره یا برای هر بخش به طور مجزا بسیار مهم خواهد بود.
4-9- افزایش طول عمر شبكه
طول عمر شبكههای حس/كار نوعاً كوتاه میباشد زیرا طول عمر گرهها به علت محدودیت انرژی منبع تغذیه كوتاه است. علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژه یك گره در شبكه مشكل را تشدید می کند. مثلاً گرهی كه در فاصل یك قدمی چاهك قرار دارد از یك طرف به خاطر بار كاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست میدهد و از طرفی از كار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهك با كل شبكه شده و از كار افتادن کل شبكه میشود.
برخی راه حلها به ساختار شبکه بر میگردد، مثلاً در مورد مشكل فوق استفاده از ساختار خودكار راهكار مؤثری است. به علت این‌كه در ساختار خودكار بیشتر تصمیمگیری ها به طور محلی انجام میشود ترافیك انتقال از طریق گره بحرانی كم شده، طول عمر آن و در نتیجه طول عمر شبكه افزایش مییابد. مشكل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گرههای نواحی كم تراكم در توزیع غیر یكنواخت گرهها نیز صدق می کند. در این‌گونه موارد داشتن یك مدیریت توان در داخل گرهها و ارائه راهکارهای توان آگاه به طوری كه از گرههای بحرانی كمترین استفاده را انجام دهد، مناسب خواهد بود.
این موضوع نوعی به اشتراكگذاری منابع محسوب میشود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گرهها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش میدهد. ارائه الگوهای ساختاری مناسب و ارائه روش های مدیریتی و الگوریتمهای توان آگاه با هدف افزایش طول عمر شبكه حس/كار از مباحث مهم تحقیقاتی است.
4-10- ارتباط بیدرنگ و هماهنگی
در برخی كاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتشسوزی یا سیستم پیشگیری از سرقت، سرعت پاسخگویی شبكه اهمیت زیادی دارد. در نمایش بیدرنگ فشار بر روی پایشگر بستههای ارسالی باید به طور لحظهای روزآمد باشند. برای تحقق بیدرنگی سیستم یك روش این است كه برای بستههای ارسالی یك ضرب الاجل تعیین شود و در لایه كنترل دسترسی رسانه بستههای با ضرب الاجل كوتاهتر زودتر ارسال شوند. مدت ضربالاجل به كاربرد آن بستگی دارد. مسأله مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهك، یا كارانداز ناحیه، به ترتیب وقوع آن‌هاست.
در غیر این صورت ممكن است شبكه واكنش درستی انجام ندهد. نكته دیگر هماهنگی كلی شبكه در ارتباط با گزارشهایی است كه در مورد یك رخداد از حسگرهای مختلف به كاراندازهای ناحیه مربوطه داده می شود. به عنوان مثال در یك كاربرد نظامی فرض كنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگانهای پیاده دشمن و كاراندازهایی جهت نابودی آن در نظر گرفته شده است
. چند حسگر حضور دشمن را به كاراندازها اطلاع میدهند. شبكه باید در كل منطقه، عملیات را به یكباره شروع كند. در غیر این صورت با واكنش اولین كارانداز، سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شكست مواجه می شود. به هرحال موضوع ارتباط بیدرنگ و هماهنگی در شبكه های حس/كار بخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن همچنان از مباحث تحقیقاتی است.
4-11- امنیت و مداخلات
موضوع امنیت در برخی كاربردها بخصوص در كاربرد های نظامی یك موضوع بحرانی است و به‌خاطر برخی ویژگی ها شبكه های حس/كار در مقابل مداخلات آسیبپذیرتر هستند. یك مورد بی سیم بودن ارتباط شبكه است كه كار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر می کند. مورد دیگر استفاده از یك فركانس واحد ارتباطی برای كل شبكه است كه شبكه را در مقابل استراق سمع آسیب پذیر میکند. مورد بعدی ویژگی پویایی همبندی است كه زمینه را برای پذیرش گره های دشمن فراهم می کند. این‌كه قراردادهای مربوط به مسیردهی، كنترل ترافیك و لایه كنترل دسترسی شبكه سعی دارند با هزینه و سربار كمتری كار كنند مشكلات امنیتی به‌وجود میآورد.
مثلاً برای شبكه های حسگر در مقیاس بزرگ برای كاهش تأخیر بستههایی كه در مسیر طولانی در طول شبكه حركت میكنند، یك راه حل خوب اولویت مسیردهی به بستههای عبوری میباشد. همین روش باعث می شود حملههای سیلی مؤثرتر باشد. یكی از نقاط ضعف شبكه حس/كار كمبود منبع انرژی است و دشمن می تواند با قرار دادن یك گره مزاحم كه مرتب پیغام های بیدار باش به صورت پخش همگانی با انرژی زیاد تولید می کند باعث شود بدون دلیل گره های همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامه این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره ها شده و عمر آنها را كوتاه می کند.
با توجه به محدودیتها باید دنبال راهحلهای ساده و كارا مبتنی بر طبیعت شبكه حس/كاربود. به طور مثال گرهها با چگالی بالا می توانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات كمی است یا این‌كه دادهها در یك مدت كوتاه معتبرند. از این ویژگی ها می توان به عنوان یك نقطه قوت در رفع مشكلات امنیتی استفاده كرد. اساساًًًًًًًًٌ چالشهای زیادی در مقابل امنیت شبكه حس/كاروجود دارد و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.
4-12- عوامل پیش بینی نشده
یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیتها است. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله، مشکلات ناشی از ارتباط بی سیم و اختلالات رادیویی، امکان خرابی هر گره، عدم درجه‌بندی حسگرها، پویایی ساختار و مسیردهی شبکه، اضافه شدن گرههای جدید و حذف گره های قدیمی، جابجایی گره ها به طور کنترلشده یا در اثر عوامل طبیعی و غیره. سؤال مطرح این است که در چنین شرایطی چگونه می توان چشماندازی فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارآیی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد.
با توجه به اینکه شبکه های حسگر کارانداز تا حدود زیادی به صورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و به صورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل میکنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی های خود بهینه سازی، خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. این‌ها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آنها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده بوده و از جمله موارد تحقیقاتی میباشند.
5- نمونه پیادهسازی شده شبکه حس/كار
در این بخش از مقاله سعی میکنیم تا با شناخت و بررسی یکی از کاربردهای این شبکه مفاهیم بیان شده را از جنبههای دیگر نیز مورد بررسی قرار دهیم.
یک نمونه از پیاده سازی سخت افزاری گره های حسگر ذره میکا دانشگاه برکلی امریکا است. این نمونه، یک واحد حس/کار کوچک (چندین اینچ مکعب) با یک واحد پردازنده مرکزی، منبع تغذیه، رادیو و چندین عنصر حسگر اختیاری می باشد. پردازشگر آن یک پردازنده 8 بیتی از خانواده اتمل میباشد همراه با 128 کیلو بایت حافظه، 4 کیلو بایت RAM برای داده، 512 کیلو بایت حافظه درخشی.
این پردازنده فقط کمینه‌ای از مجموعه دستورالعملهای RISC را بدون عمل ضرب، انتقال با طول متغیر و چرخش پشتیبانی میکند. رادیوی آن یک رادیوی مصرف پایین916 مگاهرتز روی یک کانال تسهیم شده منفرد با محدوده نزدیک به 12 متر می باشد. رادیو در حالت دریافت 4/8 میلی آمپر، در حالت ارسال تا 12میلی آمپر و در حالت خواب 5 میکرو آمپر مصرف جریان دارد.شکل (6) ذره میکا
ذره میکا در اندازههای مختلف وجود دارد. کوچکترین آن اغلب به عنوان غبار هوشمند شناخته می شود. طرح پژوهشی غبار هوشمند که به وسیله پروفسور پیتسترو کان رهبری و هدایت می شود موفق به دستیابی حدی برای اندازه ومصرف توان در گرههای حسگر خود مختار شده است. کاهش اندازه برای ساختن گره های ارزان و البته تسهیل گسترش آن بسیار مهم است. گروه تحقیقاتی امیدوارند که ضمن حفظ مؤثر توانایی های حسگری و ارتباطی بتوانند موارد لازم حسگری، مخابره اطلاعات و محاسبات سخت افزاری همراه با منبع تغذیه را در اندازهای در حدود چند میلیمتر مکعب فراهم کنند.
این گره میلیمتر مکعبی غبار هوشمند نام دارد که حقیقتاً قلمرو موضوعات ممکنشدنی است. چنان‌که نمونههای آتی آن میتواند به قدری کوچک باشد که معلق در هوا باقی مانده و به وسیله جریان هوا شناور شود و برای ساعت ها یا روزها موارد حس شده را ارسال کند. غبار هوشمند میتواند اطلاعات را با استفاده از یک فناوری بازتابنده نوری جدید، به صورت غیر فعال ارسال کند. این یک راه معقول و ارزان را برای وارسی یک حسگر یا تأیید دریافت اطلاعات فراهم می کند. ارسال نوری فعال نیز ممکن است اما اتلاف انرژی بیشتری دارد.شکل (7) ساختار داخلی غبار هوشمند
6- بررسی نرمافزارهای شبیهسازی شبكه
امروزه فناوری شبیه سازی به طرز موفقیت آمیزی در جهت مدلسازی، طراحی و مدیریت انواع سیستمهای هوشمند به كار گرفته شده و در این راستا ابزارها و تكنیكهای متعددی خلق شده كه به طور مثال میتوان به تكنیك شبیه سازی رویدادگردان اشاره كرد كه اساس عملكرد بسیاری ازشبیهسازهای نوین می باشد. كاربرد شبیه سازی در مورد شبكه های ارتباطی نیز سابقهای 15 ساله دارد كه هنوز هم در حال رشد می باشد. دلایل استفاده از شبیه سازی در این حوزه را می توان در دو مورد خلاصه كرد:
پیدایش و گسترش شبكه هایی با فناوری پیچیده
خلق ابزارها و نرم افزارهای خاص شبیه سازی شبكه ها
نرمافزارهای شبیهساز شبکه توانایی شبیهسازی شبكههای ارتباطی را بدون نیاز به كدنویسی و معمولاً از طریق واسطهای گرافیكی فراهم میكنند. وجود عناصر شبیهسازی شدهای متناظر با عناصر واقعی مانند راهیاب‌ها و سوئیچها در این گونه موارد علاوه بر بالابردن دقت، باعث افزایش سهولت و سرعت در فرآیند شبیه سازی می شود و به این ترتیب برای كاربران نا آشنا با فن برنامهنویسی بسیار مناسب می باشد. خصوصیات شبیهسازهای شبكه عبارتند از:
6-1- انعطاف در مدلسازی
كاربر باید قادر باشد انواع جدیدی از منابع معمول شبكه همچون گره ها، پیوندها و قراردادها را به مجموعه موجود در شبیهساز بیفزاید.
6-2- سهولت در مدلسازی
وجود واسط گرافیكی و امكان مدلسازی به صورت ساختیافته، به شكلی كه مدلهای پیچیده بر اساس مدلهای ساده طرح شوند و همچنین قابلیت استفاده مجدد از پودمانها از خصوصیاتی می باشد كه باعث تسریع در فرآیند شبیه سازی میگردند.
6-3- اجرای سریع مدلها
زمان پردازش در شبیه سازی های بزرگ برای شبكه هایی با تعداد زیاد گره بسیار مهم می باشد كه لازمه آن مدیریت صحیح حافظه میباشد.
6-4- قابلیت مصورسازی
نمایش گرافیكی عناصر شبكه در حال تبادل پیغام ها با یكدیگر به رفع خطاهای شبیه سازی و درك نحوه كاركرد آن بسیار كمك می کند. در برخی نرم افزارهای شبیهساز، اجرای مصورسازی همزمان با اجرای شبیهساز و در برخی دیگر پس از انجام آن و به صورت Play Back انجام میگیرد.
6-5- قابلیت اجرای مجدد و تكراری شبیه سازی
هدف از انجام شبیه سازی به طور عمده تحقیق تأثیر یك یا چند پارامتر (برای مثال متوسط طول بستهها و یا ظرفیت میانگیرها) بر كارآیی شبكه می باشد و به همین خاطر تكرارپذیری، یك شرط لازم برای این نرم افزارها می باشد. در مجموع باید توجه داشت كه خلق یك شبیهساز شبكه دقیق و معتبر مستلزم به‌كارگیری فناوری شبیه سازی در كنار دانش شبكه و قراردادهای آن می باشد. البته در كنار خصوصیات فوق وجود برخی قابلیتها بر ارزش هر ابزار شبیهساز خواهد افزود كه از آن میان میتوان به چند مورد اشاره ذیل اشاره كرد:
وجود پودمانهای درونی از پیش آماده شده متناظر با عناصر و قراردادهای شبكه.
وجود یك مولد عدد تصادفی و در شكلهای پیشرفته تر قابلیت خلق كمیتهای با توزیع های تصادفی گوناگون چرا كه اغلب رخدادها در یك فرآیند شبیه سازی اعم از تولید و ارسال بستهها و یا ایجاد خرابی در آنها، از نوع فرآیندهای تصادفی میباشند.
حمایت از كاربران برای بهنگامسازی های بموقع (بخصوص در مورد قراردادهای جدید) به همراه مستندات كامل و گویا.
ارائه گزارشهایی از پارامترهای كارآیی شبكه (نرخ خروجی، بهره وری، تأخیر انتقال، . . . ) در قالب ارقام و منحنی ها به همراه امكان انجام عملیات آماری روی نتایج از دیگر ویژگی های مثبت یك شبیهساز می باشد.
7- مدل سازی شبکه های بی سیم
در این بخش چگونگی ساخت و اجرای مدل هایی از شبکه های حسگر بی سیم را بررسی مینماییم. این یک مدل ساده شده از یک سیستم متمرکز صوتی است که در آن از میدانی از گره های حسگر استفاده می کند که یک صدا را شناسایی و به وسیله پیام رادیویی به مرکز گزارش می کند تا موقعیت صدا را مثلث بندی کند. شکل 8 نشان می دهد که این مدل شامل حسگر بیسیم، دو مدل کانال (یک مدل کانال رادیویی و یک مدل کانال صوتی) یک تعدادی یادداشت (متون شرح دهنده مدل) و عامل‌هایی در مدل است.شکل (8) نمایش Visualsense از مدل بیسیم تشخیص صوت
هر یک از این مؤلفه ها یک نقش در مدل ایفا می کند. هدایت کننده در اجرای مدل پا به میان می گذارد. مدلهای کانال با ارتباط میانعامل‌ها سر و کار دارد. عامل‌ها سیگنال هایی از طریق کانال می فرستند و دریافت می کنند.
این مدل قابل اجرا است. روی مثلث قرمز رنگ در نوار ابزار کلیک کنید، در نتیجه عامل منبع صوت (که با دوایر متحدالمرکز شفاف نمایش داده شده است) در یک الگوی دایرهای شروع به حرکت میکند که به وسیله یک فلش آبی رنگ در شکل 9 نمایش داده شده است. عامل منبع صوت رویدادهایی از طریق مدل کانال صوتی منتشر میکند.
این رویدادها با یک تأخیر زمانی که بستگی به فاصله میان گره های دایرهای آبی رنگ دارد، منتشر می شود. موقعی که این گره ها صدا را شناسایی میکنند، آنها یک سیگنال رادیویی از طریق مدل کانال رادیویی پخش میکنند و شمایل های آنها به رنگ قرمز تغییر می کند تا به طور گرافیکی نشان دهد که آنها این کار را انجام دادهاند.
سیگنال های رادیویی شامل یک مهر زمانی رویداد صوتی شناسایی شده است. عامل مثلثی در مرکز (که با یک شمایل سبز رنگ نشان داده است) این سیگنال رادیویی را دریافت می کند (اگر در برد فرستنده باشد)، و مهرهای زمانی را برای تخمین موقعیت منبع صوت استفاده می کند. سپس موقعیت را ترسیم می کند، نتیجه در نمودار شکل 9 نشان داده شده است.شکل (9) نمایش مدل در حال اجرا
8- چند مثال و کاربرد
در ادامه گزارش نمونههایی از پیاده سازی و ایجاد گره های حسگر شرح داده شده است. چندین عامل مؤثر در تحلیل یک شبکه دخالت دارد مانند عمر باتری و محدوده سیگنال وسیله مورد استفاده، همراه با در نظر گرفتن عواملی که میتوانند اثر منفی در استفاده مفید از حسگرها داشته باشند. در این ابزار شبیه سازی شبکه هایی با گسترش قابلیتهای حسگری نیز ممکن است. چنین قابلیتهایی شامل شناسایی زمین لرزه یا صدا و الگوریتم های مکانیابی همراه با بررسی داده در شبکههای حسگری است و بسیاری از بردها که با افزایش آگاهی ما در مورد ارتباطات بی سیم ممکن خواهد شد.
همان‌طور که قبلاَ گفته شد شبکه های حسگر کاربردها و قابلیتهای فراوانی دارند که به نظر میرسد این تنوع استفاده از آنها واقعاَ نامحدود است. حال برای اینکه شبکهای کاراتر داشته باشیم بایستی واکنش گره ها را کامل بفهیم همراه با اینکه آنها چگونه با هم کار میکنند. همچنین مهم است که ما بدانیم: نخست دلایلی که شبکه حسگر شکست می خورد و دوم توانایی های توسعه یافته شبکه حسگری. در طراحی مدل شبکه های حسگر، فاکتورهای مزبور باید به عنوان کارهایی که قبل از یک شبیهسازی صحیح، کامل شوند در نظر گرفته شود. کارهایی که باید انجام شود فهرستوار چنین است:
فهمیدن تعامل (واکنش) در شبکه های حسگر
مدیریت داده از طریق ارتباط بی سیم و کانال بی سیم و پیکربندی درگاه‌ها
نقایص شبکه های حسگر
تأثیر از دسترفتن توان، شدت صوت، تأثیر بیرونی، منابع فشرده شده روی گرههای حسگر در محیطهای چندگانه
توانایی های توسعه یافته شبکه های حسگر
علاوه بر پردازش و حسکردن خصوصیاتی نظیر لرزش، صوت، فروسرخ، حرکت و افزودن پردازش داده همراه با الگوریتمهای ردگیری حرکت و صدا، مدل کردن یک شبیه ساز شبکه حسگر آغاز می شود.
9- نمونه های ایجاد شده توسط نرم افزار
در این بخش برخی نمونههای ایجاد شده توسط نرمافزارها را مورد بررسی قرار میدهیم.
9-1- غرق سازی
ابتدا، یک ارزیابی از یک الگوریتم برای پرسش های رادیویی به‌طور مؤثر در شبکه حسگر تشریح می شود. برای دستیابی به همه گره ها، موقعی که یک گره حسگر یک پیام رادیویی را دریافت می کند، ممکن است پیام را تکرار کند. مقصود کاهش تعداد چنین تکرار های مورد نیاز برای نفوذ کردن در شبکه است. یک تصویر از یکی از آزمایش های اجرا شده در شکل10 نشان داده شده است.
در این تصویر، هر دایره یک گره حسگر را نمایش می دهد. در مرکز دایره یک شمایل برای نمایش یک آنتن است. این موقعیت فرستنده و گیرنده را برای گره نمایش میدهد. گره های حسگر به طور تصادفی پخش می شوند (یک عامل در کتابخانه برای درک پخش تصادفی فراهم شده است).
اجرای این مدل تعداد ثابتی از پرسشها را انتشار می دهد که به عنوان یک پارامتر مدل، از طریق شبکه حسگر مشخص شده است. در این آزمایش گره پایه با دایره رنگ سبز نیمه شفاف در شکل 10 نمایش داده شده است که یک پرسش را به طور متناوب منتشر می کند. در ابتدا همه گره ها این پرسش را به محض شنیدن آن تکرار می کنند.
به هر حال همچنان که اجرا پیش میرود، گره ها همبندی شبکه اطراف آنها را یاد میگیرند و مبتنی بر الگوریتم توزیعشده تصمیم به ادامه تکرار یا توقف آن میگیرند. گره هایی با شمایل قرمز رنگ در شکل 10، گره هایی هستند که تکرار می کنند در حالی که گره ها با شمایل آبی تکرار را انجام نمی دهند، بعد از آن الگوریتم همگرا شده است.
در این آزمایش، گره های حسگر ارسال را از طریق یک کانال رادیویی بدون تأخیر زمانی و بدون هیچ نوفه و اتلافی انجام می دهند. برد انتشار از گره حسگر، پارامتری از گره است و با شمایل دایره ای نشان داده می شود و در شکل10 برای همه گره ها یکسان است و می تواند به آسانی تغییر داده شود.شکل (10) تصویری از مثال غرقسازی
9-2- مثلث بندی
در این مثال یک مدل از منبع توان (باتری ها) گره های حسگر با یک مدل از یک سناریویی که گره های صوتی با هم برای تصمیمگیری موقعیت منبع صوت به‌وسیله مثلث‌بندی همکاری می کنند، تزویج میشوند (شکل 11).
در این مثال یک مجرای صوتی سیگنال های یک منبع متحرک را حمل می کند و گره های حسگر آن را از طریق یک مجرای رادیویی انتقال میدهند. مجرای صوتی تأخیر انتشار را در نظر میگیرد در حالی که مجرای رادیویی به عنوان لحظهای مدل می شود، شبیه به مدل مثال غرقسازی که در بالا شرح داده شد.
همانند آن مثال، شمایل‌های دایرهای گره ها برد ارسال خود را نمایش میدهند.
مجرای صوتی سیگنال ها را از یک منبع صوت متحرک به گره های حسگر حمل می کنند. موقعی که یک گره حسگر یک سیگنال صوتی را کشف می کند، مشاهده (زمان کشف و موقعیت گره حسگر) را از طریق مجرای رادیویی منتشر می کند. یک عامل ردیاب صوت مشاهدات را جمع آوری کرده زمان و موقعیت انتشار صوت از منبع متحرک را محاسبه می کند.شکل (11) تصویر مثال مثلث بندی
9-3- پایش ترافیک
اغلب شبکه های حسگر بسیار پویا هستند. اشیاء به وسیله رفت و آمد یک شبکه حسگر نظارت میشوند و ممکن است در اطراف یک میدان حسگر حرکت کنند. گره های حسگر جدید می توانند به شبکه ملحق شوند و موقعی که باتری یک گره حسگر تخلیه می شود آن شبکه را ترک می کند.
یک مدل طبیعی از چنین شبکه های حسگر پویایی باید از تغییرات در شبکه پشتیبانی کند نه فقط در همبندی اتصال داخلی، بلکه در مجموعه مؤلفه های موجود در شبکه. به‌طوری‌که قبلاً مشاهده شد، Ptolemy II برای تغییر در ساختار مدل پشتیبانی دارد. ما با مثال نشان میدهیم که چه طور این مدلسازی شبکه حسگر با کاربرد پایش ترافیک به کار گرفته میشود.
حسگرها در امتداد جاده برای جمع آوری اطلاعات که به پایگاه اصلی برای تحلیل بیشتر فرستاده می شود، توزیع میشوند. برای مدلسازی و شبیه سازی چنین شبکهای ما ابتدا یک مدل برای میدان حسگر میسازیم که شامل یک مؤلفه برای هر گره حسگر و مجراها میباشد. (یک مجرای بی سیم برای انتقال میان حسگرها و یک مجرای صوتی برای انتشار سیگنال از وسایل عبوری در حسگرها).
برای اینکه رفتار شبکه را شبیه سازی کنیم علاوه براین به یک مدل محرک برای تولید ورودی ترافیک به میدان حسگر نیاز داریم. سؤال این است که چه نوع از ورودی باید برای مدل محرک در میدان حسگر فراهم گردد؟ به طور مشخص یک ماشین است که در امتداد جاده در یک کران و حاشیه وارد می شود.
در این جهت، محرک واقعاً یک مدل ماشین (اتومبیل) اضافه شده به میدان حسگر است. از آنجایی که ماشینها می توانند در هر زمان وارد یک منطقه شده و پس از مدتی آن را ترک کنند، میسر نخواهد بود تا آنها به طور ایستا در میدان حسگر مدل شوند. برای نگهداری ساختار پویا به علت ورود و خروج ماشین ها، ما از یک عامل مرتبه بالا استفاده می کنیم. چنین عاملی مدل دیگری که محاسبهاش را معین می کند، در بر میگیرد و در طول اجرای مدل نگهداریشده میتواند به طور پویا تغییر داده شود. عامل مرتبه بالا دو ورودی دارد، با اولین ورودی داده را دریافت می کند که مدل نگهداشته شده باید پردازش شود و ورودی دوم تغییرات مدل را در مدل نگهداشته جاری دریافت می کند. تغییرات مدل میتواند مؤلفه های جدیدی از قبیل عامل‌های مدلسازی ماشینها را اضافه کند. همچنین مؤلفه های موجود و اتصالات را حذف یا اضافه کنند.
زمانی‌که اجرا شروع می شود عامل سطح بالا یک مدل درون تهی دارد. ابتدا یک تغییر مدل را برای ساخت میدان حسگر دریافت می کند، بعد از تغییر به کار برده شده، اجرا با هیچ وسیله نقلیهای ادامه پیدا نمی کند. هنگامی که مدل ترافیک تصمیمگیری می کند که ورود ماشین به میدان به وجود آید، یک مدل ماشین را تولید می کند و به عامل مرتبه بالا آن را میفرستد، سپس مدل نگهداشته شده را برای قراردادن مدل ماشین تغییر می دهد. اجرا با حرکت ماشین در منطقه بر طبق برنامه رانندگی ادامه مییابد و حسگر در مسیرش به‌وسیله مجرای صوتی کشف می کند که آیا یک عبور اتومبیل وجود دارد یا خیر. اگر یک ماشین را شناسایی کند، حسگر دادهای را به پایگاه اصلی میفرستد.
9-4- گمشده جنگی در منطقه دشمن و تعقیب کننده
در این مثال یک گره بی سیم گمشده جنگی را در میدان حسگرها شناسایی می کند (شکل 13) ، حسگرها در میدان با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند تا یک درخت پوشا از گره ریشه (جایی که گمشده جنگی به آن نزدیک می شود) به گره هایی که یک جهش از گره ریشه و مانند آن هستند، بسازند. موقعی که حسگر گمشده جنگی را شناسایی می کند، خودش را به عنوان ریشه قرار می دهد و یک پیامی را به گره های همسایهاش پخش می کند.
پیام شامل زمانی است که گمشده جنگی شناسایی می شود، موقعیت و عمق که برای گره ریشه از حسگرها صفر است. سپس کنترل می کند که آیا گره ریشه از آخرین بار تغییر داده شده (به وسیله کنترل زمان شناسایی) یا که یک مسیر کوتاهتر به گره ریشه وجود دارد.
اگر چنین است، زمان شناسایی شده را ثبت می کند و اطلاعات گره پدرش را به روزرسانی می کند (موقعیت و عمق در درخت) و یک پیام را که شامل زمان شناسایی، موقعیت و عمق در درخت است،به گره های همسایه آن ارسال می کند. با انجام این کار در شبکه حسگر یک درخت پوشا به طور توزیع شده ساخته می شود و حسگرها بر طبق فاصله ای که از گره ریشه دارند، نمایهگذاری میشوند. اگر گمشده جنگی حرکت کند ممکن است به وسیله حسگرهای دیگر شناسایی شود و درخت به طور پویا تغییر میکند.شکل (12) تصویری که میدان حسگرها را به همراه مجراها و. . . نمایش می دهد
شمایل قرمز رنگ میان حسگرها تعقیب کننده است و شمایل سبز رنگ گمشده جنگی است. موقعی که یک گره حسگر نشانهای از درگاه سیگنال (که برای دریافت سیگنال از تعقیب کننده یا گمشده جنگی استفاده می شود) را دریافت می کند، تشخیص می دهد که چه کسی سیگنال را فرستاده (با بررسی سرآیند سیگنال). اگر از گمشده جنگی ارسال شده، گره خودش را به عنوان گره ریشه بعدی مینشاند و یک پیام را برای به روزرسانی درخت انتشار می دهد و در غیر این‌صورت پیامی به تعقیبکننده ارسال می کند تا موقعیکه گره منشأ یا گره پدر را تشخیص دهد و تعقیبکننده با این اطلاعات به سمت گمشده جنگی حرکت خواهد کرد.
هنگام دریافت نشانه از درگاه ورودی که برای دریافت پیام از دیگر حسگرها استفاده می شود، بررسی می کند که آیا گره ریشه تغییر کرده یا یک مسیرکوتاهتر وجود دارد. اگر چنین است به روزرسانی را انجام می دهد و یک پیام را انتشار می دهد، در غیر این صورت پیام را مصرف می کند. تعقیب کننده از گره آخر درخت پوشا به طرف گره پدرش برای ردیابی گمشده جنگی حرکت می کند.
9-5- جهان کوچک
این مثال شبکه حسگری را نشان می دهد که هر گره مجدداً اولین پیامی را که دریافت می کند انتشار می دهد (شکل 13). یک مؤلفه به نام آغازگر یک پیام را منتشر می کند و مدل تعداد گره هایی را که پیام را بعد از یک جهش، بعد از دو جهش و همین‌طور الی آخر دریافت میکنند، نگهداری و یک نمودار میله ای رسم می کند.شکل (13) تصویری از مدل Small World
هنگامی‌که مدل را اجرا می کنید، آغازگر یک پیام را منتشر خواهد کرد. یک گره زمانی قرمز خواهد شد که پیام را در اولین جهش دریافت کند و در صورتی که پیام را بیش از یک جهش دریافت کند گره سبز می شود و اگر هیچ پیامی را دریافت نکند سفید خواهد ماند.
تحمل پذیری خطا در شبکه های حسگر بی سیم به دلیل چالشهای فنی و مفهومی منحصربفرد از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
در این مقاله با توجه به محدودیت ها و شرایط عملیاتی ویژه ی شبکه های حسگر، روشی را برای بهبود تحمل پذیری خطا مانند تشخیص خطا در این نوع شبکه ها مورد بررسی قرار می دهیم.
روش پیشنهادی به صورت روشی جدید قابلیت تشخیص خطا در شبکه های حسگر را بهبود می بخشد.
در این روش با استفاده از گره های ذخیره شده در ساختاری خوشه ای تحمل پذیری خطا مانند تشخیص صحیح خطا و ترمیم آن را افزایش داده ایم.ارزیابی روش پیشنهادی و مقایسه ی آن با روش دیگر، بهبود روش پیشنهادی را نشان می دهد. مقدمه شبکه های حسگر بی سیم به عنوان یک فناوری جدید از پیشروترین فناوری های امروزی می باشند.
این شبکه ها محدودیت ها، توانایی ها ,ویژگی ها، پیچیدگی ها و محیط عملیاتی خاص خود را دارند که آنها را از نمونه های مشابه، همچون شبکه های موردی متفاوت می کند
امروزه قابلیت اطمینان و تحمل پذیری خطا در شبکه های حسگر، با درنظر گرفتن کیفیت بهتر یکی از زمینه های مهم تحقیقاتی است. دستیابی به اطلاعات با کیفیت با محدودیت های درنظر گرفته شده در هنگامی که خطا وجود دارد یکی از چالش های شبکه های حسگر است
خطا در شبکه های حسگر به صورت یک رویداد طبیعی به شمار می آید و برخلاف شبکه های معمولی و سنتی یک واقعه ی نادر نیست. برای تضمین کیفیت سرویس در شبکه های حسگر ضروری است تا خطاها را تشخیص داده و برای جلوگیری از صدمات ناشی از بروز خطا، عمل مناسب را در بخش هایی که آسیب دیده اند انجام دهیم
دو بخش مهم در تحمل پذیری خطا یکی تشخیص خطاو دیگری ترمیم خطا است. در مرحله ی تشخیص خطا مهم این است که بتوان با صرف هزینه ی کم و با دقت بالا به این نتیجه رسید که واقعا خطایی رخ داده است و گره های آسیب دیده را شناسایی نمود.
در مرحله ی ترمیم مهم است که پس از تشخیص خطا، بتوان گره های آسیب دیده را به وضعیتی که قبل از بروز خطا داشتند، رساند. در شبکه های حسگر تشخیص خطا می تواند در مواردی همچون امنیت و کارایی به کار گرفته شود.
در این مقاله با توجه به اهمیت تشخیص خطا و کاربرد تحمل پذیری خطا در شبکه های حسگر و با توجه به مدل واقعه گرا برای جمع آوری داده ها در شبکه های حسگر، روشی جدید برای تشخیص خطا با توجه به ساختاری خوشه ای پیشنهاد شده است.
هدف اصلی، بهبود و تشخیص درست گره های آسیب دیده در شبکه های حسگر است
بخش های مختلف این مقاله به صورت زیر تقسیم بندی شده است.
در بخش ۲ در مورد روش ها و کارهای انجام شده برای افزودن تحمل- پذیری خطا در شبکه های حسگر توضیح داده می شود.
در بخش ۳ سازماندهی گره ها در ساختار خوشه ای و نحوه ی عملکرد آنها برای افزودن روش پیشنهادی توضیح داده می شود.
در بخش ۴ روش پیشنهادی توضیح داده می شود و در انتها شبیه سازی و ارزیابی روش پیشنهادی و مقایسه ی آن با روش 4 انجام می شود و بهبود روش پیشنهادی نسبت به این روش نشان داده می شود
فصل اول : شبکه های حسگر بی سیم شبکه حسگر/کارانداز (حسگر) شبکه ای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک. در هر گره تعدادی حسگر و/یا کارانداز وجود دارد. شبکه حسگر بشدت با محیط فیزیکی تعامل دارد.
از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق کار انداز ها واکنش نشان می دهد. ارتباط بین گره ها بصورت بی سیم است. هرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است ودارای محدودیت هایی در قدرت پردازش, ظرفیت حافظه, منبع تغذیه, … می باشد.
این محدودیت ها مشکلاتی را بوجود می آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبکه از پشته پروتکلی شبکه های سنتی پیروی می کند ولی بخاطر محدودیت ها و تفاوتهای وابسته به کاربرد, پروتکل ها باید باز نویسی شوند.
پایان نامه امنیت شبکه ھای حسگر و – چرا شبکه های حسگر؟
امروزه زندگی بدون ارتباطات بی سیم قابل تصور نیست.پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارات کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارات بی سیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروز ممکن شود.
این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریز حسگر ها شده است.این ریز حسگر ها توانایی انجام حس های بی شمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حس کردن زلزله را دارا می باشند همچنین جمع آوری اطلاعات در مناطق دور افتاده ومکان هایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کرده است.
اتومبیل ها می توانند از ریز حسگر های بی سیم برای کنترل وضعیت موتور, فشار تایرها, تراز روغن و… استفاده کنند.خطوط مونتاژ می توانند از این سنسورها برای کنترل فرایند مراحل طول تولید استفاده کنند.
در موقعیت های استراتژیک ریز حسگرها می توانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای رد گیری هدف(مانند ماشین یا انسان) استفاده شوند.
در واقع تفاوت اساسی این شبکه ها ارتباط آن با محیط و پدیده های فیزیکی است شبکه های سنتی ارتباط بین انسانها و پایگاه های اطلاعاتی را فراهم می کند در حالی که شبکه ی حسگر مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده, بر اساس مشاهدات خود تصمیم گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می دهند.
نام شبکه حسگر بی سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شود.
برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره اند شبکه های حسگر نوعا تک منظوره هستند.در هر صورت شبکه های حسگر در نقاط مختلفی کاربرد دارند
برخی از این کاربرد ها به صورت فهرست وار آورده شده است:
نظامی (برای مثال ردگیری اشیاء)
بهداشت(برای مثال کنترل علائم حیاتی)
محیط(برای مثال آنالیززیستگاه های طبیعی)
صنعتی(برای مثال عیب یابی خط تولید)
سرگرمی(برای مثال بازی مجازی)
زندگی دیجیتالی(برای مثال ردگیری مکان پارک ماشین)
تاریخچه شبکه های حسگر:
در شکل طرح ها و ایده های اولیه شبکه های حسگر نشان داده شده است.
نتیجه گیری تحمل پذیری خطا در شبکه های حسگر بی سیم : در کل می شود نتیجه گرفت که خطا در شبکه های حسگر امری غیر قابل اجتناب است اما می توان برای باال بردن کارایی , خطا را به حداقل رساند . دالیل مختلفی از جمله از دست دادن انرژی , خرابی فیزیکی , مشکالت سخت افزاری و نرم افزاری و … برای وجود خطا در شبکه های حسگر بی سیم وجود دارد
. مشهورترین این دالیل از دست دادن انرژی می باشد که باعث می شود حسگر نتواند وظیفه خود را به درستی انجام دهد .
رایج ترین تکنیک تشخیص خطا , مانیتورینگ دوره ای از شبکه های حسگر بی سیم و ایستگاه پایه می باشد که برای بازیابی آن از چندین مسیر برای مکان یابی آن می توان استفاده کرد .
یا اینکه در زمان خرابی گره ها حسگر ، گره ای را بعنوان گره جایگزین پیدا کند و خطا را به حداقل برساند که باعث بهبود تحمل پذیری خطا می شود . بیشترین اهمیت تحمل پذیری خطا در شبکه های حسگر بی سیم درون الیه سخت افزاری و الیه ارتباطی یا میانی شبکه می باشد .
نتیجهگیری کلی
شبکه حس/کار به عنوان یکی از مهمترین موضوعات مطرح در حوزه شبکههای کاربردی مطرح میباشد. مسأله محدود بودن توان و انرژی گرههای حسگر از مهمترین و پایهایترین مسائل در برخورد با چنین شبکههایی میباشد که راهحل مناسب برای رفع این مشکل به نوع و کاربرد شبکه بستگی دارد که این موضوع می تواند به عنوان تحقیقات آتی مدنظر قرار گیرد. لازم به ذکر است که گرههای شبکه حس/کار باید توان مصرفی کمی داشته باشند که البته باید توان لازم برای مدت طولانی مثلاً 9 ماه را تاًمین کند.
روش خود وفقدهی که مورد استفاده منبع برق است یکی از روش های پیشنهادی برای کاهش مصرف انرژی است. این روش پیشنهادی همچنین باعث بهبود تعداد گرههای فعال و تخصیص زمان مساوی برای هر گره برای حسکردن و محاسبهکردن میشود. این روش علاوه بر مزیتهای فوق می تواند عمر گرههای حسگر فعال را افزایش دهد. با توجه به کاربردهای متنوع ذکر شده، بهکارگیری روش های هوشمند و الگوریتمهای ریاضی می تواند زمینهساز تحقیقات گستردهتری در این حوزه باشند. از سوی دیگر استفاده از این موارد در مسائل کاربردی مانند زندگی دیجیتالی، خانه هوشمند، مسیر هوشمند و کسب و کار نوین می تواند موضوعات جذابی برای پژوهشهای آتی به شمار آیند.