Безжични сензорни мрежи

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2012

Безжични сензорни мрежиБезжични сензорни мрежиБезжични сензорни мрежи

 През последните няколко години безжичните сензорни мрежи провокират интереса на специалистите с големия брой теоретични и практически предизвикателства, свързани с приложните им възможности. Безжичната им архитектура позволява лесно измерване на физични величини като температура, влажност и налягане, както и интеграция към вече съществуващи измервателни системи. Тяхната гъвкавост, възможностите за математически анализ и обработка на данните, както и лесният графичен подход за програмиране предоставят възможност за изграждане на цялостни решения за мониторинг на технологични процеси. Така например, безжичните сензори могат да служат за измерване на температурата и вибрациите на определени части от машини и на нивото на смазочните течности. Подобно е положението с контрола на температурата на електродвигателите на машините и на генераторите в електроцентрали, на корозирането на повърхности и на износването на лагери.
За производства с краен продукт течности, съхранявани в резервоари на голяма площ (например нефтопреработвателни комбинати и химически заводи), е по-сигурно и евтино използването на безжични сензорни мрежи вместо класическа проводникова мрежа.

Други области на приложение обхващат: контрол на количеството на опасните газове и други биологични и химически вещества във въздуха на затворени помещения; контрол на температурата на замразени храни в хладилни помещения и при транспортиране с камиони и др.

Специфики на безжичните сензори
Използваните в мрежите безжични сензори (WS) представляват съвкупност от сензор или сензори за различни величини, управляващ блок (Microcontroller, Microcontroller Unit, Processor) MCU, памет МЕМ и приемопредавател (Transceiver) T/R. Цифровите сигнали от изхода на аналоговоцифровия преобразувател ADC постъпват в MCU и той ги записва в МЕМ. Те се извличат от нея през определени интервали от време и чрез T/R се излъчват от антената. По обратен път става приемането на данни от радиоканала. Част от МЕМ се използва за записване на цялата програма за работа на WS. Захранващият източник може да е литиева батерия за напрежение 3 V, алкална батерия със същото или по-голямо напрежение или литиев акумулатор. Сравнително по-редки са случаите на използване на фотоволтаични батерии, силата на вятъра, термоелементи (преобразуват топлината на контролирания обект в електрическа енергия) и на виброгенератори.

За успешното свързване в безжични сензорни мрежи (WSN - Wireless Sensor Networks) е необходимо WS да имат малка постояннотокова консумация, за която на първо място е необходимо използването на подходящи интегрални схеми (ИС) в блоковете. Освен това WS се включва периодично само за кратко време, за да проведе измерването и запомни данните в паметта си, както и за излъчването им. През останалото време той е в режим “Очакване” (Sleep Mode), където консумира нищожен ток. Необходимо е времето на включване при получаване на повикване (Immediancy) да не надхвърля няколко ms.

При избора на обхвата на WSN за определено приложение трябва да се има предвид, че работата на по-ниски честоти е подходяща за помещения с големи подвижни и неподвижни обекти (машини, резервоари, транспортни средства и ленти), както и при наличие на замърсявания във въздуха. Същевременно, използването на по-високочестотните обхвати означава отдалечаване от индустриалните смущения и съответно възможност за работа с по-малка излъчвана мощност и по-малка постояннотокова консумация.

Видове и начин на работа
В зависимост от местоположението на сензора се различават две основни групи WS. Първата, сравнително по-малобройна, са WS с вграден сензор, като най-често измерваната величина е температурата. Значително повече са WS от втората група с външно свързан сензор или сензори. Основната причина за това е голямата гъвкавост при приложенията. Възможно е WS от тази група да са предназначени за измерване на определени величини или да са универсални. Последното означава, че модулите имат входове за стандартни сигнали (напрежение, ток и/или цифрови) от произволен сензор.
Съществуват два основни начина на работа на WS. Първият е периодичното измерване (Periodic Sampling), което се прави през определени интервали от време, например контролиране на температурата или налягането в някакъв технологичен процес. Интервалите могат да са в твърде широки граници и дори да се променят по време на процеса. Поради това в съвременните WS е възможно програмирането им по радиоканала. Вторият начин е прагово измерване (Even-Driven), което се прави, само когато контролираната величина премине определена стойност. Типични примери са безжичните сензори в алармени системи.

Изисквания към безжичните сензорни мрежи
Съвременните WSN трябва да удовлетворяват няколко основни изисквания. На първо място, от тях се очаква да имат достатъчна надеждност, която да осигурява сигурно предаване на данните в условия на променяща се структура на безжичните сензорни мрежи. Второто важно изискване е да притежават възможност за увеличаване на броя на възлите без това да предизвиква генериране на допълнителни контролни пакети (Network Overhead ), т. е. да са разширяеми (Scalability). Също така, мрежите трябва да имат бърза реакция (Responsiveness), т. е. способност за бързо нагаждане към промени в структурата на мрежата. Времето за реакция обикновено е няколко ms дори при голям брой възли; да осигуряват подвижност (Mobility), което е способността за промяна на пътищата за връзки между възлите и възможността да съдържат подвижни възли. Не на последно място, WSN трябва да са енергийно ефективни (Power Efficiency) и да консумират малко енергия при работа.

Видове безжични сензорни мрежи
Съществуват три основни вида WSN, най-простият от които са мрежите тип "звезда" (Star Network). Наименованието им следва от пространственото разположение (фиг. 1) на крайните възли (End Point, Edge Node, Node, Device) ЕР около управляващия възел (Gateway, Base Station, Bridge, Controller, PAN Coordinator) G. Последният е специализиран възел за бърз обмен на данни, но също може да е персонален или джобен компютър (PDA). Предназначението му е да управлява работата на ЕР, да обменя данни с тях и да препредава събраните данни към други мрежи. По своята същност EP ca безжични сензори. Мрежите тип "звезда" са еднотактни системи (Single-Hop System), което означава, че данните от предавателя се прехвърлят в приемника в един такт (с един “скок”). Структурата им е от типа “точка към точки” (Point-to-Multipoint), каквато е и връзката между устройствата в популярната система Bluetooth. Основното предимство на тези мрежи е, че имат най-малката постояннотокова консумация от всички WSN.

Най-масово разпространени са мрежовите WSN (Mesh Network)
Структурата им е от типа точки към точки (Multipoit-to-Multipoint) и е визуализирана на фиг. 2. Те също имат G, но останалите възли R, освен работа като WS, могат да бъдат и маршрутизатори (Router, Mesh Node, Coordinator), като обменят данни през G и помежду си. Това означава, че връзката между два R може да е непосредствена, но много по-често преминава през други възли. Така на данните са необходими няколко такта, за да достигнат до приемния възел (няколко “скока” от възел на възел), което показва, че този тип мрежи са многотактови системи (Multi-Hop System). Освен това са възможни няколко маршрута, между които и да е два възела, като програмното осигуряване на мрежата избира най-късия от тях. Последното означава намаляване на постояннотоковата консумация поради известния факт, че необходимата излъчвана мощност е правопропорционална на квадрата от разстоянието. Нещо повече, за ограничаване на консумацията алгоритъмът на работа на безжичните сензорни мрежи осигурява прецизна синхронизация на обмена на данни - предаващият възел изпраща контролен пакет за включване на приемащия възел, той реагира бързо, приема данните и веднага се изключва.

При повреден R или големи смущения по маршрута, автоматично се намира друг, поради което това са самовъзстановяващи се мрежи (Self-Healing, Self-Repairing Network). При включване и изключване на WS към мрежата и при наличие на движещи се WS в нея (както при GSM мрежите), тя също променя маршрутите, което я прави и самоорганизираща се мрежа (Self-Configuring Network). Самоорганизацията позволява мрежата автоматично да разпознава и включва в действие всеки нов възел.
Структурата на мрежовите WSN се нарича “точка към точка към точка” (Point-to-Point-to-Point, Peer-to-Peer). За разлика от безжичните сензорни мрежи тип "звезда", където цялото управление е съсредоточено във възела G, тук то е разпределено между всички възли и затова  мрежите са с разпределено управление (Distributed Control).

Освен много по-сигурните връзки, мрежовите WSN имат предимството да покриват значително по-голяма площ (теоретически неограничена) от тези тип "звезда". Друго предимство е улеснената проверка на функционирането на възли и на мрежата като цяло с помощта на специализиран диагностичен прибор или на компютър. Не би трябвало да се забравя бързото и лесно инсталиране и пускане в действие на една мрежова WSN.

Звездо-мрежовите WSN (Star-Mesh Network)
представляват комбинация от двата предни вида и съчетават предимствата им. При тях (фиг. 3) към всеки машрутизатор са свързани крайни възли в тип "звезда", а маршрутизаторите и управляващият възел образуват мрежова структура. При това всеки краен възел има връзка с повече от един маршрутизатор, което осигурява търсенето на различни маршрути за данните.

Увеличаването на броя на възлите в последните два вида WSN води до експоненциално нарастване на количеството на контролните пакети. За избягване на това в мрежи с много възли се използват основно два подхода. Единият е реализация на мрежата с два или повече управляващи възела, което намалява броя на тактовете и съответно на контролните пакети (този подход е подобен на използвания в Ethernet и мрежите по стандарта IEEE802.11). Другият подход е обединяване в маршрутизатора на данните от няколко безжични сензора (Data Aggregation) и предаването им по мрежата с един контролен пакет.

Актуални комуникационни стандарти за WSN
В областта на безжичните сензорни мрежи основните установени стандарти в момента са WirelessHART, ISA100, IEEE 1451 и ZigBee /802.15.4. Съответствието на използваните за изграждането на WSN продукти с някои от посочените стандарти гарантира възможността една и съща безжична система да бъде изградена от устройства на различни производители. При всяко последващо разширение или подмяна на дефектирало оборудване, също може да се избира оптималното към момента пазарно предложение, без изискване да се използват устройства от строго определени производители.

Мултимедийни сензорни мрежи за наблюдение
Развитието на аудио- и видеотехниката, както и поевтиняването на голяма част от устройствата за запис на мултимедийни данни от средата, доведоха до развитието на нов тип WSN - безжични мултимедийни сензорни мрежи. Те позволяват едновременното предаване на видео- и аудиопотоци, и данни от скаларни сензори. Това се дължи на някои подобрения и миниатюризация на хардуера, благодарение на което единичен сензор може да бъде снабден с модули за събиране на аудио- и визуална информация. Освен получаването на мултимедийна информация, безжичните мултимедийни сензорни мрежи могат също така и да я съхраняват и обработват в реално време. Богатата им функционалност определя множеството възможни приложения. Така например, мултимедийните данни като изображения, заедно с измервания на температура или налягане, могат да бъдат използвани в критични точки на индустриалния процес. Техники на компютърното зрение могат да се прилагат върху изображения, добити от безжични мултимедийни сензорни мрежи, с цел да бъде подпомогнат процесът на производство на полупроводникови чипове, хранителни и фармацевтични продукти или, за да се разбере позицията и ориентацията на различни части, за обработката на които се използват роботи.

Също така, при контрола на качеството, автоматично могат да се проверяват детайли или крайни продукти за дефекти.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top