شبکه حسگرهای بی سیم (WSNs) می‌توانند به صورت خود پیکربندی شده و بدون نیاز به زیرساخت باشند تا شرایط فیزیکی یا محیطی مانند دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا میزان آلاینده‌ها را پایش کنند.
معرفی شبکه حسگرهای بی سیم WSN
شبکه سنسورهای بی سیم ( Wireless Sensor Network: WSN) می‌توانند به صورت خود پیکربندی شده و بدون نیاز به زیرساخت باشند تا شرایط فیزیکی یا محیطی را مانند دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا میزان آلاینده‌ها را پایش کنند. سپس داده‌های جمع آوری شده از طریق یک شبکه به محلی که برای پردازش و بررسی در نظر گرفته شده، ارسال می‌شوند.
یک سینک یا بیس (Base) همانند یک رابط بین کاربران و شبکه عمل میکند و اطلاعات می‌توانند با استفاده از تزریق کوئری، از شبکه بازیابی شوند. به طور کلی، یک شبکه سنسور بی سیم شامل صدها یا هزاران نود (Node) یا گره از سنسورها می‌باشد. گره‌های سنسور می‌توانند با یکدیگر با استفاده از سیگنال‌های رادیویی ارتباط برقرار کنند.
یک گره بی سیم سنسور، مجهز به المان‌های حسگر و پردازنده، گیرنده و فرستنده‌های رادیویی و المان‌های تغذیه مدار می‌باشد. هر گره مجزا، در یک شبکه بیسیم سنسور (WSN) دارای محدودیت‌هایی می‌باشد از جمله سرعت پردازش، ظرفیت ذخیره داده محدود و پهنای باند ارتباطی.
پس از انتخاب گروه گره‌ها، آن‌ها مسئول سازماندهی یک زیر ساخت مناسب هستند و معمولا برای ارتباط بین خودشان از چند هاب استفاده می‌کنند.
سپس سنسورهای تعیین شده مشغول جمع آوری اطلاعات می‌شوند. همچنین، سنسورهای بی سیم بی کوئری‌هایی که از یک بخش کنترلی ارسال شده، پاسخ می‌دهند و بر اساس آن‌ها دستورات خاصی را اجرا می‌کنند یا نمونه‌های اندازه‌گیری را فراهم می‌کنند.
مد کاری گره‌های سنسور ممکن است پیوسته یا به صورت فعال شدن توسط یک رویداد خاص باشد. GPS و الگوریتم‌های موقعیت یابی محلی می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند تا اطلاعات مکان و موقعیت به دست بیایند. سنسورهای بی سیم می‌توانند مجهز به راه اندازهایی شوند تا به شرایط خاصی واکنش نشان دهند.
این شبکه‌ها گاهی اوقات به عنوان سنسور بی سیم یا شبکه‌های راه انداز خوانده می‌شوند.
شبکه‌های سنسور بی سیم (WSN) اپلیکیشن‌های جدید را فعال سازی میکند و به دلیل برخی محدودیت‌ها، به یک مسیر غیرقراردادی برای طراحی پروتکل‌ها نیاز دارند. با توجه به عدم پیچیدگی دستگاه و توان مصرفی پایین، بازه کاری شبکه افزایش می‌یابد و یک بالانس مناسب بین ارتباطات و قابلیت‌های پردازش دیتا/سیگنال باید برقرار شود که این امر مسبب تحقیقات زیادی شده است و در این زمینه در طی دهه اخیر، سرمایه گذاری‌های زیادی شده. در حال حاضر اکثر تحقیقات در زمینه WSN روی بهینه سازی مصرف انرژی و پردازش داده‌ها، الگوریتم‌ها و پروتکل‌ها متمرکز شده و دامنه کاربرد محدود به پایش داده محور و اپلیکیشن‌های ریپورت شده است. نویسندگان این مقاله یک الگوریتم Cable Mode Transition (CMT) را پیشنهاد داده اند که حداقل تعداد سنسورهای فعال برای حفظ اتصال و پوشش نواحی دلخواه را فراهم میکند. در این الگوریتم، بازه‌های عدم فعالیت برای سنسورهای کابلی تعریف شده بدون اینکه دامنه پوشش و اتصال دستخوش تغییر شود. یک ساختار شبکه جمع آوری داده حساس به تاخیر نیز برای شبکه بی سیم سنسورها تعریف شده. هدف این ساختار شبکه، به حداقل رساندن تاخیرها در فرایند جمع آوری داده از شبکه‌های حسگر وایرلس می‌باشد که می‌توانند عمر شبکه را افزایش دهند.
نویسندگان این مقاله، گره‌های تقویتی را به گونه ای در نظر گرفته اند که ناکارآمدی‌های هندسی چینش شبکه را جبران کند و الگوریتم‌هایی بر پایه PSO (Particle Swarm Optimization) طراحی کرده اند تا موقعیت سینک بهینه را با توجه به گره‌های تقویتی شناسایی کنند تا بتوانند عمر شبکه را افزایش دهند. ارتباطات بهینه از نظر مصرف انرژی در دیگر مقاله‌های این بخش مورد بررسی قرار گرفته و نویسندگان برای قرار دادن محل سینک، راه حل هندسی بهینه‌ای را پیشنهاد داده اند تا با کاهش مصرف انرژی، طول عمر دستگاه‌ها افزایش پیدا کند. در گذشته، تحقیقات روی شبکه‌های بی سیم، سنسورهای همگون و مشابه را مورد بررسی قرار می‌دادند اما امروزه محققان روی شبکه‌های سنسور نامشابه و ناهمگون تمرکز کرده اند که در آن گره‌ها از نظر مصرف انرژی شبیه به یکدیگر نیستند. در یکی از مقالات نویسندگان مشکل فعال سازی گره‌های تقویتی برای بالا بردن تلورانس خطا در شبکه‌هایی که اتصالات زیاد می‌باشد و ناهمگون هستند را مورد بررسی قرار داده اند که در آن گره‌های سنسور، امواج رادیویی مختلفی دارند. معماری شبکه‌های جدید به همراه المان‌های ناهمگون و پیشرفت‌های جدید در این تکنولوژی، محدودیت‌های پیشین را کنار زد و بازه ی کاربرد برای WSN را به طور چشمگیری گسترش داد. جالب توجه است که تغییرات فوق العاده سریع رخ می‌دهد.
کاربردهای شبکه بی سیم سنسور
شبکه‌های بی سیم سنسورها، محبوبیت زیادی را به دلیل انعطاف پذیری شان در حل مشکلات در دامنه‌های کاربردی مختلف به دست آورده اند و قابلیت‌های بالقوه خود برای بهینه‌سازی سبک زندگی ما را به اثبات رسانده اند. WSNها به صورت موفقیت آمیز در دامنه‌های کاربردی مختلف آزموده شده‌اند. به عنوان مثال:
کاربردهای نظامی:
شبکه‌های بی سیم سنسور به عنوان بخشی در کنترل، برقراری ارتباطات، پردازش، پایش نواحی جنگی و سیستم‌های هدف یابی نظا‌می‌مورد استفاده قرار می‌گیرند.
پایش نواحی خاص:
در این حالت، گره‌های سنسور در ناحیه‌ای قرار می‌گیرند که قرار است پارامتری مورد پایش قرار بگیرد. هنگا‌می‌که سنسورها پارامتر یا رویداد مورد نظر را شناسایی می‌کنند، (به عنوان مثال گرما، فشار و …) رویداد به یکی از ایستگاه‌های Base گزارش می‌شود تا عمل مناسب اتخاذ شود.
نقل و انتقال:
اطلاعات ترافیک که به صورت زنده توسط WSNها جمع آوری می‌شود، می‌تواند رانندگان را از راه‌بندان یا ترافیک آگاه سازد.
کاربردهای سلامتی:
می‌توان رابط‌هایی را برای افراد معلول به وجود آورد یا سیستم مجتمع و هوشمند پایش بیمار، تشخیص بیماری و مصرف دارو را در بیمارستان را راه اندازی کرد. همچنین می‌توان داده‌های فیزیولوژیکی انسان‌ها را از دور پایش کرد.
حواس محیطی:
شبکه‌های سنسور محیطی، یکی از زیرگروه‌های WSN برای تحقیقات در علوم زمین شناسی می‌باشد و می‌توان آتشفشان‌ها، اقیانوس‌ها، کوه‌های یخ، جنگل و … را پوشش داد. همچنین، پارامترهای دیگر در ذیل ذکر شده اند:
- پایش آلودگی هوا
- تشخیص آتش سوزی جنگل‌ها
- پایش گازهای گل خانه ای
- پایش رانش زمین
پایش ساختاری:
از سنسورهای بی سیم می‌توان برای پایش حرکت در داخل ساختمان‌ها و زیرساخت‌هایی مانند پل‌ها، تونل‌ها و … استفاده نمود. در این حالت، مهندسان قادر هستند از دور سازه‌ها را مورد بررسی قرار دهند و نیاز به بازدید حضوری مرتفع می‌شود.
پایش صنعتی:
شبکه‌های بیسیم سنسورها به عنوان بخشی از سیستم نگهداری ماشین‌آلات (CBM) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. چرا که باعث صرفه جویی در هزینه می‌شوند و عملکردهای جدیدی را برای ما فراهم می‌کنند. در سیستم‌های باسیم، نصب سنسورها معمولا به دلیل سیم‌کشی‌های پیچیده و هزینه‌بر با محدودیت مواجه می‌شود.
بخش کشاورزی:
استفاده از یک شبکه بی سیم، باعث حذف هزینه‌های نگه داری از سیم کشی در شرایط محیطی سخت و خاص می‌شود. همچنین، اتوماسیون آبیاری باعث استفاده بهینه از منابع آبی خواهد شد.
مشکلات طراحی یک شبکه حسگر بی سیم
- در نظر گرفتن محدودیت‌هایی که یک شبکه بی سیم سنسورها ممکن است با آن مواجه شود:
استفاده از شبکه سنسورهای وایرلس، مشکلاتی را به همراه خواهد داشت که تا حد زیادی شبیه به مشکلاتی است که در شبکه‌های ad hoc بی سیم مشاهده می‌شود.
گره‌های سنسورها، ارتباط بی سیم سستی را بدون زیرساختار تجربه می‌کنند. در ضمن، منبع تغذیه گره‌های سنسور محدود و غیرقابل تعویض هستند و به منظور اینکه طول عمر شبکه به حداکثر برسد، پروتکل‌هایی باید طراحی شوند تا منابع انرژی را مدیریت کنند. مشکلات در طراحی شبکه سنسورهای بی سیم در مقالات مختلفی در همین سایت ذکر شده و پلتفرم‌های مختلف برای تحریک و تست پروتکل‌های مسیریابی WSN مورد بررسی قرار گرفته. حال، قصد داریم در مورد جزئیات مشکلاتی که ممکن است در طراحی به وجود بیایند با جزئیات بیشتری صحبت کنیم.
تلورانس خطا:
گره‌های سنسور آسیب پذیر می‌باشند و در محیط‌های مختلف با شرایط سخت مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین، می‌توانند دچار مشکلات سخت افزاری شوند. در نتیجه پروتکل‌هایی که در یک شبکه سنسور مورد استفاده قرار می‌گیرند باید قادر باشند این نواقص را به سرعت تشخیص دهند و بخش بزرگی از خطاها را هندل کنند و در عین حال در عملکرد شبکه هیچ خللی ایجاد نشود. این قضیه در طراحی پروتکل‌های مسیریابی اهمیت خاصی پیدا میکند. در این پروتکل‌ها باید مسیرهای جایگزین برای مسیریابی دوباره پاکت‌های داده فراهم باشد. پیکربندی و محیط‌های متفاوت تلورانس‌های متفاوتی دارند.
وسعت شبکه:
شبکه ممکن است از چند یا هزاران گره تشکیل شده باشد. به علاوه تراکم گره‌ها نیز پارامتری مهم محسوب می‌شود. برای جمع آوری داده با رزولوشن بالا تراکم گره‌ها باید حدی بالا باشد که هر گره چندین هزار همسایه داشته باشد. همچنین، پروتکل‌هایی که برای شبکه‌های سنسور لحاظ می‌شود، باید قابلیت استفاده در تراکم بالا را داشته باشد تا کارایی شبکه حفظ شود.
هزینه ساخت:
به دلیل اینکه شیوه‌های پیاده‌سازی مختلف، گره‌ها را المان‌های قابل تعویض در نظر می‌گیرد، شبکه‌های سنسور تنها در صورتی می‌توانند با رویکردهای قدیمی جمع‌آوری اطلاعات رقابت کنند که ساخت گره ارزان تمام شود. به عبارتی هزینه تمام شده هر گره باید کمتر از یک دلار باشد.
محدودیت‌های سخت افزاری:
هر گره سنسور نیاز دارد که حداقل دارای یک واحد حسگر، یک واحد پردازش گر، یک واحد انتقال و منبع تغذیه باشد. البته گره‌ها می‌توانند چندین سنسور داخلی داشته باشند یا به دستگاه‌هایی مانند سیستم موقعیت یابی مجهز باشند تا مسیریابی به صورت location-aware انجام بگیرد. در هر صورت، هر عملکرد اضافه هزینه‌ی اضافی را نیز در برخواهد داشت و مصرف انرژی و اندازه ی فیزیکی گره را افزایش خواهد داد. بنابراین، بین بالا بردن عملکرد و صرفه جویی در انرژی و هزینه باید تعادلی برقرار شود.
توپولوژی شبکه سنسورها:
با وجود اینکه WSNها به صورت‌های مختلفی شکل می‌گیرند، از نظر منابع انرژی، قدرت پردازش، حافظه و قابلیت‌های ارتباطی همواره در مضیقه هستند. در بین این کمبودها، مصرف انرژی بیشترین اهمیت را دارد که توسط گروه زیادی از الگوریتم‌ها، تکنیک‌ها و پروتکل‌ها که برای حفظ انرژی به وجود آمده اند، کنترل و بهینه سازی می‌شود. بنابراین، افزایش طول عمر یک توپولوژی شبکه و نگه داری آن یکی از مهم ترین مشکلاتی است که طراحان شبکه با آن دست و پنجه نرم می‌کنند.
شیوه انتقال داده:
ارتباط بین گره‌ها به صورت معمول در پهنای باند ISM انجام می‌گیرد و از فرکانس‌های رادیویی برای انتقال داده استفاده می‌شود. در هر صورت برخی شبکه‌های سنسور به صورت ادون قرمز یا نوری با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند که البته ارتباط نوری دچار مشکل نویز و تداخل نخواهد بود.
مصرف انرژی:
همان طور که تاکنون دیده ایم، بسیاری از مشکلات طراحی‌های شبکه بی سیم مروبط به مصرف انرژی در آن‌ها می‌شود. سایز گره‌ها، سایز باتری را محدود میکند و طراحی سخت افزار و نرم افزار باید به دقت انجام گیرد و مسائل مربوط به بهینه سازی انرژی کاملا در آن رعایت شود.
به عنوان مثال، فشرده سازی داده‌ها می‌تواند میزان انرژی مصرفی برای انتقال داده را کاهش دهد. اما از طرفی دیگر انرژی که برای فیلترینگ یا پردازش داده نیاز است را بالا ببرد. بنابراین، سیاست‌هایی که در قبال مصرف انرژی اتخاذ می‌شود، بستگی به نوع کاربرد دارد. در برخی مواقع، شاید خاموش کردن گروهی از گره‌هابرای حفظ انرژی مفید باشد. در حالیکه در مواقع دیگر شاید نیاز باشد که تمام گره‌ها به صورت همزمان با یکدیگر کار کنند.
ساختار شبکه حسگرهای بیسیم
ساختار شبکه سنسور وایرلس، شامل توپولوژی‌های متفاوت برای ارتباطات رادیویی می‌باشد. برخی از توپولوژی‌های مرسوم در ذیل مورد بررسی قرار گرفته اند:
شبکه ستاره‌ای Star network (تک نقطه به چند نقطه):
یک شبکه ستاره ای یک نوع توپولوژی ارتباطی است که در آن یک ایستگاه تکی می‌تواند به تعدادی از گره‌های دوردست پیغام بفرستد یا پیغام را دریافت کند. گره‌های ریموت اجازه ندارند که به یکدیگر پیغام ارسال کنند. مزیت این نوع شبکه، سادگی و رساندن مصرف انرژی گره‌های ریموت به حداقل می‌باشد. همچنین ارتباط بین گره‌های ریموت و ایستگاه Base تاخیر کمی دارد. اما مشکلات این توپولوژی این است که بازه ی فرکانس رادیویی ایستگاه Base باید بازه تمام گره‌ها را در بربگیرد و با دیگر شبکه‌ها تداخل نداشته باشد. در ضمن بار مدریت شبکه تنها بر عهده یک node خواهد بود.
شبکه مش Mesh network:
شبکه ی مش ارسال داده از یک گره به گره دیگر در یک شبکه را در بازه فرکانسی مختص به خودش تضمین میکند. در این توپولوژی، ارتباطات multi-hop میسر می‌شود. به عبارتی دیگر، اگر یک گره بخواهد پیغا‌می‌را به گره دیگر ارسال کند که خارج بازه فرکانسی اش باشد، می‌تواند از یک گره واسط برای فوروارد کردن پیغام به گره هدف استفاده کند. این توپولوژی قابلیت بسط دارد و اگر یک گره دچار مشکل شود، گره ریموت می‌تواند با گره‌های دیگر ارتباط برقرار کند که به ترتیب پیغام را به مقصد فوروارد می‌کنند. به علاوه، برد شبکه محدود به بردی که بین گره‌های تکی وجود دارد نخواهد بود و به راحتی می‌تواند با اضافه کردن گره‌های دیگر به سیستم افزایش یابد. نقاط ضعف این توپولوژی توان مصرفی آن می‌باشد چرا که گره‌ها از اتصالات multi-hop استفاده می‌کنند و در نتیجه مصرف برق در آن‌ها نسبت به گره‌هایی که این قابلیت را ندارند بیشتر است که باعث کوتاه شدن عمر باتری می‌شود. به علاوه هنگا‌می‌که تعداد hopهای ارتباطی به مقصدی مشخص افزایش می‌یابد، زمان برای دریافت پیغام نیز اضافه خواهد شد. به خصوص اگر مصرف کم انرژی گره‌ها برای سیستم یک ضرورت باشد.
ترکیب توپولوژی مش – ستاره (Hybrid star – Mesh network)
ترکیب توپولوژی مش و ستاره، یک شبکه ارتباطی قوی و منعطف را به وجود می‌آورد و در عین حال مصرف انرژی گره‌های سنسور را در کمترین حد ممکن نگه خواهد داشت. در این توپولوژی شبکه، گره‌های سنسور با کمترین توان دارای قابلیت فوروارد کردن پیغام‌ها نیستند. در این حالت، مصرف حداقل برق تضمین می‌شود.
به هر حال، دیگر گره‌ها در شبکه دارای قابلیت multi-hop هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهد پیغام‌ها را از گره‌ها با توان کم به دیگر گره‌های شبکه انتقال دهند. به طور کلی، گره‌ها با قابلیت multi-hop توان بیشتری مصرف می‌کنند و اگر امکان داشته باشد به خطوط اصلی تامین برق متصل می‌شوند. این توپولوژی بر اساس یکی از استانداردهای شبکه به نام ZigBee طراحی شده‌است.
ساختار یک گره سنسور بی سیم
یک گره سنسور از 4 المان پایه که شامل واحد حسگر، واحد پردازش، واحد تبادل اطلاعات و واحد تغذیه می‌باشند، تشکیل شده که در شکل زیر نشان داده شده است. همچنین، بر حسب نیاز، می‌توان المان‌های دیگری مانند سیستم تشخیص موقعیت، ژنراتور برق و موبلایزر (mobilizer) را به آن اضافه کرد.
واحدهای حسگر معمولا از دو زیر مجموعه ساخته می‌شوند: سنسورها و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) سیگنال‌های آنالوگی که توسط سنسورها ساخته می‌شوند، به وسیله ADC تبدیل به سیگنال‌های دیجیتال می‌شوند و سپس به واحد پردازش ارسال می‌شوند. واحد پردازش به طور کلی متصل به یک واحد ذخیره داده کوچک است که می‌تواند پروسه‌هایی را که هر گره سنسور را می‌سازند، مدیریت کند و با هماهنگ کردن این گره با گره‌های دیگر وظایف مختلف را به انجام برساند. واحد گیرنده/فرستنده هر گره آن را به شبکه متصل میکند. یکی از مهم ترین المان‌های یک گره سنسور، واحد تغذیه آن می‌باشد. واحدهای تغذیه می‌توانند توسط یک واحد ژنراتور انرژی الکتریسیته مانند سلول‌های خورشیدی شارژ شوند. دیگر زیر واحدها وابسته به کاربردهای مختلف می‌توانند اضافه شوند و حضور آن در تمام کاربردها، ضروری نمی‌باشد.
یک بلوک دیاگرام عملکرد از یک گره حسگر بی سیم در شکل پایین نشان داده شده‌است. طراحی ماژولار پلتفر‌می منعطف و قوی را برای ما فراهم میکند که می‌توان از آن برای مقاصد زیادی بهره برد. به عنوان مثال، بسته به سنسورهایی که قرار است مورد استفاده قرار بگیرند، بلوک تغییر شکل سیگنال می‌تواند دوباره برنامه ریزی یا جایگزین شود که این امر به ما اجازه خواهد داد که از سنسورهای متفاوتی در شبکه بی سیم استفاده کنیم.
با استفاده از فلش مموری، گره‌های ریموت با دستور ایستگاه Base داده‌ها را دریافت می‌کنند یا با رویدادی که توسط ورودی‌های گره احساس می‌شود، شروع به ذخیره داده می‌کنند. به علاوه، firmware سیستم می‌تواند از طریق شبکه بی سیم ارتقا داده شود. در این جا، میکروپروسسور چند وظیفه دارد که در ذیل ذکر شده:
- مدیریت جمع آوری داده‌ها از سنسورها
- اجرای عملکردهای مدیریت توان
- ایجاد رابط بین داده‌های سنسور و لایه فیزیکی رادیو
- مدیریت پروتکل‌های رادیویی شبکه
مبحث اساسی در طراحی هر گره حسگر بی سیم به حداقل رساندن توانی است که توسط سیستم مصرف می‌شود. معمولا زیرسیستم‌های رادیویی نیاز به بیشترین میزان توان دارند. بنابراین، داده‌ها از طریق یک شبکه رادیویی تنها در زمان‌های مورد نیاز ارسال می‌شوند. یک الگوریتم باید در گره بارگزاری شود تا زمان ارسال داده بر حسب رویداد تعیین شود. به علاوه مهم است که میزان توان مصرفی سنسور به حداقل رسانده شود. بنابراین، سخت افزار باید طوری طراحی شود تا به میکروپراسسور اجازه دهد توان ورودی به بخش رادیویی، سنسور و حالت دهنده ی سیگنال را کنترل کند.
ساختار ارتباطی یک شبکه سنسور بیسیم
گره‌های سنسور در ناحیه مورد نظر به صورتی که در شکل 1 نشان داده شده، پخش می‌شوند. هر کدام از این گره‌ها قابلیت‌هایی مانند جمع آوری داده و مسیریابی آن تا سینک یا مکان دلخواه را دارند. داده‌هایی که توسط یک معماری بدون زیر ساخت multi-hop به سینک بازگردانده می‌شود، در شکل 1 نشان داده شده اند. سینک می‌تواند با گره مدیریت وظایف (task manager) از طریق اینترنت یا ماهواره ارتباط برقرار کند.
پشته پروتکل شبکه بی سیم سنسور
پشته پروتکل توسط سینک و گره‌های سنسور که در شکل بالا نشان داده شده، مورد استفاده قرار می‌گیرد و داده‌ها با استفاده از پروتکل‌های شبکه مجتمع می‌شوند. پشته پروتکل شامل لایه کاربرد، لایه انتقال، لایه شبکه، لایه پیوند داده، لایه فیزیکی و بخش مدیریت توان، وظیفه و قابلیت حرکت می‌باشد. انواع مختلف نرم افزارها می‌توانند بسته به وظایف موجود برای لایه کاربرد طراحی شوند و مورد استفاده قرار بگیرند.
این لایه سخت افزار و نرم افزار پایین ترین لایه را برای کاربر نهایی شفاف میکند. لایه انتقال به حفظ جریان داده در صورتی که مورد نیاز شبکه سنسور باشد، کمک میکند.
لایه شبکه از داده‌های مسیریابی که توسط لایه انتقال دریافت شده محافظت میکند. لایه پیوند داده مسئول ترکیب جریان‌های داده، تشخیص فریم، کنترل دسترسی با واسط‌ها (MAC) و کنترل خطا می‌باشد. از آن جایی که ممکن است محیط پر از نویز باشد و گره‌های سنسور می‌توانند محترک باشند، پروتکل MAC باید قابلیت تطبیق با توان را داشته باشد و برخورد داده با گره‌های همسایه را به حداقل برساند. لایه فیزیکی وظیفه مدولاسیون، انتخاب فرکانس، رمزگذاری داده و به کار گیری تکنیک‌های انتقال و دریافت داده را بر عهده دارد.
به علاوه بخش‌های مدیریت توان، حرکت و وظیفه به ترتیب کنترل میزان مصرف برق، میزان حرکت و تقسیم وظایف بین گره‌های سنسور را برعهده دارند. این بخش‌ها به گره‌های سنسور کمک می‌کنند تا بین وظایف حسگرها و پایین آوردن مصرف کلی انرژی تعادل و هماهنگی برقرار شود.
مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بی سیم
مصرف انرژی مهم ترین فاکتور برای تعیین طول عمر یک شبکه سنسور بی سیم است، چرا که معمولا گره‌های سنسور از باتری تغذیه می‌کنند. برخی اوقات بهینه سازی انرژی در شبکه‌های سنسور بسیار پیچیده می‌شود چرا که نه تنها کاهش میزان مصرف انرژی را شامل می‌شود، بلکه طول عمر شبکه نیز باید تا جای ممکن زیاد شود. بنابراین، بحث آگاهی از مصرف انرژی باید در طراحی هر گره و تمام شبکه مورد توجه قرار گیرد.
هر گره سنسور معمولا شامل 4 زیر سیستم می‌شود:
- یک زیر سیستم پردازش گر: که شامل یک میکروپراسسور است که مسئولیت کنترل سنسور و اعمال پروتکل‌های ارتباطی را بر عهده دارد. میکروپراسسورها معمولا در مدهای مختلفی راه اندازی می‌شوند که هر کدام میزان مصرف انرژی مختص به خودشان را دارند. بنابراین انتخاب مد درست در افزایش طول عمر شبکه اهمیت چشمگیری دارد.
- یک زیر سیستم حسگر: که شامل گروهی از سنسورها و راه اندازها می‌شود و گره را به دنیای خارجی پیوند می‌دهد. مصرف انرژی می‌تواند توسط بهره گیری از المان‌هایی با توان مصرفی پایین کاهش پیدا کند و به بهینه سازی مصرف انرژی در ازای کاهش کارایی شبکه نیازی نخواهد بود.
- زیر سیستم منبع تغذیه: این زیر سیستم شامل یک باتری می‌شود که جریان برق را برای گره تامین میکند و همواره باید میزان جریان عبوری از باتری مورد پایش قرار بگیرد چرا که اگر برای مدتی طولانی جریان زیادی از باتری عبور کند، شارژ باتری به سرعت تمام می‌شود. معمولا ظرفیت جریان یک باتری برای هر گره سنسور کمتر از حداقل انرژی مصرفی می‌باشد. طول عمر یک باتری می‌تواند با کاهش میزان جریان به طرز قابل توجهی افزایش یابد.
- برای به حداقل رساندن مصرف انرژی در یک سنسور، پروتکل‌ها و الگوریتم‌های زیادی مورد بررسی قرار گرفته. طول عمر یک شبکه سنسور می‌تواند افزایش چشمگیری داشته باشد اگر سیستم عامل، لایه کاربرد و پروتکل‌های شبکه طوری طراحی شوند که بتوانند مصرف انرژی را بهینه سازی کنند. این پروتکل‌ها و الگوریتم‌ها باید بتوانند به سخت افزار دسترسی داشته باشند و از ویژگی‌های مختلف میکروپراسسورها و گیرنده/فرستنده‌ها استفاده کنند تا میزان مصرف انرژی سنسور به حداقل برسد. گره‌های سنسور از انواع مختلف باعث ایجاد ناهمگونی در شبکه سنسور می‌شوند. بنابراین، نیاز به استفاده از الگوریتم‌های متنوع و متفاوتی در شبکه‌های وایرلس سنسور احساس می‌شود.
در مقاله بعدی به توضیح وبررسی انواع پروتکل‌ها و الگوریتم‌های یک شبکه سنسور وایرلس خواهیم پرداخت.
منبع:
