"Bezsieciowe sieci sensorowe", Jakub M. Tomczak

Bezprzewodowe sieci sensorów
Jakub M. Tomczak
1. Wstęp
Rozwój techniki oraz technologii przetwarzania i zarządzania informacją pozwala
spełniać różne marzenia ludzkości – m.in. komunikację na odległość, łatwiejszy sposób
przemieszczania się, przyjazne i szybkie przetwarzanie informacji itd. Można powiedzieć, iż
człowiek dąży do tego, aby swoje życie uczynić jak najwygodniejszym. Do tego przyczynić
się może tzw. bezprzewodowa sieć sensorów (ang. wireless sensor network - WSN), nad
którą w ostatnich latach trwają szczególnie intensywne badania.
Popularne staje się hasło tzw. inteligentnego otoczenia (ang. smart environment),
które, oparte o bezprzewodowe sieci, ma zrewolucjonizować budownictwo, przemysł, oraz
wszelkie dziedziny, w których następuje pobieranie, przetwarzanie i archiwizacja informacji
(czyli praktycznie wszystkie aspekty naszego życia). Inteligentne środowisko ma za zadanie
pobierać określone dane z otoczenia, które następnie za pomocą inteligentnych sensorów
(ang. smart sensors) są obrabiane i przekazywane dalej (do kolejnych sensorów lub do
urządzeń służących do bardziej skomplikowanej analizy). W ten sposób można dokonać
pomiarów interesującego nas obszaru (np. do określenia pogody), pomiarów w miejscach
niedostępnych dla człowieka (np. gniazda ptaków), ale również usprawnienie działania domu
mieszkalnym (tzw. inteligentny dom), sieć sensorów pomagająca w opiece nad chorymi [4, 5]
itd.
W badaniach nad sieciami bezprzewodowymi korzysta się z wielu dziedzin nauki: od
nauk podstawowych, po nauki zajmujące się sieciami, przetwarzaniem, pobieraniem
i gromadzeniem informacji (informatyka) i ogólnie naukami technicznymi. W związku z tym
w pracy przedstawiono zagadnienia związane z budową i działaniem sieci, budową sensorów
(oraz ich rodzajami) oraz omówiono podstawowe założenia sieci bezprzewodowych.
2. Sieci komunikacyjne [1, 2, 3]
Badania nad sieciami prowadzone są na większości uniwersytetach na świecie
i zawierają szereg problemów i zagadnień. Do zrozumienia działania sieci bezprzewodowej
nie potrzeba całej wiedzy z podanej dziedziny, tym niemniej należy posiadać podstawowe
wiadomości, bez których niemożliwe są dalsze rozważania na temat WSN.
2. 1 Topologia sieciowa
Każda sieć służąca do przesyłania informacji (i nie tylko) składa się z węzłów
(wierzchołków), które połączone są ze sobą w określony sposób (mogą to być krawędzie
skierowane lub też nie, jednak w pracy ich rodzaj nie jest istotny i określono je ogólnie jako
połączenia wierzchołków). Każdy węzeł można interpretować (dla łatwiejszego odbioru) jako
jednostkę o określonej mocy obliczeniowej, zdolną do transmisji i odbierania wiadomości
(danych) do innych wierzchołków (np. jako komputer). Węzły mogą być połączone poprzez
kable lub drogą bezprzewodową, jednak dla samego zagadnienia teorii sieci nie jest to sprawą
nadrzędną.
1
Bardzo istotnym zagadnieniem jest natomiast sposób komunikowania się
poszczególnych węzłów, tzn. w jakiej hierarchii ułożone są względem siebie wierzchołki.
Wyszczególnia się następujące struktury:
•
•
•
•
•
•
gwiazda;
pierścień;
autobus;
drzewo;
siatka;
pełne połączenie.
Rys. 1 Podstawowe struktury sieciowe. [3]
Oczywiście wybór odpowiedniej hierarchii pociąga za sobą różne konsekwencje
(głównie związane ze złożonością połączeń, czasem przesyłania, niezawodnością).
Sieć w pełni połączona (fully connected topology) jest niezwykle niezawodna, jednak
dodanie kolejnych węzłów powoduje zwiększenie ilości połączeń w sposób wykładniczy (jest
to problem NP-zupełny). Prowadzi to do licznych problemów routingowych,
tzn. odpowiedniego skierowania wiadomości w sieci.
Siatka (mesh topology) jest regularnie rozłożoną siecią, która umożliwia transmisję
wyłącznie do najbliższego węzła (sąsiada). Zazwyczaj wierzchołki są do siebie zbliżone pod
względem wykonywanych funkcji (np. sieć komputerowa), więc często kojarzy się tę
strukturę z sieciami rodzaju peer-to-peer (P2P). Hierarchia siatkowa może być dobrym
modelem do wielko-skalowych sieci bezprzewodowych sensorów rozłożonych np. na jakimś
obszarze. Zaletą tego modelu może być wprowadzenie „liderów”, węzłów wyposażonych
w dodatkowe funkcje (w sytuacji, gdy lider ulegnie uszkodzeniu, to inne wierzchołki mogą
przejąć jego rolę, czyli rośnie niezawodność). Ponadto istnieje wiele dróg transmisji danych
oraz tworzenie połączeń nie przebiega w sposób wykładniczy (tzn. nowych połączeń jest co
najwyżej 4).
Struktura gwiazdy (star topology) polega na połączeniu wierzchołków poprzez
jednej węzeł główny (zwany hubem). Hub potrzebuje dodatkowych funkcji, większej mocy
2
przesyłowej oraz zdolności podejmowania decyzji (odpowiedni routing). Naturalnie wadą tej
hierarchii jest możliwość uszkodzenia węzła głównego, co prowadzi do zniszczenia całej
sieci.
Pierścień (ring topology) jest strukturą pozbawioną lidera. Wiadomości krążą
pomiędzy węzłami (w jednym kierunku po torze kolistym). Przecięcie pierścienia powoduje
utratę komunikacji między wierzchołkami, dlatego też często tworzony jest dodatkowy
pierścień (wówczas strukturę nazywa się samonaprawialnym pierścieniem).
Topologia autobusowa (bus topology) polega na tym, iż wiadomość porusza się
wzdłuż węzłów, natomiast każdy wierzchołek sprawdza adres (miejsce przeznaczenia)
wiadomości i w przypadki potwierdzenia – odbiera informację. Wadą tego sposobu
komunikacji jest niemożność retransmisji wiadomości (węzły mogą jedynie przyjmować).
Wydaje się, iż struktura siatkowa (z wyszczególnionymi liderami oraz
jednokierunkowymi połączeniami) jest najlepszą strukturą dla sieci bezprzewodowych (jak
pokazano w [F.L. Lewis „Wireless Sensor Networks”] odpowiednio wybrana hierarchia jest
najpoprawniej działająca).
2. 2 Protokoły i routing
Temat protokołów oraz routingu są złożone i wymagają wielu badań, jednakże warto
przedstawić kilka informacji, aby lepiej zrozumieć zagadnienia przesyłania informacji.
Głównym elementem każdej wiadomości jest jej nagłówek (header), który składa się z
m.in.:
• adresu docelowego;
• adresu źródłowego;
• długość pola danych;
• innych informacji (np. nagłówek protokołu).
Nagłówek służy węzłom do odpowiedniego przesyłania wiadomości. Bez niego wiadomość
nigdy nie dotarłaby do wierzchołka docelowego oraz nigdy nie mogła by być odesłana z
powrotem.
Innym bardzo ważnym elementem są protokoły wielokrotnego dostępu, wśród których
wyszczególnia się następujące rodzaje:
1) Podział wg częstotliwości (Frequency Division Multiple Access – FDMA) – każdy
węzeł posiada różny nośnik częstotliwości, podobnie z wiadomościami. Wówczas
dotarcie do odpowiedniego wierzchołka polega na dopasowaniu obu częstotliwości.
Podejście takie wymaga jednak wyposażenia węzłów w dodatkowe funkcje
obsługujące porównywanie częstotliwości.
2) Podział wg kodu (Code DMA) – węzeł może odkodować tylko wybrane wiadomości.
3) Podział czasowy (Time DMA) – częstotliwość radiowa umieszczana jest na osi czasu.
Każdy węzeł potrzebuje odpowiednio zsynchronizowanego zegara do TDMA.
Ogólnie wymianę danych opisuje Open System Interconnection Reference Model
(OSI/RM). Model ten przedstawia sposób przekazywania wiadomości w sieciach.
Wyszczególnia się następujące poziomy:
0) Okablowanie.
1) Warstwa fizyczna (hardware).
2) Warstwa połączenia.
3
3)
4)
5)
6)
7)
Warstwa sieciowa (routing i przepływ).
Warstwa transportowa (detekcja i korekcja błędów).
Warstwa sesyjna.
Warstwa prezentacji.
Warstwa aplikacji (programy etc.).
Rys. 2 OSI/RM [3]
Bardzo istotne w przesyłaniu danych w sieci jest routing. Polega on na odpowiednim
wyborze ścieżek od węzła źródłowego do docelowego (przesyłanie musi przebiegać
w skończonym czasie). Istnieje wiele metod routingu, ale najważniejsze jest wybór takiej
metody, aby wybierano najkrótsze (tzn. najszybsze) ścieżki (np. algorytm Djikstry) oraz żeby
nie występowało zjawisko deadlock (wszystkie wierzchołki są zajęte i wiadomość wpada
w cykl, z którego już nie wychodzi) i livelock (wiadomość jest odsyłana od wierzchołka do
wierzchołka i nigdy nie dochodzi do węzła docelowego). Ponadto bardzo ważna jest
odpowiednia kontrola przepływów (przepustowości).
2. 3 Pierwsze sieci
Pierwsze próby tworzenia sieci datowane są na lata 70. XX wieku. W latach 90.
zanotowano nagły wzrost zainteresowania naukowców nowym rodzajem komunikacji , co
przyczyniło się wieloma nowymi pomysłami (w odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie
społeczeństwa). Poniżej lista wybranych standardów sieciowych:
1) Ethernet (lata 70.) – długość zmiennych od 64 do 1514 bajtów
2) Token Ring (1984) – był systemem szybkim i sprawnym, ale kosztownym w
stworzeniu.
3) Gigabit Ethernet (1996) – wykorzystano kable światłowodowe do technologii
Ethernetu.
4) Client-Server (koniec lat 80.) – komputery podzielono na dwa rodzaje: klienci
(użytkownicy) oraz serwery (komputery zarządzające siecią).
4
5) Peer-to-Peer networking (P2P) – wszystkie urządzenia posiadają tę samą ważność (nie
ma serwerów), natomiast przesyłanie danych odbywa się na zasadzie struktury
autobusowej.
6) P2P Computing – zadania w obsłudze sieci podzielone są na różne komputery.
7) Wireless Local Area Network – łatwe porozumiewanie się urządzeń drogą radiową.
8) Bluetooth – krótkodystansowy sposób komunikowania się urządzeń droga radiową
(wysoka częstotliwość, szybkość, przechodzenie przez nie-metalowe struktury).
3. Sensory
Sensory są najważniejszymi elementami WSN. Powyższe rozważania na temat sieci
przeprowadzono na przykładzie komputerów, jednak podobnie można zrobić dla sensorów.
Wówczas zamiast słowa „komputer” używać będziemy „sensor” (teoria sieci odnosi się jak
najbardziej również do sensorów). Najpierw jednak omówimy pokrótce czym są sensory, jak
są zbudowane oraz jak je dzielimy.
Ogólnie mówiąc sensory (często w WSN używa się określenia mot) służą do
pobierania danych, przetwarzania ich i przesyłania dalej. Do realizacji tych funkcji
wykorzystywane są następujące elementy:
•
•
•
mikroprocesor – odpowiedzialny za przetwarzanie danych,
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) – służy do przeprowadzania pomiarów,
niewielkie, energooszczędne radio – wykorzystywane do przesyłania radiowego.
Schemat budowy inteligentnego sensoru przedstawiony jest na rys. 3. Inteligencja
sensoru polega na tym, iż oprócz zwykłego pobierania i przetwarzania danych posiada on
funkcje zapisania sygnału oraz podejmowanie prostych (zwykle 0-1 decyzji) decyzji (często
nazywa się taki rozbudowany sensor sensorem wirtualnym).
Rys. 3 Model inteligentnego sensoru [3]
5
Najważniejszym jednak elementem motu pozotaje przetwornik, który spełnia funkcję
pomiarową. Wyszczególnia się następujące grupy sensorów (ze względu na sposób
pomiarów):
•
Sensory mechaniczne:
o Wykorzystujące efekt piezoresytorowy (zmiana rezystancji poprzez zmianę
obciążenia).
o Wykorzystujące efekt piezoelektryczny (zmiana różnicy potencjałów porzez
siłę i na odwrót).
o Tunneling sensing (zależności natężeń tunelowych).
o Pojemność sensoru (różnice pojemności).
•
Sensory magnetyczne i elektromagnetyczne:
o Wykorzystujące efekt Halla (wydzielanie pola elektromagnetycznego).
o Wykorzystujące efekt magnetorezystorowy (przewodnictwo magnetycznie
zmienia gęstość).
•
Sensory termiczne:
o Przetworniki termiczno-mechaniczne (zmiany temperaturowe w materiałach).
o Termoszczepialne [thermocouples] (wykorzystujące efekt Seebecka, gdzie
napięcie wyrażone jest za pomocą zmiany temperatur).
o Sensory dużych temperatur (polegają na wykorzystaniu właściwości
pojedynczych krystałków SiO2, których temperatura zależy od częstotliwości).
•
Sensory optyczne:
o Wykorzystują efekt fotoelektryczny, natężenie światła itp.
•
Przetworniki chemiczne i biologiczne:
o Chemiosensory (wykorzystanie reakcji chemicznych, stężeń pierwiastków,
substancji, etc.).
o Biosensory (podobnie jak chemiosensory).
Ponadto wykorzystuje się następujące efekty fizyczne do pomiarów świata rzeczywistego:
•
•
Widmo elektromagnetyczne.
Fale akustyczne (sensory akustyczne).
Na rysunku 4 przedstawiono obecnie wykorzystywane sensory do pomiarów
wyszczególnionych wielkości fizycznych.
6
Rys. 4 Sensory wykorzystywane w WSN.
4. Bezprzewodowa Sieć Sensorów – przyszłość
W poprzednich punktach przedstawiono tematy, które głównie dotyka zagadnienie
WSN (nie wspomniano o ważnym aspekcie zasilania, najczęściej rozwiązywany poprzez
wykorzystanie światła oraz stosowania wyłączania w momentach bezczynności). Obecny stan
wiedzy oraz badania (np. firmy Intel [4]) uprawniają do optymistycznych wizji wprowadzenia
WSN do powszechnego użycia podczas najbliższych kilkunastu lat. Wówczas
rzeczywistością stanie się robienie w pełni automatycznych pomiarów na określonym
obszarze (np. do określenia warunków dla rozwoju winorośli czy innych roślin), we
wnętrzach budynków, samodiagnozowaniu urządzeń (również urządzeń diagnostycznych autodiagnostyka), etc.
Przykład modelu budowy WSN przedstawiono na rys. 5.
7
Rys. 5 Standard IEEE 1451 Inteligentnej Sieci Sensorowej [3]
Bardziej odległą przyszłością natomiast wydają się tzw. mądre sensory
(samodiagnozowanie sensorów) oraz sensory z elementami NEMS. Jeśli uda się osiągnąć ten
pułap, to wówczas może dojść do zupełnej rewolucji w strukturze społeczeństw. Jednak na
dzień dzisiejszy wyzwaniem jest stworzenie inteligentnego środowiska.
LITERATURA:
[1] GRZECH A., „Sterowanie ruchem w sieciach teleinformatycznych”, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2002
[2] KULIKOWSKI J.L., „Zarys teorii grafów”, PWN, Warszawa, 1986
[3] LEWIS F.L., „Wireless Sensor Networks”, In: Smart Environments:
Technologies, Protocols and Aplications, ed. D.J. Cook, S.K. Das, Wiley, New
York, 2004
[4] http://www.intel.com/research/exploratory/wireless_promise.htm
[5] http://www.eecs.harvard.edu/~mdw/proj/codeblue/
8