شبکه های حسگر

شبکه های حسگر

شبكه های حسگر / كارانداز (حس/كار) شبكه ای است متشكل از تعداد زيادی گره كوچك.

در هر گره تعدادی حسگر و/يا كارانداز وجود دارد.

شبكه حس/كار بشدت با محيط فيزيكي تعامل دارد.

از طريق حسگرها اطلاعات محيط را گرفته و از طريق كار انداز ها واكنش نشان مي دهد.

ارتباط بين گره ها بصورت بي سيم است.

هرگره بطور مستقل و بدون دخالت انسان کار می کند و نوعا از لحاظ فيزيكي بسيار كوچك است ودارای محدودیت هایی در قدرت پردازش, ظرفيت حافظه, منبع تغذيه, … میباشد.

اين محدوديت ها مشكلاتي را بوجود مي آورد كه منشأ بسياري از مباحث پژوهشي مطرح در اين زمينه است.

اين شبكه از پشته پروتكلي شبكه هاي سنتي پيروی مي كند ولي بخاطر محدودیت ها و تفاوتهای وابسته به كاربرد, پروتكل ها بايد باز نويسي شوند.

اين مقاله ضمن معرفي شبكة حس/كار و شرح ويژگی ها, محدوديت ها, كاربردها, ايده ها و چالش ها, به طرح موضوعات پژوهشي در اين زمينه مي پردازد.

شبکه های حسگر

پيشرفت های اخير در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه های كوچك از يك سو و توسعه فناوری ارتباطات بي سيم از سوی ديگر زمينه ساز طراحي شبكه هاي حس/كار بي سيم شده است.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 میکند در حالی که شبکه ی حس/کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است با استفاده از حسگرها محیط فيزيكي را مشاهده کرده, بر اساس مشاهدات خود تصميم گيري نموده و عمليات مناسب را انجام می دهند. نام شبكه حس/كار بي سيم يك نام عمومي است براي انواع مختلف كه به منظورهاي خاص طراحي مي شود.

برخلاف شبكه هاي سنتي كه همه منظوره اند شبكه هاي حس/كار نوعا تك منظوره هستند. در صورتي كه گره ها توانايي حركت داشته باشند شبكه مي تواند گروهي از رباتهای کوچک در نظر گرفته شود كه با هم بصورت تيمي كار مي كنند و جهت مقصد خاصي مثلا بازي فوتبال يا مبارزه با دشمن طراحي شده است. از ديدگاه ديگر اگر در شبكه تلفن همراه ايستگاههاي پايه را حذف نماييم و هر گوشی را یک گره فرض گنیم ارتباط بین گره ها باید بطور مستقيم يا از طريق يك يا چند گره مياني برقرار شود. اين خود نوعي شبكه حس/كار بي سيم مي باشد. اگرچه به نقلي تاريخچه شبکه های حس/کار به دوران جنگ سرد و ايده اوليه آن به طراحان نظامي صنايع دفاع آمريكا برمیگردد.

ولي اين ايده مي توانسته در ذهن طراحان رباتهاي متحرك مستقل يا حتي طراحان شبكه هاي بي سيم موبايل نيز شكل گرفته باشد. به هر حال از آنجا كه اين فن نقطه تلاقي ديدگاه هاي مختلف است تحقق آن مي تواند بستر پياده سازي بسياري از كاربردهاي آينده باشد. كاربرد فراوان اين نوع شبكه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در كامپيوتر و الكترونيك از جمله امنيت شبكه, ارتباط بلادرنگ‌, پردازش صوت و تصوير, داده كاوي, رباتيك ,طراحي خودكار سيستم هاي جاسازي شده ديجيتال و… ميدان وسيعي براي پروهش محققان با علاقمندي هاي مختلف فراهم نموده است.

ساختار كلي شبكه حس/كار بي سيم

حسگر :

وسيله اي كه وجود شيئ رخداد يك وضعيت يا مقدار يك كميت فيزيكي را تشخيص داده و به سيگنال الكتريكي تبديل مي كند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهاي دما, فشار, رطوبت, نور, شتاب سنج, مغناطيس سنج و…

كارانداز :

با تحريك الكتريكي يك عمل خاصي مانند باز و بسته كردن يك شير يا قطع و وصل يك كليد را انجام مي دهد

گره حسگر:

به گره ای گفته مي شود كه فقط شامل يك يا چند حسگر باشد.

گره كارانداز:

به گره ای گفته مي شود كه فقط شامل يك يا چند كارانداز باشد.

گره حسگر/كارانداز:

به گره ای گفته مي شود كه مجهز به حسگر و كار انداز باشد.

شبكه حسگر :

شبكه اي كه فقط شامل گره هاي حسگر باشد. اين شبكه نوع خاصي از شبكه حس/كاراست. در كاربردهايي كه هدف جمع آوري اطلاعات و تحقيق در مورد يك پديده مي باشد كاربرد دارد. مثل مطالعه روي گردبادها.

میدان حسگر/کارانداز :

ناحیه کاری که گره های شبکه حس/کار در آن توزیع میشوند.

چاهک:

گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حس/کار و گره مدیر وظیفه را برقرار مي كند.

گره مدیر وظیفه:

گرهی که یک شخصی بعنوان کاربريا مدیر شبكه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند.

فرامین کنترلی و پرس وجوها از اين گره به شبکه ارسال شده وداده های جمع آوری شده به آن برمیگردد

شبكه حس/كار:

شبكه اي متشكل از گره هاي حسگر و كار انداز يا حسگر/كارانداز است كه حالت كلي شبكه هاي مورد بحث مي باشد. به عبارت ديگر شبكه حس/كارشبكه اي است با تعداد زيادي گره كه هر گره مي تواند در حالت كلي داراي تعدادي حسگر و تعدادي كارانداز باشد. در حالت خاص يك گره ممكن است فقط حسگر يا فقط كارانداز باشد. گره ها در ناحيه اي كه ميدان حس/كار ناميده مي شود با چگالي زياد پراكنده مي شوند. يك چاهك پايش كل شبكه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسيله چاهك جمع آوري مي شود و فرامين از طريق چاهك منتشر مي شود. شكل(۲) را ببينيد. مدیریت وظایف میتواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به اينكه تصميم گيري براي انجام واكنش در چه سطحي انجام شود دو ساختار مختلف خودكار و نيمه خودكار وجود دارد. که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

ساختار خودكار :

حسگر هايي كه يك رخداد يا پديده را تشخيص مي دهند داده هاي دريافتي را به گره هاي كارانداز جهت پردازش و انجام واكنش مناسب ارسال مي كنند. گره هاي كارانداز مجاور با هماهنگي با يكديگر تصميم گيري كرده و عمل مي نمايند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها بصورت محلی انجام میشود.شكل(۳) را ببینید.

ساختار نيمه خودكار:

در اين ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهك هدايت شده

و فرمان از طريق چاهك به گره هاي كار انداز صادر شود.

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 درمورد شبكه ‎های ارتباطی نیز سابقه ­ای۱۵ ساله دارد كه هنوزهم درحال رشد می‎باشد.

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 شبیه­ سازهای شبكه عبارتند از:

انعطاف در مدل­سازی

كاربر باید قادر باشد انواع جدیدی از منابع معمول شبكه

همچون گره ‎ها، پیوندها و قراردادها را به مجموعه موجود در شبیه ­ساز بیفزاید.

سهولت در مدل­سازی

وجود واسط گرافیكی و امكان مدل‌سازی به صورت ساخت­ یافته

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.

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 می ‎باشد.

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.

ساختمان گره

هر گره شامل واحد حسگر/ كارانداز, واحد پردازش داده ها, فرستنده/گيرنده بي سيم و منبع تغذيه مي باشد بخشهاي اضافي واحد متحرك ساز, سيستم مكان ياب و توليد توان نيز ممكن است بسته به كاربرد در گره ها وجود داشته باشد.واحد پردازش داده شامل يك پردازندة كوچك و يك حافظه با ظرفيت محدود است داده ها را از حسگرها گرفته بسته به كاربرد پردازش محدودي روي آنها انجام داده و از طريق فرستنده ارسال مي كند. واحد پردازش مديريت هماهنگي و مشاركت با ساير گره ها در شبكه را انجام مي دهد.

واحد فرستنده گيرنده ارتباط گره با شبكه را برقرار مي كند. واحد حسگر شامل يك سري حسگر و مبدل آنالوگ به ديجيتال است كه اطلاعات آنالوگ را از حسگرگرفته و بصورت ديجيتال به پردازنده تحويل مي دهد. واحد كارانداز شامل كارانداز و مبدل ديجيتال به آنالوگ است كه فرامين ديجيتال را از پردازنده گرفته و به كارانداز تحويل مي دهد.

واحد تامين انرژي, توان مصرفي تمام بخشها را تامين مي كند كه اغلب يك باطري با انرژي محدود است. محدوديت منبع انرژي يكي از تنگناهاي اساسي است كه در طراحي شبكه هاي حس/كار همه چيز را تحت تاثير قرار مي دهد. در كنار اين بخش ممكن است واحدي براي توليد انرژي مثل سلول هاي خورشيدي وجود داشته باشد در گره هاي متحرك واحدي براي متحرك سازي وجود دارد. مكان ياب موقعيت فيزيكي گره را تشخيص مي دهد. تكنيكهاي مسيردهي و وظايف حسگري به اطلاعات مكان با دقت بالا نياز دارند. يكي از مهمترين مزاياي شبكه هاي حس/كار توانايي مديريت ارتباط بين گره هاي در حال حركت مي باشد.

ويژگي ها

وجود برخي ويژگي ها در شبكه حسگر/ كارانداز

آن را از ساير شبكه هاي سنتی و بي سيم متمايز مي كند.

از آن جمله عبارتند از:

تنگناهاي سخت افزاري شامل محدوديتهاي اندازة فيزيكي, منبع انرژي, قدرت پردازش, ظرفيت حافظه
تعداد بسيار زياد گره ها
چگالي بالا در توزيع گره ها در ناحيه عملياتي
وجود استعداد خرابي در گره ها
تغييرات توپولوژي بصورت پويا و احيانا متناوب
استفاده از روش پخش همگاني در ارتباط بين گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
داده محور بودن شبكه به اين معني كه گره ها كد شناسايي ندارند

شرکت پیشگام رایانه با سابقه ای ۲۱ ساله در ارائه‌ی

خدمات انفورماتیک  پشتیبانی شبکه    نگهداری شبکه  خدمات پسیو شبکه    نصب و راه اندازی شبکه    نصب و راه اندازی ویپ    کابل کشی شبکه

با سامان‌دهی کادری مشتمل بر کارشناسان و متخصصین مجرب

ارائه دهنده‌ی خدمات پشتیبانی انفورماتیک و مشاوره به سازمان‌ها و شرکت‌های کوچک و بزرگ می‌باشد 

كاربردها:

كاربردها به سه دسته نظامي تجاري پزشكي تقسيم مي شوند.

سيستم هاي ارتباطي, فرماندهي, شناسايي, ديده باني وميدان مين هوشمند, سيستم هاي هوشمند دفاعي از كاربردهاي نظامي مي باشد.

در كاربردهاي مراقبت پزشكي سيستم هاي مراقبت از بيماران ناتوان كه مراقبي ندارند.

محيطهاي هوشمند براي افراد سالخوده 

شبكه ارتباطي بين مجموعه پزشكان با يكديگر و پرسنل بيمارستان

و نظارت بر بيماران از جمله كاربرد هاي آن است.

كاربردهاي تجاري طيف وسيعي از كاربردها را شامل مي شود مانند سيستم هاي امنيتي تشخيص و مقابله با سرقت, آتش سوزي(درجنگل), تشخيص آلودگي هاي زیست محیطی از قبیل آلودگي هاي شيمياي, ميكروبي, هسته اي, سيستم هاي ردگيري, نظارت وكنترل وسايل نقليه و ترافيك, كنترل كيفيت توليدات صنعتي, مطالعه در مورد پديده هاي طبيعي مثل گردباد, زلزله, سيل, تحقيق در مورد زندگي گونه هاي خاص از گياهان و جانوران و .. در برخي از كاربردها نیز شبکه حس/کار بعنوان گروهي از رباتهاي كوچك كه با همكاري هم فعاليت خاصي را انجام مي دهند استفاده میشود.

پشته پروتكلي:

پشته پروتكلي از يكطرف داراي پنج لايه افقي شامل لايه هاي فيزيكي, پيوند داده, شبكه, انتقال, و كاربرد و از طرفي داراي سه لايه عمودي مديريت توان, مديريت جابجايي, و مديريت وظيفه است. لايه فيزيكي وظيفه اش عمليات مدولاسيون و ارسال و دريافت در سطح پايين مي باشد. لايه كنترل دسترسي رسانه بايد قادر باشد با حداقل تصادم بروش پخش همگاني با هر گره همسايه ارتباط برقرار كند. لايه شبكه وظيفه مسيردهي داده هايي كه از لايه انتقال مي آيد را بر عهده دارد.

لايه انتقال وظيفة مديريت جريان انتقال بسته ها را در صورت نياز كاربرد, بر عهده دارد. بسته به كاري كه شبكه براي آن طراحي شده انواع مختلف نرم افزارهاي كاربردي مي تواند روي لايه كاربرد استفاده شود و خدمات مختلفي را ارائه نمايد. یک زبان پردازه نویسی بنام زبان وظیفه و پرسشگری حسگر[۱۱] پیشنهاد شده که پرس وجوها و فرمانهای آن مبتنی بر با ویژگی داده محوری شبکه حس/کاراست. بعنوان مثال “چه تعداد لانه پرنده خالي در محدوده شمال شرقي جنگل وجود دارد”يا “اگر تا يك ساعت بعد تعدادلانه هاي خالي بيشتر از يك حد معيني شد اعلام شود” برای اطلاعات بیشتر به مراجعه کنید.

شبکه های حسگر

لايه عمودي مديريت توان با دخالت در كليه لايه هاي افقي چگونگي مصرف توان براي گره را تعيين مي كند. در واقع براي كاهش مصرف انرژي به الگوريتم ها و پروتكل هاي توان آگاه نيازمنديم. مثلا اينكه يك گره پس از دريافت يك پيغام از يكي از همسايه هايش دريافت كننده اش را خاموش كند باعث جلوگيري از دريافت دوباره پيغام و در نتيجه كاهش مصرف انرژي مي گردد. ايده ديگري كه مي تواند همزمان استفاده شود اين است گره ای كه به سطح پايين انرژي رسيده به همسايه هايش اعلام همگاني مي كند كه انرژي اش در حال اتمام است و نمي تواند در مسيردهي پيغامها شركت داشته باشد.

گره هاي همسايه پس از آن پيغام ها را از طريق گره هاي ديگر مسيردهي خواهند كرد. لايه عمودي مديريت حركت, به بكار گيري روشهاي مكان آگاه بر مي گردد جابجايي گره را تشخيص داده و ثبت مي كند بنابراين يك مسير برگشت تا كاربر هميشه مديريت مي شود و رد گره متحرك دنبال مي شود. مديريت وظيفه وظايف گره ها را زمانبندي كرده و متعادل مي سازد. مثلا اگر وظيفة حس به يك ناحية معين محول شد همة گره هاي حسگر آن ناحيه لازم نيست عمليات حس را بطور همزمان انجام دهند بلكه اين وظيفه مي تواند بسته به كاربرد به برخي گره ها مثلا به گره هايي قابليت اطمينان بيشتر يا ترافيك كمتر يا انرژي بيشتر دارند محول شود.

براي تضمين اين نكته بايد از الگوريتم هاي كارآگاه استفاده نمود.

با وجود موارد فوق گره ها در شبكه حس/كار مي توانند با روشهاي توان كار باهم كار كرده و داده ها را در يك شبكه متحرك حس/كار مسير دهي كنند و منابع را بين گره ها به اشتراك بگذارند.

برچسب ها:,

دیدگاهتان را بنویسید

ارتباط با ما

تهران، میدان فاطمی، میدان گلها، ابتدای بلوار گلها، پلاک 8، طبقه 6، واحد 11 و 12

تلفن : 1000 5780 – 021

فکس : 57801000 – 021  داخلی صفر

کدپستی : 1413873455

درخواست مشاوره

  • This field is for validation purposes and should be left unchanged.