شبکه حسگر بی‌سیم (Wireless Sensor Network)

1

مهر

1395

شبکه‌های سنتی ارتباط بین انسان‌ها و پایگاه‌های اطلاعاتی را فراهم می‌کند در حالی که شبکه حس/ کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده، بر اساس مشاهدات خود تصمیم‌گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می‌دهند. شبکه‌های ارتباطی گیرنده بی‌سیم در حال حاضر در محیط‌های شهری هم استفاده می‌شوند شامل نظارت محیط و محل‌های سکونت، استفاده بهداشتی و سلامتی، کنترل دستگاه‌های خود کارخانه و نظارت در ترافیک و ... .

 

 

 

 

 

 

شبکه حسگر/ کارانداز شبکه‌ای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک. در هر گره تعدادی حسگر و یا کارانداز وجود دارد. شبکه حس/ کار به شدت با محیط فیزیکی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق کاراندازها واکنش نشان می‌دهد. ارتباط بین گره‌ها به صورت بی‌سیم است.  هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار می‌کند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیت‌هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و ... می‌باشد. این محدودیت‌ها مشکلاتی را به وجود می‌آورد که منشا بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است

این شبکه از پشته پروتکلی شبکه‌های سنتی  پیروی می‌کند ولی به خاطر محدودیت‌ها و تفاوت‌های وابسته به کاربرد پروتکل‌ها باید بازنویسی شوند. این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/ کار و شرح ویژگی‌ها، محدودیت‌ها، کاربردها، ایده‌ها و چالش‌ها، به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می‌پردازد. پیشرفت‌های اخیر در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه‌های کوچک از یک سو و توسعه فناوری ارتباطات بی‌سیم از سوی دیگر زمینه‌ساز طراحی شبکه‌های حس/کار بی‌سیم شده است.  تفاوت اساسی این شبکه‌ها ارتباط آن با محیط و پدیده‌های فیزیکی است.

 

شبکه‌های سنتی ارتباط بین انسان‌ها و پایگاه‌های اطلاعاتی را فراهم می‌کند در حالی که شبکه حس/ کار مستقیما با جهان فیزیکی در ارتباط است  با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده، بر اساس مشاهدات خود تصمیم‌گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می‌دهند. نام شبکه حس/ کار بی‌سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می‌شود. برخلاف شبکه‌های سنتی که همه منظوره‌اند شبکه‌های حس/ کار نوعا تک‌منظوره هستند.  در صورتی که گره‌ها توانایی حرکت داشته باشند شبکه می‌تواند گروهی از ربات‌های کوچک درنظر گرفته شود که با هم به صورت تیمی کار می‌کنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن یا جست‌وجو در میدان جنگ طراحی شده است.

 

از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاه‌های پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یک گره فرض کنیم ارتباط بین گره‌ها باید به طور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود.  این خود نوعی شبکه حس/ کار بی‌سیم می‌باشد. اگرچه به نقلی تاریخچه شبکه‌های حس/ کار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا برمی‌گردد. ولی این ایده می‌توانسته در ذهن طراحان ربات‌های متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه‌های بی‌سیم موبایل نیز شکل گرفته باشد. به هر حال از آنجا که این فن نقطه تلاقی دیدگاه‌های مختلف است تحقق آن می‌تواند بستر پیاده سازی بسیاری از کاربردهای آینده باشد.  کاربرد فراوان این نوع شبکه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در کامپیوتر و الکترونیک از جمله امنیت شبکه، ارتباط بلادرنگ‌، پردازش صوت و تصویر، داده کاوی، رباتیک، طراحی خودکار سیستم‌های جاسازی شده دیجیتال و ...  میدان وسیعی برای پروهش محققان با علاقه‌مندی‌های مختلف فراهم نموده است. شبکه‌های ارتباطی گیرنده بی‌سیم در حال حاضر در محیط‌های شهری هم استفاده می‌شوند شامل نظارت محیط و محل‌های سکونت، استفاده بهداشتی و سلامتی، کنترل دستگاه‌های خود کارخانه و نظارت در ترافیک و ... .

 

ساختار کلی شبکه حس/ کار بی‌سیم

 

 

 

در اینجا تعدادی از تعاریف کلیدی در ساختار کلی شبکه حس/ کار بی‌سیم را ذکر می‌کنیم

 

حسگر: وسیله‌ای که وجود شی‌‌ای رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب‌سنج، مغناطیس‌سنج و ... .

 

 

 

مدل شبکه حسگر

شبکه‌های حسگر توانایی کنترل مناطق جغرافیایی چندگانه، به دست آوردن اطلاعات و پردازش داده در شبکه را دارا می‌باشد. طراحی زیربنایی از این شبکه‌های حسگر می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز باشد. اساسی‌ترین هدف یک طراحی در پتولومی سه عامل اصلی قابل مطرح است. نقطه آغاز یک طراحی ایجاد جریانی از فرآیندها یا تکنیک طراحی قدم به قدم برای هر جزء شبکه‌های حسگر است

 

کاربردها و چند مثال کاربردی

کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم می‌شوند. سیستم‌های ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده‌بانی و میدان مین هوشمند، سیستم‌های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می‌باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستم‌های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند. محیط‌های هوشمند برای افراد سالخوده 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 شیمیای، میکروبی، هسته‌ای، سیستم‌های ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده‌های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل، تحقیق در مورد زندگی گونه‌های خاص از گیاهان و جانوران و ... . همچنین می‌توانند در محیط‌های بیابانی هم گسترش یابند و سال‌ها باقی بمانند (برای کنترل تغییراتی محلی). در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/ کار به عنوان گروهی از ربات‌های کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می‌دهند استفاده می‌شود

 

 

 

1)      نظارت بر ترافیک

اغلب شبکه‌های حسگر بسیار دینامیک و پویا هستند. اشیا به وسیله رفت‌وآمد یک شبکه حسگر نظارت می‌شوند و ممکن است در اطراف یک میدان حسگر حرکت کنند.گره‌های حسگر جدید می‌توانند به شبکه ملحق شوند و موقعی که باتری یک گره حسگر تخلیه می‌شود آن شبکه را ترک می‌کند. یک مدل طبیعی از چنین شبکه‌های حسگر پویایی باید از تغییرات در شبکه پشتیبانی کند نه فقط در توپولوژی اتصال داخلی، بلکه در مجموعه مؤلفه‌ها ی موجود در شبکه Ptolemy II برای تغییر در ساختار مدل پشتیبانی دارد. ما با مثال نشان می‌دهیم که چه طور این مدل‌سازی شبکه حسگر با کاربرد نظارت بر ترافیک به کار گرفته شود.

 

حسگرها در امتداد جاده برای جمع‌آوری اطلاعات که به پایگاه اصلی برای تحلیل بیشتر فرستاده می‌شود، توزیع می‌شوند. برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی چنین شبکه‌ای ما ابتدا یک مدل برای میدان حسگر می‌سازیم که شامل یک مؤلفه برای هر گره حسگر و کانال‌ها (یک کانال بی‌سیم برای انتقال میان حسگر ها و یک کانال صوتی برای انتشار سیگنال از وسایل عبوری در حسگرها). برای اینکه رفتار شبکه را شبیه‌سازی کنیم علاوه براین به یک مدل محرک برای تولید ورودی ترافیک به میدان حسگر نیاز داریم. سئوال این است که چه نوع از ورودی باید برای مدل محرک در میدان حسگر فراهم گردد؟ به طور مشخص آن یک ماشین است که در امتداد جاده در یک کران و حاشیه وارد می‌شود. در این جهت محرک واقعاً یک مدل ماشین (اتومبیل) اضافه شده به میدان حسگر است. از آنجایی که ماشین‌ها می‌توانند 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 دینامیک به علت ورود و خروج ماشین‌ها ما یک اکتور سطح بالا را استفاده می‌کنیم (یکی که به عنوان مدل می‌گیرد ورودی دیگر را). یک چنین اکتوری مدل دیگری که را که محاسبه‌اش را معین می‌کند در بر می‌گیرد و در طول اجرا مدل نگهداشته شده می‌تواند به طور پویا تغییر داده شود. اکتور سطح بالا دو ورودی دارد، با اولین ورودی داده را دریافت می‌کند که مدل نگهداشته شده باید پردازش شود و ورودی دوم تغییرات مدل را در مدل نگهداشته جاری دریافت می‌کند.تغییرات مدل می‌تواند مؤلفه‌های جدیدی از قبیل اکتورهایی که ماشین‌ها را مدل می‌کنند اضافه کند. مؤلفه‌های موجود و اتصالات را حذف یا اضافه کنند.

 

موقعی که اجرا شروع می‌شود اکتور سطح بالا یک مدل درون تهی دارد. آن ابتدا یک تغییر مدل را برای ساخت میدان حسگر دریافت می‌کند بعد از تغییر به کار برده شده، اجرا با هیچ وسیله نقلیه‌ای ادامه پیدا نمی‌کند. هنگامی که مدل ترافیک تصمیم‌گیری می‌کند که ورود ماشین به میدان به وجود آید آن یک مدل ماشین را تولید می‌کند و به اکتور سطح بالا آن را می‌فرستد، سپس مدل نگهداشته شده را برای قرار دادن مدل ماشین تغییر می‌دهد. اجرا با حرکت ماشین در منطقه بر طبق برنامه رانندگی ادامه می‌یابد و حسگر در مسیرش به وسیله کانال صوتی  کشف می‌کند که آیا یک عبور اتومبیل وجود دارد یا خیر. اگر یک ماشین را شناسایی کند، حسگر سپس داده‌ای را به پایگاه اصلی می‌فرستد

 

 

 

 

2)      بررسی مناطق جغرافیایی

محققان اروپایی و هندی براساس تحقیقات به دست آمده از ارگانیسم‌های زنده، به طراحی شبکه حسگرهای بی‌سیم خودساختار اقدام کردند که کاربرد وسیعی در بررسی‌های پیرامونی (محیطی) دارد.  باران‌های ناشی از بادهای موسمی اقیانوس هند (مانسون) در ایالت کرالای هند باعث افزایش خطر زمین‌لرزه می‌شود اما سئوال اینجاست که چگونه می‌توان به مردم این مناطق قریب الوقوع بودن خطر مانسون را اطلاع داد؟ یک راه، استفاده از شبکه حسگرهای بی‌سیم است که به منظور نظارت بر شرایط زمین شناسی طراحی شده است. استفاده از این سیستم در حال عمومی شدن است؛ چرا که این حسگرها کوچک، ساده و ارزان بوده و نیازی به کابل‌کشی جهت وصل کردن گره‌های اتصالات و مرکز کنترل ندارند و می‌توانند کاربردهای متعددی داشته باشند.

 

البته نقاط ضعفی نیز در این سیستم وجود دارد.  برای مثال خراب شدن پیوندهای ارتباطی حسگرها و این که منبع تغذیه گره‌ها باتری است. شبکه بزرگ به واسطه حسگرهای زیادی که همزمان با مرکز کنترل در حال ارسال گزارش هستند، شلوغ و پرترافیک می‌شود و چالش پیش رو این است که آیا این سیستم می‌تواند به طور قابل اطمینان در مرکز کنترل آلودگی هوا نظارت کند، آیا این سیستم قابلیت اندازه‌گیری شرایط آب و هوایی را دارد؟ اینها موانعی است که این پروژه را معلق نگه داشته است. اتحادیه اروپایی به منظور یافتن راه‌های جدید برای رفع مشکل و تقویت این سیستم در مقابل خرابی گره‌های اتصال و توانایی تولید در مقیاس بزرگ، سرمایه‌گذاری خوبی را انجام داده است.  آنچه این پروژه را با پروژه‌های قبل از آن متمایز می‌کند، این است که طرح اولیه آن از سیستم‌های بیولوژیک گرفته شده است، چرا که این شبکه شامل حسگرهای زیادی است و ارگانیسم‌های زنده نیز از سلول‌های منفرد فراوانی ساخته شده است.

 

اگرچه هر کدام از این سلول‌ها پایداری و قابلیت اطمینان ویژه‌ای ندارند، اما تمام قلب به عنوان یک سیستم به شدت پایدار بوده و می‌تواند به آسانی با تغییر شرایط منطبق شود. سرآغاز این پروژه، تهیه مدل ریاضی سیستم‌های بیولوژیکی و ترجمه آنها به الگوریتم‌هایی بود که نشان‌دهنده چگونه گره‌ها باید با یکدیگر در تقابل باشند.  یک نمونه گره حسگر تولید شد، اما بحث اینجا بود که چگونه شبکه حتی با وجود خرابی چند حسگر، قادر به ادامه کار باشد. پاسخ، یک سیستم خودسازمانده است. در این پروژه، گره حسگر با گره‌های مجاور به گونه‌ای در ارتباط است تا به توافق برسند چه چیزی را حس کنند. سپس شبکه، بهترین مسیر بین گره‌های موجود را برای مخابره اطلاعات به مرکز کنترل انتخاب می‌کند؛ این اصل بیولوژیکی در سیستم ردیابی زمین‌لغزه (ریزش کوه) به کار می‌رود. نمونه اولیه این شبکه در جنگل‌های پرباران منطقه کرالا در هند نصب شده است

 

این ناحیه در فصل بارندگی نسبت به زمین‌لغزه آسیب‌پذیر است. حسگرها زیر زمین کار گذاشته می‌شوند، سپس به یک ماهواره که اطلاعات را جمع می‌کند و به مرکز کنترل انتقال می‌دهد، متصل می‌شوند. این شبکه شامل 12 حسگر ژئولوژیکی است که به 15 گره حسگر متصل هستند و در طول 13 هکتار زمین پخش شده‌اند. در نمایش دیگری، محققان یک شبیه‌ساز رایانه‌ای را که انتشار آتش در جنگل را شبیه‌سازی می‌کرد، ساختند. این شبیه‌ساز به تقلید از شبکه حسی طراحی شده بود تا بر جنگل‌ها نظارت داشته باشد و آتش‌سوزی را اعلام کند. این حسگرها در جنگل‌های جمهوری چک نصب شد تا منبع گرما و دود را مشخص کند. هدف نهایی پژوهشگران از اجرای این پروژه پیشرفت در طراحی خودسازمانده است. محققان معتقدند تبادل ایده‌ها بین زیست شناسان و مهندسان و به عکس می‌تواند مزایای زیادی به دنبال داشته باشد.