Сенсорные сети. Испытательное оборудованиеавтоматика и телемеханикафасовочное оборудование программное обеспечение. История и сфера использования

Распределенные сенсорные сети

Что такое беспроводные сенсорные сети?

Датчики и принимаемое устройство

Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote ) - небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте - например 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.

В англоязычной литературе такую сеть называют wireless sensor network (WSN) - это беспроводная сеть состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах.

Они могут измерять такие параметры, как температуры, звук, вибрации, давление, движение объектов или воздуха. Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение и контроль движения объектов. Область применения становится все шире.

Основные принципы работы

3-х уровневая схема сети. 1-й Уровень сенсоров и шлюза. 2-й уровень сервера. 3-й уровень тонкого клиента

Каждый узел сети: мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии

Данные от отдаленных элементов передаются по сети между ближайшими от узла к узлу, по радиоканалу. В итоге с ближайшего мота пакет с данными передается на шлюз. Шлюз соединен, как правило, USB кабелем с сервером. На сервере - собранные данные обрабатываются, хранятся и могут быть доступны через WEB оболочку широкому числу пользователей.

Стоимость сенсорного узла меняется от сотни долларов до нескольких центов, в зависимости от размера сенсорной сети и ее сложности.

Аппаратное обеспечение и стандарты

Шлюз (2шт), соединен с ноутбуком кабелем USB. Ноутбук по UTP соединен с интернетом и выполняет роль сервера

Сенсорные устройства с радио антенной

Аппаратное обеспечение беспроводного узла и протоколы сетевого взаимодействия между узлами оптимизированы по энергопотреблению для обеспечения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания. В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет.

Ряд стандартов в настоящее время либо ратифицирован или находятся в стадии разработки для беспроводных сенсорных сетей. ZigBee является стандартом, предназначенным для использования таких вещей, как промышленный контроль, встроенное зондирование, сбора медицинских данных, автоматизации зданий. Развитию Zigbee способствует большой консорциум индустриальных компаний.

• WirelessHART является продолжением HART протокол для промышленной автоматизации. WirelessHART был добавлен в общей HART протокол как часть спецификации HART 7, который был утвержден фонд HART коммуникации в июне 2007 года.
• 6lowpan является заявленным стандартом для сетевой слоя, но он не была принят еще.
• ISA100 это еще одна работа в попытке войти в WSN технологию, но построено более широко включить обратную связь контроль в своей сфере. Внедрение ISA100 на основе ANSI стандартов планируется завершить к концу года 2008 года.

WirelessHART, ISA100, ZigBee, и все они основаны на тех же стандарт: IEEE 802.15.4 - 2005.

Программное обеспечение беспроводной сенсорной сети

Операционная система

Операционные системы для беспроводных сенсорных сетей менее сложны, чем универсальные операционные системы в силу ограниченности ресурсов в аппаратном обеспечении сенсорной сети. Из - за этого, операционной системе не нужно включать поддержку пользовательских интерфейсов.

Оборудование беспроводных сенсорных сетей не отличается о т традиционных встраиваемых систем, и поэтому для сенсорных сетей можно использовать встроенную операционную систему

Прикладные программы для визуализации

Программа визуализации результатов измерений и генерации отчетов MoteView v1.1

Данные с беспроводных сенсорных сетей, как правило, сохраняются в виде цифровых данных в центральной базовой станции. Есть много стандартных программ, таких как TosGUI MonSense, ГНС, облегчающих просмотр этих больших объемов данных. Кроме того, Открытый консорциум (OGC) указывает стандарты для совместимости и взаимодействия метаданных кодировки, что позволит в режиме реального времени любому лицу осуществлять наблюдение или контроль за беспроводной сенсорной сетью через Web Browser.

Для работы с данными, поступающими от узлов беспроводной сенсорной сети, используются программы, облегчающие просмотр и оценку данных. Одной из таких программ является MoteView . Эта программа позволяет просматривать данные в реальном времени и анализировать их, строить всевозможные графики, выдавать отчеты в различных разрезах.

Преимущества использования

• Отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;
• Низкая стоимость комплектующих, монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;
• Быстрота и упрощенность развертывания сети;
• Надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при выходе из строя отдельных узлов или компонентов;
• Возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования самого объектах
• Возможность быстрого и при необходимости скрытного монтажа всей системы в целом.

Каждый сенсор размером с пивную крышку (но в будущем их размеры можно будет уменьшить в сотни раз) содержит процессор, память и радиопередатчик. Такие крышки можно разбросать на любой территории, а они сами наладят связь между собой, сформируют единую беспроводную сеть и начнут передавать данные на ближайший компьютер.

Объединенные в беспроводную сеть, сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: движение, свет, температуру, давление, влажность и т. д. Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию по цепочке от соседа к соседу. Технология позволяет им годами (даже десятилетиями) работать без смены батарей. Сенсорные сети это универсальные органы чувств для компьютера, и все физические объекты в мире, оборудованные сенсорами, могут быть распознаны компьютером. В перспективе каждый из миллиардов сенсоров получит IP-адрес, и они даже могут сформировать нечто вроде Глобальной сенсорной сети. Возможности сенсорных сетей заинтересовали пока только военных и промышленность. Согласно последнему отчету компании ON World, которая специализируется на исследовании рынка сенсорных сетей, в этом году рынок переживает заметный подъем. Еще одним заметным событием в этом году стал выпуск первой в мире системы ZigBee на одной микросхеме (производства Ember). Среди крупных промышленных компаний США, среди которых был проведен опрос ON World, около 29 % уже используют сенсорные сети, а еще 40 % планируют развернуть их в течение 18 месяцев. В Америке появилось более сотни коммерческих фирм, которые занимаются созданием и обслуживанием сенсорных сетей.

К концу нынешнего года количество сенсоров на планете превысит 1 млн. Сейчас растет не только количество сетей, но и их размер. Впервые созданы и успешно эксплуатируются несколько сетей из более чем 1000 нодов, в том числе одна на 25 тысяч нодов.

Источник: Веб ПЛАНЕТА

Область применений

Применение WSN многочисленно и разнообразно. Они используются в коммерческих и промышленных системах для мониторинга данных, которые трудно или дорого контролировать с использованием проводных датчиков. WSN могут использоваться в трудно досягаемых районах, где они могут оставаться в течение многих лет (экологический мониторинг окружающей среды) без необходимости замены источников питания. Они могут контролировать действия нарушителей охраняемого объекта

Так же WSN используют для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:

• Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания с больших лесных массивов и торфяников
• Дополнительный источник информации для Кризисных Центров Управления субъектов федерации РФ
• Сейсмическое обнаружение потенциальной напряженности
• Военные наблюдения
• Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.
• Экологический мониторинг пространства и окружающей среды
• Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах
• Медицинский мониторинг

Автоматизация зданий:

	мониторинг температуры, расхода воздуха, присутствия людей и управление оборудованием для поддержания микроклимата;
	управление освещением;
	управление энергоснабжением;
	сбор показаний квартирных счетчиков газа, воды, электроэнергии и т. д.;
	охранно-пожарная сигнализация;
	мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений.

Промышленная автоматизация:

	дистанционный контроль и диагностика промышленного оборудования;
	техническое обслуживание оборудования по текущему состоянию (прогнозирование запаса надежности);
	мониторинг производственных процессов;

Максим Сергиевский

Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем - сенсорных сетей.

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств - мотов (от англ. motes - пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память - флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными; они подключаются через цифровые и аналоговые коннекторы. Чаще других используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, реже - магнитоэлектрические, химические (например, измеряющие содержание CO, CO2), звуковые и некоторые другие. Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных. Внешний вид мотов, выпускаемых различными производителями, приведен на рис. 1.

Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер. Но для того, чтобы обработать данные, их нужно сначала получить. Для этой цели узел обязательно оснащается антенной. Но в любом случае доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации.

Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в большинстве беспроводных сенсорных сетей используется TinyOS - ОС, разработанная в Университете Беркли. TinyOS относится к программному обеспечению с открытым кодом; оно доступно по адресу: www.tinyos.net. TinyOS - это управляемая событиями операционная система реального времени, рассчитанная на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Эта ОС позволяет мотам автоматически устанавливать связи с соседями и формировать сенсорную сеть заданной топологии. Последний релиз TinyOS 2.0 появился в 2006 году.

Важнейшим фактором при работе беспроводных сенсорных сетей является ограниченная емкость батарей, устанавливаемых на моты. Следует учитывать, что заменить батареи чаще всего невозможно. В связи с этим необходимо выполнять на мотах только простейшую первичную обработку, ориентированную на уменьшение объема передаваемой информации, и, что самое главное, минимизировать число циклов приема и передачи данных. Для решения этой задачи разработаны специальные коммуникационные протоколы, наиболее известными из которых являются протоколы альянса ZigBee. Данный альянс (сайт www.zigbee.org) был создан в 2002 году именно для координации работ в области беспроводных сенсорных сетей. В него вошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI и многие другие (всего более 200 членов). Корпорация Intel в альянс не входит, хотя и поддерживает его деятельность.

В принципе, для выработки стандарта, в том числе стека протоколов для беспроводных сенсорных сетей, ZigBee использовал разработанный ранее стандарт IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных на небольшие расстояния (до 75 м) с низким энергопотреблением, но с высокой степенью надежности. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4

На данный момент ZigBee разработал единственный в этой области стандарт, который подкреплен наличием производства полностью совместимых аппаратных и программных продуктов. Протоколы ZigBee позволяют устройствам находиться в спящем режиме бо льшую часть времени, что значительно продлевает срок службы батареи.

Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями и даже тысячами мотов не так-то просто. Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что сенсорные сети работают в нелицензированных частотных диапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Желательно также избегать повторной передачи одних и тех же данных, а кроме того, учитывать, что из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или на какое-то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку одной из важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.

Чаще всего мот должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере по отношению к тому другому моту, которому он будет передавать данные. То есть сначала происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты - устройства стандарта ZigBee - по уровню сложности разбиваются на три класса. Высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях обычно используется один координатор. Средний по сложности мот является маршрутизатором, то есть может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 2). Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.

В России тоже проводятся разработки, связанные с созданием беспроводных сенсорных сетей. Так, компания «Высокотехнологичные системы» предлагает свою аппаратно-программную платформу MeshLogic для построения беспроводных сенсорных сетей (сайт www.meshlogic.ru). Основным отличием этой платформы от ZigBee является ориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 3). В таких сетях функциональные возможности каждого мота одинаковы. Возможность самоорганизации и самовосстановления сетей ячеистой топологии позволяет в случае выхода части мотов из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Правда, в любом случае необходим центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, или шлюз для передачи данных на обработку узлу. Спонтанно создаваемые сети часто называют латинским термином Ad Hoc, что означает «для конкретного случая».

В сетях MeshLogic каждый мот может выполнять ретрансляцию пакетов, то есть по своим функциям напоминает маршрутизатор ZigBee. Сети MeshLogic являются в полной мере самоорганизуемыми: никакого узла-координатора не предусмотрено. В качестве радиочастотных приемопередатчиков в MeshLogic могут использоваться различные устройства, в частности Cypress WirelessUSB, которые так же, как и устройства стандарта ZigBee, работают в диапазоне частот 2,4... 2,4835 ГГц. Следует отметить, что для платформы MeshLogic существуют только нижние уровни стека протоколов. Считается, что верхние уровни, в частности сетевой и прикладной, будут создаваться под конкретные приложения. Конфигурации и основные параметры двух мотов MeshLogic и одного мота стандарта ZigBee приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики мотов различных производителей

Отметим, что интегрированных сенсорных датчиков на этих платах нет.

Укажем, что в первую очередь отличает беспроводные сенсорные сети от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей:

• полное отсутствие каких бы то ни было кабелей - электрических, коммуникационных и т.д.;
• возможность компактного размещения или даже интеграции мотов в объекты окружающей среды;
• надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (мотов);
• отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.

Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Беспроводные сенсорные сети - это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:

• системы обороны и обеспечение безопасности;
• контроль окружающей среды;
• мониторинг промышленного оборудования;
• охранные системы;
• мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
• управление энергоснабжением;
• контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;
• пожарная сигнализация;
• складской учет;
• слежение за транспортировкой грузов;
• мониторинг физиологического состояния человека;
• контроль персонала.

Из достаточно большого числа примеров использования беспроводных сенсорных сетей выделим два. Наиболее известным является, пожалуй, развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР. Там с помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания. Компания BP проанализировала, может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна. Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети.

Примером еще одного реализованного пилотного проекта является развертывание сенсорной сети на базе военно-воздушных сил США во Флориде. Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числе движущихся. Применение сенсорной сети позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками. В настоящее время масштабы проекта расширяются, и беспроводная сенсорная сеть устанавливается уже на полигоне размером 10 000x500 м. Соответствующее прикладное программное обеспечение разрабатывается несколькими американскими университетами.

Практически все сферы жизни в 21 веке зависят от информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). Данными обмениваются не только люди, но и всевозможные интеллектуальные системы, мобильные телефоны, носимые устройства, банкоматы, датчики. К «Интернету вещей» уже подключены по меньшей мере 5 млрд устройств. Функционирование любых крупных комплексов — предприятий промышленности, энергетики, сельского хозяйства, торговых центров, музеев, офисов, жилых зданий — сопряжено с постоянным контролем ситуации на их территории. Чувствительные сенсоры в режиме реального времени следят за исправностью оборудования, организацией взаимодействия приборов между собой, предупреждают о необходимости их замены или о чрезвычайных ситуациях. При стремительно растущих объемах данных необходим простой и удобный способ обмена ими между устройствами и центрами обработки информации.

Версия для печати:

Беспров одные сенсорные сети (БСС, Wireless Sensor Networks), состоящие из беспроводных сенсоров и управляющих устройств и способные к самоорганизации с помощью интеллектуальных алгоритмов, демонстрируют масштабные перспективы использования для контроля здоровья человека, состояния окружающей среды, функционирования производственных и транспортных систем, учета различных ресурсов и др. В настоящем выпуске информационного бюллетеня представлены технологические тренды в области БСС, связанные с обеспечением постоянной работы беспроводных сенсоров и их применением в двух областях современной экономики - передовом производстве (advanced manufacturing) и «умной» энергетике (smart grid).

Самозарядные сенсорные устройства

Для развития беспроводных сенсорных сетей важно решить проблему их энергопитания. Перспективным трендом является создание долговечных автономных устройств с минимальным потреблением энергии - преобразованной из внешних источников.

Беспроводные сенсорные устройства могут, например, питаться от энергии радиосигнала, отправленного на них от какого‑либо передатчика (подобно устройствам радиочастотной идентификации (RFID) или бесконтактным смарт-картам). Эта энергия используется устройством как для подзарядки сенсора, так и для формирования ответного сигнала с информацией о текущем состоянии контролируемого объекта.

Другой способ - пассивное преобразование энергии из внешней среды (energy harvesting): солнечной (снаружи помещения при достаточно ясной погоде), тепловой, энергии механических вибраций (от работающих рядом приборов - сборочных аппаратов, конвейеров и т. п.), энергии вибраций самого сенсора (в случае с носимыми устройствами), фоновых радиоизлучений от окружающих электроприборов (в том числе Wi-Fi).

Реализация передового производства на базе беспроводных сенсорных сетей

Нерациональное использование ресурсов и производственных мощностей, выработка большого количества загрязняющих окружающую среду отходов, отсутствие постоянного контроля состояния объектов на предприятиях - эти и другие проблемы современной промышленности стимулируют переход к модели передового производства (advanced manufacturing). Для него характерны использование новых материалов и экологически безопасных технологий (green technologies), а также повсеместное применение ИКТ и интеллектуальных систем, в частности робототехники и беспроводных сенсорных сетей.

Индустриальные беспроводные сенсорные сети (ИБСС, Industrial Wireless Sensor Networks) - важнейший фактор реализации передового производства. Для управления и контроля состояния объектов на предприятии (оборудования, конвейеров, сборочных аппаратов, реакторов) используется набор взаимосвязанных беспроводных сенсоров и информационных систем, которые обрабатывают данные с сенсоров и взаимодействуют с контролируемыми объектами с помощью управляющих устройств. Такая автоматизированная система реагирует на любые изменения показателей на предприятии, оповещает персонал об авариях и проблемных ситуациях, анализирует эффективность использования оборудования, оценивает уровень загрязнения окружающей среды и объемы производимых отходов.

«Умные» энергосети

Глобальная проблема нерационального использования электроэнергии особенно актуальна для России. Большие затраты на генерацию электроэнергии увеличивают себестоимость производства продукции, что ложится двойным бременем на конечного потребителя. Для повышения эффективности и надежности энергосистем многие страны переходят к концепции «умных» энергосетей (smart grid).

Такая сеть управляет в режиме реального времени всеми подсоединенными к ней генерирующими источниками, магистральными и распределительными сетями и объектами, потребляющими электроэнергию. Для управления «умной» энергосетью используются беспроводные сенсорные сети, которые контролируют объемы энергопроизводства и энергопотребления на разных ее участках. С помощью информационных систем рассчитывается оптимальное распределение энергии в сети, строятся прогнозы на разные сезоны и периоды дня, синхронизируются выработка энергии и ее доставка, контролируется безопасность линий электропередач. Для повышения эффективности энергосети ее некритические элементы на время пониженной активности выключаются.

Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики () в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), данные Web of Science , Orbit , idc.com, marketsandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru и др.

Архитектура типичной беспроводной сенсорной сети

Беспроводная сенсорная сеть - это распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Причем область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.

Одним из первых прототипов сенсорной сети можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. Технологии беспроводных сенсорных сетей стали активно развиваться сравнительно недавно - в середине 90-х годов. Однако лишь в начале XXI века развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешевую элементную базу. Современные беспроводные сети в основном базируются на стандарте ZigBee. Немалое количество отраслей и сегментов рынка (производство, различные виды транспорта, обеспечение жизнедеятельности, охрана), готовых для внедрения сенсорных сетей, и это количество непрерывно увеличивается . Тенденция обусловлена усложнением технологических процессов, развитием производства, расширяющимися потребностями частных лиц в сегментах безопасности, контроля ресурсов и использования товаро-материальных ценностей. С развитием полупроводниковых технологий появляются новые практические задачи и теоретические проблемы, связанные с применениями сенсорных сетей в промышленности, жилищно-коммунальном комплексе, домашних хозяйствах. Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров открывает новые области для применения систем телеметрии и контроля, такие как :

• Своевременное выявление возможных отказов исполнительных механизмов, по контролю таких параметров, как вибрация, температура, давление и т. п.;
• Контроль доступа в режиме реального времени к удаленным системам объекта мониторинга;
  • обеспечение охраны музейных ценностей
  • обеспечение учёта экспонатов
  • автоматическая ревизия экспонатов
• Автоматизация инспекции и технического обслуживания промышленных активов;
• Управление коммерческими активами;
• Применение как компоненты в энерго- и ресурсосберегающих технологий;
• Контроль экологических параметров окружающей среды

Следует отметить, что несмотря на длительную историю сенсорных сетей , концепция построения сенсорной сети окончательно не оформилась и не выразилась в определенные программно-аппаратные (платформенные) решения. Реализация сенсорных сетей на текущем этапе во многом зависит от конкретных требований индустриальной задачи. Архитектура, программно-аппаратная реализация находится на этапе интенсивного формирования технологии, что обращает внимание разработчиков с целью поиска технологической ниши будущих производителей .

Технологии

Беспроводные сенсорные сети (WSN) состоят из миниатюрных вычислительных устройств - мотов, снабженных сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в заданном радиодиапазоне. Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети интеллектуальных датчиков среди других беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных, особенно когда речь идет о большом количестве соединенных между собой устройств, сенсорная сеть позволяет подключать до 65000 устройств. Постоянное снижение стоимости беспроводных решений, повышение их эксплуатационных параметров позволяют постепенно переориентироваться с проводных решений в системах сбора телеметрических данных, средств дистанционной диагностики, обмена информации. «Сенсорная сеть» является сегодня устоявшимся термином (англ. Sensor Networks ), обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных элементов сеть из необслуживаемых и не требующих специальной установки устройств . Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и радиоприемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.

Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «Сенсорные сети» (англ. WSN - Wireless Sensor Network ), является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами. Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени работы датчиков. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов .

Принятый стандарт IEEE 802.15.4 описывает контроль доступа к беспроводному каналу и физический уровень для низкоскоростных беспроводных персональных сетей, то есть два нижних уровня согласно сетевой модели OSI. «Классическая» архитектура сенсорной сети основана на типовом узле, который включает в себя , пример типового узла RC2200AT-SPPIO :

• радиотракт;
• процессорный модуль;
• элемент питания;
• различные датчики.

Типовой узел может быть представлен тремя типами устройств :

• Сетевой координатор (FFD - Fully Function Device);
  • осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети;
  • наиболее сложный из трех типов устройств, требует наибольший объем памяти и источник питания;

• Устройство с полным набором функций (FFD - Fully Function Device);
  • поддержка 802.15.4;
  • дополнительная память и энергопотребление позволяет выполнять роль координатора сети;
  • поддержка всех типов топологий («точка-точка», «звезда», «дерево», «ячеистая сеть»);
  • способность выполнять роль координатора сети;
  • способность обращаться к другим устройствам в сети;
• (RFD - Reduced Function Device);
  • поддерживает ограниченный набор функций 802.15.4;
  • поддержка топологий «точка-точка», «звезда»;
  • не выполняет функции координатора;
  • обращается к координатору сети и маршрутизатору;

Примечания

1. 1 2 3 Рагозин Д.В.. Моделирование синхронизированных сенсорных сетей. Проблеми програмування. 2008. № 2-3. Спеціальний випуск – 721-729 с.
2. Баранова Е. IEEE 802.15.4 и его программная надстройка ZigBee. // Телемультимедиа, 8 мая 2008.
3. Levis P., Madden S., Polastre J. and dr. “TinyOS: An operating system for wireless sensor networks” // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (Eds.) // In Ambient Intelligence. – New York, NY: Springer-Verlag, 2005. – 374 p.
4. Algoritmic Acpects of Wireless Sensor Networks. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislaw Kubiak, Eds. – Poland, Wrozlaw: Springer, 2007.
5. Интеллектуальные системы на базе сенсорных сетей. - www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf // Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, 2009.
6. Полностью законченные ZigBee-модули компании RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // Компоненты и технологии.
7. Стек протоколов ZigBee/802.15.4 на платформе Freescale Semiconductor - www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt, 2004

Максим Сергиевский

Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем - сенсорных сетей.

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств - мотов (от англ. motes - пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память - флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными; они подключаются через цифровые и аналоговые коннекторы. Чаще других используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, реже - магнитоэлектрические, химические (например, измеряющие содержание CO, CO2), звуковые и некоторые другие. Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных. Внешний вид мотов, выпускаемых различными производителями, приведен на рис. 1.

Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер. Но для того, чтобы обработать данные, их нужно сначала получить. Для этой цели узел обязательно оснащается антенной. Но в любом случае доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации.

Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в большинстве беспроводных сенсорных сетей используется TinyOS - ОС, разработанная в Университете Беркли. TinyOS относится к программному обеспечению с открытым кодом; оно доступно по адресу: www.tinyos.net. TinyOS - это управляемая событиями операционная система реального времени, рассчитанная на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Эта ОС позволяет мотам автоматически устанавливать связи с соседями и формировать сенсорную сеть заданной топологии. Последний релиз TinyOS 2.0 появился в 2006 году.

Важнейшим фактором при работе беспроводных сенсорных сетей является ограниченная емкость батарей, устанавливаемых на моты. Следует учитывать, что заменить батареи чаще всего невозможно. В связи с этим необходимо выполнять на мотах только простейшую первичную обработку, ориентированную на уменьшение объема передаваемой информации, и, что самое главное, минимизировать число циклов приема и передачи данных. Для решения этой задачи разработаны специальные коммуникационные протоколы, наиболее известными из которых являются протоколы альянса ZigBee. Данный альянс (сайт www.zigbee.org) был создан в 2002 году именно для координации работ в области беспроводных сенсорных сетей. В него вошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI и многие другие (всего более 200 членов). Корпорация Intel в альянс не входит, хотя и поддерживает его деятельность.

В принципе, для выработки стандарта, в том числе стека протоколов для беспроводных сенсорных сетей, ZigBee использовал разработанный ранее стандарт IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных на небольшие расстояния (до 75 м) с низким энергопотреблением, но с высокой степенью надежности. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4

На данный момент ZigBee разработал единственный в этой области стандарт, который подкреплен наличием производства полностью совместимых аппаратных и программных продуктов. Протоколы ZigBee позволяют устройствам находиться в спящем режиме бо льшую часть времени, что значительно продлевает срок службы батареи.

Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями и даже тысячами мотов не так-то просто. Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что сенсорные сети работают в нелицензированных частотных диапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Желательно также избегать повторной передачи одних и тех же данных, а кроме того, учитывать, что из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или на какое-то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку одной из важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.

Чаще всего мот должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере по отношению к тому другому моту, которому он будет передавать данные. То есть сначала происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты - устройства стандарта ZigBee - по уровню сложности разбиваются на три класса. Высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях обычно используется один координатор. Средний по сложности мот является маршрутизатором, то есть может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 2). Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.

В России тоже проводятся разработки, связанные с созданием беспроводных сенсорных сетей. Так, компания «Высокотехнологичные системы» предлагает свою аппаратно-программную платформу MeshLogic для построения беспроводных сенсорных сетей (сайт www.meshlogic.ru). Основным отличием этой платформы от ZigBee является ориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 3). В таких сетях функциональные возможности каждого мота одинаковы. Возможность самоорганизации и самовосстановления сетей ячеистой топологии позволяет в случае выхода части мотов из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Правда, в любом случае необходим центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, или шлюз для передачи данных на обработку узлу. Спонтанно создаваемые сети часто называют латинским термином Ad Hoc, что означает «для конкретного случая».

В сетях MeshLogic каждый мот может выполнять ретрансляцию пакетов, то есть по своим функциям напоминает маршрутизатор ZigBee. Сети MeshLogic являются в полной мере самоорганизуемыми: никакого узла-координатора не предусмотрено. В качестве радиочастотных приемопередатчиков в MeshLogic могут использоваться различные устройства, в частности Cypress WirelessUSB, которые так же, как и устройства стандарта ZigBee, работают в диапазоне частот 2,4... 2,4835 ГГц. Следует отметить, что для платформы MeshLogic существуют только нижние уровни стека протоколов. Считается, что верхние уровни, в частности сетевой и прикладной, будут создаваться под конкретные приложения. Конфигурации и основные параметры двух мотов MeshLogic и одного мота стандарта ZigBee приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики мотов различных производителей

Отметим, что интегрированных сенсорных датчиков на этих платах нет.

Укажем, что в первую очередь отличает беспроводные сенсорные сети от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей:

• полное отсутствие каких бы то ни было кабелей - электрических, коммуникационных и т.д.;
• возможность компактного размещения или даже интеграции мотов в объекты окружающей среды;
• надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (мотов);
• отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.

Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Беспроводные сенсорные сети - это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:

• системы обороны и обеспечение безопасности;
• контроль окружающей среды;
• мониторинг промышленного оборудования;
• охранные системы;
• мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
• управление энергоснабжением;
• контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;
• пожарная сигнализация;
• складской учет;
• слежение за транспортировкой грузов;
• мониторинг физиологического состояния человека;
• контроль персонала.

Из достаточно большого числа примеров использования беспроводных сенсорных сетей выделим два. Наиболее известным является, пожалуй, развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР. Там с помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания. Компания BP проанализировала, может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна. Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети.

Примером еще одного реализованного пилотного проекта является развертывание сенсорной сети на базе военно-воздушных сил США во Флориде. Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числе движущихся. Применение сенсорной сети позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками. В настоящее время масштабы проекта расширяются, и беспроводная сенсорная сеть устанавливается уже на полигоне размером 10 000x500 м. Соответствующее прикладное программное обеспечение разрабатывается несколькими американскими университетами.