WSN, et akronym for Wireless Sensor Networks, registrerer og reagerer på fysiske og miljømæssige forhold, såsom varme, tryk, lys osv., via sit sensornetværk.
Fremskridt inden for trådløs teknologi og MEMS-sensorer (Micro Electro Mechanical System) muliggjorde smart udrulning af laveffektsensorer over et bredt område, hvilket skabte billige WSN’er til militære og civile applikationer.
I nedenstående afsnit vil vi diskutere typer af WSN’er, deres komponenter og applikationer, og deres fordele og ulemper og applikationer.
Indholdsfortegnelse
Hvad er meningen med et netværk?
Netværk forbinder enheder, der giver mulighed for udveksling af information og ressourcedeling. Disse integrerede enheder bruger kommunikationsprotokoller såsom TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP osv., som er et sæt regler for overførsel af data på tværs af trådløse eller kablede netværk.
Grundlæggende er der to typer netværk: kablet og trådløst. Kablede og trådløse netværk er forskellige baseret på dataoverførselshastighed, datasikkerhed, kommunikationsrækkevidde og omkostninger.
Et kablet netværk er kategoriseret efter sammenkobling af enheder gennem fysiske kabler, mens trådløse netværk er afhængige af radiobølger for enhedsforbindelse. Der er forskellige trådløse teknologier tilgængelige såsom Wi-Fi, Bluetooth osv.
Wireless Sensor Network (WSN), som navnet siger, er en trådløs teknologi, og kommunikationen foregår gennem radiosignaler.
Hvad er et trådløst sensornetværk (WSN)?
Et trådløst sensornetværk, også kaldet WSN, er en samling af specialiserede sensorer arrangeret på forskellige steder i specifikke strukturer til at registrere og overvåge fysiske miljøparametre og organisere de resulterende data på et centralt sted.
Disse fysiske parametre inkluderer, men er ikke begrænset til, temperatur, tryk, vind og fugtighed blandt andre faktorer.
Billedkredit: electronicshub
Et WSN-netværk omfatter basestationer og noder placeret på forskellige lokationer, som interagerer trådløst. WSN-strukturen kan implementeres ved hjælp af fire forskellige tilgange, nemlig punkt-til-punkt-, stjerne-, træ- og masketyper.
Et WSN-arrangement kan kategoriseres i fem typer baseret på det fysiske miljø: underjordiske, terrestriske, undervands-, multimedie- og mobile WSN’er.
Nye sensordesigns bruger tekniske og teknologiske fremskridt til at bygge bro mellem fysiske og digitale områder for effektive resultater.
WSN består af noder med sensorer, der detekterer fysiske og miljømæssige ændringer, der transmitterer data til en basestation for analyse og outputrapporter.
Integrering af trådløse sensornetværk med GPS eller RFID kan forbedre dækningen og skabe sofistikerede sporings- eller overvågningssystemer.
WSN’er sigter mod at indsamle miljøoplysninger for at øge sikkerheden, produktiviteten og forebyggelse af ulykker og samtidig beskytte miljøet.
Komponenter af et WSN
Lad os se listen over komponenter, der laver et WSN. Hovedsageligt er der to dele i WSN: Sensor Node og Network Architecture.
Sensor node
Sensornoden består af følgende komponenter:
- Strømforsyning: Til at forsyne alle komponenter i netværket.
- Sensing Unit: Den består af sensor og ADC (analog til digital konverter). Sensoren samler analoge data, og ADC ændrer dem til digitalt format. Sensor Nodes har ikke kun sensing-funktion, men gør også behandlings-, kommunikations- og lagringskomponenter. Sensor Node indsamler og analyserer fysiske data og korrelerer og fusionerer dem med data fra andre sensorer.
- Behandlingsenhed: Består af hukommelse og mikroprocessor. Den behandler og manipulerer data intelligent.
- Kommunikationssystem: Et radiosystem til datatransmission og modtagelse.
- Base Station: Det er en ekstraordinær node med høj beregningsenergi og behandlingsevne.
Billedkredit: electronicshub
Klyngehoved: Det er en registreringsknude med høj båndbredde, der bruges til at udføre datafusion og dataaggregering i WSN. Baseret på systemkravene og applikationerne vil mere end ét klyngehoved være inde i klyngen.
I et trådløst sensornetværk (WSN) kommunikerer en sensorknude med andre sensorknudepunkter, der er installeret i store områder for at overvåge det fysiske miljø og en basestation (BS) via trådløs kommunikation. Sensornoderne indsamler data og sender dem til basestationen. Basestationer behandler dataene og deler opdateret information med brugere online.
Netværksarkitektur
Når alle sensornoder er forbundet til basestationen, kaldes det Single-hop netværksarkitektur. Når data transmitteres over lange afstande, bruger det mere energi end dataindsamling og beregning, så i sådanne tilfælde bruges multi-hop netværksarkitektur almindeligvis ved at anvende mellemliggende knudepunkter i stedet for et enkelt link, der forbinder sensorknudepunktet til basestationen.
Billedkredit: electronicshub
Der er to måder at implementere disse strukturer på: Flad netværksarkitektur og Hierarkisk netværksarkitektur.
I flad arkitektur kommanderer basestationen alle sensorknudepunkter, og sensorknudepunkter reagerer via peer-knudepunkter ved hjælp af en multi-hop-sti.
I hierarkisk netværksarkitektur modtager klyngehoveder information fra en gruppe af sensorknuder og videresender data til basestationen.
Andre komponenter i WSN
- Relæknude: En midtvejsknude bruges til at kommunikere med den tilstødende knude. Det forbedrer netværkets pålidelighed og har ikke en processensor eller kontroludstyr.
- Aktørnode: En avanceret node bruges til at udføre og konstruere en beslutning afhængigt af applikationskravene. Disse noder er typisk ressourcerige enheder udstyret med højkvalitetsbehandlingskapacitet, høj transmissionseffekt og batterilevetid.
- Gateway: Gateway er en grænseflade mellem sensornetværk og eksterne netværk. Sammenlignet med sensorknuden og klyngehovedet er gatewayknuden mest kraftfuld med hensyn til program- og datahukommelse, den anvendte processor, transceiverrækkevidden og muligheden for udvidelse gennem ekstern hukommelse.
Typer af trådløse sensornetværk (WSN)
Der er fem forskellige typer WSN:
- Undervands: Undervands trådløse sensornetværk bruger sensornoder og køretøjer under vandet til at indsamle data. Den har høj latenstid og problemer med sensorfejl og har begrænsede ikke-genopladelige batterier.
- Underjordisk: Denne type overvåger underjordiske forhold, fordi de arbejder helt under jorden, og Sink-noder placeret over jorden sender data til basestationen. Det koster mere end jordbaserede netværk på grund af dyrt udstyr og vedligeholdelse.
- Terrestrisk: Denne type netværk bruges på land til at overvåge forskellige områders miljøforhold. Tusindvis af trådløse sensorknuder i terrestriske WSN’er er implementeret i en ad hoc eller forud planlagt struktur for at kommunikere med basestationer effektivt.
- Multimedier: WSN’er kan spore og overvåge multimediebegivenheder som video, billedbehandling og lyd. De har prisvenlige sensornoder med kameraer og mikrofoner, der trådløst forbinder, henter, komprimerer og korrelerer data.
- Mobil: Mobile WSN’er består af sensorknuder, der kan bevæge sig og kommunikere, mens de udfører registreringsfunktioner. Mobile trådløse sensornetværk tilbyder mere fleksibilitet, bredere dækning, bedre kanalkapacitet og sparer energi sammenlignet med stationære sensornetværk.
Udrulningen af WSN-typen er baseret på applikations- og jordkravene.
Forskellige strukturer af WSN’er
Der er fire typer netværksstrukturer, men deres implementering påvirker latens, kapacitet og robusthed, efterhånden som datarouting og behandling ændres med forskellige netværksstrukturer. Så vurderingen af kravene og applikationens art bør være kendt, før WSN-strukturen implementeres.
Noderne kan også kobles til internettet og overføre data til cloud-platformen for yderligere analyse.
Billedkredit: Researchgate
- Punkt-til-punkt eller busstruktur: Sensorer i dette netværk kan kommunikere direkte med hinanden uden nogen central hub. Denne struktur er meget udbredt og giver sikker kommunikation.
- Stjernestruktur: Star-netværket bruger en basestation som en central hub til at kommunikere med alle sensorer, og den er enkel at implementere og kræver lav strøm. En af ulemperne ved denne struktur er en afhængighed af en enkelt basestation til kommunikation.
- Træ- eller hybridstruktur: Den omfatter punkt-til-punkt- og stjernestrukturer. I denne struktur er sensorer arrangeret i en trælignende konfiguration, og datatransmission sker gennem grene mellem dem. Det bruger mindre energi end andre strukturer.
- Mesh-struktur: I denne struktur sker datatransmissionen mellem sensorer inden for deres transmissionsområder til multi-hop-kommunikation uden behov for en central basestation. Sensorer kan bruge mellemliggende sensorer til at sende data til sensorer uden for deres radiodækningsområde. Derfor er det kendt for skalerbarhed og redundans. Det anses for at være det mest pålidelige, da der ikke er noget enestående fejlpunkt, men det kræver mere strøm.
Anvendelser af WSN
WSN’er bruges i vid udstrækning på tværs af adskillige sektorer, hvor måling, sporing eller overvågning er påkrævet. De spreder sig over et område og måler temperatur, lyd og andre parametre i forskellige applikationer.
- De er ansat til at overvåge regioner ved at indsætte sensorer til at detektere indtrængensforsøg, så de er meget brugt i militæret til at opdage fjendtlige invasioner.
- De er populære blandt civile applikationer såsom minedrift, sundhedspleje, overvågning, landbrug og andre overvågningsforhold.
- Trådløse sensornoder registrerer parkerede køretøjer via magnetometre, mens mikroradarer og magnetometre kan bruges til sporing.
- WSN er meget populær inden for miljø-/jordovervågning og -sansning, såsom forebyggelse af naturkatastrofer, jordskreddetektion, vandkvalitetsovervågning, skovbranddetektion og habitatovervågning. Også bredt anset på tværs af industrielle overvågningsløsninger såsom Maskinsundhed, spildevand, strukturel sundhed osv.
Fordele og ulemper ved trådløse sensornetværk
I dette afsnit vil vi tage et kig på fordele og ulemper ved WSN:
Fordele
- WSN’er foretrækkes frem for kablede overvågningssystemer på grund af deres bekvemmelighed, pålidelighed, overkommelige priser og lette implementering.
- WSN eliminerer behovet for kabler eller ledninger.
- WSN’ers færdigheder skyldes mange faktorer: sansepræcision, dækningsområde, fejltolerance, tilslutningsmuligheder, lav menneskelig involvering, funktionalitet under udfordrende forhold og dynamisk sensorplanlægning.
- Muliggør centraliseret overvågning af alle noder i WSN.
- Kan tilpasses fysiske skillevægge uden problemer.
- Routing af protokoller til at kommunikere i et miljø med begrænset ydeevne og båndbredde, hvilket skaber selvorganiserende ad hoc-netværk, der bruger multi-hop-kommunikation.
- Den bruger trådløs teknologi-baserede sikkerhedsalgoritmer til at skabe et pålideligt netværk for brugerne.
- Tillader nem integration af nye noder eller enheder for skalerbarhed.
Ulemper
- WSN’er står over for udfordringer som begrænset båndbredde, højt energiforbrug, dyre nodeomkostninger, implementeringsmodeller og hardware/softwaredesignbegrænsninger.
- Trådløse sensornetværk er modtagelige for hacking.
- WSN’er er designet til lavhastighedsapplikationer og uegnede til højhastighedskommunikation.
- Dyrt at bygge WSN-netværk.
- Hele netværket kan lukke ned i stjernetopologi-baserede WSN’er, hvis den centrale knude svigter.
Læringsressourcer
#1. Opbygning af trådløse sensornetværk ved hjælp af Arduino
En bog om at bygge et trådløst netværk med lavt strømforbrug med Arduino- og XBee-udstyr. Den indeholder forklaringer om udvikling af komplekse projekter gennem illustrative eksempler. Bogen giver detaljerede billeder og skærmbilleder og forklarer et hjemmeautomatiseringsprojekt, der kan følges som det er eller tilpasses.
Du lærer, hvordan du trådløst forbinder Arduino-kort ved hjælp af XBee-moduler og styrer miljøet baseret på feedback fra netværkssensorer. Brug XCTU-software på Windows, OS X eller Linux til indsamling og lagring af sensordata i en cloud-platform eller personlig database. Interager også med ZigBee Home Automation-enheder.
Denne bog kan bruges af indlejrede systemudviklere og entusiaster med Arduino-forståelse til at udvide deres projekter ved hjælp af trådløs teknologi.
#2. Opbygning af trådløse sensornetværk: med ZigBee, XBee, Arduino og Processing
Denne bog lægger vægt på at opbygge et ZigBee-netværk ved hjælp af XBee-radioer og Arduino, der koster under $100. Skab justerbare sensor- og aktiveringssystemer og få viden om XBee-forviklinger som strømstyring og kilderuting. Udvikle gateways til sammenkobling med tilstødende netværk, herunder internettet.
Denne bog vil hjælpe forskellige individer med at få viden og færdigheder til at forfølge deres projekter ved at følge eksemplerne i hvert kapitel, herunder opfindere, hackere, håndværkere, studerende, hobbyfolk og videnskabsmænd.
Det er en fantastisk ressource til at skabe smarte interaktive gadgets, og sensorsystemer er tilgængelige ved at bruge ZigBee trådløse netværksprotokol og Series 2 XBee-radioer.
#3. Industrielle trådløse sensornetværk (IWSN): Protokoller og applikationer
Denne publikation præsenterer nye forskningsresultater om industrielle trådløse sensornetværk. Artiklerne inkluderet i Special Issue bidrager til at fremme forskningen om IWSN’er og forventes at inspirere til yderligere forskning og udrulning.
IWSN’er er afgørende på grund af den stigende brug af trådløse sensornetværk i dagligdagen og industrien, som har høje standarder for robusthed, pålidelighed og aktualitet i hvert netværkslag.
#4. Opbygning af trådløse sensornetværk med ESP32 LoRa
Denne vejledning skal implementere et grundlæggende trådløst sensornetværk (WSN) med ESP32 på LoRa-netværket.
Det dækker forskellige emner såsom forberedelse af udviklingsmiljøet, konfiguration af ESP32 LoRa, afsendelse og modtagelse af data, håndtering af LoRa-modtagerafbrydelser, udsendelse af beskeder på LoRa-netværket og oprettelse af en WSN-applikation med ESP32 LoRa.
Afsluttende ord
Trådløse sensornetværk (WSN) er blevet afgørende for forskellige overvågnings- og sporingsapplikationer. WSN er gået fra grundlæggende sensorovervågning til avanceret registrering, behandling og analyse.
WSN-teknologien har ændret sig markant for at indsamle værdifuld viden og give ønskede resultater.
Tjek derefter, hvordan TCP/IP-protokolarkitekturmodellen fungerer.