دانلود مقاله مشکلات شبکه های حسگر بی سیم زیرآبی و راه حل های آن با فرمت ورد ودر 110 صفحه قابل ویرایش 

فهرست مطالب

فصل اول مقدمه1
1-1: ساختار كلی شبكه حس/ كار بی‌سیم:3
1 - 2: مهم ترین ویژگی های عمومی یک شبکه حسگر :9
1-3 : فاکتورهای طراحی :10
تحمل خرابی:10
قابلیت گسترش:11
هزینه تولید:11
1-4: کاربردهای شبکه های حسگر بی سیم :11
کشاورزی دقیق11
مراقبت بهداشتی و پزشکی12
کنترل محیط12
کاربردهای نظامی12
1-5: ZigBee :13
1-6: پشته پروتکلی :15
1-6-1: لایه فیزیکی:17
1-6-2: لایه پیوند داده:17
1-6-3: لایه شبکه :18
1-6-4: لایه انتقال:18
1-6-5: لایه کاربرد:19
1-7: نمونه پیاده سازی شده شبکه حسگر (ذره میکا):19
1-8: نرم افزار:22
فصل دوم کاربردهای شبکه های حسگر بی سیم23
الف) کاربردهای نظامی:25
الف-1: گرد و غبار هوشمند:26
الف-2: سیستم شناسایی کمین (تیراندازی از فضا):27
الف-3: شبکه حفاظت شبانه:29
1- سیستم ارزش دهی آغازی (قالب بندی یا initialization):30
2- کشف و شناسایی اطراف :31
3- انتخاب نگهبان و کشیک:31
4- گزارش وضعیت:32
5- مدیریت نیرو و دنباله گیری اتفاقات:32
ب) کاربردهای صنعتی :34
ب-1: نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه:35
ب-2: نظارت بر سلامت سازه:37
ب-3: کاربردهای تجاری دیگر:38
ج) کاربردهای خانگی:39
ج-1: نظارت و کنترل وضعیت آب:40
فصل سوم فاکتورهای مؤثر در طراحی شبکه های حسگر بی سیم43
3-1: محدودیت های سخت افزاری:44
3-1-1: واحد حسگر:45
3-1-2: واحد پردازش:45
3-1-3: واحد فرستنده-گیرنده:45
3-1-4: واحد توان:46
3-1-5: سیستم پیدا کردن محل سکونت:46
3-1-6: حرکت دهنده (Mobilizer):47
3-1-7: ژنراتور برق (قدرت):47
3-2: تحمل خطا:51
3-3: مقیاس پذیری:52
3-4: هزینه های تولید:53
3-5: توپولوژی شبکه گیرنده بی سیم:53
3-5-1: مرحله پیش استقرار و استقرار:54
3-5-2: مرحله پس از استقرار:54
3-5-3: مرحله استقرار مجدد گره های اضافی:55
3-6: رسانه های انتقال:55
3-7: مصرف برق:57
فصل چهارم الگوریتم تکرار جهت مکانیابی در شبکه های حسگر بی سیم58
4-1: شرح الگوریتم:60
4-2: نتایج شبیه سازی:64
فصل پنجم شبکه های زیرآبی حسگر بی سیم67
5-1: کاربردها :69
5-2: چالش های طراحی:71
5-3: معماری مخابراتی:72
5-3-1: ﺷﺒﻜﻪﻫﺎي ﺣﺴﮕﺮ زﻳﺮآﺑﻲ دوﺑﻌﺪي:73
5-3-2: ﺷﺒﻜﻪ ﻫﺎي ﺣﺴﮕﺮ زﻳﺮآﺑﻲ ﺳﻪﺑﻌﺪي :74
5-3-3: ﺷﺒﻜﻪﻫﺎي ﺣﺴﮕﺮ ﺑﺎ وﺳﺎﻳﻞ زﻳﺮآﺑﻲ ﺧﻮدﻣﺨﺘﺎر:75
5-4: تفاوت های شبکه های حسگر زیرآبی و زمینی:76
5-5: قطعات شبکه های حسگر زیرآبی:77
5-5-1: حسگرهای زیرآبی:77
5-6: مبانی انتشار صوتی:79
5-6-1: تلفات مسیر:80
5-6-2: نویز :81
5-6-4: ﺗﺄﺧﻴﺮ و ﺗﻐﻴﻴﺮات ﺗﺄﺧﻴﺮ زﻳﺎد:81
5-6-5: ﮔﺴﺘﺮش داﭘﻠﺮ:82
5-7: ﻻﻳﻪ ﺷﺒﻜﻪ:82
5-7-1: ﭘﺮوﺗﻜﻞﻫﺎي واﻛﻨﺸﻲ:82
5-7-2: ﭘﺮوﺗﻜﻞﻫﺎي ﻛﻨﺸﻲ:83
5-7-3: پروتکل های مسیریابی جغرافیایی:84
5-8: نتیجه:84
منابع:86
 
فهرست اشکال
شکل1-1 و 1-2 : گره های حسگر و کارانداز (Actor) پراکنده شده در میان حس5
شکل 1-3 : ساختار خودکار6
شکل 1-4 : ساختار نیمه خودکار6
شکل 1-5: ساختمان کلی یک گره حسگر8
شکل 1-6: پشته پروتکل ZigBee و IEEE 80215415
شکل 1-7: پشته پروتکلی شبکه حسگر17
شکل 1-8-1: ذره میکا20
شکل 1-8-2: ساختار داخلی غبار هوشمند21
شکل 2-1: نمونه کاربردهای شبکه حسگر بی سیم25
شکل 2-2: سیستم شناسایی بومرنگ تیرانداز مخفی28
شکل 2-3: سیستم شناسایی توزیعی تیرانداز مخفی28
شکل 2-4: مراحل کار شبکه حفاظت شبانه30
شکل 2-5: طرح و معماری FabApp37
شکل 2-6: طرح و معماری NAWMS41
شکل 3-1: ساختار کلی یک گره حسگر47
شکل 4-1: بردارهای کشش و رانش63
شکل 4-2: ماتریس مجاورت برای شکل (4-1)63
شکل 4-3: نمودار میانگین خطا بر حسب H66
شکل 4-4: نمودار درصد موفقیت الگوریتم66
شکل5-1: معماری شبکه حسگر زیرآبی دوبعدی74
شکل 5-275
شکل 5-3: آرایش داخلی یک گره حسگر زیرآبی78
شکل 5-1: پهنای باند موجود برای گستره های مختلف در کانال های UW-A80

قسمتی از متن مقاله

چکیده

شبكه هاي حسگر نسل جديدي از شبكه ها هستند كه به طور معمول، از تعداد زيادي گره ارزان قيمت تشكيل شده اند و ارتباط اين گره ها به صورت بيسيم صورت مي گيرد. هدف اصلي در اين شبكه ها، جمع آوري اطلاعاتي در مورد محيط پيرامون حسگر هاي شبكه است. نحوه عملكرد كلي اين شبكه ها به اين صورت است كه گره ها اطاعات مورد نياز را جمع آوري مي كنند و سپس آنها را به سمت گيرنده ارسال مي كنند. نحوه انتشار اطلاعات در اين شبكه ها، تا حد زیادي مشابه انتشار اطلاعات در شبكه هاي موردي است به اين معني كه انتقال اطلاعات به صورت گره به گره صورت مي پذيرد. تفاوت عمده شبكه هاي حسگر امروزه به عنوان يكي از مباحث بسيار داغ علمي مطرح است و تحقيقات بسياري بر روي بهبود عملكرد اين شبكه ها صورت مي گيرد. تا كنون كارهاي زيادي در جهت بهبود و افزايش كار ايي در زمينه پخش اطلاعات در شبكه هاي حسگر، صورت گرفته است. يكي از روشهاي مطرح در اين زمينه، روش انتشار مستقيم است كه در اين روش از ايده نامگذاري سطح پايين اطلاعات استفاده شده است و كليه داده ها در اين روش به صورت زوجهاي صفت مقدار نامگذاري مي شود.

شبكه حسگر/ كارانداز شبكه‌ای است متشكل از تعداد زیادی گره كوچك. در هر گره تعدادی حسگر و یا كارانداز وجود دارد. شبكه حس/ كار به شدت با محیط فیزیكی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق كاراندازها واكنش نشان می‌دهد. ارتباط بین گره‌ها به صورت بی‌سیم است. هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان كار می‌كند و نوعا از لحاظ فیزیكی بسیار كوچك است و دارای محدودیت‌هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و ... می‌باشد. این محدودیت‌ها مشكلاتی را به وجود می‌آورد كه منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است.

این شبكه از پشته پروتكلی شبكه‌های سنتی پیروی می‌كند ولی به خاطر محدودیت‌ها و تفاوت‌های وابسته به كاربرد پروتكل‌ها باید بازنویسی شوند. این مقاله ضمن معرفی شبكه حس/ كار و شرح ویژگی‌ها، محدودیت‌ها، كاربردها، ایده‌ها و چالش‌ها، به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می‌پردازد. پیشرفت‌های اخیر در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه‌های كوچك از یك سو و توسعه فناوری ارتباطات بی‌سیم از سوی دیگر زمینه‌ساز طراحی شبكه‌های حس/كار بی‌سیم شده است. تفاوت اساسی این شبكه‌ها ارتباط آن با محیط و پدیده‌های فیزیكی است.

شبكه‌های سنتی ارتباط بین انسان‌ها و پایگاه‌های اطلاعاتی را فراهم می‌كند در حالی كه شبكه حس/ كار مستقیما با جهان فیزیكی در ارتباط است با استفاده از حسگرها محیط فیزیكی را مشاهده كرده، بر اساس مشاهدات خود تصمیم‌گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می‌دهند. نام شبكه حس/ كار بی‌سیم یك نام عمومی است برای انواع مختلف كه به منظورهای خاص طراحی می‌شود. برخلاف شبكه‌های سنتی كه همه منظوره‌اند شبكه‌های حس/ كار نوعا تك‌منظوره هستند. در صورتی كه گره‌ها توانایی حركت داشته باشند شبكه می‌تواند گروهی از ربات‌های كوچك درنظر گرفته شود كه با هم به صورت تیمی كار می‌كنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن یا جست‌وجو در میدان جنگ طراحی شده است.

از دیدگاه دیگر اگر در شبكه تلفن همراه ایستگاه‌های پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یك گره فرض كنیم ارتباط بین گره‌ها باید به طور مستقیم یا از طریق یك یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبكه حس/ كار بی‌سیم می‌باشد. اگرچه به نقلی تاریخچه شبكه‌های حس/ كار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریكا برمی‌گردد. ولی این ایده می‌توانسته در ذهن طراحان ربات‌های متحرك مستقل یا حتی طراحان شبكه‌های بی‌سیم موبایل نیز شكل گرفته باشد. به هر حال از آنجا كه این فن نقطه تلاقی دیدگاه‌های مختلف است تحقق آن می‌تواند بستر پیادهسازی بسیاری از كاربردهای آینده باشد. كاربرد فراوان این نوع شبكه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در كامپیوتر و الكترونیك از جمله امنیت شبكه، ارتباط بلادرنگ‌، پردازش صوت و تصویر، داده كاوی، رباتیك، طراحی خودكار سیستم‌های جاسازی شده دیجیتال و ... میدان وسیعی برای پروهش محققان با علاقه‌مندی‌های مختلف فراهم نموده است. شبكه‌های ارتباطی گیرنده بی‌سیم در حال حاضر در محیط‌های شهری هم استفاده می‌شوند شامل نظارت محیط و محل‌های سكونت، استفاده بهداشتی و سلامتی، كنترل دستگاه‌های خود كارخانه و نظارت در ترافیك و ... .

1-1: ساختار كلی شبكه حس/ كار بی‌سیم:

در اینجا تعدادی از تعاریف كلیدی در ساختار كلی شبكه حس/ كار بی‌سیم را ذكر می‌كنیم.

سینک یا چاهک (Sink) : گره ای که جمع آوری داده ها را به عهده دارد و ارتباط بین گره های حس و گره مدیر وظیفه را برقرار می کند.

گره مدیر وظیفه (Task Manager node): گره ای که یک شخص به عنوان کاربر یا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار می کند. فرامین کنترلی و پرس و جوها از این گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر می گردد.

شبکه حس : شبکه ای است با تعداد زیادی گره که هر گره می تواند در حالت کلی دارای تعدادی حسگر باشد. گره ها در ناحیه ای که میدان حبس نامیده می شود با چگالی زیاد پراکنده می شود. یک چاهک پایش کل شبکه را برعهده دارد. اطلاعات بوسیله چاهک جمع آوری می شود و فرامین از طریق چاهک منتشر می شود. شکل (1) و شکل (2) را ببینید. گره های حسگری همانند شکل (2) در یک منطقه پراکنده می شوند. همانطور که قبلا هم اشاره کردیم گره های حسگرس دارای توانایی خود سامتندهی هستند. هرکدام از این گره های پخش شده دارای توانایی جمع کردن اطلاعات و ارسال آنها به پایانه ای موسوم به Sink و کاربران نهایی هستند. این اطلاعات از یک مسیر چند مرحله ای که زیرساخت مشخصی ندارد به سینک فرستاده می شوند و سینک می تواند توسط لینک ماهواره یا اینترنت یا هرنوع شبکه بی سیم (مثل فای، مش، سیستم های سلولی، وایمکس و...) و یا بدون هریک از این شبکه ها ، جایی که سینک می تواند به طور مستقیم به کاربران نهایی متصل شده باشد با گره task manager ارتباط برقرار کند. توجه داشته باشید که سینک و کاربران ممکن است چندتایی باشند.

مدیریت وظیفه می تواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به اینکه تصمیم گیری برای انجام واکنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودکار و نیمه خودکار وجود دارد؛ که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

شکل1-1 و 1-2 : گره های حسگر و کارانداز (Actor) پراکنده شده در میان حس

ساختار خودکار:حسگرهایی که یک رخداد یا پدیده را تشخیض می دهند داده های دریافتی را به گره های کارانداز (Actor) جهت پردازش و انجام واکنش مناسب ارسال می کنند. گره های کارانداز مجاور با هماهنگی با یکدیگر تصمیم گیری کرده و عمل می نمایند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری ها بصورت محلی انجام میشود. شکل (3) را ببینید.

شکل 1-3 : ساختار خودکار

ساختار نیمه خودکار : در این ساختار داده ها توسط گره ها به سمت چاهک هدایت شده و فرمان از طریق چاهک به گره های کارانداز صادر می شود. شکل (4) را ببینید.

شکل 1-4 : ساختار نیمه خودکار

ساختمان گره : هر گره شامل واحد حسگر، واحد پردازش داده ها، فرستنده/گیرنده بی سیم و منبع تغذیه می باشد. بخشهای اضافی واحد متمرکز ساز ، سیستم مکان یاب و تولید توازن نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره ها وجود داشته باشد. واحد پردازش داده شامل یک پردازنده کوچک یک حافظه با ظرفیت محدود است که داده ها را از حسگرها گرفته بسته به کاربرد پردازش محدودی روی آنها انجانم داده و از طریق فرستنده ارسال می کند. واحد پردازش مدیریت هماهنگی و مشارکت با سایر گره ها در شبکه را انجام می دهد. واحد فرستنده – گیرنده ارتباط گره با شبکه را برقرار می کند. واحد حسگر شامل یک سری حسگر و مبدل آنالوگ به دیجیتال است که اطلاعات آنالوگ را از حسگر گرفته و بصورت دیجیتال (توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال) به پردازنده تحویل می دهد. بخش پردازش که معمولاً با یک حافظه کوچک همراه است، همکارای گره با گره های دیگر را در جهت انجام وظیفه محول شده به هر حسگر مدیریت می کند. واحد کارانداز شامل کارانداز و مبدل دیجیتال به آنالوگ است که فرامین دیجیتال را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می دهد. بخش فرستنده و گیرنده، گره را به شبکه متصل می کند. بخش توان نیز یکی از مهم ترین بخش های یک گره حسگری است. توان مورد نیاز ممکن است با بخشهای جمع آوری توان ، مانند سلول های خورشیدی تأمین شود. به موازات تولید توان، تلاش برای کاهش مصرف توان در شبکه بسیار مهم است. صرفه جویی در مصرف توان در حالت کلی از دو طریق ممکن است: یک راه ساخت حسگرهایی با مصرف انرژی کمتر و راه دیگر به کاربردن روش های مدیریت توان در طراحی نرم افزاری شبکه است. مثلاً ارسال TDMA از نظر مصرف توان مناسب است. زیرا در فاصله هر شیار زمانی که اطلاعات هر حسگر ارسال نمی شود ، حسگر در حالت انتظار که مصرف انرژی بسیار کمی دارد، قرار می گیرد. روش های مناسب پیکر بندی هندسی شبکه و یا انتخاب Parent (سرگروه خوشه) می تواند مصرف انرژی را کاهش دهد. واحد تأمین انرژی، توان مصرفی تمام بخش ها را تأمین می کند که اغلب یک باطری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حس همه چیز را تحت تأثیر قرار می دهد. در کنار این بخش ممکن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلول های خورشیدی وجود داشته باشد. در گره های متحرک واحدی برای متحرک سازی وجود دارد. مکان یاب، موقعیت فیزیکی گره را تشخیص می دهد. تکنیک های مسیردهی و وظایف حسگری به اطلاعات مکان با دقت بالا نیاز دارند. یکی از مهمترین مزایای شبکه های حس توانایی مدیریت ارتباط بین گره های در حال حرکت می باشد.

همانطور که گفتیم هر حسگر ممکن است بخش های دیگری را نیز که به کاربرد خاص شبکه مربوط است دارا باشد. به عنوان نمونه ، اکثر تکنیک های مسیریابی و وظایف حسگری نیازمند دانش دقیقی از مکان یابی جغرافیایی است. در نتیجه متداول است که گره های حسگری دارای سیستم موقعیت یابی نیز باشند. علاوه بر این در برخی موارد گره حسگری لازم است که متحرک باشد، لذا در مواقع لزوم بخشی نیز برای حرکت در نظر گرفته می شود.

تمام این زیربخش ها باید در یک قالب کوچک قرار بگیرند. اندازه مورد نیاز ممکن است حتی کوچکتر از یک سانتی متر مکعب باشد. علاوه بر اندازه، محدودیت های فراوان دیگری نیز برای گره های حسگری وجود دارد؛ این گره ها باید توان بسیار کمی مصرف کنند، در یک محیط با چگالی بالا (از نظر تعداد گره ها) کار کنند، قیمت تمام شده آنها ارزان باشد، قابل رها کردن در محیط و همچنین خودکار باشند، بدون وقفه کار کنند و قابلیت سازگاری با محیط داشته باشند. در شکل (5) ساختار کلی یک گره حسگری نشان داده شده است.

شکل 1-5: ساختمان کلی یک گره حسگر

یک حسگر با شعاع حسگری r را می توان با یک دیسک با شعاع r مدل کرد. این دیسک نقاطی را که درون این شعاع قرار می گیرند، تحت پوشش قرار می دهد. بدیهی است که برای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه این دیسک ها باید کل نقاط منطقه را بپوشانند.

با این که توجه زیادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها می شود، احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هیچ حسگری قرار نگیرد. این نقاط تحت عنوان حفره های پوششی نامیده می شوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه یک منطقه هدف داشته باشیم، هر نقطه در منطقه باید طوری توسط حداقل n حسگر پوشش داده شود که هیچ حفره پوششی ایجاد نشود. شکل 2 این موضوع را نشان می دهد. این موضوع لازم به ذکر است که مساله حفره پوششی بسته به نوع کاربرد مطرح می گردد. در برخی کاربردها احتیاج است که درجه بالایی از پوشش جهت داشتن دقت بیشتر داشته باشیم:

الف) حفره پوششی

ب) استفاده از حسگری اضافی (با ناحیه پوششی پررنگ) جهت حذف حفره پوششی