دانلود مقاله شبکه حسگر با فرمت ورد 57 صفحه قابل ویرایش

قسمتی از متن مقاله

شبكه حسگر/كارانداز (حس/كار)[1] شبكه اي است متشكل از تعداد زيادي گره كوچك. در هر گره تعدادي 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 میکند 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 پيروي مي كند ولي بخاطر محدودیت ها و تفاوتهاي وابسته به كاربرد, پروتكل ها بايد باز نويسي شوند. اين مقاله ضمن معرفي شبكة حس/كار و شرح ويژگيها, محدوديت ها, كاربردها, ايده ها و چالش ها, به طرح موضوعات پژوهشي در اين زمينه مي پردازد.

پيشرفتهاي اخير در فناوري ساخت مدارات مجتمع در اندازه هاي كوچك از يك سو و توسعه فناوري ارتباطات بي سيم از سوي 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/كارنوعا 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[2]ديجيتال و... ميدان وسيعي براي پروهش محققان با علاقمندي هاي مختلف فراهم نموده است.

 

ساختار كلي شبكه حس/كار بي سيم

 

قبل از ارائه ساختار كلي ابتدا تعدادي از تعاريف کلیدی را ذكر مي كنيم.

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[3]: گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حس/کار و گره مدیر وظیفه[4] را برقرار مي كند.

گره مدیر وظیفه: گرهی که یک شخصی بعنوانکاربريا مدیر شبكه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها از اين گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگردد

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[5] كل شبكه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسيله چاهك جمع آوري مي شود و فرامين از طريق چاهك منتشر مي شود. شكل(2) 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.

شكل(2) ساختار كلي شبكه حس/كار

 

 

 

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(3) 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. شكل(3) را مشاهده كنيد

 

 

 

شكل(3) ساختار خودكار

 

 

شكل(4) ساختار نيمه خودكار

 

از طرف ديگر در كاربردهاي خاصي ممكن است از ساختار بخش بندي شده يا سلولي استفاده شود كه در هر بخش يك سردسته[6] وجود دارد كه داده هاي گره هاي دستة خود را به چاهك ارسال مي كند. در واقع هر سردسته مانند يك مدخل[7] عمل ميكند.

3- ساختمان گره

شكل(5) ساختمان داخلي گره حس/كار را نشان مي دهد. 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. مكانياب 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.

 

شكل(5) ساختمان داخلی گره حسگر/كارانداز

 

4- 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[8] در ارتباط بين گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
• داده محور[9] بودن شبكه به اين معني كه گره ها كد شناسايي[10] ندارند

 

 

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 و 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), تشخيصآلودگي 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 جانورانو .. 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:

مطابق شكل زیر 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[11] 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.

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[12] 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[13] 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[14] استفاده نمود. با وجود موارد فوق گره ها در شبكه حس/كار مي توانند با روشهاي توان كارا[15] باهم كار كرده و داده ها را در يك شبكه متحرك حس/كار مسير دهي كنند و منابع را بين گره ها به اشتراك گذارند.

 

   

موضوعات مطرح

عوامل متعددی در طراحي شبکه های حس/کار موثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که بررسی تمام آنها در این نوشتار نمیگنجد از این رو تنها به ذکر برخی از آنها بطور خلاصه اکتفا می کنیم.

 

1- تنگناهاي سخت افزاري: هرگره ضمن اينكه بايد كل اجزاء لازم را داشته باشد بايد بحد كافي كوچك, سبك و كم حجم نيز باشد بعنوان مثال در برخي كاربردها گره يايد به كوچكي يك قوطي كبريت باشد و حتي گاهي حجم گره محدود به يك سانتيمتر مكعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبك باشد كه بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عين حال هر گره بايد توان مصرفي بسيار كم, قيمت تمام شده پايين داشته و با شرايط محيطي سازگار باشد. اينها همه محدوديتهايي است كه كار طراحي و ساخت گره هاي حس/كار را با چالش مواجه ميكند. ارائه طرح های سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پيشرفت فن آوري ساخت مدارات مجتمع با فشردگي بالا و مصرف پايين, نقش بسزايي در كاهش تنگناهاي سخت افزاري خواهد داشت.

2- توپولوژي: توپولوژي ذاتي شبكه حس/كار توپولوژي گراف است. بدليل اينكه ارتباط گره ها بي سيم و بصورت پخش همگاني است و هر گره با چند گره ديگر كه در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد. آلگوريتم هاي كارا در جمع آوري داده و كاربردهاي ردگيري اشياء شبكه را درخت پوشا در نظر مي گيرند. چون ترافيك اصولا بفرمي است كه داده ها از چند گره به سمت يك گره حركت مي كند. مديريت توپولوژي بايد با دقت انجام شوديك مرحله اساسي مديريت توپولوژي راه اندازي اوليه شبكه است گره هايي كه قبلا هيچ ارتباط اوليه اي ندشته اند در هنگام جايگيري و شروع بكار اوليه بايد بتوانند با يكديگر ارتباط برقرار كنند. الگوريتم هاي مديريت توپولوژي در راه اندازي اوليه بايد امكان عضويت گره هاي جديد و حذف گره هايي كه بدلايلي از كار مي افتند را فراهم كنند. پويايي توپولوژي از خصوصيات شبكه هاي حس/كار است كه امنيت آن را به چالش ميكشد. ارائه روشهاي مديريت توپولوژي پويا بطوري كه موارد امنيتي را هم پوشش دهد از موضوعاتي است كه جاي كار زيادي دارد.

 

3- قابليت اطمينان: هر گره ممكن است خراب شود يا در اثر رويدادهاي محيطي مثل تصادف يا انفجار بكلي نابود شود يا در اثر تمام شده منبع انرژي از كار بيفتد. منظور از تحمل پذيري يا قابليت اطمينان اين است كه خرابي گره ها نبايد عملكرد كلي شبكه را تحت تاثير قرار دهد. در واقع مي خواهيم با استفاده از اجزاي غير قابل اطمينان يك شبكه قابل اطمينان بسازيم. براي گره k با نرخ خرابي lk قابليت اطمينانبا فرمول(1) مدل مي شود. كه در واقع احتمال عدم خرابي است در زمان t بشرط اينكه گره در بازة زماني (0,t) خرابي نداشته باشد. به اين ترتيب هرچه زمان ميگذرد احتمال خرابي گره بيشتر ميشود.

(1)

4- مقياس پذيري : شبكه بايد هم از نظر تعداد گره و هم از نظر ميزان پراكندگي گره ها, مقياس پذير باشد. بعبارت ديگر شبكه حس/كار از طرفي بايد بتواند با تعداد صدها, هزارها و حتي ميليون ها گره كار كند و از طرف ديگر, چگالي توزيع متفاوت گره ها را نيز پشتيباني كند. چگالي طبق فرمول (2) محاسبه مي شود. كه بيانگر تعداد متوسط گره هايي است كه در برد يك گره نوعي (مثلادايره اي با قطر10 متر) قرار مي گيرد. A: مساحت ناحيه كاري N:تعداد گره در ناحيه كاري و R: برد ارسال راديويي است. در بسياري كاربردها توزيع گره ها اتفاقي صورت مي گيرد و امكان توزيع با چگالي مشخص و يكنواخت وجود ندارد يا گره ها در اثر عوامل محيطي جابجا مي شوند. بنابراين چگالي باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغيير كند. موضوع مقياس پذيري به روشها نيز مربوط مي شود برخي روشها ممكن است مقياس پذير نباشد يعني در يك چگالي يا تعداد محدود از گره كار كند. در مقابل برخي روشها مقياس پذير هستند 2 (2)

5- قيمت تمام شده : چون تعداد گره ها زياد است كاهش قيمت هر تك گره اهميت زيادي دارد. تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد. در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم تاثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

 

6- شرايط محيطي : طيف وسيعي از كاربرد ها ي شبكه هاي حس/كارمربوط به محيط هايي مي شود كه انسان نمي تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محيط هاي آلوده از نظر شيمياي, ميكروبي, هسته اي ويا مطالعات در كف اقيانوس ها و فضا ويا محيط هاي نظامي بعلت حضور دشمن ويا در جنگل و زيستگاه جانوران كه حضور انسان باعث فرار آنها مي شود. در هر مورد , شرايط محيطي بايد در طراحي گره ها در نظر گرفته شود مثلا در دريا و محيط هاي مرطوب گره حسگر در محفظه اي كه رطوبت را منتقل نكند قرار مي گيرد.