معرفی شبکه های حسگر

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 حسگر 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 می کند در حالی که شبکه ی حسگر 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 حسگر 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 حسگر نوعا 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 حسگر بي سيم مي باشد. اگرچه به نقلي تاريخچه شبکه های حسگر به دوران جنگ سرد و ايده اوليه آن به طراحان نظامي صنايع دفاع آمريكا برمی گردد. 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 ديجيتال و... ميدان وسيعي براي پروهش محققان با علاقمندي هاي مختلف فراهم نموده است.

ساختار كلي شبكه حسگر 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.

شبكه حسگر : شبكه اي كه فقط شامل گره هاي حسگر باشد. اين شبكه نوع خاصي از شبكه حسگر است. در كاربردهايي كه هدف جمع آوري اطلاعات و تحقيق در مورد يك پديده مي باشد كاربرد دارد. مثل مطالعه روي گردبادها.

میدان حسگر: ناحیه کاری که گره های شبکه حسگر در آن توزیع می شوند.

چاهک: گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حسگر و گره مدیر وظیفه را برقرار مي كند.

گره مدیر وظیفه: گره ای که یک شخصی بعنوان کاربر يا مدیر شبكه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار می کند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها از اين گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر می گردد.

شبكه حسگر: شبكه اي متشكل از گره هاي حسگر و كار انداز يا حسگر است كه حالت كلي شبكه هاي مورد بحث مي باشد. به عبارت ديگر شبكه حسگر شبكه 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 ناميده مي شود با چگالي زياد پراكنده مي شوند. يك چاهك پايش كل شبكه را بر عهده دارد. اطلاعات بوسيله چاهك جمع آوري مي شود و فرامين از طريق چاهك منتشر مي شود. شكل(1) را ببينيد. مدیریت وظایف می تواند 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.

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 می شود. شكل(2) 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(2) را مشاهده كنيد.

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

ساختمان گره

شكل(4) ساختمان داخلي گره حسگر را نشان مي دهد. هر گره شامل واحد حسگر, 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 که شامل يك پردازندة كوچك و يك حافظه با ظرفيت محدود است داده ها را از حسگرها گرفته و 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 حسگر 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 حسگر توانايي مديريت ارتباط بين گره هاي در حال حركت مي باشد.

ويژگي ها

وجود برخي ويژگي ها در شبكه حسگر 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 در ارتباط بين گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
• داده محور بودن شبكه به اين معني كه گره ها كد شناسايي ندارند

كاربردها

كاربردها به سه دسته نظامي، تجاري و پزشكي تقسيم مي شوند. سيستم هاي ارتباطي، فرماندهي، شناسايي، ديده باني وميدان مين هوشمند و سيستم هاي هوشمند دفاعي از كاربردهاي نظامي مي باشد. كاربردهاي پزشكي عبارتند از: 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. كاربردهاي تجاري طيف وسيعي از كاربردها را شامل مي شود مانند سيستم هاي امنيتي تشخيص و مقابله با سرقت, آتش سوزي(درجنگل)، تشخيص آلودگي 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 جانوران . در برخي از كاربردها نیز شبکه حسگر بعنوان گروهي از رباتهاي كوچك كه با همكاري هم فعاليت خاصي را انجام مي دهند استفاده می شود.

مراجع

[1] C. T. Ee, N. V. Krishnan and S. Kohli, “Efficient Broadcasts in Sensor Networks,” Unpublished Class Project Report, UC Berkeley, Berkeley, CA, May 12, 2003.