Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Типовая архитектура сенсорного узла.

Сенсорный узел , также известный как соринки (главным образом , в Северной Америке ), является узлом в сети датчиков , который способен выполнять некоторую обработку, сбор сенсорной информации и связи с другими подключенными узлами в сети. Сучка - это узел, но узел не всегда бывает соринкой. [ необходима цитата ]

История [ править ]

Хотя беспроводные сенсорные узлы уже существовали на протяжении десятилетий и используется для приложений , как разнообразны , как измерения землетрясения в войне, современное развитие небольших сенсорных узлов восходит к 1998 Smartdust проекта [1] и НАСА Sensor Web [2] Одной из целей Проект Smartdust должен был создать автономное зондирование и связь в пределах кубического миллиметра пространства. Хотя этот проект закончился рано, он привел к большему количеству исследовательских проектов. В их число входят крупные исследовательские центры в Беркли NEST [3] и CENS. [4] Исследователи, участвовавшие в этих проектах, придумали термин « соринка».для обозначения сенсорного узла. Эквивалентный термин в проекте NASA Sensor Webs для физического сенсорного узла - pod , хотя сенсорный узел в Sensor Web может быть самим другим Sensor Web. Узлы физических датчиков смогли увеличить свои возможности в соответствии с законом Мура . Посадочное место на микросхеме содержит более сложные микроконтроллеры с низким энергопотреблением . Таким образом, при той же занимаемой площади узла в него может быть уложено больше кремниевых возможностей. В настоящее время основное внимание уделяется обеспечению максимальной дальности беспроводной связи (десятки км), минимальному энергопотреблению (несколько мкА) и простейшему процессу разработки для пользователя. [5]

Компоненты [ править ]

Основными компонентами сенсорного узла являются микроконтроллер , приемопередатчик , внешняя память , источник питания и один или несколько датчиков .

Контроллер [ править ]

Контроллер выполняет задачи, обрабатывает данные и контролирует работу других компонентов узла датчика. Хотя наиболее распространенным контроллером является микроконтроллер , в качестве контроллера можно использовать и другие альтернативы: настольный микропроцессор общего назначения , процессоры цифровых сигналов , FPGA и ASIC . Микроконтроллер часто используется во многих встраиваемых системах.такие как сенсорные узлы, из-за его низкой стоимости, гибкости для подключения к другим устройствам, простоты программирования и низкого энергопотребления. Микропроцессор общего назначения обычно имеет более высокое энергопотребление, чем микроконтроллер, поэтому он часто не считается подходящим выбором для сенсорного узла. [ необходима цитата ] Цифровые сигнальные процессоры могут быть выбраны для приложений широкополосной беспроводной связи , но в беспроводных сенсорных сетях беспроводная связь часто бывает скромной: то есть проще, легче обрабатывать модуляцию и обработку сигналов.задачи фактического считывания данных менее сложны. Следовательно, преимущества DSP обычно не имеют большого значения для беспроводных сенсорных узлов. ПЛИС можно перепрограммировать и перенастроить в соответствии с требованиями, но это требует больше времени и энергии, чем хотелось бы. [ необходима цитата ]

Трансивер

Узлы датчиков часто используют диапазон ISM , который дает бесплатное радио , распределение спектра и глобальную доступность. Возможные варианты беспроводной передачи: радиочастота (RF), оптическая связь (лазер) и инфракрасный порт . Лазеры требуют меньше энергии, но для связи им нужна прямая видимость, и они чувствительны к атмосферным условиям. Инфракрасное излучение, как и лазеры, не требует антенны, но его возможности вещания ограничены . Радиочастотная связь является наиболее подходящей для большинства приложений WSN. WSN обычно используют безлицензионные частоты связи: 173, 433, 868 и 915.МГц ; и 2,4 ГГц . Функции передатчика и приемника объединены в одном устройстве, известном как приемопередатчик . У трансиверов часто отсутствуют уникальные идентификаторы. Рабочие состояния: передача, прием, ожидание и спящий режим. Трансиверы текущего поколения имеют встроенные конечные автоматы, которые автоматически выполняют некоторые операции.

Большинство трансиверов, работающих в режиме ожидания, потребляют мощность, почти равную мощности, потребляемой в режиме приема. [6] Таким образом, лучше полностью выключить трансивер, чем оставлять его в режиме ожидания, когда он не передает и не принимает. Значительное количество энергии потребляется при переключении из спящего режима в режим передачи для передачи пакета.

Внешняя память [ править ]

С точки зрения энергопотребления наиболее важными видами памяти являются встроенная память микроконтроллера и флэш-память. Внешняя оперативная память используется редко, если вообще используется. Флэш-память используются из-за их стоимости и емкости памяти. Требования к памяти во многом зависят от приложения. Две категории памяти в зависимости от цели хранения: пользовательская память, используемая для хранения прикладных или личных данных, и программная память, используемая для программирования устройства. Программная память также содержит идентификационные данные устройства, если они есть.

Источник питания [ править ]

Беспроводной сенсорный узел - популярное решение, когда трудно или невозможно подать сетевое питание на сенсорный узел. Однако, поскольку узел беспроводного датчика часто размещается в труднодоступном месте, регулярная замена батареи может быть дорогостоящей и неудобной. Важным аспектом разработки беспроводного сенсорного узла является обеспечение постоянного наличия достаточной энергии для питания системы. Сенсорный узел потребляет энергию для зондирования, связи и обработки данных. Для передачи данных требуется больше энергии, чем для любого другого процесса. Энергозатраты на передачу 1 Кбайт на расстояние 100 метров (330 футов) примерно такие же, как при выполнении 3 миллионов инструкций процессором со 100 миллионами инструкций в секунду / Вт. [ необходима цитата] Энергия хранится либо в батареях, либо в конденсаторах. Батареи, как аккумуляторные, так и неперезаряжаемые, являются основным источником питания сенсорных узлов. Они также классифицируются в соответствии с электрохимическим материалом, используемым для электродов, таким как NiCd (никель-кадмий), NiZn (никель-цинк), NiMH (никель-металлогидрид) и литий-ионный . Датчики тока могут возобновлять свою энергию от солнечных источников, радиочастоты (RF), разницы температур или вибрации . Используются две политики энергосбережения: динамическое управление питанием (DPM) и динамическое масштабирование напряжения (DVS). [7]DPM экономит электроэнергию, отключая части сенсорного узла, которые в настоящее время не используются или не активны. Схема DVS изменяет уровни мощности в узле датчика в зависимости от недетерминированной рабочей нагрузки. Изменяя напряжение вместе с частотой, можно получить квадратичное снижение энергопотребления.

Датчики [ править ]

Датчики используются узлами беспроводных датчиков для сбора данных из окружающей среды. Это аппаратные устройства, которые дают измеримую реакцию на изменение физического состояния, такого как температура или давление. Датчики измеряют физические данные контролируемого параметра и обладают определенными характеристиками, такими как точность, чувствительность и т. Д. Непрерывный аналоговый сигнал, создаваемый датчиками, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем.и отправляется контролерам для дальнейшей обработки. Некоторые датчики содержат необходимую электронику для преобразования необработанных сигналов в показания, которые можно получить по цифровому каналу (например, I2C, SPI), а многие преобразуют в такие единицы, как ° C. Большинство сенсорных узлов имеют небольшой размер, потребляют мало энергии, работают с высокой объемной плотностью, автономны и работают без присмотра, а также могут адаптироваться к окружающей среде. Поскольку беспроводные сенсорные узлы обычно представляют собой очень маленькие электронные устройства, они могут быть оснащены только ограниченным источником питания менее 0,5–2 ампер-час и 1,2–3,7 вольт.

Датчики подразделяются на три категории: пассивные всенаправленные датчики; пассивные узконаправленные датчики; и активные датчики. Пассивные датчики воспринимают данные, фактически не манипулируя окружающей средой путем активного зондирования. Они имеют автономное питание; то есть энергия нужна только для усиления аналогового сигнала. Активные датчики активно исследуют окружающую среду, например, гидролокатор или радарный датчик, и им требуется постоянная энергия от источника питания. Датчики с узким лучом имеют четко определенное представление о направлении измерения, как у камеры. Всенаправленные датчики не имеют понятия о направлении, используемом в их измерениях.

Большинство теоретических работ по WSN предполагает использование пассивных всенаправленных датчиков. Каждый сенсорный узел имеет определенную зону охвата, для которой он может надежно и точно сообщить об определенной величине, которую он наблюдает. Несколько источников энергопотребления в датчиках: выборка сигналов и преобразование физических сигналов в электрические, преобразование сигналов и аналого-цифровое преобразование. Пространственная плотность сенсорных узлов в поле может достигать 20 узлов на кубический метр.

См. Также [ править ]

  • Ячеистая сеть
  • Специальная мобильная сеть (MANETS)
  • Список беспроводных сенсорных узлов
  • Мобильные беспроводные сенсорные сети

Ссылки [ править ]

  1. ^ Умная пыль
  2. ^ Техническое описание НАСА
  3. ↑ Главная Архивировано 10 ноября 2001 г. в Wayback Machine
  4. ^ CENS: Центр внедренных Сетевого зондирования Архивированные 2009-04-07 в Библиотеке Конгресса вебархива
  5. ^ "Waspmote: современная пылинка"
  6. ^ Y. Xu, J. Heidemann, и D. Estrin, Экономия энергии с учетом географических особенностей для специальной маршрутизации, в Proc. Mobicom, 2001, стр. 70–84.
  7. ^ Динамическое управление питанием в беспроводных сенсорных сетях, Амит Синха и Ананта Чандракасан, IEEE Design & Test of Computers, Vol. 18, № 2, март – апрель 2001 г.