Введение
сенсорный сеть модуль датчик
На протяжении всей истории развития человечества прослеживается четкая тенденция - сделать окружающую среду комфортнее и безопаснее.
Чтобы этого добиться, во многих областях жизнедеятельности требуется решение задач по сбору данных, поступающих от большого числа датчиков, для обеспечения реакции на выявленные и/или зафиксированные события. Например, для создания комфортных условий в квартире или офисе необходимо фиксировать присутствие человека, контролировать температуру, влажность воздуха, содержание кислорода, освещенность и, оперируя этими данными, изменять мощность обогревателя, включать/выключать освещение, регулировать его интенсивность, управлять увлажнителем воздуха и т.д.
Чтобы этот и подобные ему процессы происходили автоматически, необходимо обеспечить обмен информацией между всеми участвующими в нем устройствами. Для этого требуется создать единую сеть датчиков (чувствительных элементов, сенсоров) и исполнительных устройств, зачастую произвольным образом рассредоточенных в пространстве. Очевидно, что традиционная проводная сеть может быть использована для решения только узкого круга подобных задач в ограниченном пространстве. Например, для интеллектуализации дворовых территорий с меняющейся обстановкой она практически неприемлема в силу очевидных причин: такая сеть будет слишком затратной, энергоемкой, потребует трудоемкого обслуживания, станет мало пригодной для миниатюризации и будет иметь зафиксированную на стадии проектирования и монтажа топологию.
Беспроводная сеть позволяет снять эти ограничения. Таким образом, в конце ХХ века К. Пистером (Kristofer Pister), профессором электромеханики из калифорнийского университета Беркли, США была сформулирована концепция «умной пыли» (smart dust) - системы, состоящей из произвольного конечного множества электромеханических пылинок или мотов (mote), способных обмениваться информацией в произвольной пространственной конфигурации. Воплощение этой концепции на практике привело в дальнейшем к появлению беспроводных сенсорных сетей (БСС), которые часто называют просто сенсорными сетями.
Беспроводная сенсорная сеть (WSN - Wireless Sensor Network) - это распределенная самоорганизующаяся устойчивая к отказам отдельных элементов сеть, состоящая из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки мотов, объединенных посредством радиоканала.
В настоящее время существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в той или иной области. По прогнозам ведущих экспертов в области телекоммуникаций до 7 триллионов мотов будет эксплуатироваться в мире к 2017-2020 годам.
Выйдя из академических лабораторий, сенсорные сети стали объектом интереса множества разработчиков, что привело к появлению нескольких промышленных стандартов, не обеспечивающих взаимодействия между оборудованием различных производителей.
Основные работы в области стандартизации протоколов, используемых в сенсорных сетях, проводятся Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), Международным союзом электросвязи (ITU), Инженерным советом Интернета (IETF) и Международной организацией по стандартизации (ISO).
Результатом работ по стандартизации БСС стало семейство беспроводных стандартов IEEE 802.15.4, регламентирующих в рамках сетевой 7-уровневой модели OSI только физический (PHY) и канальный (DLL) уровни. Сетевой и прикладной уровни оставлены неопределенными.
Стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на создание сетей для управления и мониторинга автономных устройств с низким энергопотреблением. На его основе могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также различными уровнями и параметрами безопасности.
Для поддержки и развития стандарта IEEE 802.15.4, а также обеспечения взаимной совместимости устройств в полном наборе семи сетевых уровней (сетевом, транспортном, сеансовом, а также на уровнях представления и приложений) был образован корпоративный консорциум ZigBee. Его целью стало создание и развертывание мониторинговых и управленческих сетей на базе стандарта IEEE 802.15.4 в рамках коммерческого альянса.
Как показывает опыт развития информационно-коммуникационных технологий и Интернет, по настоящему массовое развитие и внедрение технологий возможно только на основе открытых стандартов.
Процесс развития IP-сетей привел к формированию в Инженерном совете Интернета (IETF) рабочей группы 6LoWPAN для решения проблемы передачи поверх каналов IEEE 802.15.4 пакетов IPv6 способом, удовлетворяющим открытым стандартам и предоставляющим взаимодействие с другими IP-каналами и устройствами.
Появление рабочей группы 6LoWPAN стало откликом на концепцию «Интернет вещей» (Internet of Things) - концепцию создания сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом и внешней средой. Эта концепция была сформулирована в результате осмысления перспектив массового применения средств радиочастотной идентификации (RFID). Она рассматривает организацию «сетей вещей» как явление, способное перестроить в XXI веке социально-экономические процессы путем исключения участия человека в рутинных процессах обеспечения жизнедеятельности.
В последние годы ZigBee были разработаны IP-спецификация, а также спецификация RF4CE и целый ряд предметно-ориентированных прикладных решений. Однако проблема ZigBee-сертификации по-прежнему носит сдерживающий характер.
Вместе с тем существующий уровень стоимости БСС порядка 150 $/узел пока далек от предсказанного К. Пистером значения 0,1 $/узел. А энергопотребление - от 10 нДж/бит.
Не решен до конца целый ряд других проблем.
Так традиционные методы сетевой временной синхронизации неприемлемы в БСС, где существует только один критерий качества алгоритма временной синхронизации - наименьшее энергопотребление мота.
Выбор алгоритма маршрутизации - один из самых сложных вопросов, решаемых при проектировании сенсорной сети. Традиционные протоколы не подходят для самоорганизующихся пакетных радиосетей, поскольку сильно зависят от периодических служебных сообщений. С ростом размера сети экспоненциально увеличивается число возможных маршрутов, что требует частых и значительных обновлений служебной информации.
Необходимость самоорганизации БСС требует разработки эффективных алгоритмов моделирования сетей перед их развертыванием.
Поэтому проходят многие годы, прежде чем удивительные технологии, поразившие воображение и наделавшие много шума в СМИ, входят в нашу повседневную жизнь. Некоторые из них так и уходят в небытие, не найдя свой путь на массовый рынок. Известная исследовательская и консалтинговая компания Gartner в своем последнем ежегодном отчете «Цикл зрелости технологий - 2013» (Emerging Technologies Hype Cycle), известном также как «Цикл шумихи», прогнозирует выход технологий «умной пыли» и «Интернет вещей» на «плато продуктивности», т.е. на уровень массового применения в течение 5-10 лет.
Целью настоящей дипломной работы является раскрытие проблем развития и массового применения беспроводных сенсорных сетей, а также поиск путей их решения.