شبکه های حس گر بی سیم

معرفی شبکه‌های بی‌سیم

معرفی شبکه‌های بی‌سیم حسگر WSN پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربری‌های گوناگون داده است. این حسگرهای کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبکه‌های موسوم به شبکه بی‌سیم حسگر WSN شده‌اند. یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی گره‌های حسگر است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات از محیط می‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌های حسگر، از قبل‌تعیین‌شده و مشخص نیست. چنین خصوصیتی این امکان را فراهم می‌آورد که بتوانیم آنها را در مکان‌های خطرناک و یا غیرقابل دسترس رها کنیم.

از طرف دیگر این بدان معنی است که پروتکل‌ها و الگوریتم‌های شبکه‌های حسگری باید دارای توانایی‌های خودساماندهی باشند. دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگر، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های حسگر است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند.

با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می‌کند. در واقع قدرت شبکه‌های بی‌سیم حسگر در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند.

گستره کاربری شبکه‌های بی‌سیم حسگر بسیار وسیع بوده و از کاربردهای کشاورزی، پزشکی و صنعتی تا کاربردهای نظامی را شامل می‌شود. به عنوان مثال یکی از متداول‌ترین کاربردهای این تکنولوژی، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه می‌تواند توسط صدها حسگر که به طور خودکار یک شبکه بی‌سیم را تشکیل می‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شود.

در این سیستم‌ها بر خلاف سیستم‌های سیمی قدیمی، از یک سو هزینه‌های پیکربندی و آرایش شبکه کاسته می‌شود از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم فقط باید دستگاه‌های کوچکی را که تقریباً به اندازه یک سکه هستند. شبکه حسگر بی‌سیم (Wireless Sensor Network/ WSN) به یک شبکه بی سیم از حسگرهای خودراهبر گفته می‌شود که با فاصله پخش شده اند و برای اندازه گیری گروهی برخی از کمیت‌های فیزیکی یا شرایط محیطی مانند دما، صدا، لرزش، فشار، حرکت یا آلاینده ها، در مکانهای مختلف یک محدوده کاربرد دارد. شبکه‌های حسگر با انگیزه استفاده در کاربردهای نظامی مانند نظارت بر میدان جنگ، توسعه پیدا کرد. اما امروزه شبکه‌های حسگر بی سیم در صنعت و بسیاری از مقاصد غیر نظامی استفاده می‌شوند، از جمله نظارت و کنترل فرآیندهای صنعتی، نظارت بر سلامت دستگاهها، نظارت بر محیط و یا خانه، کاربردهای مراقبت از سلامتی، خانه‌های هوشمند و کنترل ترافیک.

علاوه بر یک یا چند سنسور، هر گره از شبکه معمولاً مجهز به یک فرستنده و گیرنده رادیویی (یا هر وسیله مخابراتی بی سیم دیگر)، یک میکروکنترلر کوچک، و یک منبع انرژی (معمولا یک باتری) است. اندازه یک گره سنسوری بسته به اندازه بسته بندی آن تغییر کرده و تا یک دانه شن قابل کوچک سازی است. که قطعات این شنریزه در ابعاد میکروسکوپی هنوز باید ساخته شود. به طور مشابه قیمت هر گره حسگر می‌تواند بین چند صد دلار تا چند سنت، بسته به اندازه و پیچیدگی مورد نیاز یک گره متفاوت باشد. محدودیت‌های قیمت و اندازه در گره‌های حسگر منجر به محدودیت در منابعی مانند انرژی، حافظه، سرعت پردازش و پهنای باند در آنها می‌شود.

یک شبکه سنسور معمولاً تشکیل یک شبکه‌های بی‌سیم اقتضایی (ad-hoc) را می دهد، به این معنی که هر گره از الگوریتم مسیریابی multi-hop استفاده می‌کند. (تعداد زیادی گره یک بسته اطلاعاتی را جلو برده و به ایستگاه مرکزی می رساند). در حال حاضر شبکه‌های بی سیم حسگر یکی از موضوعات فعال تحقیقاتی در علوم کامپیوتر و ارتباطات است که هر ساله تعداد بیشماری کارگاه و کنفرانس در این زمینه انجام می‌شود.

یک شبکه حسگر بی سیم از تعداد زیادی گره‌های حسگر تشکیل شده است که با تراکم بالا داخل پدیده‌ای که مورد نظر است یا بسیار نزدیک به آن استقرار داده می‌شود. مکان گره‌های حسگر نیازی به تعیین و تنظیم قبلی ندارند. این ویژگی امکان استقرار این نوع گره‌ها را بصورت کاملاً تصادفی در مکان‌های غیر قابل دسترسی یا خطرناک ایجاد می‌کند. از سوی دیگر، این ویژگی نیاز به در نظر گرفتن قابلیت خودپیکر بندی را در پروتکل‌ها و الگوریتم‌های مختص این شبکه‌ها مطرح می‌کند. ویژگی دیگر شبکه‌های حسگر تلاش جمعی گره‌های حسگر است. گره‌های حسگر مجهز به یک پردازنده ساده هستند تا بجای ارسال داده خام دریافت شده از محیط، پردازش مختصری بر روی داده‌ها انجام دهند و محاسبات محلی را تنها به کمک گره‌های نزدیک خود انجام دهند. این عمل یعنی ارسال داده‌های کم تعداد ضروری و پردازش شده بجای ارسال داده‌های خام و متعدد هم باعث کاهش ترافیک شبکه می‌شود و هم باعث می‌شود عملیات امتزاج داده بهتر و ساده تر صورت گیرد. ویژگی‌های تعریف شده در قسمت قبل امکان ایجاد طیف وسیعی از کاربردها را برای این نوع شبکه فراهم می‌کند. برخی از کاربردهای ممکن کاربردهای مرتبط با بهداشت، مسایل نظامی و خانه‌های هوشمند می‌باشند. بطور نمونه، در مسایل ویژگیهای قابلیت خودپیکربندی، استقرار سریع و تحمل خطا شبکه‌های حسگر را برای سیستم‌های نظامی اعمال دستور، کنترل، ارتباطات، محاسبات، هوشمندی، مراقبت، شناسایی و هدف گیری بسیار مناسب می‌نماید. در کاربردهای بهداشت، شبکه‌های حسگر می‌توانند برای مراقبت از بیماران و کمک به بیماران دارای ناتوانی جسمی به کار گرفته شوند. برخی کاربردهای تجاری دیگر شامل مدیریت انبار، نظارت بر کیفیت محصولات و نظارت بر مناطق حادثه خیز می‌باشند. در اکثر موارد شبکه‌های حسگر برای تبادل داده از ارتباطات بی سیم بهره می‌برند و دلیل آن وسعت حوزه کاربردها و سادگی استفاده آن بدون ایجاد زیر ساخت اختصاصی می‌باشد.^[۱] از شبکه‌های حسگر بی سیم با نماد WSN یاد می‌شود. در سالهای اخیر شبکه‌های WSN به دلیل پیچیدگی و وسعت زمینه پژوهش، غالب پژوهش‌ها در حوزه شبکه‌های حسگر را به خود اختصاص داده‌اند. درک کاربردهای شبکه‌های حسگر بی سیم نیاز به شناخت تکنیک‌های شبکه سازی ادهاک بی سیم دارد. اگر چه پروتکل‌ها و الگوریتم‌های متعددی برای شبکه‌های ادهاک بی سیم ارائه شده‌اند، آنها به طور کامل مناسب ویژگی‌ها و نیازمندی‌های کاربردهای شبکه‌های حسگر نیستند. تفاوت‌های اصلی بین شبکه‌های حسگر و ادهاک عبارتند از:

• در شبکه‌های حسگر تعداد گره‌ها می‌تواند چندین برابر یک شبکه ادهاک باشد.
• گره‌های حسگر بسیار مستعد خرابی هستند.
• توپولوژی شبکه‌های حسگر به سرعت تغییر می‌کند.
• گره‌های حسگر اغلب از مدل ارتباطی همه پخشی استفاده می‌کنند در حالی که ارتباطات در شبکه‌های ادهاک معمولاً مبتنی بر مدل ارتباطی نقطه به نقطه است.
• گره‌های حسگر معمولاً در میزان حافظه، توان محاسباتی و انرژی محدود هستند.
• گره‌های حسگر معمولاً به دلیل تعداد زیاد حسگرها و ایجاد سربار زیاد فاقد شناسه سراسری می‌باشند.

در سالهای اخیر اغلب پژوهشگران سعی در توسعه روش‌هایی برای برطرف کردن این نیازمندیها داشته‌اند^[۲]. ادامه این پایان نامه به صورت زیر تنظیم شده است: در قسمت دوم به بررسی کامل امر پوشش در شبکه‌های حسگر که می‌بایست در طراحی‌ها لحاظ شود، خواهیم پرداخت. در قسمت سوم به بررسی الگوریتم‌های ممکن در پوشش شبکه حسگر بی سیم پرداخته‌ایم.

ویژگی‌های طراحی