Распределенные сенсорные сети. Беспроводные сенсорные сети. Исследование возможности проведения натурного эксперимента

Распределенные сенсорные сети

Что такое беспроводные сенсорные сети?

Датчики и принимаемое устройство

Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote ) - небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте - например 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.

В англоязычной литературе такую сеть называют wireless sensor network (WSN) - это беспроводная сеть состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах.

Они могут измерять такие параметры, как температуры, звук, вибрации, давление, движение объектов или воздуха. Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение и контроль движения объектов. Область применения становится все шире.

Основные принципы работы

3-х уровневая схема сети. 1-й Уровень сенсоров и шлюза. 2-й уровень сервера. 3-й уровень тонкого клиента

Каждый узел сети: мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии

Данные от отдаленных элементов передаются по сети между ближайшими от узла к узлу, по радиоканалу. В итоге с ближайшего мота пакет с данными передается на шлюз. Шлюз соединен, как правило, USB кабелем с сервером. На сервере - собранные данные обрабатываются, хранятся и могут быть доступны через WEB оболочку широкому числу пользователей.

Стоимость сенсорного узла меняется от сотни долларов до нескольких центов, в зависимости от размера сенсорной сети и ее сложности.

Аппаратное обеспечение и стандарты

Шлюз (2шт), соединен с ноутбуком кабелем USB. Ноутбук по UTP соединен с интернетом и выполняет роль сервера

Сенсорные устройства с радио антенной

Аппаратное обеспечение беспроводного узла и протоколы сетевого взаимодействия между узлами оптимизированы по энергопотреблению для обеспечения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания. В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет.

Ряд стандартов в настоящее время либо ратифицирован или находятся в стадии разработки для беспроводных сенсорных сетей. ZigBee является стандартом, предназначенным для использования таких вещей, как промышленный контроль, встроенное зондирование, сбора медицинских данных, автоматизации зданий. Развитию Zigbee способствует большой консорциум индустриальных компаний.

WirelessHART является продолжением HART протокол для промышленной автоматизации. WirelessHART был добавлен в общей HART протокол как часть спецификации HART 7, который был утвержден фонд HART коммуникации в июне 2007 года.
6lowpan является заявленным стандартом для сетевой слоя, но он не была принят еще.
ISA100 это еще одна работа в попытке войти в WSN технологию, но построено более широко включить обратную связь контроль в своей сфере. Внедрение ISA100 на основе ANSI стандартов планируется завершить к концу года 2008 года.

WirelessHART, ISA100, ZigBee, и все они основаны на тех же стандарт: IEEE 802.15.4 - 2005.

Программное обеспечение беспроводной сенсорной сети

Операционная система

Операционные системы для беспроводных сенсорных сетей менее сложны, чем универсальные операционные системы в силу ограниченности ресурсов в аппаратном обеспечении сенсорной сети. Из - за этого, операционной системе не нужно включать поддержку пользовательских интерфейсов.

Оборудование беспроводных сенсорных сетей не отличается о т традиционных встраиваемых систем, и поэтому для сенсорных сетей можно использовать встроенную операционную систему

Прикладные программы для визуализации

Программа визуализации результатов измерений и генерации отчетов MoteView v1.1

Данные с беспроводных сенсорных сетей, как правило, сохраняются в виде цифровых данных в центральной базовой станции. Есть много стандартных программ, таких как TosGUI MonSense, ГНС, облегчающих просмотр этих больших объемов данных. Кроме того, Открытый консорциум (OGC) указывает стандарты для совместимости и взаимодействия метаданных кодировки, что позволит в режиме реального времени любому лицу осуществлять наблюдение или контроль за беспроводной сенсорной сетью через Web Browser.

Для работы с данными, поступающими от узлов беспроводной сенсорной сети, используются программы, облегчающие просмотр и оценку данных. Одной из таких программ является MoteView . Эта программа позволяет просматривать данные в реальном времени и анализировать их, строить всевозможные графики, выдавать отчеты в различных разрезах.

Преимущества использования

Отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;
Низкая стоимость комплектующих, монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;
Быстрота и упрощенность развертывания сети;
Надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при выходе из строя отдельных узлов или компонентов;
Возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования самого объектах
Возможность быстрого и при необходимости скрытного монтажа всей системы в целом.

Каждый сенсор размером с пивную крышку (но в будущем их размеры можно будет уменьшить в сотни раз) содержит процессор, память и радиопередатчик. Такие крышки можно разбросать на любой территории, а они сами наладят связь между собой, сформируют единую беспроводную сеть и начнут передавать данные на ближайший компьютер.

Объединенные в беспроводную сеть, сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: движение, свет, температуру, давление, влажность и т. д. Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию по цепочке от соседа к соседу. Технология позволяет им годами (даже десятилетиями) работать без смены батарей. Сенсорные сети это универсальные органы чувств для компьютера, и все физические объекты в мире, оборудованные сенсорами, могут быть распознаны компьютером. В перспективе каждый из миллиардов сенсоров получит IP-адрес, и они даже могут сформировать нечто вроде Глобальной сенсорной сети. Возможности сенсорных сетей заинтересовали пока только военных и промышленность. Согласно последнему отчету компании ON World, которая специализируется на исследовании рынка сенсорных сетей, в этом году рынок переживает заметный подъем. Еще одним заметным событием в этом году стал выпуск первой в мире системы ZigBee на одной микросхеме (производства Ember). Среди крупных промышленных компаний США, среди которых был проведен опрос ON World, около 29 % уже используют сенсорные сети, а еще 40 % планируют развернуть их в течение 18 месяцев. В Америке появилось более сотни коммерческих фирм, которые занимаются созданием и обслуживанием сенсорных сетей.

К концу нынешнего года количество сенсоров на планете превысит 1 млн. Сейчас растет не только количество сетей, но и их размер. Впервые созданы и успешно эксплуатируются несколько сетей из более чем 1000 нодов, в том числе одна на 25 тысяч нодов.

Источник: Веб ПЛАНЕТА

Область применений

Применение WSN многочисленно и разнообразно. Они используются в коммерческих и промышленных системах для мониторинга данных, которые трудно или дорого контролировать с использованием проводных датчиков. WSN могут использоваться в трудно досягаемых районах, где они могут оставаться в течение многих лет (экологический мониторинг окружающей среды) без необходимости замены источников питания. Они могут контролировать действия нарушителей охраняемого объекта

Так же WSN используют для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:

Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания с больших лесных массивов и торфяников
Дополнительный источник информации для Кризисных Центров Управления субъектов федерации РФ
Сейсмическое обнаружение потенциальной напряженности
Военные наблюдения
Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.
Экологический мониторинг пространства и окружающей среды
Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах
Медицинский мониторинг

Автоматизация зданий:

	мониторинг температуры, расхода воздуха, присутствия людей и управление оборудованием для поддержания микроклимата;
	управление освещением;
	управление энергоснабжением;
	сбор показаний квартирных счетчиков газа, воды, электроэнергии и т. д.;
	охранно-пожарная сигнализация;
	мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений.

Промышленная автоматизация:

	дистанционный контроль и диагностика промышленного оборудования;
	техническое обслуживание оборудования по текущему состоянию (прогнозирование запаса надежности);
	мониторинг производственных процессов;

Лисецкая С. Ю. БМП-107

Введение

На протяжении многих лет задача беспроводной передачи данных в ближнем поле представляла значительную проблему для разработчиков медицинских датчиков. В данной области исследований требуется использование современной технологии передачи данных для усовершенствования медицинского оборудования, позволяющего измерять такие характеристики пациента, как ЭКГ, уровень насыщения крови кислородом, уровень кровяного давления, вес, уровень содержания глюкозы в крови и т. п. Необходимость применения высокотехнологичных медицинских датчиков широко проявляется во всех областях медицины, где кабельные соединения приборов представляют большое неудобство для врачей, пациентов и обслуживающего персонала. Особенно остро эта проблема стоит в спортивной медицине, медицине сна, экстренной медицине и реанимации.

1.Распределенные сенсорные сети

Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote) - небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте - например 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.

Рис.1 Датчики и принимаемое устройство

В англоязычной литературе такую сеть называют wireless sensor network (WSN) - это беспроводная сеть состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах.

Они могут изерять такие параметры, как температуры, звук, вибрации, давление, движение объектов или воздуха. Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение и контроль движения объектов. Область применения становится все шире.

Основные принципы работы:

Каждый узел сети: мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии

Аппаратное обеспечение и стандарты

Рис.2 Шлюз (2шт), соединен с ноутбуком кабелем USB. Ноутбук по UTP соединен с интернетом и выполняет роль сервера.

В медицине такие датчики могут быть имплантированы в тело пациента для непрерывного контроля функционирования внутренних органов и обеспечения, при необходимости лечения. В промышленности такие системы могут быть использованы на больших площадях для контроля влажности, температуры и бесконечного числа других параметров и способны обеспечить предсказание состояния производственных систем и инициацию процедур самовосстановления системы. Использование датчиков в военной технике позволит получать такую жизненно важную информацию, как наличие мин, ядовитых веществ или источников электромагнитного излучения не только для немедленного предупреждения об опасности, но и для изучения поведения техники на поле боя. Это позволит разработчикам усовершенствовать следующие поколения военной техники. Ключевыми элементами, позволяющими реализовать подобную технологию, являются обеспечение высокой плотности размещения и автономности датчиков за счет повышения степени интеграции (что включает в себя и миниатюризацию источников питания), использования высокоэффективных схем управления питанием, а также трансиверов, датчиков и остального схемного обрамления с микромощным энергопотреблением. Типичная структурная схема микродатчика с автономным питанием показана на рисунке 3.

В таких сенсорных системах используются датчики пьезорезистивные и тензорезистивные.

1. 2 Область применений

Так же WSN используют для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:

Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания с больших лесных массивов и торфяников

Дополнительный источник информации для Кризисных Центров Управления субъектов федерации РФ

Сейсмическое обнаружение потенциальной напряженности

Военные наблюдения

Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.

Экологический мониторинг пространства и окружающей среды

Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах

Медицинский мониторинг

Автоматизация зданий :

2. Применение датчиков в медицине

Для чего необходимо знать температуру тела, пульс, артериальное давление? Во многих случаях эта информация жизненно важна для скорейшей диагностики какого-либо заболевания, для ухода за новорожденными детьми и пожилыми людьми. Всевозможные датчики пульса, давления и температуры востребованы и в спортивной среде они применяются для контроля над тренировочным процессом.

Датчики и охрана здоровья детей

Зеленый смайлик, умеющий превращаться в черную рожицу, может спасти жизнь тысячам детей. Если мордашка на диске улыбается это означает, что с новорожденным все в порядке, в случае почернения диска нужно бить тревогу. Устройство, предназначенное для измерения температуры тела у детей, называется Термоспот (ThermoSpot). Его изобретатель Джон Зил (John Zeal ).

ThermoSpot, представляющий собой круглый диск диаметром 12 мм, выступает в роли жидкокристаллического индикатора гипотермии критического понижения температуры тела, являющегося одной из главных причин смерти среди новорожденных в странах третьего мира. Способ применения смайлика прост необходимо приклеить диск на кожу подмышки или на область шеи над ключицей. Если температура тела ребенка от 36,5 оC до 37,5 оC зеленый кругляшок улыбается, но чернеет при падении ниже 35,5 оC при таком охлаждении младенца необходимо согреть как можно быстрее, в противном случае ребенок умрет. Результаты экспериментов показали, что ThermoSpot так же точен при измерении температуры, как ректальные термометры.

ThermoSpot смайлик в действии
Устройство Boardbug Baby and Child Monitor также предназначено для контроля состояния здоровья младенца. Комплект состоит из двух терминалов детского и взрослого. Первый предназначен для ребенка и используется для снятия показаний, второй для предоставления данных родителям. Boardbug Baby and Child Monitor работает в двух режимах: наблюдение за младенцами и контроль за несколько повзрослевшими детьми. В первом случае на наручные часы одного из родителей передаются данные о температуре тела ребенка и транслируются звуки, издаваемые младенцем. Таким образом, потребность несения неусыпной вахты у кроватки малыша отпадает о пробуждении ребенка, о необходимости его перепеленать или покормить родитель узнает и на расстоянии.

Датчики в борьбе за жизнь человека
Неудобство стационарных приборов для измерения давления и пульса заключается в их сравнительно крупном размере. К тому же тяжело больной человек вряд ли сможет самостоятельно произвести все необходимые измерения. В таких ситуациях приходят на помощь альтернативные методы получения данных о состоянии здоровья человека. Например, изобретение британских ученых из компании Toumaz имеет небольшой размер и может крепиться к обыкновенному медицинскому пластырю. Микрокомпьютер состоит из миниатюрного кремниевого чипа и датчиков, которые контролируют температуру тела, уровень кровяного давления, содержание глюкозы в крови и пр. Вся информация, собираемая устройством, передается на мобильный телефон или КПК, затем отсылается на центральный компьютер и помещается в базу данных. Доступ к этой информации могут иметь лечащий врач или родственники больного. При помощи цифрового пластыря можно следить за самочувствием пожилых людей.
В дальнейшем ученые планируют расширить функциональность устройства, внедрив в него датчик движения. С его помощью можно будет отслеживать различные происшествия, происходящие с владельцем устройства падения или отсутствие активности длительное время.

Компания Nexense разработала технологию, позволяющую при снятии сигнала с различных датчиков улучшить соотношение сигнал/шум в 10 тысяч раз. На основе этого усовершенствования компания занялась созданием медицинских датчиков, измеряющих пульс и дыхание, температуру тела, кровоток и другие параметры человека без прикосновения и на значительном расстоянии.

Одно из изделий Nexaver представляет собой тонкий пластмассовый лист, помещаемый под матрас. Устройство предупредит родственников больного и персонал медицинского учреждения об опасном изменении сердечной деятельности или дыхания человека. Этот аппарат может предотвратить внезапную смерть грудного ребенка во сне или спасти жизнь человеку, у которого случился сердечный приступ.

За состоянием здоровья человека отныне будет следить и его нижнее белье. Датчики беспроводного контроля самочувствия человека от компании Philips могут размещаться в нижнем белье и оттуда вести непрерывный мониторинг пульса и температуры тела. Именуемые сухими электродами датчики вшиваются в лиф, трусы или в пояс. Важно, что вещи можно стирать вместе с электронной начинкой.

Вся информация собирается и записывается в специальном модуле. Устройство снабжено встроенной памятью в 64 МБ. Это позволяет записывать данные в течение трех месяцев.

Датчик, размещающийся в нижнем белье своего владельца

Британские исследователи в Imperial College London намерены использовать компьютеризированные сенсоры-имплантанты с процессором Pentium для мониторинга состояния здоровья пациентов. Для передачи информации об изменениях в организме пациента применяется модуль беспроводной связи Bluetooth и канал мобильной связи. Отправляемые устройством лечащему врачу SMS-сообщения будут содержать информацию об уровне сахара в крови, если он понизится до критической отметки. Также сенсор, устанавливаемый под кожу больного, фиксирует повышенное кровяное давление и гипотермию. В будущем разработчики планируют связать сенсор с аппаратом подачи инсулина, управляемым врачом.

Датчики и спорт

Казалось бы, зачем спортсменам не жалующимся на здоровье молодым людям нужны датчики температуры тела, артериального давления и пульса? Оказывается, для контроля состояния организма во время интенсивной тренировки им необходимо знать показания этих медицинских приборов. Помимо классических термометров, тонометров и других приборов, спортсмены и люди, ведущие спортивный образ жизни, применяют специальные часы, беспроводные датчики и т. п.

Особенно интересной является разработка итальянской лаборатории Grado Zero Space. Исследователи создали куртку с подогревом, оснащенную четырьмя датчиками, измеряющими температуру тела.

Изделие предназначено для автогонщиков и мотоциклистов. В куртку вшиты микропроцессор и жесткий диск, которые контролируют температуру при помощи пяти мини-обогревателей. Для каждого пользователя уровень подогрева задается индивидуально. Ранее этой же лабораторией была разработана куртка с абсолютно противоположным действием она охлаждает тело. Вместо обогревателей разработчики поместили в эту куртку специальные емкости с гелем, поддерживающим низкую температуру. Изделие также измеряет температуру тела владельца.

Куртка с подогревом и датчиками, измеряющими температуру тела

Компания Suunto выпустила часы n6-HR, имеющие встроенный датчик для измерения пульса человека. Данная модель позволяет выставлять два предельных значения этого показателя. В случае, если тренировка слишком интенсивна для спортсмена, часы оповестят его об этом. Также n6-HR позволяют программировать три тренировочных режима. Часы имеют и околоспортивные функции, к примеру, стекло с повышенной твердостью, водонепроницаемый корпус с возможностью погружения на глубину до 100 м.

Кроме того, спортсменами наверняка будет востребован и цифровой пластырь от компании Toumaz, о котором говорилось выше.

Часы Suunto n6-HR с датчиком для замера пульса человека

Датчики измерения артериального давления, температуры, пульса, уровня сахара в крови жизненно необходимы для людей с тяжелыми заболеваниями, так как позволяют выявить ухудшение самочувствия и диагностировать приступ болезни. Сенсоры, измеряющие температуру тела, чрезвычайно важны для предотвращения детской смертности. Для регуляции интенсивности тренировки и во избежание перегрузок спортсмены также прибегают к использованию всевозможных датчиков.

Эти приборы и многие другие, находящиеся на стадии разработки и усовершенствования, диагностируют и предупреждают заболевания. И, как следствие, помогают человеку следить за своим здоровьем.

3. Технология беспроводной передачи Bluetooth

Учитывая хорошие характеристики в области энергопотребления, диапазона, безопасности данных, а также сетевых возможностей для передачи результатов измерений была выбрана единая стандартная технология беспроводной передачи Bluetooth.

Поскольку цифровые данные пересылаются на приемную станцию с использованием технологии Bluetooth, первичная обработка измерений может осуществляться непосредственно в датчике, а не в мониторе.

В данном пункте рассматриваются приборы, использующие технологию Bluetooth: Bluetooth-ЭКГ, Bluetooth-пульсоксиметр, Bluetooth-пикфлоуметр, а также «событийный регистратор» на основе Bluetooth. С одной стороны, использование данных приборов позволяет системно наблюдать пациентов в режиме on-line (ЭКГ, пульсоксиметр). С другой стороны, данные приборы могут быть интегрированы в комплексные лечебные программы (пикфлоуметр) и могут использоваться для мониторинга пациентов высокой степени риска в домашних условиях (поясное носимое записывающее устройство).

Стандартная методика проведения медицинских измерений предусматривает проводные соединения датчиков (зачастую пациента полностью опутывают кабелями). Во многих системах каждый электрод или датчик подсоединяется к монитору с помощью отдельного кабеля. Все эти провода ограничивают движения пациента, а передаваемые сигналы изобилуют искажениями из-за перемещений кабелей и наличия электромагнитной интерференции.

Одним из практических примеров проблем, вызываемых наличием кабельных соединений, может служить отведение 12-канальной ЭКГ в эргометрии. Запись ЭКГ под нагрузкой происходит во время тренировки на велотренажере или беговой дорожке. Из-за движений пациента в проводах, располагающихся между пациентом и монитором, возникают наводки и появляются искажения сигналов. В дополнение к сказанному следует отметить, что пациент не в состоянии свободно двигаться на эргометре из-за кабелей, подсоединенных к ЭКГ-монитору.

Более сложные измерительные деривационные системы используются в экстремальной медицине и реанимации. В данной области параллельно используется множество датчиков, информация с которых отображается на одном мониторе. Стандартный инструментарий, применяющийся здесь, включает 3-канальный ЭКГ, пульсоксиметр и оборудование для измерения уровня кровяного давления. Нетрудно предположить, что все эти кабельные соединения мешают свободному движению пациента и приводят к появлению артефактов в измерениях (рис. 4).

Рис. 4 . Пример классического отведения сигналов в реанимации

В настоящее время кабельные соединения между датчиком и монитором заменяются беспроводными технологиями передачи данных. При выборе такой технологии необходимо принимать во внимание экстремальные условия «окружения». Функционирование датчиков должно быть гарантировано даже в случаях, когда, например, тучный пациент, находящийся в лаборатории сна, лежит непосредственно на передатчике, таким образом полностью его экранируя. Помимо этого, должны соблюдаться требования к безопасности передачи данных (рис. 5).

Рис. 5 . Беспроводной мониторинг

Структура беспроводных измерительных датчиков

Современные системы отведения включают электрод или датчик на теле пациента, кабель и систему обработки измерений в приемнике (рис. 6). Соединительный кабель вполне возможно может быть длиной в несколько метров. Слабые аналоговые сигналы датчика, проходящие эти несколько метров кабеля, подвержены воздействиям помех от различных источников. Достигнув монитора, аналоговые сигналы, находящиеся в милливольтном диапазоне, затем усиливаются, фильтруются и впоследствии оцифровываются аналого-цифровым преобразователем. Приобретя цифровую форму, данные измерений могут быть обработаны и показаны на мониторе.

Рис. 6 . Блок-диаграмма передачи медицинских данных

Поскольку приборы не могут снабжаться энергией через обычные кабели, в качестве единственного энергетического источника рассматриваются обычные или перезаряжаемые батареи. Чтобы разрабатываемый прибор не стал слишком громоздким, все его компоненты должны быть разработаны и интегрированы на высоком техническом уровне для минимизации энергопотребления. Только такой прибор будет удобен для ношения пациентом, что будет его главным преимуществом перед классическими системами.

В качестве источника питания могут использоваться обычные АА и ААА батареи или перезаряжаемые батареи Li-Ion.

Выбор технологии передачи данных

Поскольку в медицинских аппаратных системах нельзя гарантировать соединения в пределах прямой видимости, вопрос беспроводной передачи данных сосредотачивается на радиоволновом диапазоне. Также рекомендуется использовать стандартизованную форму передачи данных. В процессе выбора технологии также необходимо учитывать, что на мониторе должен быть визуализирован не один прибор. Например, в экстренной медицине необходимы одновременно сигналы ЭКГ, пульсоксиметрические параметры, а также данные об уровне кровяного давления. Если, однако, разработчик принимает решение не в пользу стандартизованной формы, то все вышеперечисленные проблемы необходимо будет решать самостоятельно.

Одним из стандартов радиосвязи, который применяется в медицинских учреждениях, является Wireless LAN. Wireless LAN, в основном, применяется в случаях, когда в помещении необходимо построить стационарные беспроводные коммуникационные сети с большими полосами частот и расстоянием 30-100 м. Поэтому в медицинских учреждениях, не имеющхе интерфейса Ethernet, имеют вход в местную сеть через Wireless LAN. Из-за высокой частоты несущей и большой полосы пропускания уровень энергопотребления является очень высоким, что делает Wireless LAN неприемлемым для использования в беспроводных медицинских датчиках.

Технология Bluetooth широко используется во многих областях. Этот стандарт изначально использовался для соединения компьютеров, а также мобильных телефонов и периферийных устройств. Данная технология применяется также в беспроводных телефонных гарнитурах.

В разработках часто возникает необходимость одновременного подключения нескольких периферийных устройств (например, мышь, клавиатура и принтер). Использование технологии Bluetooth позволяет одновременно работать с 7 терминальными устройствами. В медицине необходимо также, чтобы связь с данными устройствами была свободной от ошибок. Исследования этой проблемы показали, что ошибки передачи, возникающие на уровне радиоканала, полностью исправляются, так что на пользовательском уровне их не возникает.

В настоящее время технология Bluetooth является наиболее доступной, эффективной и приемлемой в плане энергопотребления. На сегодняшний день эта технология является единственным качественным инструментом для применения в беспроводных медицинских датчиках.

BlueЭКГ является мобильным компонентом прибора Bluetooth — ЭКГ, который может применяться для беспроводных измерений по 3, 6 или 12 ЭКГ-каналам (рис. 7). Модуль Bluesense используется в качестве интерфейса Bluetooth.

Рис. 7 . Bluetooth-ЭКГ

Bluetooth-ЭКГ был разработан для использования в системах, осуществляющих мониторинг в режиме «онлайн». В первом варианте (3-канальная ЭКГ) осуществляется отведение по Эйнтховену с использованием 4 электродов. Путем конфигурирования программы монитора 3-канальная ЭКГ может быть расширена до 6-канальной.

Второй вариант — 12-канальная ЭКГ с 3 отведениями по Эйнтховену, 3 — по Гольдбергеру и 6 — по Вильсону. Помимо простейшей передачи ЭКГ-каналов, на мобильной части определяется комплекс-QRS, измеряется качество контакта электрода и пульс синусового узла сердца, а также интегрирована дефибрилляционная защита от импульсов дефибриллятора.

В процессе длительного мониторинга данные измерений передаются в реальном времени на центральную систему (например ПК, PDA, специальный монитор). В случае, если по какой-то причине связь была прервана во время передачи данных, информация сохраняется во внутренней памяти передатчика. После этого в течение 5 минут восстанавливается связь, и сохраненные данные синхронизируются с получающей системой. Применение данного прибора позволяют гарантировать полный мониторинг, даже в случаях, когда пациент случайно оказывается за пределами диапазона приема.

Характеристики работы сердца, а также текущий уровень контакта каждого электрода показываются непосредственно на дисплее прибора. В ограниченном режиме на дисплее не показываются характеристики работы сердца, однако его символическое изображение, пульсирующее с текущей частотой, остается на дисплее. В случае обнаружения комплекса QRS в дополнение к соответствующему изображению подается акустический сигнал.

Прибор BlueЭКГ может подавать сигнал при появлении каждой R-волны.

BlueOxy — Bluetooth-пульсоксиметр

Пульсоксиметр BlueOxy представляет собой компактное независимое пульсоксиметрическое устройство, предназначенное для ношения на руке пациента (рис. 8). Данное устройство позволяет производить неинвазивные измерения уровня насыщения артериальной крови кислородом (SpO2), а также измерения пульса пациента. Помимо измерений пульса и SpO2, на гистограмме интегрированного дисплея показывается уровень качества сигнала.

Рис. 8 . Bluetooth - Пульсоксиметр

Для проведения долгосрочного мониторинга пациента имеются режимы «оффлайн» и «онлайн». В режиме «онлайн» данные измерений передаются на главную систему (например, ПК, PDA, монитор) в реальном масштабе времени, моментально оцениваются и сохраняются. Так же, как и прибор BlueЭКГ, в случае перебоев соединения BlueOxy сохраняет данные в буфере. Однако, в отличие от первого примера, здесь возобновление соединения происходит в течение 15 минут, а не 5, после чего сохраненные данные передаются на систему мониторинга. В режиме «оффлайн» данные измерений сохраняются во внутренней памяти с указанием даты, времени и идентификационного номера пациента. Эти данные могут анализироваться автономно и позднее обрабатываться с помощью соответствующего программного обеспечения на ПК.

Регистратор событий CorBELT/BlueBELT для мониторинга пациентов высокой степени риска

Регистратор событий BlueBELT представляет собой систему для длительного мониторинга в домашних условиях пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями (рис. 9).

Рис. 9 . Регистратор событий CorBELT/BlueBELT для мониторинга состояния пациентов высокой степени риска

Для того чтобы необходимая медицинская помощь была оказана оперативно, в случае, например, критического состояния сердца, на груди пациента с помощью ремня фиксируется прибор, весящий всего 120 г, который способен анализировать в постоянном режиме данные ЭКГ. Если поясное устройство обнаруживает данные пациента, угрожающие жизни, автоматически устанавливается связь с базовой станцией по технологии Bluetooth. Базовая станция, установленная в квартире пациента, при получении сигнала от прибора выдает опто-акустический сигнал тревоги, который предназначен для членов семьи пациента или обслуживающего персонала. Данная схема гарантирует пациенту оказание своевременной медицинской помощи и, как следствие, спасение жизни.

В дополнение к тревожному оповещению членов семьи или обслуживающего персонала базовая станция автоматически устанавливает телефонную связь с электронной базой данных пациента в медицинском учреждении и передает данные о состоянии пациента за 10 с до события, а также за 10 с, последовавших позднее. Одновременно ЭКГ-данные автоматически пересылаются в центр слежения за пациентом и службу скорой медицинской помощи, где специалистами проводится анализ данных и, например, в случае обнаружения опасного состояния, оповещается специалист неотложной медицинской помощи.

По сравнению с существующими системами, прибор BlueBELT принимает и передает сигналы тревоги в критических кардиологических случаях, что дает пациенту высокой степени риска чувство защищенности и уверенности. Применение технологии Bluetooth в профилактике заболеваний можно рассмотреть на примере использования Bluetooth-пикфлоуметра.

Беспроводные медицинские датчики в домашнем мониторинге успешно работают в медицине сна, диализе, а также при мониторинге пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Более того, существуют варианты для применения беспроводной измерительной регистрации для профилактики заболеваний в области конгестивной сердечной недостаточности, высокого кровяного давления, диабета, а также астматических заболеваний и хронических обструктивных легочных заболеваний.

В программах профилактики заболеваний и домашнего мониторинга, проводимых в настоящее время, используются дневниковые записи, телефонные интервью, а также передача данных через модемы или акустические устройства связи для регистрации измерений. Проведение этих программ требует большого количества персонала, а также отличной технической квалификации в отношении контролируемого пациента. Вполне вероятно, что вследствие определенного количества эксплуатационных ошибок, здесь могут передаваться не вполне корректные данные.

При применении беспроводных датчиков пользователю не нужно заполнять какие-либо формы, нет кабелей соединения между прибором и модемом, и нет необходимости прижимать датчики к телефонной трубке для акустической передачи данных. Данные после измерений могут автоматически передаваться в беспроводном режиме на соответствующим образом оборудованный модем, не беспокоя пациента. Такой модем устанавливается единожды, и затем получаемые данные могут передаваться оператору программы. В зависимости от варианта применения данные могут пересылаться через аналоговый модем, либо посредством GSM-соединения, либо с использованием SMS-сообщений (рис. 10).

Рис. 1 0 . Концепция мониторинга пациентов с заболеваниями астмы и легочными заболеваниями

Рассматриваемый здесь пикфлоуметр устанавливает соединение (Bluetooth master) с мобильным телефоном после проведения измерений и посылает SMS-сообщение на принимающий сервер. Затем эти данные автоматически анализируются оператором программы профилактики заболеваний. При обнаружении значений, превышающих допустимые, с контролируемым пациентом устанавливается связь, либо он направляется в соответствующее медицинское учреждение. Данная схема взаимодействия с пациентом будет способствовать выявлению отклонений в здоровье пациента на ранних стадиях развития заболевания и у него появится возможность своевременного обращения к специалисту.
Заключение

Рассмотренные датчики демонстрируют уровень существующих в настоящее время разработок медицинских приборов с применением технологии Bluetooth. В настоящее время имеется возможность создания на их основе систем для проведения «онлайн»-мониторинга, мониторинга пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, а также повышения эффективности существующих и планируемых программ профилактики заболеваний.

Все представленные датчики и приборы минимизируют неподвижность пациента и его обслуживающего персонала, а также способствуют снижению ошибок передачи информации с датчиков.

Более того, данные новые подходы к мониторингу пациентов в их домашних условиях позволяют реализовывать концепции, которые не были возможны в прошлом.

В таких областях, как спортивная медицина, медицина сна, экстренная медицина, реанимация, а также мониторинг в домашних условиях, у врачей и обслуживающего персонала появляется больше уверенности в проведении обычных процедур.

Обычный аналоговый модем с Bluetooth-приемником, установленный в доме пациента, превращается в приемную станцию. Это выгоднее, чем использование связи GSM или SMS. Для мобильных вариантов применения мобильные телефоны и смарт-фоны могут выполнять роль подходящих принимающих станций. С этих принимающих станций данные идут на веб-сервер, который осуществляет оценку измерений с возможной постановкой диагноза. Подобным образом реализуются медицинские порталы, позволяющие осуществлять интегрированное наблюдение за пациентами в рамках программ профилактики заболеваний.
Список литературы:

Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с .
Компьютерные сети | WSN http://193.200.95.46/ index. php/Беспроводные_распределённые_сенсорные_сети
Габриель Ринсин-Мора , Джастин Вогт . Беспроводные датчики с автономным питанием, 2007
Елена Ващилко. ИТ в медицине, На страже здоровья http:// www. ci. ru/ inform14_05/ p_24. htm

Мур Клаудиус, Чудовский Игорь.Беспроводные технологии, 2006 вып.2 http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/2006_2_53.php

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Ефремов Сергей Геннадьевич. Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком: диссертация... кандидата технических наук: 05.13.18 / Ефремов Сергей Геннадьевич;[Место защиты: Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования].- Москва, 2013.- 143 с.

Введение

Глава 1. Проблема увеличения времени жизни беспроводных сенсорных сетей 11

1.1. Понятие беспроводной сенсорной сети 11

1.2. Понятие времени жизни сети 20

1.3. Методы увеличения времени жизни БСС 23

1.4. Реконфигурируемые БСС с мобильным стоком 27

1.5. Выводы к главе 1 35

Глава 2. Математическая модель реконфигурируемых БСС . 37

2.1. Введение 37

2.2. Модель реконфигурируемой сенсорной сети 37

2.3. Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС. 41

2.4. Показатели времени жизни сети 54

2.5. Оценка времени жизни динамически реконфигурируемых сетей 59

2.6. Выводы к главе 2 63

Глава 3. Метод динамической реконфигурации сенсорной сети с мобильным стоком 65

3.1. Введение 65

3.2. Общая задача планирования движения стока 66

3.3. Метод решения задачи планирования движения стока 72

3.4. Эвристические алгоритмы динамического управления движением стока 77

3.5. Выводы к главе 3 81

Глава 4. Моделирование БСС с мобильным стоком 83

4.1. Введение 83

4.2. Исследование возможности проведения натурного эксперимента 83

4.3. Имитационное моделирование 92

4.4. Выводы к главе 4 113

Заключение 114

Литература 116

Введение к работе

Актуальность работы

Последние достижения технологического прогресса сделали возможным создание недорогих миниатюрных вычислителей с чрезвычайно малым энергопотреблением, способных объединяться в сеть и взаимодействовать друг с другом посредством беспроводных каналов связи. Сети таких устройств получили название беспроводных сенсорных сетей (БСС), что, в частности, подчеркивает их основное назначение - сбор данных с датчиков (сенсоров) для последующего накопления, анализа и выдачи управляющих команд.

Актуальными направлениями в области БСС являются создание новых аппаратных платформ, разработка стеков сетевых протоколов и специализированных операционных систем, разработка алгоритмов доступа к среде и маршрутизации для сложных сетевых топологий, имеющих целью повышение энергоэффективности БСС, что позволяет увеличить время жизни (автономной работы) БСС.

Проводимые в диссертационной работе исследования находятся на стыке двух приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: "Информационно-телекоммуникационные системы" и "Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика". Повышением эффективности сенсорных сетей активно занимаются ведущие российские организации, среди которых Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, Нижегородский государственный университет, Московский авиационный институт, а также международные - Калифорнийский Университет в Беркли, Массачусетский Технологический Университет (США) и многие другие.

Одной из проблем, препятствующих повышению энергоэффективности

БСС, является проблема неравномерного потребления энергии узлами сети, заключающаяся в том, что сеть становится неработоспособной в тот момент, когда энергия заканчивается у нескольких узлов, в то время как большинство остальных имеют значительный запас энергии.

Существует ряд методов, направленных на решение данной проблемы. К ним относятся индивидуальный подбор емкости батарей, плотности размещения узлов, мощности передатчиков, применение энергоэффективных протоколов маршрутизации, позиционирование узлов сети. Относительно недавно был предложен новый класс перспективных методов, использующих в качестве ресурса для энергетической балансировки мобильность узлов сети, предусматривающую динамическое изменение конфигурации (топологии) сети.

Серьезным препятствием проведения дальнейших исследований является отсутствие математических моделей динамически реконфигурируемой сенсорной сети. В связи с этим задача исследования и разработки комплексной модели, позволяющей, во-первых, оценивать время жизни автономных сетей, конфигурации которых меняются с течением времени, и во-вторых, оптимизировать их работу по критерию максимизации времени жизни, является актуальной.

Объектом исследования являются модели и методы динамической реконфигурации сенсорных сетей.

Предметом исследования является применение моделей и методов динамической реконфигурации сенсорных сетей с мобильным стоком для оценки и увеличения времени их жизни.

Цель диссертационной работы состоит в разработке математической модели и метода динамической реконфигурации беспроводной сенсорной сети для увеличения времени ее жизни.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

Проведен обзор и анализ подходов к определению понятия времени жизни сенсорных сетей, дано новое определение.

Разработана математическая модель динамически реконфигурируемой сенсорной сети с мобильным стоком.

Разработан численный метод решения задачи планирования движения стока.

Исследованы и разработаны эвристические алгоритмы для динамического управления мобильным стоком в случае изменяющихся условий функционирования сети.

Разработан комплекс программ имитационного моделирования с целью получения зависимостей времени жизни от параметров функционирования сети.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы теории множеств, теории графов, линейного и целочисленного линейного программирования, методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

4. Разработан алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети, учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.
Практическая значимость. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования работы динамически реконфигурируемой беспроводной сенсорной сети, а также для моделирования алгоритмов планирования движения мобильного стока.
Создан малогабаритный макет беспроводного устройства сенсорной сети на базе приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4, реализующего необходимые алгоритмы по поддержке мобильности стока, включающие его позиционирование в пространстве.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается их соответствием известным теоретическим и практическим данным, опубликованным в литературе, а также положительными результатами их внедрения в ряде практических проектов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. 1. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ (2008 - 2013гг.), научно-практическом семинаре ВШЭ "Системный анализ, управление и информационные системы" (19.03.2013), XVI и XVII Международной студенческой конференции-школе-семинаре «Новые информационные технологии» (2008-2009гг.), на международных исследовательских семинарах в Университете Шеффилда и Университете Бирмингема (Великобритания, 2011 г.). Результаты работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР «Разработка программных средств в целях внедрения информационных технологий в промышленность» (номер государственной регистрации НИОКР 01201056220), «Разработка системы активного беспроводного сбора данных в интралогисти- ке» (номер государственной регистрации НИОКР 01200961253).
    Результаты работы были применены при проектировании динамически реконфигурируемой сети в рамках совместного Российско-Германского научно-исследовательского проекта.
    Получены патент на полезную модель № 87259 от 11.06.2009, патент на полезную модель № 98623 от 30.06.2010, патент на полезную модель № 121947 от 10.11.2012, патент на изобретение № 2429549 от 30.06.2010.
    Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, включающей 95 наименований, и 4 приложений. Общий объем диссертации без учета приложений составляет 128 страниц.
    
    Методы увеличения времени жизни БСС
    Перейдем к описанию возможных методов увеличения времени автом-номной работы БСС. К наиболее простым относятся улучшение аппаратных характеристик устройств: уменьшение энергопотребления отдельных компонентов, оптимизация их размещения на кристалле или печатной плате или увеличение емкости батарей. Исследование данных возможностей относится к смежным областям (электроника, радиофизика, химия, схемотехника и др.) и не будет затрагиваться в настоящей диссертационной работе.
    Тем не менее, следует отметить, что у способа есть как физические (передача данных по радиоканалу на заданное расстояние, равно как и обработка данных микропроцессором, требуют определенных энергетических затрат) и стоимостные ограничения (использование более энергоэффективных компонентов приводит к удорожанию систем). Кроме того, использование больших по емкости батарей неизбежно приводит к увеличению размера устройств, в то время как сама концепция сенсорных сетей предполагает их миниатюрность.
    С точки зрения программных алгоритмов обработки данных на узлах системы возможны следующие варианты:
    Сжатие данных. Данный метод имеет свои пределы, кроме того в сенсорных сетях сами данные, как правило, невелики по объему, поэтому их сжатие не дает большого эффекта.
    Накопление данных и их последующая передача большими блоками. Метод основан на том, что в современных беспроводных стандартах любая передача цифрового пакета связана с дополнительными накладными расходами (см. также разделы 1.1.2, 2.3.3). Поэтому выгоднее передавать данные большими блоками в одном пакете. Последние исследования в области миниатюрных преобразователей альтернативной энергии (MEH, Micro-Energy Harvesters) открыли ряд возможностей для создания полностью автономных узлов сенсорной сети при сохранении их небольших размеров. Известен ряд готовых решений для подключения сенсорных узлов к миниатюрным солнечным батареям, преобразователям вибрационной энергии и термогенераторам на основе элемента Пелетье .
    Однако на сегодняшний день ни одно из решений по сбору и преобразованию альтернативной энергии еще не нашло массового применения в реальных сетях сбора данных, состоящих из сотен узлов, прежде всего, из-за высокой стоимости, включающей в себя затраты на регулярное обслуживание. Но в перспективе данный подход может стать одним из ведущих и в конечном счете решить проблему ограниченного времени жизни БСС.
    Как было отмечено выше, сенсорные сети главным образом предназначены для сбора данных. Это означает, что существует один или несколько выделенных узлов, к которым стекается информация со всей сети. Данные узлы (стоки), как правило, имеют постоянный источник питания, интерфейсы сопряжения с локальными, глобальными сетями или с более мощными вычислительными устройствами. Таким образом, в сенсорной сети есть преимущественное направление движение полезного трафика, приводящее к тому, что через узлы маршрутизации, находящиеся рядом со стоком(-ами), проходит на порядок больший объем трафика.
    Современные технологические достижения позволили сделать микропроцессоры с очень малой потребляемой мощностью, способные выполнять широкий спектр задач. Однако для того, чтобы передать данные по беспроводному каналу связи, необходимо затратить на порядок больший объем энергии (см. табл. 1.1).
    Из таблицы очевидно, что чем больше данных проходит через узел беспроводной сети, тем больше его потребляемая мощность. Как следствие, в сети возникает проблема дисбаланса энергопотребления (рис. 1.3), приводящая к тому что автономные элементы, располагающиеся рядом с центральным узлом (узлами) сбора данных, раньше других выходят из строя из-за разряда собственных аккумуляторов, и, как следствие, уменьшается время автономной работы сенсорной сети.
    Для выравнивания потребляемой мощности всех узлов сети используют различные методы энергетической балансировки (energy balancing). Приведем краткое описание основных методов.
    Построение гетерогенной сети предполагает использование ряда возможностей:
    1. Индивидуальный подбор емкости батарей в зависимости от положения устройств в структуре сети и выполняемых ими функций . В этом случае ключевые ретранслирующие устройства могут снабжаться большими по емкости аккумуляторами. Данный подход является одним из самым простых, но одновременно приводит к низкой масштабируемости сети и ее плохой адаптации к смене условий функционирования. Также необходимость разработки различных конструктивных решений под разные элементы приводит к увеличению стоимости конечных систем.
    2. Разная плотность размещения узлов сети в зависимости от предполагаемой интенсивности трафика в конкретной зоне . Данное решение направлено на обеспечение избыточности в структуре сети и дублирование функций отдельных узлов. Так при выходе из строя очередного маршрутизатора его функции будут переложены на соседний элемент, до этого момента никак не используемый.
    К программным методам относят использование протоколов маршрутизации, основанных на метрике остаточной энергии узлов или виртуальных координатах , чередование дальней и ближней передачи , позиционирование узлов , а также кластеризацию .
    Известно, что в протоколах маршрутизации традиционных сетей используются метрики, направленные на увеличение пропускной способности сети или уменьшение задержек передаваемых данных. Подобными метриками могут служить количество промежуточных узлов (хопов) до адресата, пропускная способность канала связи, уровень загрузки линии . В сенсорных сетях часто применяется метрика остаточной энергии узлов на пути до стока. В этом случае из множества альтернативных маршрутов выбирается тот, на котором узлы имеют либо большую остаточную энергию.
    Перспективным методом балансировки считается использование мобильности отдельных компонентов сети. В ряде работ показано, что потенциально мобильность может обеспечить наибольшее преимущество с точки зрения увеличения продолжительности автономной работы сети. Поэтому именно данный подход будет детально изучен в диссертационной работе.
    
    Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС
    В целом понятно, что узел беспроводной сети сбора данных можно считать работающим, пока он может безошибочно считывать показания с датчиков, производить необходимые вычисления и передавать данные в сеть. При разработке и установке сети важно заранее оценить приблизительное время работы каждого узла до момента, когда будет необходима замена его батарей. Для этого важно понимать, какие факторы влияют на продолжительность времени его автономной работы.
    В частности, хорошо известно, что энергопотребление отдельных элементов сети зависит от следующих факторов, которые необходимо принимать во внимание при моделировании БСС:
    Характеристики аппаратных средств (емкость батарей, потребляемая мощность микроконтроллера, приемопередатчика, датчиков и прочих электронных компонентов).
    Частота сбора и передачи данных, зависящая от приложения. Например, в широко распространенных системах климат-контроля, экологического мониторинга достаточно собирать информацию раз в несколько секунд или даже десятков секунд, поскольку такие параметры как температура или влажность меняются плавно. Как следствие, большую часть времени сенсор может находится в режиме сна. В то же время передача звука требует высокой частоты сбора данных (8 кГц, 16 кГц, 32 кГц и более), что фактически исключает возможность нахождения элемента сети в режиме пониженного энергопотребления.
    Протоколы физического и канального уровней, определяющие, прежде всего, механизмы контроля доступа к среде. В асинхронном режиме доступа к среде, например, CSMA/CA , ретрансляторы не могут находиться в режиме сна, в противном случае оконечные устройства не смогут передать свои данные. Синхронный режим доступа к среде характеризуется тем, что все элементы могут на некоторое время уходить в режим пониженного энергопотребления, так как функционирование всей сети координируется специальными синхрофреймами (все элементы сети знают время передачи следующего такого кадра). Однако данный режим сложно реализовать в распределенных сетях, в которых используются десятки или сотни маршрутизаторов. Тем не менее уже разработан ряд алгоритмов и протоколов, направленных на уменьшение потребляемой мощности устройств сети: Berkeley MAC (B-MAC) , Sensor MAC (S-MAC) , D-MAC , адаптивный алгоритм быстрой доставки сообщений .
    Топология сети, определяющая объем информации, проходящий через каждый элемент (с учетом ретрансляции сообщений). В сенсорных сетях применяются как простые топологии (звезда, кольцо, дерево), так и более сложные ячеистые структуры.
    Используемый протокол маршрутизации, добавляющий в сеть дополнительный служебный трафик. В области сенсорных сетей наибольшее распространение получили протоколы класса AODV (ad-hoc on-demand distance vector) , отличающиеся тем, что информация о маршрутизации не сохраняется в памяти элементов длительное время и не обновляется регулярно. При необходимости передать сообщение предварительно делается запрос маршрута. Только после этого отправляется само сообщение. Для уменьшение объема трафика, передаваемого по сети, были предложены методы сетевого кодирования .
    Формализуем приведенные выше утверждения в виде методики расчета времени жизни.
    В любой сенсорной сети есть три типа узлов – оконечные устройства, маршрутизаторы (ретрансляторы) и стоки. Стоки не представляют интерес с точки зрения времени автономной работы: как уже было отмечено, обычно они подключены к источникам питания, имеющим на порядок большую емкость.
    Рассмотрим более подробно методику расчета времени жизни оконечных устройств и ретрансляторов. Она основывается на следующих допущениях:
    Алгоритм работы устройства является строго детерминированным, для внешних факторов, являющихся случайными величинами, известно математическое ожидание.
    Отсутствует эффект восстановления батареи. При необходимости он может быть учтен путем увеличения начальной энергии устройства . Тогда зная начальную энергию батареи 0 и мощность, потребляемую устройством, можно приблизительно оценить время его жизни по формуле:
    Оконечное устройство предназначено для считывания показаний с собственных датчиков и передачи их в сеть. Главным его отличием от ретранслятора является отсутствие возможности сквозной передачи через себя данных от других устройств. При использовании событийной модели или модели передачи по расписанию (см. раздел 1.1.3), оно, как правило, работает по циклической схеме, представленной на рис. 2.2.
    
    Метод решения задачи планирования движения стока
    Очевидно, что задача частично-целочисленного линейного программирования является в общем виде NP-трудной , точное решение не может быть получено за допустимое время для больших значений т даже на самых мощных вычислителях. Сложность обусловлена наличием целочисленных переменных и, как следствие, комбинаторным характером общих приемов решения подобных задач .
    Необходимость решения задач большой размерности обусловлена следующим практическим фактором. Результаты имитационного моделирования (см. следующую главу), говорят о том, что управляемую мобильность целесообразно применять в больших сетях, состоящих из нескольких сотен узлов. Такие сети покрывают территории в несколько десятков квадратных километров. Учитывая необходимость сохранять в определенных пределах задержки передачи данных, общее количество позиций стока также должно быть большим.
    Предлагаемый далее метод направлен на снижение вычислительной сложности задачи при сохранении значения целевой функции близким к оптимальному. Метод принимает во внимание следующие особенности рассматриваемой предметной области:
    1. Поиск оптимального маршрута не является целью задачи оптимизации, так как считается, что сток неограничен в ресурсах. Следовательно необязательно искать путь, проходящий через каждую вершину один раз.
    2. Энергетические затраты на перенастройку сети, определяемые величинами ег-к пренебрежимо малы по сравнению с затратами на передачу данных.
    Разделим задачу (3.4) на две подзадачи. Первая подзадача (LP) аналогична оптимизационной проблеме (3.1), то есть она включает только один набор ограничений без учета дополнительной энергии j. В результате ее решения находится подмножество Вторая подзадача (ROUTE) будет решать проблему построения маршрута по найденному подмножеству позиций V и набору ограничений на перемещения стока, задаваемому матрицей D. Данная задача может быть решена одним из эвристических алгоритмов , например “Идти в ближайшую непосещенную вершину”. Однако в ходе ее решения может быть получена принципиальная невозможность построения такого маршрута. Например, на рис. 3.3 показан пример решения задачи LP, по которому невозможно построить маршрут. Серым цветом обозначены вершины из VS, входящие во множество У, получаемое в результате решения задачи LP.
    Решением задачи будет tk = min n ni . Очевидно, что маршрут стока будет включать только точку к, то есть получится сценарий неподвижного стока.
    Теорема 3.3.2. Пусть VQ - множество вершин, запрещенных для посещения на і-м шаге алгоритма. Тогда итерационный процесс выполняется максимум за т шагов (где т - количество вершин в графе позиций стока Gs), если VQ С VQ + .
    Доказательство Согласно алгоритму, V0l = 0. Исходя из условия теоремы, \VQ\ \VQ+ . Возьмем крайний случай последовательного добавления в VQ одного элемента на каждой итерации. Тогда \V0l\ = 0, \V02\ = 1,... \V0m\ = т - 1. Но согласно лемме 3.3.1, если \VQ\ = т - 1, итерационный процесс останавливается.
    Из теоремы 3.3.2 следует один из возможных алгоритмов решения задачи ITER - увеличение на каждом шаге множества Vo. Для этого предлагается несколько эвристик:
    Vo = Vo U {к} : к Є VА, Vj Є V: tj tk. То есть из вершин, полученных в результате решения задачи LP, выбирается такая, для которой время пребывания стока наименьшее.
    Vo = Vo U Vk: Vj Є , j = к: 2iyti 2iy.ti. Другими словами, в Vo добавляется связанный подграф с наименьшим суммарным временем пребывания стока.
    Возможен и другой алгоритм - постепенно наращивать множество V\ до образования связанного графа V. Для этого предлагается следующая эвристика. На первом шаге выделяются два подграфа и с наибольшим суммарным временем пребывания стока. После этого, используя стандартные алгоритмы на графах , например алгоритм Флойда-Уоршелла, или алгоритм Дейкстры в том случае, если число вершин в одном из двух графов небольшое, находятся кратчайшие пути между всеми парами вершин (,),
    Эвристические алгоритмы динамического управления движением стока
    В реальных системах зачастую невозможно заранее собрать всю информацию, необходимую для решения задач (3.1), (3.4). Кроме того, ключевые для модели (2.1) величины могут меняться со временем. Ниже приведены некоторые из практических сценариев, являющихся возможными причинами:
    1. Изменение помеховой обстановки в отдельных зонах. Это может быть в свою очередь связано с развертыванием новой сети в том же или близком частотном диапазоне. В подобном случае увеличивается вероятность повторных передач пакетов, и, следовательно, растет энергопотребление элементов, находящихся в данной зоне.
    2. Реконфигурация элементов сети. В ряде случаев требуется изменение алгоритмов работы отдельных устройств. Например, может потребоваться изменение частоты посылки тестовых сообщений.
    3. Изменение климатических условий функционирования узлов. Как следствие, их аккумуляторы могут быстрее истощать свою энергию. В таких случаях целесообразным является применение динамического управления движением мобильного стока. Для формального описания алгоритма динамического управления стоком введем несколько дополнительных обозначений: S(k) - подмножество вершин графа GS, включающее к и смежные с к вершины, те. S(k) = {к} U {j: (k,j) Є Es}.
    Обозначим также через D(k) множество узлов, окружающих к-ю позицию стока или, другими словами, множество узлов, которые подключаются напрямую к стоку, когда тот находится на позиции к: D(k) = і Є Vn: (и, і) Є Еп(к), где и Є Vn - узел-сток.
    
    Исследование возможности проведения натурного эксперимента
    Глава посвящена моделированию времени жизни динамически реконфи-гурируемых БСС, проводимому с целью получения количественных оценок управляемой мобильности стока, а также нахождения оптимальных условий для ее использования.
    На первом этапе исследована возможность проведения натурного эксперимента на существующих аппаратных платформах, сделан вывод о том, что полноценный эксперимент при текущем состоянии технических и программных средств сильно затруднен.
    На втором этапе проведено имитационное моделирование при помощи разработанного комплекса программных средств.
    С точки зрения оборудования для стационарной части сети, существует огромный выбор устройств для разных задач. Можно условно разбить весь спектр оборудования на три группы:
    1. Электронные компоненты - микроконтроллеры, приемопередатчики и пр., являющиеся основой для разработки решений, начиная с самого низкого уровня. 2. Промежуточные платформы, как правило, разрабатываемые исследовательскими университетами с целью проведения экспериментов.
    3. Встраиваемые системы, создаваемые для решения конкретных задач.
    Теоретически можно провести натурный эксперимент, собрав из отдельных компонентов специализированную платформу на базе одного из множества доступных беспроводных модулей, производимых такими компаниями как Texas Instruments, Atmel, NXP, Telegesis, Freescale и др.
    Автор диссертационной работы участвовал в совместном российско-германском проекте по созданию системы активного беспроводного сбора данных в интралогистике. В ходе проекта была разработана специализированная программно-аппаратная платформа для сенсорных сетей на базе беспроводного модуля NXP Jennic JN5148 . Данные модули на момент разработки обладали наилучшими характеристиками с точки зрения вычислительных возможностей и энергосберегающих режимов.
    В проекте были апробированы модель беспроводной сенсорной сети с автономными источниками питания (2.1), а также метод ее динамической реконфигурации за счет использования мобильных узлов.
    Особенностью разработанной системы сбора данных в интралогистике является то, что мобильным элементом выступает не сток, а сенсорные узлы, которые размещаются на конвейере вместе с товарами в контейнерах для их мониторинга. В таблице 4.1 приведены контролируемые параметры и использованные при разработке макета датчики. Для каждого параметра указана максимальная частота сбора данных в системе (для прототипа из 10 узлов использовалась частота в 15 раз меньше максимальной).
    Другим вариантом проведения натурного эксперимента является использование готовых систем на базе беспроводных сетей, изначально разработанных для решения определенных задач. Так в ходе диссертационного исследования был проведен эксперимент на базе оборудования компании, занимающейся охранным мониторингом в Москве (см. приложение A). Ключевой особенностью рассматриваемой охранной системы является то, что потоки данных в ней заранее известны по алгоритму работы узлов и накопленной статистике, и, следовательно, можно применить метод динамической реконфигурации сети, описав ее работу с точки зрения мощности, потребляемой устройствами. В системе, на базе которой проводился эксперимент, было 9 ретранслирующих и около 4 тысяч оконечных устройств (см. рис. 4.3).
    Ретрансляторы системы подключены к постоянному источнику питания, однако также оборудованы резервной батареей 12В. Целью эксперимента было исследование возможности увеличения длительности автономной работы ретрансляторов системы при аварийном отключении электропитания за счет использования метода динамической реконфигурации сети. Реконфигурация заключалась в смене топологий путем программного управления, последовательность смены определялась в результате решения задачи (3.4). В итоге удалось добиться увеличения времени жизни отдельных ретрансляторов на 25-40%.
    Однако ни один из вышеперечисленных экспериментов не позволил в полной мере раскрыть весь потенциал использования методов динамической реконфигурации сети, прежде всего, из-за небольшого размера самой сети (количества ретрансляторов).
    Наиболее предпочтительным вариантом проведения полноценного натурного эксперимента является использование специализированных аппаратно-программных платформ для научных исследований, главным образом из-за того, что они обладают куда большей гибкостью с точки зрения возможных модификаций протоколов нижнего уровня, необходимых для тонкой настройки переходов устройства между различными режимами своей работы, в том числе при беспроводной передаче данных.
    Одними из наиболее успешных исследовательских платформ для БСС зарекомендовали себя разработки калифорнийского университета Беркли, ранее поставляемые через компанию crossbow (xbow), а в настоящее время реализуемые фирмой MEMSIC . К ним относятся платформы TelosB (рис. 4.4, а), MicaZ (рис. 4.4, б), Imote2 (рис. 4.4, в).
    Все вышеперечисленные решения поддерживают операционную систему TinyOS, разработанную специально для использования в сенсорных сетях. Imote2 является на порядок более производительной платформой, однако, у нее хуже характеристики по энергопотреблению. Все три решения разработаны под стандарт IEEE 802.15.4, при этом в TelosB и MICAZ используются приемопередатчики собственной разработки университета Беркли, которые не сертифицированы во многих странах мира, включая Россию. Данный факт является серьезным препятствием для их использования в качестве оборудования для натурного эксперимента. TelosB содержит интегрированные датчики температуры, освещенности и влажности, в MICAZ предусмотрен универсальный разъем для плат расширения, за счет чего возможно подключение большего спектра датчиков.
    FireFly Nodes – платформа для беспроводной сенсорной сети, разработанная в лаборатории «Realime & Multimedia Systems Lab» Питсбургского университета Carnegie Mellon, США. Она, как и другие, предназначена для сбора данных, обработки и коммуникаций в mesh-сетях. Однако существенным шагом вперед по сравнению с предыдущими решениями стало внедрение системы глобальной синхронизации узлов, обеспечивающей возможность перехода всей сети в режим низкого энергопотребления.
    
    Похожие диссертации на Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком

Беспроводные сенсорные сети: обзор

Акулдиз И.Ф.

Перевод с английского: Левжинский А.С.

Аннотация

Статья описывает концепции сенсорных сетей, реализация которых стала возможна в результате объединения миктроэлектро-механических систем, беспроводной связи и цифровой электроники. Изучены задачи и потенциал сенсорных сетей, сделан обзор фактов влияющих на их разработку. Также рассмотрена архитектура построения сенсорных сетей, разработанные алгоритмы и протоколы для каждого слоя архитектуры. В статье исследованы вопросы о реализации сенсорных сетей.

1. Введение

Последние достижения в области технологий микро-электро-механических систем (MEMS), беспроводной связи и цифровой электроники позволили создавать недорогие, маломощные, многофункциональные моты (узлы), они небольшие и «общаются» непосредственно друг с другом. Сенсорных сети основанных на совместной работе большого числа крошечных узлов, которые состоят из модулей сбора и обработки данных, передатчика. Такие сети имеет значительные преимущества перед набором традиционных датчиков. Вот две ключевые особенности традиционных датчиков: Датчики могут быть расположены далеко от наблюдаемого явления. При таком подходе требуется много датчиков, которые используют некоторые сложные методы, чтобы выделить цели из шума.
Можно развернуть несколько датчиков, которые выполняют только сбор данных. Тщательно разработать позиции датчиков и топологию. Они будут передавать наблюдения в центральные узлы, где и будет выполняются сбор и обработка данных.
Сенсорная сеть состоит из большого числа узлов (мотов), которые густо расположены близко к наблюдаемому явлению. Положение мотов не нужно предварительно рассчитывать. Это позволяет случайным образом располагать их в труднодоступных местностях или использовать для операций по оказанию помощи, которые требуют быстрого реагирования. С другой стороны, это означает, что сетевые протоколы и алгоритмы работы мотов должны обладать возможностью самоорганизации. Еще одной уникальной особенностью сенсорных сетей является совместная работы отдельных узлов. Моты оснащены процессором. Поэтому вместо передачи исходных данных, они могут их обрабатывать, выполняя простые вычисления и передавать далее только необходимые и частично обработанные данные. Описанные выше особенности обеспечивают широкий спектр применения сенсорных сетей. Такие сети можно применять в здравоохранении, для военных нужд и безопасности. Например, физиологические данные о пациенте может контролироваться удаленно врачом. Это удобно как для пациента, так и позволяет врачу понять его текущее состояние. Сенсорные сети могут быть использованы для выявления инородных химических агентов в воздухе и воде. Они могут помочь определить тип, концентрацию и расположение загрязнителей. В сущности, сенсорные сети позволяют лучше понять окружающую среду. Мы предполагаем, что в будущем, беспроводные сенсорные сети будут неотъемлемой частью нашей жизни, более, чем современных персональных компьютеры. Реализация этих и других проектов, требующих использование беспроводных сенсорных сетей, требуют специальных методов. Многие протоколы и алгоритмы были разработаны для традиционных беспроводных одноранговых сетей, поэтому они не очень хорошо подходит для уникальных особенностей и требований сенсорных сетей. Приведем различия сенсорных и одноранговых сетей: Количество узлов сенсорной сети может быть на несколько порядков выше, чем узлов в одноранговой сети.
Узлы плотно расположены.
Узлы подвержены сбоям.
Топология сенсорных сетей может часто изменяться
Узлы в основном используют широковещательные сообщения, в то время как большинство одноранговых сетей основаны на связи "точка-точка".
Узлы ограничены в питании, вычислительных мощностях, и памяти.
Узлы не могут иметь глобальный идентификационный номер (ИН) из-за большого количества накладных расходов и большого количества датчиков.
Так как узлы в сети расположены плотно, соседние узлы могут оказаться очень близко друг к другу. Следовательно, multi-hop связи в сенсорных сетях будут потреблять меньше энергии, чем прямые связи. Кроме того, можно использовать низкую мощность сигнала передачи данных, что полезно в скрытых наблюдениях. Multi-hop связи могут эффективно преодолевать некоторые трудности при распространении сигнала на дальние расстояния в беспроводной связи. Одним из наиболее важных ограничений для узлов является малое потребление энергии. Моты имеют ограниченные источники энергии. Итак, в то время как традиционные сети направлены на достижение высокого качества сигнала, сетевые протоколы мотов должны сосредоточиться главным образом на сохранение энергии. Они должны обладать механизмами, которые дают пользователю возможность продления времени жизни мота за счет либо снижения пропускной способности, либо увеличения времени задержки передачи данных. Многие исследователи в настоящее время участвуют в разработке схем, которые выполняют эти требования. В данной статье мы сделаем обзор протоколов и алгоритмов, существующих в настоящее время для сенсорных сетей. Наша цель – предоставить лучшее понимание текущих вопросов научных исследований в этой области. Мы также попытаемся исследовать ограничения, накладываемые на разработку, и выявить инструменты, которые можно использовать для решения задач проектирования. Статья организована так: во втором разделе, мы опишем потенциала и полезность сенсорных сетей. В разделе 3 мы обсудим факторы, которые влияют на проектирование таких сети. Подробное исследование существующих методик в этой области рассмотрим в разделе 4. И подведем итоги в 5 разделе.

2. Применение беспроводных сенсорных сетей

Сенсорные сети могут состоять из различных типов датчиков, например сейсмических, датчиков определения магнитного поля, тепловых, инфракрасных, акустических, которые в состоянии осуществлять самые разнообразные измерения условий окружающей среды. Например, такие как :
температура,
влажность,
автомобильное движение,
состояние молнии,
давление,
состав почвы,
уровень шума,
наличие или отсутствие некоторых объектов,
механическая нагрузка
динамические характеристики, такие как скорость, направление и размер объекта.
Моты могут использоваться для непрерывного зондирования, обнаружения и идентификации событий. Концепция микро зондирования и беспроводное соединение обещают много новых областей применения для таких сетей. Мы классифицировали их по основным направлениям: военное применение, исследование окружающей среды, здравоохранение, использование в домах и других коммерческих областях. Но можно расширить эту классификацию и добавить больше категорий, например исследование космического пространства, химическая обработка и ликвидации последствий стихийных бедствий.

2.1. Военное применение

Беспроводные сенсорные сети могут быть неотъемлемой частью военного управления, связи, разведки, наблюдения и систем ориентирование (C4ISRT). Быстрое развертывание, самоорганизации и отказоустойчивость – это характеристики сенсорных сетей, которые делают их перспективным инструментом для решения поставленных задач. Поскольку сенсорные сети могу быть основаны на плотном развертывании одноразовых и дешевых узлов, то уничтожение некоторых их них во время военных действий не повлияет на военную операцию так, как уничтожение традиционных датчик. Поэтому использование сенсорных сетей лучше подходит для сражений. Перечислим еще некоторые способы применение таких сетей: мониторинг вооружения и боеприпасов дружественных сил, наблюдение за боем; ориентация на местности; оценка ущерба от битв; обнаружение ядерных, биологических и химических атак. Мониторинг дружественных силы, вооружения и боеприпасов: лидеры и командиры могут постоянно контролировать состояние своих войск, состояние и наличие оборудования и боеприпасов на поле боя с помощью сенсорных сетей. К каждому транспортному средству, оборудованию и важным боеприпасам могут быть прикреплены датчики, которые сообщают их статус. Эти данные собирается вместе в ключевых узлах, и направляются руководителям. Данные также могут быть переадресованы на верхние уровни иерархии командования для объединения с данными из других частей. Наблюдения боя: критические участки, пути, маршруты и проливы могут быть быстро покрыты сенсорными сетями для изучения деятельности сил противника. Во время операций или после разработки новых планов сенсорные сети могут быть развернуты в любое время для наблюдения за боем. Разведка сил противника и местности: Сенсорные сети могут быть развернуты на критических территориях, и могут быть собраны в течении нескольких минут ценные, подробные и своевременные данные о силах противника и местности, прежде чем враг сможет их перехватить. Ориентация: сенсорные сети могут быть использованы в системах наведения интеллектуальных боеприпасов. Оценка ущерба после боя: непосредственно перед или после нападения, сенсорные сети могут быть развернуты в целевой области для сбора данных об оценке ущерба. Обнаружение ядерных, биологических и химических атак: при применении химического или биологического оружия, использование которого близко к нулю, важное значение иметь своевременное и точное определение химических агентов. Могут быть использованы сенсорные сети в качестве систем предупреждения химических или биологических атак и данные собранные в короткие сроки помогут резко уменьшить количество жертв. Также можно использовать сенсорные сети для подробной разведки, после обнаружения таких атак. Например, можно осуществлять разведку в случае радиационных заражений не подвергая людей радиации.

2.2. Экологическое применение

Некоторые из направлений в экологии, где применяют сенсорные сетей: отслеживание движения птиц, мелких животных и насекомых; мониторинг состояния окружающей среды, с целью выявления ее влияния на сельскохозяйственные культуры и скота; орошения; широкомасштабный мониторинга земли и исследования планет; химическое / биологическое обнаружение; обнаружение лесных пожаров; метеорологические или геофизические исследования; обнаружение наводнений; и исследование загрязнения . Обнаружение лесных пожаров: поскольку моты могут быть стратегически и плотно развернуты в лесу, то они могут ретранслировать точное происхождение огня до того, как пожар станет неконтролируемым. Миллионы датчик могут быть развернуты на постоянной основе. Они могут быть оснащены солнечными батареи, т.к узлы могут быть оставлены без присмотра на месяцы и даже годы. Моты будут работать сообща для выполнения задач распределенного зондирования и преодоления препятствий, таких как деревья и скалы, которые блокируют работу проводных датчиков. Отображение био состояния окружающей среды : требует сложных подходов к интеграции информации во временных и пространственных масштабах . Прогресс в области технологии дистанционного зондирования и автоматизированный сбор данных, позволили значительно снизить затраты на исследования . Преимущество данных сетей в том, что узлы могут быть соединены с Интернетом, который позволяет удаленным пользователям осуществлять контроль, мониторинг и наблюдения за окружающей средой. Хотя спутниковые и бортовые датчики являются полезными в наблюдении за большим разнообразием, например, пространственной сложности видов доминирующих растений, они не позволяют наблюдать за мелкими элементами, которые составляет большую часть экосистемы . В результате возникает потребность в развертывании на местах узлов беспроводных сенсорных сетей. Одним из примеров применения это составление биологической карты окружающей среды в заповеднике в Южной Калифорнии . Три участка покрыты сетью, в каждой их которых по 25-100 узлов, которые используются для постоянного наблюдения за состоянием окружающей среды. Обнаружение наводнений : примером обнаружения наводнений является система оповещения в США. Несколько типов датчиков, размещенных в системе оповещения, определяют уровень осадков, уровень воды и погоду. Научно-исследовательские проекты, такие как COUGAR Device Database Project в Корнельском университете и проект DataSpace в Университете Rutgers , изучают различные подходы к взаимодействию с отдельными узлами в сети для получения снимков и долго собираемых данных. Сельское хозяйство: преимуществом сенсорных сетей также является возможность контролировать уровень пестицидов в воде, уровень эрозии почвы и уровень загрязнения воздуха в режиме реального времени.

2.3. Применение в медицине

Одним из применений в медицине является устройства для инвалидов; мониторинг пациентов; диагностика; мониторинг использования медикаментов в больницах; сбор физиологических данных человека; и мониторинга врачей и пациентов в больницах . Мониторинг физиологического состояния человека: физиологические данные, собранные сенсорными сетями могут храниться в течение длительного периода времени и могут использоваться для медицинского исследования . Установленные узлы сети могут также отслеживать движения пожилых людей и, например, предупреждать падения . Эти узлы невелики и обеспечивают пациенту большую свободу передвижения, в тоже время позволяют врачам выявить симптомы болезни заранее . Кроме того, они способствуют обеспечению более комфортной жизни для пациентов в сравнении с лечением в больнице . Для проверки возможности такой системы на факультете медицины Grenoble–France был создан “Здоровый умный дом "". . Мониторинг врачей и пациентов в больнице: каждый пациент имеет небольшой и легкий узел сети. Каждый узел имеет свою конкретную задачу. Например, один может следить за сердечным ритмом, в то время как другой снимает показания кровяного давления. Врачи могут также иметь такой узел, он позволит другим врачам найти их в больнице. Мониторинг медикаментов в больницах: Узлы могут быть присоединены к лекарствам, тогда шансы выдачи неправильного лекарства, могут быть сведены к минимуму. Так, пациенты будут иметь узлы, которые определяют их аллергию и необходимые лекарства. Компьютеризированные системы, как описано в показали, что они могут помочь свести к минимуму побочные эффекты от ошибочной выдачи препаратов.

2.4. Применение в доме

Автоматизация дома: смарт-узлы могут быть интегрированы в бытовые приборы, например в пылесосы, микроволновые печи, холодильники и видеомагнитофоны . Они могут взаимодействовать друг с другом и с внешней сетью через Интернет или спутник. Это позволит конечным пользователям легко управлять устройствами дома как локально, так и удаленно. Умная окружающая среда: дизайн смарт-среды может иметь два различных подхода, т.е., ориентированного на человека или на технологии. В случае первого подхода, смарт-среда должна адаптироваться к потребностям конечных пользователей с точки зрения взаимодействия с ними. Для технологически-центрированных систем должны быть разработаны новые аппаратные технологий, сетевые решений, и промежуточные приложения. Примеры того, как узлы могут быть использованы для создания смарт-среды описана в . Узлы могут быть встроены в мебель и технику, они могут общаться друг с другом и сервером комнаты. Сервер комнаты может также общаться с другими серверами комнат, чтобы узнать о услугах, которые они могут предложить, например, печать, сканирование и работа с факсом. Эти сервера и сенсорные узлы могут быть интегрированы в существующие встраиваемые устройства и составлять самоорганизующиеся, саморегулируемые и адаптивные системы, основанные на модели теории управления, как описано в работе .

3. Факторы, влияющие на разработку моделей сенсорных сетей.

Разработка сенсорных сетей зависит от многих факторов, которые включают в себя отказоустойчивость, масштабируемость, издержек производства, вид операционной среды, топологию сенсорной сети, аппаратные ограничения, модель передачи информации и потребление энергии. Эти факторы рассматриваются многими исследователями. Однако ни в одном из этих исследований полностью не учтены все факторы, которые влияют на разработку сетей. Они важны, поскольку служат в качестве ориентира для разработки протокола или алгоритмов работы сенсорных сетей. Кроме того, эти факторы могут быть использованы для сравнения различных моделей.

3.1. Отказоустойчивость

Некоторые узлы могут выйти из строя из-за отсутствия энергии, физических повреждений или стороннего вмешательства. Отказ узла не должен повлиять на работу сенсорной сети. Это вопрос надежности и отказоустойчивости. Отказоустойчивость - способность поддерживать функциональность сенсорной сети без сбоев при выходу из строя узла . Надежность Rk(t) или отказоустойчивости узла моделируется в с помощью распределения Пуассона для определения вероятности отсутствия неисправности узла в период времени (0; t) Стоит обратить внимание на то, что протоколы и алгоритмы могут быть ориентированы на уровень отказоустойчивости, требуемый для построения сенсорных сетей. Если среда, в которой узлы размещены мало подвержена вмешательствам, то протоколы могут быть менее отакзоустоичивыми. Например, если узлы внедряются в дом, чтобы следить за влажностью и уровнем температуры, требования к отказоустойчивости может быть низким, поскольку такого рода сенсорные сети не могут выйти из строя и «шум» окружающей среды не влияет на их работу. С другой стороны, если узлы используются на поле боя для наблюдения, то отказоустойчивость должна быть высокой, поскольку наблюдения являются критически важными и узлы могут быть уничтожены во время военных действий. В результате, уровень отказоустойчивости зависит от применения сенсорных сетей и модели должны быть разработаны с учетом этого.

3.2. Масштабируемость

Количество узлов развернутых для изучения явления может быть порядка сотен или тысяч. В зависимости от приложения, число может достигать экстремальных значений (миллионов). Новые модели должны быть в состоянии работать с этим числом узлов. Они также должны использовать высокую плотность сенсорных сетей, которая может варьироваться от нескольких узлов до нескольких сотен на участке, который может быть меньше 10 м в диаметре . Плотность может быть рассчитана в соответствии с ,

3.3. Расходы на производство

Так как сенсорные сети состоят из большого количества узлов, то стоимость одного узла должна быть такой, чтобы оправдать общую стоимость сети. Если стоимость сети выше, чем развертывание традиционных датчиков, то она не экономически оправданна. В результате, стоимость каждого узла должна быть низкой. Сейчас стоимость узла с использованием Bluetooth-передатчика менее 10$ . Цена на PicoNode в районе 1$ . Следовательно, стоимость узла сенсорной сети должна быть гораздо меньше, чем 1 $ для экономической оправданности их использования. Стоимость Bluetooth-узла, который считается дешевым устройством, в 10 раз выше, чем средние цены на узлы сенсорной сети. Обратите внимание, что узел также имеет некоторые дополнительные модули, такие как модуль сбора данных и модуль обработки данных (описано в разделе 3.4.) Кроме того они могут быть оборудованы системой определения местонахождения или силовым генератором в зависимости от применения сенсорных сетей. В результате стоимость узла - сложный вопрос, учитывая количество функциональных возможностей даже при цена менее 1 $.

3.4. Аппаратные особенности

Узел сенсорных сетей состоят из четырех основных компонентов, как показано на рис. 1: блок сбора данных, блок обработки, передатчик и блок питания. Наличие дополнительных модулей зависит от применения сетей, например, могут быть модули определения местонахождения, силовой генератор и мобилизатор (MAC). Модуль сбора данных, как правило, состоят из двух частей: датчики и аналого-цифровой преобразователей (АЦП). Аналоговый сигнал, генерируемый датчиком на основе наблюдаемого явления, преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП, а затем подается в блок обработки. Модуль обработки, который использует интегрированную память, управляет процедурами, которые позволяют совместно с другими узлами выполнять поставленные задачи наблюдения. Блок передатчика (трансивер) соединяет узел с сетью. Одним из наиболее важных компонентов узла является блок питания. Блок питания может иметь возможность подзарядки, например, используя солнечные батареи.

Большинству узлов, передающих данные и собирающих данные, необходимо знать свое местоположение с высокой точностью. Поэтому в общую схему включен модуль определения местоположения. Иногда может понадобиться мобилизатор, который при необходимости перемещает узел, когда это необходимо для выполнения поставленных задач. Все эти модули, возможно, потребуется разместить в корпус размером со спичечный коробок . Размер узла может быть меньше кубического сантиметра и достаточно легким, чтобы оставаться в воздухе. Помимо размера, есть некоторые другие жесткие ограничения для узлов. Они должны :
потребляют очень мало энергии,
работать с большим количеством узлов на малых расстояниях,
иметь низкую стоимость производства
быть автономными и работать без присмотра,
адаптироваться к окружающей среде.
Поскольку узлы могут становиться недоступными, жизни сенсорной сети зависит от питания отдельных узлов. Питание ограниченный ресурс и из-з а ограничений по размеру. Например, общий запас энергии смарт-узла составляет порядка 1 Дж . Для беспроводной интегрированной сети датчиков (WINS) средний уровень заряда, для обеспечения длительного времени работы должен быть меньше 30 LA. Возможно, продлить срок службы сенсорных сетей используя подзаряжаемые батареи , например, получая энергию из окружающей среды. Солнечные батареи – яркий пример использования подзарядки. Модуль передачи данных узла может быть пассивным или активным оптическим устройством, как в смарт-узле или радиочастотным (RF) передатчиком. Для радиочастотной передачи нужен модуль модуляции, который использует определенную полосу пропускания, модуль фильтрация, демодуляция, что делает их более сложными и дорогими. Кроме того, возможны потери при передаче данных между двумя узлами из-за того, что антенны распложены близко к земле . Тем не менее, радиосвязь является предпочтительной в большинстве существующих проектов сенсорных сетей, так как частот передачи данных низкие (как правило, менее 1 Гц) , а частота циклов передачи высока из-за малых расстояний. Эти характеристики позволяют использовать низкие радиочастоты. Однако, проектирование энергоэффективных и низкочастотных радиопередатчиков по-прежнему является технически сложной задачей, а существующие технологии, которые используются при производстве Bluetooth устройства, не является достаточно эффективным для сенсорных сетей, поскольку потребляют много энергии . Хотя в настоящее процессоры постоянно уменьшают свои габариты и увеличивают мощность, обработка и хранения данных узлом по-прежнему является его слабым местом. Например, модуль обработки смарт-узла состоит из процессора 4 МГц Atmel AVR8535, микроконтроллера с 8 Кбайт для инструкций, флэш-памяти, 512 байт RAM и 512 байт EEPROM . В этом модуле, который имеет 3500 байт под ОС и 4500 байт свободной памяти под код, используется операционная система TinyOS. Модуль обработки другого прототипа узла lAMPS имеет процессор SA-1110 с частотой 59-206 МГц . На узлах IAMPS используется многопоточная операционная система L-OS. Большинство задач сбора данных требуют знаний позиции узла. Поскольку узлы, как правило, располагаются случайным образом и без надзора, они должны кооперироваться с помощью системы определения местоположения. Определение местоположения используется во многих протоколах маршрутизации сенсорных сетей (подробнее в разделе 4). Некоторые предлагают, чтобы каждый узел имел модуль системы глобального позиционирования (GPS), который работает с точностью до 5 метров . В работе утверждается, что оснащение всех узлов GPS не обязательно для работы сенсорных сетей. Есть альтернативный подход, где только некоторые узлы используют GPS и помогают другим узлам, определить свое положение на местности.

3.5. Топология сети

Наличие того факта, что узлов могут стать недоступными и подвержены частым сбои, делают обслуживание сети сложной задачей. От сотни до нескольких тысяч узлов могут быть размещены на территории сенсорной сети. Они развертываются в десятке метров друг от друга . Плотность расположения узлов может быть и выше, чем 20 узлов на метр кубический . Плотное расположение множества узлов требует тщательного обслуживания сети. Мы рассмотрим вопросы, связанные с обслуживанием и изменением топологии сети в три этапа:

3.5.1. Предварительное развертывание и само развертывание узлов может заключаться в массовом разбросе узлов или установке каждого по отдельности. Они могут быть развернуты:

Разбросом с самолета,
посредством помещения в ракету или снаряд
выброшены посредством катапульты (например, с корабля и т.д.),
размещение на заводе
каждый узел размещен по отдельности человеком или роботом.
Несмотря на то, что огромное количество датчиков и их автоматическое развертывание обычно исключает размещение их в соответствии с тщательно разработанным планом, схемы для первоначального развертывания должны:
сокращать расходы на монтаж,
устранять необходимость в какой-либо предварительной организации и предварительном планировании,
повышать гибкости размещения,
способствовать самоорганизации и отказоустойчивости.

3.5.2. Фаза после развертывания сети

После развертывания сети, изменение ее топологии связано с изменением характеристик узлов . Перечислим их:
положение,
доступность (из-за помех, шума, движущихся препятствий, и т.д.),
заряда батареи,
неисправности
изменение поставленных задач.
Узлы могут быть развернуты статически. Однако, отказ устройств является обычным явлением в связи с разрядкой батареи или уничтожения. Возможны сенсорные сети с высокой подвижностью узлов. Кроме того, узлы и сети выполняют различные задачи и могут быть подвергнуты преднамеренным помехам. Таким образом, структура сенсорной сети склонна к частым изменениям после развертывания.

3.5.3. Фаза развертывания дополнительных узлов

Дополнительные узлы могут быть добавлены в любой момент для замены неисправных узлов или в связи с изменением задач. Добавление новыхузлов создает необходимость реорганизации сети. Борьба с частыми изменениями в топологии одноранговой сети, которая содержит множество узлов и имеет очень жесткие ограничения по энергопотреблению, требует специальных протоколов маршрутизации. Этот вопрос подробнее рассмотрен в разделе 4.

3.6. Окружающая среда

Узлы плотно располагаются очень близко или непосредственно внутри наблюдаемого явления. Таким образом, они работают без присмотра в удаленных географических районах. Они могут работать
на оживленных перекрестках,
внутри больших машин,
на дне океана,
внутри торнадо,
на поверхности океана во время торнадо,
в биологически и химически загрязненных областях
в поле боя,
в доме или большое здание,
на большом складе,
прикрепленными к животным,
прикрепленными к быстро движущимся транспортным средствам
в канализации или реке вместе с потоком воды.
Этот список дает представление о том, при каких условиях узлы могут работать. Они могут работать под высоким давлением на дне океана, в суровых условиях, среди мусора или в поле боя, при экстремальных температурах, например в сопле двигателя самолета или в арктических регионах, в очень шумных местах, где много помех.

3.7. Способы передачи данных

В сенсорной сети multi-hop, узлы общаются посредством беспроводной связи. Связь может осуществляться посредством радио, ИК-порта или оптических носителей. Для того чтобы глобально использовать эти способы среда передачи должна быть доступна во всем мире. Один из вариантов радиосвязи является использование промышленных, научных и медицинских полос (ISM), которые доступны без лицензий в большинстве стран. Некоторые виды частот, которые могут быть использованы, описаны в международный таблица частот, содержащейся в статье S5 о регламенте радиосвязи (том 1). Некоторые из этих частот, уже используются в беспроводной телефонии и беспроводных локальных сетях (WLAN). Для сенсорных сетей малого размера и низкой стоимости, усилитель сигнала не требуется. Согласно , аппаратные ограничения и нахождения компромисса между эффективностью антенны и потреблением энергии накладывают определенные ограничения на выбор частоты передачи в диапазоне сверхвысоких частот. Они также предлагают использование частоты 433 МГц ISM в Европе и 915 МГц ISM в Северной Америке. Возможные модели передатчиков для этих двух зон рассматриваются в . Основными преимуществами использования радио частот ISM является широкий спектр частот и доступность по всему миру. Они не привязаны к конкретному стандарту, тем самым дают большую свободу для реализации энергосберегающих стратегий в сенсорных сетях. С другой стороны, существуют различные правила и ограничения, такие как различные законы и помехи от существующих приложений. Эти полосы частот также называют нерегулируемыми частотами. Большинство из современного оборудования для узлов основывается на использовании радиопередатчиков. Беспроводные узлы IAMPS, описанной в , использует Bluetooth-совместимые передатчики с частотой 2,4 ГГц и имеют интегрированный синтезатор частоты. Устройство маломощных узлов описано в работе , они использует один канал радиопередачи, который работает на частоте 916МГц. В архитектуре WINS также используется радиосвязь. Другой возможный способ связи в сенсорных сетях является ИК-порт. ИК-связь доступна без лицензии и защищена от помех электрических приборов. ИК-передатчики дешевле и проще в производстве. Многие из сегодняшних ноутбуков, КПК и мобильных телефонов используют ИК-интерфейс для передачи данных. Основным недостатком такой связи, это требование прямой видимости между отправителем и получателем. Это делает ИК-связь нежелательной для использования в сенсорных сетях из-за среды передачи. Интересный способ передачи используют смарт-узыл, которые являются модулями автоматического мониторинга и обработки данных. Они используют для передачи оптическую среду. Есть две схемы передачи, пассивная с использованием corner-cube retroreflector (CCR) и активная с использованием лазерного диода и управляемых зеркал (рассмотрено в ). В первом случае не требуется интегрированный источник света, для передачи сигнала используется конфигурации из трех зеркал (CCR). Активный метод использует лазерный диод и систему активной лазерной связи, для отправки световых лучей предполагаемому приемнику. Необычные требования к применению сенсорных сетей делают выбор среды передачи сложной. Например, морские приложения требуют использования водной среде передачи. Здесь нужно использовать длинноволновые излучения, которые могут проникать сквозь поверхности воды. В труднодоступной местности или на поле боя могут возникнуть ошибки и больше помехи. Кроме того может оказаться что, антенны узлов не обладают нужной высотой и мощностью излучения для связи с другими устройствами. Следовательно, выбор передающей среды должны сопровождаться надежными схемами модуляции и кодирования, что зависеть от характеристик передающего канала.

3.8. Мощность потребления

Беспроводной узел, будучи микроэлектронным устройством, может быть оснащен только ограниченным источником питания (

3.8.1. Связь

Узел расходует максимум энергии на связь, которая предполагает как передачу, так и прием данных. Можно сказать, что для связи на небольшие расстояния с малой мощностью излучения передача и прием требуют примерно одинакового количества энергии. Синтезаторы частот, осцилляторы управления напряжением, фазы блокировки (PLL) и усилители мощности, все это требует энергии, ресурсы которой ограничены. Важно, что при этом мы не рассматриваем только активную мощность, также рассматривается и потребление электроэнергии при запуске передатчиков. Запуск передатчика занимает доли секунды, поэтому при этом потребляется ничтожно малое количество энергии. Это значение может быть сравнимо со временем блокировки PLL. Однако, при уменьшении передаваемого пакета, мощность запуска начинает доминировать в потреблении энергии. В итоге, неэффективно постоянно включать и выключать передатчик, т.к. большая часть энергии уйдет именно на это. В настоящее время радиопередатчики с низким энергопотреблением имеют стандартные значения Pt и Pr на уровне 20 дБм и Pout близкий к 0 дБм . Обратите внимание, что PicoRadio направленное на Pc составляет -20 дБм. Дизайн малогабаритных, недорогих, передатчиков обсуждается в источнике . Основываясь на их результатах, авторы данной статьи, учитывая бюджет и оценки энергопотребления считают, что значения Pt и Pr должны быть по меньшей мере на порядок меньше, чем значения, приведенные выше.

3.8.2. Обработка данных

Расход энергии при обработке данных значительно меньше в сравнении с передачей данных. Пример, описанный в работе фактически иллюстрирует это несоответствие. Основываясь на теории Рэлея, что при передаче четверть мощности теряется, можно сделать вывод о том, что расход энергии на передачу 1 КБ на расстояние 100 м буде примерно такой же, что и на выполнение 3 миллионов инструкций со скоростью 100 миллионов инструкций в секунду (MIPS)/W процессором. Следовательно, локальная обработка данных имеет решающее значение для минимизации потребления энергии в multi-hop сенсорной сети. Поэтому узлы должны иметь встроенные вычислительные возможности и быть способными взаимодействовать с окружением. Ограничения стоимости и размера приведет нас к выбору полупроводников (CMOS) в качестве основной технологи для микропроцессоров. К сожалению, они имеет ограничения на эффективность использования энергии. CMOS требует энергии каждый раз при смене состояния. Энергия, требуемая на смену состояний, пропорциональная частоте переключений, емкости (зависит от площади) и колебаниям напряжения. Следовательно, уменьшение напряжения питания является эффективным средством снижения потребления энергии в активном состоянии. Динамическое масштабирование напряжения рассмотренное в , стремится адаптировать питания и частоту процессора в соответствии с рабочей нагрузки. Когда на микропроцессор снижается вычислительная нагрузка, простое сокращение частоты дает линейное уменьшение потребляемой энергии, однако, уменьшение рабочего напряжения дает нам квадратичное снижение энергозатрат. С другой стороны не будет использоваться вся возможная производительность процессора. Это даст результат, если принять во внимание то, что пиковая производительность требуется не всегда и поэтому, рабочее напряжение и частота процессора может быть динамически адаптирована к требованиям обработки. В авторы предлагают схемы предсказания рабочей нагрузки, основанной на адаптивной обработки существующих профилей нагрузки и на анализе нескольких уже созданных схем. Другие стратегии снижения мощности процессора обсуждаются в . Следует отметить, что могут использоваться дополнительные схемы для кодирования и декодирования данных. Интегральные схемы также могут использоваться в некоторых случаях. Во всех этих сценариях, структура сенсорной сети, алгоритмы работы и протоколы зависят от соответствующих энергозатрат.

4. Архитектура сенсорных сетей

Узлы, как правило, расположены случайным образом по всей территории наблюдения. Каждый из них может осуществлять сбор данных и знает маршрут передачи данных обратно в центральный узел, конечному пользователю. Данные передаются с помощью multi-hop архитектуре сети. Центральный узел может общаться с менеджером задач через Интернет или спутник. Стек протоколов, используемый центральным узлом и всеми остальными узлами, приведен на рис. 3. Стек протоколов включают в себя информацию о мощности и информации о маршрутах, содержит данные о сетевых протоколах, помогает эффективно общаться посредствам беспроводной среды, и содействует совместной работе узлов. Стек протоколов состоит из уровня приложений, транспортного уровня, сетевого уровня, канального уровня, физического уровня, слоя управления питанием, слоя управления мобильностью и слоя планирования задач. В зависимости от задач по сбору данных, различные виды прикладного программного обеспечения могут быть построены на уровне приложений. транспортный уровень помогает поддерживать поток данных, если это требуется. Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию данных, предоставленных транспортным уровнем. Поскольку среда имеет посторонние шумы и узлы могут быть перемещены, протокол MAC должен минимизировать возникновение коллизий при передаче данных между соседними узлами. Физический уровень отвечает за возможность передачи информации. Эти протоколы помогают узлам выполнять задачи при экономии электроэнергии. Слой управления питанием определяет, как узел должен использовать энергию. Например, узел может отключить приемник после получения сообщения от одного из своих соседей. Это поможет избежать получения дубликата сообщения. Кроме того, когда узел имеет низкий заряд батареи он передает своим соседям информацию о том, что не может участвовать в маршрутизации сообщений. Всю оставшуюся энергию он будет использовать для сбора данных. Слой управления мобильностью (MAC) определяет и регистрирует передвижение узлов, поэтому всегда существует маршрут для передачи данных в центральный узел и узлы могут определять своих соседей. А зная своих соседей узел может сбалансировать энергопотребление работая совместно с ними. Менеджер задач планирует и составляет расписания сбора информации для каждого региона отдельно. Не все узлы в одном регионе необходимы для выполнения задач зондирования в одно и то же время. Как результат, некоторые узлы выполняют больше задач, чем другие, это зависит от их мощности. Эти все слои и модули необходимы для того чтобы узлы работали вместе и стремились к максимальной энергоэффективности, оптимизации маршрута передачи данных в сети, а также совместно использовали ресурсы друг друга. Без них, каждый узел будет работать индивидуально. С точки зрения всей сенсорной сети эффективнее, если узлы будут работать совместно друг с другом, что способствует продлению времени жизни самой сетей. Прежде чем обсуждать необходимость включения в протокол модулей и слоев управления, мы рассмотрим три существующих работы , посвященных стеку протоколов, который показан на рисунке 3. Модель WINS, рассмотренная в источнике , в которой узлы объединены в распределенную сети и имею доступ в Интернет. Так как большое количество узлов сети WINS расположены на малом расстоянии друг от друга, то multi-hop связи сводят потребление энергии к минимуму. Полученные узлом сведения об окружающей среде последовательно направляются в центральный узел или шлюз WINS через другие узлы так, как это показано на рис 2 для узлов A, B, C, D и Е. Шлюз WINS общается с пользователем через обычные сетевые протоколы, такие как Интернет. Стек протоколов сети WINS состоит из уровня приложений, сетевого уровень, MAC-слоя, и физического уровня. Смарт-узлы (или пылинки) . Данные узлы, могут быть присоединены к объектам или даже парить в воздухе благодаря их небольшим размерам и весу. Они используют технологию MEMS для оптической связи и сбора данных. Пылинки могут иметь солнечные батареи для подзарядки в течение дня. Они требуют прямой видимости для связи с оптическим передатчиком базовая станция или другой пылинки. Сравнивая архитектуру сети с пылинками с представленной на рисунке 2, можно сказать, что смарт-узлы, как правило, напрямую связывается с передатчиком базовой станции, но связь один к оному также возможна. При другом подходе к разработке протоколов и алгоритмов для сенсорных сетей обусловлен требованиями физического уровня . Протоколы и алгоритмы должны быть разработаны в соответствии с выбором физических компонентов, таких как тип микропроцессоров, и тип приемников. Такой подход («снизу вверх») используется в модели IAMPS и также рассматривает зависимость уровня приложений, сетевого уровня, MAC-слоя, и физического уровня от аппаратной начинки узла. Узлы IAMPS точно также взаимодействуют с конечным пользователем, как и в архитектуре показанной на рисунке 2. Различные схемы, например, с временным разделением каналов (TDMA) или с частотным разделением каналов (FDMA) и бинарной модуляцией или М-модуляцей сравниваются в источнике . Подход «снизу вверх» обозначает, что алгоритмы узла должен знать аппаратные средства и использовать возможности микропроцессоров и передатчиков для минимизации потребления энергии. Это может привести к разработке различных конструкций узла. А различные конструкции узлов приведут к различным типам сенсорных сетей. Что в свою очередь приведет к разработке различных алгоритмов их работы.

Литература

G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on the interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) 36–40.
J. Agre, L. Clare, An integrated architecture for cooperative sensing networks, IEEE Computer Magazine (May 2000) 106–108.
I.F. Akyildiz, W. Su, A power aware enhanced routing (PAER) protocol for sensor networks, Georgia Tech Technical Report, January 2002, submitted for publication.
A. Bakre, B.R. Badrinath, I-TCP: indirect TCP for mobile hosts, Proceedings of the 15th International Conference on Distributed Computing Systems, Vancouver, BC, May 1995, pp. 136–143.
P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, The mobile patient: wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care, Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 2000, pp. 17–21.
M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Upper bounds on the lifetime of sensor networks, IEEE International Conference on Communications ICC’01, Helsinki, Finland, June 2001.
P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Querying the physical world, IEEE Personal Communications (October 2000) 10–15.

На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети T sys = min i ∈ N T i (q c) . Максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга, работающих как независимо, так и в составе многоуровневых информационно-управляющих системах, в частности в системах мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени с узлами, распределенными на больших территориях и не имеющими проводных линий связи и линий электропитания.

Уровень техники

В настоящее время сенсорные сети все больше занимают свое место в приложениях мониторинга различных мест и событий. В связи с развитием технологии беспроводной связи появилась возможность развития беспроводных распределенных сенсорных сетей (РСС). Распределенные сенсорные сети отличаются от обычных сетей ограниченным энергоресурсом, низкой вычислительной мощностью, необходимостью более плотного расположения и низкой ценой одного узла. Эти особенности от других сетей (например, сотовых) определяют новые цели и задачи их применения. Беспроводные сенсорные сети получили широкое применение во многих сферах деятельности человека, и поэтому им сейчас уделяется огромное внимание.

Распределенная сенсорная сеть состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как: сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена батарей питания, требует значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до разрядки батареи. Это свойство сенсорных сетей является очень важным при разработке алгоритмов маршрутизации в РСС, позволяющих повысить эффективность расходования энергоресурса сети.

Так, существует множество способов экономии энергоресурсов узлов в сенсорной сети, и на фиг.1 приведена их классификация. Способы можно разделить на три большие группы - это сохранение энергии при помощи циклов работы, основанные на количестве передаваемой информации и на мобильности.

К циклам работы относят контроль топологии и управление энергопотреблением. Контроль топологии направлен на использование или уменьшение избыточных связей в сети в целях экономии ресурса. Управлять потреблением можно, применяя различные энергосберегающие протоколы управления доступом к среде передачи (МАС-протоколы) и режимы работы устройств. Второй класс способов сохранения энергоресурса основан на количестве передаваемой информации, а также на получении этой информации экономичными способами. Энергия, потраченная на обработку информации, несравнимо меньше требующейся энергии для ее передачи, поэтому используется внутрисетевая обработка данных, сжатие или предсказание данных. Также используются ретрансляторы для экономии электроэнергии узлов сенсорных сетей.

Методы маршрутизации можно разделить на следующие категории: прямая, иерархическая и маршрутизация в зависимости от географического положения.

Прямая маршрутизация подразумевает передачу сообщений от узла к узлу в сети, где каждый узел выполняет одинаковую функцию передачи и/или ретрансляции, в отличие от иерархической, где выделяется один или несколько узлов сбора и обработки информации. Недостаток прямой маршрутизации заключается в том, что сети, собирающие информацию с какой-то области, будут посылать множество избыточной информации, особенно при значительной плотности сенсорной сети. Для того чтобы избежать избыточности информации, используют специальные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от определенной области сети. Например, известен алгоритм Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN), где базовая станция посылает запрос к определенному региону сенсорной сети. Получив запрос, узлы области выполняют требование запроса, локально обмениваются данными и посылают обратно обобщенный ответ.

При иерархической маршрутизации для сбора и обработки требуется использовать узлы с большим запасом энергии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обработанных данных значительно меньшего объема, зачастую неприемлемо ввиду однородности используемых приборов или других трудностей. Для того чтобы не использовать специализированные узлы, существуют несколько технологий. Так, известна технология Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), когда функцию сбора принимают поочередно несколько узлов сенсорной сети, выбираемых по определенному алгоритму, тем самым распределяя нагрузку узла сбора.

Маршрутизация в зависимости от географического положения также еще называется геометрической маршрутизацией, потому что для нахождения маршрута используется геометрическое направление на базовую станцию. Также существует маршрутизация по виртуальным координатам, которые выстраиваются не только в зависимости от реального положения узла, но и учитывают естественные неровности поверхности, препятствия, уровень канала передачи и др.

Также известна многопотоковая маршрутизация, где доставка сообщения от одного узла возможна по нескольким путям. В последнее время большое внимание уделяется маршрутизации по запросу у базовой станции, например, на основе нахождения кратчайшего пути и поддержания его с учетом плохого канала и выхода из строя узлов. Однако узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети, под которым часто понимается время жизни первого вышедшего из строя узла. Поэтому имеется необходимость в создании технологии максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается тем или иным методом линейного программирования.

Так, в качестве близкого по сущности технического решения известен патент RU 2439812 C1, опубликован 2012-01-10, МПК H04W 36/00, где раскрыта самоконфигурируемая сенсорная сеть из множества датчиков и исполнительных устройств на основе маршрутизации в зависимости от географического положения. Сенсорная сеть состоит из центрального устройства обработки данных (ЦУОД) и N базовых станций (БС), расположенных равномерно или хаотически по границам территории покрытия сети, где БС имеют пространственную привязку к глобальным координатам позиционирования и содержат память для хранения значения коэффициента доверия, который представляет собой число в диапазоне от заданного минимального и максимального значений. Коэффициент доверия для БС устанавливают приблизительно равным максимальному значению. Внутри территории покрытия сенсорной сети равномерно или хаотически располагают М узлов, причем M>>N. Узлы оснащают памятью, предназначенной для хранения значений координат пространственной привязки, которую инициализируют случайными значениями в процессе производства, и для хранения коэффициента доверия, которую инициализируют значением, приблизительно равным минимальному значению коэффициента доверия. Каждый узел и БС устанавливают соединение не более чем с К соседними узлами и БС, причем значение К зависит от характеристик пропускной способности канала связи, характеристик быстродействия и энергопотребления микропроцессоров, входящих в их состав. После установления соединения узлы и БС выполняют операцию взаимного определения значений пространственных координат. Для этого каждый узел или БС циклически передает значения собственной памяти для хранения значений координат пространственной привязки и памяти для хранения значения коэффициента доверия. В каждом цикле обработки узел получает значения координат и коэффициентов доверия от всех соседних устройств, с которыми установлено соединение, и определяет расчетные значения собственных координат и собственного коэффициента доверия по методу взвешенного усреднения значений собственных координат и координат соседних устройств, используя в качестве весовых коэффициентов коэффициенты доверия самого устройства и соседних устройств. Таким образом, узлы сенсорной сети получают пространственную привязку. Для маршрутизации сообщения от ЦУОД к узлу с координатами (x, y, z) оно передает сообщение к одной или нескольким БС, ближайшим к требуемым координатам. Указанные БС передают сообщение ближайшим узлам, а узлы последовательно - своим ближайшим узлам в направлении вектора, направленного к требуемой точке (x, y, z). Узлы, пространственно привязанные к точкам, расположенным на расстоянии, не превышающем радиус чувствительности сенсорной сети r, воспринимают сообщение как адресованное им. Дальнейший арбитраж узлов для выбора окончательного адресата сообщения, а также отправку подтверждения о приеме сообщения производят по необходимости, исходя из технических требований к функционированию сети. Для маршрутизации сообщения от узла к ЦУОД узлы дополнительно оснащают памятью для хранения списка координат ближайших БС. Для передачи сообщения ЦУОД узел передает сообщение одному или нескольким соседним узлам в направлении вектора, направленного к точке с координатами БС, когда сообщение достигает БС, она передает сообщение непосредственно на ЦУОД и, при необходимости, отправляет в сторону передавшего узла сообщение о подтверждении передачи.

Недостатком такой самоконфигурируемой сенсорной сети и способа ее функционирования является сложность применяемого оборудования, связанная с необходимостью задавать и использовать координаты пространственной привязки узлов и базовых станций, а также такое решение не обеспечивает продолжительное время жизни всей сети в целом.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа можно предложить способ маршрутизации с максимальным временем жизни в беспроводной сети Ad-hoc, раскрытый в публикации Arvind Sankar and Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty-third Annual Joint Conference of the IEEE, Computer and Communications Societies, vol.2, p.p.1089-1097, где формулируется задача максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается методом линейного программирования, а именно предложен алгоритм, чтобы минимизировать сумму потенциальных функций всех очередей.

Недостатком такого способа является низкая эффективность, поскольку узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, часто быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети.

Таким образом, имеется необходимость в решении вышеуказанных проблем предшествующего уровня техники.

Сущность изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является, в частности: обеспечение эффективной маршрутизации и продление времени жизни беспроводной сенсорной сети для мониторинга различных объектов и параметров в режиме реального времени, где важна информация каждого узла, повышение функциональности, надежности и снижение стоимости использования систем для мониторинга. Использование предложенного решения позволит повысить эффективность эксплуатации контролируемого объекта за счет более продолжительного срока службы автономной батареи электропитания, что позволит регистрировать и передавать данные о параметрах объекта и/или окружающей среды в течение более продолжительного времени.

Сущность предложенного способа распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети заключается в применении нового алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения. Связь между упомянутыми узлами в сенсорной сети выполняется, например, по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому подходящему протоколу беспроводной связи. Распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M), который определяет набор упомянутых узлов и связи между ними, где N узлы сети, а М грани, также имеется К маршрутов. Информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, при этом время жизни T i каждого узла определяется как

Далее определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys

Таким образом, максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные узлы на основе его рассчитанного T i .

По меньшей мере, один узел источника содержит датчик измерения и мониторинга физических параметров (величин) с автономным питанием, который осуществляет мониторинг в заданной области сети и передачу сообщений (пакетов данных) с измеренными параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

Как вариант, в каждом узле для приведения данных мониторинга к единообразному виду могут выполнять первичную обработку полученных с датчиков физических параметров, например, путем их накопления в памяти, усреднения, аналого-цифрового преобразования в соответствующий код. В качестве измеряемых параметров для мониторинга, например, окружающей среды, используются различные параметры, такие как температура, давление, влажность, освещенность, задымление, уровень вибрации и др.

Как вариант, выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которые необходимо пройти до узла назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время передачи; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

Как вариант, в способе дополнительно осуществляют обновление значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимое при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

Как вариант, после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям (маршруту) реализуют при отправке пакета, каждый узел сети помещает адрес следующего узла в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровень).

Также предложена система распределенной балансировки трафика в распределенной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети согласно предложенному способу, содержащая: узел назначения, соединенный беспроводным каналом связи с узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник их питания, а узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

Как вариант, сенсорные модули могут быть разделены на группы, и каждая группа связана с узлом назначения беспроводной связью через свой приемопередатчик. Мониторинг экологических или промышленных параметров в реальном времени проводится точечно в заданной области, где первое подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга, а второе подмножество узлов источников выполняет только функции приемопередачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с первого подмножества узлов источников.

Эти и другие конструктивные и функциональные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания его вариантов, которые должны читаться совместно с чертежом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана известная классификация способов сохранения энергии узлов в сенсорной сети.

На фиг.2 показан алгоритм построения сенсорной сети на основе опроса.

На фиг.3 показана сенсорная сеть в виде графа G (N, M).

На фиг.4 показаны варианты определения маршрутов.

Подробное описание изобретения

Предложен алгоритм, на котором базируется технология автоматизированного сбора и передачи данных посредством предложенной РСС (сети автономных беспроводных самоорганизующихся мобильных устройств) на единую точку для построения модели исследуемого объекта или пространства. Данная модель преимущественно может быть использована для построения сетей мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени, мониторинга состояния в жизненном цикле зданий и сооружений, при проектировании и построении рекреационных зон и объектов санитарно-курортного строительства, а также в других различных областях автомобильной индустрии, на железнодорожном транспорте, в дорожном строительстве, в медицине.

Предложенное изобретение позволяет существенно повысить функциональность, надежность и снизить стоимость использования таких систем для мониторинга. Снижение стоимости неразрывно связано с конструктивной, функциональной и программной унификацией частей, из которых строится система, что предполагает тщательный анализ требований и проведение исследований способов построения универсальной программно-аппаратной платформы для создания систем мониторинга экологического состояния среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Для этого исследуются различные параметры: температура, давление, влажность, освещенность, задымление, вибрация, которые собираются посредством самоорганизующихся сенсорных сетей. РСС состоит из конечных устройств, промежуточных роутеров, координатора сети и выделенной точки сбора данных, иногда такую точку называют шлюзом сети, она служит для конвертации данных из радиоканала в сеть, организованную на оптических или медных проводах - Ethernet. Датчики сбора физических параметров крепятся к узлам сети - конечным устройствам, которые через координатор сети выстраиваются в единую структуру, например, посредством протокола ZigBee. Это позволяет развернуть сеть для мониторинга за короткий промежуток времени с минимальными затратами и достаточно высокой надежностью.

Каждый узел РСС снабжен автономным источником питания, что позволяет устанавливать их в труднодоступных местах для снятия требуемых показаний с минимальными трудозатратами. Особенностью предложенного изобретения является создание уникального масштабируемого программно-аппаратного обеспечения, состоящего из необходимого для внедрения набора модулей, позволяющего управлять устройствами для максимально возможного времени работы, и при этом формировать в автоматическом режиме достоверную модель пространственной гетерогенной среды. Связь между устройствами происходит по радиоканалу в различных стандартах связи, в том числе по протоколу Zigbee, в нелицензируемом диапазоне частот или по мобильной цифровой радиосети. Собранные для обработки данные позволяют использовать такую систему для построения экологической 3D модели исследуемой среды/пространства или исследуемого объекта, существенно сократив объем требуемого времени на обработку и получение информации и денежных ресурсов. Суть предложенного алгоритма, названного two ladder-logic, заключается в управлении элементами РСС, позволяющего балансировать нагрузкой на узлах сети таким образом, чтобы передаваемые данные отправлялись на ближайший узел сети не случайным образом, а на тот, который обладает наибольшим запасом энергии в текущий момент времени. Используемый алгоритм функционирования РСС позволяет изменять нагрузку на узлы сети таким образом, что вся сеть остается работоспособной максимально продолжительное время.

Применение РСС может обеспечить получение значительных преимуществ как в технологическом, так и в экономическом аспекте, перед традиционными системами сбора и обработки данных. Принципиальное возрастание производительности сбора и обработки цифровой телеметрии, достигаемое за счет использования РСС, позволяет агрессивно внедряться в рынок и перейти на технологические решения нового поколения, тем самым становится возможным и легко реализуемым появление новых автоматизированных систем, действующих в реальном времени на основе облачных технологий. По мере развития технологии должен произойти переход от соединенных локальных сетей мониторинга к крупномасштабным системам мониторинга, наблюдения и предсказания, основанным на беспроводной РСС.

На фиг.2 показан пример маршрутизации и построения сенсорной сети на основе опроса. РСС состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и малогабаритный источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена автономной батареи, требуют значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до истощения батареи питания.

Алгоритм маршрутизации позволяет строить маршрут на основании запросов и ответов. Координатор сети 1 отправляет широковещательный запрос HELLO и принимает ответы от маршрутизатора (роутера) 2. Каждый маршрутизатор также отправляет широковещательный запрос и получает ответы от соседних устройств, это могут быть другие маршрутизаторы или конечные устройства 3. На основе принятых ответов (силе сигнала, времени ответа и других параметров) координатором выстраивается таблица маршрутизации на каждом маршрутизаторе. Далее, выбор маршрута осуществляется в стандартном алгоритме путем определения весового графа с минимальным суммарным значением.

Как правило, сенсорные узлы оборудуются однотипными устройствами с определенным набором функций. После установки, в процессе эксплуатации сенсорные узлы должны сами организоваться в коммуникационную сеть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения поставленной задачи. Маршрутизация также происходит в автоматическом режиме. Помимо первичной маршрутизации, требуется еще регулярное перестроение сети, потому что устройства могут терять канал связи или выходить из строя по причинам, связанным с внешними или внутренними факторами.

Работа каждого сенсорного узла направлена на измерение различных параметров среды, например температуры, давления, освещенности, влажности, задымления, уровня вибрации и др. Такое разнообразие параметров влечет за собой различные сферы применения, например сбор данных и мониторинг окружающей среды, мониторинг различных производственных объектов, размещенных как в отдельном здании, так и на большой территории, объектов нефтегазовой промышленности, транспортных объектов, военные применения и др. Сенсорные сети выполняют различные задачи, которые можно грубо разделить на две категории. Первая категория задач связана с детекцией событий, которые происходят очень редко, но требуют немедленного оповещения и/или обнаружения местонахождения. Во вторую категорию (мониторинг) входят задачи непрерывного измерения какой-либо величины в течение длительного промежутка времени. Здесь время задержки может быть равно характерному времени изменения измеряемого параметра. Мониторинг может проводиться точечно по какой-либо площади, при точечном измерении основная часть узлов играет роль передатчиков, и лишь незначительная часть узлов непосредственно осуществляет мониторинг.

Предложен алгоритм маршрутизации с балансировкой трафика в распределенной сенсорной сети. Для этого, распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M) с N узлами и М гранями, который представляет набор существующих узлов и возможные связи между ним, как показано на фиг.3. Каждый i-й узел изначально имеет запас энергии E i . Каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j. Считается, что есть К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c .

Время жизни T i каждого узла будет равняться в такой системе

Согласно используемому алгоритму определяется таблица маршрутизации координатором на каждом узле. Выстраивается вектор передачи сообщения. Далее проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Таким образом, целью является экономия суммарно затраченной энергии во всей сети на передачу одного пакета. Это эффективно для сетей передачи данных, когда время жизни сети определяется временем, в течение которого сеть способна передавать сообщения.

В сетях, где каждый узел осуществляет одновременно две функции: измерение какой-то величины и передачу сообщений, то есть сенсорная сеть выполняет функцию мониторинга физических величин в заданной области, для полноты картины важно значение каждого узла.

Тогда время жизни всей системы T sys определим как:

Задача максимизации времени жизни будет выглядеть: maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей системы необходимо распределять маршруты для передаваемой информации. Суть предложенного способа маршрутизации с балансировкой трафика в РСС состоит в том, что выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, которые могут быть задействованы при передаче данных. Иначе говоря, из возможных вариантов маршрута движения пакета данных исключаются наиболее затратные прыжки-хопы (транзитный участок или переход в сети между двумя узлами сети, по которому передается трафик), тем самым экономится энергия на каждом узле и снижается вероятность выхода узла из строя, что исключает крах всей сети измерений из-за того, что один узел уже перестал выполнять актуальные замеры.

Выбор варианта маршрута (показан на фиг.4) при формировании и обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как: длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до пункта назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время пересылки; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

После построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям алгоритм реализует тем, что при отправке пакета через маршрутизатор каждый узел локальной сети помещает в заголовок пакета на МАС-уровне адрес следующего получателя. Таким образом, в приведенном примере на фиг.3, исходя из минимума суммарных затрат (веса/цены) на узлах (фиг.4) будет выбран маршрут 1, с суммой затрат веса/цены - 9, как самой минимальной величины. Тем самым прохождение трафика по узлам маршрута 1 приведет в скорейшем времени к полному энергетическому истощению узла 4, что выведет из строя эти узлы и исключит возможность сбора параметров в нужных точках исследования.

Однако при использовании предложенного распределенного алгоритма балансировки трафика на основе весовых коэффициентов будет выбран маршрут 2, что позволит сенсорной сети существовать на порядок дольше. Такое возможно за счет того, что нагрузка на все узлы, в случае предложенного алгоритма, распределяется более планомерно по все узлам сети.

Предложенное изобретение может быть реализовано с использованием различных функциональных и/или аппаратных средств, программного обеспечения, процессоров специального назначения и/или их комбинации. Предпочтительно изобретение реализуется как комбинация аппаратных средств и программного обеспечения. Программное обеспечение предпочтительно реализуется как прикладная программа, материально осуществленная на устройстве хранения/считывания программ. Прикладная программа может быть выгружена или приведена в исполнение посредством ЭВМ, содержащей любую архитектуру, и реализуется на вычислительной платформе, имеющей аппаратные средства: один или более центральных процессоров, оперативное запоминающее устройство и интерфейсы ввода-вывода. Вышеописанные различные варианты осуществления изобретения представлены только для понимания и в качестве примера и не должны ограничиваться этими примерами.

1. Способ распределенной балансировки трафика на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети,
при этом распределенная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), который характеризует набор упомянутых узлов и связи между ним, где N узлы сети, а M грани, имеется К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j,
при этом время жизни T i каждого узла определяется как

определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения,
проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys

при этом максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника размещен датчик с автономным питанием, который осуществляет измерение и мониторинг физических параметров в заданной области и передачу пакетов данных с измеренными физическими параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве датчиков используются датчики измерения физических параметров для мониторинга окружающей среды на основе контроля следующих параметров: температуры, давления, влажности, освещенности, задымления, уровня вибрации.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника выполняют первичную обработку физических параметров, полученных с упомянутых датчиков, например, накопление, усреднение, аналого-цифровое преобразование.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, связь между узлами в сенсорной сети выполняется по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому протоколу беспроводной связи.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канале связи между узлом источника и узлом назначения содержится маршрутизатор, который взаимодействует с этими узлами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до узла назначения, пропускная способность канала связи, прогнозируемое суммарное время передачи, количество остаточной энергии на узле, стоимость канала связи.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным маршрутам реализуют при отправке пакета, где каждый узел сети помещает в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровне) адрес следующего узла.

9. Способ по любому из пп.1, 6, 7, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап обновления значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимый при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

10. Система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети для мониторинга физических параметров согласно способу по любому из пп.1-9, содержащая множество узлов источника, соединенных между собой, и узел назначения, соединенный с, по меньшей мере, одним узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник питания, сенсорные модули разделены на группы и каждая группа связана с узлом назначения через свой приемопередатчик, при этом узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что мониторинг проводится точечно в заданной области, где, по меньшей мере, одно подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга посредством своих датчиков физических параметров, а другое подмножество узлов источников выполняет посредством своих приемопередатчиков только функции приемо-передачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с упомянутого подмножества узлов источников.

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для расширенной координации помех между ячейками. Технический результат - обеспечение возможности пользовательскому оборудованию идентифицировать защищенные ресурсы с уменьшенной помехой от соседних ячеек.

Изобретение относится к беспроводной связи и предназначено для того, что бы сигнал относительного предоставления и сигнал абсолютного предоставления могли быть обработаны на основании соотношения между относительным предоставлением и абсолютным предоставлением.

Изобретение относится к радиосвязи. Технический результат заключается в предоставлении в отчете информации, относящейся к состоянию канала в произвольной частотной полосе пропускания из множества частотных полос пропускания, и увеличении пропускной способности.

Изобретение относится к беспроводной связи и может быть использовано для определения аппаратурного шума. Технический результат - повышение точности определения значения аппаратурного шума, что обеспечивает решение проблемы, заключающейся в том, что результаты фиксированного измерения являются неточными из-за изменения аппаратурного шума вследствие изменения температуры.

Изобретение относится к беспроводной связи. Технический результат состоит в обеспечении нескольких уровней точности обратной передачи, гибком конфигурировании обратной передачи с различной точностью в соответствии с конкретными потребностями и эффективном использовании служебных данных обратной передачи.

Изобретение относится к системе беспроводной связи и предназначено для уменьшения вероятности интерференции между слоями, соответствующими различным потокам кодовых слов, и улучшения точности оценки каналов.

Изобретение относится к беспроводным системам. Технический результат - улучшение надежности приема HARQ-ACK, когда оно кодировано с использованием блочного кода относительно того, когда оно кодировано с использованием кода с повторением.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении идентификации точек доступа (фемто-ячеек), присутствующих в заданной области (области покрытия заданной макро-ячейки). Конфликт, возникающий в результате назначения одинаковых идентификаторов множеству узлов, разрешается путем использования способов детектирования конфликта и применения уникальных идентификаторов для этих узлов. В некоторых аспектах точка доступа и/или терминал доступа может выполнять операции, связанные с детектированием конфликта и/или предоставлением уникального идентификатора для разрешения конфликта. 4 н. и 29 з. п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении хендовера между доменами с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. Изобретение предназначено для обнаружения события активизации функции поддержки непрерывности речевого вызова с одним радиоинтерфейсом, указывающего на выполнение хэндовера пользовательского оборудования между доменом с коммутацией пакетов и доменом с коммутацией каналов (4A); для приостановки работы радиоканалов сигнализации плоскости управления согласно процедуре перемещения обслуживающей подсистемы радиосети (4B); для сброса приостановленных радиоканалов сигнализации (4C) и для возобновления работы приостановленных радиоканалов сигнализации в домене, в который передано обслуживание, при этом процедура возобновления работы включает защиту радиоканалов сигнализации плоскости управления домена, в который передано обслуживание, с использованием того же преобразованного ключа защиты, который применяется для шифрования каналов радиодоступа плоскости пользователя в домене, в который передано обслуживание (4D). 4 н. и 12 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу и устройству в системе связи, в частности, чтобы обеспечивать обратно совместимую собственную транзитную передачу в усовершенствованной сети универсального наземного радиодоступа (E-UTRAN). Техническим результатом является исключение или уменьшение помех, возникающих, когда линия связи самостоятельной транзитной передачи между донорным усовершенствованным узлом B (eNB) и ретрансляционным узлом (RN) и линиями радиодоступа в соте работают в одном частотном спектре. Указанный технический результат достигается тем, что создают, по меньшей мере, одно прерывание в упомянутых передачах по нисходящей линии связи из RN, по меньшей мере, в один мобильный терминал (UE); принимают передачи из донорного eNB в течение упомянутого, по меньшей мере, одного прерывания, при этом упомянутые передачи осуществляются в перекрывающихся полосах частот, и при этом упомянутое, по меньшей мере, одно прерывание создается посредством использования формата субкадра многоадресной/ широковещательной одночастотной сети (MBSFN-субкадра). 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении выравнивания нагрузки в точках доступа. Сотовая точка доступа из числа множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа принимает из первого устройства пользователя запрос попытки соединения, который приведет к превышению данной точкой доступа первой заданной пороговой величины пропускной способности. Сотовая точка доступа выбирает одно из ранее соединенных устройств пользователя и соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа. Сотовая точка доступа инициирует хендовер выбранного одного из ранее соединенных устройств пользователя в соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа и устанавливает соединение с первым устройством пользователя. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к системам связи, в частности, для передачи данных с использованием размера данных с фиксированной длиной или переменной длиной. Технический результат заключается в усовершенствовании управления потоком данных. Указанный технический результат достигается тем, что мобильная система передачи данных включает в себя устройство управления и устройство базовой станции. Передачу данных между устройством управления и устройством базовой станции выполняют, используя размер данных фиксированной длины и размер данных переменной длины, при этом передают в устройство базовой станции сообщение запроса установки радиоканала (RADIO LINK SETUP REQUEST), которое инициирует процедуру установки радиоканала, при этом указанное сообщение включает в себя информацию о формате размера модуля данных протокола на уровне управления радиоканалом (RLC PDU); и отменяют процедуру, если сообщение RADIO LINK SETUP REQUEST не включает в себя информацию Maximum выделенный подуровень управления доступом к среде (MAC-d) PDU Size Extended, и информация о формате размера указывает, что размер данных RLC PDU имеет переменную длину. 7 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для синхронизации времени. Способ, осуществляемый в системном узле, обменивающемся информацией с группой базовых станций, каждая из которых содержит соответствующие внутренние часы, заключается в обеспечении каждой из базовых станций информацией о времени и получении от них такой информации, в формировании эталонного системного времени на основе, по меньшей мере, информации о времени, и в обеспечении одной из базовых станций, соответствующие внутренние часы которой не синхронизированы с внешней эталонной шкалой времени, информацией по синхронизации времени для синхронизации внутренних часов этой базовой станции с эталонным системным временем. Технический результат - синхронизации времени базовых станций, которые не получают сигнал от глобальной навигационной спутниковой системы. 5 н. и 40 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к беспроводной связи. Техническим результатом является обеспечение устойчивости соединений и экономии заряда батареи при использовании объединения несущих. Мобильная станция UE настоящего изобретения представляет собой мобильную станцию, осуществляющую связь с базовой радиостанцией, используя две или более несущих, включающих первую несущую и вторую несущую, причем указанная мобильная станция включает первый модуль связи, выполненный с возможностью осуществления связи на первой несущей, и модуль измерения второй несущей, выполненный с возможностью осуществления измерения второй несущей; при этом первый модуль связи выполнен с возможностью, если задан измерительный промежуток для измерения второй несущей, осуществления связи на первой несущей, не принимая во внимание указанный измерительный промежуток, когда вторая несущая активирована, и отказа от осуществления связи на первой несущей в указанном измерительном промежутке, когда вторая несущая не активирована. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи. Техническим результатом является простое и эффективное получение управляющим узлом в сети радиосвязи информации о качестве в сети радиосвязи. Раскрыто пользовательское устройство, имеющее режимы работы, представляющие собой, по меньшей мере, подключенный режим (CONN) и режим ожидания (IDLE), содержащее измерительный модуль, выполненный с возможностью измерения качества радиосвязи в режиме ожидания в соответствии с информацией о задании измерения, указывающей, что пользовательское устройство заранее настроено на сообщение измеренного значения качества радиосвязи в базовую станцию, модуль хранения, выполненный с возможностью хранения информации о задании измерения и измеренного значения качества радиосвязи, измеренного измерительным модулем, и передающий модуль, выполненный с возможностью, если удовлетворено заранее заданное условие о сообщении (условие наличия записи), передачи индикатора, указывающего на наличие измеренного значения качества радиосвязи, в базовую станцию в подключенном режиме и, в ответ на запрос из базовой станции, передачи сигнала сообщения, содержащего измеренное значение качества радиосвязи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G, где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Qc и передается по каналу связи C со скоростью qc, причем i-й узел имеет запас энергии Ei, а каждая грань ij имеет весцену eij, которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни Ti каждого узла определяется как. На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети Tsysmini∈N Ti. Максимизация времени жизни определяется как maximize Tsys, и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Распределенные сенсорные сети. Беспроводные сенсорные сети. Исследование возможности проведения натурного эксперимента

Что такое беспроводные сенсорные сети?

Основные принципы работы

Аппаратное обеспечение и стандарты

Программное обеспечение беспроводной сенсорной сети

Операционная система

Прикладные программы для визуализации

Преимущества использования

Область применений

Автоматизация зданий:

Промышленная автоматизация:

Методы увеличения времени жизни БСС

Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС

Метод решения задачи планирования движения стока

Исследование возможности проведения натурного эксперимента

Похожие диссертации на Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком