Войти
Типичная архитектура узла датчика. A сенсорный узел, также известный как пылинка (в основном в Северной Америке ), представляет собой узел в сенсорной сети, способный выполнять некоторая обработка, сбор сенсорной информации и обмен данными с другими подключенными узлами в сети. Сучка - это узел, но узел не всегда бывает соринкой. [1]
Хотя узлы беспроводных датчиков существуют уже несколько десятилетий и используются для таких разнообразных приложений, как измерения землетрясений Для ведения войны современные разработки небольших сенсорных узлов восходят к проекту 1998 Smartdust и проекту NASA Sensor Webs. Одной из целей проекта Smartdust было создание автономного зондирования и связи в пределах кубического миллиметра пространства. Хотя этот проект закончился рано, он привел к большему количеству исследовательских проектов. В их число входят крупные исследовательские центры в Беркли NEST и CENS. Исследователи, участвовавшие в этих проектах, придумали термин «пылинка» для обозначения сенсорного узла. Эквивалентный термин в проекте NASA Sensor Webs для физического сенсорного узла - pod, хотя сенсорный узел в Sensor Web может быть самим другим Sensor Web. Физические сенсорные узлы смогли увеличить свои возможности в соответствии с законом Мура. Посадочное место на микросхеме содержит более сложные микроконтроллеры с низким энергопотреблением. Таким образом, при той же занимаемой площади узла в него можно уместить больше кремниевых возможностей. В настоящее время основное внимание уделяется обеспечению максимальной дальности беспроводной связи (десятки км), минимальному энергопотреблению (несколько мкА) и простейшему процессу разработки для пользователя.
Основные компоненты сенсорного узла: микроконтроллер, приемопередатчик, внешняя память, источник питания и один или несколько датчиков.
Контроллер выполняет задачи, обрабатывает данные и управляет функциональностью других компонентов в узле датчика. Хотя наиболее распространенным контроллером является микроконтроллер, другие альтернативы, которые можно использовать в качестве контроллера: рабочий стол микропроцессор общего назначения, процессоры цифровых сигналов., ПЛИС и ASIC. Микроконтроллер часто используется во многих встроенных системах, таких как узлы датчиков, из-за его низкой стоимости, гибкости для подключения к другим устройствам, простоты программирования и низкого энергопотребления. Микропроцессор общего назначения обычно имеет более высокое энергопотребление, чем микроконтроллер, поэтому он часто не считается подходящим выбором для сенсорного узла. Цифровые сигнальные процессоры могут быть выбраны для приложений широкополосной беспроводной связи, но в Wireless Sensor Networks беспроводная связь часто бывает скромной: то есть проще, легче обрабатывать модуляцию и задачи обработки сигналов фактического считывания данных менее сложны. Поэтому преимущества DSP обычно не имеют большого значения для беспроводных сенсорных узлов. ПЛИС можно перепрограммировать и перенастроить в соответствии с требованиями, но это требует больше времени и энергии, чем хотелось бы.
Приемопередатчик
Узлы датчиков часто используют диапазон ISM, что дает бесплатное радио, распределение спектра и глобальная доступность. Возможные варианты беспроводной передачи: радиочастота (RF), оптическая связь (лазер) и инфракрасный порт. Лазеры требуют меньше энергии, но для связи требуется прямая видимость, и они чувствительны к атмосферным условиям. Для инфракрасного излучения, как и для лазеров, не требуется антенна, но его возможности вещания ограничены. Связь на основе радиочастоты является наиболее подходящей для большинства приложений WSN. WSN обычно используют безлицензионные частоты связи: 173, 433, 868 и 915 МГц ; и 2,4 ГГц. Функции передатчика и приемника объединены в одном устройстве, известном как приемопередатчик . У трансиверов часто отсутствуют уникальные идентификаторы. Рабочие состояния: передача, прием, ожидание и спящий режим. Трансиверы текущего поколения имеют встроенные конечные автоматы , которые автоматически выполняют некоторые операции.
Большинство трансиверов, работающих в режиме ожидания, потребляют мощность, почти равную мощности, потребляемой в режиме приема. Таким образом, лучше полностью выключить трансивер, чем оставлять его в режиме ожидания, когда он не передает и не принимает. При переключении из спящего режима в режим передачи для передачи пакета требуется значительное количество энергии.
С точки зрения энергии наиболее важными видами памяти являются встроенная память микроконтроллера и флэш-память - вне кристалла RAM используется редко, если вообще используется. Флэш-память используется из-за их стоимости и емкости памяти. Требования к памяти во многом зависят от приложения. Две категории памяти в зависимости от цели хранения: пользовательская память, используемая для хранения прикладных или личных данных, и программная память, используемая для программирования устройства. Программная память также содержит идентификационные данные устройства, если они есть.
Беспроводной сенсорный узел - популярное решение, когда сложно или невозможно обеспечить сетевое питание на сенсорный узел. Однако, поскольку узел беспроводного датчика часто располагается в труднодоступном месте, регулярная замена батареи может быть дорогостоящей и неудобной. Важным аспектом при разработке беспроводного сенсорного узла является обеспечение постоянного наличия достаточной энергии для питания системы. Узел датчика потребляет энергию для обнаружения, связи и обработки данных. Для передачи данных требуется больше энергии, чем для любого другого процесса. Энергозатраты на передачу 1 Кбайт на расстояние 100 метров (330 футов) примерно такие же, как и при выполнении 3 миллионов инструкций процессором со 100 миллионами инструкций в секунду / Вт. Энергия хранится либо в батареях, либо в конденсаторах. Батареи, как аккумуляторные, так и неперезаряжаемые, являются основным источником питания сенсорных узлов. Они также классифицируются в соответствии с электрохимическим материалом, используемым для электродов, таким как NiCd (никель-кадмиевый), NiZn (никель-цинк), NiMH (никель- гидрид металла) и литий-ионный. Датчики тока могут возобновлять свою энергию от солнечных источников, радиочастот (RF), перепадов температуры или вибрации. Используются две политики энергосбережения: (DPM) и динамическое масштабирование напряжения (DVS). DPM экономит электроэнергию, отключая части сенсорного узла, которые в настоящее время не используются или не активны. Схема DVS изменяет уровни мощности в узле датчика в зависимости от недетерминированной рабочей нагрузки. Изменяя напряжение вместе с частотой, можно получить квадратичное снижение энергопотребления.
Датчики используются узлами беспроводных датчиков для сбора данных из своей среды. Это аппаратные устройства, которые дают измеримую реакцию на изменение физического состояния, такого как температура или давление. Датчики измеряют физические данные контролируемого параметра и обладают особыми характеристиками, такими как точность, чувствительность и т. Д. Постоянный аналоговый сигнал, создаваемый датчиками, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем и отправлены в контроллеры для дальнейшей обработки. Некоторые датчики содержат необходимую электронику для преобразования необработанных сигналов в показания, которые можно получить по цифровому каналу (например, I2C, SPI), а многие преобразуют в такие единицы, как ° C. Большинство сенсорных узлов имеют небольшой размер, потребляют мало энергии, работают с высокой объемной плотностью, автономны и работают без присмотра, а также могут адаптироваться к окружающей среде. Поскольку беспроводные сенсорные узлы обычно представляют собой очень маленькие электронные устройства, они могут быть оснащены только ограниченным источником питания менее 0,5–2 ампер-час и 1,2–3,7 вольт.
Датчики делятся на три категории: пассивные всенаправленные датчики; пассивные узконаправленные датчики; и активные датчики. Пассивные датчики воспринимают данные, фактически не манипулируя окружающей средой путем активного зондирования. Они имеют автономное питание; то есть энергия нужна только для усиления аналогового сигнала. Активные датчики активно исследуют окружающую среду, например, гидролокатор или радарный датчик, и им требуется постоянная энергия от источника питания. Датчики с узким лучом имеют четко определенное представление о направлении измерения, как у камеры. Всенаправленные датчики не имеют понятия о направлении, используемом в их измерениях.
Большинство теоретических работ по WSN предполагает использование пассивных всенаправленных датчиков. Каждый сенсорный узел имеет определенную зону покрытия, для которой он может надежно и точно сообщать о конкретной величине, которую он наблюдает. Несколько источников энергопотребления в датчиках: выборка сигналов и преобразование физических сигналов в электрические, преобразование сигналов и аналого-цифровое преобразование. Пространственная плотность сенсорных узлов в поле может достигать 20 узлов на кубический метр.
