قالب وبلاگ

مقدمه:

پيشرفت‌هاي اخير در زمينه الكترونيك و مخابرات بي‌سيم توانايي طراحي و ساخت حسگرهايي را با توان مصرفي پايين، اندازه كوچك، قيمت مناسب و كاربري‌هاي گوناگون داده است. اين حسگرهاي كوچك كه توانايي انجام اعمالي چون دريافت اطلاعات مختلف محيطي (بر اساس نوع حسگر) پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پيدايش ايده‌اي براي ايجاد و گسترش شبكه‌هاي موسوم به شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر WSN شده‌اند.

يك شبكه حسگر متشكل از تعداد زيادي گره‌هاي حسگري است كه در يك محيط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوري اطلاعات از محيط مي‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌هاي حسگري، از ‌قبل‌تعيين‌شده و مشخص نيست. چنين خصوصيتي اين امكان را فراهم مي‌آورد که بتوانيم آنها را در مکان‌هاي خطرناک و يا غيرقابل دسترس رها کنيم.

از طرف ديگر اين بدان معني است که پروتکل‌ها و الگوريتم‌هاي شبکه‌هاي حسگري بايد داراي توانايي‌هاي خودساماندهي باشند. ديگر خصوصيت‌هاي منحصر به فرد شبکه‌هاي حسگري، توانايي همكاري و هماهنگي بين گره‌هاي حسگري است. هر گره حسگر روي برد خود داراي يک پردازشگر است و به جاي فرستادن تمامي اطلاعات خام به مركز يا به گره‌اي که مسئول پردازش و نتيجه‌گيري اطلاعات است، ابتدا خود يك سري پردازش‌هاي اوليه و ساده را روي اطلاعاتي كه به دست آورده است، انجام مي‌دهد و سپس داده‌هاي نيمه پردازش شده را ارسال مي‌کند.

با اينكه هر حسگر به تنهايي توانايي ناچيزي دارد، تركيب صدها حسگر كوچك امكانات جديدي را عرضه مي‌كند. ‌در واقع قدرت شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر در توانايي به‌كارگيري تعداد زيادي گره كوچك است كه خود قادرند سرهم و سازماندهي شوند و در موارد متعددي چون مسيريابي هم‌زمان، نظارت بر شرايط محيطي، نظارت بر سلامت ساختارها يا تجهيزات يك سيستم به كار گرفته شوند.

گستره كاربري شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر بسيار وسيع بوده و از كاربردهاي كشاورزي، پزشكي ‌و صنعتي تا كاربردهاي نظامي را شامل مي‌شود. به عنوان مثال يكي از متداول‌ترين كاربردهاي اين تكنولوژي، نظارت بر يك محيط دور از دسترس است. مثلاً نشتي يك كارخانه شيميايي در محيط وسيع كارخانه مي‌تواند توسط صدها حسگر كه به طور خودكار يك شبكه بي‌سيم را تشكيل مي‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شيميايي به سرعت به مركز اطلاع داده شود.

در اين سيستم‌ها بر خلاف سيستم‌هاي سيمي قديمي، از يك سو هزينه‌هاي پيكربندي و آرايش شبكه كاسته مي‌شود از سوي ديگر به جاي نصب هزاران متر سيم فقط بايد دستگاه‌هاي كوچكي را كه تقريباً به اندازه يك سكه هستند، را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبكه به سادگي با اضافه كردن چند گره گسترش مي‌يابد و نيازي به طراحي پيكربندي پيچيده نيست.

ويژگي‌هاي عمومي يك شبكه حسگر
علاوه بر نكاتي كه تاكنون درباره شبكه‌هاي حسگر به عنوان مقدمه آشنايي با اين فناوري بيان كرديم، اين شبكه‌ها داراي يك سري ويژگي‌هاي عمومي نيز هستند. مهم‌ترين اين ويژگي‌ها عبارت است از:

1. بر خلاف شبكه‌هاي بي‌سيم سنتي، همه گره‌ها در شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر نيازي به برقراري ارتباط مستقيم با نزديك‌ترين برج كنترل قدرت يا ايستگاه پايه ندارند، بلكه حسگرها به خوشه‌هايی (سلول‌هايی) تقسيم می‌شوند که هر خوشه (سلول) يک سرگروه خوشه موسوم به Parent انتخاب مي‌کند.

اين سرگروه‌ها وظيفه جمع‌آوری اطلاعات را بر عهده دارند. جمع‌آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره‌ها به ايستگاه پايه و در نتيجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می‌شود. ‌البته چگونگي انتخاب سرگروه خود بحثي تخصصي است كه در تئوري شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر مفصلاً مورد بحث قرار مي‌گيرد.

2. پروتكل‌هاي شبكه‌اي نظیر به نظیر يك‌سري ارتباطات مش مانند را جهت انتقال اطلاعات بين هزاران دستگاه كوچك با استفاده از روش چندجهشي ايجاد مي‌كنند. معماري انطباق‌پذير مش، قابليت تطبيق با گره‌هاي جديد جهت پوشش دادن يك ناحيه جغرافيايي بزرگ‌تر را دارا است. علاوه بر اين، سيستم مي‌تواند به طور خودكار از دست دادن يك گره يا حتي چند گره را جبران كند.

3. هر حسگر موجود در شبكه دارای يک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. يکی از اهداف شبکه‌های حسگری اين است که هر محل در فضای مورد نظر بايستی حداقل در رنج حسگری يک گره قرار گيرد تا شبكه قابليت پوشش همه منطقه موردنظر را داشته باشد.
يک حسگر با شعاع حسگری r را می‌توان با يک ديسک با شعاع r مدل کرد. اين ديسک نقاطی را که درون اين شعاع قرار مي‌گيرند، تحت پوشش قرار می‌دهد. بديهي است که برای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه اين ديسک‌ها بايد کل نقاط منطقه را بپوشانند.

با اين که توجه زيادی به پوشش کامل منطقه توسط حسگرها می‌شود، احتمال دارد نقاطی تحت پوشش هيچ حسگری قرار نگيرد. اين نقاط تحت عنوان حفره‌های پوششی ناميده می‌شوند. اگر تعدادی حسگر به علاوه يک منطقه هدف داشته باشيم، هر نقطه در منطقه بايد طوري توسط حداقل n حسگر پوشش داده شود که هيچ حفره پوششی ايجاد نشود. اين موضوع لازم به ذکر است که مسأله حفره پوششی بسته به نوع کاربرد مطرح می‌گردد. در برخی کاربردها احتياج است که درجه بالايی از پوشش جهت داشتن دقت بيشتر داشته باشيم.

ساختار ارتباطي شبکه‌هاي حسگر
گره‌هاي حسگري در يک منطقه پراکنده مي‌شوند. همان‌طور كه قبلاً هم اشاره كرديم گره‌هاي حسگري داراي توانايي خودساماندهي هستند. هر کدام از اين گره‌هاي پخش‌شده داراي توانايي جمع‌کردن اطلاعات و ارسال آنها به پايانه‌اي موسوم به sink است. اين اطلاعات از يک مسير چند مرحله‌اي که زيرساخت مشخصي ندارد به سينک فرستاده مي‌شوند و سينک مي‌تواند توسط لينک ماهواره يا اينترنت با گره task manager ارتباط برقرار کند.

طراحي يک شبکه تحت تأثير فاکتورهاي متعددي است. اين فاکتورها عبارتند از: تحمل خرابي، قابليت گسترش، هزينه توليد، محيط کار، توپولوژي شبکه حسگري، محدوديت‌هاي سخت‌افزاري، محيط انتقال و مصرف توان که در زير به شرح آنها مي‌پردازيم.

فاکتورهاي طراحي
فاکتورهاي بيان‌شده در بالا از اهميت فراواني در طراحي پروتکل‌هاي شبکه‌هاي حسگر برخوردار هستند؛ در ادامه درباره هر يك از آنها توضيحات مختصري ارائه مي‌كنيم.

تحمل خرابي:
برخي از گره‌هاي حسگري ممکن است از کار بيفتند يا به دليل پايان توانشان، عمر آنها تمام شود، يا آسيب فيزيکي ببينند و از محيط تأثير بگيرند. از کار افتادن گره‌هاي حسگري نبايد تأثيري روي کارکرد عمومي شبکه داشته باشد. بنابراين تحمل خرابي را "توانايي برقرار نگه داشتن عمليات شبکه حسگر علي‌رغم از کار افتادن برخي از گره‌ها" تعريف مي‌كنيم. ‌در واقع يك شبكه حسگر خوب با از كار افتادن تعدادي از گره‌هاي حسگري، به سرعت خود را با شرايط جديد (تعداد حسگرهاي كمتر) وفق داده و كار خود را انجام مي‌دهد.

قابليت گسترش:
تعداد گره‌هاي حسگري که براي مطالعه يک پديده مورد استفاده قرار مي‌گيرند، ممکن است در حدود صدها و يا هزاران گره باشد. مسلماً تعداد گره‌ها به کاربرد و دقت موردنظر بستگي دارد؛ به طوري‌ كه در بعضي موارد اين تعداد ممکن است به ميليون‌ها عدد نيز برسد. يك شبكه بايد طوري طراحي شود كه بتواند چگالي بالاي گره‌هاي حسگري را نيز تحقق بخشد. اين چگالي مي‌تواند از چند گره تا چند صد گره در يک منطقه که ممکن است کمتر از 10 متر قطر داشته باشد، تغيير کند.

هزينه توليد:
از آنجايي که شبکه‌هاي حسگري از تعداد زيادي گره‌هاي حسگري تشکيل شده‌اند، هزينه يک گره در برآورد کردن هزينه کل شبکه بسيار مهم است. اگر هزينه يک شبکه حسگري گران‌تر از هزينه استفاده از شبكه‌هاي مشابه قديمي باشد، در بسياري موارد استفاده از آن مقرون به صرفه نيست. در نتيجه قيمت هر گره حسگري تا حد ممكن بايد پايين نگه داشته شود.

ويژگي‌هاي سخت‌افزاري:
يک گره حسگري از 4 بخش عمده تشکيل شده است: 1- واحد حسگر ، 2- واحد پردازش، 3- واحد دريافت و ارسال و 4- واحد توان.

البته بسته به كاربرد، شبكه‌هاي حسگر مي‌توانند شامل اجزاي ديگري چون: سيستم پيداکردن مکان جغرافيايي، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در گره‌هاي متحرک نيز باشند. در زير اندكي درباره بخش‌هاي اصلي هر حسگر توضيح مي‌دهيم.

1. واحد‌هاي حسگري معمولاً از دو بخش حسگرها و مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال تشکيل مي‌شوند. حسگرها بر اساس دريافت‌هايشان از پديده مورد مطالعه، سيگنال‌هاي آنالوگ را توليد مي‌كنند. سپس اين سيگنال‌ها توسط مبدل آنالوگ به ديجيتال به سيگنال ديجيتال تبديل شده و به بخش پردازش سپرده مي‌شوند.

2. بخش پردازش که معمولاً با يک حافظه کوچک همراه است، همکاري گره با گره‌هاي ديگر را در جهت انجام وظايف محول شده به هر حسگر مديريت مي‌کند.

3. بخش فرستنده و گيرنده، گره را به شبکه متصل مي‌کند. بخش توان نيز يکي از مهم‌ترين بخش‌هاي يک گره حسگري است. توان موردنياز ممکن است با بخش‌هاي جمع‌آوري توان، مانند سلول‌هاي خورشيدي تأمين شود. به موازات توليد توان، تلاش براي كاهش مصرف توان در شبكه بسيار مهم است. صرفه جويي در مصرف توان در حالت كلي از دو طريق ممكن است. يك راه ساخت حسگرهايي با مصرف انرژي كمتر و راه ديگر به كاربردن روش‌هاي مديريت توان در طراحي نرم‌افزاري شبكه است. مثلاً ارسال TDMA از نظر مصرف توان مناسب است؛ زيرا در فاصله هر شيار زماني كه اطلاعات هر حسگر ارسال نمي‌شود، حسگر در حالت انتظار كه مصرف انرژي بسيار كمي دارد، قرار مي‌گيرد.

روش‌هاي مناسب پيكربندي هندسي شبكه و يا انتخاب Parent مي‌تواند مصرف انرژي را كاهش دهد. براي مطالعه جزئيات بيشتر در اين باره مراجع [4] و [3] مناسب‌اند. همان‌طور كه گفتيم هر حسگر ممکن است بخش‌هاي ديگري را نيز که به کاربرد خاص شبکه مربوط است دارا باشد. به عنوان نمونه، اکثر تکنيک‌هاي مسيريابي و وظايف حسگري نيازمند دانش دقيقي از مکان‌يابي جغرافيايي است. در نتيجه متداول است که گره‌هاي حسگري داراي سيستم موقعيت‌يابي نيز باشند. علاوه بر اين در برخي موارد گره حسگري لازم است که متحرک باشد، لذا در مواقع لزوم بخشي نيز براي حرکت در نظر گرفته مي‌شود.

تمام اين زير‌‌بخش‌ها بايد در يک قالب کوچک قرار بگيرند. اندازه مورد نياز ممکن است حتي کوچک‌تر از يک سانتي‌متر مکعب باشد. علاوه بر اندازه، محدوديت‌هاي فراوان ديگري نيز براي گره‌هاي حسگري وجود دارد؛ اين گره‌ها بايد توان بسيار کمي مصرف کنند، در يک محيط با چگالي بالا (از نظر تعداد گره‌ها) کار کنند، قيمت تمام شده آنها ارزان باشد، قابل رها کردن در محيط و همچنين خودکار باشند، بدون وقفه کار کنند و قابليت سازگاري با محيط داشته باشند.