Bežične Senzorske Mreže (BSM): Sveobuhvatan Vodič
BSM, ili bežične senzorske mreže, predstavljaju sisteme koji detektuju i reaguju na različite fizičke i ambijentalne uslove kao što su temperatura, pritisak, svetlost i slično, koristeći mrežu senzora.
Napredak u bežičnim tehnologijama i mikroelektromehaničkim sistemima (MEMS) omogućio je postavljanje senzora niske potrošnje energije na širokom prostoru, kreirajući jeftine BSM-ove za vojnu i civilnu upotrebu.
U nastavku teksta, istražićemo različite tipove BSM-ova, njihove sastavne delove, primene, kao i prednosti i nedostatke.
Šta je mreža?
Umrežavanje spaja uređaje radi razmene informacija i deljenja resursa. Ovi povezani uređaji koriste komunikacione protokole kao što su TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP, i slične, koji predstavljaju skup pravila za prenos podataka putem bežičnih ili žičanih mreža.
U suštini, postoje dva glavna tipa mreža: žičane i bežične. Ove dve vrste se razlikuju po brzini prenosa podataka, bezbednosti, dometu komunikacije i ceni.
Žičane mreže se karakterišu povezivanjem uređaja putem fizičkih kablova, dok bežične mreže koriste radio talase. Različite bežične tehnologije, poput Wi-Fi i Bluetooth-a, su dostupne.
Bežična Senzorska Mreža (BSM), kako joj i ime kaže, koristi bežičnu tehnologiju, a komunikacija se odvija putem radio signala.
Šta je Bežična Senzorska Mreža (BSM)?
Bežična senzorska mreža, takođe poznata kao BSM, je skup specijalizovanih senzora koji se nalaze na različitim lokacijama unutar određene oblasti. Ovi senzori beleže i prate fizičke parametre okoline i organizuju prikupljene podatke na centralnoj lokaciji.
Ti fizički parametri uključuju, ali se ne ograničavaju na temperaturu, pritisak, brzinu vetra, vlažnost i slične faktore.
Izvor slike: electronics hub
BSM mreža se sastoji od baznih stanica i čvorova koji su raspoređeni na različitim mestima i komuniciraju bežično. Struktura BSM može biti implementirana koristeći četiri različita pristupa: tačka-tačka, zvezda, stablo i mrežna topologija.
Raspored BSM može se klasifikovati u pet tipova na osnovu fizičkog okruženja: podzemni, zemaljski, podvodni, multimedijalni i mobilni BSM.
Novi dizajni senzora koriste inženjerska i tehnološka dostignuća kako bi premostili fizički i digitalni svet za efikasnije rezultate.
BSM se sastoji od senzorskih čvorova koji detektuju promene u fizičkom okruženju i prenose podatke do bazne stanice radi analize i izveštavanja.
Integracija bežičnih senzorskih mreža sa GPS ili RFID tehnologijama može poboljšati pokrivenost i stvoriti sofisticirane sisteme za praćenje i nadzor.
Cilj BSM-ova je prikupljanje informacija o okolini radi poboljšanja bezbednosti, produktivnosti i prevencije nesreća, uz istovremenu zaštitu životne sredine.
Komponente BSM-a
Pogledajmo koje komponente čine BSM. Uglavnom, BSM se sastoji iz dva dela: senzorski čvor i mrežna arhitektura.
Senzorski Čvor
Senzorski čvor se sastoji od sledećih delova:
- Napajanje: Koristi se za napajanje svih komponenti mreže.
- Senzorska jedinica: Sastoji se od senzora i ADC (analogno-digitalnog pretvarača). Senzor prikuplja analogne podatke, a ADC ih konvertuje u digitalni format. Senzorski čvorovi nemaju samo senzorske funkcije, već sadrže i komponente za obradu, komunikaciju i skladištenje podataka. Senzorski čvor prikuplja, analizira i integriše fizičke podatke sa podacima drugih senzora.
- Jedinica za obradu: Sastoji se od memorije i mikroprocesora. Ova jedinica vrši inteligentnu obradu i manipulaciju podacima.
- Komunikacioni sistem: Radio sistem za prenos i prijem podataka.
- Bazna stanica: Predstavlja čvor sa velikom računarskom moći i mogućnošću obrade podataka.
Izvor slike: electronics hub
Glava klastera: To je čvor za detekciju sa velikom propusnošću koji se koristi za funkcije fuzije i agregacije podataka unutar BSM. U zavisnosti od sistemskih zahteva i aplikacija, može postojati više glava klastera unutar jednog klastera.
U bežičnoj senzorskoj mreži (BSM), senzorski čvor komunicira sa drugim senzorskim čvorovima koji su raspoređeni na velikim površinama radi praćenja fizičkog okruženja, kao i sa baznom stanicom (BS) putem bežične komunikacije. Senzorski čvorovi prikupljaju podatke i šalju ih baznoj stanici. Bazne stanice obrađuju podatke i dele ažurirane informacije sa korisnicima mreže.
Mrežna Arhitektura
Kada su svi senzorski čvorovi povezani sa baznom stanicom, to se naziva mrežna arhitektura sa jednim skokom. Kada se podaci prenose na velike udaljenosti, to troši više energije nego samo prikupljanje i računanje podataka. Zbog toga se, u takvim slučajevima, češće koristi arhitektura mreže sa više skokova, koristeći međučvorove umesto direktne veze između senzorskog čvora i bazne stanice.
Izvor slike: electronics hub
Postoje dva načina implementacije ovih struktura: ravna mrežna arhitektura i hijerarhijska mrežna arhitektura.
U ravnoj arhitekturi, bazna stanica kontroliše sve senzorske čvorove, a senzorski čvorovi komuniciraju preko ravnopravnih čvorova koristeći putanju sa više skokova.
U hijerarhijskoj mrežnoj arhitekturi, glave klastera primaju informacije od grupe senzorskih čvorova i prosleđuju podatke baznoj stanici.
Ostale Komponente BSM-a
- Relejni čvor: Služi kao posredni čvor za komunikaciju sa susednim čvorom, povećava pouzdanost mreže i nema senzorske procese ili kontrolnu opremu.
- Aktorski čvor: Napredni čvor koji se koristi za donošenje i izvršavanje odluka u zavisnosti od zahteva aplikacije. Ovi čvorovi su obično bogati resursima, sa visokokvalitetnim mogućnostima obrade, velikom snagom prenosa i dugotrajnom baterijom.
- Gejtvej: Gejtvej je interfejs između senzorskih mreža i spoljnih mreža. U poređenju sa senzorskim čvorom i glavom klastera, gejtvej čvor ima najviše memorije, moćan procesor, veliki domet prijemnika i mogućnost proširenja pomoću spoljne memorije.
Tipovi Bežičnih Senzorskih Mreža (BSM)
Postoji pet različitih tipova BSM:
- Podvodni: Podvodna bežična senzorska mreža koristi senzorske čvorove i podvodna vozila za prikupljanje podataka. Ima probleme sa velikim kašnjenjima, kvarovima senzora i ograničenim, nepunjivim baterijama.
- Podzemni: Ovaj tip prati podzemne uslove, radi potpuno ispod zemlje, a čvorovi postavljeni iznad zemlje prenose podatke baznoj stanici. Skup je za održavanje u poređenju sa zemaljskim mrežama zbog skupe opreme i održavanja.
- Zemaljski: Ovaj tip mreže se koristi na kopnu za praćenje uslova okoline u različitim oblastima. Hiljade bežičnih senzorskih čvorova u zemaljskim BSM-ovima su raspoređene ad hoc ili unapred planiranom strukturom radi efikasne komunikacije sa baznim stanicama.
- Multimedijalni: BSM-ovi mogu pratiti multimedijalne događaje kao što su video, slike i audio. Imaju senzorske čvorove sa kamerama i mikrofonima koji se bežično povezuju, preuzimaju, kompresuju i korelišu podatke.
- Mobilni: Mobilni BSM se sastoje od senzorskih čvorova koji se mogu kretati i komunicirati dok obavljaju svoje senzorske funkcije. Mobilne bežične senzorske mreže nude veću fleksibilnost, širu pokrivenost, bolji kapacitet kanala i štede energiju u poređenju sa stacionarnim senzorskim mrežama.
Primena tipa BSM zavisi od potreba aplikacije i okruženja.
Različite Strukture BSM-a
Postoje četiri osnovne strukture mreže, a njihova implementacija utiče na kašnjenje, kapacitet i robusnost, jer se ruting i obrada podataka menjaju sa različitim strukturama. Zbog toga je pre uvođenja BSM strukture potrebno proceniti zahteve i prirodu aplikacije.
Čvorovi se takođe mogu povezati sa internetom i prenositi podatke na cloud platformu radi dalje analize.
Izvor slike: Researchgate
- Tačka-tačka ili struktura magistrale: U ovoj mreži senzori mogu direktno komunicirati jedni sa drugima bez centralnog čvorišta. Ova struktura se široko koristi i pruža sigurnu komunikaciju.
- Zvezdasta struktura: Zvezdasta mreža koristi baznu stanicu kao centralno čvorište za komunikaciju sa svim senzorima. Lako se implementira i zahteva nisku potrošnju energije. Jedan od nedostataka ove strukture je zavisnost od jedne bazne stanice za komunikaciju.
- Stablo ili hibridna struktura: Sastoji se od struktura tačka-tačka i zvezda. U ovoj strukturi, senzori su raspoređeni u konfiguraciji sličnoj stablu, a prenos podataka se vrši kroz grane između njih. Koristi manje energije od drugih struktura.
- Mrežna struktura: U ovoj strukturi prenos podataka se odvija između senzora unutar njihovog dometa prenosa radi komunikacije sa više skokova bez centralne bazne stanice. Senzori mogu koristiti posredne senzore za prenos podataka do senzora koji su izvan njihovog radio-dometa. Zbog toga je poznata po skalabilnosti i redundanciji. Smatra se najpouzdanijom jer nema jednu tačku otkaza, ali zahteva više energije.
Primene BSM-a
BSM se široko koriste u različitim sektorima gde je potrebno merenje, praćenje ili nadzor. Ovi sistemi se šire po celoj oblasti, mereći temperaturu, zvuk i druge parametre u različitim primenama.
- Koriste se za nadgledanje regiona postavljanjem senzora za detekciju upada, tako da se široko koriste u vojsci za otkrivanje neprijateljskih invazija.
- Popularni su u civilnim aplikacijama kao što su rudarstvo, zdravstvo, nadzor, poljoprivreda i druge oblasti praćenja.
- Bežični senzorski čvorovi mogu da detektuju parkirana vozila putem magnetometara, dok se mikroradari i magnetometri mogu koristiti za praćenje.
- BSM su veoma popularni u praćenju životne sredine/zemlje i senzoru, kao što su prevencija prirodnih katastrofa, detekcija klizišta, praćenje kvaliteta vode, detekcija šumskih požara i praćenje staništa. Takođe su cenjeni u industrijskim rešenjima za praćenje kao što su zdravlje mašina, otpadne vode, zdravlje konstrukcija, itd.
Prednosti i Nedostaci Bežičnih Senzorskih Mreža
U ovom odeljku ćemo razmotriti prednosti i nedostatke BSM-ova:
Prednosti
- BSM-ovi su poželjniji u odnosu na žičane sisteme za praćenje zbog njihove praktičnosti, pouzdanosti, pristupačnosti i lakoće primene.
- BSM eliminišu potrebu za kablovima ili žicama.
- BSM su efikasni zahvaljujući mnogim faktorima: preciznosti senzora, pokrivenosti, toleranciji grešaka, povezanosti, malom učešću ljudi, funkcionalnosti u teškim uslovima i dinamičkom raspoređivanju senzora.
- Omogućavaju centralizovano praćenje svih čvorova u okviru BSM-a.
- Prilagodljivi su fizičkim preprekama bez problema.
- Protokoli za rutiranje za komunikaciju u okruženju sa ograničenim resursima i propusnim opsegom, stvarajući samoorganizovane ad hoc mreže koje koriste komunikaciju sa više skokova.
- Koriste sigurnosne algoritme zasnovane na bežičnoj tehnologiji za kreiranje pouzdane mreže za korisnike.
- Omogućavaju laku integraciju novih čvorova ili uređaja radi skalabilnosti.
Nedostaci
- BSM se suočavaju sa izazovima kao što su ograničen propusni opseg, visoka potrošnja energije, skupi troškovi čvorova, modeli primene i ograničenja u dizajnu hardvera/softvera.
- Bežične senzorske mreže su podložne hakerskim napadima.
- BSM su dizajnirani za aplikacije niske brzine i nisu pogodni za komunikaciju velikom brzinom.
- Skupo je izgraditi BSM mrežu.
- Ceo sistem se može ugasiti u BSM-ovima zasnovanim na zvezdastoj topologiji ako centralni čvor ne radi.
Resursi za učenje
#1. Izgradnja bežičnih senzorskih mreža koristeći Arduino
Ova knjiga objašnjava izgradnju bežičnih mreža male snage koristeći Arduino i XBee opremu. Sadrži detaljna objašnjenja razvoja složenih projekata kroz primere. Knjiga pruža detaljne slike i snimke ekrana i objašnjava projekat kućne automatizacije koji se može pratiti ili prilagoditi.
Naučićete kako da bežično povežete Arduino ploče pomoću XBee modula i kontrolišete okruženje na osnovu podataka sa mrežnih senzora. Koristite XCTU softver na Windows, macOS ili Linux operativnim sistemima za prikupljanje i skladištenje podataka senzora na cloud platformi ili u sopstvenoj bazi podataka. Takođe, komunicirajte sa ZigBee uređajima za kućnu automatizaciju.
Ovu knjigu mogu koristiti programeri ugrađenih sistema i entuzijasti sa znanjem o Arduino platformi da unaprede svoje projekte koristeći bežičnu tehnologiju.
#2. Izgradnja bežičnih senzorskih mreža: sa ZigBee, XBee, Arduino i obradom
Ova knjiga naglašava izgradnju ZigBee mreže koristeći XBee radio i Arduino, uz budžet od manje od 100 dolara. Kreirajte prilagodljive sisteme za detekciju i aktivaciju i steknite znanje o XBee zamršenostima, kao što su upravljanje napajanjem i usmeravanje izvora. Razvijte mrežne prolaze za međusobno povezivanje sa susednim mrežama, uključujući Internet.
Ova knjiga će pomoći različitim pojedincima da steknu znanja i veštine da prate svoje projekte, prateći primere u svakom poglavlju, uključujući pronalazače, hakere, zanatlije, studente, hobiste i naučnike.
To je odličan resurs za kreiranje pametnih interaktivnih uređaja, a senzorski sistemi su dostupni koristeći ZigBee bežični mrežni protokol i seriju 2 XBee radio.
#3. Industrijske bežične senzorske mreže (IBSM): Protokoli i aplikacije
Ova publikacija predstavlja nova istraživanja o industrijskim bežičnim senzorskim mrežama. Radovi uključeni u ovo specijalno izdanje doprinose unapređenju istraživanja o IBSM-ovima i očekuje se da će inspirisati dalja istraživanja i primenu.
IBSM su od ključnog značaja zbog sve veće upotrebe bežičnih senzorskih mreža u svakodnevnom životu i industriji, a imaju visoke standarde pouzdanosti, robustnosti i pravovremenosti u svakom mrežnom sloju.
#4. Izgradnja bežičnih senzorskih mreža sa ESP32 LoRa
Ovaj vodič je za implementaciju osnovne bežične senzorske mreže (BSM) sa ESP32 na LoRa mreži.
Pokriva različite teme kao što su priprema razvojnog okruženja, konfigurisanje ESP32 LoRa, slanje i primanje podataka, rukovanje prekidom LoRa prijemnika, emitovanje poruka na LoRa mreži i kreiranje BSM aplikacije sa ESP32 LoRa.
Završne reči
Bežične senzorske mreže (BSM) su postale ključne za različite aplikacije za praćenje i nadzor. BSM je napredovao od osnovnog senzorskog nadzora do naprednog senzoringa, obrade i analize.
BSM tehnologija se značajno transformisala kako bi prikupila dragoceno znanje i pružila željene rezultate.
Zatim, pogledajte kako funkcioniše model TCP/IP protokola.