Senibina Rangkaian Sensor Tanpa Wayar dan Aplikasinya

Pada masa ini, WSN (Rangkaian Sensor Tanpa Wayar) adalah perkhidmatan paling standard yang digunakan dalam aplikasi komersial dan perindustrian, kerana pengembangan teknikalnya dalam pemproses, komunikasi, dan penggunaan daya rendah peranti pengkomputeran tertanam. Senibina rangkaian sensor tanpa wayar dibina dengan nod yang digunakan untuk memerhatikan persekitaran seperti suhu, kelembapan, tekanan, kedudukan, getaran, bunyi, dan lain-lain. Node ini boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi masa nyata untuk melakukan pelbagai tugas seperti mengesan pintar, penemuan nod jiran, pemprosesan dan penyimpanan data, pengumpulan data, penjejakan sasaran, pemantauan dan pengawalan, penyegerakan, penyetempatan nod, dan perutean yang berkesan antara stesen pangkalan dan nod. Pada masa ini, WSN mula disusun dalam langkah yang lebih baik. Adalah tidak janggal untuk mengharapkan bahawa dalam 10 hingga 15 tahun bahawa dunia akan dilindungi dengan WSN dengan makanan kepada mereka melalui Internet. Ini dapat diukur apabila Internet menjadi tidak normal. Teknologi ini mendebarkan dengan potensi tak terbatas untuk banyak bidang aplikasi seperti perubatan, alam sekitar, pengangkutan, ketenteraan, hiburan, pertahanan tanah air, pengurusan krisis, dan juga ruang pintar.

Apakah Rangkaian Sensor Tanpa Wayar?

Tanpa Wayar Sensor Network adalah salah satu jenis rangkaian tanpa wayar yang merangkumi sebilangan besar peranti beredar, arahan sendiri, minit, berkuasa rendah yang dinamakan nod sensor yang disebut motes. Rangkaian ini tentunya merangkumi sebilangan besar peranti tertanam yang diedarkan secara spasial, sedikit, dikendalikan oleh bateri, dan disatukan untuk mengumpulkan, memproses, dan memindahkan data kepada pengendali dengan teliti, dan ia telah mengawal kemampuan pengkomputeran & pemprosesan. Node adalah komputer kecil, yang berfungsi bersama untuk membentuk rangkaian.

Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Node sensor adalah peranti tanpa wayar cekap tenaga pelbagai fungsi. Aplikasi motif dalam industri semakin meluas. Kumpulan nod sensor mengumpulkan data dari persekitaran untuk mencapai objektif aplikasi tertentu. Komunikasi antara motor boleh dilakukan antara satu sama lain dengan menggunakan transceiver. Dalam rangkaian sensor tanpa wayar, bilangan motor boleh berada dalam urutan ratusan / bahkan ribuan. Berbeza dengan sensor n / ws, rangkaian Ad Hoc akan mempunyai lebih sedikit nod tanpa struktur.

Senibina Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Senibina rangkaian sensor tanpa wayar yang paling biasa mengikuti Model seni bina OSI. Seni bina WSN merangkumi lima lapisan dan tiga lapisan silang. Sebahagian besar dalam sensor n / w, kita memerlukan lima lapisan, iaitu aplikasi, pengangkutan, n / w, pautan data & lapisan fizikal. Tiga bidang silang adalah pengurusan kuasa, pengurusan mobiliti, dan pengurusan tugas. Lapisan WSN ini digunakan untuk mencapai n / w dan membuat sensor bekerja sama untuk meningkatkan kecekapan rangkaian sepenuhnya. Sila ikuti pautan di bawah untuk Jenis rangkaian sensor tanpa wayar dan topologi WSN

Jenis Senibina WSN

Senibina yang digunakan di WSN adalah seni bina rangkaian sensor. Jenis seni bina ini dapat digunakan di tempat yang berlainan seperti hospital, sekolah, jalan, bangunan dan juga digunakan dalam aplikasi yang berbeza seperti pengurusan keselamatan, pengurusan bencana & pengurusan krisis, dll. Terdapat dua jenis seni bina yang digunakan dalam sensor tanpa wayar rangkaian yang merangkumi yang berikut. Terdapat 2 jenis seni bina sensor tanpa wayar: Senibina Rangkaian Berlapis, dan Senibina Berkelompok. Ini dijelaskan seperti berikut.

• Senibina Rangkaian Berlapis
• Senibina Rangkaian Berkelompok

Senibina Rangkaian Berlapis

Rangkaian seperti ini menggunakan beratus-ratus nod sensor dan juga stesen pangkalan. Di sini susunan nod rangkaian dapat dilakukan menjadi lapisan sepusat. Ia terdiri daripada lima lapisan serta 3 lapisan silang yang merangkumi yang berikut.

Lima lapisan dalam seni bina adalah:

• Lapisan Aplikasi
• Lapisan Pengangkutan
• Lapisan Rangkaian
• Lapisan Pautan Data
• Lapisan Fizikal

Tiga lapisan silang merangkumi yang berikut:

• Pesawat Pengurusan Kuasa
• Pesawat Pengurusan Mobiliti
• Bidang Pengurusan Tugas

Ketiga-tiga lapisan silang ini terutama digunakan untuk mengendalikan jaringan serta membuat sensor berfungsi sebagai satu untuk meningkatkan kecekapan rangkaian secara keseluruhan. Lima lapisan WSN yang disebutkan di atas dibincangkan di bawah.

Senibina Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Lapisan Aplikasi

Lapisan aplikasi bertanggungjawab untuk pengurusan lalu lintas dan menawarkan perisian untuk banyak aplikasi yang menukar data dalam bentuk yang jelas untuk mencari maklumat positif. Rangkaian sensor disusun dalam pelbagai aplikasi dalam bidang yang berbeza seperti pertanian, ketenteraan, persekitaran, perubatan, dll.

Lapisan Pengangkutan

Fungsi lapisan pengangkutan adalah untuk memberikan penghindaran dan kebolehpercayaan kesesakan di mana banyak protokol yang bertujuan untuk menawarkan fungsi ini sama ada praktikal di hulu. Protokol ini menggunakan mekanisme yang berbeza untuk pengiktirafan kehilangan dan pemulihan kerugian. Lapisan pengangkutan sangat diperlukan ketika sistem dirancang untuk menghubungi rangkaian lain.

Memberi pemulihan kerugian yang boleh dipercayai lebih menjimatkan tenaga dan itulah salah satu sebab utama mengapa TCP tidak sesuai untuk WSN. Secara umum, lapisan Pengangkutan boleh dipisahkan menjadi berdasarkan Pakej, berdasarkan Acara. Terdapat beberapa protokol yang popular di lapisan pengangkutan iaitu STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Protokol Pengangkutan yang Berorientasikan Harga dan PSFQ (pam lambat ambil cepat).

Lapisan Rangkaian

Fungsi utama lapisan jaringan adalah routing, ia memiliki banyak tugas berdasarkan aplikasi, tetapi sebenarnya, tugas utama adalah dalam penjimatan daya, sebagian memori, penyangga, dan sensor tidak memiliki ID universal dan harus bersusun sendiri.

Idea mudah protokol routing adalah untuk menjelaskan jalur yang boleh dipercayai dan jalur berlebihan, menurut skala yang meyakinkan yang disebut metrik, yang berbeza dari protokol ke protokol. Terdapat banyak protokol yang ada untuk lapisan jaringan ini, mereka dapat dipisahkan menjadi routing rata dan hierarki routing atau dapat dipisahkan menjadi time-driven, query-driven & event-driven.

Lapisan Pautan Data

Lapisan pautan data bertanggungjawab untuk pengesanan bingkai data multiplexing, aliran data, MAC, & kawalan ralat, mengesahkan kebolehpercayaan titik-titik (atau) titik-berbilang titik.

Lapisan Fizikal

Lapisan fizikal memberikan kelebihan untuk memindahkan aliran bit di atas medium fizikal. Lapisan ini bertanggungjawab untuk pemilihan frekuensi, penjanaan frekuensi pembawa, pengesanan isyarat, Modulasi & enkripsi data. IEEE 802.15.4 disarankan khas untuk kawasan tertentu yang rendah & rangkaian sensor tanpa wayar dengan kos rendah, penggunaan kuasa, ketumpatan, jangkauan komunikasi untuk meningkatkan hayat bateri. CSMA / CA digunakan untuk menyokong topologi star & peer to peer. Terdapat beberapa versi IEEE 802.15.4.V.

Manfaat utama menggunakan seni bina seperti ini di WSN adalah bahawa setiap simpul hanya melibatkan transmisi daya rendah dan jarak jauh ke node tetangga kerana penggunaan daya rendah berbanding dengan jenis arsitektur rangkaian sensor yang lain. Rangkaian seperti ini dapat ditingkatkan dan juga mempunyai toleransi kesalahan yang tinggi.

Senibina Rangkaian Berkelompok

Dalam seni bina seperti ini, node sensor secara berasingan ditambahkan ke dalam kumpulan yang dikenali sebagai kelompok yang bergantung pada 'Leach Protocol' kerana menggunakan kluster. Istilah 'Leach Protocol' bermaksud 'Hierarki Pengelompokan Adaptasi Tenaga Rendah'. Sifat utama protokol ini merangkumi yang berikut.

Senibina Rangkaian Berkelompok

• Ini adalah seni bina pengelompokan hierarki dua peringkat.
• Algoritma yang diedarkan ini digunakan untuk menyusun nod sensor ke dalam kumpulan, yang dikenali sebagai kluster.
• Dalam setiap kluster yang dibentuk secara terpisah, node kepala kluster akan membuat rancangan TDMA (Pembahagian masa pelbagai akses).
• Ia menggunakan konsep Data Fusion sehingga menjadikan tenaga rangkaian menjadi cekap.

Senibina rangkaian seperti ini sangat digunakan kerana sifat gabungan data. Di setiap kluster, setiap node dapat berinteraksi melalui kepala kluster untuk mendapatkan data. Semua kluster akan berkongsi data mereka yang dikumpulkan ke stesen pangkalan. Pembentukan kluster, serta pemilihan kepalanya di setiap kluster, adalah kaedah yang diedarkan secara bebas dan juga autonomi.

Isu Reka Bentuk Reka Bentuk Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Masalah reka bentuk seni bina rangkaian sensor tanpa wayar merangkumi yang berikut.

• Penggunaan tenaga
• Penyetempatan
• Liputan
• Jam
• Pengiraan
• Kos Pengeluaran
• Reka Bentuk Perkakasan
• Kualiti sesuatu servis

Penggunaan tenaga

Di WSN, penggunaan tenaga adalah salah satu masalah utama. Sebagai sumber tenaga, bateri digunakan dengan melengkapkan dengan nod sensor. Rangkaian sensor disusun dalam situasi berbahaya sehingga menjadi rumit untuk menukar bateri yang akan dicas. Penggunaan tenaga terutamanya bergantung pada operasi nod sensor seperti komunikasi, penginderaan & pemprosesan data. Sepanjang komunikasi, penggunaan tenaga sangat tinggi. Jadi, penggunaan tenaga dapat dielakkan di setiap lapisan dengan menggunakan protokol penghalaan yang efisien.

Penyetempatan

Untuk operasi rangkaian, asas, dan juga masalah kritikal, adalah penyetempatan sensor. Oleh itu, nod sensor disusun secara ad-hoc sehingga mereka tidak tahu mengenai lokasi mereka. Kesukaran menentukan lokasi fizikal sensor setelah disusun dikenali sebagai penyetempatan. Kesukaran ini dapat diselesaikan melalui GPS, node suar, penyetempatan berdasarkan jarak.

Liputan

Nod sensor dalam rangkaian sensor tanpa wayar menggunakan algoritma liputan untuk mengesan data serta mengirimkannya untuk meresap melalui algoritma perutean. Untuk merangkumi keseluruhan rangkaian, node sensor harus dipilih. Terdapat kaedah yang cekap seperti algoritma jalur pendedahan paling rendah dan tertinggi serta protokol reka bentuk liputan.

Jam

Di WSN, penyegerakan jam adalah perkhidmatan yang serius. Fungsi utama penyegerakan ini adalah untuk menawarkan skala waktu biasa untuk nod jam tempatan dalam rangkaian sensor. Jam ini mesti diselaraskan dalam beberapa aplikasi seperti pemantauan dan juga pengesanan.

Pengiraan

Pengiraan dapat didefinisikan sebagai jumlah data yang berlanjutan melalui setiap nod. Masalah utama dalam pengiraan adalah bahawa ia mesti mengurangkan penggunaan sumber. Sekiranya jangka hayat stesen pangkalan lebih berbahaya, maka pemprosesan data akan diselesaikan di setiap nod sebelum data dihantar ke stesen pangkalan. Di setiap simpul, jika kita mempunyai beberapa sumber maka keseluruhan pengiraan harus dilakukan di sink.

Kos Pengeluaran

Di WSN, sebilangan besar nod sensor disusun. Oleh itu, jika harga simpul tunggal sangat tinggi maka harga keseluruhan rangkaian juga akan tinggi. Pada akhirnya, harga setiap nod sensor harus dikurangkan. Jadi harga setiap simpul sensor dalam rangkaian sensor tanpa wayar adalah masalah yang menuntut.

Reka Bentuk Perkakasan

Semasa merancang perkakasan rangkaian sensor seperti kawalan kuasa, pengawal mikro & unit komunikasi mestilah cekap tenaga. Reka bentuknya dapat dilakukan sedemikian rupa sehingga menggunakan tenaga rendah.

Kualiti sesuatu servis

Kualiti perkhidmatan atau QoS tidak lain dan tidak bukan, data mesti diedarkan tepat pada waktunya. Kerana beberapa aplikasi berasaskan sensor masa nyata bergantung pada masa. Oleh itu, sekiranya data tidak diedarkan tepat pada masanya ke penerima maka data akan menjadi tidak berguna. Di WSN, terdapat berbagai jenis masalah QoS seperti topologi rangkaian yang sering berubah dan keadaan maklumat yang dapat diakses yang digunakan untuk perutean boleh menjadi tidak tepat.

Struktur Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Struktur WSN terutama merangkumi pelbagai topologi yang digunakan untuk rangkaian komunikasi radio seperti bintang, mesh, dan hybrid star. Topologi ini dibincangkan di bawah secara ringkas.

Rangkaian Bintang

Topologi komunikasi seperti rangkaian bintang digunakan di mana sahaja stesen pangkalan sahaja yang dapat menghantar atau menerima mesej ke nod jauh. Terdapat sebilangan nod yang tidak dibenarkan untuk menghantar mesej antara satu sama lain. Kelebihan rangkaian ini merangkumi kesederhanaan, yang dapat mengekalkan penggunaan kuasa dari jarak jauh pada tahap minimum.

Ini juga membolehkan komunikasi dengan latensi yang kurang di antara stesen pangkalan dan juga nod jauh. Kelemahan utama rangkaian ini ialah stesen pangkalan harus berada dalam jangkauan radio untuk semua nod yang terpisah. Ia tidak kukuh seperti rangkaian lain kerana bergantung pada satu simpul untuk mengendalikan rangkaian.

Rangkaian Mesh

Rangkaian seperti ini membenarkan penghantaran data dari satu simpul ke nod lain dalam rangkaian yang berada dalam jangkauan penghantaran radio. Sekiranya nod perlu menghantar mesej ke nod lain dan berada di luar jangkauan komunikasi radio, maka node dapat menggunakan simpul seperti perantaraan untuk menghantar mesej ke simpul pilihan.

Manfaat utama jaringan mesh adalah skalabilitas dan kelebihan. Apabila simpul individu berhenti berfungsi, simpul jauh dapat berkomunikasi dengan jenis nod lain dalam julat, kemudian meneruskan mesej ke lokasi pilihan. Selain itu, rangkaian tidak dibatasi secara automatik melalui julat di antara satu nod yang boleh diperluas hanya dengan menambahkan sebilangan nod ke sistem.

Kelemahan utama rangkaian seperti ini adalah penggunaan kuasa untuk node rangkaian yang melaksanakan komunikasi seperti multi-hop biasanya lebih tinggi daripada nod lain yang tidak mempunyai keupayaan untuk mengehadkan jangka hayat bateri dengan kerap. Lebih-lebih lagi, apabila jumlah komunikasi yang meningkat menuju ke suatu tujuan, maka waktu yang diperlukan untuk mengirim pesan juga akan meningkat, terutama jika proses daya rendah dari simpul merupakan suatu keperluan.

Hybrid Star - Mesh Network

Hibrid antara dua rangkaian seperti bintang dan mesh menyediakan rangkaian komunikasi yang kuat dan fleksibel sambil mengekalkan penggunaan kuasa nod sensor tanpa wayar ke tahap minimum. Dalam topologi rangkaian seperti ini, nod sensor dengan kuasa yang lebih sedikit tidak dibenarkan menghantar mesej.
Ini membenarkan penyelenggaraan penggunaan tenaga paling sedikit.

Tetapi, nod rangkaian lain dibenarkan dengan kemampuan multi-hop dengan membenarkan mereka menghantar mesej dari satu nod ke nod lain di rangkaian. Biasanya, nod dengan kapasiti multi-hop mempunyai daya yang tinggi dan sering dipasang ke saluran utama. Ini adalah topologi yang dilaksanakan melalui rangkaian jaringan standard yang akan datang yang disebut ZigBee.

Struktur Nod Sensor Tanpa Wayar

Komponen yang digunakan untuk membuat nod sensor tanpa wayar adalah unit yang berbeza seperti penginderaan, pemprosesan, pemancar & kuasa. Ini juga termasuk komponen tambahan yang bergantung pada aplikasi seperti penjana kuasa, sistem pencarian lokasi & penggerak. Secara amnya, unit penderiaan merangkumi dua subunit iaitu ADC dan juga sensor. Di sini sensor menghasilkan isyarat analog yang boleh diubah menjadi isyarat digital dengan bantuan ADC, setelah itu dihantar ke unit pemprosesan.

Secara amnya, unit ini dapat dihubungkan melalui unit penyimpanan kecil untuk menangani tindakan membuat nod sensor berfungsi dengan nod lain untuk mencapai tugas penginderaan yang diperuntukkan. Node sensor boleh dihubungkan ke rangkaian dengan bantuan unit transceiver. Dalam nod sensor, salah satu komponen penting adalah nod sensor. Unit kuasa disokong melalui unit pemadam kuasa seperti sel suria sedangkan subunit lain bergantung pada aplikasinya.

Gambarajah blok fungsi nod penderiaan tanpa wayar ditunjukkan di atas. Modul ini memberikan platform yang serba boleh untuk menangani keperluan aplikasi yang luas. Sebagai contoh, berdasarkan sensor yang akan diatur, penggantian blok pengkondisian isyarat dapat dilakukan. Ini membenarkan penggunaan sensor yang berbeza bersama dengan nod pengesan tanpa wayar. Begitu juga, pautan radio dapat ditukar dengan aplikasi yang ditentukan.

Ciri-ciri Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Ciri-ciri WSN merangkumi yang berikut.

• Penggunaan had kuasa untuk nod dengan bateri
• Kapasiti untuk menangani kegagalan nod
• Beberapa pergerakan nod dan Heterogenitas nod
• Skalabiliti kepada sebaran besar
• Keupayaan untuk memastikan keadaan persekitaran yang ketat
• Mudah digunakan
• Reka bentuk lapisan silang

Kelebihan Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Kelebihan WSN merangkumi yang berikut

• Pengaturan rangkaian dapat dilakukan tanpa infrastruktur yang tidak bergerak.
• Sesuai untuk tempat yang tidak dapat dijangkau seperti gunung, di laut, kawasan luar bandar, dan hutan yang dalam.
• Fleksibel jika terdapat situasi santai apabila stesen kerja tambahan diperlukan.
• Harga pelaksanaan adalah murah.
• Ia mengelakkan banyak pendawaian.
• Ia mungkin menyediakan tempat tinggal untuk peranti baru pada bila-bila masa.
• Ia boleh dibuka dengan menggunakan pemantauan terpusat.

Aplikasi Rangkaian Sensor Tanpa Wayar

Rangkaian sensor tanpa wayar boleh merangkumi pelbagai jenis sensor seperti kadar pensampelan rendah, seismik, magnetik, termal, visual, inframerah, radar, dan akustik, yang pintar untuk memantau berbagai situasi persekitaran. Nod sensor digunakan untuk penginderaan berterusan, ID peristiwa, pengesanan peristiwa & kawalan tempatan penggerak. Aplikasi rangkaian sensor tanpa wayar terutamanya merangkumi bidang kesihatan, ketenteraan, persekitaran, rumah, & kawasan komersial lain.

Permohonan WSN

• Aplikasi Ketenteraan
• Aplikasi Kesihatan
• Aplikasi Alam Sekitar
• Permohonan Rumah
• Aplikasi Komersial
• Pemantauan kawasan
• Pemantauan penjagaan kesihatan
• Sensasi persekitaran / Bumi
• Pemantauan pencemaran udara
• Pengesanan kebakaran hutan
• Pengesanan tanah runtuh
• Pemantauan kualiti air
• Pemantauan industri

Oleh itu, ini adalah mengenai apa itu a rangkaian sensor tanpa wayar , seni bina, ciri, dan aplikasi rangkaian sensor tanpa wayar. Kami berharap anda dapat memahami konsep ini dengan lebih baik. Selanjutnya, sebarang pertanyaan atau yang perlu diketahui idea projek rangkaian sensor tanpa wayar , sila berikan cadangan berharga anda dengan memberi komen di bahagian komen di bawah. Inilah soalan untuk anda, apakah pelbagai jenis rangkaian sensor tanpa wayar?