شبكه حسگر/ كارانداز شبكه‌اي است متشكل از تعداد زيادي گره كوچك. در هر گره تعدادي حسگر و يا كارانداز وجود دارد. شبكه حس/ كار به شدت با محيط فيزيكي تعامل دارد. از طريق حسگرها اطلاعات محيط را گرفته و از طريق كاراندازها واكنش نشان مي‌دهد. ارتباط بين گره‌ها به صورت بي‌سيم است. هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان كار مي‌كند و نوعا از لحاظ فيزيكي بسيار كوچك است و داراي محدوديت‌هايي در قدرت پردازش، ظرفيت حافظه، منبع تغذيه و ... مي‌باشد. اين محدوديت‌ها مشكلاتي را به وجود مي‌آورد كه منشأ بسياري از مباحث پژوهشي مطرح در اين زمينه است.
اين شبكه از پشته پروتكلي شبكه‌هاي سنتي پيروي مي‌كند ولي به خاطر محدوديت‌ها و تفاوت‌هاي وابسته به كاربرد پروتكل‌ها بايد بازنويسي شوند. اين مقاله ضمن معرفي شبكه حس/ كار و شرح ويژگي‌ها، محدوديت‌ها، كاربردها، ايده‌ها و چالش‌ها، به طرح موضوعات پژوهشي در اين زمينه مي‌پردازد. پيشرفت‌هاي اخير در فناوري ساخت مدارات مجتمع در اندازه‌هاي كوچك از يك سو و توسعه فناوري ارتباطات بي‌سيم از سوي ديگر زمينه‌ساز طراحي شبكه‌هاي حس/كار بي‌سيم شده است. تفاوت اساسي اين شبكه‌ها ارتباط آن با محيط و پديده‌هاي فيزيكي است.
شبكه‌هاي سنتي ارتباط بين انسان‌ها و پايگاه‌هاي اطلاعاتي را فراهم مي‌كند در حالي كه شبكه حس/ كار مستقيما با جهان فيزيكي در ارتباط است با استفاده از حسگرها محيط فيزيكي را مشاهده كرده، بر اساس مشاهدات خود تصميم‌گيري نموده و عمليات مناسب را انجام مي‌دهند. نام شبكه حس/ كار بي‌سيم يك نام عمومي است براي انواع مختلف كه به منظورهاي خاص طراحي مي‌شود. برخلاف شبكه‌هاي سنتي كه همه منظوره‌اند شبكه‌هاي حس/ كار نوعا تك‌منظوره هستند. در صورتي كه گره‌ها توانايي حركت داشته باشند شبكه مي‌تواند گروهي از ربات‌هاي كوچك درنظر گرفته شود كه با هم به صورت تيمي كار مي‌كنند و جهت مقصد خاصي مثلا بازي فوتبال يا مبارزه با دشمن يا جست‌وجو در ميدان جنگ طراحي شده است.
از ديدگاه ديگر اگر در شبكه تلفن همراه ايستگاه‌هاي پايه را حذف نماييم و هر گوشي را يك گره فرض كنيم ارتباط بين گره‌ها بايد به طور مستقيم يا از طريق يك يا چند گره مياني برقرار شود. اين خود نوعي شبكه حس/ كار بي‌سيم مي‌باشد. اگرچه به نقلي تاريخچه شبكه‌هاي حس/ كار به دوران جنگ سرد و ايده اوليه آن به طراحان نظامي صنايع دفاع آمريكا برمي‌گردد. ولي اين ايده مي‌توانسته در ذهن طراحان ربات‌هاي متحرك مستقل يا حتي طراحان شبكه‌هاي بي‌سيم موبايل نيز شكل گرفته باشد. به هر حال از آنجا كه اين فن نقطه تلاقي ديدگاه‌هاي مختلف است تحقق آن مي‌تواند بستر پيادهسازي بسياري از كاربردهاي آينده باشد. كاربرد فراوان اين نوع شبكه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در كامپيوتر و الكترونيك از جمله امنيت شبكه، ارتباط بلادرنگ، پردازش صوت و تصوير، داده كاوي، رباتيك، طراحي خودكار سيستم‌هاي جاسازي شده ديجيتال و ... ميدان وسيعي براي پروهش محققان با علاقه‌مندي‌هاي مختلف فراهم نموده است. شبكه‌هاي ارتباطي گيرنده بي‌سيم در حال حاضر در محيط‌هاي شهري هم استفاده مي‌شوند شامل نظارت محيط و محل‌هاي سكونت، استفاده بهداشتي و سلامتي، كنترل دستگاه‌هاي خود كارخانه و نظارت در ترافيك و ... .
ساختار كلي شبكه حس/ كار بي‌سيم
در اينجا تعدادي از تعاريف كليدي در ساختار كلي شبكه حس/ كار بي‌سيم را ذكر مي‌كنيم.
حسگر: وسيله‌اي كه وجود شي‌‌اي رخداد يك وضعيت يا مقدار يك كميت فيزيكي را تشخيص داده و به سيگنال الكتريكي تبديل مي‌كند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهاي دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب‌سنج، مغناطيس‌سنج و ... .
كارانداز: با تحريك الكتريكي يك عمل خاصي مانند باز و بسته كردن يك شير يا قطع و وصل يك كليد را انجام مي‌دهد. گره حسگر: به گره‌اي گفته مي‌شود كه فقط شامل يك يا چند حسگر باشد.
گره كارانداز: به گره‌اي گفته مي‌شود كه فقط شامل يك يا چند كارانداز باشد. گره حسگر/كارانداز: به گره‌اي گفته مي‌شود كه مجهز به حسگر و كارانداز باشد.
شبكه حسگر: شبكه‌اي كه فقط شامل گره‌هاي حسگر باشد. اين شبكه نوع خاصي از شبكه حس/ كاراست. در كاربردهايي كه هدف جمع‌آوري اطلاعات و تحقيق در مورد يك پديده مي‌باشد كاربرد دارد. مثل مطالعه روي گردبادها.
ميدان حسگر/ كارانداز: ناحيه كاري كه گره‌هاي شبكه حس/كار در آن توزيع مي‌شوند.
مدل شبكه حسگر
شبكه‌هاي حسگر توانايي كنترل مناطق جغرافيايي چندگانه، به دست آوردن اطلاعات و پردازش داده در شبكه را دارا مي‌باشد. طراحي زيربنايي از اين شبكه‌هاي حسگر مي‌تواند بسيار چالش‌برانگيز باشد. اساسي‌ترين هدف يك طراحي در پتولومي سه عامل اصلي قابل مطرح است. نقطه آغاز يك طراحي ايجاد جرياني از فرآيندها يا تكنيك طراحي قدم به قدم براي هر جزء شبكه‌هاي حسگر است.
كاربردها و چند مثال كاربردي
كاربردها به سه دسته نظامي، تجاري و پزشكي تقسيم مي‌شوند. سيستم‌هاي ارتباطي، فرماندهي، شناسايي، ديده‌باني و ميدان مين هوشمند، سيستم‌هاي هوشمند دفاعي از كاربردهاي نظامي مي‌باشد. در كاربردهاي مراقبت پزشكي سيستم‌هاي مراقبت از بيماران ناتوان كه مراقبي ندارند. محيط‌هاي هوشمند براي افراد سالخوده و شبكه ارتباطي بين مجموعه پزشكان با يكديگر و پرسنل بيمارستان و نظارت بر بيماران از جمله كاربردهاي آن است.
كاربردهاي تجاري طيف وسيعي از كاربردها را شامل مي‌شود مانند سيستم‌هاي امنيتي تشخيص و مقابله با سرقت، آتش‌سوزي (در جنگل)، تشخيص آلودگي‌هاي زيست محيطي از قبيل آلودگي‌هاي شيمياي، ميكروبي، هسته‌اي، سيستم‌هاي ردگيري، نظارت و كنترل وسايل نقليه و ترافيك، كنترل كيفيت توليدات صنعتي، مطالعه در مورد پديده‌هاي طبيعي مثل گردباد، زلزله، سيل، تحقيق در مورد زندگي گونه‌هاي خاص از گياهان و جانوران و ... . همچنين مي‌توانند در محيط‌هاي بياباني هم گسترش يابند و سال‌ها باقي بمانند (براي كنترل تغييراتي محلي). در برخي از كاربردها نيز شبكه حس/ كار به عنوان گروهي از ربات‌هاي كوچك كه با همكاري هم فعاليت خاصي را انجام مي‌دهند استفاده مي‌شود.
1) نظارت بر ترافيك
اغلب شبكه‌هاي حسگر بسيار ديناميك و پويا هستند. اشيا به وسيله رفت‌وآمد يك شبكه حسگر نظارت مي‌شوند و ممكن است در اطراف يك ميدان حسگر حركت كنند.گره‌هاي حسگر جديد مي‌توانند به شبكه ملحق شوند و موقعي كه باتري يك گره حسگر تخليه مي‌شود آن شبكه را ترك مي‌كند. يك مدل طبيعي از چنين شبكه‌هاي حسگر پويايي بايد از تغييرات در شبكه پشتيباني كند نه فقط در توپولوژي اتصال داخلي، بلكه در مجموعه مؤلفه‌ها ي موجود در شبكه Ptolemy II براي تغيير در ساختار مدل پشتيباني دارد. ما با مثال نشان مي‌دهيم كه چه طور اين مدل‌سازي شبكه حسگر با كاربرد نظارت بر ترافيك به كار گرفته شود.
حسگرها در امتداد جاده براي جمع‌آوري اطلاعات كه به پايگاه اصلي براي تحليل بيشتر فرستاده مي‌شود، توزيع مي‌شوند. براي مدل‌سازي و شبيه‌سازي چنين شبكه‌اي ما ابتدا يك مدل براي ميدان حسگر مي‌سازيم كه شامل يك مؤلفه براي هر گره حسگر و كانال‌ها (يك كانال بي‌سيم براي انتقال ميان حسگر ها و يك كانال صوتي براي انتشار سيگنال از وسايل عبوري در حسگرها). براي اينكه رفتار شبكه را شبيه‌سازي كنيم علاوه براين به يك مدل محرك براي توليد ورودي ترافيك به ميدان حسگر نياز داريم. سئوال اين است كه چه نوع از ورودي بايد براي مدل محرك در ميدان حسگر فراهم گردد؟ به طور مشخص آن يك ماشين است كه در امتداد جاده در يك كران و حاشيه وارد مي‌شود. در اين جهت محرك واقعاً يك مدل ماشين (اتومبيل) اضافه شده به ميدان حسگر است. از آنجايي كه ماشين‌ها مي‌توانند در هر زمان وارد يك منطقه شده و پس از مدتي آن را ترك كنند، ميسر نخواهد بود تا آنها به طور ايستا در ميدان حسگر مدل شوند.
براي نگهداري ساختار ديناميك به علت ورود و خروج ماشين‌ها ما يك اكتور سطح بالا را استفاده مي‌كنيم (يكي كه به عنوان مدل مي‌گيرد ورودي ديگر را). يك چنين اكتوري مدل ديگري كه را كه محاسبه‌اش را معين مي‌كند در بر مي‌گيرد و در طول اجرا مدل نگهداشته شده مي‌تواند به طور پويا تغيير داده شود. اكتور سطح بالا دو ورودي دارد، با اولين ورودي داده را دريافت مي‌كند كه مدل نگهداشته شده بايد پردازش شود و ورودي دوم تغييرات مدل را در مدل نگهداشته جاري دريافت مي‌كند.تغييرات مدل مي‌تواند مؤلفه‌هاي جديدي از قبيل اكتورهايي كه ماشين‌ها را مدل مي‌كنند اضافه كند. مؤلفه‌هاي موجود و اتصالات را حذف يا اضافه كنند.
موقعي كه اجرا شروع مي‌شود اكتور سطح بالا يك مدل درون تهي دارد. آن ابتدا يك تغيير مدل را براي ساخت ميدان حسگر دريافت مي‌كند بعد از تغيير به كار برده شده، اجرا با هيچ وسيله نقليه‌اي ادامه پيدا نمي‌كند. هنگامي كه مدل ترافيك تصميم‌گيري مي‌كند كه ورود ماشين به ميدان به وجود آيد آن يك مدل ماشين را توليد مي‌كند و به اكتور سطح بالا آن را مي‌فرستد، سپس مدل نگهداشته شده را براي قرار دادن مدل ماشين تغيير مي‌دهد. اجرا با حركت ماشين در منطقه بر طبق برنامه رانندگي ادامه مي‌يابد و حسگر در مسيرش به وسيله كانال صوتي كشف مي‌كند كه آيا يك عبور اتومبيل وجود دارد يا خير. اگر يك ماشين را شناسايي كند، حسگر سپس داده‌اي را به پايگاه اصلي مي‌فرستد.
بررسي مناطق جغرافيايي
محققان اروپايي و هندي براساس تحقيقات به دست آمده از ارگانيسم‌هاي زنده، به طراحي شبكه حسگرهاي بي‌سيم خودساختار اقدام كردند كه كاربرد وسيعي در بررسي‌هاي پيراموني (محيطي) دارد. باران‌هاي ناشي از بادهاي موسمي اقيانوس هند (مانسون) در ايالت كرالاي هند باعث افزايش خطر زمين‌لرزه مي‌شود اما سئوال اينجاست كه چگونه مي‌توان به مردم اين مناطق قريب الوقوع بودن خطر مانسون را اطلاع داد؟ يك راه، استفاده از شبكه حسگرهاي بي‌سيم است كه به منظور نظارت بر شرايط زمين شناسي طراحي شده است. استفاده از اين سيستم در حال عمومي شدن است؛ چرا كه اين حسگرها كوچك، ساده و ارزان بوده و نيازي به كابل‌كشي جهت وصل كردن گره‌هاي اتصالات و مركز كنترل ندارند و مي‌توانند كاربردهاي متعددي داشته باشند.
البته نقاط ضعفي نيز در اين سيستم وجود دارد. براي مثال خراب شدن پيوندهاي ارتباطي حسگرها و اين كه منبع تغذيه گره‌ها باتري است. شبكه بزرگ به واسطه حسگرهاي زيادي كه همزمان با مركز كنترل در حال ارسال گزارش هستند، شلوغ و پرترافيك مي‌شود و چالش پيش رو اين است كه آيا اين سيستم مي‌تواند به طور قابل اطمينان در مركز كنترل آلودگي هوا نظارت كند، آيا اين سيستم قابليت اندازه‌گيري شرايط آب و هوايي را دارد؟ اينها موانعي است كه اين پروژه را معلق نگه داشته است. اتحاديه اروپايي به منظور يافتن راه‌هاي جديد براي رفع مشكل و تقويت اين سيستم در مقابل خرابي گره‌هاي اتصال و توانايي توليد در مقياس بزرگ، سرمايه‌گذاري خوبي را انجام داده است. آنچه اين پروژه را با پروژه‌هاي قبل از آن متمايز مي‌كند، اين است كه طرح اوليه آن از سيستم‌هاي بيولوژيك گرفته شده است، چرا كه اين شبكه شامل حسگرهاي زيادي است و ارگانيسم‌هاي زنده نيز از سلول‌هاي منفرد فراواني ساخته شده است.
اگرچه هر كدام از اين سلول‌ها پايداري و قابليت اطمينان ويژه‌اي ندارند، اما تمام قلب به عنوان يك سيستم به شدت پايدار بوده و مي‌تواند به آساني با تغيير شرايط منطبق شود. سرآغاز اين پروژه، تهيه مدل رياضي سيستم‌هاي بيولوژيكي و ترجمه آنها به الگوريتم‌هايي بود كه نشان‌دهنده چگونه گره‌ها بايد با يكديگر در تقابل باشند. يك نمونه گره حسگر توليد شد، اما بحث اينجا بود كه چگونه شبكه حتي با وجود خرابي چند حسگر، قادر به ادامه كار باشد. پاسخ، يك سيستم خودسازمانده است. در اين پروژه، گره حسگر با گره‌هاي مجاور به گونه‌اي در ارتباط است تا به توافق برسند چه چيزي را حس كنند. سپس شبكه، بهترين مسير بين گره‌هاي موجود را براي مخابره اطلاعات به مركز كنترل انتخاب مي‌كند؛ اين اصل بيولوژيكي در سيستم رديابي زمين‌لغزه (ريزش كوه) به كار مي‌رود. نمونه اوليه اين شبكه در جنگل‌هاي پرباران منطقه كرالا در هند نصب شده است.
اين ناحيه در فصل بارندگي نسبت به زمين‌لغزه آسيب‌پذير است. حسگرها زير زمين كار گذاشته مي‌شوند، سپس به يك ماهواره كه اطلاعات را جمع مي‌كند و به مركز كنترل انتقال مي‌دهد، متصل مي‌شوند. اين شبكه شامل 12 حسگر ژئولوژيكي است كه به 15 گره حسگر متصل هستند و در طول 13 هكتار زمين پخش شده‌اند. در نمايش ديگري، محققان يك شبيه‌ساز رايانه‌اي را كه انتشار آتش در جنگل را شبيه‌سازي مي‌كرد، ساختند. اين شبيه‌ساز به تقليد از شبكه حسي طراحي شده بود تا بر جنگل‌ها نظارت داشته باشد و آتش‌سوزي را اعلام كند. اين حسگرها در جنگل‌هاي جمهوري چك نصب شد تا منبع گرما و دود را مشخص كند. هدف نهايي پژوهشگران از اجراي اين پروژه پيشرفت در طراحي خودسازمانده است. محققان معتقدند تبادل ايده‌ها بين زيست شناسان و مهندسان و به عكس مي‌تواند مزاياي زيادي به دنبال داشته باشد.
منبع: www.sensor-networks.org ارسال توسط کاربر محترم سايت : nooroz