www.eprace.edu.pl » bezprzewodowy-pomiar » Zagadnienia podstawowe » Projektowanie bezprzewodowej sieci sensorowej

Projektowanie bezprzewodowej sieci sensorowej

W zależności od zastosowania projektowanie bezprzewodowej sieci sensorowej może nastręczyć wiele trudności. Często trzeba iść na kompromis pomiędzy zużyciem energii przez sensory, a szybkością konfiguracji sieci. Podczas projektowania sieci sensorowej trzeba uwzględnić pewne czynniki, mające wpływ na tworzenie sieci i jej pracę. Są one bardzo ważne gdyż ich dokładana analiza pozwala efektywniej opracować protokoły i algorytmy przesyłania danych. Do najważniejszych czynników zaliczyć można:

Skalowalność:

Sieć sensorowa może składać się z tysięcy pojedynczych węzłów, zatem musi być ona odporna na zakłócenia generowane przez sąsiednie węzły. Zmiana topologii takiej sieci nie powinna mieć wpływu na jej działanie.

Koszt produkcji:

Ze względu na ilość węzłów w sieci, koszt całkowity całego systemu może być ogromny, z tego względu dąży się do jak największego uproszczenia budowy sensorów w celu obniżenia kosztów.

Tolerancja na błędy:

Błędne działanie pojedynczego węzła nie powinno mieć wpływu na działanie całej sieci. Także uszkodzenia węzła bądź grupy węzłów na skutek czynników zewnętrznych, czy też rozładowania baterii nie powinno mieć wpływu na zadanie jakie sieć wykonuje. Funkcje uszkodzonych węzłów powinny przejąć węzły sąsiadujące – jest to zapewniane przez nadmiarowość węzłów w przestrzeni. Tylko w takiej sytuacji możemy mówić o niezawodności sieci, czy też jej tolerancji na błędy, rozumianej jako podtrzymanie całkowitej funkcjonalności bez jakichkolwiek przerw spowodowanych uszkodzeniem węzłów.

Środowisko pracy:

Zakres stosowania bezprzewodowych sieci sensorowych jest niezwykle szeroki, począwszy od prostego pomiaru temperatury w pomieszczeniach użytkowych, aż po pomiary parametrów huraganów, czy też śledzenie wędrówek dzikich zwierząt. Sensory pomiarowe muszą często działać w ekstremalnych warunkach środowiskowych, co stawia im bardzo duże wymagania odnośnie wytrzymałości i odporności na zakłócenia.

Medium transmisyjne:

Najczęściej stosowanym medium transmisyjnym w bezprzewodowych sieciach sensorowych są fale radiowe w nie licencjonowanym paśmie ISM (ang. Industrial, Science, Medicine). Można się również spotkać z aplikacjami opartymi na falach podczerwonych, których użycie również nie wymaga stosownej licencji. Zaletą wykorzystania fal podczerwonych jako medium transmisyjnego jest odporność na zakłócenia generowane przez urządzenia elektryczne, natomiast wadą wymóg zachowania widoczności pomiędzy nadawcą i odbiorcą (ang. a line of sight). Ogranicza to drastycznie zasięg stosowania takich urządzeń i w większości przypadków eliminuje fale podczerwone jako medium transmisyjne w projektowanej sieci sensorowej.

Pobór mocy:

Siłą bezprzewodowych sieci sensorowych jest ich elastyczność, czyli zdolność do ciągłych zmian topologii i łatwość rozmieszczenia sensorów w przestrzeni. Jest oczywiste, iż zasilanie takich modułów musi być uniezależnione od sieci elektroenergetycznej, bądź też każdej innej przewodowej linii zasilania. Sensory zasilane są z przenośnych źródeł energii – baterii, lub też energia pozyskiwana jest z otoczenia. Często sieci sensorowe po rozmieszczeniu węzłów pozostawiane są same sobie, bądź też ich konserwacja jest utrudniona, w takim wypadku wymiana baterii jest praktycznie nie możliwa. Wymusza to projektowanie układów elektronicznych pod kątem jak największej energooszczędności, również sam sposób działania sieci ma kolosalny wpływ na długość pracy na zasilaniu bateryjnym. Metoda wieloskokowego przesyłu danych powoduje znaczne zużycie energii, gdyż każdy węzeł pełni podwójną rolę – przesyła własne dane pomiarowe, oraz pełni rolę rutera dla pozostałych węzłów. W związku z tym oszczędność mocy i odpowiednie nią zarządzanie ma ogromne znaczenie.

Organizacja i reorganizacja sieci:

Ze względu na często przypadkowe rozmieszczenie sensorów w przestrzeni, jednym z głównych zadań stawianych protokołom rutingu (spolszczenie od angielskiego słowa routing) na początku działania sieci jest jej auto-organizacja, czyli określenie wzajemnych położeń sensorów względem siebie i wyznaczenie optymalnych ścieżek przesyłu danych. Bardzo często sensory ulegają awariom, bądź też ich źródła energii się wyczerpują, w takim przypadku sieć sensorowa ulega reorganizacji.

Jakość usług (ang. Quality of Service):

W pewnych aplikacjach dane powinny zostać dostarczone w ściśle określonym czasie od pomiaru, w przeciwnym razie są bezużyteczne. Często stosowana jest praktyka, w której jakość danych spada wraz z ilością energii w węzłach, aby wydłużyć czas życia sieci.

Ograniczenia prawne:

Projektowanie własnej sieci bezprzewodowej opartej o medium transmisyjne w postaci fal radiowych to nie tylko kwestie natury technicznej, pod uwagę muszą być wzięte także regulacje prawne dopuszczające urządzenia do użytku na terenie danego kraju. W Polsce urządzenia nadawczo-odbiorcze muszą być zgodne z rozporządzeniem Ministra Transportu z dnia 3 lipca 2007r. w sprawie urządzeń radiowych nadawczych, lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez zezwolenia radiowego [8].

Tabela 2.1 zawiera zakresy częstotliwości i parametry techniczne urządzeń przeznaczonych do ogólnego stosowania bez zezwolenia, obejmujących w szczególności urządzenia wykorzystywane w telemetrii, zdalnym sterowaniu, alarmach, transmisji danych oraz w zakresie powyżej 2,4 GHz do przesyłania sygnałów wizyjnych. Aktywność nadajnika oznacza wyrażony w procentach współczynnik maksymalnego czasu nadawania na jednej częstotliwości nośnej w stosunku do dowolnego jednogodzinnego przedziału czasu.


Lp. Zakres częstotliwości Moc promieniowania lub natężenie pola elektromagnetycznego w odległości 10 m Aktywność nadajnika
1 6,765 - 6,795 MHz 42 dBμA/m -
2 13,553 - 13,567 MHz 42 dBμA/m -
3 26,957 - 27,283 MHz 10 mW -
4 40,66 - 40,70 MHz 10 mW -
5 433,05 - 434,79 MHz 10 mW <10%
6 868,0 - 868,6 MHz 25 mW <=100%
7 868,7- 869,2 MHz 25 mW <=100%
8 869,3 - 869,4 MHz 10 mW <=0,1%
9 869,40 - 869,65 MHz 500 mW <=0,1%
10 869,70 - 870,00 MHz 5 mW <=0,1%
11 2.400,0 - 2.483,5 MHz 10 mW <1%
12 5.725,0 - 5.875,0 MHz 25 mW <=0,1%
13 24,00 - 24,25 GHz 100 mW <=10%
14 61,0 - 61,5 GHz 100 mW <=100%
15 122 - 123 GHz 100 mW -
16 244 - 246 GHz 100 mW -

Tab. 2.1: Częstotliwości nie licencjonowane w Polsce.



komentarze

Copyright © 2008-2010 EPrace oraz autorzy prac.