Nod senzor - Sensor node

Image
Arhitectura tipică a nodului senzorului.

Un nod senzor , cunoscut și sub numele de mote (în principal în America de Nord ), este un nod dintr-o rețea de senzori care este capabil să efectueze unele prelucrări, să adune informații senzoriale și să comunice cu alte noduri conectate din rețea. Un mot este un nod, dar un nod nu este întotdeauna un mot.

Istorie

Deși nodurile de senzori fără fir există de zeci de ani și sunt utilizate pentru aplicații atât de diverse precum măsurarea cutremurului până la război, dezvoltarea modernă a nodurilor de senzori mici datează din proiectul Smartdust din 1998 și de pe NASA Sensor Web Unul dintre obiectivele proiectului Smartdust a fost crearea detectarea și comunicarea autonomă într-un milimetru cub de spațiu. Deși acest proiect sa încheiat devreme, a condus la multe alte proiecte de cercetare. Acestea includ marile centre de cercetare din Berkeley NEST și CENS. Cercetătorii implicați în aceste proiecte au inventat termenul mote pentru a se referi la un nod senzor. Termenul echivalent din NASA Sensor Webs Project pentru un nod senzor fizic este pod , deși nodul senzorului dintr-un senzor web poate fi un alt senzor web în sine. Nodurile senzorilor fizici au reușit să își mărească capacitatea împreună cu legea lui Moore . Amprenta cipului conține microcontrolere mai complexe și cu putere redusă . Astfel, pentru aceeași amprentă a nodului, poate fi încorporată mai multă capacitate de siliciu. În zilele noastre, motoarele se concentrează pe furnizarea celei mai lungi distanțe wireless (zeci de km), consumul redus de energie (câteva uA) și cel mai ușor proces de dezvoltare pentru utilizator.

Componente

Componentele principale ale unui nod senzor sunt un microcontroler , transceiver , memorie externă , sursă de alimentare și unul sau mai mulți senzori .

Controlor

Controlerul efectuează sarcini, procesează date și controlează funcționalitatea altor componente din nodul senzorului. În timp ce cel mai obișnuit controler este un microcontroler , alte alternative care pot fi utilizate ca controler sunt: ​​un microprocesor de birou de uz general , procesoare digitale de semnal , FPGA și ASIC . Un microcontroler este adesea utilizat în multe sisteme încorporate, cum ar fi nodurile senzorilor, datorită costului redus, flexibilității de conectare la alte dispozitive, ușurinței de programare și consumului redus de energie. Un microprocesor cu scop general are, în general, un consum mai mare de energie decât un microcontroler, prin urmare, de multe ori nu este considerat o alegere adecvată pentru un nod senzor. Procesatoarele digitale de semnal pot fi alese pentru aplicațiile de comunicații fără fir în bandă largă , dar în rețelele de senzori fără fir comunicarea fără fir este adesea modestă: adică, mai simplă, mai ușor de procesat modulația și sarcinile de procesare a semnalului de detectare efectivă a datelor sunt mai puțin complicate. Prin urmare, avantajele DSP-urilor nu sunt de obicei de o importanță mare pentru nodurile senzorilor fără fir. FPGA-urile pot fi reprogramate și reconfigurate în funcție de cerințe, dar acest lucru necesită mai mult timp și energie decât se dorește.

Transceiver

Nodurile senzorilor folosesc adesea banda ISM , care oferă radio gratuit , alocarea spectrului și disponibilitatea globală. Posibilele alegeri ale mijloacelor de transmisie fără fir sunt frecvența radio (RF), comunicația optică (laser) și infraroșu . Laserele necesită mai puțină energie, dar au nevoie de linie de vedere pentru comunicare și sunt sensibile la condițiile atmosferice. Infraroșul, la fel ca laserele, nu are nevoie de antenă, dar este limitat în capacitatea sa de difuzare . Comunicarea pe frecvență radio este cea mai relevantă care se potrivește majorității aplicațiilor WSN. WSN-urile tind să utilizeze frecvențe de comunicare fără licență: 173, 433, 868 și 915 MHz ; și 2,4 GHz . Funcționalitatea emițătorului și a receptorului sunt combinate într-un singur dispozitiv cunoscut sub numele de transceiver . Transmițătoarele de multe ori nu au identificatori unici. Stările operaționale sunt transmiterea, primirea, ralantiul și somnul. Transmițătoarele de generație curentă au mașini de stare încorporate care efectuează unele operații automat.

Cele mai multe emițătoare-receptoare care funcționează în modul inactiv au un consum de energie aproape egal cu puterea consumată în modul de recepție. Astfel, este mai bine să opriți complet transmițătorul decât să îl lăsați în modul inactiv atunci când nu transmite sau recepționează. O cantitate semnificativă de energie este consumată la trecerea de la modul de repaus la modul de transmisie pentru a transmite un pachet.

Memorie externa

Din punct de vedere energetic, cele mai relevante tipuri de memorie sunt memoria on-chip a unui microcontroler și memoria Flash - RAM off-chip este rareori folosită, chiar dacă vreodată. Memoriile flash sunt utilizate datorită costului și capacității de stocare. Cerințele de memorie depind foarte mult de aplicație. Două categorii de memorie bazate pe scopul stocării sunt: ​​memoria utilizatorului utilizată pentru stocarea datelor personale sau legate de aplicație și memoria de program utilizată pentru programarea dispozitivului. Memoria programului conține, de asemenea, date de identificare ale dispozitivului, dacă există.

Sursa de putere

Un nod senzor fără fir este o soluție populară atunci când este dificil sau imposibil să rulați o sursă de alimentare către nodul senzorului. Cu toate acestea, deoarece nodul senzorului wireless este adesea plasat într-o locație greu accesibilă, schimbarea regulată a bateriei poate fi costisitoare și incomodă. Un aspect important în dezvoltarea unui nod senzor fără fir este asigurarea faptului că există întotdeauna suficientă energie disponibilă pentru a alimenta sistemul. Nodul senzorului consumă energie pentru detectare, comunicare și prelucrare a datelor. Pentru comunicarea datelor este necesară mai multă energie decât orice alt proces. Costul energetic al transmiterii 1 Kb la o distanță de 100 de metri (330 ft) este aproximativ același cu cel utilizat pentru executarea a 3 milioane de instrucțiuni de către un procesor de 100 de milioane de instrucțiuni pe secundă / W. Puterea este stocată fie în baterii, fie în condensatoare. Bateriile, atât reîncărcabile, cât și nereîncărcabile, sunt principala sursă de alimentare pentru nodurile senzorilor. Ele sunt, de asemenea, clasificate în funcție de materialul electrochimic utilizat pentru electrozi, cum ar fi NiCd (nichel-cadmiu), NiZn (nichel-zinc), NiMH (nichel-metal hidrură) și litiu-ion . Senzorii de curent își pot reînnoi energia din surse solare , frecvență radio (RF), diferențe de temperatură sau vibrații . Două politici de economisire a energiei utilizate sunt Dynamic Power Management (DPM) și Dynamic Voltage Scaling (DVS). DPM economisește puterea prin închiderea părților nodului senzorului care nu sunt utilizate în prezent sau active. O schemă DVS variază nivelurile de putere din nodul senzorului în funcție de volumul de lucru nedeterminist. Prin variația tensiunii împreună cu frecvența, este posibil să se obțină o reducere pătratică a consumului de energie.

Senzori

Senzorii sunt utilizați de nodurile senzorilor fără fir pentru a captura date din mediul lor. Sunt dispozitive hardware care produc un răspuns măsurabil la o schimbare într-o stare fizică precum temperatura sau presiunea. Senzorii măsoară datele fizice ale parametrului care urmează să fie monitorizat și au caracteristici specifice, cum ar fi acuratețea, sensibilitatea etc. Semnalul analogic continuu produs de senzori este digitalizat de un convertor analog-digital și trimis controlerelor pentru procesare ulterioară. Unii senzori conțin elementele electronice necesare pentru a converti semnalele brute în citiri care pot fi recuperate printr-o legătură digitală (de exemplu, I2C, SPI) și mulți se convertesc în unități precum ° C. Majoritatea nodurilor senzorilor sunt de dimensiuni mici, consumă puțină energie, funcționează la densități volumetrice ridicate, sunt autonome și funcționează nesupravegheați și sunt adaptabili la mediu. Deoarece nodurile senzorilor fără fir sunt de obicei dispozitive electronice foarte mici, ele pot fi echipate doar cu o sursă de energie limitată de mai puțin de 0,5-2 ampere-oră și 1,2-3,7 volți.

Senzorii sunt clasificați în trei categorii: senzori pasivi, omnidirecționali; senzori pasivi, cu fascicul îngust; și senzori activi. Senzorii pasivi detectează datele fără a manipula efectiv mediul prin sondare activă. Ele sunt autoalimentate; adică energia este necesară doar pentru a le amplifica semnalul analogic. Senzorii activi sondează în mod activ mediul, de exemplu, un senzor sonar sau radar și necesită energie continuă de la o sursă de energie. Senzorii cu fascicul îngust au o noțiune bine definită de direcție de măsurare, similară cu o cameră. Senzorii omnidirecționali nu au nicio noțiune de direcție implicată în măsurători.

Majoritatea lucrărilor teoretice despre WSN presupun utilizarea senzorilor pasivi, omnidirecționali. Fiecare nod senzor are o anumită zonă de acoperire pentru care poate raporta în mod fiabil și precis cantitatea particulară pe care o observă. Mai multe surse de consum de energie în senzori sunt: ​​eșantionarea semnalului și conversia semnalelor fizice în cele electrice, condiționarea semnalului și conversia analog-digital. Densitatea spațială a nodurilor senzorilor din câmp poate fi de până la 20 de noduri pe metru cub.

Vezi si

Referințe