بررسی شبکه های حسگر
بررسی شبکه های حسگر – ایران ترجمه – Irantarjomeh
مقالات ترجمه شده آماده گروه کامپیوتر
مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی
مقالات
قیمت
قیمت این مقاله: 48000 تومان (ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره | ۱۵ |
کد مقاله | COM15 |
مترجم | گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh |
نام فارسی | بررسی شبکههای حسگر |
نام انگلیسی | Overview of Sensor Networks |
تعداد صفحه به فارسی | ۴۰ |
تعداد صفحه به انگلیسی | ۹ |
کلمات کلیدی به فارسی | شبکههای حسگر بدون سیم |
کلمات کلیدی به انگلیسی | Wireless sensor networks |
مرجع به فارسی | جامعه کامپیوتر IEEEدانشگاه کالیفرنیا، برکلی، لوس آنجلس، ایالات متحده آمریکا |
مرجع به انگلیسی | IEEE Computer Society, University of California Berkeley – Los Angeles |
کشور | ایالات متحده |
بررسی شبکههای حسگر
شبکههای حسگر بدون سیم میتوانند موجبات پیشرفت بسیاری از تحقیقات علمی را بوجود آورده و در عین حال بعنوان ابزاری مناسب روند ارتقای گونههای مختلف بهرهوری، شامل تولید، کشاورزی، مشاوره و حمل و نقل را فراهم میآورند.
پیشرفتهای بوجود آمده در علوم و تکنولوژی بطور عمیق در ارتباط با یکدیگر میباشند. تلسکوپ فهم عمیقتری از نجوم را بوجود آورده، میکروسکپ باعث شده است تا باکتری را بسادگی بتوان مشاهده نمود و ماهوارهها نیز قادرند تا سطح زمین را تحت پوشش و بررسی خود داده و دایره فهم و برآوردهای ما را گسترش دهند. هم اکنون ما میتوانیم از کامپیوترها ، بوسیله شبیهسازی عددی، به منظور درک و بررسی پدیدههای فیزیکی که قادر به انجام و مشاهده آنها از طریق آزمایشات تجربی نیستیم، استفاده نمائیم.
این رویه، با رشد نمایی امتداد یافته، در تکنولوژی نیمهرسانای اساسی پیشرفت نموده است. در پی قانون مور، تعداد ترانزیستورها در یک چیپ ارزان قیمت و همچنین ظرفیت پردازش و ذخیره این چیپ در هر سال یا دو سال یکبار دو برابر میشود. در حالیکه این موارد موجب قدرت روزافزون محاسباتی شده است، محققین اکنون این تکنولوژی را در راههایی بکار میبرند که بدینوسیله بتوان نسبت به فعال سازی نقش جدیدی از این پردازشها در علوم اقدام نمود.
با گذشت هر سال، ظرفیت محاسباتی بصورت ارزانتری و با حجم کمتری قابل ارائه میباشد. محققین میتوانند از تکنیکهای ساخت نیمهرساناهای مینیاتوری، برای ساخت رادیوها یا ادوات مخابراتی و ساختارهای مکانیکی کوچک منحصربفرد که قادر به حس میدانها و نیروهای جهان فیزیکی باشند، بهره جویند. این ادوات ارتباطی ارزان و کم مصرف را میتوان در امتداد با یک فضای فیزیکی پیاده نموده و بر این اساس، حس فشردهای نزدیک به پدیدههای فیزیکی را بوجود آورد. علاوه بر این، میتوان نسبت به پردازش و ایجاد ارتباطات و همچنین هماهنگ سازی فرآیندها با دیکر گرهها یا ترمینالها اقدام نمود. ترکیب چنین توانائیهایی با تکنولوژی نرمافزار سیستمی که تشکیل دهنده اینترنت میباشد این امر را امکان پذیر ساخته است تا جهان پیرامون خود را مجهز به ادواتی با صحت و دقت فزاینده نمائیم.
به منظور درک چنین فرصتی، تکنولوژی اطلاعات میبایست نسبت به مخاطب ساختن یکسری از چالشهای گردآوری شده جدید اقدام نماید. ادوات اختصاصی در شبکه حسگر بدون سیم (WSN) بصورت ذاتی محدود به منابع میباشند. آنها دارای سرعت پردازش، ظرفیت ذخیره سازی و پهنای باند ارتباطی محدودی میباشند. این ادوات بصورت انبوه، نه بصورت انفرادی، دارای ظرفیت پردازش اساسی میباشند. از اینرو، میبایست نقاط پیشرفته بسیاری از پدیدههای فیزیکی در داخل شبکه را به هم ترکیب کنیم.
در بیشتر موارد، این شبکه میبایست برای مدت زمان طولانی کار نموده و گرههای آن نیز میبایست بصورت بدون سیم باشند. از اینرو، منابع موجود انرژی – چه باتری و چه روشهای دیگر تحصیل انرژی و یا ادغام این روشها با هم- باعث محدود نمودن عملکرد کلی این شبکه میگردند. برای بحداقل رسانی مصرف انرژی، اغلب اجزای این ادوات، شامل رادیو، احتمالا در اغلب مواقع میبایست در حالت قطع انرژی بسر برند. از آنجائیکه این ادوات بطور بسیار نزدیکی در انطباق با دنیای فیزیکی پیرامون خود در حال تغییر میباشند، گرههای تشکیل دهنده شبکه به هنگام برقراری ارتباط گوناگونی گستردهای را تجربه خواهند نمود و در معرض شرایط محیطی بالقوه سختی قرار خواهند گرفت. پیادهسازی متراکم آنها معمولا به معنای آن است که میزان سطح بالایی از تعاملات بین گرهای، بصورت مثبت و منفی، وجود خواهند داشت. هر یک از این فاکتورها میتوانند باعث پیچیده شدن پروتکلهای شبکه شوند.
علیرغم این فاکتورهای عملیاتی، پیادهسازی و نگهداری گرهها میبایست بصورت ارزانی محقق شود. بواسطه آنکه پیکربندی دستی شبکههای وسیعی از اداوات کوچک غیر عملی میباشد، گرهها میبایست خود را سازماندهی کرده و روشهایی را جهت برنامهریزی و مدیریت شبکه، بجای مدیریت ادوات بصورت مجزا، ارائه نمایند. فایق آمدن بر چنین چالشهایی به تکنولوژی کامپیوتر این امکان را میدهد تا نقش تازهای را در پیشرفت علوم داشته باشد.
بررسی شبکه های حسگر
کاربردهای شبکه حسگر
با وجود آنکه پیادهسازی ادوات مبتنی بر کامپیوتر برای مدت مدیدی وجود داشته است، متراکمسازی چنین ادواتی بوسیله تغییر سنسورهای حسگر تولید شده انبوه و استفاده از تکنولوژی شبکه فراگیر به WSNها حوزه جدیدی را ارائه نموده است که میتوان آنرا برای امور گستردهای مورد استفاده قرار داد. این موارد را میتوان بصورت گزینههای متمایز ذیل در نظر گرفت:
فضای مانیتورینگ
موارد تحت مانیتورینگ و
مانیتورینگ تعاملهای موارد بایکدیگر و فضای احاطه شده
اولین طبقه در این خصوص شامل مانیتورینگ محیطی و بومی، کشاورزی دقیق، کنترل شرایط آب و هوایی داخلی، مراقبت، تصدیق معاهدات و زنگهای هوشمند میباشد. دومین طبقه شامل مانیتورینگ ساختاری، اکوفیزیولوژی، نگهداری ادوات براساس شرایط، تشخیص طبی و نقشهبرداری زمینی میباشد. مهمترین کاربردهای اساسی در این خصوص شامل موارد ذیل میباشد: مانیتورینگ تعاملات پیچیده، شامل زیستگاههای حیات وحش، مدیریت بلایا، واکنشهای اورژانسی، محیطهای محاسباتی فراگیر، پیگیری دارایی، مراقبت بهداشتی و جریان فرآیند تولید.
مانیتورینگ محیطی
پیادهسازی بسیاری از WSN های اولیه بمنظور مانیتورینگ محیطی بوده است که شامل جمعآوری اطلاعات در خلال زمان و در خصوص حجمی از فضا میباشد که به اندازهای بزرگ است که در آن میتوان گوناگونی داخلی قابل توجهای را به نمایش گذاشت. محققین با استفاده از WSNها نسبت به مانیتورینگ یا نظارت بر زیستگاههای پرندگان دریایی و تغییرات ریز- آب و هوایی به هنگام انجام عملیات برش بر روی نوعی از گونههای بلوط کوتاه و همیشه بهار اقدام نمودهاند. همچنین آنها با این روش به مطالعات قیاسی انتشار آلودگی، راحتی ساختمانها و تشخیص نفوذ پرداختهاند. یکی از مثالهای این موضوع، نظارت یا مانیتورینگ بر تغییرات ریز- آب و هوایی در درختان ماموت میباشد. که در جهت گردآوری نمونهای از کل محصولات جنگلی مناسب هستند.
مانیتورینگ و کنترل حرکت
موضوعات تحت نظارت یا مانیتورینگ چالشهای متفاوت و فرصتهای گوناگونی را ارائه مینمایند. بسیاری از کاربردها را میتوان بعنوان گونهای از نگهداری براساس شرایط مربوطه متصور شد. یک ساختار فیزیکی، نظیر یک ماشین، موتور، بال هواپیما، پل یا ساختمان دارای مدهای معمولی ارتعاشی، انتشارات صوتی و واکنش به محرکها میباشند. گوناگونیها در این رفتارها معرف فرسایش، خستگی یا دیگر تغییرات مکانیکی میباشد. بطور مثال، یک یاتاقان قبل از متوقف شدن حالت ارتعاش و صدای خاصی را تولید خواهد نمود.
تکنولوژی شبکه درونی
WSNها محدوده گستردهای از تکنولوژی اطلاعات، که سخت افزار، نرمافزار سیستم، شبکهبندی و رویهها یا اسلوبهای برنامهنویسی را در بر دارند، را با هم ترکیب مینمایند.
ریزپردازندهها، برق و ذخیره
یک شبکه حسگر سخت افزار گرهای شامل ریزپردازنده، ذخیرهساز دادهها، حسگرها، مبدلهای آنالوگ به دیجیتال (ADCها)، فرستنده و گیرنده داده، کنترلر، که جفتها یا قطعات را بهم گره می کند، و یک منبع انرژی میباشد. اخیرا، یک نقطه عملیاتی جدید ظهور نموده است که کلیه مولفههای فوقالذکر را در خود جای داده است. به همان صورت که مدارهای نیمهرسانا کوچکتر میشوند، مصرف انرژی یا برق آنها برای فرکانس عرضه شده بوسیله آنها نیز همچنان کمتر میگردد. همچنین آنها جای کمتر را نیز اشغال میکنند.در میکروکنترلرهای ساده، حالت مینیاتوری و کوچک شده قطعات به صورت موثر و کارایی بهبود یافته و قابلیت کاری آنها نیز در حدود یک میلیوات با عملکرد حدودا ۱۰ مگاهرتز افزایش یافته است. اغلب مدارات را می توان خاموش نمود. از اینرو، نیروی مصرفی در حالت آماده بکار یا Standby میتواند در حدود یک میکرووات باشد. در صورتی که چنین دستگاهی یک درصد در هر زمان فعال باشد، میانگین مصرف نیروی آن تنها چند میکرووات خواهد بود.
بررسی شبکه های حسگر
ریزحسگرها یا میکروسنسورها
حسگرها برای گرههای مورد بحث ما نقش چشم و گوش را دارند. بسیاری از مواد به هنگامی که در معرض شرایط محیطی مختلف قرار میگیرند خصیصههای الکتریکی خود را از دست میدهند. حسگرها در حقیقت تولید میشوند، بنابر این این تغییرات در محدوده مشخصی قابل پیشبینی میباشند. بطور مثال، یک ترمیستور بعنوان یک رزیستور متغیر بشمار میآید که با دما به آهستگی تغییر میکند. یک ADC افت ولتاژ را به یک عدد باینری، که ریزپردازنده توانایی ذخیره سازی یا پردازش آن را دارد، تبدیل مینماید. فوتوسل و تشخیصگر مه نیز بطور مشابه کار میکنند، اما آنها شامل شانههای جاگذاری شده ظریفی میباشند که بوسیله مادهای که از فوتونهای تابشی یا رطوبت برای تغییر مقاومت استفاده میکند جدا گشتهاند.
میکرورادیوها
هم اکنون برای مدت زمانی میباشد که سازندگان اقلام مختلف نسبت به اضافه نمودن حسگرها به تولیدات خود، نظیر لوازم خانگی، وسائط حمل و نقل و ادوات مکانیکی، اقدام نمودهاند. این پیشرفت ناشی از ارتباطات حسگرها و توانایی بکارگیری آنها در ادوات دیگر میباشد، یعنی ترجمه یا تبدیل دنیای فیزیکی به اطلاعاتی بصورت بیتها که این ابزارها و ادوات قادر به انتقال، ذخیره و پردازش آنها باشند.
چالش سیستمها
پر کردن فضای بین پتانسیلهای خام تکنولوژی سختافزار و محدوده گستردهای از برنامههای کاربردی بعنوان یک چالش مطرح میباشد. این شبکه میبایست نسبت به تخصیص سختافزار محدود جهت چندگانه سازی فعالیتهای همزمان اقدام نماید نظیر نمونهبرداری حسگرها، پردازش و دادهها بصورت استریم یا یک جریان. پتانسیل میان اتصالات بین ادوات مختلف را میبایست مدنظر قرار داد و همچنین اطلاعات مسیر خاص از آن جهت که از کجا بوجود آمده و در کجا مورد استفاده قرار میگیرد را نیز میبایست بررسی نمود. همچنین میبایست راههای جهت برنامه نویسی گروهی یا جمعی را یافته و آنها را مورد استفاده قرار داد.
TinyOs
سیستمهای عامل متعارف نظیر یونیکس بخوبی بر روی یک ریزپردازنده ۳۲ بیتی در سرعت ۵۰ الی ۱۰۰ مگاهرتز، که دارای چندین مگابایت حافظه رم و یک یا چندین گیگابایت حافظه ثانویه میباشد، اجرا میشود. امروزه، چنین ویژگیهایی را میتوان در سیستمهای دستی یافت که قادر به انجام کار برای چندین ساعت متوالی بدون نیاز به شارژ مجدد باطری میباشند.
پلتفرمهای حسگر شبکه
اجزای مختلف برکلی و TinyOs بصورت گستردهای برای بررسی مشکلات سیستمی و پیادهسازی برنامههای اصلی بکار گرفته شدند. ریزپردازنده معتدلترین میزان رم را فراهم نموده و شامل ADC داخلی میباشد. یک رادیو با فرکانس- سریعالانتقال همراه با پهنای باندی تقریبا مشابه با یک مودم، با قابلیت برقراری ارتباط که توسعه دهندگان سیستم بوسیله آن قادر خواهند بود نسبت به برپایی و استقرار یک شبکه اقدام نمایند. حافظه فلش خارجی که بر روی چیپ قرار ندارد، فضایی را برای ذخیره اطلاعات بوجود آورده است که در آن هم برنامههایی که میبایست بسمت شبکه ارسال شوند و هم دادههایی که، فراتر از رم روی چیپ، بافر گردیدهاند، نگهداری میشوند. چندین نوع از مدارات حسگر برای این پلتفرم طراحی گردیده است.
شبکههای خود- سازماندهی شده
ارتباطات بدون سیم و ادوات مرتبط با آن بصورت گستردهای مرتبط با حسنمودن از راه دور از طریق مسافت سنجی ماهوارهای و موشکی میباشد – نمونه های اولیه لینکهای بدون سیم. یک شبکه شامل گرههای زیادی میباشد که هر کدام از آنها دارای لینکهای چندگانهای میباشند که به دیگر گرهها مرتبط هستند. اطلاعات بصورت گام به گام یا حلقه به حلقه از یک مسیر و از نقطه تولید به نقطه مورد استفاده بحرکت در میآید.
اتصال
توانایی کار در محیط شبکه بوسیله WSNها در لایههای مربوطه بوجود میآیند. پایینترین لایه ادوات رادیویی فیزیکی را کنترل میکند. رادیوها بصورت ذاتی در حقیقت همان ادوات برقراری و ارسال ارتباطات میباشند. به هنگامی که گرهی اقدام به ارسال مینماید، مجموعه دیگری از گرهها قادرند تا آن را دریافت دارند، بجز آنکه در همان زمان بوسیله ادوات انتقال یا مخابرات دیگری تحریف شده باشد. جهت ممانعت از چنین پدیدهای لایه رابط به کانال مربوطه گوش فرا داده و تنها به هنگامی اقدام به ارسال مینماید که این کانال خالی باشد. در این هنگام عمل ارسال بصورت یکسری از ساختارهای بیتی که تشکیل دهنده پاکت کدگذاری شده سیگنال رادیویی است اتجام میگردد.
بررسی شبکه های حسگر