Сенсорный узел - Википедия - Sensor node

Типичный архитектура сенсорного узла.

А сенсорный узел, также известный как пылинка (в основном в Северная Америка ), является узлом в сенсорная сеть который способен выполнять некоторую обработку, собирать сенсорную информацию и обмениваться данными с другими подключенными узлами в сети. Сучка - это узел, но узел не всегда является соринкой.[нужна цитата ][1]

История

Несмотря на то что узлы беспроводных датчиков существовали в течение десятилетий и использовались для таких разнообразных приложений, как измерения землетрясений и войны, современная разработка небольших сенсорных узлов началась в 1998 году. Smartdust проект[1] и НАСА Сенсорные перемычки Проект[2] Одной из целей проекта Smartdust было создание автономных датчиков и коммуникаций в пределах кубического миллиметра пространства. Хотя этот проект закончился рано, он привел к большему количеству исследовательских проектов. В их число входят крупные исследовательские центры в Беркли NEST.[3] и CENS.[4] Исследователи, участвовавшие в этих проектах, создали термин пылинка для обозначения сенсорного узла. Эквивалентный термин в проекте NASA Sensor Webs для физического сенсорного узла: стручок, хотя сенсорный узел в Sensor Web может быть другой самой Sensor Web. Узлы физических датчиков смогли увеличить свои возможности в сочетании с Закон Мура. На корпусе микросхемы размещены более сложные и маломощные микроконтроллеры. Таким образом, при той же занимаемой площади узла в него можно уместить больше кремниевых возможностей. В настоящее время основное внимание уделяется обеспечению максимальной дальности беспроводной связи (десятки км), наименьшего энергопотребления (несколько мкА) и простейшего процесса разработки для пользователя.[5]

Составные части

Основными компонентами сенсорного узла являются микроконтроллер, трансивер, внешний объем памяти, источник питания и один или несколько датчики.

Контроллер

Контроллер выполняет задачи, обрабатывает данные и контролирует работу других компонентов в узле датчика. Хотя наиболее распространенным контроллером является микроконтроллер, другие альтернативы, которые можно использовать в качестве контроллера: общего назначения рабочий стол микропроцессор, цифровые сигнальные процессоры, ПЛИС и ASIC. Микроконтроллер часто используется во многих встроенные системы таких как сенсорные узлы, из-за его низкой стоимости, гибкости для подключения к другим устройствам, простоты программирования и низкого энергопотребления. Микропроцессор общего назначения обычно имеет более высокое энергопотребление, чем микроконтроллер, поэтому он часто не считается подходящим выбором для сенсорного узла.[нужна цитата ] Цифровые сигнальные процессоры могут быть выбраны для широкополосного доступа. беспроводная связь приложений, но в Беспроводные сенсорные сети беспроводная связь часто бывает скромной: то есть проще, легче обрабатывать модуляция и обработка сигналов задачи фактического считывания данных менее сложны. Поэтому преимущества DSP обычно не имеют большого значения для беспроводных сенсорных узлов. ПЛИС можно перепрограммировать и перенастроить в соответствии с требованиями, но это требует больше времени и энергии, чем хотелось бы.[нужна цитата ]

Трансивер

Узлы датчиков часто используют Группа ISM, что дает бесплатно радио, распределение спектра и глобальная доступность. Возможный выбор средств беспроводной передачи: радиочастота (РФ), оптическая связь (лазер) и инфракрасный. Лазеры требуют меньше энергии, но требуют Поле зрения за коммуникация и чувствительны к атмосферным условиям. Инфракрасный, как и лазер, не нуждается антенна но он ограничен в своем вещание емкость. Связь на основе радиочастоты является наиболее подходящей для большинства приложений WSN. WSN обычно используют безлицензионные частоты связи: 173, 433, 868 и 915. МГц; и 2.4 ГГц. Функциональность обоих передатчик и приемник объединены в одно устройство, известное как трансивер. У трансиверов часто отсутствуют уникальные идентификаторы. Рабочие состояния: передача, прием, ожидание и спящий режим. Трансиверы текущего поколения имеют встроенные государственные машины которые выполняют некоторые операции автоматически.

Большинство трансиверов, работающих в режиме ожидания, потребляют мощность, почти равную мощности, потребляемой в режиме приема.[6] Таким образом, лучше полностью выключить трансивер, чем оставлять его в режиме ожидания, когда он не передает и не принимает. При переключении из спящего режима в режим передачи для передачи пакета требуется значительное количество энергии.

Внешняя память

С точки зрения энергетики наиболее важными видами памяти являются встроенная память микроконтроллера и Флэш-память - вне чипа баран редко, если вообще используется. Флэш-память используется из-за их стоимости и емкости памяти. Требования к памяти во многом зависят от приложения. Две категории памяти в зависимости от цели хранения: пользовательская память, используемая для хранения прикладных или личных данных, и программная память, используемая для программирования устройства. Программная память также содержит идентификационные данные устройства, если они есть.

Источник питания

Беспроводной сенсорный узел - популярное решение, когда сложно или невозможно обеспечить сетевое питание на сенсорный узел. Однако, поскольку узел беспроводного датчика часто располагается в труднодоступном месте, регулярная замена батареи может быть дорогостоящей и неудобной. Важным аспектом разработки беспроводного сенсорного узла является обеспечение постоянного наличия достаточного количества энергии для питания системы. потребляет энергию для зондирования, связи и обработки данных. Для передачи данных требуется больше энергии, чем для любого другого процесса. Энергозатраты на передачу 1 Кбайт на расстояние 100 метров (330 футов) примерно такие же, как и при выполнении 3 миллионов инструкций процессором со 100 миллионами инструкций в секунду / Вт.[нужна цитата ] Энергия хранится либо в батареях, либо в конденсаторах. Аккумуляторы, как перезаряжаемые, так и неперезаряжаемые, являются основным источником питания сенсорных узлов. Они также классифицируются в соответствии с электрохимическим материалом, используемым для электродов, таким как NiCd (никель-кадмиевый), NiZn (никель-цинк), NiMH (никель-металлогидрид), и литий-ионный.Датчики тока могут возобновлять свою энергию от солнечный источники, Радиочастота (RF), температура различия, или вибрация. Используются две политики энергосбережения: Динамическое управление питанием (DPM) и Динамическое масштабирование напряжения (DVS).[7] DPM экономит электроэнергию, отключая части сенсорного узла, которые в настоящее время не используются или не активны. Схема DVS изменяет уровни мощности в узле датчика в зависимости от недетерминированной рабочей нагрузки. Изменяя напряжение вместе с частотой, можно получить квадратичное снижение энергопотребления.

Датчики

Датчики используются узлами беспроводных датчиков для сбора данных из своей среды. Это аппаратные устройства, которые дают измеримую реакцию на изменение физического состояния, такого как температура или давление. Датчики измеряют физические данные контролируемого параметра и имеют определенные характеристики, такие как точность, чувствительность и т. Д. аналоговый сигнал производимые датчиками оцифровываются аналого-цифровой преобразователь и отправляется контролерам для дальнейшей обработки. Некоторые датчики содержат необходимую электронику для преобразования необработанных сигналов в показания, которые можно получить по цифровому каналу (например, I2C, SPI), а многие преобразуют в такие единицы, как ° C. Большинство сенсорных узлов имеют небольшой размер, потребляют мало энергии, работают с высокой объемной плотностью, автономны и работают без присмотра, а также могут адаптироваться к окружающей среде. Поскольку узлы беспроводных датчиков, как правило, представляют собой очень маленькие электронные устройства, они могут быть оснащены только ограниченным источником питания менее 0,5–2 ампер-час и 1,2–3,7 вольт.

Датчики подразделяются на три категории: пассивные всенаправленные датчики; пассивные узконаправленные датчики; и активные датчики. Пассивные датчики воспринимают данные, фактически не манипулируя окружающей средой путем активного зондирования. Они имеют автономное питание; то есть энергия нужна только для усиления аналогового сигнала. Активные датчики активно исследуют окружающую среду, например, гидролокатор или радарный датчик, и им требуется постоянная энергия от источника питания. Датчики с узким лучом имеют четко определенное представление о направлении измерения, как у камеры. Всенаправленные датчики не имеют понятия о направлении, используемом в их измерениях.

Большинство теоретических работ по WSN предполагает использование пассивных всенаправленных датчиков. Каждый сенсорный узел имеет определенную зону покрытия, для которой он может надежно и точно сообщать о конкретной величине, которую он наблюдает. Несколько источников энергопотребления в датчиках: выборка сигналов и преобразование физических сигналов в электрические, преобразование сигналов и аналого-цифровое преобразование. Пространственная плотность сенсорных узлов в поле может достигать 20 узлов на кубический метр.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Умная пыль
  2. ^ Краткое техническое описание НАСА
  3. ^ Дома В архиве 2001-11-10 на Wayback Machine
  4. ^ CENS: Центр встроенного сетевого зондирования В архиве 2009-04-07 на Библиотека Конгресса Интернет-архивы
  5. ^ «Waspmote: современная пылинка»
  6. ^ Ю. Сюй, Дж. Хайдеманн и Д. Эстрин, Экономия энергии с учетом географических особенностей для специальной маршрутизации, в Proc. Mobicom, 2001, стр. 70–84.
  7. ^ Динамическое управление питанием в беспроводных сенсорных сетях, Амит Синха и Ананта Чандракасан, IEEE Design & Test of Computers, Vol. 18, № 2, март – апрель 2001 г.