Распределенные сенсорные сети. Способ распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети. Что такое беспроводные сенсорные сети

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Ефремов Сергей Геннадьевич. Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком: диссертация... кандидата технических наук: 05.13.18 / Ефремов Сергей Геннадьевич;[Место защиты: Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования].- Москва, 2013.- 143 с.

Введение

Глава 1. Проблема увеличения времени жизни беспроводных сенсорных сетей 11

1.1. Понятие беспроводной сенсорной сети 11

1.2. Понятие времени жизни сети 20

1.3. Методы увеличения времени жизни БСС 23

1.4. Реконфигурируемые БСС с мобильным стоком 27

1.5. Выводы к главе 1 35

Глава 2. Математическая модель реконфигурируемых БСС . 37

2.1. Введение 37

2.2. Модель реконфигурируемой сенсорной сети 37

2.3. Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС. 41

2.4. Показатели времени жизни сети 54

2.5. Оценка времени жизни динамически реконфигурируемых сетей 59

2.6. Выводы к главе 2 63

Глава 3. Метод динамической реконфигурации сенсорной сети с мобильным стоком 65

3.1. Введение 65

3.2. Общая задача планирования движения стока 66

3.3. Метод решения задачи планирования движения стока 72

3.4. Эвристические алгоритмы динамического управления движением стока 77

3.5. Выводы к главе 3 81

Глава 4. Моделирование БСС с мобильным стоком 83

4.1. Введение 83

4.2. Исследование возможности проведения натурного эксперимента 83

4.3. Имитационное моделирование 92

4.4. Выводы к главе 4 113

Заключение 114

Литература 116

Введение к работе

Актуальность работы

Последние достижения технологического прогресса сделали возможным создание недорогих миниатюрных вычислителей с чрезвычайно малым энергопотреблением, способных объединяться в сеть и взаимодействовать друг с другом посредством беспроводных каналов связи. Сети таких устройств получили название беспроводных сенсорных сетей (БСС), что, в частности, подчеркивает их основное назначение - сбор данных с датчиков (сенсоров) для последующего накопления, анализа и выдачи управляющих команд.

Актуальными направлениями в области БСС являются создание новых аппаратных платформ, разработка стеков сетевых протоколов и специализированных операционных систем, разработка алгоритмов доступа к среде и маршрутизации для сложных сетевых топологий, имеющих целью повышение энергоэффективности БСС, что позволяет увеличить время жизни (автономной работы) БСС.

Проводимые в диссертационной работе исследования находятся на стыке двух приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: "Информационно-телекоммуникационные системы" и "Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика". Повышением эффективности сенсорных сетей активно занимаются ведущие российские организации, среди которых Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, Нижегородский государственный университет, Московский авиационный институт, а также международные - Калифорнийский Университет в Беркли, Массачусетский Технологический Университет (США) и многие другие.

Одной из проблем, препятствующих повышению энергоэффективности

БСС, является проблема неравномерного потребления энергии узлами сети, заключающаяся в том, что сеть становится неработоспособной в тот момент, когда энергия заканчивается у нескольких узлов, в то время как большинство остальных имеют значительный запас энергии.

Существует ряд методов, направленных на решение данной проблемы. К ним относятся индивидуальный подбор емкости батарей, плотности размещения узлов, мощности передатчиков, применение энергоэффективных протоколов маршрутизации, позиционирование узлов сети. Относительно недавно был предложен новый класс перспективных методов, использующих в качестве ресурса для энергетической балансировки мобильность узлов сети, предусматривающую динамическое изменение конфигурации (топологии) сети.

Серьезным препятствием проведения дальнейших исследований является отсутствие математических моделей динамически реконфигурируемой сенсорной сети. В связи с этим задача исследования и разработки комплексной модели, позволяющей, во-первых, оценивать время жизни автономных сетей, конфигурации которых меняются с течением времени, и во-вторых, оптимизировать их работу по критерию максимизации времени жизни, является актуальной.

Объектом исследования являются модели и методы динамической реконфигурации сенсорных сетей.

Предметом исследования является применение моделей и методов динамической реконфигурации сенсорных сетей с мобильным стоком для оценки и увеличения времени их жизни.

Цель диссертационной работы состоит в разработке математической модели и метода динамической реконфигурации беспроводной сенсорной сети для увеличения времени ее жизни.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

Проведен обзор и анализ подходов к определению понятия времени жизни сенсорных сетей, дано новое определение.

Разработана математическая модель динамически реконфигурируемой сенсорной сети с мобильным стоком.

Разработан численный метод решения задачи планирования движения стока.

Исследованы и разработаны эвристические алгоритмы для динамического управления мобильным стоком в случае изменяющихся условий функционирования сети.

Разработан комплекс программ имитационного моделирования с целью получения зависимостей времени жизни от параметров функционирования сети.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы теории множеств, теории графов, линейного и целочисленного линейного программирования, методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Дано новое определение времени жизни сенсорной сети, позволяющее фиксировать момент ее выхода из строя с учетом возможного самовосстановления.

   Разработана модель сенсорной сети, позволяющая оценивать время ее жизни при динамических реконфигурациях.

   Разработан метод динамической реконфигурации сенсорной сети, позволяющий оптимизировать движение стока по критерию максимизации времени ее жизни.

   4. Разработан алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети, учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.

   Практическая значимость. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования работы динамически реконфигурируемой беспроводной сенсорной сети, а также для моделирования алгоритмов планирования движения мобильного стока.

   Создан малогабаритный макет беспроводного устройства сенсорной сети на базе приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4, реализующего необходимые алгоритмы по поддержке мобильности стока, включающие его позиционирование в пространстве.

   Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается их соответствием известным теоретическим и практическим данным, опубликованным в литературе, а также положительными результатами их внедрения в ряде практических проектов.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   1. 1. Определение времени жизни самовосстанавливающейся сенсорной сети.

         Модель сенсорной сети, позволяющая оценивать время ее жизни при динамических реконфигурациях.

         Метод динамической реконфигурации сенсорной сети, позволяющий оптимизировать движение стока по критерию максимизации времени ее жизни.

         Алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети, учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.

         Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ (2008 - 2013гг.), научно-практическом семинаре ВШЭ "Системный анализ, управление и информационные системы" (19.03.2013), XVI и XVII Международной студенческой конференции-школе-семинаре «Новые информационные технологии» (2008-2009гг.), на международных исследовательских семинарах в Университете Шеффилда и Университете Бирмингема (Великобритания, 2011 г.). Результаты работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР «Разработка программных средств в целях внедрения информационных технологий в промышленность» (номер государственной регистрации НИОКР 01201056220), «Разработка системы активного беспроводного сбора данных в интралогисти- ке» (номер государственной регистрации НИОКР 01200961253).

         Результаты работы были применены при проектировании динамически реконфигурируемой сети в рамках совместного Российско-Германского научно-исследовательского проекта.

         Получены патент на полезную модель № 87259 от 11.06.2009, патент на полезную модель № 98623 от 30.06.2010, патент на полезную модель № 121947 от 10.11.2012, патент на изобретение № 2429549 от 30.06.2010.

         Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, включающей 95 наименований, и 4 приложений. Общий объем диссертации без учета приложений составляет 128 страниц.

         Методы увеличения времени жизни БСС

         Перейдем к описанию возможных методов увеличения времени автом-номной работы БСС. К наиболее простым относятся улучшение аппаратных характеристик устройств: уменьшение энергопотребления отдельных компонентов, оптимизация их размещения на кристалле или печатной плате или увеличение емкости батарей. Исследование данных возможностей относится к смежным областям (электроника, радиофизика, химия, схемотехника и др.) и не будет затрагиваться в настоящей диссертационной работе.

         Тем не менее, следует отметить, что у способа есть как физические (передача данных по радиоканалу на заданное расстояние, равно как и обработка данных микропроцессором, требуют определенных энергетических затрат) и стоимостные ограничения (использование более энергоэффективных компонентов приводит к удорожанию систем). Кроме того, использование больших по емкости батарей неизбежно приводит к увеличению размера устройств, в то время как сама концепция сенсорных сетей предполагает их миниатюрность.

         С точки зрения программных алгоритмов обработки данных на узлах системы возможны следующие варианты:

         Сжатие данных. Данный метод имеет свои пределы, кроме того в сенсорных сетях сами данные, как правило, невелики по объему, поэтому их сжатие не дает большого эффекта.

         Накопление данных и их последующая передача большими блоками. Метод основан на том, что в современных беспроводных стандартах любая передача цифрового пакета связана с дополнительными накладными расходами (см. также разделы 1.1.2, 2.3.3). Поэтому выгоднее передавать данные большими блоками в одном пакете. Последние исследования в области миниатюрных преобразователей альтернативной энергии (MEH, Micro-Energy Harvesters) открыли ряд возможностей для создания полностью автономных узлов сенсорной сети при сохранении их небольших размеров. Известен ряд готовых решений для подключения сенсорных узлов к миниатюрным солнечным батареям, преобразователям вибрационной энергии и термогенераторам на основе элемента Пелетье .

         Однако на сегодняшний день ни одно из решений по сбору и преобразованию альтернативной энергии еще не нашло массового применения в реальных сетях сбора данных, состоящих из сотен узлов, прежде всего, из-за высокой стоимости, включающей в себя затраты на регулярное обслуживание. Но в перспективе данный подход может стать одним из ведущих и в конечном счете решить проблему ограниченного времени жизни БСС.

         Как было отмечено выше, сенсорные сети главным образом предназначены для сбора данных. Это означает, что существует один или несколько выделенных узлов, к которым стекается информация со всей сети. Данные узлы (стоки), как правило, имеют постоянный источник питания, интерфейсы сопряжения с локальными, глобальными сетями или с более мощными вычислительными устройствами. Таким образом, в сенсорной сети есть преимущественное направление движение полезного трафика, приводящее к тому, что через узлы маршрутизации, находящиеся рядом со стоком(-ами), проходит на порядок больший объем трафика.

         Современные технологические достижения позволили сделать микропроцессоры с очень малой потребляемой мощностью, способные выполнять широкий спектр задач. Однако для того, чтобы передать данные по беспроводному каналу связи, необходимо затратить на порядок больший объем энергии (см. табл. 1.1).

         Из таблицы очевидно, что чем больше данных проходит через узел беспроводной сети, тем больше его потребляемая мощность. Как следствие, в сети возникает проблема дисбаланса энергопотребления (рис. 1.3), приводящая к тому что автономные элементы, располагающиеся рядом с центральным узлом (узлами) сбора данных, раньше других выходят из строя из-за разряда собственных аккумуляторов, и, как следствие, уменьшается время автономной работы сенсорной сети.

         Для выравнивания потребляемой мощности всех узлов сети используют различные методы энергетической балансировки (energy balancing). Приведем краткое описание основных методов.

         Построение гетерогенной сети предполагает использование ряда возможностей:

         1. Индивидуальный подбор емкости батарей в зависимости от положения устройств в структуре сети и выполняемых ими функций . В этом случае ключевые ретранслирующие устройства могут снабжаться большими по емкости аккумуляторами. Данный подход является одним из самым простых, но одновременно приводит к низкой масштабируемости сети и ее плохой адаптации к смене условий функционирования. Также необходимость разработки различных конструктивных решений под разные элементы приводит к увеличению стоимости конечных систем.

         2. Разная плотность размещения узлов сети в зависимости от предполагаемой интенсивности трафика в конкретной зоне . Данное решение направлено на обеспечение избыточности в структуре сети и дублирование функций отдельных узлов. Так при выходе из строя очередного маршрутизатора его функции будут переложены на соседний элемент, до этого момента никак не используемый.

         К программным методам относят использование протоколов маршрутизации, основанных на метрике остаточной энергии узлов или виртуальных координатах , чередование дальней и ближней передачи , позиционирование узлов , а также кластеризацию .

         Известно, что в протоколах маршрутизации традиционных сетей используются метрики, направленные на увеличение пропускной способности сети или уменьшение задержек передаваемых данных. Подобными метриками могут служить количество промежуточных узлов (хопов) до адресата, пропускная способность канала связи, уровень загрузки линии . В сенсорных сетях часто применяется метрика остаточной энергии узлов на пути до стока. В этом случае из множества альтернативных маршрутов выбирается тот, на котором узлы имеют либо большую остаточную энергию.

         Перспективным методом балансировки считается использование мобильности отдельных компонентов сети. В ряде работ показано, что потенциально мобильность может обеспечить наибольшее преимущество с точки зрения увеличения продолжительности автономной работы сети. Поэтому именно данный подход будет детально изучен в диссертационной работе.

         Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС

         В целом понятно, что узел беспроводной сети сбора данных можно считать работающим, пока он может безошибочно считывать показания с датчиков, производить необходимые вычисления и передавать данные в сеть. При разработке и установке сети важно заранее оценить приблизительное время работы каждого узла до момента, когда будет необходима замена его батарей. Для этого важно понимать, какие факторы влияют на продолжительность времени его автономной работы.

         В частности, хорошо известно, что энергопотребление отдельных элементов сети зависит от следующих факторов, которые необходимо принимать во внимание при моделировании БСС:

         Характеристики аппаратных средств (емкость батарей, потребляемая мощность микроконтроллера, приемопередатчика, датчиков и прочих электронных компонентов).

         Частота сбора и передачи данных, зависящая от приложения. Например, в широко распространенных системах климат-контроля, экологического мониторинга достаточно собирать информацию раз в несколько секунд или даже десятков секунд, поскольку такие параметры как температура или влажность меняются плавно. Как следствие, большую часть времени сенсор может находится в режиме сна. В то же время передача звука требует высокой частоты сбора данных (8 кГц, 16 кГц, 32 кГц и более), что фактически исключает возможность нахождения элемента сети в режиме пониженного энергопотребления.

         Протоколы физического и канального уровней, определяющие, прежде всего, механизмы контроля доступа к среде. В асинхронном режиме доступа к среде, например, CSMA/CA , ретрансляторы не могут находиться в режиме сна, в противном случае оконечные устройства не смогут передать свои данные. Синхронный режим доступа к среде характеризуется тем, что все элементы могут на некоторое время уходить в режим пониженного энергопотребления, так как функционирование всей сети координируется специальными синхрофреймами (все элементы сети знают время передачи следующего такого кадра). Однако данный режим сложно реализовать в распределенных сетях, в которых используются десятки или сотни маршрутизаторов. Тем не менее уже разработан ряд алгоритмов и протоколов, направленных на уменьшение потребляемой мощности устройств сети: Berkeley MAC (B-MAC) , Sensor MAC (S-MAC) , D-MAC , адаптивный алгоритм быстрой доставки сообщений .

         Топология сети, определяющая объем информации, проходящий через каждый элемент (с учетом ретрансляции сообщений). В сенсорных сетях применяются как простые топологии (звезда, кольцо, дерево), так и более сложные ячеистые структуры.

         Используемый протокол маршрутизации, добавляющий в сеть дополнительный служебный трафик. В области сенсорных сетей наибольшее распространение получили протоколы класса AODV (ad-hoc on-demand distance vector) , отличающиеся тем, что информация о маршрутизации не сохраняется в памяти элементов длительное время и не обновляется регулярно. При необходимости передать сообщение предварительно делается запрос маршрута. Только после этого отправляется само сообщение. Для уменьшение объема трафика, передаваемого по сети, были предложены методы сетевого кодирования .

         Формализуем приведенные выше утверждения в виде методики расчета времени жизни.

         В любой сенсорной сети есть три типа узлов – оконечные устройства, маршрутизаторы (ретрансляторы) и стоки. Стоки не представляют интерес с точки зрения времени автономной работы: как уже было отмечено, обычно они подключены к источникам питания, имеющим на порядок большую емкость.

         Рассмотрим более подробно методику расчета времени жизни оконечных устройств и ретрансляторов. Она основывается на следующих допущениях:

         Алгоритм работы устройства является строго детерминированным, для внешних факторов, являющихся случайными величинами, известно математическое ожидание.

         Отсутствует эффект восстановления батареи. При необходимости он может быть учтен путем увеличения начальной энергии устройства . Тогда зная начальную энергию батареи 0 и мощность, потребляемую устройством, можно приблизительно оценить время его жизни по формуле:

         Оконечное устройство предназначено для считывания показаний с собственных датчиков и передачи их в сеть. Главным его отличием от ретранслятора является отсутствие возможности сквозной передачи через себя данных от других устройств. При использовании событийной модели или модели передачи по расписанию (см. раздел 1.1.3), оно, как правило, работает по циклической схеме, представленной на рис. 2.2.

         Метод решения задачи планирования движения стока

         Очевидно, что задача частично-целочисленного линейного программирования является в общем виде NP-трудной , точное решение не может быть получено за допустимое время для больших значений т даже на самых мощных вычислителях. Сложность обусловлена наличием целочисленных переменных и, как следствие, комбинаторным характером общих приемов решения подобных задач .

         Необходимость решения задач большой размерности обусловлена следующим практическим фактором. Результаты имитационного моделирования (см. следующую главу), говорят о том, что управляемую мобильность целесообразно применять в больших сетях, состоящих из нескольких сотен узлов. Такие сети покрывают территории в несколько десятков квадратных километров. Учитывая необходимость сохранять в определенных пределах задержки передачи данных, общее количество позиций стока также должно быть большим.

         Предлагаемый далее метод направлен на снижение вычислительной сложности задачи при сохранении значения целевой функции близким к оптимальному. Метод принимает во внимание следующие особенности рассматриваемой предметной области:

         1. Поиск оптимального маршрута не является целью задачи оптимизации, так как считается, что сток неограничен в ресурсах. Следовательно необязательно искать путь, проходящий через каждую вершину один раз.

         2. Энергетические затраты на перенастройку сети, определяемые величинами ег-к пренебрежимо малы по сравнению с затратами на передачу данных.

         Разделим задачу (3.4) на две подзадачи. Первая подзадача (LP) аналогична оптимизационной проблеме (3.1), то есть она включает только один набор ограничений без учета дополнительной энергии j. В результате ее решения находится подмножество Вторая подзадача (ROUTE) будет решать проблему построения маршрута по найденному подмножеству позиций V и набору ограничений на перемещения стока, задаваемому матрицей D. Данная задача может быть решена одним из эвристических алгоритмов , например “Идти в ближайшую непосещенную вершину”. Однако в ходе ее решения может быть получена принципиальная невозможность построения такого маршрута. Например, на рис. 3.3 показан пример решения задачи LP, по которому невозможно построить маршрут. Серым цветом обозначены вершины из VS, входящие во множество У, получаемое в результате решения задачи LP.

         Решением задачи будет tk = min n ni . Очевидно, что маршрут стока будет включать только точку к, то есть получится сценарий неподвижного стока.

         Теорема 3.3.2. Пусть VQ - множество вершин, запрещенных для посещения на і-м шаге алгоритма. Тогда итерационный процесс выполняется максимум за т шагов (где т - количество вершин в графе позиций стока Gs), если VQ С VQ + .

         Доказательство Согласно алгоритму, V0l = 0. Исходя из условия теоремы, \VQ\ \VQ+ . Возьмем крайний случай последовательного добавления в VQ одного элемента на каждой итерации. Тогда \V0l\ = 0, \V02\ = 1,... \V0m\ = т - 1. Но согласно лемме 3.3.1, если \VQ\ = т - 1, итерационный процесс останавливается.

         Из теоремы 3.3.2 следует один из возможных алгоритмов решения задачи ITER - увеличение на каждом шаге множества Vo. Для этого предлагается несколько эвристик:

         Vo = Vo U {к} : к Є VА, Vj Є V: tj tk. То есть из вершин, полученных в результате решения задачи LP, выбирается такая, для которой время пребывания стока наименьшее.

         Vo = Vo U Vk: Vj Є , j = к: 2iyti 2iy.ti. Другими словами, в Vo добавляется связанный подграф с наименьшим суммарным временем пребывания стока.

         Возможен и другой алгоритм - постепенно наращивать множество V\ до образования связанного графа V. Для этого предлагается следующая эвристика. На первом шаге выделяются два подграфа и с наибольшим суммарным временем пребывания стока. После этого, используя стандартные алгоритмы на графах , например алгоритм Флойда-Уоршелла, или алгоритм Дейкстры в том случае, если число вершин в одном из двух графов небольшое, находятся кратчайшие пути между всеми парами вершин (,),

         Эвристические алгоритмы динамического управления движением стока

         В реальных системах зачастую невозможно заранее собрать всю информацию, необходимую для решения задач (3.1), (3.4). Кроме того, ключевые для модели (2.1) величины могут меняться со временем. Ниже приведены некоторые из практических сценариев, являющихся возможными причинами:

         1. Изменение помеховой обстановки в отдельных зонах. Это может быть в свою очередь связано с развертыванием новой сети в том же или близком частотном диапазоне. В подобном случае увеличивается вероятность повторных передач пакетов, и, следовательно, растет энергопотребление элементов, находящихся в данной зоне.

         2. Реконфигурация элементов сети. В ряде случаев требуется изменение алгоритмов работы отдельных устройств. Например, может потребоваться изменение частоты посылки тестовых сообщений.

         3. Изменение климатических условий функционирования узлов. Как следствие, их аккумуляторы могут быстрее истощать свою энергию. В таких случаях целесообразным является применение динамического управления движением мобильного стока. Для формального описания алгоритма динамического управления стоком введем несколько дополнительных обозначений: S(k) - подмножество вершин графа GS, включающее к и смежные с к вершины, те. S(k) = {к} U {j: (k,j) Є Es}.

         Обозначим также через D(k) множество узлов, окружающих к-ю позицию стока или, другими словами, множество узлов, которые подключаются напрямую к стоку, когда тот находится на позиции к: D(k) = і Є Vn: (и, і) Є Еп(к), где и Є Vn - узел-сток.

         Исследование возможности проведения натурного эксперимента

         Глава посвящена моделированию времени жизни динамически реконфи-гурируемых БСС, проводимому с целью получения количественных оценок управляемой мобильности стока, а также нахождения оптимальных условий для ее использования.

         На первом этапе исследована возможность проведения натурного эксперимента на существующих аппаратных платформах, сделан вывод о том, что полноценный эксперимент при текущем состоянии технических и программных средств сильно затруднен.

         На втором этапе проведено имитационное моделирование при помощи разработанного комплекса программных средств.

         С точки зрения оборудования для стационарной части сети, существует огромный выбор устройств для разных задач. Можно условно разбить весь спектр оборудования на три группы:

         1. Электронные компоненты - микроконтроллеры, приемопередатчики и пр., являющиеся основой для разработки решений, начиная с самого низкого уровня. 2. Промежуточные платформы, как правило, разрабатываемые исследовательскими университетами с целью проведения экспериментов.

         3. Встраиваемые системы, создаваемые для решения конкретных задач.

         Теоретически можно провести натурный эксперимент, собрав из отдельных компонентов специализированную платформу на базе одного из множества доступных беспроводных модулей, производимых такими компаниями как Texas Instruments, Atmel, NXP, Telegesis, Freescale и др.

         Автор диссертационной работы участвовал в совместном российско-германском проекте по созданию системы активного беспроводного сбора данных в интралогистике. В ходе проекта была разработана специализированная программно-аппаратная платформа для сенсорных сетей на базе беспроводного модуля NXP Jennic JN5148 . Данные модули на момент разработки обладали наилучшими характеристиками с точки зрения вычислительных возможностей и энергосберегающих режимов.

         В проекте были апробированы модель беспроводной сенсорной сети с автономными источниками питания (2.1), а также метод ее динамической реконфигурации за счет использования мобильных узлов.

         Особенностью разработанной системы сбора данных в интралогистике является то, что мобильным элементом выступает не сток, а сенсорные узлы, которые размещаются на конвейере вместе с товарами в контейнерах для их мониторинга. В таблице 4.1 приведены контролируемые параметры и использованные при разработке макета датчики. Для каждого параметра указана максимальная частота сбора данных в системе (для прототипа из 10 узлов использовалась частота в 15 раз меньше максимальной).

         Другим вариантом проведения натурного эксперимента является использование готовых систем на базе беспроводных сетей, изначально разработанных для решения определенных задач. Так в ходе диссертационного исследования был проведен эксперимент на базе оборудования компании, занимающейся охранным мониторингом в Москве (см. приложение A). Ключевой особенностью рассматриваемой охранной системы является то, что потоки данных в ней заранее известны по алгоритму работы узлов и накопленной статистике, и, следовательно, можно применить метод динамической реконфигурации сети, описав ее работу с точки зрения мощности, потребляемой устройствами. В системе, на базе которой проводился эксперимент, было 9 ретранслирующих и около 4 тысяч оконечных устройств (см. рис. 4.3).

         Ретрансляторы системы подключены к постоянному источнику питания, однако также оборудованы резервной батареей 12В. Целью эксперимента было исследование возможности увеличения длительности автономной работы ретрансляторов системы при аварийном отключении электропитания за счет использования метода динамической реконфигурации сети. Реконфигурация заключалась в смене топологий путем программного управления, последовательность смены определялась в результате решения задачи (3.4). В итоге удалось добиться увеличения времени жизни отдельных ретрансляторов на 25-40%.

         Однако ни один из вышеперечисленных экспериментов не позволил в полной мере раскрыть весь потенциал использования методов динамической реконфигурации сети, прежде всего, из-за небольшого размера самой сети (количества ретрансляторов).

         Наиболее предпочтительным вариантом проведения полноценного натурного эксперимента является использование специализированных аппаратно-программных платформ для научных исследований, главным образом из-за того, что они обладают куда большей гибкостью с точки зрения возможных модификаций протоколов нижнего уровня, необходимых для тонкой настройки переходов устройства между различными режимами своей работы, в том числе при беспроводной передаче данных.

         Одними из наиболее успешных исследовательских платформ для БСС зарекомендовали себя разработки калифорнийского университета Беркли, ранее поставляемые через компанию crossbow (xbow), а в настоящее время реализуемые фирмой MEMSIC . К ним относятся платформы TelosB (рис. 4.4, а), MicaZ (рис. 4.4, б), Imote2 (рис. 4.4, в).

         Все вышеперечисленные решения поддерживают операционную систему TinyOS, разработанную специально для использования в сенсорных сетях. Imote2 является на порядок более производительной платформой, однако, у нее хуже характеристики по энергопотреблению. Все три решения разработаны под стандарт IEEE 802.15.4, при этом в TelosB и MICAZ используются приемопередатчики собственной разработки университета Беркли, которые не сертифицированы во многих странах мира, включая Россию. Данный факт является серьезным препятствием для их использования в качестве оборудования для натурного эксперимента. TelosB содержит интегрированные датчики температуры, освещенности и влажности, в MICAZ предусмотрен универсальный разъем для плат расширения, за счет чего возможно подключение большего спектра датчиков.

         FireFly Nodes – платформа для беспроводной сенсорной сети, разработанная в лаборатории «Realime & Multimedia Systems Lab» Питсбургского университета Carnegie Mellon, США. Она, как и другие, предназначена для сбора данных, обработки и коммуникаций в mesh-сетях. Однако существенным шагом вперед по сравнению с предыдущими решениями стало внедрение системы глобальной синхронизации узлов, обеспечивающей возможность перехода всей сети в режим низкого энергопотребления.

         Похожие диссертации на Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни T i каждого узла определяется как

На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети T sys = min i ∈ N T i (q c) . Максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга, работающих как независимо, так и в составе многоуровневых информационно-управляющих системах, в частности в системах мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени с узлами, распределенными на больших территориях и не имеющими проводных линий связи и линий электропитания.

Уровень техники

В настоящее время сенсорные сети все больше занимают свое место в приложениях мониторинга различных мест и событий. В связи с развитием технологии беспроводной связи появилась возможность развития беспроводных распределенных сенсорных сетей (РСС). Распределенные сенсорные сети отличаются от обычных сетей ограниченным энергоресурсом, низкой вычислительной мощностью, необходимостью более плотного расположения и низкой ценой одного узла. Эти особенности от других сетей (например, сотовых) определяют новые цели и задачи их применения. Беспроводные сенсорные сети получили широкое применение во многих сферах деятельности человека, и поэтому им сейчас уделяется огромное внимание.

Распределенная сенсорная сеть состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как: сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена батарей питания, требует значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до разрядки батареи. Это свойство сенсорных сетей является очень важным при разработке алгоритмов маршрутизации в РСС, позволяющих повысить эффективность расходования энергоресурса сети.

Так, существует множество способов экономии энергоресурсов узлов в сенсорной сети, и на фиг.1 приведена их классификация. Способы можно разделить на три большие группы - это сохранение энергии при помощи циклов работы, основанные на количестве передаваемой информации и на мобильности.

К циклам работы относят контроль топологии и управление энергопотреблением. Контроль топологии направлен на использование или уменьшение избыточных связей в сети в целях экономии ресурса. Управлять потреблением можно, применяя различные энергосберегающие протоколы управления доступом к среде передачи (МАС-протоколы) и режимы работы устройств. Второй класс способов сохранения энергоресурса основан на количестве передаваемой информации, а также на получении этой информации экономичными способами. Энергия, потраченная на обработку информации, несравнимо меньше требующейся энергии для ее передачи, поэтому используется внутрисетевая обработка данных, сжатие или предсказание данных. Также используются ретрансляторы для экономии электроэнергии узлов сенсорных сетей.

Методы маршрутизации можно разделить на следующие категории: прямая, иерархическая и маршрутизация в зависимости от географического положения.

Прямая маршрутизация подразумевает передачу сообщений от узла к узлу в сети, где каждый узел выполняет одинаковую функцию передачи и/или ретрансляции, в отличие от иерархической, где выделяется один или несколько узлов сбора и обработки информации. Недостаток прямой маршрутизации заключается в том, что сети, собирающие информацию с какой-то области, будут посылать множество избыточной информации, особенно при значительной плотности сенсорной сети. Для того чтобы избежать избыточности информации, используют специальные алгоритмы, направленные на получение информации не от узлов, а от определенной области сети. Например, известен алгоритм Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN), где базовая станция посылает запрос к определенному региону сенсорной сети. Получив запрос, узлы области выполняют требование запроса, локально обмениваются данными и посылают обратно обобщенный ответ.

При иерархической маршрутизации для сбора и обработки требуется использовать узлы с большим запасом энергии, что хотя и позволяет экономить на передачи уже обработанных данных значительно меньшего объема, зачастую неприемлемо ввиду однородности используемых приборов или других трудностей. Для того чтобы не использовать специализированные узлы, существуют несколько технологий. Так, известна технология Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), когда функцию сбора принимают поочередно несколько узлов сенсорной сети, выбираемых по определенному алгоритму, тем самым распределяя нагрузку узла сбора.

Маршрутизация в зависимости от географического положения также еще называется геометрической маршрутизацией, потому что для нахождения маршрута используется геометрическое направление на базовую станцию. Также существует маршрутизация по виртуальным координатам, которые выстраиваются не только в зависимости от реального положения узла, но и учитывают естественные неровности поверхности, препятствия, уровень канала передачи и др.

Также известна многопотоковая маршрутизация, где доставка сообщения от одного узла возможна по нескольким путям. В последнее время большое внимание уделяется маршрутизации по запросу у базовой станции, например, на основе нахождения кратчайшего пути и поддержания его с учетом плохого канала и выхода из строя узлов. Однако узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети, под которым часто понимается время жизни первого вышедшего из строя узла. Поэтому имеется необходимость в создании технологии максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается тем или иным методом линейного программирования.

Так, в качестве близкого по сущности технического решения известен патент RU 2439812 C1, опубликован 2012-01-10, МПК H04W 36/00, где раскрыта самоконфигурируемая сенсорная сеть из множества датчиков и исполнительных устройств на основе маршрутизации в зависимости от географического положения. Сенсорная сеть состоит из центрального устройства обработки данных (ЦУОД) и N базовых станций (БС), расположенных равномерно или хаотически по границам территории покрытия сети, где БС имеют пространственную привязку к глобальным координатам позиционирования и содержат память для хранения значения коэффициента доверия, который представляет собой число в диапазоне от заданного минимального и максимального значений. Коэффициент доверия для БС устанавливают приблизительно равным максимальному значению. Внутри территории покрытия сенсорной сети равномерно или хаотически располагают М узлов, причем M>>N. Узлы оснащают памятью, предназначенной для хранения значений координат пространственной привязки, которую инициализируют случайными значениями в процессе производства, и для хранения коэффициента доверия, которую инициализируют значением, приблизительно равным минимальному значению коэффициента доверия. Каждый узел и БС устанавливают соединение не более чем с К соседними узлами и БС, причем значение К зависит от характеристик пропускной способности канала связи, характеристик быстродействия и энергопотребления микропроцессоров, входящих в их состав. После установления соединения узлы и БС выполняют операцию взаимного определения значений пространственных координат. Для этого каждый узел или БС циклически передает значения собственной памяти для хранения значений координат пространственной привязки и памяти для хранения значения коэффициента доверия. В каждом цикле обработки узел получает значения координат и коэффициентов доверия от всех соседних устройств, с которыми установлено соединение, и определяет расчетные значения собственных координат и собственного коэффициента доверия по методу взвешенного усреднения значений собственных координат и координат соседних устройств, используя в качестве весовых коэффициентов коэффициенты доверия самого устройства и соседних устройств. Таким образом, узлы сенсорной сети получают пространственную привязку. Для маршрутизации сообщения от ЦУОД к узлу с координатами (x, y, z) оно передает сообщение к одной или нескольким БС, ближайшим к требуемым координатам. Указанные БС передают сообщение ближайшим узлам, а узлы последовательно - своим ближайшим узлам в направлении вектора, направленного к требуемой точке (x, y, z). Узлы, пространственно привязанные к точкам, расположенным на расстоянии, не превышающем радиус чувствительности сенсорной сети r, воспринимают сообщение как адресованное им. Дальнейший арбитраж узлов для выбора окончательного адресата сообщения, а также отправку подтверждения о приеме сообщения производят по необходимости, исходя из технических требований к функционированию сети. Для маршрутизации сообщения от узла к ЦУОД узлы дополнительно оснащают памятью для хранения списка координат ближайших БС. Для передачи сообщения ЦУОД узел передает сообщение одному или нескольким соседним узлам в направлении вектора, направленного к точке с координатами БС, когда сообщение достигает БС, она передает сообщение непосредственно на ЦУОД и, при необходимости, отправляет в сторону передавшего узла сообщение о подтверждении передачи.

Недостатком такой самоконфигурируемой сенсорной сети и способа ее функционирования является сложность применяемого оборудования, связанная с необходимостью задавать и использовать координаты пространственной привязки узлов и базовых станций, а также такое решение не обеспечивает продолжительное время жизни всей сети в целом.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа можно предложить способ маршрутизации с максимальным временем жизни в беспроводной сети Ad-hoc, раскрытый в публикации Arvind Sankar and Zhen Liu, Maximum Lifetime Routing in Wireless Ad-hoc Networks, INFOCOM 2004, Twenty-third Annual Joint Conference of the IEEE, Computer and Communications Societies, vol.2, p.p.1089-1097, где формулируется задача максимизации времени жизни сенсорной сети, которая решается методом линейного программирования, а именно предложен алгоритм, чтобы минимизировать сумму потенциальных функций всех очередей.

Недостатком такого способа является низкая эффективность, поскольку узлы, расположенные на кратчайшем расстоянии, часто быстро истощаются, что приводит к обрывам связи и уменьшению времени жизни сети.

Таким образом, имеется необходимость в решении вышеуказанных проблем предшествующего уровня техники.

Сущность изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является, в частности: обеспечение эффективной маршрутизации и продление времени жизни беспроводной сенсорной сети для мониторинга различных объектов и параметров в режиме реального времени, где важна информация каждого узла, повышение функциональности, надежности и снижение стоимости использования систем для мониторинга. Использование предложенного решения позволит повысить эффективность эксплуатации контролируемого объекта за счет более продолжительного срока службы автономной батареи электропитания, что позволит регистрировать и передавать данные о параметрах объекта и/или окружающей среды в течение более продолжительного времени.

Сущность предложенного способа распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети заключается в применении нового алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения. Связь между упомянутыми узлами в сенсорной сети выполняется, например, по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому подходящему протоколу беспроводной связи. Распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M), который определяет набор упомянутых узлов и связи между ними, где N узлы сети, а М грани, также имеется К маршрутов. Информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, при этом время жизни T i каждого узла определяется как

Далее определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys

Таким образом, максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные узлы на основе его рассчитанного T i .

По меньшей мере, один узел источника содержит датчик измерения и мониторинга физических параметров (величин) с автономным питанием, который осуществляет мониторинг в заданной области сети и передачу сообщений (пакетов данных) с измеренными параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

Как вариант, в каждом узле для приведения данных мониторинга к единообразному виду могут выполнять первичную обработку полученных с датчиков физических параметров, например, путем их накопления в памяти, усреднения, аналого-цифрового преобразования в соответствующий код. В качестве измеряемых параметров для мониторинга, например, окружающей среды, используются различные параметры, такие как температура, давление, влажность, освещенность, задымление, уровень вибрации и др.

Как вариант, выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которые необходимо пройти до узла назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время передачи; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

Как вариант, в способе дополнительно осуществляют обновление значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимое при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

Как вариант, после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям (маршруту) реализуют при отправке пакета, каждый узел сети помещает адрес следующего узла в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровень).

Также предложена система распределенной балансировки трафика в распределенной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети согласно предложенному способу, содержащая: узел назначения, соединенный беспроводным каналом связи с узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник их питания, а узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

Как вариант, сенсорные модули могут быть разделены на группы, и каждая группа связана с узлом назначения беспроводной связью через свой приемопередатчик. Мониторинг экологических или промышленных параметров в реальном времени проводится точечно в заданной области, где первое подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга, а второе подмножество узлов источников выполняет только функции приемопередачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с первого подмножества узлов источников.

Эти и другие конструктивные и функциональные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания его вариантов, которые должны читаться совместно с чертежом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана известная классификация способов сохранения энергии узлов в сенсорной сети.

На фиг.2 показан алгоритм построения сенсорной сети на основе опроса.

На фиг.3 показана сенсорная сеть в виде графа G (N, M).

На фиг.4 показаны варианты определения маршрутов.

Подробное описание изобретения

Предложен алгоритм, на котором базируется технология автоматизированного сбора и передачи данных посредством предложенной РСС (сети автономных беспроводных самоорганизующихся мобильных устройств) на единую точку для построения модели исследуемого объекта или пространства. Данная модель преимущественно может быть использована для построения сетей мониторинга экологических или промышленных параметров в реальном времени, мониторинга состояния в жизненном цикле зданий и сооружений, при проектировании и построении рекреационных зон и объектов санитарно-курортного строительства, а также в других различных областях автомобильной индустрии, на железнодорожном транспорте, в дорожном строительстве, в медицине.

Предложенное изобретение позволяет существенно повысить функциональность, надежность и снизить стоимость использования таких систем для мониторинга. Снижение стоимости неразрывно связано с конструктивной, функциональной и программной унификацией частей, из которых строится система, что предполагает тщательный анализ требований и проведение исследований способов построения универсальной программно-аппаратной платформы для создания систем мониторинга экологического состояния среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Для этого исследуются различные параметры: температура, давление, влажность, освещенность, задымление, вибрация, которые собираются посредством самоорганизующихся сенсорных сетей. РСС состоит из конечных устройств, промежуточных роутеров, координатора сети и выделенной точки сбора данных, иногда такую точку называют шлюзом сети, она служит для конвертации данных из радиоканала в сеть, организованную на оптических или медных проводах - Ethernet. Датчики сбора физических параметров крепятся к узлам сети - конечным устройствам, которые через координатор сети выстраиваются в единую структуру, например, посредством протокола ZigBee. Это позволяет развернуть сеть для мониторинга за короткий промежуток времени с минимальными затратами и достаточно высокой надежностью.

Каждый узел РСС снабжен автономным источником питания, что позволяет устанавливать их в труднодоступных местах для снятия требуемых показаний с минимальными трудозатратами. Особенностью предложенного изобретения является создание уникального масштабируемого программно-аппаратного обеспечения, состоящего из необходимого для внедрения набора модулей, позволяющего управлять устройствами для максимально возможного времени работы, и при этом формировать в автоматическом режиме достоверную модель пространственной гетерогенной среды. Связь между устройствами происходит по радиоканалу в различных стандартах связи, в том числе по протоколу Zigbee, в нелицензируемом диапазоне частот или по мобильной цифровой радиосети. Собранные для обработки данные позволяют использовать такую систему для построения экологической 3D модели исследуемой среды/пространства или исследуемого объекта, существенно сократив объем требуемого времени на обработку и получение информации и денежных ресурсов. Суть предложенного алгоритма, названного two ladder-logic, заключается в управлении элементами РСС, позволяющего балансировать нагрузкой на узлах сети таким образом, чтобы передаваемые данные отправлялись на ближайший узел сети не случайным образом, а на тот, который обладает наибольшим запасом энергии в текущий момент времени. Используемый алгоритм функционирования РСС позволяет изменять нагрузку на узлы сети таким образом, что вся сеть остается работоспособной максимально продолжительное время.

Применение РСС может обеспечить получение значительных преимуществ как в технологическом, так и в экономическом аспекте, перед традиционными системами сбора и обработки данных. Принципиальное возрастание производительности сбора и обработки цифровой телеметрии, достигаемое за счет использования РСС, позволяет агрессивно внедряться в рынок и перейти на технологические решения нового поколения, тем самым становится возможным и легко реализуемым появление новых автоматизированных систем, действующих в реальном времени на основе облачных технологий. По мере развития технологии должен произойти переход от соединенных локальных сетей мониторинга к крупномасштабным системам мониторинга, наблюдения и предсказания, основанным на беспроводной РСС.

На фиг.2 показан пример маршрутизации и построения сенсорной сети на основе опроса. РСС состоит из множества дешевых, автономных, многофункциональных узлов, которые находятся в зоне мониторинга. Каждый узел состоит из набора блоков, таких как сенсор, используемый для получения данных от окружающей среды, блок приема-передачи данных, микроконтроллер для обработки и управления сигналами и малогабаритный источник энергии. Процессор питается от автономной батареи с конечным энергоресурсом, что приводит к значительным ограничениям в энергопотреблении. Обслуживание сенсорных узлов, например замена автономной батареи, требуют значительных затрат, в особенности, когда узлы расположены в труднодоступных местах, так что большинство сенсорных сетей является необслуживаемыми и работают до истощения батареи питания.

Алгоритм маршрутизации позволяет строить маршрут на основании запросов и ответов. Координатор сети 1 отправляет широковещательный запрос HELLO и принимает ответы от маршрутизатора (роутера) 2. Каждый маршрутизатор также отправляет широковещательный запрос и получает ответы от соседних устройств, это могут быть другие маршрутизаторы или конечные устройства 3. На основе принятых ответов (силе сигнала, времени ответа и других параметров) координатором выстраивается таблица маршрутизации на каждом маршрутизаторе. Далее, выбор маршрута осуществляется в стандартном алгоритме путем определения весового графа с минимальным суммарным значением.

Как правило, сенсорные узлы оборудуются однотипными устройствами с определенным набором функций. После установки, в процессе эксплуатации сенсорные узлы должны сами организоваться в коммуникационную сеть, где каждый узел использует только те функции, которые необходимы для решения поставленной задачи. Маршрутизация также происходит в автоматическом режиме. Помимо первичной маршрутизации, требуется еще регулярное перестроение сети, потому что устройства могут терять канал связи или выходить из строя по причинам, связанным с внешними или внутренними факторами.

Работа каждого сенсорного узла направлена на измерение различных параметров среды, например температуры, давления, освещенности, влажности, задымления, уровня вибрации и др. Такое разнообразие параметров влечет за собой различные сферы применения, например сбор данных и мониторинг окружающей среды, мониторинг различных производственных объектов, размещенных как в отдельном здании, так и на большой территории, объектов нефтегазовой промышленности, транспортных объектов, военные применения и др. Сенсорные сети выполняют различные задачи, которые можно грубо разделить на две категории. Первая категория задач связана с детекцией событий, которые происходят очень редко, но требуют немедленного оповещения и/или обнаружения местонахождения. Во вторую категорию (мониторинг) входят задачи непрерывного измерения какой-либо величины в течение длительного промежутка времени. Здесь время задержки может быть равно характерному времени изменения измеряемого параметра. Мониторинг может проводиться точечно по какой-либо площади, при точечном измерении основная часть узлов играет роль передатчиков, и лишь незначительная часть узлов непосредственно осуществляет мониторинг.

Предложен алгоритм маршрутизации с балансировкой трафика в распределенной сенсорной сети. Для этого, распределенную сенсорную сеть можно представить как граф G (N, M) с N узлами и М гранями, который представляет набор существующих узлов и возможные связи между ним, как показано на фиг.3. Каждый i-й узел изначально имеет запас энергии E i . Каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j. Считается, что есть К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи C со скоростью q c .

Время жизни T i каждого узла будет равняться в такой системе

Согласно используемому алгоритму определяется таблица маршрутизации координатором на каждом узле. Выстраивается вектор передачи сообщения. Далее проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Таким образом, целью является экономия суммарно затраченной энергии во всей сети на передачу одного пакета. Это эффективно для сетей передачи данных, когда время жизни сети определяется временем, в течение которого сеть способна передавать сообщения.

В сетях, где каждый узел осуществляет одновременно две функции: измерение какой-то величины и передачу сообщений, то есть сенсорная сеть выполняет функцию мониторинга физических величин в заданной области, для полноты картины важно значение каждого узла.

Тогда время жизни всей системы T sys определим как:

Задача максимизации времени жизни будет выглядеть: maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей системы необходимо распределять маршруты для передаваемой информации. Суть предложенного способа маршрутизации с балансировкой трафика в РСС состоит в том, что выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, которые могут быть задействованы при передаче данных. Иначе говоря, из возможных вариантов маршрута движения пакета данных исключаются наиболее затратные прыжки-хопы (транзитный участок или переход в сети между двумя узлами сети, по которому передается трафик), тем самым экономится энергия на каждом узле и снижается вероятность выхода узла из строя, что исключает крах всей сети измерений из-за того, что один узел уже перестал выполнять актуальные замеры.

Выбор варианта маршрута (показан на фиг.4) при формировании и обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как: длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до пункта назначения; пропускная способность канала связи; прогнозируемое суммарное время пересылки; стоимость канала связи; количество остаточной энергии на узле.

После построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям алгоритм реализует тем, что при отправке пакета через маршрутизатор каждый узел локальной сети помещает в заголовок пакета на МАС-уровне адрес следующего получателя. Таким образом, в приведенном примере на фиг.3, исходя из минимума суммарных затрат (веса/цены) на узлах (фиг.4) будет выбран маршрут 1, с суммой затрат веса/цены - 9, как самой минимальной величины. Тем самым прохождение трафика по узлам маршрута 1 приведет в скорейшем времени к полному энергетическому истощению узла 4, что выведет из строя эти узлы и исключит возможность сбора параметров в нужных точках исследования.

Однако при использовании предложенного распределенного алгоритма балансировки трафика на основе весовых коэффициентов будет выбран маршрут 2, что позволит сенсорной сети существовать на порядок дольше. Такое возможно за счет того, что нагрузка на все узлы, в случае предложенного алгоритма, распределяется более планомерно по все узлам сети.

Предложенное изобретение может быть реализовано с использованием различных функциональных и/или аппаратных средств, программного обеспечения, процессоров специального назначения и/или их комбинации. Предпочтительно изобретение реализуется как комбинация аппаратных средств и программного обеспечения. Программное обеспечение предпочтительно реализуется как прикладная программа, материально осуществленная на устройстве хранения/считывания программ. Прикладная программа может быть выгружена или приведена в исполнение посредством ЭВМ, содержащей любую архитектуру, и реализуется на вычислительной платформе, имеющей аппаратные средства: один или более центральных процессоров, оперативное запоминающее устройство и интерфейсы ввода-вывода. Вышеописанные различные варианты осуществления изобретения представлены только для понимания и в качестве примера и не должны ограничиваться этими примерами.

1. Способ распределенной балансировки трафика на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения в распределенной сенсорной сети,
при этом распределенная сенсорная сеть представляется как граф G (N, M), который характеризует набор упомянутых узлов и связи между ним, где N узлы сети, а M грани, имеется К маршрутов, а информация генерируется со скоростью Q c и передается по каналу связи С со скоростью q c , причем i-й узел имеет запас энергии E i , а каждая грань ij имеет вес/цену e ij , которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j,
при этом время жизни T i каждого узла определяется как

определяется таблица маршрутизации на каждом узле и выстаивается вектор передачи сообщения,
проводится анализ возможных вариантов маршрутов согласно наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации, для этого определяется время жизни всей сети T sys


при этом максимизация времени жизни определяется как maximize T sys , и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты для передаваемой информации, при этом выбор маршрута трафика в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а при построении маршрута исключаются наиболее затратные.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника размещен датчик с автономным питанием, который осуществляет измерение и мониторинг физических параметров в заданной области и передачу пакетов данных с измеренными физическими параметрами к, по меньшей мере, одному узлу назначения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве датчиков используются датчики измерения физических параметров для мониторинга окружающей среды на основе контроля следующих параметров: температуры, давления, влажности, освещенности, задымления, уровня вибрации.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном узле источника выполняют первичную обработку физических параметров, полученных с упомянутых датчиков, например, накопление, усреднение, аналого-цифровое преобразование.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, связь между узлами в сенсорной сети выполняется по протоколу Zigbee, или в нелицензируемом диапазоне радиочастот, или по мобильной цифровой радиосети, или по любому другому протоколу беспроводной связи.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канале связи между узлом источника и узлом назначения содержится маршрутизатор, который взаимодействует с этими узлами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбор маршрута при формировании и/или обновлении таблицы маршрутизации производится в соответствии с комбинациями таких критериев, как длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до узла назначения, пропускная способность канала связи, прогнозируемое суммарное время передачи, количество остаточной энергии на узле, стоимость канала связи.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после построения таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным маршрутам реализуют при отправке пакета, где каждый узел сети помещает в заголовок пакета на уровне управления доступом к среде передачи (MAC- уровне) адрес следующего узла.

9. Способ по любому из пп.1, 6, 7, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап обновления значений времени жизни T i каждого узла или времени жизни всей системы T sys в соответствии с упомянутой комбинацией критериев, проводимый при посылке сообщения из узла источника к узлу назначения или при обнаружении разрыва соединения между узлами.

10. Система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети для мониторинга физических параметров согласно способу по любому из пп.1-9, содержащая множество узлов источника, соединенных между собой, и узел назначения, соединенный с, по меньшей мере, одним узлом источника, который представляет собой сенсорный модуль, где размещены приемопередатчик, датчик физических параметров, микроконтроллер для обработки и управления и автономный источник питания, сенсорные модули разделены на группы и каждая группа связана с узлом назначения через свой приемопередатчик, при этом узел назначения содержит приемопередатчик, средства накопления получаемой информации и средства обработки и отображения получаемой информации с сенсорных модулей для построения модели исследуемого объекта или пространства.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что мониторинг проводится точечно в заданной области, где, по меньшей мере, одно подмножество из упомянутого множества узлов источников выполняет функции мониторинга посредством своих датчиков физических параметров, а другое подмножество узлов источников выполняет посредством своих приемопередатчиков только функции приемо-передачи пакетов данных с измеренными физическими параметрами, полученных с упомянутого подмножества узлов источников.

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для расширенной координации помех между ячейками. Технический результат - обеспечение возможности пользовательскому оборудованию идентифицировать защищенные ресурсы с уменьшенной помехой от соседних ячеек.

Изобретение относится к беспроводной связи и предназначено для того, что бы сигнал относительного предоставления и сигнал абсолютного предоставления могли быть обработаны на основании соотношения между относительным предоставлением и абсолютным предоставлением.

Изобретение относится к радиосвязи. Технический результат заключается в предоставлении в отчете информации, относящейся к состоянию канала в произвольной частотной полосе пропускания из множества частотных полос пропускания, и увеличении пропускной способности.

Изобретение относится к беспроводной связи и может быть использовано для определения аппаратурного шума. Технический результат - повышение точности определения значения аппаратурного шума, что обеспечивает решение проблемы, заключающейся в том, что результаты фиксированного измерения являются неточными из-за изменения аппаратурного шума вследствие изменения температуры.

Изобретение относится к беспроводной связи. Технический результат состоит в обеспечении нескольких уровней точности обратной передачи, гибком конфигурировании обратной передачи с различной точностью в соответствии с конкретными потребностями и эффективном использовании служебных данных обратной передачи.

Изобретение относится к системе беспроводной связи и предназначено для уменьшения вероятности интерференции между слоями, соответствующими различным потокам кодовых слов, и улучшения точности оценки каналов.

Изобретение относится к беспроводным системам. Технический результат - улучшение надежности приема HARQ-ACK, когда оно кодировано с использованием блочного кода относительно того, когда оно кодировано с использованием кода с повторением.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении идентификации точек доступа (фемто-ячеек), присутствующих в заданной области (области покрытия заданной макро-ячейки). Конфликт, возникающий в результате назначения одинаковых идентификаторов множеству узлов, разрешается путем использования способов детектирования конфликта и применения уникальных идентификаторов для этих узлов. В некоторых аспектах точка доступа и/или терминал доступа может выполнять операции, связанные с детектированием конфликта и/или предоставлением уникального идентификатора для разрешения конфликта. 4 н. и 29 з. п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении хендовера между доменами с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. Изобретение предназначено для обнаружения события активизации функции поддержки непрерывности речевого вызова с одним радиоинтерфейсом, указывающего на выполнение хэндовера пользовательского оборудования между доменом с коммутацией пакетов и доменом с коммутацией каналов (4A); для приостановки работы радиоканалов сигнализации плоскости управления согласно процедуре перемещения обслуживающей подсистемы радиосети (4B); для сброса приостановленных радиоканалов сигнализации (4C) и для возобновления работы приостановленных радиоканалов сигнализации в домене, в который передано обслуживание, при этом процедура возобновления работы включает защиту радиоканалов сигнализации плоскости управления домена, в который передано обслуживание, с использованием того же преобразованного ключа защиты, который применяется для шифрования каналов радиодоступа плоскости пользователя в домене, в который передано обслуживание (4D). 4 н. и 12 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу и устройству в системе связи, в частности, чтобы обеспечивать обратно совместимую собственную транзитную передачу в усовершенствованной сети универсального наземного радиодоступа (E-UTRAN). Техническим результатом является исключение или уменьшение помех, возникающих, когда линия связи самостоятельной транзитной передачи между донорным усовершенствованным узлом B (eNB) и ретрансляционным узлом (RN) и линиями радиодоступа в соте работают в одном частотном спектре. Указанный технический результат достигается тем, что создают, по меньшей мере, одно прерывание в упомянутых передачах по нисходящей линии связи из RN, по меньшей мере, в один мобильный терминал (UE); принимают передачи из донорного eNB в течение упомянутого, по меньшей мере, одного прерывания, при этом упомянутые передачи осуществляются в перекрывающихся полосах частот, и при этом упомянутое, по меньшей мере, одно прерывание создается посредством использования формата субкадра многоадресной/ широковещательной одночастотной сети (MBSFN-субкадра). 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к мобильной связи. Технический результат заключается в обеспечении выравнивания нагрузки в точках доступа. Сотовая точка доступа из числа множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа принимает из первого устройства пользователя запрос попытки соединения, который приведет к превышению данной точкой доступа первой заданной пороговой величины пропускной способности. Сотовая точка доступа выбирает одно из ранее соединенных устройств пользователя и соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа. Сотовая точка доступа инициирует хендовер выбранного одного из ранее соединенных устройств пользователя в соответствующую одну из множества соединенных друг с другом сотовых точек доступа и устанавливает соединение с первым устройством пользователя. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к системам связи, в частности, для передачи данных с использованием размера данных с фиксированной длиной или переменной длиной. Технический результат заключается в усовершенствовании управления потоком данных. Указанный технический результат достигается тем, что мобильная система передачи данных включает в себя устройство управления и устройство базовой станции. Передачу данных между устройством управления и устройством базовой станции выполняют, используя размер данных фиксированной длины и размер данных переменной длины, при этом передают в устройство базовой станции сообщение запроса установки радиоканала (RADIO LINK SETUP REQUEST), которое инициирует процедуру установки радиоканала, при этом указанное сообщение включает в себя информацию о формате размера модуля данных протокола на уровне управления радиоканалом (RLC PDU); и отменяют процедуру, если сообщение RADIO LINK SETUP REQUEST не включает в себя информацию Maximum выделенный подуровень управления доступом к среде (MAC-d) PDU Size Extended, и информация о формате размера указывает, что размер данных RLC PDU имеет переменную длину. 7 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к технике беспроводной связи и может быть использовано для синхронизации времени. Способ, осуществляемый в системном узле, обменивающемся информацией с группой базовых станций, каждая из которых содержит соответствующие внутренние часы, заключается в обеспечении каждой из базовых станций информацией о времени и получении от них такой информации, в формировании эталонного системного времени на основе, по меньшей мере, информации о времени, и в обеспечении одной из базовых станций, соответствующие внутренние часы которой не синхронизированы с внешней эталонной шкалой времени, информацией по синхронизации времени для синхронизации внутренних часов этой базовой станции с эталонным системным временем. Технический результат - синхронизации времени базовых станций, которые не получают сигнал от глобальной навигационной спутниковой системы. 5 н. и 40 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к беспроводной связи. Техническим результатом является обеспечение устойчивости соединений и экономии заряда батареи при использовании объединения несущих. Мобильная станция UE настоящего изобретения представляет собой мобильную станцию, осуществляющую связь с базовой радиостанцией, используя две или более несущих, включающих первую несущую и вторую несущую, причем указанная мобильная станция включает первый модуль связи, выполненный с возможностью осуществления связи на первой несущей, и модуль измерения второй несущей, выполненный с возможностью осуществления измерения второй несущей; при этом первый модуль связи выполнен с возможностью, если задан измерительный промежуток для измерения второй несущей, осуществления связи на первой несущей, не принимая во внимание указанный измерительный промежуток, когда вторая несущая активирована, и отказа от осуществления связи на первой несущей в указанном измерительном промежутке, когда вторая несущая не активирована. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи. Техническим результатом является простое и эффективное получение управляющим узлом в сети радиосвязи информации о качестве в сети радиосвязи. Раскрыто пользовательское устройство, имеющее режимы работы, представляющие собой, по меньшей мере, подключенный режим (CONN) и режим ожидания (IDLE), содержащее измерительный модуль, выполненный с возможностью измерения качества радиосвязи в режиме ожидания в соответствии с информацией о задании измерения, указывающей, что пользовательское устройство заранее настроено на сообщение измеренного значения качества радиосвязи в базовую станцию, модуль хранения, выполненный с возможностью хранения информации о задании измерения и измеренного значения качества радиосвязи, измеренного измерительным модулем, и передающий модуль, выполненный с возможностью, если удовлетворено заранее заданное условие о сообщении (условие наличия записи), передачи индикатора, указывающего на наличие измеренного значения качества радиосвязи, в базовую станцию в подключенном режиме и, в ответ на запрос из базовой станции, передачи сигнала сообщения, содержащего измеренное значение качества радиосвязи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к беспроводным сенсорным сетям для автоматизированных систем мониторинга. Техническим результатом является обеспечение эффективной маршрутизации, продление времени жизни сети и повышение надежности. Предложен способ и система распределенной балансировки трафика в беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма маршрутизации от узла источника к узлу назначения, где беспроводная сенсорная сеть представляется как граф G, где N узлы сети, а M грани, имеется K маршрутов, а информация генерируется со скоростью Qc и передается по каналу связи C со скоростью qc, причем i-й узел имеет запас энергии Ei, а каждая грань ij имеет весцену eij, которая соответствует энергии для передачи одного пакета данных от узла i к j, а время жизни Ti каждого узла определяется как. На каждом узле определяется таблица маршрутизации и выстаивается вектор передачи сообщения, проводится анализ вариантов маршрутов по наиболее оптимальным суммарным векторам, которые рассчитываются по таблице маршрутизации. Для этого определяется время жизни всей сети Tsysmini∈N Ti. Максимизация времени жизни определяется как maximize Tsys, и для достижения максимального времени жизни всей сети распределяют маршруты, где выбор маршрута в сети основан на использовании наименее затратных передач на каждом узле, а наиболее затратные исключаются. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Я хочу посвятить свою статью технологиям беспроводных сенсорных сетей (wireless sensor networks), которая, как мне кажется, незаслуженно обделена вниманием хабра-сообщества. Основной причиной этого я вижу то, что технология пока так и не стала массовой и в большей части интересна скорее академическим кругам. Но я думаю в ближайшее время мы увидим много продуктов, так или иначе основанные на технологиях таких сетей. Я занимался исследованиями сенсорных сетей на протяжении нескольких лет, написал кандидатскую диссертацию на эту тему и ряд статей в российские и зарубежные журналы. Также мной был разработан курс по беспроводным сенсорным сетям, который я читал в Нижегородском Государственном Университете (ссылку на курс не привожу, если Вам интересно, могу дать ссылку в частном порядке). Имея опыт работы в данной области, хочу поделиться им с уважаемым сообществом, надеюсь Вам будет интересно.

Общие сведения

Беспроводные сенсорные сети получили большое развитие в последнее время. Такие сети, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором и сенсором, могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир. Концепция беспроводных сенсорных сетей привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике. Большой интерес к изучению таких систем обусловлен широкими возможностями применения сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для предсказания отказа оборудования в аэрокосмических системах и автоматизации зданий. Из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости такие сети активно применяются в системах безопасности и военных приложениях. Успешное применение беспроводных сенсорных сетей в медицине для мониторинга здоровья связано с разработкой биологических сенсоров совместимых с интегральными схемами сенсорных узлов. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ.

Железо

Из-за отсутствия четкой стандартизации в сенсорных сетях, существует несколько различных платформ. Все платформы отвечают основным базовым требованиям к сенсорным сетям: малая потребляемая мощность, длительное время работы, маломощные приемо-передатчики и наличие сенсоров. К основным платформам можно отнести MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

• Микропроцессор: Atmel ATmega128L
• 7.3728 Мгц частота
• 128 Кб флеш-памяти для программ
• 4 Кб SRAM для данных
• 2 UART’s
• SPI шина
• I2С шина
• Радио: ChipCon CC2420
• Внешняя флеш-память: 512 Кб
• 51-pin дополнительный коннектор
• восемь 10-битовых аналоговых I/O
• 21 цифровых I/O
• Три программируемых LEDs
• JTAG порт
• Питание от двух батарей AA

TelosB

• Микропроцессор: MSP430 F1611
• 8 Мгц частота
• 48 Кб флеш-памяти для программ
• 10 Кб RAM для данных
• SPI шина
• Втроенный 12-битовый ADC/DAC
• DMA контроллер
• Радио: ChipCon CC2420
• Внешняя флеш-память: 1024 Кб
• 16-pin дополнительный коннектор
• Три программируемых LEDs
• JTAG порт
• Опционально: Сенсоры освещенности, влажности, температуры.
• Питание от двух батарей AA

Intel Mote 2

• 320/416/520 МГц PXA271 XScale микропроцессор
• 32 Мбайта Флеш-памяти
• 32 Мбайта ОЗУ
• Mini-USB интерфейс
• I-Mote2 коннектор для внешних устройств(31+21 pin)
• Radio: ChipCon CC2420
• Светодиодные индикаторы
• Питание от трех батарей AAA

Каждая платформа по своему интересна и имеет свои особенности. Лично у меня был опыт работы с платформами TelosB и Intel Mote 2. Также в нашей лаборатории была разработана собственная платформа, но она является коммерческая и я не могу подробно о ней рассказывать.

Наиболее распространенным 3 года назад было использование чипсета CC2420 в качестве маломощного приемо-передатчика.

Программное обеспечение и передача данных

Основным стандартом передачи данных в сенсорных сетях является IEE802.15.4, которые специально был разработан для беспроводных сетей с маломощными приемо-передатчиками.

Никаких стандартов в области программного обеспечения в сенсорных сетях нет. Существует несколько сотен различных протоколов обработки и передачи данных, а также систем управления узлами. Наиболее распространенной операционной системой является система с открытым кодом – TinyOs (будучи в Стэнфордстком университете, лично познакомился с одним из разработчиков). Многие разработчики (особенно это касается коммерческих систем) пишут свою систему управления, часто на языке Java.

Программа управления сенсорного узла под управлением операционной системы TinyOs пишется на языке nesC.

Стоить отметить, что из-за дороговизны оборудования и сложности настройки сенсорных сетей, широкое распространение получили различные системы моделирования, в частности система TOSSIM, специально разработанная для моделирования работы узлов под управлением TinyOs.

Заключение

Сенсорные сети получают все большее распространение в России. Когда я начинал ими заниматься в 2003-ем году, количество человек в России, кто был знаком с данной технологией, можно было пересчитать по пальцам. В том числе в России этим занималась небезызвестная Luxsoft Labs.

Я работал с сенсорными сетями на протяжении 6 лет и могу многое рассказать про эти технологии. Если Хабрасообществу будет интересно и у меня будет возможность, то я с удовольствием напишу серию статей на эту тему. Могу затронуть такие вещи как: реальная работа с платформой TmoteSky, особенности программирования под систему TinyOs на языке nesC, оригинальные результаты исследований, полученных в нашей лаборатории, впечатления о 1.5 месяцах работы в Стэнфордском университете, в проекте по сенсорным сетям.

Всем спасибо за внимание, с удовольствием отвечу на Ваши вопросы.

Уже близок тот день, когда сотни миллионов полупроводниковых сенсоров будут интегрироваться во все, что только возможно, начиная от брелока на ключе и заканчивая детской коляской. И все они будут в состоянии не только выступать в роли интеллектуальных датчиков, но и выполнять первичную обработку информации, а также взаимодействовать друг с другом, образуя единую беспроводную сенсорную сеть. При этом такие датчики практически не будут потреблять электроэнергию, так как встроенных миниатюрных аккумуляторов будет хватать на несколько лет, то есть на весь срок работы сенсоров. Это будет концептуально новый тип компьютерной системы, функционирующей с помощью беспроводной сенсорной сети. Такую сеть принято называть Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Термин Ad-hoc позаимствован из современных беспроводных сетей, действующих, например, в стандарте IEEE 802.11b. Такие беспроводные сети имеют два режима взаимодействия: режим Infrastructure и Ad-hoc. В режиме Infrastructure узлы сети взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). В режиме Ad-hoc, который также называется Peer-to-Peer («точка-точка»), станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Соответственно и в беспроводных сенсорных сетях режим Ad-hoc означает, что все сенсоры напрямую взаимодействуют друг с другом, создавая своеобразную сотовую сеть

Беспроводные сенсорные сети - это своеобразный шаг на пути перехода в следующую эпоху - когда компьютеры будут непосредственно соединены с физическим миром и смогут угадывать желания пользователей, а также принимать за них решения.
Давайте немного помечтаем, что принесут нам такие сенсорные сети в будущем. Представьте себе детские кроватки, слушающие дыхание младенцев; браслеты, следящие за состоянием пациентов в клинике; детекторы дыма, которые могут не только в случае необходимости вызвать пожарных, но и заранее проинформируют их об очаге возгорания и степени сложности пожара. Электронные устройства смогут распознавать друг друга, источники питания будут напоминать о том, что им необходимо «подкрепиться».

Представьте сотни тысяч сенсорных датчиков, объединенных в общую сеть в лесу. В таком лесу просто невозможно будет заблудиться, поскольку передвижение человека будет фиксироваться, и анализироваться датчиками. Другой пример - датчики в поле, настроенные на контроль за состоянием почвы и в зависимости от меняющихся условий регулирующие полив и количество вносимых удобрений.
Не менее полезными будут сенсорные сети на дорогах. Общаясь друг с другом, они смогут регулировать поток машин. Это же мечта любого водителя - дороги без пробок! Такие сети смогут справляться с этой задачей значительно эффективнее, чем любое ведомство. Проблема контроля
правонарушений на дорогах решится при этом сама собой.

Использование сенсорных сетей для управления электроснабжением позволит достичь невероятной экономии электроэнергии. Представьте себе такую управляющую сеть у вас в квартире. Отслеживая ваше местонахождение, датчики смогут повсюду выключать за вами свет и включать его по мере необходимости. Ну а если использовать такие сети для контроля освещения улиц и дорог, то проблема нехватки электричества исчезнет сама собой. Для того, чтобы сенсорные сети стали реальностью завтрашнего дня, исследования в этом направлении ведутся уже сегодня. И лидером в этой области является корпорация Intel, которая поддерживает все передовые компьютерные технологии будущего. Особое внимание, уделяя разработке беспроводных много узловых сенсорных сетей, способных к самостоятельному автоматическому формированию и настройке по мере необходимости. Реализация этой технологии позволит развернуть сеть недорогих, но при этом весьма сложных полупроводниковых сенсорных устройств, которые смогут самостоятельно устанавливать связь друг с другом, докладывая о тех или иных изменениях в окружающей обстановке. К примеру, сенсор Mica оснащается 128 килобайтами программой флэш-памяти, 256 килобайтами флэш-памяти для хранения данных и радиопередатчиком, работающим на частоте 900 МГц.
Некоторые из этих устройств работают под управлением операционной системы
TinyOS , код этой операционной системы является открытым и состоит всего из
8.5 Кб.

Такие устройства найдут применение в принципиально новых областях, например в разработке интеллектуальных предметов одежды, подключенных одеял, которые будут следить за состоянием здоровья новорожденного и сообщать важнейшие показатели его жизнедеятельности, интеллектуальных фермерских хозяйств, в которых полупроводниковые датчики, установленные в почве, займутся управлением ирригационной
системой и внесением удобрений. Исследованием сенсорных сетей в корпорации Intel занимается
знаменитая исследовательская лаборатория Intel Berkeley Research laboratory, расположенная в штате Калифорния. Существующие сегодня экспериментальные сенсорные сети лишь отчасти удовлетворяют вышеизложенным требованиям. Так, на сегодняшний день сети состоят только из сотен сенсоров с ограниченной зоной покрытия и выполняют лишь четко определенные задачи. Они способны передавать лишь определенный тип информации от одного датчика к другому и только в заданной полосе пропускания. Потребление энергии также нельзя назвать ничтожно малым
- заряда батареи хватает всего на несколько дней. Существующие сенсорные датчики пока еще достаточно инертны, а о высокой надежности и незаметности в эксплуатации (хотя бы из-за размеров) и речи не идет. Ну и, конечно же, такие сенсоры стоят достаточно дорого, так что сеть, состоящая из сотни сенсоров, обходится недешево. Но надо помнить, что речь идет об экспериментальных сетях и о развитии технологии будущего. В то же время экспериментальные сенсорные сети уже сейчас приносят пользу. Одна из таких сенсорных сетей, созданная совместными усилиями исследовательской лаборатории Intel Berkeley, институтом Атлантики и Калифорнийским университетом, действует на Большом утином острове (Great Duck Island) в штате Мэн.

Задача этой сети - изучение микросреды обитания различных биологических организмов населяющих остров.
Любое человеческое вмешательство (даже с целью изучения) иногда излишне,
вот тут-то и приходят на выручку сенсорные сети, позволяющие без непосредственного участия человека собирать все необходимую информацию.

Сенсорная сеть использует в качестве узловых элементов две платы. На первой плате расположены температурный датчик, датчики влажности и барометрического давления и инфракрасный датчик. На второй плате находятся микропроцессор (частота 4 МГц), оперативная память объемом 1 Кбайт, флэш-память для хранения программ и данных, источник питания (две батарейки типоразмера АА) и радиопередатчик/
приемник, работающий на частоте 900 МГц. Сенсоры позволяют регистрировать всю необходимую информацию и передавать ее в базу данных главного компьютера. Все датчики предварительно проходят тщательное тестирование - плату с датчиками погружают в воду надвое суток и следят за ее функциональностью. Все сенсорные узлы образуют единую беспроводную сеть и способны обмениваться информацией. При этом передача информации от удаленного узла сети к шлюзу (Gateway Sensor) происходит по цепочке, то есть от одного узла сети к другому, что позволяет создавать большую зону покрытия.

Через шлюз информация достигает главного компьютера. Шлюз использует направленную антенну, что позволяет увеличить расстояние передачи до 300 м. С главного компьютера информация с помощью спутниковой связи передается через Интернет в исследовательский центр, расположенный в Калифорнии.

Не менее активно сотрудники лаборатории работают над прецизионной биологией, созданием биочипов. Кроме сенсорного восприятия мира твердых вещей, исследуется возможность "ощущать" жидкие среды и биологические, развивающиеся объекты. Подобные исследования открывают колоссальные перспективы для медицинских и фармацевтических разработок, осуществления химических процессов и изготовления биологических препаратов. Поскольку главное предназначение сенсорных сетей – восприятие и передача полезной информации, специалисты лаборатории Intel в Беркли заняты разработкой методики объединения сенсоров с предметами, мониторинг которых вменяется им в обязанность, а также исследуют возможность создания «актуаторов» - устройств на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только регистрировать ее состояние. Сенсорные сети очевидным образом полезны для военных приложений, одна из возможных вариаций сетей проходила "боевые" испытания в Афганистане, где вооруженные силы США разместили несколько сот сенсоров с целью отслеживания передвижений боевой техники противника. Однако о внедрении
реальных сетей в нашу жизнь говорить рано, сеть уязвима в отказоустойчивости. Атакой в сенсорной сети, приводящей к отказу в обслуживании (Denial of Service - DoS), является любое событие, которое уменьшает или ликвидирует возможность сети выполнять ожидаемую от нее функцию. Авторы предлагают основывать протоколы сенсорных сетей на многоуровневой архитектуре, что может повредить эффективности сети, но повысит ее надежность. Обсуждаются виды DoS-атак, типичные для каждого уровня, и приемлемые методы защиты. Таким образом, уже сегодня, несмотря на несовершенство и пока еще достаточно узкий круг использования, сенсорные сети находят применение в науке, а в дальнейшем и в жизни.

Использовались материалы с сайтов: