Сенсорный узел (также известный как мотик в Северной Америке ) представляет собой отдельный узел из сенсорной сети , способный выполнять требуемое действие, например, сбор, обработку или передачу информации другим подключенным узлам в сети.
Хотя беспроводные сенсорные сети существуют уже десятилетиями и используются для различных приложений, таких как измерения землетрясений или ведение войны, современная разработка небольших сенсорных узлов восходит к проекту Smartdust 1998 года [1] и NASA. Sensor Web [2] Одной из целей проекта Smartdust было создание автономного зондирования и связи в пределах кубического миллиметра пространства, хотя этот проект был завершен на ранней стадии, он привел к появлению многих других исследовательских проектов и крупных исследовательских центров, таких как Berkeley NEST [3] и CENS. [4] Исследователи, участвующие в этих проектах, придумали термин mote для обозначения сенсорного узла. Эквивалентный термин в проекте NASA Sensor Webs для физического сенсорного узла — pod , хотя сенсорный узел в Sensor Web может быть сам по себе другим Sensor Web. Физические сенсорные узлы смогли повысить свою эффективность и свои возможности в сочетании с законом Мура . Отпечаток чипа содержит более сложные и маломощные микроконтроллеры . Таким образом, для того же отпечатка узла в него можно упаковать больше кремниевых возможностей. В настоящее время моты сосредоточены на обеспечении наибольшего радиуса действия беспроводной связи (десятки км), наименьшего потребления энергии (несколько мкА) и самого простого процесса разработки для пользователя. [5]
Основными компонентами сенсорного узла обычно являются микроконтроллер , приемопередатчик , внешняя память , источник питания и один или несколько датчиков .
Датчики используются беспроводными сенсорными узлами для сбора данных из окружающей среды. Это аппаратные устройства, которые выдают измеримый ответ на изменение физического состояния, например температуры или давления. Датчики измеряют физические данные контролируемого параметра и обладают определенными характеристиками, такими как точность, чувствительность и т. д. Непрерывный аналоговый сигнал , вырабатываемый датчиками, оцифровывается аналого -цифровым преобразователем и отправляется на контроллеры для дальнейшей обработки. Некоторые датчики содержат необходимую электронику для преобразования необработанных сигналов в показания, которые можно получить по цифровому каналу (например, I2C, SPI), а многие преобразуют в единицы, такие как °C. Большинство сенсорных узлов имеют небольшие размеры, потребляют мало энергии, работают в условиях высокой объемной плотности, являются автономными и работают без присмотра, а также адаптируются к окружающей среде. Поскольку беспроводные сенсорные узлы обычно представляют собой очень маленькие электронные устройства, они могут быть оснащены только ограниченным источником питания менее 0,5–2 ампер-часов и 1,2–3,7 вольт.
Датчики подразделяются на три категории: пассивные, всенаправленные датчики; пассивные, узконаправленные датчики; и активные датчики. Пассивные датчики воспринимают данные, фактически не манипулируя средой путем активного зондирования. Они имеют автономное питание; то есть энергия нужна только для усиления их аналогового сигнала. Активные датчики активно зондируют среду, например, датчик сонара или радара, и им требуется непрерывная энергия от источника питания. Датчики с узким лучом имеют четко определенное представление о направлении измерения, аналогично камере. Всенаправленные датчики не имеют представления о направлении, участвующем в их измерениях.
Большинство теоретических работ по WSN предполагают использование пассивных всенаправленных датчиков. Каждый сенсорный узел имеет определенную область покрытия, для которой он может надежно и точно сообщать определенную величину, которую он наблюдает. Несколько источников потребления энергии в датчиках: выборка сигнала и преобразование физических сигналов в электрические, кондиционирование сигнала и аналого-цифровое преобразование. Пространственная плотность сенсорных узлов в поле может достигать 20 узлов на кубический метр.
Контроллер выполняет задачи, обрабатывает данные и управляет функциональностью других компонентов в сенсорном узле. Хотя наиболее распространенным контроллером является микроконтроллер , другими альтернативами, которые могут использоваться в качестве контроллера, являются: настольный микропроцессор общего назначения , цифровые сигнальные процессоры , ПЛИС и ASIC . Микроконтроллер часто используется во многих сенсорных узлах из-за его низкой стоимости, гибкости в подключении к другим устройствам (или узлам в сети), простоты программирования и низкого энергопотребления. Микропроцессор общего назначения обычно имеет более высокое энергопотребление, чем микроконтроллер, что делает его нежелательным выбором для сенсорного узла. [ необходима цитата ] Цифровые сигнальные процессоры могут быть выбраны для приложений широкополосной беспроводной связи , но в беспроводных сенсорных сетях беспроводная связь часто скромна: т. е. проще, легче обрабатывать модуляцию , а задачи обработки сигнала фактического считывания данных менее сложны. Поэтому преимущества DSP обычно не имеют большого значения для беспроводных сенсорных узлов. ПЛИС можно перепрограммировать и перенастроить в соответствии с требованиями, но это требует больше времени и энергии, чем хотелось бы. [ необходима цитата ]
Приемопередатчик
Сенсорные узлы часто используют диапазон ISM , который обеспечивает свободное радио , распределение спектра и глобальную доступность. Возможными вариантами беспроводных средств передачи данных являются радиочастота (РЧ), оптическая связь (лазер) и инфракрасное излучение . Лазеры требуют меньше энергии, но нуждаются в прямой видимости для связи и чувствительны к атмосферным условиям. Инфракрасное излучение, как и лазеры, не нуждается в антенне, но оно ограничено в своей вещательной способности. Связь на основе радиочастот является наиболее подходящей, которая подходит для большинства приложений WSN. WSN, как правило, используют безлицензионные частоты связи: 173, 433, 868 и 915 МГц ; и 2,4 ГГц . Функциональность как передатчика , так и приемника объединена в одном устройстве, известном как приемопередатчик . У приемопередатчиков часто отсутствуют уникальные идентификаторы. Рабочие состояния: передача, прием, ожидание и сон. Приемопередатчики текущего поколения имеют встроенные конечные автоматы , которые выполняют некоторые операции автоматически.
Большинство трансиверов, работающих в режиме ожидания, имеют потребление энергии, почти равное потребляемой мощности в режиме приема. [6] Таким образом, лучше полностью выключить трансивер, чем оставлять его в режиме ожидания, когда он не передает и не принимает. Значительное количество энергии потребляется при переключении из спящего режима в режим передачи для передачи пакета.
С точки зрения энергопотребления наиболее значимыми видами памяти являются встроенная память микроконтроллера и флэш-память — внешняя оперативная память используется редко, если вообще используется. Флеш-память используется из-за ее стоимости и емкости. Требования к памяти во многом зависят от приложения. Две категории памяти в зависимости от цели хранения: пользовательская память, используемая для хранения данных, связанных с приложением, или персональных данных, и программная память, используемая для программирования устройства. Программная память также содержит идентификационные данные устройства, если они имеются.
Беспроводной сенсорный узел является популярным решением, когда сложно или невозможно подключить сетевой источник питания к сенсорному узлу. Однако, поскольку беспроводной сенсорный узел часто размещается в труднодоступном месте, регулярная замена батареи может быть дорогостоящей и неудобной. Важным аспектом в разработке беспроводного сенсорного узла является обеспечение постоянного наличия достаточного количества энергии для питания системы. Сенсорный узел потребляет энергию для зондирования, связи и обработки данных. Для передачи данных требуется больше энергии, чем для любого другого процесса. Стоимость энергии для передачи 1 Кб на расстояние 100 метров (330 футов) примерно такая же, как и для выполнения 3 миллионов инструкций процессором со скоростью 100 миллионов инструкций в секунду/Вт. [ необходима цитата ] Энергия хранится либо в батареях, либо в конденсаторах. Батареи, как перезаряжаемые, так и неперезаряжаемые, являются основным источником питания для сенсорных узлов. Они также классифицируются в соответствии с электрохимическим материалом, используемым для электродов, таким как NiCd (никель-кадмиевый), NiZn (никель-цинковый), NiMH (никель-металлгидридный) и литий-ионный . Датчики тока способны возобновлять свою энергию от солнечных источников, радиочастот (РЧ), перепадов температур или вибрации . Используются две политики энергосбережения: динамическое управление питанием (DPM) и динамическое масштабирование напряжения (DVS). [7] DPM экономит питание, отключая части сенсорного узла, которые в данный момент не используются или не активны. Схема DVS изменяет уровни мощности в сенсорном узле в зависимости от недетерминированной рабочей нагрузки. Изменяя напряжение вместе с частотой, можно получить квадратичное снижение потребления энергии.