Сенсорный узел (также известный как соринка в Северной Америке ) состоит из отдельного узла сенсорной сети , который способен выполнять желаемое действие, такое как сбор, обработка или передача информации с другими подключенными узлами в сети.
Хотя беспроводные сенсорные сети существуют уже несколько десятилетий и используются для различных приложений, таких как измерение землетрясений или военные действия, современная разработка небольших сенсорных узлов восходит к проекту Smartdust 1998 года [1] и НАСА. Sensor Web [2] Одной из целей проекта Smartdust было создание автономного зондирования и связи в пределах кубического миллиметра пространства, хотя этот проект завершился раньше, он привел к появлению множества других исследовательских проектов и крупных исследовательских центров, таких как The Berkeley NEST. [3] и ЦЕНС. [4] Исследователи, участвовавшие в этих проектах, придумали термин « мот» для обозначения сенсорного узла. Эквивалентным термином в проекте NASA Sensor Web для физического сенсорного узла является pod , хотя сенсорный узел в Sensor Web может быть другой сенсорной сетью. Узлы физических датчиков смогли повысить свою эффективность и возможности в сочетании с законом Мура . В состав микросхемы входят более сложные и менее мощные микроконтроллеры . Таким образом, при той же площади узла в него можно вместить больше возможностей кремния. В настоящее время моты ориентированы на обеспечение наибольшего радиуса действия беспроводной связи (десятки км), наименьшего энергопотребления (несколько мкА) и максимально простого процесса разработки для пользователя. [5]
Основные компоненты сенсорного узла обычно включают в себя микроконтроллер , приемопередатчик , внешнюю память , источник питания и один или несколько датчиков .
Датчики используются беспроводными сенсорными узлами для сбора данных из окружающей среды. Это аппаратные устройства, которые производят измеримую реакцию на изменение физического состояния, такого как температура или давление. Датчики измеряют физические данные контролируемого параметра и имеют определенные характеристики, такие как точность, чувствительность и т. д. Непрерывный аналоговый сигнал, создаваемый 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 связи (например, I2C, SPI), а многие преобразуют в такие единицы, как °C. Большинство сенсорных узлов имеют небольшие размеры, потребляют мало энергии, работают при высоких объемных плотностях, автономны 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-час и 1,2–3,7 вольт.
Датчики подразделяются на три категории: пассивные всенаправленные датчики; пассивные узколучевые датчики; и активные датчики. Пассивные датчики воспринимают данные, не манипулируя окружающей средой путем активного зондирования. Они имеют автономный источник питания; то есть энергия нужна только для усиления их аналогового сигнала. Активные датчики активно исследуют окружающую среду, например гидролокатор или радарный датчик, и им требуется непрерывная энергия от источника питания. Датчики с узким лучом имеют четкое представление о направлении измерения, подобно камере. Всенаправленные датчики не имеют понятия направления, используемого при их измерениях.
Большинство теоретических работ по WSN предполагает использование пассивных всенаправленных датчиков. Каждый сенсорный узел имеет определенную зону покрытия, для которой он может надежно и точно сообщать о конкретной величине, которую он наблюдает. Несколькими источниками энергопотребления в датчиках являются: дискретизация сигнала и преобразование физических сигналов в электрические, формирование сигнала и аналого-цифровое преобразование. Пространственная плотность узлов датчиков в полевых условиях может достигать 20 узлов на кубический метр.
Контроллер выполняет задачи, обрабатывает данные и контролирует функциональность других компонентов сенсорного узла. Хотя наиболее распространенным контроллером является микроконтроллер , в качестве контроллера можно использовать и другие альтернативы: настольный микропроцессор общего назначения , процессоры цифровых сигналов , FPGA и ASIC . Микроконтроллер часто используется во многих сенсорных узлах из-за его низкой стоимости, гибкости подключения 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. [ нужна цитата ] Цифровые сигнальные процессоры могут быть выбраны для приложений широкополосной беспроводной связи , но в беспроводных сенсорных сетях беспроводная связь часто бывает скромной: т. е. проще, легче обрабатывать модуляцию , а задачи обработки сигналов фактического восприятия данных менее сложны. Поэтому преимущества DSP обычно не имеют большого значения для беспроводных сенсорных узлов. ПЛИС можно перепрограммировать и переконфигурировать в соответствии с требованиями, но это требует больше времени и энергии, чем хотелось бы. [ нужна цитата ]
Трансивер
Сенсорные узлы часто используют диапазон ISM , который обеспечивает бесплатную радиосвязь , распределение спектра и глобальную доступность. Возможными вариантами беспроводной среды передачи являются радиочастота (РЧ), оптическая связь (лазер) и инфракрасный порт . Лазерам требуется меньше энергии, но для связи необходима прямая видимость , и они чувствительны к атмосферным условиям. Инфракрасному излучению, как и лазерам, не нужна антенна , но его возможности вещания ограничены . Радиочастотная связь является наиболее актуальной и подходит для большинства приложений WSN. WSN обычно используют нелицензионные частоты связи: 173, 433, 868 и 915 МГц ; и 2,4 ГГц . Функциональные возможности передатчика и приемника объединены в одном устройстве, известном как приемопередатчик . Трансиверы часто не имеют уникальных идентификаторов. Рабочие состояния: передача, прием, ожидание и сон. Трансиверы текущего поколения имеют встроенные конечные автоматы , которые выполняют некоторые операции автоматически.
Большинство трансиверов, работающих в режиме ожидания, имеют энергопотребление, практически равное мощности, потребляемой в режиме приема. [6] Таким образом, лучше полностью выключить трансивер, чем оставлять его в режиме ожидания, когда он не осуществляет передачу или прием. Значительное количество энергии потребляется при переключении из спящего режима в режим передачи для передачи пакета.
С энергетической точки зрения наиболее подходящими видами памяти являются встроенная память микроконтроллера и флэш - память; внешнее ОЗУ используется редко, если вообще когда-либо используется. Флэш-память используется из-за ее стоимости и емкости. Требования к памяти во многом зависят от приложения. Двумя категориями памяти в зависимости от цели хранения являются: пользовательская память, используемая для хранения связанных с приложением или личных данных, и программная память, используемая для программирования устройства. Память программ также содержит идентификационные данные устройства, если таковые имеются.
Беспроводной сенсорный узел является популярным решением, когда трудно или невозможно подать электропитание к сенсорному узлу. Однако, поскольку узел беспроводного датчика часто размещается в труднодоступном месте, регулярная замена батареи может быть дорогостоящей и неудобной. Важным аспектом разработки беспроводного сенсорного узла является обеспечение постоянного наличия достаточного количества энергии для питания системы. Сенсорный узел потребляет энергию для измерения, связи и обработки данных. Для передачи данных требуется больше энергии, чем для любого другого процесса. Затраты энергии на передачу 1 Кб на расстояние 100 метров (330 футов) примерно такие же, как затраты энергии на выполнение 3 миллионов инструкций процессором с производительностью 100 миллионов инструкций в секунду/Вт. [ нужна цитата ] Энергия хранится либо в батареях, либо в конденсаторах. Аккумуляторы, как перезаряжаемые, так и неперезаряжаемые, являются основным источником питания сенсорных узлов. Они также классифицируются в соответствии с электрохимическим материалом, используемым для изготовления электродов, например NiCd (никель-кадмиевый), NiZn (никель-цинковый), NiMH (никель-металлогидридный) и литий-ионный . Датчики тока способны возобновлять свою энергию от солнечных источников, радиочастоты (РЧ), разницы температур или вибрации . Используются две политики энергосбережения: динамическое управление питанием (DPM) и динамическое масштабирование напряжения (DVS). [7] DPM экономит электроэнергию, отключая части сенсорного узла, которые в данный момент не используются или не активны. Схема DVS изменяет уровни мощности внутри сенсорного узла в зависимости от недетерминированной рабочей нагрузки. Варьируя напряжение вместе с частотой, можно получить квадратичное снижение потребляемой мощности.