سلام

شبکه های حسگر بی سیم

 مشکل هم پوشانی (Overlap)

در بسیاری از موارد هم پوشانی در شبکه رخ می دهد. یعنی دو گره مجاور هم داده ای تکراری را (مانند حرارت و ...) حس می کنند و باز هم داده های تکراری در شبکه جریان می یابند.

 

مشکل چشم پوشی از منابع (Resource Blinding)

در این مورد مقدار انرژی باقیمانده در گره حسگر بر روی عملیات ارتباطی گره تاثیری ندارد، در واقع هیچ گونه صرفه جویی صورت نمی گیرد.

 

 مسیریابی شایعه ای (Gossiping)

این پروتکل مسیریابی برای رفع اشکالات پروتکل سیل آسا بوجود آمد. در این پروتکل اساس کار بدین صورت است که هر گره که می خواهد داده ای را منتشر کند، یکی از گره های مجاور خود را بصورت کاملا تصادفی انتخاب کرده و سپس شروع به ارسال اطلاعات می کند.

در این پروتکل سرعت انتشار اطلاعات نسبت به پروتکل سیل آسا کمتر می باشد اما در عوض مصرف انرژی نیز کاهش می یابد.

این پروتکل باعث رفع مشکل انفجار داده شده است ولی مشکل هم پوشانی همچنان باقی است.

 

پروتکل SPIN ( Sensor Protocol for Information Negotiation)

پروتکل SPIN یکی از متعارف ترین پروتکل ها می باشد و اساس کار آن بوسیله انجام محاوره در بین گره های حسگر است که در آن هر داده ، شامل یک قسمت اضافی به نام meta-data است.

عموما حجم متا داده بسیار کمتر از داده ی واقعی می باشد.

تبادل داده در این نوع پروتکل بوسیله سه پیغام ADV و REQ و DATA انجام می شود.

روش کار بدین صورت است که هر گره شامل داده، بوسیله یک پیغام ADV گره های مجاور را از وجود داده جدید با خبر می سازد. چنانچه گره های مجاور از قبل این داده را دریافت نکرده باشند یک پیغام REQ به معنی درخواست داده را برای گره مبدا می فرستند. در مرحله بعدی داده اصلی از طریق پیغام DATA به سمت مقصد فرستاده می شود.

مزیت این کار این است که در این روش فقط اطلاعات مفید در شبکه جریان می یابد و از ارسال داده های تکراری و اشغال پهنای باند جلوگیری می شود.

پروتکل SPIN همچنین شامل قسمت Resource Adapter می باشد که باعث کاهش فعالیت گره هایی می شود که انرژی ناچیزی برای آنها باقی مانده است و با این کار در مصرف انرژی شبکه صرفه جویی انجام می شود و طول عمر شبکه افزایش می یابد.

 امنیت

 انواع حملات را می توان به دو نوع دسته بندی کرد:

دسته بندی بر اساس قابلیت های دستگاه

کلاس Mote: این نوع حمله بوسیله یک گره مخرب در شبکه صورت می پذیرد.

کلاس Laptop: این نوع حمله بوسیله یک دستگاه کامپیوتر از راه دور که مجهز به امکانات خاصی است انجام می شود.

دسته بندی بر اساس نوع حمله کننده

حمله کننده خارجی: که از راه دور بوسیله تجهیزات خاصی در شبکه اختلال ایجاد می کند.

حمله کننده داخلی: که حملات بوسیله یک گره مخرب و از درون شبکه ، انجام می شود.

 

 انواع حمله های رایج در شبکه های حسگر بیسیم

 Spoof Attacking

ایجاد حلقه های بی نهایت از ارسال و دریافت اطلاعات، اختلال در ترافیک شبکه، تقسیم شبکه به چندین قسمت، و غیره باعث ایجاد اختلال در شبکه می شود.

 روند حمله  Spoof Attacking

 

 Selective Forwarding

در این نوع حمله یک یا چند گره مخرب در شبکه قرار می گیرد و به محض دریافت اطلاعات از گره های مجاور خود، اقدام به منحرف کردن آن یا همچنین نابود کردن آن داده می نمایند و در نهایت هیچ گاه داده ها به مقصد اصلی یعنی چاهک نمی رسند

 

  Sinkhole Attack

در این حمله که مختص شبکه های حسگر بیسیم می باشد. یک گره مخرب با امکانات سخت افزاری قوی ، درون شبکه قرار می گیرد که تقریبا با تمام نقاط شبکه ارتباط دارد یا اینکه در کنار چاهک قرار دارد. به محض دریافت اطلاعات ، آنها را به مسیر دیگری در بیرون از شبکه منحرف می سازد. این نوع حمله باعث بوجود آمدن حملات Selective Forwarding و Wormhole Attack می شود.

 

  Sybil Attack

گاها در طراحی توپولوژی های شبکه مجبور به استفاده از تشخیص کننده هویت (ID) هستیم و مسیریابی با توجه به این ID های منحصر به فرد صورت می گیرد. در این حمله گره مخربی درون شبکه قرار گرفته و به گره های مجاور خود چندین ID را پیشنهاد می دهد و در واقع خود را به جای گره های شبکه جا می زند. این کار باعث تحت تاثیر قرار گرفتن و بوجود آمدن مشکلاتی در مسیریابی جغرافیایی، ذخیره توزیع شده، مسیریابی چند جهته و تغییر توپولوژی می شود.

 

  Wormhole Attack

این حمله بوسیله دو گره مخرب مختلف که در دو نقطه مختلف شبکه قرار گرفته اند انجام می شود. ارتباط این دو گره یک ارتباط سریع می باشد. گره مبدا اطلاعات را از شبکه دریافت و به گره مقصد می فرستد.

 

 راه های مقابله با حملات

• استفاده از کلید مشترک و رمزگذاری داده- جلوگیری از حمله های بیرونی مانند Sybil Attack و Selective Forwarding

• تخصیص کلید یکتا به گره ها و همچنین محدود کردن گره های مجاور برای جلوگیری از Sybil Attack

• طراحی دقیق پروتکل مسیریابی و استفاده از مسیریابی جغرافیایی برای جلوگیری از حملات Wormhole و Sinkhole

• مسیریابی چند جهته و حصول اطمینان از گره های مجاور برای جلوگیری از حمله Selective Forwarding

 

در نهایت:

شبکه‌های حسگر بیسیم کلاس جدیدی از شبکه‌های مخابراتی را به ما معرفی کرده‌اند. این شبکه‌ها به ما این قدرت را م یدهند که بفهمیم در یک محیط فیزیکی که حتی حضور انسانی ممکن نیست؛ چه می‌گذرد.به عنوان مثال برای مطالعه روی رفتار طبیعت، در حیات وحش که حظور انسان باعث فرار حیوانات می‌شود وجود حسگرها ضروری است. در کل شبکه‌های حسگر به خاطر سرعت بالای پردازش و انتقال اطلاعات و همچنین کم هزینه و کم حجم بودنشان تاثیر بسزایی در امنیت مالی، جانی و سلامت ما دارند. در کاربردهای نظارت بر سلامت شبکه حسگر باعث کاهش هزینهٔ افراد و افزایش سرعت عکس العمل در مواقع اضطراری می‌شود. شبکه‌های حسگر دید وسیعی به ما می‌دهد تا با ایجاد انواع کاربردها، به بهبود وضعیت زندگی و جامعهٔ خود بپردازیم. نظارت بر فروشگاه‌ها برای جلوگیری از سرقت، نظارت بر جاده‌ها به منظور کنترل ترافیک شهری و جلوگیری از تصادفات جاده‌ای و مراقبت نامحسوس از افراد سالمند از این دسته کاربردها هستند. به علاوه شبکه‌های حسگر می‌توانند در آیندهای نزدیک نقش گستردهای در تحول نسل جدید تجهیزات، جنگ افزارها و سلاحها داشته باشند.

شبکه های حسگر

ارتباط بلادرنگ و هماهنگی: در برخی کاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتش سوزی یا سیستم پیش گیری از سرقت سرعت پاسخگویی شبکه اهمیت زیادی دارد. در نمایش بلادرنگ فشار بر روی مانیتور  بسته های ارسالی باید بطور لحظه ای روزآمد باشند. برای تحقق بلادرنگ یک روش این است که برای بسته های ارسالی یک ضرب العجل تعیین شود و در لایه کنترل دسترسی رسانه بسته های با ضرب العجل کوتاهتر زودتر ارسال شوند مدت ضرب العجل به کاربرد بستگی دارد. مسئلة مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهک، یا کارانداز ناحیه، به ترتیب وقوع آنهاست در غیر این صورت ممکن است شبکه واکنش درستی انجام ندهد. نکته دیگر هماهنگی کلی شبکه در ارتباط با گزارشهایی است که در مورد یک رخداد از حسگرهای مختلف به کاراندازهای ناحیه مربوطه داده می شود. بعنوان مثال در یک کاربرد نظامی فرض کنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگان های پیاده دشمن و کاراندازهایی جهت نابودی آن در نظر گرفته شده چند حسگر حضور دشمن را به کار اندازها اطلاع می دهند شبکه باید در کل منطقه، عملیات را به یکباره شروع کند. در غیر این صورت با واکنش اولین کارانداز، سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شکست مواجه می شود. بهرحال موضوع بلادرنگ و هماهنگی در شبکه های حسگربخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن از مباحث تحقیقاتی است.

 

امنیت و مداخلات: موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوص در کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و بخاطر برخی ویژگی ها شبکه های حسگر در مقابل مداخلات آسیب پذیر ترند. یک مورد بی سیم بودن ارتباط شبکه است که کار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر می کند. مورد دیگر استفاده از یک فرکانس واحد ارتباطی برای کل شبکه است که شبکه را در مقابل استراق سمع آسیب پذیر می کند. مورد بعدی ویژگی پویایی توپولوژی است که زمینه را برای پذیرش گره های دشمن فراهم می کند. اینکه پروتکل های مربوط به مسیردهی، کنترل ترافیک و لایه کنترل دسترسی شبکه سعی دارند با هزینه و سربار کمتری کار کنند مشکلات امنیتی بوجود می آورد مثلا برای شبکه های حسگر در مقیاس بزرگ برای کاهش تأخیر بسته هایی که در مسیر طولانی در طول شبکه حرکت می کنند یک راه حل خوب این است که اولویت مسیردهی به بسته های عبوری داده شود. همین روش باعث می شود حمله های سیلی مؤثرتر باشد. یکی از نقاط ضعف شبکه حسگرکمبود منبع انرژی است و دشمن می تواند با قرار دادن یک گره مزاحم که مرتب پیغام های بیدار باش بصورت پخش همگانی با انرژی زیاد تولید می کند باعث شود بدون دلیل گره های همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامة این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره ها شده و عمر آنها را کوتاه می کند. با توجه به محدودیت ها باید دنبال راه حل های ساده و کارا مبتنی بر طبیعت شبکه حسگر بود. مثلا اینکه گره ها با چگالی بالا می توانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات کمی است یا اینکه داده ها در یک مدت کوتاه معتبرند از این ویژگی ها  می توان بعنوان یک نقطه قوت در رفع مشکلات امنیتی استفاده کرد. اساسا‏ً چالشهای زیادی در مقابل امنیت شبکه حسگروجود دارد. و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.

عوامل پیش بینی نشده: یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیت هاست. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله، مشکلات ناشی از ارتباط بی سیم و اختلالات رادیویی، امکان خرابی هر گره، کالیبره نبودن حسگرها، پویایی ساختار و مسیردهی شبکه، اضافه شدن گره های جدید و حذف گره های قدیمی، جابجایی گره ها بطور کنترل شده یا در اثر عوامل طبیعی و غیره. سؤالی که مطرح است این است که در این شرایط چگونه میتوان چشم اندازی فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارایی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد. باتوجه به اینکه شبکه های حسگر کارانداز تا حدود زیادی بصورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و بصورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل میکنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی های خود بهینه سازی خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. اینها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آنها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده است. بهرحال این موضوعات ازجمله موارد تحقیقاتی می باشند .

 مسیر یابی

مسیریابی در شبکه های حسگر بیسیم را می توان بصورت عمده به دو دسته اصلی تقسیم کرد:

آدرس محور

در این روش کوتاهترین مسیر بین گره های حسگر تا چاهک، پیدا می شود و سپس اطلاعات از این مسیر به سمت چاهک هدایت می شوند.

داده محور

در این روش داده های ارسالی از چندین راه برای رسیدن به مقصد استفاده می کنندکه در این روش مشکل تجمیع داده وجود خواهد داشت.

 

پروتکل های مسیریابی

چندین پروتکل مسیریابی در این شبکه وجود دارد که به شرح سه مورد از آنها می پردازیم.

مسیریابی سیل آسا (Classic Floodin)

این پروتکل تقریبا اولین پروتکل شبکه های حسگر بیسیم به شمار می آید. اساس این شبکه بدین صورت است که هر گره شامل اطلاعات که در نظر دارد اطلاعات را ارسال نماید، اطلاعات مورد نظر را به تمامی سنسور های مجاور خود می فرستد، و سنسور گیرنده نیز همین کار را تکرار می کند تا در نهایت اطلاعات مورد نظر به چاهک برسد.

در این پروتکل وضعیت خاصی وجود ندارد و اطلاعات بسرعت انتشار می یابند زیرا هیچ گونه بررسی اضافی روی داده صورت نمیگیرد و داده به محض دریافت دوباره ارسال می شود.

مشکلات موجود در این پروتکل مسیریابی:

· مشکل انفجار داده (Implosion)

مشکل انفجار داده در این پروتکل بخاطر ارسال داده های تکراری در شبکه می باشد. زیرا هر گره، داده ای را به گره دیگر می فرستد بدون اینکه بررسی کند که گره مقصد قبلا آنرا دریافت کرده است، پس باعث هدر رفتن انرژی و پهنای باند می شود.

 

اطلاعت بیشتر در مورد حس گرها

  دروازه شبکه (Gateway)

وظیفه این جز از شبکه برقراری ارتباط شبکه بیسیم با یک سرور می باشد. این جز تنها جز در شبکه حسگر است که دارای یک IP آدرس می باشد.

 

   سرور

اطلاعاتی که توسط حسگر ها حس می شود از طریق چاهک و در نهایت دروازه به سرور مربوطه می رسد. این اطلاعات بصورت صفحات وب و یا پایگاه داده نگه داری می شوند. ارتباط بین سرور و دروازه شبکه هم می تواند از طریق بیسیم و هم از طریق سیم باشد.

 

کاربران نهایی (End Users)

کاربران نهایی با استفاده از دستگاه های PDA یا کامپیوتر های رومیزی و نیز تلفن همراه خود می توانند از اطلاعات ذخیره شده در روی سرور آگاهی پیدا نمایند.

اجزای دیگری از شبکه را می توان بصورت زیر معرفی نمود:

کارانداز :

 با تحریک الکتریکی یک عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می دهد

گره کارانداز:

 به گره ای  گفته می شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.

چاهک:

 گرهی که جمع آوری داده ها را به عهده دارد. و ارتباط بین گره های حسگر و گره مدیر وظیفه را برقرار می کند.

 

 

گره مدیر وظیفه :

 گرهی که یک شخصی بعنوان کاربر یا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرامین کنترلی و پرس و جو ها  از این گره به شبکه ارسال شده و داده های جمع آوری شده به آن بر میگردد .

سیستم عامل:

سیستم عامل هم نقش مهمی در این شبکه دارد. یکی از سیستم عامل های متعارف سیستم عامل TinyOS می باشد که مخصوص شبکه های حسگر بیسیم طراحی و ساخته شده است. این سیستم عامل که بصورت متن باز است، در دانشگاه برکلی با همکاری شرکت اینتل نوشته شده است.

این سیستم عامل اجزا و ابزار های لازم برای کار با شبکه را در درون خود جای داده است. کتابخانه اجزای این سیستم عامل شامل پروتکل های شبکه، سرویس های توزیع شده، درایور های حسگر ها و ابزار های جمع آوری اطلاعات است.

زبان برنامه نویسی این سیستم عامل زبان nesC است که زبان نسل بعدی C به حساب می آید. ایده های طراحی این سیستم عامل، سادگی و صرفه جویی در مصرف آن می باشد.

 

 فاکتورهای طراحی

طراحی یک شبکه تحت تأثیر فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها عبارتند از: تحمل خرابی، قابلیت گسترش، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری ، محدودیت‌های سخت‌افزاری ، محیط انتقال ، مصرف توان و ... که در زیر به شرح آنها می‌پردازیم.

تحمل خرابی:  برخی از گره‌های حسگری ممکن است از کار بیفتند یا به دلیل پایان توانشان، عمر آنها تمام شود، یا آسیب فیزیکی ببینند و از محیط تأثیر بگیرند. از کار افتادن گره‌های حسگری نباید تأثیری روی کارکرد عمومی شبکه داشته باشد. بنابراین تحمل خرابی را "توانایی برقرار نگه داشتن عملیات شبکه حسگر علی‌رغم از کار افتادن برخی از گره‌ها" تعریف می‌کنیم. ‌در واقع یک شبکه حسگر خوب با از کار افتادن تعدادی از گره‌های حسگری، به سرعت خود را با شرایط جدید (تعداد حسگرهای کمتر) وفق داده و کار خود را انجام می‌دهد.

قابلیت گسترش: تعداد گره‌های حسگری که برای مطالعه یک پدیده مورد استفاده قرار می‌گیرند، ممکن است در حدود صدها و یا هزاران گره باشد. مسلماً تعداد گره‌ها به کاربرد و دقت موردنظر بستگی دارد؛ به طوری‌ که در بعضی موارد این تعداد ممکن است به میلیون‌ها عدد نیز برسد. یک شبکه باید طوری طراحی شود که بتواند چگالی بالای گره‌های حسگری را نیز تحقق بخشد. این چگالی می‌تواند از چند گره تا چند صد گره در یک منطقه که ممکن است کمتر از 10 متر قطر داشته باشد، تغییر کند.

 

هزینه تولید: از آنجایی که شبکه‌های حسگری از تعداد زیادی گره‌های حسگری تشکیل شده‌اند، هزینه یک گره در برآورد کردن هزینه کل شبکه بسیار مهم است. اگر هزینه یک شبکه حسگری گران‌تر از هزینه استفاده از شبکه‌های مشابه قدیمی باشد، در بسیاری موارد استفاده از آن مقرون به صرفه نیست. در نتیجه قیمت هر گره حسگری تا حد ممکن باید پایین نگه داشته شود.

تنگناهای سخت افزاری:  هرگره ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید بحد کافی کوچک، سبک و کم حجم نیز باشد بعنوان مثال در برخی کاربردها گره یاید به کوچکی یک قوطی کبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبک باشد که بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار کم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیتهایی است که کار طراحی و ساخت گره های حسگر را با چالش مواجه میکند. ارائه طرح های سخت افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بی سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فن آوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سخت افزاری خواهد داشت.

توپولوژی: توپولوژی ذاتی شبکه حسگر توپولوژی گراف است. بدلیل اینکه ارتباط گره ها  بی سیم و بصورت پخش همگانی است و هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد.  آلگوریتم های  کارا  در جمع آوری داده  و کاربردهای ردگیری اشیاء  شبکه را درخت پوشا در نظر می گیرند.  چون ترافیک اصولا بفرمی است که داده ها از چند گره به سمت یک گره حرکت می کند. مدیریت توپولوژی باید با دقت انجام شودیک مرحله اساسی مدیریت توپولوژی راه اندازی اولیه شبکه است گره هایی که قبلا هیچ ارتباط اولیه ای ندشته اند در هنگام جایگیری و شروع بکار اولیه باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. الگوریتم های مدیریت توپولوژی در راه اندازی اولیه باید امکان عضویت گره های جدید و حذف گره هایی که بدلایلی از کار می افتند را فراهم کنند. پویایی توپولوژی از خصوصیات شبکه های حسگر است که امنیت آن را به چالش می کشد. ارائه روشهای مدیریت توپولوژی پویا بطوری که موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است که جای کار زیادی دارد.

قابلیت اطمینان: هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار بکلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از کار بیفتد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تاثیر قرار دهد. در واقع می خواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبکه قابل اطمینان بسازیم.

  مقیاس پذیری: شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گره ها، مقیاس پذیر باشد. بعبارت دیگر شبکه حسگر از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیون ها گره کار کند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گره ها را نیز پشتیبانی کند.

 در بسیاری کاربردها توزیع گره ها اتفاقی صورت می گیرد و امکان توزیع با چگالی مشخص و یکنواخت وجود ندارد یا گره ها در اثر عوامل محیطی جابجا می شوند. بنابراین چگالی باید  بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر کند. موضوع مقیاس پذیری به روشها نیز مربوط می شود برخی روشها ممکن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یک چگالی یا تعداد محدود از گره کار کند. در مقابل برخی روشها مقیاس پذیر هستند.                                                                                                                                                      

  قیمت تمام شده: چون تعداد گره ها زیاد است کاهش قیمت هر تک گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گره ها گاهی تا میلیونها میرسد. در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم تاثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

شرایط محیطی: طیف وسیعی از کاربرد ها ی شبکه های حسگر مربوط به محیط هایی می شود که انسان نمی تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیای، میکروبی، هسته ای ویا مطالعات در کف اقیانوس ها و فضا ویا محیط های نظامی بعلت حضور دشمن ویا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها می شود. در هر مورد ، شرایط محیطی باید در طراحی گره ها در نظر گرفته شود مثلا در دریا و محیط های مرطوب گره حسگر در محفظه ای که رطوبت را منتقل نکند قرار می گیرد.

رسانه ارتباطی: در شبکه های حسگر ارتباط گره ها بصورت بی سیم و از طریق رسانه رادیویی، مادون قرمز، یا رسانه های نوری دیگر صورت می گیرد. اکثرا از ارتباط رادیویی استفاده می شود. البته ارتباط مادون قرمز ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می کند.

توان مصرفی گره ها: گره های شبکه حسگر باید توان مصرفی کم داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یک باتری 2/1 ولت با انرژی 5/. آمپر ساعت است که باید توان لازم برای مدت طولانی مثلا 9 ماه را تامین کند. در بسیاری از کاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باطری عملا عمر گره را مشخص می کند. بعلت اینکه یک گره علاوه بر گرفتن اطلاعات(توسط حسگر) یا اجرای یک فرمان(توسط کارانداز) بعنوان رهیاب نیز عمل می کند بد عمل کردن گره  باعث حذف آن از توپولوژی شده و سازماندهی مجدد شبکه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت. در طراحی سخت افزار گره ها استفاده از طرح ها و قطعاتی که مصرف پایینی دارند و فراهم کردن امکان حالت خواب برای کل گره یا برای هر بخش بطور مجزا مهم است.

افزایش طول عمر شبکه: یک مشکل این است که عمر شبکه های حسگر نوعاً کوتاه است. چون طول عمر گره ها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژة یک گره در شبکه مشکل را تشدید می کند مثلاً در گره ای که در فاصل یک قدمی چاهک قرار دارد از یکطرف بخاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می دهد و از طرفی از کار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهک با کل شبکه می شود و از کار افتادن شبکه می شود. برخی راه حل ها به ساختار برمی گردد مثلا در مورد مشکل فوق استفاده از ساختار خودکار راهکار مؤثری است. بعلت اینکه در ساختار خودکار بیشتر تصمیم گیری ها بطوری محلی انجام می شود  ترافیک انتقال از طریق گره بحرانی کم شده، طول عمر آن و در نتیجه طول عمر شبکه افزایش می یابد. مشکل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گره های نواحی کم تراکم  در توزیع غیر یکنواخت گره ها نیز صدق می کند در اینگونه موارد داشتن یک مدیریت توان در داخل گره ها و ارائه راه حل های توان آگاه بطوری که از گره های بحرانی کمترین استفاده را بکند مناسب خواهد بود. این نوعی به اشتراک گذاری منابع محسوب می شود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گره ها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش میدهد.  ارائه الگو های ساختاری مناسب و ارائه روشهای مدیریتی و الگوریتم ها توان آگاه با هدف افزایش طول عمر شبکه حسگر از مباحث مهم تحقیقاتی است. 

بخش های متفاوت گره حسگری

یک گره حسگری از 4  بخش عمده تشکیل شده است :

1 - واحد حسگر .     2- واحد پردازش .    3- واحد دریافت و ارسال .       4- واحد توان.

البته بسته به کاربرد، شبکه‌های حسگر می‌توانند شامل اجزای دیگری چون: سیستم پیداکردن مکان جغرافیایی، مولد توان و بخش مربوط به حرکت در گره‌های متحرک نیز باشند. در زیر اندکی درباره بخش‌های اصلی هر حسگر توضیح می‌دهیم.

1 - واحد‌های حسگری معمولاً از دو بخش حسگرها و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال تشکیل می‌شوند. حسگرها بر اساس دریافت‌هایشان از پدیده مورد مطالعه، سیگنال‌های آنالوگ را تولید می‌کنند. سپس این سیگنال‌ها توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال به سیگنال دیجیتال تبدیل شده و به بخش پردازش سپرده می‌شوند.

2 -  بخش پردازش که معمولاً با یک حافظه کوچک همراه است، همکاری گره با گره‌های دیگر را در جهت انجام وظایف محول شده به هر حسگر مدیریت می‌کند.

3 - بخش فرستنده و گیرنده، گره را به شبکه متصل می‌کند. بخش توان نیز یکی از مهم‌ترین بخش‌های یک گره حسگری است. توان موردنیاز ممکن است با بخش‌های جمع‌آوری توان، مانند سلول‌های خورشیدی تأمین شود. به موازات تولید توان، تلاش برای کاهش مصرف توان در شبکه بسیار مهم است. صرفه جویی در مصرف توان در حالت کلی از دو طریق ممکن است. یک راه ساخت حسگرهایی با مصرف انرژی کمتر و راه دیگر به کاربردن روش‌های مدیریت توان در طراحی نرم‌افزاری شبکه است. مثلاً ارسال TDMA از نظر مصرف توان مناسب است؛ زیرا در فاصله هر شیار زمانی که اطلاعات هر حسگر ارسال نمی‌شود، حسگر در حالت انتظار که مصرف انرژی بسیار کمی دارد، قرار می‌گیرد.

روش‌های مناسب پیکربندی هندسی شبکه و یا انتخاب Parent می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد. همان‌طور که گفتیم هر حسگر ممکن است بخش‌های دیگری را نیز که به کاربرد خاص شبکه مربوط است دارا باشد. به عنوان نمونه، اکثر تکنیک‌های مسیریابی و وظایف حسگری نیازمند دانش دقیقی از مکان‌یابی جغرافیایی است. در نتیجه متداول است که گره‌های حسگری دارای سیستم موقعیت‌یابی نیز باشند. علاوه بر این در برخی موارد گره حسگری لازم است که متحرک باشد، لذا در مواقع لزوم بخشی نیز برای حرکت در نظر گرفته می‌شود.

تمام این زیر‌‌بخش‌ها باید در یک قالب کوچک قرار بگیرند. اندازه مورد نیاز ممکن است حتی کوچک‌تر از یک سانتی‌متر مکعب باشد. علاوه بر اندازه، محدودیت‌های فراوان دیگری نیز برای گره‌های حسگری وجود دارد؛ این گره‌ها باید توان بسیار کمی مصرف کنند، در یک محیط با چگالی بالا (از نظر تعداد گره‌ها) کار کنند، قیمت تمام شده آنها ارزان باشد، قابل رها کردن در محیط و همچنین خودکار باشند. بدون وقفه کار کنند و قابلیت سازگاری با محیط داشته باشند.

به نظر می‌رسد که شبکه‌های WSN کلاس جدیدی از شبکه‌های مخابراتی را به ما معرفی کرده‌اند. این شبکه‌ها به ما این قدرت را می‌دهند که بفهمیم در یک محیط فیزیکی که حتی حضور انسانی ممکن نیست؛ چه می‌گذرد. این توانمندی مهم و منحصر به فرد با ترکیب قابلیت‌های حسگرهای الکترونیکی و فناوری‌های پیشرفته شبکه‌های مخابراتی حاصل شده است. البته پیشرفت‌های بیشتر در این حوزه منوط به انجام تحقیقات بیشتر مخصوصاً در حوزه استانداردسازی و مباحث اقتصادی است. هرچند امروزه تولید انبوه و ارزان‌قیمت تراشه‌های الکترونیکی ممکن شده است؛ اما در حال حاضر برای تولید و ایجاد شبکه‌ای کم هزینه برای کاربرد‌های صنعتی وکشاورزی و نیز توسعه بازار تجاری آن به تلاش‌های بیشتری نیاز است.

ترجمه تخصصی مقالا ت ومتون انگلیسی

بیان حس گرها

یک شبکه حسگر بی سیم از تعداد زیادی از نودهای حسگر در یک ناحیه خاص تشکیل شده است که هر یک از آنها توانایی جمع آوری اطلاعات ازمحیط را دارا می باشد و داده های جمع آوری شده را به نود سینک ارسال می کند. هر چند که به طور کلی راجع به شبکه های حسگر بی سیم تحقیقات زیادی صورت گرفته است، در مورد کیفیت سرویس در این شبکه ها هنوز به اندازه کافی کار نشده است. کیفیت سرویس در شبکه های حسگر بی سیم نسبت به شبکه های سنتی بسیار متفاوت است. از آنجایی که زمینه کاربرد این شبکه ها بسیار وسیع می باشد، پارامترهای کیفیت سرویس درآنها متفاوت است. بعضی از پارامترهایی که در ارزیابی کیفیت سرویس مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: پوشش شبکه, تعداد بهینه نودهای فعال در شبکه, طول عمر شبکه و میزان مصرف انرژی.تکنیکی که ما جهت بهبود پارامترهای کیفیت سرویس در شبکه ها ی حسگر مورد استفاده قرار داده ایم, روش هوشمند اتوماتاهای یادگیر سلولی(CLA) می باشد. اتوماتای یادگیر سلولی یک رهیافت مکاشفه‌ای برای حل مسایل بهینه‌سازی پیچیده می‌باشد که بررسی‌های اخیر برروی آن، کارایی مناسب آن را به عنوان تکنیکی برای حل این‌گونه مسائل نشان داده است.در این پایان نامه تعدادی از مسائل اساسی شبکه ها ی حسگر بی سیم مطرح گردیده و با هدف بهبود پارامترهای کیفیت سرویس این مسائل با استفاده از آتوماتاهای یادگیرسلولی حل گردیده اند.ابتدا مسئله پوشش محیط در شبکه های حسگر را با استفاده از غیر فعال نمودن نودهای غیر ضروری و فعال نگه داشتن بهینه نودها حل می گردد. تا در مصرف انرژی صرفه جویی به عمل آمده و عمر شبکه افزایش یابد و بدین ترتیب به چند پارامتر کیفیت سرویس در شبکه های حسگر به طور همزمان توجه می گردد. سپس به مسئله خوشه بندی در شبکه حسگر پرداخته شده و با استفاده از آتوماتاهای یادگیر, شبکه های حسگر به گونه ای خوشه بندی می شوند که انرژی به صورت یکنواخت در شبکه بمصرف رسیده وعمر شبکه افزایش یابد. بنابراین در این روش خوشه بندی معیارهای کیفیت سرویس انرژی و طول عمر شبکه مد نظر قرار می گیرند.

مطالعات حس گر

شبکه حسگرکارانداز شبکه‌ای است که از تعداد زیادی گره کوچک تشکیل شده است. در هر گره تعدادی حسگر یا کارانداز وجود دارد. شبکه حسگرکار به شدت با محیط فیزیکی تعامل دارد به طوری که از طریق حسگرها اطلـاعات محیط را میگیرد و از طریق کاراندازها واکنش نشان میدهد. ارتباط بین گره‌هـا به صورت بیسیم است. هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار میکند و از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و محدودیت‌هـایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و... دارد. این محدودیت‌هـا مشکلـاتی را به وجود میآورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبکه از پشته پروتکلی شبکه‌هـای سنتی پیروی میکند، اما به دلیل محدودیت‌هـا و تفاوت‌هـای وابسته به کاربرد، پروتکل‌هـا باید بازنویسی شوند. این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگی‌هـا، محدودیت‌هـا، کاربردها، ایده‌هـا و چالش‌هـا، به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه میپردازد.

پیشرفت‌هـای اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازه‌هـای کوچک از یک سو و توسعه فناوری ارتباطات بیسیمـ از سوی دیگر زمینه ساز طراحی شبکه‌هـای حسگرکار بیسیم شده است. تفاوت اساسی این شبکه‌هـا ارتباط آن با محیط و پدیده‌هـای فیزیکی است. شبکه‌هـای سنتی ارتباط بین انسان‌هـا و پایگاه‌هـای اطلـاعاتی را فراهمـ میکنند در حالی که شبکه حس/کار به طور مستقیمـ با جهان فیزیکی در ارتباط است.

با استفاده از حسگرها میتوان محیط فیزیکی را مشاهده و بر اساس مشاهدات خود تصمیمـ گیری کرد و عملیات مناسب را انجام داد. نام شبکه حسگرکار بیسیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی میشود. برخلـاف شبکه‌هـای سنتی که همه منظوره اند شبکه‌هـای حسگرکار تک منظوره هستند. از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاه‌هـای پایه را حذف و هر گوشی را یک گره فرض کنیمـ ارتباط بین گره‌هـا باید به طور مستقیمـ یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حسگرکار بیسیم است. اگرچه به نقلی تاریخچه شبکه‌هـای حسگرکار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا برمی گردد، اما این ایده میتوانسته در ذهن طراحان ربوت‌هـای متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه‌هـای بیسیم موبایل نیز شکل گرفته باشد. به هر حال از آنجا که این فن نقطه تلـاقی دیدگاه‌هـای مختلف است تحقق آن میتواند بستر پیاده سازی بسیاری از کاربردهای آینده باشد. کاربرد فراوان این نوع شبکه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در کامپیوتر و الکترونیک از جمله امنیت شبکه، ارتباط بلـادرنگ، پردازش صوت و تصویر، داده کاوی، ربوتیک، طراحی خودکار سیستمـ‌هـای جاسازی شده دیجیتال و... میدان وسیعی برای پژوهش محققان با علـاقه مندی‌هـای مختلف فراهم کرده است.

شبکه‌هـای ارتباطی گیرنده بیسیمـ در حال حاضر در محیط‌هـای شهری نیز استفاده میشوند. این شبکه‌هـا شامل نظارت محیط و محل‌هـای سکونت، استفاده بهداشتی و سلـامتی، کنترل دستگاه‌هـای خود کارخانه و نظارت در ترافیک و... هستند.

● ساختار کلی شبکه حسگرکار بیسیم

در اینجا تعدادی از تعاریف کلیدی در ساختار کلی شبکه حسگرکار بیسیم را ذکر میکنیم.

▪ حسگر: وسیله‌ای که وجود شیء رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص میدهد و به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب سنج, مغناطیس سنج و...

▪ کارانداز: با تحریک الکتریکی، عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجامـ میدهد.

▪ گره حسگر: به گره‌ای گفته میشود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.

▪ گره کارانداز: به گره‌ای گفته میشود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.

▪ گره حسگرکارانداز: به گره‌ای گفته میشود که مجهز به حسگر و کارانداز باشد.

▪ شبکه حسگر: شبکه‌ای که فقط شامل گره‌هـای حسگر باشد. این شبکه نوع خاصی از شبکه حسگرکار است. در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلـاعات و تحقیق درباره یک پدیده است کاربرد دارد. برای مثال، مطالعه روی گردبادها.

▪ میدان حسگرکارانداز: ناحیه کاری که گره‌هـای شبکه حس/کار در آن توزیع میشوند.

● مدل شبکه حسگر

شبکه‌هـای حسگر دارای توانایی کنترل مناطق جغرافیایی چندگانه، به دست آوردن اطلـاعات و پردازش داده در شبکه است. طراحی زیربنایی از این شبکه‌هـای حسگر میتواند بسیار چالش برانگیز باشد. اساسی ترین هدف یک طراحی در پتولومی سه عامل اصلی قابل مطرح است. نقطه آغاز یک طراحی ایجاد جریانی از فرآیندها یا تکنیک طراحی قدم به قدم برای هر جزء شبکه‌هـای حسگر است.

● کاربردها

کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم میشوند. سیستمـ‌هـای ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده بانی، میدان مین هوشمند و سیستمهـای هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی هستند. در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستمهـای مراقبت از بیماران ناتوان، محیط‌ هـای هوشمند برای افراد سالخوده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربردهای آن است. کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل میشوند. ازجمله این کاربردها میتوان به سیستمـ‌هـای امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش سوزی (در جنگل)، تشخیص آلودگی‌هـای زیست محیطی از قبیل آلودگی‌هـای شیمیایی، میکروبی، هسته ای، سیستمـ‌هـای ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده‌هـای طبیعی، تحقیق در مورد زندگی گونه‌هـای خاص از گیاهان و جانوران و... اشاره کرد. در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار به عنوان گروهی از ربوت‌هـای کوچک که با همکاری یکدیگر فعالیت خاصی را انجامـ میدهند استفاده میشوند.

1) نظارت بر ترافیک:

اغلب شبکه‌هـای حسگر دینامیک و پویا هستند. اشیا به وسیله رفت و آمد یک شبکه حسگر نظارت میشوند و ممکن است در اطراف یک میدان حسگر حرکت کنند. گره‌هـای حسگر جدید میتوانند به شبکه ملحق شوند و زمانی که باتری یک گره حسگر تخلیه میشود آن شبکه را ترک میکند.

حسگرها در امتداد جاده برای جمع آوری اطلـاعات که به پایگاه اصلی برای تحلیل بیشتر فرستاده میشود، توزیع میشوند. برای مدل سازی و شبیه سازی چنین شبکه‌ای باید ابتدا یک مدل برای میدان حسگر بسازیمـ که شامل یک مؤلفه برای هر گره حسگر و کانال‌هـاست.

2) بررسی مناطق جغرافیایی:

محققان اروپایی و هندی بر اساس تحقیقات به دست آمده از ارگانیسمـ‌هـای زنده، شبکه حسگرهای بیسیمـ خودساختار را طراحی کردند. این شبکه‌هـا کاربرد وسیعی در بررسی‌هـای پیرامونی (محیطی) دارند. باران‌هـای ناشی از بادهای موسمی اقیانوس هند (مانسون) در ایالت کرالـای هند باعث افزایش خطر زمین لرزه میشود اما سوال اینجاست که چگونه میتوان به مردمـ این مناطق قریب الوقوع بودن خطر مانسون را اطلـاع داد؟ یک راه، استفاده از شبکه حسگرهای بیسیمـ است که به منظور نظارت بر شرایط زمین شناسی طراحی شده است. استفاده از این سیستمـ در حال عمومی شدن است؛ زیرا این حسگرها کوچک، ساده و ارزان هستند و نیازی به کابل کشی جهت وصل کردن گره‌هـای اتصالـات و مرکز کنترل ندارند و میتوانند کاربردهای متعددی داشته باشند. البته نقاط ضعفی نیز در این سیستمـ وجود دارد.

برای مثال، خراب شدن پیوندهای ارتباطی حسگرها و اینکه منبع تغذیه گره‌هـا باتری است. شبکه بزرگ به واسطه حسگرهای زیادی که همزمان با مرکز کنترل در حال ارسال گزارش هستند، شلوغ و پرترافیک میشود و چالش پیش رو این است که آیا این سیستمـ میتواند به طور قابل اطمینان در مرکز کنترل آلودگی هوا نظارت کند،

حسگر با گره‌هـای مجاور به گونه‌ای در ارتباط است تا به توافق برسند چه چیزی را حس کنند. پس از آن شبکه، بهترین مسیر بین گره‌هـای موجود را برای مخابره اطلـاعات به مرکز کنترل انتخاب میکند. این اصل بیولوژیکی در سیستمـ ردیابی زمین لغزه (ریزش کوه) به کار میرود. نمونه اولیه این شبکه در جنگل‌هـای پرباران منطقه کرالـادر هند نصب شده است. این ناحیه در فصل بارندگی نسبت به زمین لغزه آسیب پذیر است. حسگرها زیر زمین کار گذاشته میشوند، سپس به یک ماهواره که اطلـاعات را جمع میکند و به مرکز کنترل انتقال میدهد، متصل میشوند. این شبکه شامل 12 حسگر ژئولوژیکی است که به 15 گره حسگر متصل هستند و در طول 13 هکتار زمین پخش شده اند.

در نمایش دیگری، محققان یک شبیه ساز رایانه‌ای را که انتشار آتش در جنگل را شبیه سازی میکرد، ساختند. این شبیه ساز به تقلید از شبکه حسی طراحی شده بود تا بر جنگل‌هـا نظارت داشته باشد و آتش سوزی را اعلـام  کند.این حسگرها در جنگل‌هـای جمهوری چک نصب شد تا منبع گرما و دود را مشخص کند.