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.