Современные и перспективные технологии построения беспроводных сенсорных сетей
advertisement
Современные и перспективные технологии построения беспроводных сенсорных сетей Прошло не более десятилетия с тех пор, когда начались интенсивные научные и технологические исследования возможностей использования сенсорных датчиков совместно с беспроводной сетью. Их результатом явилось создание нового вида телекоммуникационных сетей, получившего название беспроводные сенсорные сети (БСС). На основе успешной реализации ряда исследовательских проектов в начале нашего века были созданы коммерческие компании, обеспечивающие продвижение технологий БСС на телекоммуникационные рынки мира. Интенсивное развитие микроэлектроники позволило решить задачи создание дешевых, низкопотребляющих, многофункциональных устройств, имеющих малые габариты и способных передавать телеметрическую информацию по радиоканалу на короткие расстояния. Они стали базовыми элементами в структуре беспроводных сенсорных сетей - нового класса беспроводных систем, которые представляют собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказу отдельных элементов сеть миниатюрных электронных устройств (сенсоров) с автономными источниками питания. Узлы такой сети способны ретранслировать информацию, используя множество маломощных передатчиков и обеспечивая значительную площадь покрытия беспроводной системой. Отличительной особенностью сенсоров являются миниатюрные размеры и низкая себестоимость, что позволяет использовать их в большом количестве для создания сети сбора и беспроводной передачи телеметрических данных. При этом передача данных по происходит поэтапно, от одного устройства другому, а маршруты передачи формируются автоматически таким образом, чтобы за конечное число пересылок по сети между ближайшими узлами пакет с данными был передан на шлюз, имеющий соединение с сервером, (рис.1). В случае выхода из строя одного или нескольких узлов, структура сети автоматически изменяется, обеспечивая возможность доставки информации со всех работающих сенсоров к щлюзу. Рис. 1. Система сбора телеметрической информации на основе БСС В числе основных функциональных и эксплуатационных преимуществ БСС следует выделить: возможность самонастройки и самовосстановления сети; масштабируемость сетей с плотным размещением узлов в пространстве (от десятков до тысяч устройств); высокие показатели надежности и отказоустойчивости за счёт коммуникационной избыточности и наличия множества альтернативных маршрутов доставки данных; низкая стоимость и малые масса-габаритные показатели узлов; высокая энергетическая эффективность (срок эксплуатации может достигать нескольких лет при автономном электропитании узлов); устойчивость к модификации топологии сети и изменениям характеристик среды распространения радиоволн; способность узлов совместно обрабатывать полученные данные и принимать решения на базе распределенных алгоритмов; возможность быстрого и при необходимости скрытого развёртывания сети. Области использования БСС. Впервые использование сенсорных сетей началось в военной сфере для слежения за целями в боевой обстановке. Так, например, сброшенные с вертолёта на поле боевых действий тысячи сенсорных датчиков, могут зондировать обстановку и передавать информацию о боевой технике и живой силе противника непосредственно с места сражения. В настоящее время беспроводные сенсорные сети все шире используются во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение, контроль движения объектов и т.д. Возможность развертывания сети в сложных условиях, отсутствие проводных коммуникаций и минимальные размеры сенсорных устройств делают технологию БСС чрезвычайно гибкой и востребованной. Эти факторы являются определяющими при выборе способа построения сети, содержащей большое число соединенных между собой интеллектуальных датчиков и интерфейсов передачи данных. Устойчивая тенденция снижения стоимости беспроводных решений и повышение их эксплуатационных параметров позволяют позиционировать БСС в качестве высокоэффективных и перспективных решений для систем сбора телеметрических данных, средств дистанционной диагностики и обмена информации. В частности в США насчитывается несколько сотен коммерческих фирм, специализирующихся на создании и обслуживании сенсорных сетей. В 2010 году в мире было поставлено потребителям более 500 миллионов сенсорных узлов на сумму порядка 7 млр.$. В числе наиболее распространённых задач и приложений реализуемых на основе технологий БСС: Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания лесных массивов и торфяников Сейсмический мониторинг и обнаружение потенциальной напряженности в тектонических пластах Мониторинг состояния и удалённый контроль периметра объектов в охранных системах. Экологический мониторинг состояния окружающей среды (обнаружение и предсказание природных стихий) Автоматический дистанционный контроль параметров радиационно опасных объектов, газо- нефтехранилищ и других потенциально опасных индустриальных объектов. Мониторинг дорожного трафика и объектов транспортной инфраструктуры (мостов, железнодорожных переездов, виадуков и т.д.) Мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений Контроль местоположения, оповещение и организация надёжной связи при проведении спасательных операций Мониторинг промышленных объектов и характеристик технологических процессов Мониторинг медицинских и биологических параметров живых организмов Внедрение БСС позволяет реализовать единое информационное пространство на любом объекте, контролируемом с помощью системы специализированных сенсорных датчиков, таких как: датчики температуры, давления, влажности, вибраций, освещённости, уровня радиации, электромагнитного излучения и т.д. На рис.2 в качестве примера приведена обобщённая типовая архитектура единой системы мониторинга и слежения за протеканием технологических процессов и состоянием технических сооружений на предприятии, реализованная на основе технологии БСС. Кроме указанных функций в системе обеспечивается позиционирование обслуживающего персонала и контроль биомедицинских показателей сотрулников. Соединение БСС с ЛВС предприятия, в которой размещены компьютеры управления, осуществляется с помощью шлюза. Модули системы управления, получают, обрабатывают и сохраняют данные в базе данных, а в случае необходимости реагируют на события в периметре действия БСС. Например, при возгорании контролируемых объектов от сенсоров поступает сигнал тревоги, по которому соответствующий модуль управления включает местную систему оповещения и посылает сигнал тревоги в пожарную часть. Рис. 2 . Типовая архитектура системы мониторинга предприятия с использованием технологий БСС Беспроводные сенсорные сети — это новая перспективная технология, на основе которой интенсивно ведутся прикладные разработки и выполняются масштабные проекты для различных отраслей промышленности и систем военного назначения. Так, например, на основе разработанного учёными университетов США прикладного программного обеспечения на базе ВВС во Флориде развёрнута БСС, обеспечивающая обнаружение проникновения и перемещение людей и транспортных средств в контролируемой зоне. Сеть охватывает зону площадью 5 кв.км. и оснащена сенсорами с магнитоэлектрическими и температурными датчиками для распознавания и отслеживания различных металлических объектов, в том числе движущихся. В числе известных примеров прикладного использования БСС - развертывание сети, построенной на основе оборудования Intel на борту нефтяного танкера компании ВР для мониторинга и профилактического обслужи- вания судна. Работа БСС проходила в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех от судовых систем. При этом развёрнутая БСС устойчиво функционировала, автоматически осуществляя реконфигурацию и восстановление работоспособности при воздействии экстремальных факторов. За последний период на развёртывание БСС для мониторинга инфраструктуры мировой нефте-газодобывающей отрасли компаний тратили ежегодно более 200 млн. $. В целом область применения БСС постоянно расширяется и можно прогнозировать, что в перспективе все физические объекты будут снабжены сенсорами, имеющими IP-адреса с возможностью формирования «Глобальной сенсорной сети». Базовый стандарт для Беспроводных Сенсорных Сетей. Беспроводные технологии и создаваемые на их основе телекоммуникационные сети обладают рядом общеизвестных преимуществ в числе которых гибкая архитектура и низкие затраты при монтаже. В настоящее время к числу массовых и наиболее востребованных на потребительском рынке систем беспроводной связи можно отнести системы сотовой связи, WiFi и Bluetooth. Каждая из них характеризуется дальностью и скоростью передачи, диапазоном рабочих частот, функциональными возможностями и сферой применения, а также другими характеристиками, определяющими архитектуру и структурные особенности развёртываемых на их основе телекоммуникационных сетей, (рис. 3). В архитектурном аспекте главным отличием БСС от классических телекоммуникационных радиосетей является использование в сети большого числа сверхминиатюрных интеллектуальных датчиков для передачи небольших объёмов телеметрической информации на средние расстояния (10-100 м.). Рис. 3. Массовые беспроводные системы передачи информации по радиоканалу В эксплуатационном плане основными отличительными особенностями БСС являются требования устойчивого функционирования в условиях динамических изменений в топологии сети из-за перемещения сенсоров, автономное электропитание и существенные ограничения в энергопотреблении и вычислительной производительности встроенных в узлы сети микропроцессоров, памяти, трансиверов и других микроэлектронных компонентов. При этом в тоже время условия функционирования БСС предусматривают передачи небольших объемов информации с малой скоростью. Учитывая запросы рынка телекоммуникаций в специфической области мониторинга и управления объектами посредством беспроводной связи под эгидой IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) в 2003 году была выпущена официальная спецификация IEEE 802.15.4, получившая статус стандарта. По планам разработчиков, новый стандарт должен был обеспечить дальность соединения, сравнимую с WiFi, но при этом иметь меньшее энергопотребление за счёт низкой скорости передачи данных. В ряду важнейших задач также обеспечение работы в режиме реального времени с использованием временных слотов, предотвращение коллизий доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Совместимые со стандартом 802.15.4 устройства должны иметь возможность управления расходом электроэнергии и контроля качества соединений. С мая 2007 года в России сертифицированы устройства 802.15.4, мощность излучения которых не превышает 10 мВт на открытой местности и 100 мВт в помещении. В документе 802.15.4 определены два нижних уровня семиуровневой сетевой модели OSI: физический (PHY) и канальный (MAC). Физический уровень определяет способ передачи данных, интерфейс организации связи, аппаратные особенности и параметры, необходимые для построения сети. На практике физический уровень управляет работой трансивера, выполняет выбор каналов, сигналов управления и уровня мощности передачи. В соответствие со спецификацией стандарта 802.15.4 на физическом уровне под обмен данными зарезервированы 27 каналов в трёх частотных диапазонах: 868 МГц, 910 МГц, 2.4 ГГц, что позволяет использование стандарта в нелецензируемых в большинстве стран мира частотных полосах (рис. 4). На территории Российской Федерации доступен к использованию только диапазон 2.4 ГГц. В данном диапазоне определены 16 каналов шириной 5 МГц с несущими частотами, вычисляемыми в соответствие с выражением: Fc = 2405 + 5(k - 1) МГц, k = 1, ... 16. Рис.4. Диапазоны частот физического уровня стандарта 802.15.4. Первая версия стандарта 802.15.4 определяла два физических уровня с широкополосной модуляции с прямым расширением спектра DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): первый - в полосе 868/915 МГц со скоростью передачи соответственно 20 и 40 кбит/с, а второй - в полосе 2450 МГц со скоростью 250 кбит/с. В 2006 году допустимые скорости передачи данных на частотах 868/915 МГц были увеличены до 100 и 250 кбит/с. Кроме того, были определены четыре спецификации физического уровня в зависимости от метода модуляции: при сохранении широкополосной модуляции DSSS возможно использовании в диапазоне 868/915 МГц как двоичной, так и квадратурной фазовой мани- пуляции (QPSK — Quadrature Phase Shift Keying). С 2007 года в версию стандарта IEEE 802.15.4a число физических уровней было увеличено до шести за счёт включения уровня с сверхширокополосной радиотехнологией Ultra WideBand (UWB) для высокоскоростной передачи данных, а также спецификации уровня с радиотехнологией Chirp Spread Spectrum (CSS), основанной на расширении частотного спектра методом линейной частотной модуляции. Физический уровень UWB определён выделенными частотами в трёх диапазонах: ниже 1 ГГц, 3-5 ГГц и 6-10 ГГц, а для CSS выделен спектр в полосе 2450 МГц нелицензируемого диапазона ISM. В 2009 году в версиях стандартов IEEE 802.15.4c и IEEE 802.15.4d были расширены доступные частотные диапазоны. Данные спецификации определяет возможность использования на физическом уровне приёмо-передающие устройства с квадратурной фазовой манипуляцией (Quadrature phase-shift keying, QPSK) или с фазовой манипуляцией более высоких порядков (M-PSK) на частоте 780 МГц , а на частоте 950 МГц - гауссовскую частотную манипуляцию (Gaussian frequency-shift keying, GFSK) или двоичную фазовую манипуляцию (Binary phase-shift keying, BPSK). Кроме этого исследовательская группа IEEE 802.15.4d в 2009 году включила в спецификации недавно открытые диапазоны 314—316 МГц, 430—434 МГц, и 779—787 МГц в Китае, и определила поправку к существующему стандарту 802.15.4-2006 в части поддержки диапазона 950-956 МГц в Японии. На канальном уровне стандарт спецификация IEEE 802.15.4 определяет механизмы взаимодействия элементов сети на физическом уровне для обеспечения формирования фрагментов данных (кадров), проверки и исправления ошибок, и отправки кадров на сетевой уровень. При этом подуровень MAC (media access control) канального уровня регулирует множественный доступ к физической среде с разделением по времени, управляет связями трасиверов и обеспечивает безопасность. IEEE 802.15.4 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных, поддерживая при этом шифрование AES 128. Доступ к каналу основан на принципе Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance (CSMA/CA) – многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов". CSMA/CA – это сетевой протокол, в котором используется принцип прослушивания несущей частоты. Устройство, которое готово к передаче данных посылает jam signal (сигнал затора) и прослушивает эфир. Если обнаруживается "чужой" jam signal, то передатчик "засыпает" на случайный промежуток времени, а затем снова пробует начать передачу фрейма. Таким образом, передача может исходить только от одного устройства, что повышает производительность сети. При этом данные передаются относительно небольшими пакетами, что характерно для трафика сигналов управления и мониторинга в БСС. Важной особенностью стандарта является обязательное подтверждение доставки сообщений. Особенностью устройств, объединённых в сеть по стандарту IEEE 802.15.4, является низкое энергопотребление за счёт перехода трансивера в режим "засыпания" при отсутствии данных для пересылки и сохранении подключения в этом режиме. При разработке стандарта, основной акцент делался на быстроту процессов конфигурирования и реконфигурирования. В частности, переход приемника в активное состояние длится порядка 10-15 мс, а подключение к сети новых устройств – от 30 мс. При этом длительность реконфигурации и подключения устройств зависит от постоянства «прослушивания» маршрутизаторами сети. Типы узлов сети. Стандарт определяет два типа узлов сети: полнофункциональное устройство FFD (Fully Function Device), которое может реализовать как функцию координации работы и установки параметров сети, так и работать в режиме типового узла; устройство с ограниченным набором функций RFD (Reduced Function Device), обладающее только возможностью поддержания связи с полнофункциональными устройствами. В любой сети должен быть, по крайней мере, один FFD, реализующий функцию координатора. Каждое устройство имеет 64-битный идентификатор, но в некоторых случаях для ограниченной области может использоваться краткий 16-битный для соединений в персональной сети PAN (personal area network). Топологии сети. На канальном уровне стандарте IEEE 802.15.4 приведены общие рекомендации к построению топологии сети. Сети могут быть одноранговыми P2P ( peer-topeer, point-to-point), либо иметь топологию «звезда». На основе структуры P2P могут формироваться произвольные структуры соединений, ограниченные лишь дальностью связи между парами узлов. С учётом этого возможны различные варианты топологической структуры БСС, в частности «дерево» кластеров – структура, в которой RFD, являясь «листьями дерева», связаны только с одним FFD , а большинство узлов в сети являются FFD. Возможна также ячеистая топология сети, сформированная на основе кластерных «деревьев» с локальным координатором для каждого кластера и содержащая глобальный сетевой координатор. Рис. 5. Варианты топологии сетей стандарта IEEE 802.15.4 Стандартом поддерживается и более структурированная топология «звезда», в которой координатор (FFD) сети обязательно должен быть центральным узлом формируемой персональной сети (PAN) с уникальным идентификатором. После этого другие устройства могут присоединяться к сети, которая полностью независима от других сетей с аналогичной топологией. Стандарт 802.15.4 описывает два нижних уровня сетевой модели OSI, не определяя требований к верхним уровням и условий их совместимости. Решения этих задач потребовало разработки специальные коммуникационные протоколов. Наиболее известными являются протоколы альянса ZigBee, которой был создан в 2002 году крупнейшими мировыми компаниями, специализирующимися в области разработки программно-аппаратных средств для инфокоммуникационных систем. В числе более чем двухсот членов альянса ZigBee, координирующих работы по продвижению технологий и производству технических средств для беспроводных сенсорных сетей - Texas Instruments, Motorola, Philips, IBM, Ember, Samsung, NEC, Freescale Semiconductor, LG, OKI и многие другие. Корпорация Intel, хотя не является членом альянса ZigBee, активно поддерживает его деятельность. ZigBee разработал и ратифицировал в 2004 году стандарт, включающий полный стек протоколов для беспроводных сенсорных сетей. Стандарт ZigBee базируется на стандарт IEEE 802.15.4, который описывает только физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных с низким энергопотреблением. В отличие от него документ ZigBee включает описание сетевых процессов управления, совме- стимости и профилей устройств, а также информационной безопасности , (рис.6). На сетевом уровне в ZigBee определены механизмы маршрутизации и формирования логической топологии сети. Рис. 6 . Конфигурация стеков протоколов 802.15.4 и ZigBee Помимо стандартов 802.15.4./ZigBee для создания БСС могут использоваться спецификации других стандартов беспроводной связи основанных на IEEE 802.15.4 -2005, в частности WirelessHART и ISA100. Однако в настоящее время в области технологий беспроводных сенсорных сетей ZigBee является стандартом, в наибольшей степени подкреплённым представленными на рынке полностью совместимыми аппаратными и программными средствами. Кроме того протоколы ZigBee позволяют сетевым устройствам находиться в спящем режиме большую часть времени, что существенно увеличивает ресурс работы узлов при питании от батарейных источников. В БСС на основе ZigBee поддерживается режим "профилей устройств" или профилей для различных датчиков, которые совместимы на уровне стека протокола и могут объединяться в сеть, передавать, принимать и ретранслировать информацию. В то же время "понимать" эту информацию будет только то устройство, для которого она предназначена. В настоящее время, доступно достаточно большое количество различных ZigBeeпродуктов, начиная от микросхем приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4 и заканчивая готовыми OEM-модулями со встроенным программным обеспечением сетевого стека ZigBee. Все устройства стандарта ZigBee в зависимости от уровня сложности подразделяются на три класса, высший из которых – координатор – управляет процессом формирования сети, хранит данные о её топологии и служит шлюзом для передачи данных собираемых от всех сенсоров БСС для их дальнейшей обработки. В сети, как правило, используется только один PAN-координатор. Среднее по сложности устройство – маршрутизатор – способен ретранслировать сообщения, поддерживать все топологии сети, а также выполнять функции координатора кластера. И, наконец, самое простое устройство – обычный узел – способен лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис.7), сформированной из обычных узлов, объединённых в кластеры посредством маршрутизаторов. Маршрутизаторы кластеров запрашивают сенсорные данные от устройств и, ретранслируя, их друг другу, передают координатору, который обычно имеет связь с IP-сетью, куда и отправляет информацию для накопления и окончательной обработки. Рис.7. Типовая топология сети ZigBee Сеть ZigBee является самоорганизующейся, то есть все узлы способны самостоятельно определять и корректировать маршруты доставки данных. Данные передаются с помощью радиопередатчиков от одних узлов к другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу узлы сбрасывают всю аккумулированную информацию на шлюз. Эта информация включает данные, считываемые с сенсорных датчиков, а также данные о состоянии устройств и результатах процесса передачи информации. В случае выхода части устройств из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжиться. Беспроводные узлы функционируют под управлением специального приложения. Обычно все узлы сенсорной сети используют одну и ту же управляющую программу, обеспечивающую их функциональность и выполнение сетевых протоколов. Таким образом, стандарт ZigBee является практически единственным стандартом в области технологий БСС наиболее полно описывающим набор из семи уровней классической схемы взаимодействия открытых систем (OSI) и одновременно - в наибольшей степени подкрепленным наличием производства полностью совместимых аппаратных средств и программных продуктов (рис. 8). Помимо решений на основе ZigBee возможны варианты реализации БСС с использованием проприетарных платформ (например, от Sensicast, Millennial Net,Iris, Mia2, Telos, Dust Networks и т.д.), в которых используются либо собственные, либо основанные на стандарте IEEE 802.15.4 приемопередатчики. Сетевой стек проприетарных платформ реализован на базе патентованных алгоритмов и протоколов, которые обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с ZigBee , но не обеспечивают совместимости решений разных производителей. В стандарте ZigBee сеть в общем виде имеет вид «кластерного дерева» и требует планирования размещения устройств различного типа (FFD, RFD) на этапе проектирования сети. При этом большинство узлов являются оконечными устройствами, неспособны ретранслировать сообщения, вследствие чего в радиусе действия каждого из них должен быть хотя бы один узел-маршрутизатор. Это требует оптимизации расположения устройств различного класса. Специфика сетевых протоколов для БСС требует решения задач энергоэффективности, так как в режиме автономного питания узлов сети от батарей минимальное энергопотребление определяет временной ресурс работы узла. В ZigBee наименьшее энергопотребление достигается при синхронизированном доступе к среде (beacon mode), позволяющем устанавливать «спящий» режим как для, RFD (оконечных) устройства, так и FFD (маршрутизаторы). При сложной топологии сети и особенно случайной по времени генерации трафика практически не возможно реализовать оптимальный вариант расписания доступа к среде. В соответствие со стандартом более технологичным является множественный доступ по алгоритму CSMA/CA. Однако в этом режиме все координаторы должны постоянно находиться в режиме прослушивания канала, в связи, с чем для электропитания маршрутизаторов необходима стационарная электросеть. В этом случае лишь оконечные устройства будут работать от автономных источников (батарей), а маршрутизаторы и PAN-координатор – от сети питания. Рис. 8. Стек протоколов ZigBee Рядом зарубежных компаний для создания БСС используются частные технические решения и собственные стеки сетевых протоколов для снижения энергопотребления, включая решения на уровне компонентов. Кроме технических характеристик микросхем приемопередатчиков, микроконтроллеров и других узлов беспроводных модулей на энергопотребление существенно влияет режим работы сетевого приложения и интенсивность обмена данными. Выделяют режимы работы с интенсивным рабочим циклом и с малой интенсивностью обмена. В приложениях с интенсивным рабочим циклом основная доля энергопотребления приходится на радиоинтерфейс - прием/передача пакетов, синхронизация и автоподстройка частоты. При этом в случае преобладания в трафике длинных пакетов доминирует потребление приемопередатчика, а в случае преимущественной передачи коротких пакетов на первый план выходит потребление схем инициализации радиочасти и автокалибровки частоты. В приложениях с малой интенсивностью обмена начинают играть роль такие показатели, как наличие и эффективность режимов пониженного энергопотребления микросхем датчиков, микроконтроллеров и приемопередатчиков. Типичный профиль энергопотребления беспроводного узла представлен на рис.9. Абсолютные величины приведены для устройства диапазона менее 1 ГГц; для устройств диапазона 2,4 ГГц токи потребления будут примерно в два раза выше. Примером собственных решений стека сетевых протоколов является разработанный компанией Texas Instruments несложный протокол SimpliciTI (рис.10) с открытым исходным кодом. Протокол предназначен для БСС стандарта IEEE 802.15.4 с автономным батарейным питанием и электронной компонентной базой на основе система-на-кристалле (например, CC430, CC1110/2510), или на основе связки низкопотребляющих контроллеров серии MSP430 и любого из приемопередатчиков TI серий MSP430 + CC1XXX/CC25XX. Протокол обеспечивает минимизацию энергопотребления с поддержкой спящего режима узлов сети и может использоваться в БСС для различных приложений, в том числе: датчики проникновения, света, СО-датчики счетчики воды, газа, электроэнергии, приложения RFID с активными метками и др. Рис. 9. Пример профиля энергопотребления беспроводного узла Рис.10. Структура стека протоколов SimpliciTI Ещё одним примером частного решения по созданию БСС для дистанционного управления устройствами является предлагаемый Texas Instruments протокол RemoTITM, поддерживаемый соответствующими беспроводными устройствами и отвечающий спецификации ZigBee® RF4CE (рис.11). Протокол RemoTI основывается на стандарте IEEE 802.15.4 с добавлением к нему уровня сетевого взаимодействия и набора базовых команд управления и включает: поддержку нескольких каналов; безопасные транзакции; режимы энергосбережения; простой механизм объединения устройств для совместной работы. Рис. 11. Структура стека протоколов RemoTI К числу наиболее известных платформ, соответствующих основным базовым требованиям к сенсорным сетям (малая потребляемая мощность, длительное время работы, маломощные приемо-передатчики и наличие сенсоров) следует также отнести: MicaZ, TelosB, Intel Mote 2. Большинство компаний-разработчиков выпускает и оборудование (узлы, сенсоры) и программное обеспечение, соответствующие данным стандартам. В настоящее время наибольшего успеха добились несколько компаний, среди которых глубиной и законченностью своих разработок выделяются Crossbow и Sentilla. Функциональные особенности БСС. С учётов различных механизмов использования сетевых ресурсов, беспроводные сенсорные сети в зависимости от характера функционирования можно разделить на следующие типы: Проактивные сети. Узлы такой сети периодически включают свои сенсоры и передатчики, снимают показания сенсоров и передают данные на шлюз. Таким образом, они фиксируют состояние контролируемой среды с некоторой периодичностью и используются обычно для приложений, требующих регулярного мониторинга некоторых параметров. Реактивные сети. Узлы реактивных сетей, так же как и проактивных с определённой периодичностью снимают показания, однако не передают их, если полученные данные соответствуют нормированной области показаний сенсоров. В то же время данные о нештатных изменениях параметров или их выходе за пределы диапазона нормальных значений незамедлительно передаются на шлюз. Реактивные сети предназначены для работы с приложениями реального времени. Гибридные сети. Представляют собой комбинацию двух приведённых выше типов сетей. В гибридных сетях сенсорные узлы не только периодически передают снятые с помощью сенсоров данные, но и оперативно реагируют на выход показаний из диапазона нормированных значений. Программное обеспечение для БСС. В настоящее время в большинстве БСС используется операционная система TinyOS, разработанная в Университете Беркли специально для использования в БСС. TinyOS – это ОС класса Open Source, характерными особенностями которой являются компонентная архитектура, событийная модель управления и статическое распределение памяти. Благодаря этому обеспечивается минимальный размер кода, что существенно для узлов БСС, имеющих строгие ограничения по объему памяти и электропитанию от автономных малогабаритных источников. TinyOS является управляемой событиями операционной системой реального времени, рассчитанной на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов, обеспечивающей возможность установки автоматической связи узлов с соседями и формирование сенсорной сети заданной топологии. Библиотека компонентов TinyOS включает сетевые протоколы, драйверы сенсоров и утилиты получения и сбора информации, которые могут быть усовершенствованы в клиентских приложениях. Реализованная в TinyOS событийная модель дает возможность управлять питанием на низком уровне, что позволяет экономить энергопотребление. Это определяет использование TinyOS в абсолютном большинстве аппаратных платформ и многочисленных сенсорных устройствах. Существенное отличие TinyOS от ОС общего назначения (UNIX, Windows и др.) обусловлено тем, что приложения для БСС не являются интерактивными в том же смысле, что и приложения для обычных ПК, и TinyOS не нуждается во встроенной поддержке пользовательского интерфейса. Разработчиками TinyOS основное внимание было уделено обеспечению минимизации энергопотребления и возможности использования для программирования языка c высоким уровнем абстракции. В результате была создана ОС с простой, но весьма развитой компонентной архитектурой, специфика которой заключается в обеспечении развитых и надежных механизмов параллельного выполнения задач в условиях крайне ограниченных ресурсов. Для программирования используется компонентно-ориентированный язык NesC (network embedded system C), построенный на базе C. Основной структурной единицей программы на NesC является компонент, который через интерфейсы взаимодействует с другими компонентами. Язык программирования NesC обладает большим количеством стандартных компонентов и интерфейсов, посредством которых можно создавать эффективные приложения для сенсорных узлов. Компилируются написанные приложения при помощи специальных программ — кросскомпиляторов на обычных ПК. Приложение для TinyOS представляет собой набор компонентов, каждый размером примерно 200 байт, и интерфейсов для межкомпонентного взаимодействия. Для каждого конкретного приложения формируется свой набор компонентов. Полученное приложение на этапе компиляции для конечной платформы (iris, mica2, telos, и т.д.) интегрируется с ядром системы в один выполняемый файл, который и загружается на сенсорный узел. Следует отметить, что при создании БСС разрабатываются распределенные приложения и для полноценного их тестирования нужна сеть, содержащая большое количество узлов, для тестирования и отладки. В связи с этим необходимы программы-эмулятороры. Аппаратные решения БСС. Типичный перечень элементов узла БСС включает: микросхему беспроводного приемопередатчика; микроконтроллер или однокристальное устройство; антенну (печатная/чип/внешняя); разъемы для подключения внешней антенны; пассивные компоненты для согласования антенны и приемопередатчика; антенный усилитель (в отдельных случаях); стабилизатор питания или батареи питания. На рис. 12 в качестве примера приведён перечень аппаратных решений, предлагаемых только фирмой Texas Instruments. В настоящее время зарубежными фирмами выпускается большой номенклатурный ряд готовых модулей и микросборок, интегрирующих на платах для поверхностного или мезонинного монтажа все элементы радиотракта, включая приемопередающие элементы (рис.13). Последние технологические инновации в аппаратной части обеспечивают микроминиатюризацию модулей, увеличение области действия приемопередатчиков сигналов, появление новых сенсорных датчиков, продление срока службы батарей при уменьшении их габаритных размеров. Разработанные новые программные средства позволяют не только автоматически развертывать сенсорные сети, но и перепрограммировать их, а также удаленно управлять режимами функционирования, сбором и визуализацией данных. Рис. 12. Решения и аппаратные продукты Texas Instruments для БСС Рис.13. Модули и микросборки узлов различных производителей Примером отечественной разработки в области БСС является аппаратнопрограммная платформа MeshLogic предназначеная для создания беспроводных сенсорных сетей под различные приложения. Основным отличием этой платформы от ZigBee является ориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 14), с функционально однотипными узлами способными ретранслировать пакеты в процессе доставки данных. Вся информация, собираемая сетью, передается на шлюз, который, по сути, является таким же узлом, как и все остальные, но с расширенной функциональностью. Шлюз имеет следующие отличия от типового узла: координирует работу узлов сети; не имеет в своём составе сенсоров; связан с корпоративной сетью (например, с сервером) с помощью проводной или беспроводной связи. В простейшем случае шлюз через соответствующий интерфейс (USB-порт, последовательный порт или Ethernet-порт) и подключается к компьютеру, выполняющему функции сервера беспроводной сети Сеть с подобной структурой в наибольшей мере обеспечивает возможность самоорганизации и самовосстановления в случае выхода части её узлов из строя. Данный класс сетей, спонтанно формирующих новую структуру в процессе работы, носит название Ad Hoc, что означает «для конкретного случая». Рис.14. Структура Ad Hoc-сети Платформа MeshLogic включает собственный стек сетевых протоколов, обеспечивающих многоячейковую (mesh) топологию сети с равноправными узлами-маррутизаторами, самоорганизацию и автоматический поиск маршрутов, а также возможность работы всех узлов от автономных источников питания. В MeshLogic возможно применение на физическом уровне любых типов приемопередатчиков, отличающихся диапазоном частот, модуляцией и другими параметрами, реализованных на базе стандарта IEEE 802.15.4. Конфигурации и основные параметры модулей узлов MeshLogic и узла стандарта ZigBee приведены в табл.1. Таблица 1 Тип OEM-модуля MeshLogic ML-Module-Z ZigBee ML-Module-U ZigBit Микроконтроллер Процессор Texas Instruments MSP430 Тактовая частота От 32,768 кГц до 8 МГц 4 МГц Оперативная память 10 Кбайт 8 Кбайт ATmega1281 48 Кбайт Flash-память 128 Кбайт Приемопередатчик Тип IEEE 802.15.4 Диапазон частот Cypress WirelessUSBTM LP 2400-2483,5 МГц IEEE 802.15.4 2400-2483,5 МГц Скорость передачи данных 250 Кбит/с От 15,625 до 250 Кбит/с 250 Кбит/с Выходная мощность От –24 до 0 дБм От –35 до 4 дБм От –28 до 3 дБм Чувствительность –95 дБм –93 дБм –101 дБм Антенна Чип 1 или 2 чипа Внешние интерфейсы АЦП 12-разрядный, 7 каналов 10-разрядный, 3 канала Цифровые интерфейсы I2C/SPI/UART/USB I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG Другие параметры Напряжение питания От 0,9 до 6,5 В От 1,8 до 3,6 В Размеры 44x33x10 мм 19x14x3 мм Температурный диапазон От –40 до 85 °C От 0 до 70 °C От 0 до 85 °C Выбор частотного диапазона. В РФ на основании Решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) № 08-24-01-001 от 28.04.2008 и № 07-20-03-001 от 07.05 2007 для обмена данными выделены нелизензируемые частотные диапазоны: 433.075...434; 750 МГц и 868;7...869,2 МГц; 2,45 ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления специального разрешения ГКРЧ и бесплатно при условии соблюдения требований по назначению радиопередающего изделия, ширины полосы и излучаемой мощности: до 10 мВт в районе частоты 434 МГц, до 25 мВт в районе частоты 868 МГц и до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц. Преимуществом диапазона 2,400...2,4835 ГГц для использования в БСС является доступность большего количество частотных каналов, возможность непрерывного режима работы (для радиочасти) и более компактные антенны. Заключение. Область применения технологий беспроводных сенсорных сетей стремительно расширяется. Сенсорные датчики способны накапливать информацию и управлять различными процессами и объектами. Они особенно необходимы для использования в агрессивных средах и в условиях опасных для человека. С помощью сенсорных сетей могут эффективно решаться задачи контроля окружающей средой, определения сейсмической опасности и наблюдения за военными объектами. В промышленности и в быту их можно использовать для мониторинга технологических процессов и контроля функционирования систем обеспечения жизнедеятельности человека. А значение сенсоров в медицинских технологиях будущего просто неоценимо: они могут обеспечивать дистанционное наблюдение за дыханием, температурой тела, кровяным давлением и другими физиологическими характеристиками человека. Где бы ни находились такие датчики, они, по мере необходимости, объединятся в беспроводную сеть и будут готовы передавать полученную информацию. Наполнение окружающей среды гетерогенными (т.е. способными работать в разных средах и взаимодействовать с различными приборами) сенсорами приведет к формированию полноценной PAN– «сети персонального пространства». Это значит, что все приборы и системы, используемые людьми, в персональном пространстве смогут самонастроившись автоматически связаться и взаимодействовать через шлюз с внешней глобальной информационной средой. ЛИТЕРАТУРА 1. Баскаков С.С. Стандарт ZigBee и платформа MeshLogic: эффективность маршрутизации в режиме «многие к одному»//Первая миля (приложение к журналу «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес»). 2008, № 2—3, C. 32—37. 2. Wireless Sensor Networks for Structural Health Monitoring: A Multi-Scale Approach, T. Kijewski-Correa, M. Haenggi, and P. Antsaklis, 2006 ASCE Structures Congress, 2006. 3. Mainwaring A., Culler D., Polastre J., et al. // Proc. of the 1st ACM international workshop on Wireless sensor networks and applications. Atlanta. ACM, 2002. P. 88. 4. IEEE 802.15.4 WPAN-LR Task Group. IEEE 802.15 WPAN™ Task Group 4 (TG4), 2010. http://www.ieee802.org/15. 5. Первая миля (приложение к журналу «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес»), 2008 г., №2-3. MeshNetics ZigBee products, http://www.meshnetics.com/zigbeeproducts/ 6. Кудряшов С.В. Оптимальная маршрутизация информационных потоков в беспроводных сенсорных сетях. — М.: Известия РАН, ТиСУ, №1,2008. 7. Жданов В. С. Проблемы и задачи проектирования беспроводных сенсорных сетей / Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: сборник научных трудов / под ред. проф. д.т.н. Жданова В. С. — М.: МИЭМ, 2009. 8. Акимов Е.В. Сравнение топологий беспроводных сенсорных сетей (БСС). — «Вестник компьютерных и информационных технологий» №8, 2008 г. — М.: Машиностроение, 2008. 9. Barenco Abbas, C.J.; Gonzalez, R.; Cardenas, N.; Garcia Villalba, L.J. A Proposal of a Wireless Sensor Network Routing Protocol. Telecommun. Syst. 2008, 38, 61–68. 10. Sanchez, J.A.; Ruiz, P.M.; Martin-Perez, M. Beacon-Less Geographic Routing Made Practical: Challenges, Design Guidelines and Protocols. IEEE Commun. Mag. 2009, 47;85–91. 11. Zanaj, E.; Baldi, M.; Chiaraluce, F. Efficiency of the Gossip Algorithm for Wireless Sensor Networks. In Proceedings of the 15th International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), Split–Dubrovnik, Croatia, September, 2007. 12. Boukerche, A.; Nakamura, E.F.; Loureiro, A.F. Algoritms for Wireless Sensor Networks. In Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks; Boukerche, A., Ed.; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2009. 13. Hanna L. and Hailes S., “Privacy and Wireless Sensor Networks,” University College, London, www.petsfinebalance.com/docrepo/privacy_and_WSN.PDF, Last Visited 2010. 14. Dargie, W. and Poellabauer, C., "Fundamentals of wireless sensor networks: theory and practice", John Wiley and Sons, 2010 ISBN 978-0-470-99765-9, pp. 168–183, 191–192. 15. Sohraby, K., Minoli, D., Znati, T. "Wireless sensor networks: technology, protocols, and applications, John Wiley and Sons", 2007 ISBN 978-0-471-74300-2, pp. 203–209. 16. Meyer, G.G, Främling, K., Holmström, J. 2009. Intelligent products: A survey. In Comput. Ind. 2009, 60, 154-165. 17. Muaz Niazi, Amir Hussain (2011). A Novel Agent-Based Simulation Framework for Sensing in Complex Adaptive Environments. IEEE Sensors Journal, Vol.11 No. 2, 404– 412. 18. Muaz Niazi, Amir Hussain, Agent based Tools for Modeling and Simulation of SelfOrganization in Peer-to-Peer, Ad-Hoc and other Complex Networks, Feature Issue, IEEE Communications Magazine, Vol.47 No.3, March 2009, pp 163–173. Paper 19. Muaz Niazi, Amir Hussain, Sensing Emergence in Complex Systems, IEEE Sensors Journal (In-press, 2011). 20. Eduardo F. Nakamura, Antonio A. F. Loureiro, Alejandro C. Frery. Information fusion for wireless sensor networks: Methods, models, and classifications, ACM Computing Surveys, Volume 39, Issue 3, Article 9, September 2007. 21. Levis P., Madden S., Polastre J. and dr. “TinyOS: An operating system for wireless sensor networks” // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (Eds.) // In Ambient Intelligence. – New York, NY: Springer-Verlag, 2005. – 374 p. 22. Azzedine Boukerche. Algorithms and protocols for wireless, mobile ad hoc networks. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2009. – 495 p. 23. Li, L. Qvs: Quality-aware voice streaming for wireless sensor networks / L. Li, G. Xing, L. Sun, and Y. Liu // Technical Report MSU-CSE-09-9, Department of Computer Science and Engineering, Michigan State University, East Lansing, Michigan, March 2009. – 11 p. 24. Александр Калачев Беспроводные приложения: план действий, компоненты Texas Instruments – и вперед!// Новости Электроники, №4, 2011. 25. Н.Е. Клименко, М.В. Сергиевский, С.Н. Сыроежкин, Применение беспроводных сенсорных сетей для оценки состояния критически важных объектов // Труды научной сессии МИФИ-2009, том V. 26. Максим Сергиевский, Беспроводные сенсорные сети // КомпьтерПресс, №8, 2007. 27. М.В.Сергиевский, С.Н.Сыроежкин, Беспроводные сенсорные сети: эмуляция работы. // КомпьтерПресс, №11, 2008.