Arquitetura de rede de sensores sem fio e suas aplicações

Atualmente, WSN (Rede de Sensor Wireless) é o serviço mais padrão empregado em aplicações comerciais e industriais, devido ao seu desenvolvimento técnico em processador, comunicação e baixo consumo de energia de dispositivos de computação embarcados. A arquitetura de rede de sensores sem fio é construída com nós que são usados ​​para observar os arredores como temperatura, umidade, pressão, posição, vibração, som, etc. Esses nós podem ser usados ​​em vários aplicativos em tempo real para executar várias tarefas, como detecção inteligente, uma descoberta de nós vizinhos, processamento e armazenamento de dados, coleta de dados, rastreamento de alvos, monitoramento e controle, sincronização, localização de nós e roteamento efetivo entre a estação base e os nós. Atualmente, as RSSFs estão começando a ser organizadas em uma etapa aprimorada. Não é estranho esperar que em 10 a 15 anos o mundo estará protegido com RSSFs com acesso a elas via Internet. Isso pode ser medido como a Internet se tornando um n / w físico. Essa tecnologia é emocionante, com potencial infinito para muitas áreas de aplicação, como médica, ambiental, transporte, militar, entretenimento, defesa nacional, gerenciamento de crises e também espaços inteligentes.

O que é uma rede de sensores sem fio?

A Wireless Rede de sensores é um tipo de rede sem fio isso inclui um grande número de dispositivos circulantes, autodirecionados, minutos e de baixa potência, chamados de nós sensores chamados ciscos. Essas redes certamente cobrem um grande número de dispositivos incorporados, pequenos, operados por bateria e distribuídos espacialmente, que são conectados em rede para coletar, processar e transferir dados de maneira cuidadosa para as operadoras, e controlam os recursos de computação e processamento. Os nós são minúsculos computadores que trabalham em conjunto para formar redes.

Rede de sensores sem fio

O nó sensor é um dispositivo sem fio multifuncional e com baixo consumo de energia. As aplicações de ciscos na indústria são amplamente difundidas. Uma coleção de nós sensores coleta os dados do entorno para atingir objetivos de aplicação específicos. A comunicação entre os ciscos pode ser feita entre si usando transceptores. Em uma rede de sensores sem fio, o número de ciscos pode ser da ordem de centenas / até milhares. Em contraste com o sensor n / ws, as redes Ad Hoc terão menos nós sem qualquer estrutura.

Arquitetura de rede de sensores sem fio

A arquitetura de rede de sensores sem fio mais comum segue o modelo de arquitetura OSI. A arquitetura do WSN inclui cinco camadas e três camadas cruzadas. Principalmente no sensor n / w, exigimos cinco camadas, ou seja, aplicação, transporte, n / w, enlace de dados e camada física. Os três planos transversais são: gerenciamento de energia, gerenciamento de mobilidade e gerenciamento de tarefas. Essas camadas da RSSF são usadas para realizar o n / w e fazer os sensores trabalharem juntos a fim de aumentar a eficiência total da rede. Por favor, siga o link abaixo para Tipos de redes de sensores sem fio e topologias WSN

Tipos de arquiteturas RSSF

A arquitetura usada no RSSF é a arquitetura de rede de sensores. Este tipo de arquitetura é aplicável em diferentes lugares, como hospitais, escolas, estradas, edifícios, bem como é usado em diferentes aplicações, como gestão de segurança, gestão de desastres e gestão de crises, etc. Existem dois tipos de arquiteturas usadas em sensores sem fio redes que incluem o seguinte. Existem 2 tipos de arquiteturas de sensores sem fio: Arquitetura de rede em camadas e Arquitetura em cluster. Eles são explicados a seguir.

• Arquitetura de rede em camadas
• Arquitetura de rede em cluster

Arquitetura de rede em camadas

Este tipo de rede usa centenas de nós sensores, bem como uma estação base. Aqui, o arranjo dos nós da rede pode ser feito em camadas concêntricas. Compreende cinco camadas, bem como 3 camadas cruzadas que incluem o seguinte.

As cinco camadas da arquitetura são:

• Camada de aplicação
• Camada de transporte
• Camada de rede
• Camada de link de dados
• Camada física

As três camadas cruzadas incluem o seguinte:

• Plano de gerenciamento de energia
• Plano de gerenciamento de mobilidade
• Plano de Gerenciamento de Tarefa

Essas três camadas cruzadas são usadas principalmente para controlar a rede, bem como para fazer os sensores funcionarem como um só, a fim de aumentar a eficiência geral da rede. As cinco camadas de RSSF mencionadas acima são discutidas abaixo.

Arquitetura de rede de sensores sem fio

Camada de aplicação

A camada de aplicativo é responsável pelo gerenciamento de tráfego e oferece software para vários aplicativos que convertem os dados de uma forma clara para encontrar informações positivas. Redes de sensores organizadas em inúmeras aplicações em diferentes campos, como agrícola, militar, ambiental, médico, etc.

Camada de transporte

A função da camada de transporte é evitar congestionamento e confiabilidade, onde muitos protocolos destinados a oferecer esta função são práticos no upstream. Esses protocolos usam mecanismos diferentes para reconhecimento e recuperação de perdas. A camada de transporte é exatamente necessária quando um sistema é planejado para contatar outras redes.

Fornecer uma recuperação de perda confiável é mais eficiente em termos de energia e essa é uma das principais razões pelas quais o TCP não é adequado para RSSF. Em geral, as camadas de transporte podem ser separadas em baseadas em pacotes e em eventos. Existem alguns protocolos populares na camada de transporte, nomeadamente STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol e PSFQ (pump slow fetch quick).

Camada de rede

A principal função da camada de rede é o roteamento, ela tem muitas tarefas baseadas no aplicativo, mas na verdade, as principais tarefas são na economia de energia, memória parcial, buffers e sensor não têm uma ID universal e precisam ser auto-organizado.

A ideia simples do protocolo de roteamento é explicar uma via confiável e vias redundantes, de acordo com uma escala convincente chamada métrica, que varia de protocolo para protocolo. Existem muitos protocolos existentes para esta camada de rede, eles podem ser separados em roteamento simples e roteamento hierárquico ou podem ser separados em orientados por tempo, por consulta e por eventos.

Camada de link de dados

A camada de enlace de dados é responsável por multiplexar a detecção de quadros de dados, fluxos de dados, MAC e controle de erros, confirmando a confiabilidade do ponto a ponto (ou) ponto a multiponto.

Camada física

A camada física fornece uma vantagem para a transferência de um fluxo de bits acima do meio físico. Esta camada é responsável pela seleção de frequência, geração de uma frequência portadora, detecção de sinal, modulação e criptografia de dados. IEEE 802.15.4 é sugerido como típico para áreas particulares de baixa taxa e redes de sensores sem fio com baixo custo, consumo de energia, densidade e alcance de comunicação para melhorar a vida útil da bateria. CSMA / CA é usado para oferecer suporte à topologia estrela e ponto a ponto. Existem várias versões de IEEE 802.15.4.V.

Os principais benefícios de usar esse tipo de arquitetura em RSSF é que cada nó envolve simplesmente transmissões de menor distância e baixa potência para os nós vizinhos, devido ao qual a utilização de energia é baixa em comparação com outros tipos de arquitetura de rede de sensores. Este tipo de rede é escalonável e inclui uma alta tolerância a falhas.

Arquitetura de rede em cluster

Nesse tipo de arquitetura, nós sensores separadamente são adicionados a grupos conhecidos como clusters que dependem do “Protocolo de Leach” porque ele usa clusters. O termo ‘Protocolo de Lixiviação’ significa “Hierarquia de Clustering Adaptável de Baixa Energia”. As principais propriedades deste protocolo incluem principalmente o seguinte.

Arquitetura de rede em cluster

• Esta é uma arquitetura de cluster de hierarquia de duas camadas.
• Este algoritmo distribuído é usado para organizar os nós sensores em grupos, conhecidos como clusters.
• Em cada cluster formado separadamente, os nós principais do cluster criarão os planos TDMA (Acesso múltiplo por divisão de tempo).
• Ele usa o conceito Data Fusion para tornar a rede eficiente em termos de energia.

Este tipo de arquitetura de rede é extremamente utilizado devido à propriedade de fusão de dados. Em cada cluster, cada nó pode interagir por meio da cabeça do cluster para obter os dados. Todos os clusters compartilharão seus dados coletados com a estação base. A formação de um cluster, bem como sua seleção de cabeças em cada cluster, é um método distribuído independente e autônomo.

Problemas de projeto da arquitetura de rede de sensores sem fio

Os problemas de design da arquitetura de rede de sensores sem fio incluem principalmente o seguinte.

• Consumo de energia
• Localização
• Cobertura
• Relógios
• Computação
• Custo de produção
• Design de Hardware
• Qualidade de serviço

Consumo de energia

Na RSSF, o consumo de energia é um dos principais problemas. Como fonte de energia, a bateria é usada equipando-se com nós sensores. A rede de sensores está organizada em situações perigosas, por isso fica complicado trocar as baterias de outra forma recarregar. O consumo de energia depende principalmente das operações dos nós sensores, como comunicação, detecção e processamento de dados. Ao longo da comunicação, o consumo de energia é muito alto. Portanto, o consumo de energia pode ser evitado em todas as camadas usando protocolos de roteamento eficientes.

Localização

Para a operação da rede, o problema básico, assim como crítico, é a localização do sensor. Assim, os nós sensores são organizados de maneira ad-hoc para que não saibam sobre sua localização. A dificuldade de determinar a localização física do sensor, uma vez que eles foram arranjados, é conhecida como localização. Esta dificuldade pode ser resolvida através de GPS, nós de beacon, localização baseada na proximidade.

Cobertura

Os nós de sensores na rede de sensores sem fio utilizam um algoritmo de cobertura para detectar dados, bem como transmiti-los para afundar através do algoritmo de roteamento. Para cobrir toda a rede, os nós sensores devem ser escolhidos. São recomendados métodos eficientes, como algoritmos de caminho de exposição mínimo e máximo, bem como protocolo de design de cobertura.

Relógios

Na RSSF, a sincronização do relógio é um serviço sério. A principal função dessa sincronização é oferecer uma escala de tempo comum para os nós de relógios locais nas redes de sensores. Esses relógios devem ser sincronizados com alguns aplicativos, como monitoramento e rastreamento.

Computação

O cálculo pode ser definido como a soma dos dados que continuam em cada nó. O principal problema da computação é que ela deve reduzir a utilização de recursos. Se a vida útil da estação base for mais perigosa, o processamento de dados será concluído em cada nó antes da transmissão dos dados para a estação base. Em cada nó, se tivermos alguns recursos, todo o cálculo deve ser feito no coletor.

Custo de produção

Em RSSF, o grande número de nós sensores é organizado. Portanto, se o preço do nó único for muito alto, o preço geral da rede também será alto. Em última análise, o preço de cada nó de sensor deve ser mantido menos. Portanto, o preço de cada nó de sensor na rede de sensores sem fio é um problema exigente.

Design de Hardware

Ao projetar qualquer hardware de rede de sensor, como controle de energia, microcontrolador e unidade de comunicação, deve ser eficiente em termos de energia. O seu design pode ser feito de forma a utilizar baixo consumo de energia.

Qualidade de serviço

A qualidade do serviço ou QoS nada mais é que os dados devem ser distribuídos no tempo. Porque algumas das aplicações baseadas em sensores em tempo real dependem principalmente do tempo. Portanto, se os dados não forem distribuídos a tempo para o receptor, eles se tornarão inúteis. Em RSSFs, existem diferentes tipos de problemas de QoS, como topologia de rede, que podem ser modificados com frequência, assim como o estado acessível das informações usadas para roteamento pode ser impreciso.

Estrutura de uma rede de sensores sem fio

A estrutura de RSSF compreende principalmente várias topologias usadas para redes de comunicações de rádio como estrela, malha e estrela híbrida. Essas topologias são discutidas resumidamente a seguir.

Star Network

A topologia de comunicação, como uma rede em estrela, é usada sempre que apenas a estação base pode transmitir ou receber uma mensagem para nós remotos. Há vários nós disponíveis que não têm permissão para transmitir mensagens uns aos outros. Os benefícios desta rede consistem principalmente na simplicidade, capaz de reduzir ao mínimo a utilização de energia de nós remotos.

Ele também permite a comunicação com menos latência entre a estação base, bem como um nó remoto. A principal desvantagem dessa rede é que a estação base deve estar ao alcance do rádio para todos os nós separados. Não é robusto como outras redes porque depende de um único nó para lidar com a rede.

Malha de rede

Este tipo de rede permite a transmissão dos dados de um nó a outro dentro da rede que está na faixa de transmissão de rádio. Se um nó precisa transmitir uma mensagem para outro nó e que está fora do alcance das comunicações de rádio, ele pode utilizar um nó como um intermediário para enviar a mensagem para o nó preferencial.

O principal benefício de uma rede em malha é a escalabilidade e também a redundância. Quando um nó individual para de funcionar, um nó remoto pode conversar com qualquer outro tipo de nó dentro do intervalo e, em seguida, encaminha a mensagem para o local preferido. Além disso, o alcance da rede não é automaticamente restrito por meio do intervalo entre nós únicos, ele pode ser estendido simplesmente adicionando um número de nós ao sistema.

A principal desvantagem deste tipo de rede é a utilização de energia para os nós da rede que executam as comunicações como multi-hop são geralmente maiores do que outros nós que não têm essa capacidade de limitar a vida útil da bateria com frequência. Além disso, quando o número de saltos de comunicação aumenta em direção a um destino, o tempo necessário para enviar a mensagem também aumenta, particularmente se o processo de baixa potência dos nós for uma necessidade.

Hybrid Star - Rede Mesh

Um híbrido entre as duas redes, como estrela e malha, fornece uma rede de comunicações forte e flexível, enquanto mantém o consumo de energia dos nós de sensores sem fio a um mínimo. Nesse tipo de topologia de rede, os nós sensores com menos potência não podem transmitir as mensagens.
Isso permite a menor utilização de energia de manutenção.

Porém, outros nós da rede são permitidos com a capacidade de vários saltos, permitindo que eles transmitam mensagens de um nó para outro na rede. Normalmente, os nós com capacidade de vários saltos têm alta potência e são frequentemente conectados à rede elétrica. Esta é a topologia implementada por meio da próxima rede mesh padrão chamada ZigBee.

Estrutura de um nó de sensor sem fio

Os componentes usados ​​para fazer um nó de sensor sem fio são unidades diferentes, como detecção, processamento, transceptor e potência. Ele também inclui componentes adicionais que dependem de um aplicativo, como um gerador de energia, um sistema de localização e um mobilizador. Geralmente, as unidades de detecção incluem duas subunidades, a saber, ADCs, bem como sensores. Aqui, os sensores geram sinais analógicos que podem ser transformados em sinais digitais com a ajuda do ADC, depois são transmitidos para a unidade de processamento.

Geralmente, esta unidade pode ser associada por meio de uma pequena unidade de armazenamento para lidar com as ações para fazer o nó sensor trabalhar com os outros nós para realizar as tarefas de detecção alocadas. O nó sensor pode ser conectado à rede com a ajuda de uma unidade transceptora. No nó sensor, um dos componentes essenciais é um nó sensor. As unidades de energia são suportadas por unidades de limpeza de energia, como células solares, enquanto as outras subunidades dependem da aplicação.

Um diagrama de blocos funcional de nós de detecção sem fio é mostrado acima. Esses módulos fornecem uma plataforma versátil para lidar com os requisitos de aplicações amplas. Por exemplo, com base nos sensores a serem dispostos, a substituição do bloco de condicionamento de sinal pode ser feita. Isso permite o uso de diferentes sensores junto com o nó de detecção sem fio. Da mesma forma, o link de rádio pode ser trocado por um aplicativo específico.

Características da rede de sensores sem fio

As características do RSSF incluem o seguinte.

• O consumo de limites de energia para nós com baterias
• Capacidade de lidar com falhas de nó
• Alguma mobilidade de nós e heterogeneidade de nós
• Escalabilidade para uma grande escala de distribuição
• Capacidade de garantir condições ambientais estritas
• Simples de usar
• Design de camada cruzada

Vantagens das redes de sensores sem fio

As vantagens do RSSF incluem o seguinte

• Os arranjos de rede podem ser realizados sem infraestrutura imóvel.
• Adequado para lugares inacessíveis como montanhas, sobre o mar, áreas rurais e florestas profundas.
• Flexível se houver uma situação casual quando uma estação de trabalho adicional for necessária.
• O preço de execução é barato.
• Isso evita muita fiação.
• Ele pode fornecer acomodações para os novos dispositivos a qualquer momento.
• Ele pode ser aberto usando monitoramento centralizado.

Aplicativos de rede de sensores sem fio

Redes de sensores sem fio podem compreender vários tipos diferentes de sensores, como baixa taxa de amostragem, sísmico, magnético, térmico, visual, infravermelho, radar e acústico, que são inteligentes para monitorar uma ampla gama de situações ambientais. Os nós sensores são usados ​​para detecção constante, identificação de evento, detecção de evento e controle local de atuadores. As aplicações das redes de sensores sem fio incluem principalmente as áreas de saúde, militar, ambiental, doméstica e outras áreas comerciais.

Aplicativo RSSF

• Aplicações militares
• Aplicações de saúde
• Aplicações Ambientais
• Aplicativos domésticos
• Aplicações Comerciais
• Monitoramento de área
• Monitoramento de saúde
• Sensores ambientais / terrestres
• Monitoramento da poluição do ar
• Detecção de incêndio florestal
• Detecção de deslizamento de terra
• Monitoramento da qualidade da água
• Monitoramento industrial

Portanto, isso é tudo sobre o que é um rede de sensores sem fio , arquitetura, características e aplicativos da rede de sensores sem fio. Esperamos que você tenha um melhor entendimento deste conceito. Além disso, qualquer dúvida ou saber sobre ideias de projetos de rede de sensores sem fio , dê suas sugestões valiosas comentando na seção de comentários abaixo. Aqui está uma pergunta para você, quais são os diferentes tipos de redes de sensores sem fio?