1.2 Общие сведения по беспроводным сенсорным сетям.
В настоящее время бурно развивается технология беспроводных сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети – это распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных элементов, обменивающихся информацией по беспроводной связи. Каждый элемент сети имеет автономный источник питания, микрокомпьютер, приемник/передатчик. Область покрытия сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров, в зависимости от типа модуля и антенны, а также за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Обмен данными между двумя конечными устройствами может осуществляться через ретранслятор, в том случае, если дальность работы этих устройств не позволяет их взаимное обнаружение. Таким образом, устройства с малым радиусом действия с помощью системы ретрансляторов могут общаться друг с другом.
Выделяют следующие основные стандарты для маломощных беспроводных сетей:
IEEE 802.15.4;
ZigBee;
Bluetooth;
Wibree.
1.2.2 Применение сенсорных сетей.
Обычно БСС применяется для сбора данных с устройств, оснащенных сенсорами: датчиком температуры, влажности, освещения, то есть мониторинга. Например, миниатюрные сенсоры могут быть использованы в медицине для наблюдения за пациентами. Устройства, которые пациент носит с собой, могут контролировать работу жизненно важных органов и в случае каких-то опасных ситуаций сообщать врачу.
Небольшие размеры устройств позволяют проводить не только «поверхностные» наблюдения за пациентом, но и исследовать внутренние органы человека. Так при проведении гастроскопии в государственных больницах, поликлиниках применяют специальные аппарат, с гастроскопической трубкой, но не все пациенты могут её проглотить. На рынке уже существуют устройства в виде таблеток для проведения таких исследований. Эти устройства с батарейным питанием имеют запас энергии, достаточный того, чтобы непрерывно работать в течение 24 часов и отправлять показания другому устройству, которое пациент носит с собой в течение этого времени. После этого врач может анализировать полученные результаты и поставить точный диагноз.
Сенсоры могут использоваться для автоматического включения освещения, когда человек входит в комнату, использоваться для управления каких-нибудь устройств (в системе «умный дом»).
Иногда требуется следить за подвижностью или разрушением каких-либо объектов, где трудно проложить кабели. Для этого опять же выгоднее применить сенсорные сети, так как датчики имеют автономный источник питания и они беспроводные.
Также технология беспроводных сенсорных сетей может быть использована для передачи звуковых данных – в качестве домофонной системы, мультимедиа системы с низким энергопотреблением.
1.2.3 Выбор стандарта
Различных стандартов беспроводных сетей существует великое множество, однако их всех можно подразделить на три группы: WPAN (Wireless Personal Area Network – беспроводная персональная сеть), WLAN (Wireless Local Area Network – беспроводная локальная сеть), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network – беспроводная сеть масштаба города) (Рис. 1). Из этих групп наиболее подходящими могут быть стандарты группы WPAN, так как они рассчитаны на низкоскоростные сети.
Рис.1 Стандарты беспроводных сетей
WPAN (Wireless Personal Area Network) беспроводная сеть, предназначенная для организации беспроводной связи между различного типа устройствами на ограниченной площади (например, в рамках квартиры, офисного рабочего места). Стандарты, определяющие методы функционирования сети, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15.
IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт WPAN-сетей для высокотехнологичных бытовых устройств (предназначенных, как правило, для передачи мультимедийных данных). Использование полосы 2,4 ГГц и технологии модуляции O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная манипуляция фазовым сдвигом со смещением) позволяют достигать скорости передачи в 55 Мб/с на расстояние до 100 метров. Защита данных может производиться по стандарту AES. В модификации стандарта 802.15.3a предполагается увеличить пропускную способность до 480 Мб/с, а в случае спецификации 802.15.3b пропускная способность составит от 100 до 400 Мб/с. Данный стандарт предусматривается под достаточно большие скорости при передачи данных, а, следовательно, устройства, работающие на нем будут иметь высокое энергопотребление.
802.15.4 и Zigbee часто отождествляются, ведь в основе стандарта Zigbee лежит стандарт 802.15.4, однако консорциум ZigBee Alliance внес ряд изменений и расширил его. Стандарт 802.15.4 является открытым и его можно свободно скачать из Интернета и использовать, Zigbee же является наполовину открытым стандартом: так при использовании его в коммерческих целях необходимо вступать в ZigBee Alliance. К минусам данного стандарта можно отнести его закрытость, а также большая область применения, а не «заточенность» под конкретные цели.
Стандарт Bluetooth (802.15.1) на сегодняшний день хорошо развит и применяется для связи мобильных телефонов, КПК, периферии. Однако он не рассчитан на сети с низким энергопотреблением, что существенно ограничивает его распространение в сенсорных сетях. Устройства по стандарту Bluetooth могут объединяться в пикосети (не более 7 на одну сеть). В сети имеется ведущее и ведомое устройство. Для обмена данными используется так называемый нижний ISM-диапазон (Industry, Science and Medicine - промышленный, научный и медицинский) 2,4–2,5 ГГц, который распространен в бытовых приборах и беспроводных сетях. Для использования этих частот лицензия не требуется. Мощность передатчика-кристалла составляет 1 – 2,5 мВт и дальность действия до 10 м, а при увеличении мощности до 100 мВт – 100 м. Данный стандарт мог бы подойти для разработки, однако на рынке не имеются устройства, работающие по данному стандарту с низким энергопотреблением, они только предполагаются к выпуску на рынок.
Стандарт Wibree разработан фирмой Nokia в 2001 году. Wibree предназначен для работы бок о бок с Bluetooth. Он работает в диапазоне 2,4 ГГц с физической скоростью передачи 1 Мбит/с. Основные области применения включают такие устройства, как наручные часы, беспроводные клавиатуры, игрушки и спортивные датчики, где низкое энергопотребление является одним из ключевых требований. Данный стандарт можно отнести к стандарту Bluetooth, поэтому у него имеются такие же недостатки – количество подключаемых устройств ограничено, отсутствуют на рынке модули с низким энергопотреблением.
Сравнительная характеристика некоторых стандартов выглядит следующим образом (Таблица 1).
|
Bluetooth
|
Wibree
|
ZigBee
|
Частота
|
2,4 ГГц
|
2,4 ГГц
|
2,4 ГГц
|
Потребляемая мощность
|
100 мВт
|
10 мВт
|
30 мВт
|
Срок работы батареи
|
до 6 месяцев
|
1 - 2 года
|
0,5 - 2 года
|
Диапазон
|
10 - 30 м
|
10 м
|
10 - 75 м
|
Скорость передачи
|
1 - 3 Мб/с
|
1 Мб/с
|
25-250 Кб/с
|
Цена
|
3$
|
3,2$
|
2$
|
Топологии
|
Звезда, точка-точка, смешанная
|
Безопасность
|
128-битное шифрование
|
Время отклика
|
3 с
|
3 с
|
15 мс
|
Таблица 1: Сравнение стандартов беспроводных сетей
Наиболее подходящий стандарт 802.15.4, так как он является открытым, предназначен для низкоскоростных сетей с низким энергопотреблением.
|
Скачать 3.33 Mb.