Материал: Анализ технологий сенсорных сетей

Анализ технологий сенсорных сетей

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего

профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Анализ технологий сенсорных сетей

Студент: Русаков Григорий Александрович

Новосибирск 2014 г

Содержание

Введение

1. История развития сенсорных сетей

1.1 Период до 2003 года

1.2 Рабочая группа IEEE 802.15

1.3 Реализация стандарта IEEE 802.15.4

2. Обзор и анализ существующих технологий сенсорных сетей

2.1 Сетевая модель взаимосвязи открытых систем

2.2 Общий анализ технологий БСС

2.3 Технология Z-Wave

2.4 Технология BLE

2.5 Технология ZigBee / IEEE 802.15.4

3. Обзор оборудования для построения сенсорных сетей  

3.1 Общая информация о модулях XBee Series 2

3.2 Запуск простейшей ZigBee-сети

3.3 Спящие узлы в ZigBee-сети

3.4 Спящий датчик температуры

4. Проблемы и перспективы развития сенсорных сетей

Заключение

Список литературы

Введение

сенсорный сеть модуль датчик

На протяжении всей истории развития человечества прослеживается четкая тенденция - сделать окружающую среду комфортнее и безопаснее.

Чтобы этого добиться, во многих областях жизнедеятельности требуется решение задач по сбору данных, поступающих от большого числа датчиков, для обеспечения реакции на выявленные и/или зафиксированные события. Например, для создания комфортных условий в квартире или офисе необходимо фиксировать присутствие человека, контролировать температуру, влажность воздуха, содержание кислорода, освещенность и, оперируя этими данными, изменять мощность обогревателя, включать/выключать освещение, регулировать его интенсивность, управлять увлажнителем воздуха и т.д.

Чтобы этот и подобные ему процессы происходили автоматически, необходимо обеспечить обмен информацией между всеми участвующими в нем устройствами. Для этого требуется создать единую сеть датчиков (чувствительных элементов, сенсоров) и исполнительных устройств, зачастую произвольным образом рассредоточенных в пространстве. Очевидно, что традиционная проводная сеть может быть использована для решения только узкого круга подобных задач в ограниченном пространстве. Например, для интеллектуализации дворовых территорий с меняющейся обстановкой она практически неприемлема в силу очевидных причин: такая сеть будет слишком затратной, энергоемкой, потребует трудоемкого обслуживания, станет мало пригодной для миниатюризации и будет иметь зафиксированную на стадии проектирования и монтажа топологию.

Беспроводная сеть позволяет снять эти ограничения. Таким образом, в конце ХХ века К. Пистером (Kristofer Pister), профессором электромеханики из калифорнийского университета Беркли, США была сформулирована концепция «умной пыли» (smart dust) - системы, состоящей из произвольного конечного множества электромеханических пылинок или мотов (mote), способных обмениваться информацией в произвольной пространственной конфигурации. Воплощение этой концепции на практике привело в дальнейшем к появлению беспроводных сенсорных сетей (БСС), которые часто называют просто сенсорными сетями.

Беспроводная сенсорная сеть (WSN - Wireless Sensor Network) - это распределенная самоорганизующаяся устойчивая к отказам отдельных элементов сеть, состоящая из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки мотов, объединенных посредством радиоканала.

В настоящее время существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в той или иной области. По прогнозам ведущих экспертов в области телекоммуникаций до 7 триллионов мотов будет эксплуатироваться в мире к 2017-2020 годам.

Выйдя из академических лабораторий, сенсорные сети стали объектом интереса множества разработчиков, что привело к появлению нескольких промышленных стандартов, не обеспечивающих взаимодействия между оборудованием различных производителей.

Основные работы в области стандартизации протоколов, используемых в сенсорных сетях, проводятся Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), Международным союзом электросвязи (ITU), Инженерным советом Интернета (IETF) и Международной организацией по стандартизации (ISO).

Результатом работ по стандартизации БСС стало семейство беспроводных стандартов IEEE 802.15.4, регламентирующих в рамках сетевой 7-уровневой модели OSI только физический (PHY) и канальный (DLL) уровни. Сетевой и прикладной уровни оставлены неопределенными.

Стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на создание сетей для управления и мониторинга автономных устройств с низким энергопотреблением. На его основе могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также различными уровнями и параметрами безопасности.

Для поддержки и развития стандарта IEEE 802.15.4, а также обеспечения взаимной совместимости устройств в полном наборе семи сетевых уровней (сетевом, транспортном, сеансовом, а также на уровнях представления и приложений) был образован корпоративный консорциум ZigBee. Его целью стало создание и развертывание мониторинговых и управленческих сетей на базе стандарта IEEE 802.15.4 в рамках коммерческого альянса.

Как показывает опыт развития информационно-коммуникационных технологий и Интернет, по настоящему массовое развитие и внедрение технологий возможно только на основе открытых стандартов.

Процесс развития IP-сетей привел к формированию в Инженерном совете Интернета (IETF) рабочей группы 6LoWPAN для решения проблемы передачи поверх каналов IEEE 802.15.4 пакетов IPv6 способом, удовлетворяющим открытым стандартам и предоставляющим взаимодействие с другими IP-каналами и устройствами.

Появление рабочей группы 6LoWPAN стало откликом на концепцию «Интернет вещей» (Internet of Things) - концепцию создания сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом и внешней средой. Эта концепция была сформулирована в результате осмысления перспектив массового применения средств радиочастотной идентификации (RFID). Она рассматривает организацию «сетей вещей» как явление, способное перестроить в XXI веке социально-экономические процессы путем исключения участия человека в рутинных процессах обеспечения жизнедеятельности.

В последние годы ZigBee были разработаны IP-спецификация, а также спецификация RF4CE и целый ряд предметно-ориентированных прикладных решений. Однако проблема ZigBee-сертификации по-прежнему носит сдерживающий характер.

Вместе с тем существующий уровень стоимости БСС порядка 150 $/узел пока далек от предсказанного К. Пистером значения 0,1 $/узел. А энергопотребление - от 10 нДж/бит.

Не решен до конца целый ряд других проблем.

Так традиционные методы сетевой временной синхронизации неприемлемы в БСС, где существует только один критерий качества алгоритма временной синхронизации - наименьшее энергопотребление мота.

Выбор алгоритма маршрутизации - один из самых сложных вопросов, решаемых при проектировании сенсорной сети. Традиционные протоколы не подходят для самоорганизующихся пакетных радиосетей, поскольку сильно зависят от периодических служебных сообщений. С ростом размера сети экспоненциально увеличивается число возможных маршрутов, что требует частых и значительных обновлений служебной информации.

Необходимость самоорганизации БСС требует разработки эффективных алгоритмов моделирования сетей перед их развертыванием.

Поэтому проходят многие годы, прежде чем удивительные технологии, поразившие воображение и наделавшие много шума в СМИ, входят в нашу повседневную жизнь. Некоторые из них так и уходят в небытие, не найдя свой путь на массовый рынок. Известная исследовательская и консалтинговая компания Gartner в своем последнем ежегодном отчете «Цикл зрелости технологий - 2013» (Emerging Technologies Hype Cycle), известном также как «Цикл шумихи», прогнозирует выход технологий «умной пыли» и «Интернет вещей» на «плато продуктивности», т.е. на уровень массового применения в течение 5-10 лет.

Целью настоящей дипломной работы является раскрытие проблем развития и массового применения беспроводных сенсорных сетей, а также поиск путей их решения.

. История развития сенсорных сетей

Вопросы создания беспроводных сенсорных сетей являются сравнительно новым и пока еще формирующимся комплексным исследовательско-технологическим направлением. Как и для любого другого комплексного направления научно-технического прогресса в основе создания БСС лежит несколько предпосылок. Некоторые из них упомянуты во введении. Это - концепции «умной пыли» (Smart dust), «Интернета вещей» (Internet of Things), сюда же можно отнести вопросы создания беспроводных персональных вычислительных сетей (WPAN - Wireless Personal Network), систем радиочастотной идентификации (RFID - Radio Frequency IDentification), микроэлектромеханических систем (MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems).

Прототипами современных БСС можно считать также некоторые распределенные военно-технические системы, созданные в 1970-1980 г.г., например, систему СОСУС (SOSUS - SOund SUrveillance System). Эта глобальная система звукового наблюдения предназначалась для обнаружения и идентификации советских подводных лодок и наряду со стационарными подсистемами включала в себя гидроакустические буи, сбрасывавшихся в районе поиска с противолодочных вертолетов НАТО и передававших данные наблюдений в центр обработки информации по радиоканалам.

Своеобразным рубежом в истории создания БСС стал 2003 г., когда была опубликована первая версия стандарта IEEE 802.15.4. Поэтому историю БСС можно разбить на два больших этапа:

первый - до появления первой версии стандарта IEEE 802.15.4;

второй - реализация и модификация стандарта IEEE 802.15.4 и беспроводных систем на его основе.

1.1 Период до 2003 года

С начала 1990-х годов Управление перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) начало финансирование ряда программ, целью которых являлась разработка микроминиатюрных датчиков, снабженных радиоволновыми устройствами связи. Результаты, полученные при выполнении одной из этих программ «Маломощные беспроводные интегральные микродатчики» (Low Power Wireless Integrated Microsensors), послужили основой для развертывания последующей программы «Беспроводные интегральные сетевые датчики» (Wireless Integrated Network Sensors). Эта программа также финансировалась по линии Исследовательской лаборатории Армии США и выполнялась Калифорнийским университетом (г. Лос-Анджелес) совместно с научным центром американской фирмы Rockwell.

На основе обобщения ранее полученных результатов в 1998 г. управлением DARPA была начата программа «Tactical Sensor Program», направленная на создание микроминиатюрных автономных датчиков (Micro Unattended Ground Sensors) для систем военно-тактического назначения. Для повышения эффективности внедрения технологии MEMS в новые разработки в конце 1999 г. Отдел электронных технологий (Electronic Office) DARPA был реорганизован в Отдел технологий микросистем (MEMS Office).

В 1999 г. управление DARPA начало финансирование четырехлетней программы «Беспроводной датчик со сверхнизкой потребляемой энергией» (Ultra Low Power Sensor). Программа выполнялась группой исследователей Массачусетского технологического института под руководством Ч. Содини. Аппаратурную реализацию сконструированных устройств на технологической базе радиоэлектронных интегральных схем осуществляла всемирно известная фирма Analog Devices (г Норвуд, шт. Массачусетс). Эта программа была ориентирована на разработку комбинированного устройства, состоящего из кремниевого матричного преобразователя изображения, интегрированного с микроминиатюрным радиопередатчиком. Скорость потока передаваемой информации по радиоканалу этого устройства была задана в диапазоне от 1 бит/с до 1 Мбит/с. Мощность, потребляемая устройством в целом, была ограничена диапазоном значений от 10 мкВт до 10 мВт. Микроминиатюризация этого устройства столкнулась с рядом трудностей. В первую очередь, ограничивающим фактором стали габариты приемопередающих радиоантенн. Для достижения приемлемых размеров антенн потребовался миллиметровый диапазон радиоволн. Однако при этом мощность радиопередатчика и устройства преобразования сигнала выходила за рамки допустимых ограничений.

Альтернативной концепцией связи датчиков MEMS на расстояниях прямой видимости стало использование лазерной пространственной коммуникационной оптики, работающей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах излучения. Предпочтение оптической связи при создании микроминиатюрных автономных датчиков было отдано в программе «Умная пыль» (Smart Dust), выполнявшейся по заказу DARPA в Калифорнийском университете г. Беркли, США.

В этих разработках, несмотря на зависимость качества оптической связи от состояния атмосферы (запыленности, задымленности, тумана и т.д.) и ограничений, связанных с условием обеспечения прямой видимости между абонентами, приоритет был отдан исследованию возможности предельного уменьшения размеров датчиков MEMS. В начале 1999 г. исследователи Калифорнийского университета в г. Беркли под руководством профессора Кристофера Пистера создали датчик в виде таблетки диаметром около 5 мм. Конструкция этого датчика показана на рисунке 1.1. Применение полупроводниковых лазерных источников, снабженных коллиматорной оптикой, позволило добиться узконаправленного потока излучения и тем самым снизило требования к мощности выходного сигнала передатчика. Следующим шагом стало уменьшение габаритов до 1-2 мм. Именно тогда для будущих датчиков с еще меньшими размерами К. Пистером был использован термин «умная пыль».

Рисунок 1.1 - Конструкция датчика проекта «Умная пыль» [5]

В качестве общей подложки датчика используется аккумулятор, выполненный по толстопленочной технологии. На нем размещаются первичный преобразователь неэлектрической величины в электрическую, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор совместно с запоминающим устройством, вторичный источник питания и солнечная батарея, изготовленные в виде отдельных кремниевых кристаллов. Вычислительные возможности датчика на тот момент времени должны были соответствовать микропроцессору «Intel 8086». Внешняя связь обеспечивалась блоками фотоприемника, лазерного передатчика и уголкового отражателя. Блок лазерного передатчика состоял из полупроводникового лазера, коллиматорной линзы Френеля и зеркала. Зеркало размещалось на отклоняющем устройстве, которое позволяло направлять излучение передатчика в любом направлении в пределах воображаемой полусферы, опирающейся на плоскость основания датчика. Информация о положениях отклоняющего устройства при проведении сеансов связи датчика с различными внешними абонентами хранится в запоминающем устройстве для воспроизведения этих положений при последующих сеансах связи с абонентами.

Внешним абонентом, которому передается полученная датчиком информация, служит центральная станция. Устройствами дуплексной связи этой станции являются фотоприемник модулированного оптического излучения, поступающего от датчика, демодулятор и дешифратор полученного сигнала, а также лазерный источник излучения. Передача информации от датчика на центральную станцию осуществляется в активном или пассивном режимах.

В случае активного режима используется лазерный блок датчика. Этим блоком генерируется импульсно-модулированное излучение в соответствии с сигналами первичного преобразователя. Лазерный передатчик потребляет относительно большую мощность, значение которой составляет около 1 мВт. Поэтому сеанс связи в таком режиме может продолжаться в течение короткого промежутка времени. Передача информации при этом осуществляется, как указывают разработчики датчика, либо на расстояние нескольких километров при низких скоростях потока передаваемой информации, либо на значительно меньшие расстояния, но при высоких скоростях этого потока, достигающих нескольких мегабит в секунду.