• تلفن تماس : 02166952240

شبکه­ های حسگر بی‎سیم، کاربردها و چالش­ها

گروه شرکت های آ د پارس

چكیده
شبکه‎های حسگر بی‎سیم از گره‎های کوچکی با قابلیت‎های حس‎کردن، پردازش و محاسبه کردن تشکیل‎ شده ‎است. پیشرفت‎های اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازه‎های کوچک از یکسو و توسعه فناوری ارتباطات بی‎سیم از سوی دیگر زمینه‎ساز طراحی شبکه‎های حس/کار بی‎سیم شده است. یکی از کاربردهای اساسی این شبکه‎ها مربوط به محیط‎هایی می‎شود که انسان نمیتواند در آن حضور داشته باشد، مانند کف اقیانوس‎ها یا محیط‎های نظامی به علت حضور دشمن و یا محیط‎های آلوده از نظر شیمیایی و هسته‎ای. کوچکترین نمونه پیاده‎سازی سخت‎افزاری گره‎های حسگر غبار هوشمند است که یک گره یک میلیمتر مکعبی است اما همچنان تلاش بر این است که این گره‎ها به قدری کوچک شوند که بتوانند معلق در هوا باقی بمانند و به وسیله جریان هوا شناور شوند و برای ساعت‎ها یا روزها موارد حس‎شده را ارسال نمایند. امنیت در برخی کاربردهای نظامی یک موضوع بحرانی است، مثلاً ارتباط بی‎سیم شبکه کار را برای فعالیت‎های امنیتی دشوارتر می‎نماید. همچنین در این مقاله سعی می‎گردد تا با بررسی مدل‎ها و روشهای به کار رفته به یک تحلیل جامع در خصوص کاربرد این شبکه‎ها دست یابیم.

كلمات كلیدی
شبکه حس/کار بی‎سیم، حسگر، کارانداز، گره، چاهک، گره مدیر وظیفه 

مقدمه

امروزه زندگی بدون ارتباطات بی­سیم قابل تصور نیست. پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارهای کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارهای بی­سیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروز ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریزحسگرها شده است. این ریزحسگرها توانایی انجام حس‎های بی­شمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حس‎کردن زلزله را دارا می‎باشند. همچنین جمع‎آوری اطلاعات در مناطق دور افتاده و مکان‎هایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کرده‌اند. اتومبیل‎ها میتوانند از ریزحسگرهای بیسیم برای کنترل وضعیت موتور، فشار تایرها، تراز روغن و . . . استفاده کنند. خطوط مونتاژ میتوانند از این حسگرها برای کنترل فرایند مراحل طول تولید استفاده کنند. در موقعیت‎های راهبردی ریزحسگرها میتوانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای ردگیری هدف (مانند ماشین یا انسان) استفاده شوند. در واقع تفاوت اساسی این شبکه‎ها ارتباط آن با محیط و پدیده‎های فیزیکی است. شبکه‎های سنتی ارتباط بین انسان‎ها و پایگاه‎های اطلاعاتی را فراهم می‎کند در حالی که شبکه حس/کار مستقیماﹰ با جهان فیزیکی در ارتباط است و با استفاده از حسگرها محیط فیزیكی را مشاهده کرده و بر اساس مشاهدات خود تصمیم‎گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می‎دهند. نام شبكه حس/كار بیسیم یك نام عمومی است برای انواع مختلف كه به منظورهای خاص طراحی می‎شود. برخلاف شبكه‎های سنتی كه همه منظوره‎اند شبكه‎های حس/كار نوعاً تك منظوره هستند. در هر صورت شبکه‎های حسگر در نقاط مختلفی کاربرد دارند. برخی از این کاربردها عبارتند از صنایع نظامی مانند ردگیری اشیاء، بهداشت مانند کنترل علائم حیاتی، محیط مانند آنالیز زیستگاه‎های طبیعی، مصارف صنعتی از جمله عیب یابی خط تولید، سرگرمی و بازی‎های مجازی و در مواردی در زندگی دیجیتالی به طور مثال ردگیری مکان پارک ماشین.

در این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگی‎ها، قابلیت‎ها، محدودیت‎ها و برخی کاربردهای آن به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می‎پردازیم. در بخش دوم مقاله معرفی از شبکه حسگر و برخی ویژگی‎های آن خواهیم داشت. در بخش سوم تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می‎کنیم. سپس در بخش چهارم ساختمان داخلی گره حسگر/کارانداز را تشریح کرده و برخی از ویژگی‎ها، کاربردها و پشته قراردادی آن را بررسی می‎کنیم. در ادامه موضوعات مطرح در طراحی شبکه‎های حس/کار را به‌طور خلاصه ذکر می‎کنیم و در بخش ششم به شناخت و بررسی نمونه پیاده‎سازی‎شده شبکه حس/کار (ذره میکا) می‎پردازیم. در ابتدای بخش هفتم نرم‎افزارهای شبیه‎سازی شبکه را بررسی می‎کنیم و سپس خصوصیات لازم برای شبیه‎سازهای شبکه را مورد مطالعه قرار می‎دهیم. در بخش هشتم شرح می‎دهیم که چطور مدل‎هایی از شبکه‎های حسگر بی‎سیم را ایجاد می­کنند و برای مثال یک مدل پیش‎ساخته را اجرا می‎کنیم. در ادامه در بخش نهم گزارش نمونه­هایی از پیاده­سازی وایجاد گره­های حسگر شرح داده شده است. در بخش دهم برخی نمونه‎های ایجاد شده توسط نرم‎افزارها را مورد بررسی قرار می‎دهیم و در انتها نیز به نتیجه‎گیری مطالب گفته‎شده خواهیم پرداخت.

1- شبکه حسگر چیست؟
شبكه حسگر/كارانداز (حس/كار) شبكه­ای است متشكل از تعداد زیادی گره كوچك. در هر گره تعدادی حسگر و/یا كارانداز وجود دارد. شبكه حس/كار به‌شدت با محیط فیزیكی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق كارانداز­ها واكنش نشان می­دهد. ارتباط بین گرهها به صورت بی­سیم است. هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار می­کند و نوعاً از لحاظ فیزیكی بسیار كوچك است ودارای محدودیت­هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه، . . . میباشد. این محدودیت­ها مشكلاتی را به وجود می­آورد كه منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبكه از پشته قراردادی شبكه­های سنتی پیروی میکند ولی به‌خاطر محدودیت­ها و تفاوت­های وابسته به كاربرد، قرارداد­ها باید باز نویسی شوند.

 اگرچه تاریخچه شبکههای حس/کار را به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن را به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریكا نسبت می­دهند ولی این ایده میتوانسته در ذهن طراحان روبات­های متحرك مستقل یا حتی طراحان شبكههای بیسیم سیار نیز شكل گرفته باشد.

2- ساختار كلی شبكه حس/كار بیسیم
قبل از ارائه ساختار كلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذكر می­كنیم.

  • حسگر: وسیله‎ای كه وجود شیء، رخداد یك وضعیت یا مقدار یك كمیت فیزیكی را تشخیص داده و به سیگنال الكتریكی تبدیل میکند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب‎سنج، مغناطیس سنج و. . .
  • كارانداز: با تحریك الكتریكی یك عمل خاصی مانند باز و بسته كردن یك شیر یا قطع و وصل یك كلید را انجام می­دهد.
  • گره حسگر: به گرهی گفته می­شود كه فقط شامل یك یا چند حسگر باشد.
  • گره كارانداز: به گرهی گفته می­شود كه فقط شامل یك یا چند كارانداز باشد.
  • گره حسگر/كارانداز: به گرهی گفته می­شود كه مجهز به حسگر و كارانداز باشد.
  • شبكه حسگر: شبكه ای كه فقط شامل گره­های حسگر باشد. این شبكه نوع خاصی از شبكه حس/كاراست. در كاربردهایی كه هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یك پدیده میباشد كاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.
  • میدان حسگر/کارانداز: ناحیه کاری که گره­های شبکه حس/کار در آن توزیع میشوند.
  • چاهک: گرهی که جمع­آوری داده­ها را به عهده دارد و ارتباط بین گره­های حس/کار و گره مدیر وظیفه را برقرار میکند.
  • گره مدیر وظیفه: گرهی که شخصی به عنوان کاربر یا مدیر شبكه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار میکند. فرمان‌های کنترلی و پرس و جوها از این گره به شبکه ارسال شده و داده­های جمع­آوری شده به آن بر می­گردد.
  • شبكه حس/كار: شبكه­ای متشكل از گره­های حسگر و كارانداز یا حسگر/كارانداز است كه حالت كلی شبكه­های مورد بحث میباشد. به عبارت دیگر شبكه حس/كارشبكه­ای است با تعداد زیادی گره كه هر گره میتواند در حالت كلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی كارانداز باشد. در حالت خاص یك گره ممكن است فقط حسگر یا فقط كارانداز باشد. گرهها در ناحیه­ای كه میدان حس/كار نامیده می­شود با چگالی زیاد پراكنده می­شوند. یك چاهك، پایش كل شبكه را بر عهده دارد. اطلاعات به وسیله چاهك جمع آوری می‎شود و فرمان‌ها از طریق چاهك منتشر می­شود. همان‌طور که در شكل (1) مشاهده می­گردد مدیریت وظایف میتواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به این‌كه تصمیم­گیری برای انجام واكنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودكار و نیمه خودكار وجود دارد که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

 

شكل (1) ساختار كلی شبكه حس/كار

ساختار خودكار: حسگرهایی كه یك رخداد یا پدیده را تشخیص می­دهند داده­های دریافتی را به گره­های كارانداز جهت پردازش و انجام واكنش مناسب ارسال می­كنند. گره­های كارانداز مجاور با هماهنگی با یكدیگر تصمیم­گیری كرده و عمل می­نمایند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیریها به صورت محلی انجام می‎شود. شكل (2) این ساختار را نشان می‎دهد.

ساختار نیمه خودكار: در این ساختار داده­ها توسط گره­ها به سمت چاهك هدایت شده و فرمان از طریق چاهك به گره­های كارانداز صادر شود. شكل (3) این ساختار را نشان می‎دهد.

از طرف دیگر در كاربردهای خاصی ممكن است از ساختار بخش بندی شده یا سلولی استفاده شود كه در هر بخش یك سرخوشه وجود دارد كه داده­های گره­های دسته خود را به چاهك ارسال میکند. در واقع هر سرخوشه مانند یك دروازه عمل می‎كند.

3- ساختمان گره
شكل (5) ساختمان داخلی گره حس/كار را نشان می­دهد. هر گره شامل واحد حسگر/ كارانداز، واحد پردازش داده­ها، فرستنده/گیرنده بی­سیم و منبع تغذیه می­باشد. بخش­های اضافی واحد متحرك ساز، سیستم مكان­یاب و تولید توان نیز ممكن است بسته به كاربرد در گره­ها وجود داشته باشد. واحد پردازش داده شامل یك پردازنده كوچك و یك حافظه با ظرفیت محدود است که داده­ها را از حسگرها گرفته و بسته به كاربرد پردازش محدودی روی آن‌ها انجام داده و از طریق فرستنده ارسال میکند. واحد پردازش، مدیریت هماهنگی و مشاركت با سایر گره­ها در شبكه را انجام می­دهد. واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبكه را برقرار میکند. واحد حسگر شامل یك سری حسگر و مبدل قیاسی به رقمی است كه اطلاعات قیاسی را از حسگر گرفته و به صورت رقمی به پردازنده تحویل می­دهد. واحد كارانداز شامل كارانداز و مبدل رقمی به قیاسی است كه فرمان‌های رقمی را از پردازنده گرفته و به كارانداز تحویل می­دهد. واحد تأمین انرژی، توان مصرفی تمام بخش­ها را تأمین می کند كه اغلب یك باتری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یكی از تنگناهای اساسی است كه در طراحی شبكه­های حس/كار همه چیز را تحت تأثیر قرار می­دهد. در كنار این بخش ممكن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلول­های خورشیدی وجود داشته باشد. در گره‎های متحرك واحدی برای متحرك­سازی وجود دارد. مكان­یاب موقعیت فیزیكی گره را تشخیص می­دهد. تكنیك‎های مسیردهی و وظایف حسگری به اطلاعات مكان با دقت بالا نیاز دارند. یكی از مهم­ترین مزایای شبكه­های حس/كار توانایی مدیریت ارتباط بین گره­های در حال حركت می­باشد.


شكل (4) ساختمان داخلی گره حسگر/كارانداز

3-1- ویژگی ها
وجود برخی ویژگیها در شبكه حسگر/ كارانداز، آن را از سایر شبكههای سنتی و بیسیم متمایز میکند. از آن جمله عبارتند از:

  • تنگناهای سختافزاری شامل محدودیت‌های اندازه فیزیكی، منبع انرژی، قدرت پردازش، ظرفیت حافظه
  • تعداد بسیار زیاد گرهها
  • چگالی بالا در توزیع گرهها در ناحیه عملیاتی
  • وجود استعداد خرابی در گرهها
  • تغییرات همبندی به صورت پویا و احیاناً متناوب
  • استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گرهها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
  • داده محور بودن شبكه به این معنی كه گرهها كد شناسایی ندارند

3-2- کاربردها
کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم می‎شوند. سیستم‎های ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده‎بانی و میدان مین هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می‎باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی، سیستم‎های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند، محیط‎های هوشمند برای افراد سالخورده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربردهای آن است. کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می‎شود مانند سیستم‎های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش‎سوزی در جنگل، تشخیص آلودگی‎های زیست محیطی از قبیل آلودگی‎های شیمیایی، میکروبی، هسته‎ای، سیستم‎های ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده‎های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل و تحقیق در مورد زندگی گونه‎های خاص از گیاهان و جانوران و. . . در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار به عنوان گروهی از روبات‎های کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می‎دهند استفاده می‎شود.

3-3- پشته قراردادی
مطابق شکل زیر پشته قراردادی از یک‌طرف دارای پنج لایه افقی شامل لایه‎های فیزیکی، پیوند داده، شبکه، انتقال و کاربرد و از طرف دیگر دارای سه لایه عمودی مدیریت توان، مدیریت جابجایی و مدیریت وظیفه است.
لایه فیزیکی وظیفه‎اش عملیات مدولاسیون و ارسال و دریافت در سطح پایین می‎باشد. لایه کنترل دسترسی رسانه باید قادر باشد با حداقل تصادم به روش پخش همگانی با هر گره همسایه ارتباط برقرار کند. لایه شبکه وظیفه مسیردهی داده‎هایی که از لایه انتقال می‎آید را برعهده دارد. لایه انتقال وظیفه مدیریت جریان انتقال بسته‎ها را در صورت نیاز کاربرد برعهده دارد.


شکل (5) پشته قراردادی

بسته به کاربرد شبکه انواع مختلف نرم‎افزارهای کاربردی میتواند روی لایه کاربرد استفاده شود و خدمات مختلفی را ارائه نماید. یک زبان رویه‎نویسی به نام زبان وظیفه و پرسشگر حسگر پیشنهاد شده که پرس‎وجوها و فرمان‎های آن مبتنی بر داده محوری شبکه حس/کار است. به عنوان مثال «چه تعداد لانه پرنده خالی در محدوده شمال شرقی جنگل وجود دارد» یا «اگر تا یک ساعت بعد تعداد لانه‎های خالی بیشتر از یک حد معینی شد اعلام شود.»

4- موضوعات مطرح
عوامل متعددی در طراحی شبکههای حس/کار مؤثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که ما تنها به ذکر برخی از آن‌ها به‌طور خلاصه اکتفا می­کنیم.

4-1- تنگناهای سختافزاری
هر گره ضمن این‌كه باید كل اجزاء لازم را داشته باشد باید به حد كافی كوچك، سبك و كم حجم نیز باشد. به عنوان مثال در برخی كاربردها گره باید به كوچكی یك قوطی كبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یك سانتیمتر مكعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبك باشد كه بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار كم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. این‌ها همه محدودیت­هایی است كه كار طراحی و ساخت گرههای حس/كار را با چالش مواجه می­كند. ارائه طرح­های سختافزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره به خصوص قسمت ارتباط بیسیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فناوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در كاهش تنگناهای سختافزاری دارد.

4-2-همبندی
همبندی ذاتی شبكه حس/كار، همبندی گراف است. به دلیل ارتباط بیسیم گرهها و پخش همگانی آن‌ها، هر گره با چند گره دیگر كه در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد. الگوریتم­های كارا در جمع­آوری داده و كاربردهای ردگیری اشیاء شبكه را درخت پوشا در نظر می­گیرند. چون ترافیك به شکلی است كه داده ها از چند گره به سمت یك گره حركت میکند. مدیریت همبندی باید با دقت انجام شود، یك مرحله اساسی مدیریت همبندی راهاندازی اولیه شبكه است گرههایی كه قبلاً هیچ ارتباط اولیه­ای نداشته­اند در هنگام جایگیری و شروع به كار اولیه باید بتوانند با یكدیگر ارتباط برقرار كنند. الگوریتمهای مدیریت همبندی در راهاندازی اولیه باید امكان عضویت گرههای جدید و حذف گرههایی كه به دلایلی از كار میافتند را فراهم كنند. پویایی همبندی از خصوصیات شبكههای حس/كار است كه امنیت آن را به چالش میكشد. ارائه روشهای مدیریت همبندی پویا به طوری كه موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است كه جای كار زیادی دارد.

4-3- قابلیت اطمینان
هر گره ممكن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار به‌كلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از كار بیفتد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است كه خرابی گرهها نباید عملكرد كلی شبكه را تحت تأثیر قرار دهد. در واقع می‌خواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یك شبكه قابل اطمینان بسازیم. برای گره k با نرخ خرابی lk قابلیت اطمینانبا فرمول ذیل مدل میشود. كه در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t به‌شرط این‌كه گره در بازه زمانی (0,t) خرابی نداشته باشد. به این ترتیب هرچه زمان می‌گذرد احتمال خرابی گره بیشتر میشود.

 

4-4- مقیاس پذیری
شبكه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراكندگی گرهها، مقیاس پذیر باشد. به‌عبارت دیگر شبكه حس/كار از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیون ها گره كار كند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گرهها را نیز پشتیبانی كند. چگالی طبق فرمول پایین محاسبه میشود كه بیانگر تعداد متوسط گرههایی است كه در برد یك گره نوعی (مثلادایره ای با قطر10 متر) قرار می‌گیرد.
A: مساحت ناحیه كاری، N: تعداد گره در ناحیه كاری و R: برد ارسال رادیویی است. در بسیاری كاربردها توزیع گرهها اتفاقی صورت می‌گیرد و امكان توزیع با چگالی مشخص و یكنواخت وجود ندارد یا گرهها در اثر عوامل محیطی جابجا می‌شوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر كند. موضوع مقیاس پذیری به روشها نیز مربوط میشود برخی روشها ممكن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یك چگالی یا تعداد محدود از گره كار كند. در مقابل برخی روشها مقیاس پذیر هستند.

4-5- قیمت تمام شده
چون تعداد گرهها زیاد است كاهش قیمت هر تك گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گرهها گاهی تا میلیون­ها می­رسد که در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم، تأثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

4-6- شرایط محیطی
طیف وسیعی از كاربردهای شبكه­های حس/كار مربوط به محیط­هایی است كه انسان نمیتواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیایی، میكروبی، هسته‎ای و یا مطالعات در كف اقیانوس‎ها، فضا و یا محیط‎های نظامی به علت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران كه حضور انسان باعث فرار آن‌ها می‎شود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گرهها در نظر گرفته شود، مثلاً در دریا و محیط‌های مرطوب گره حسگر در محفظه­ای كه رطوبت را منتقل نكند قرار می‎گیرد.

4-7- رسانه ارتباطی
در شبكههای حس/كار ارتباط گرهها به صورت بیسیم و از طریق رسانه رادیویی، فرو سرخ (مادون قرمز)، یا رسانه‌های نوری دیگر صورت می‌گیرد. البته ارتباط فروسرخ ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل میکند.

4-8- توان مصرفی گره ها
گره­های شبكه حس/كار باید توان مصرفی كمی داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یك باتری 2/1 ولت با جریان 5/0 آمپر ساعت است كه باید توان لازم برای مدت طولانی مثلاً 9 ماه را تأمین كند. در بسیاری از كاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باتری عملاً عمر گره را مشخص میکند. به علت این‌كه یك گره علاوه بر گرفتن اطلاعات (توسط حسگر) یا اجرای یك فرمان (توسط كارانداز) به عنوان رهیاب نیز عمل میکندبد عمل كردن گره باعث حذف آن از همبندی شده و سازماندهی مجدد شبكه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت. در طراحی سختافزار گره­ها استفاده از طرح­ها و قطعاتی كه مصرف پایینی دارند و فراهم­كردن امكان حالت خواب برای كل گره یا برای هر بخش به طور مجزا بسیار مهم خواهد بود.

4-9- افزایش طول عمر شبكه
طول عمر شبكه­های حس/كار نوعاً كوتاه می­باشد زیرا طول عمر گره­ها به علت محدودیت انرژی منبع تغذیه كوتاه است. علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژه یك گره در شبكه مشكل را تشدید میکند. مثلاً گرهی كه در فاصل یك قدمی چاهك قرار دارد از یك طرف به خاطر بار كاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می­دهد و از طرفی از كار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهك با كل شبكه شده و از كار افتادن کل شبكه می­شود. برخی راه­حل­ها به ساختار شبکه بر می­گردد، مثلاً در مورد مشكل فوق استفاده از ساختار خودكار راهكار مؤثری است. به علت این‌كه در ساختار خودكار بیشتر تصمیم­گیریها به طور محلی انجام می­شود ترافیك انتقال از طریق گره بحرانی كم شده، طول عمر آن و در نتیجه طول عمر شبكه افزایش می­یابد. مشكل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گره­های نواحی كم تراكم در توزیع غیر یكنواخت گره­ها نیز صدق میکند. در این‌گونه موارد داشتن یك مدیریت توان در داخل گره­ها و ارائه راهکارهای توان آگاه به طوری كه از گره­های بحرانی كمترین استفاده را انجام دهد، مناسب خواهد بود. این موضوع نوعی به اشتراك­گذاری منابع محسوب می­شود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گره­ها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش می­دهد. ارائه الگوهای ساختاری مناسب و ارائه روشهای مدیریتی و الگوریتم­های توان آگاهبا هدف افزایش طول عمر شبكه حس/كار از مباحث مهم تحقیقاتی است.

4-10- ارتباط بیدرنگ و هماهنگی
در برخی كاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتش­سوزی یا سیستم پیش­گیری از سرقت، سرعت پاسخگویی شبكه اهمیت زیادی دارد. در نمایش بیدرنگ فشار بر روی پایشگر بسته­های ارسالی باید به طور لحظه­ای روزآمد باشند. برای تحقق بیدرنگی سیستم یك روش این است كه برای بسته­های ارسالی یك ضرب الاجل تعیین شود و در لایه كنترل دسترسی رسانه بسته­های با ضرب الاجل كوتاهتر زودتر ارسال شوند. مدت ضرب­الاجل به كاربرد آن بستگی دارد. مسأله مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهك، یا كارانداز ناحیه، به ترتیب وقوع آن‌هاست. در غیر این صورت ممكن است شبكه واكنش درستی انجام ندهد. نكته دیگر هماهنگی كلی شبكه در ارتباط با گزارش‎هایی است كه در مورد یك رخداد از حسگرهای مختلف به كاراندازهای ناحیه مربوطه داده میشود. به عنوان مثال در یك كاربرد نظامی فرض كنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگان­های پیاده دشمن و كاراندازهایی جهت نابودی آن در نظر گرفته شده است. چند حسگر حضور دشمن را به كاراندازها اطلاع می­دهند. شبكه باید در كل منطقه، عملیات را به یكباره شروع كند. در غیر این صورت با واكنش اولین كارانداز، سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شكست مواجه میشود. به هرحال موضوع ارتباط بیدرنگ و هماهنگی در شبكههای حس/كار بخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن همچنان از مباحث تحقیقاتی است.

4-11- امنیت و مداخلات
موضوع امنیت در برخی كاربردها بخصوصدر كاربرد های نظامی یك موضوع بحرانی است و به‌خاطر برخی ویژگیها شبكههای حس/كار در مقابل مداخلات آسیب­پذیرتر هستند. یك مورد بیسیم بودن ارتباط شبكه است كه كار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر میکند. مورد دیگر استفاده از یك فركانس واحد ارتباطی برای كل شبكه است كه شبكه را در مقابل استراق سمع آسیب پذیر میکند. مورد بعدی ویژگی پویایی همبندی است كه زمینه را برای پذیرش گرههای دشمن فراهم میکند. این‌كه قراردادهای مربوط به مسیردهی، كنترل ترافیك و لایه كنترل دسترسی شبكه سعی دارند باهزینه و سربار كمتری كار كنند مشكلات امنیتی به‌وجود می­آورد. مثلاً برای شبكههای حسگر در مقیاس بزرگ برای كاهش تأخیر بسته­هایی كه در مسیر طولانی در طول شبكه حركت می­كنند، یك راه حل خوب اولویت مسیردهی به بسته­های عبوری می­باشد. همین روش باعث میشود حمله­های سیلی مؤثرتر باشد. یكی از نقاط ضعف شبكه حس/كار كمبود منبع انرژی است و دشمن می تواند با قرار دادن یك گره مزاحم كه مرتب پیغام های بیدار باش به صورت پخش همگانی با انرژی زیاد تولید میکند باعث شود بدون دلیل گرههای همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامه این روند باعث به هدر رفتن انرژی گرهها شده و عمر آن‌ها را كوتاه میکند. با توجه به محدودیت­ها باید دنبال راه­حل­های ساده و كارا مبتنی بر طبیعت شبكه حس/كاربود. به طور مثال گره­ها با چگالی بالا میتوانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات كمی است یا این‌كه داده­ها در یك مدت كوتاه معتبرند. از این ویژگیها میتوان به عنوان یك نقطه قوت در رفع مشكلات امنیتی استفاده كرد. اساساً‏ًًًًًًًٌ چالش­های زیادی در مقابل امنیت شبكه حس/كاروجود دارد و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.

4-12- عوامل پیش بینی نشده
یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیت­ها است. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله، مشکلات ناشی از ارتباط بیسیم و اختلالات رادیویی، امکان خرابی هر گره، عدم درجه‌بندی حسگرها، پویایی ساختار و مسیردهی شبکه، اضافه شدن گرههای جدید و حذف گرههای قدیمی، جابجایی گرهها به طور کنترل­شده یا در اثر عوامل طبیعی و غیره. سؤال مطرح این است که در چنین شرایطی چگونه میتوان چشم­اندازی فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارآیی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد. با توجه به این‌که شبکههای حسگر کارانداز تا حدود زیادی به صورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و به صورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل می­کنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگیهای خود بهینه سازی، خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. این‌ها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آن‌ها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده بوده و از جمله موارد تحقیقاتی می­باشند.

5- نمونه پیاده­سازی شده شبکه حس/كار
در این بخش از مقاله سعی می‎کنیم تا با شناخت و بررسی یکی از کاربردهای این شبکه مفاهیم بیان شده را از جنبه‎های دیگر نیز مورد بررسی قرار دهیم.
یک نمونه از پیاده سازی سختافزاری گرههای حسگر ذره میکادانشگاه برکلی امریکا است. این نمونه، یک واحد حس/کار کوچک (چندین اینچ مکعب) با یک واحد پردازنده مرکزی، منبع تغذیه، رادیو و چندین عنصر حسگر اختیاری میباشد. پردازشگر آن یک پردازنده 8 بیتی از خانواده اتمل می­باشد همراه با 128 کیلو بایت حافظه، 4 کیلو بایت RAM برای داده، 512 کیلو بایت حافظه درخشی. این پردازنده فقط کمینه‌ای از مجموعه دستورالعمل‎های RISC را بدون عمل ضرب، انتقال با طول متغیر و چرخش پشتیبانی می­کند. رادیوی آن یک رادیوی مصرف پایین916 مگاهرتز روی یک کانال تسهیم شده منفرد با محدوده نزدیک به 12 متر میباشد. رادیو در حالت دریافت 4/8 میلی آمپر، در حالت ارسال تا 12میلی آمپر و در حالت خواب 5 میکرو آمپر مصرف جریان دارد.  


شکل (6) ذره میکا

ذره میکا در اندازه­های مختلف وجود دارد. کوچکترین آن اغلب به عنوان غبار هوشمند شناخته میشود. طرح پژوهشی غبار هوشمند که به وسیله پروفسور پیتسترو کان رهبری و هدایت میشود موفق به دستیابی حدی برای اندازه ومصرف توان در گره­های حسگر خود مختار شده است. کاهش اندازه برای ساختن گرههای ارزان و البته تسهیل گسترش آن بسیار مهم است. گروه تحقیقاتی امیدوارند که ضمن حفظ مؤثر تواناییهای حسگری و ارتباطیبتوانند موارد لازم حسگری، مخابره اطلاعات و محاسبات سختافزاری همراه با منبع تغذیه را در اندازه­ای در حدود چند میلیمتر مکعب فراهم کنند. این گره میلیمتر مکعبی غبار هوشمند نام دارد که حقیقتاً قلمرو موضوعات ممکن­شدنی است. چنان‌که نمونه­های آتی آن می­تواند به قدری کوچک باشد که معلق در هوا باقی مانده و به وسیله جریان هوا شناور شود و برای ساعت ها یا روزها موارد حس شده را ارسال کند. غبار هوشمند می­تواند اطلاعات را با استفاده از یک فناوری بازتابنده نوری جدید، به صورت غیر فعال ارسال کند. این یک راه معقول و ارزان را برای وارسی یک حسگر یا تأیید دریافت اطلاعات فراهم میکند. ارسال نوری فعال نیز ممکن است اما اتلاف انرژی بیشتری دارد.


شکل (7) ساختار داخلی غبار هوشمند

6- بررسی نرم‎افزارهای شبیه‎سازی شبكه
امروزه فناوری شبیهسازی به طرز موفقیت آمیزی در جهت مدل­سازی، طراحی و مدیریت انواع سیستم­های هوشمند به كار گرفته شده و در این راستا ابزارها و تكنیك­های متعددی خلق شده كه به طور مثال می­توان به تكنیك شبیهسازی رویدادگردان اشاره كرد كه اساس عملكرد بسیاری ازشبیه­سازهای نوین میباشد. كاربرد شبیهسازی در مورد شبكههای ارتباطی نیز سابقه­ای 15 ساله دارد كه هنوز هم در حال رشد میباشد. دلایل استفاده از شبیهسازی در این حوزه را میتوان در دو مورد خلاصه كرد:

  • پیدایش و گسترش شبكههایی با فناوری پیچیده
  • خلق ابزارها و نرم افزارهای خاص شبیهسازی شبكهها

نرم­افزارهای شبیه­ساز شبکه توانایی شبیه­سازی شبكه­های ارتباطی را بدون نیاز به كدنویسی و معمولاً از طریق واسط­های گرافیكی فراهم می‌كنند. وجود عناصر شبیه­سازی شده­ای متناظر با عناصر واقعی مانند راهیاب‌ها و سوئیچ­ها در این گونه موارد علاوه بر بالابردن دقت، باعث افزایش سهولت و سرعت در فرآیند شبیهسازی میشود و به این ترتیب برای كاربران نا آشنا با فن برنامه­نویسی بسیار مناسب میباشد. خصوصیات شبیه­سازهای شبكه عبارتند از:

6-1- انعطاف در مدل­سازی
كاربر باید قادر باشد انواع جدیدی از منابع معمول شبكه همچون گرهها، پیوندها و قراردادها را به مجموعه موجود در شبیه­ساز بیفزاید.

6-2- سهولت در مدل­سازی
وجود واسط گرافیكی و امكان مدل‌سازی به صورت ساخت­یافته، به شكلی كه مدل­های پیچیده بر اساس مدل­های ساده طرح شوند و همچنین قابلیت استفاده مجدد از پودمان­ها از خصوصیاتی میباشد كه باعث تسریع در فرآیند شبیهسازی می­گردند.

6-3- اجرای سریع مدل­ها
زمان پردازش در شبیهسازیهای بزرگ برای شبكههایی با تعداد زیاد گره بسیار مهم میباشد كه لازمه آن مدیریت صحیح حافظه میباشد.

6-4- قابلیت مصورسازی
نمایش گرافیكی عناصر شبكه در حال تبادل پیغام ها با یكدیگر به رفع خطاهای شبیهسازی و درك نحوه كاركرد آن بسیار كمك میکند. در برخی نرم افزارهای شبیه­ساز، اجرای مصورسازی همزمان با اجرای شبیه­ساز و در برخی دیگر پس از انجام آن و به صورت Play Back انجام می­گیرد.

6-5- قابلیت اجرای مجدد و تكراری شبیهسازی
هدف از انجام شبیهسازی به طور عمده تحقیق تأثیر یك یا چند پارامتر (برای مثال متوسط طول بسته­ها و یا ظرفیت میانگیرها) بر كارآیی شبكه میباشد و به همین خاطر تكرارپذیری، یك شرط لازم برای این نرم افزارها میباشد. در مجموع باید توجه داشت كه خلق یك شبیه­ساز شبكه دقیق و معتبر مستلزم به‌كارگیری فناوری شبیهسازی در كنار دانش شبكه و قرارداد­های آن میباشد. البته در كنار خصوصیات فوق وجود برخی قابلیت­ها بر ارزش هر ابزار شبیه­ساز خواهد افزود كه از آن میان می­توان به چند مورد اشاره ذیل اشاره كرد:

  • وجود پودمان­های درونی از پیش آماده شده متناظر با عناصر و قرارداد­های شبكه.
  • وجود یك مولد عدد تصادفی و در شكل­های پیشرفته تر قابلیت خلق كمیت­های با توزیع های تصادفی گوناگون چرا كه اغلب رخدادها در یك فرآیند شبیهسازی اعم از تولید و ارسال بسته­ها و یا ایجاد خرابی در آنها، از نوع فرآیندهای تصادفی می­باشند.
  • حمایت از كاربران برای بهنگام­سازیهای بموقع (بخصوص در مورد قرارداد­های جدید) به همراه مستندات كامل و گویا.
  • ارائه گزارش­هایی از پارامترهای كارآیی شبكه (نرخ خروجی، بهرهوری، تأخیر انتقال، . . . ) در قالب ارقام و منحنیها به همراه امكان انجام عملیات آماری روی نتایج از دیگر ویژگیهای مثبت یك شبیه­ساز میباشد.

7- مدل سازی شبکههای بیسیم
در این بخش چگونگی ساخت و اجرای مدلهایی از شبکههای حسگر بیسیم را بررسی می­نماییم. این یک مدل ساده شده از یک سیستم متمرکز صوتی است که در آن از میدانی از گرههای حسگر استفاده میکند که یک صدا را شناسایی و به وسیله پیام رادیویی به مرکز گزارش میکند تا موقعیت صدا را مثلث بندی کند. شکل 8 نشان میدهد که این مدل شامل حسگر بی­سیم، دو مدل کانال (یک مدل کانال رادیویی و یک مدل کانال صوتی) یک تعدادی یادداشت (متون شرح دهنده مدل) و عامل‌هایی در مدل است.


شکل (8) نمایش Visualsense از مدل بی‌سیم تشخیص صوت

هر یک از این مؤلفهها یک نقش در مدل ایفا میکند. هدایت کننده در اجرای مدل پا به میان میگذارد. مدل­های کانال با ارتباط میان عامل‌ها سر و کار دارد. عامل‌ها سیگنالهایی از طریق کانال میفرستند و دریافت میکنند.
این مدل قابل اجرا است. روی مثلث قرمز رنگ در نوار ابزار کلیک کنید، در نتیجه عامل منبع صوت (که با دوایر متحدالمرکز شفاف نمایش داده شده است) در یک الگوی دایره­ای شروع به حرکت می­کند که به وسیله یک فلش آبی رنگ در شکل 9 نمایش داده شده است. عامل منبع صوت رویدادهایی از طریق مدل کانال صوتی منتشر می­کند.
این رویدادها با یک تأخیر زمانی که بستگی به فاصله میان گرههای دایره­ای آبی رنگ دارد، منتشر میشود. موقعی که این گرهها صدا را شناسایی می­کنند، آن‌ها یک سیگنال رادیویی از طریق مدل کانال رادیویی پخش می­کنند و شمایل‌های آن‌ها به رنگ قرمز تغییر میکند تا به طور گرافیکی نشان دهد که آن‌ها این کار را انجام داده­اند. سیگنالهای رادیویی شامل یک مهر زمانی رویداد صوتی شناسایی شده است. عامل مثلثی در مرکز (که با یک شمایل سبز رنگ نشان داده است) این سیگنال رادیویی را دریافت میکند (اگر در برد فرستنده باشد)، و مهرهای زمانی را برای تخمین موقعیت منبع صوت استفاده میکند. سپس موقعیت را ترسیم میکند، نتیجه در نمودار شکل 9 نشان داده شده است.

 


شکل (9) نمایش مدل در حال اجرا

8- چند مثال و کاربرد
در ادامه گزارش نمونه­هایی از پیاده سازی و ایجاد گرههای حسگر شرح داده شده است. چندین عامل مؤثر در تحلیل یک شبکه دخالت دارد مانند عمر باتری و محدوده سیگنال وسیله مورد استفاده، همراه با در نظر گرفتن عواملی که می‎توانند اثر منفی در استفاده مفید از حسگرها داشته باشند. در این ابزار شبیهسازی شبکههایی با گسترش قابلیت‎های حسگری نیز ممکن است. چنین قابلیت‎هایی شامل شناسایی زمین لرزه یا صدا و الگوریتمهای مکان‎یابی همراه با بررسی داده در شبکه‎های حسگری است و بسیاری کاربردها که با افزایش آگاهی ما در مورد ارتباطات بیسیم ممکن خواهد شد. همان‌طور که قبلاَ گفته شد شبکههای حسگر کاربردها و قابلیت‎های فراوانی دارند که به نظر میرسد این تنوع استفاده از آن‌ها واقعاَ نامحدود است. حال برای این‌که شبکه‌ای کاراتر داشته باشیم بایستی واکنش گرهها را کامل بفهیم همراه با این‌که آن‌ها چگونه با هم کار می‎کنند. همچنین مهم است که ما بدانیم: نخست دلایلی که شبکه حسگر شکست میخورد و دوم تواناییهای توسعه یافته شبکه حسگری. در طراحی مدل شبکههای حسگر، فاکتورهای مزبور باید به عنوان کارهایی که قبل از یک شبیهسازی صحیح، کامل شوند در نظر گرفته شود. کارهایی که باید انجام شود فهرست­وار چنین است:

  • فهمیدن تعامل (واکنش) در شبکههای حسگر

 مدیریت داده از طریق ارتباط بیسیم و کانال بیسیم و پیکربندی درگاه‌­ها

  • نقایص شبکههای حسگر

تأثیر از دست­رفتن توان، شدت صوت، تأثیر بیرونی، منابع فشرده شده روی گره‎های حسگر در محیط‎های چندگانه

  • تواناییهای توسعه یافته شبکههای حسگر

علاوه بر پردازش و حس‎کردن خصوصیاتی نظیر لرزش، صوت، فروسرخ، حرکت و افزودن پردازش داده همراه با الگوریتم‎های ردگیری حرکت و صدا، مدل کردن یک شبیهساز شبکه حسگر آغاز میشود.

9- نمونه های ایجاد شده توسط نرم افزار
در این بخش برخی نمونه‎های ایجاد شده توسط نرم‎افزارها را مورد بررسی قرار می‎دهیم.

9-1- غرق سازی
ابتدا، یک ارزیابی از یک الگوریتم برای پرسش های رادیویی به‌طور مؤثر در شبکه حسگر تشریح میشود. برای دستیابی به همه گرهها، موقعی که یک گره حسگر یک پیام رادیویی را دریافت میکند، ممکن است پیام را تکرار کند. مقصود کاهش تعداد چنین تکرار های مورد نیاز برای نفوذ کردن در شبکه است. یک تصویر از یکی از آزمایش های اجرا شده در شکل10 نشان داده شده است. در این تصویر، هر دایره یک گره حسگر را نمایش میدهد. در مرکز دایره یک شمایل برای نمایش یک آنتن است. این موقعیت فرستنده و گیرنده را برای گره نمایش میدهد. گرههای حسگر به طور تصادفی پخش می شوند (یک عامل در کتابخانه برای درک پخش تصادفی فراهم شده است).
اجرای این مدل تعداد ثابتی از پرسش­ها را انتشار میدهد که به عنوان یک پارامتر مدل، از طریق شبکه حسگر مشخص شده است. در این آزمایش گره پایه با دایره رنگ سبز نیمه شفاف در شکل 10 نمایش داده شده است که یک پرسش را به طور متناوب منتشر میکند. در ابتدا همه گرهها این پرسش را به محض شنیدن آن تکرار میکنند. به هر حال همچنان که اجرا پیش می­رود، گرهها همبندی شبکه اطراف آن‌ها را یاد می­گیرند و مبتنی بر الگوریتم توزیع­شده تصمیم به ادامه تکرار یا توقف آن می­گیرند. گرههایی با شمایل قرمز رنگ در شکل 10، گرههایی هستند که تکرار میکنند در حالی که گرهها با شمایل آبی تکرار را انجام نمی دهند، بعد از آن الگوریتم همگرا شده است.
در این آزمایش، گرههای حسگر ارسال را از طریق یک کانال رادیویی بدون تأخیر زمانی و بدون هیچ نوفه و اتلافی انجام می دهند. برد انتشار از گره حسگر، پارامتری از گره است و با شمایل دایره ای نشان داده میشود و در شکل10 برای همه گرهها یکسان است و می تواند به آسانی تغییر داده شود.



شکل (10) تصویری از مثال غرق­سازی

9-2- مثلث بندی
در این مثال یک مدل از منبع توان (باتریها) گرههای حسگر با یک مدل از یک سناریویی که گرههای صوتی با هم برای تصمیم­گیری موقعیت منبع صوت به‌وسیله مثلث‌بندی همکاری میکنند، تزویج می­شوند (شکل 11).
در این مثال یک مجرای صوتی سیگنالهای یک منبع متحرک را حمل میکند و گرههای حسگر آن را از طریق یک مجرای رادیویی انتقال می­دهند. مجرای صوتی تأخیر انتشار را در نظر می­گیرد در حالی که مجرای رادیویی به عنوان لحظه­ای مدل میشود، شبیه به مدل مثال غرق‌سازی که در بالا شرح داده شد. همانند آن مثال، شمایل‌های دایره­ای گرهها برد ارسال خود را نمایش می­دهند.
مجرای صوتی سیگنالها را از یک منبع صوت متحرک به گرههای حسگر حمل میکنند. موقعی که یک گره حسگر یک سیگنال صوتی را کشف میکند، مشاهده (زمان کشف و موقعیت گره حسگر) را از طریق مجرای رادیویی منتشر میکند. یک عامل ردیاب صوت مشاهدات را جمع آوری کرده زمان و موقعیت انتشار صوت از منبع متحرک را محاسبه میکند.


شکل (11) تصویر مثال مثلث بندی

9-3- پایش ترافیک
اغلب شبکههای حسگر بسیار پویا هستند. اشیاء به وسیله رفت و آمد یک شبکه حسگر نظارت می­شوند و ممکن است در اطراف یک میدان حسگر حرکت کنند. گرههای حسگر جدید میتوانند به شبکه ملحق شوند و موقعی که باتری یک گره حسگر تخلیه میشود آن شبکه را ترک میکند.
یک مدل طبیعی از چنین شبکههای حسگر پویایی باید از تغییرات در شبکه پشتیبانی کند نه فقط در همبندی اتصال داخلی، بلکه در مجموعه مؤلفههای موجود در شبکه. به‌طوری‌که قبلاً مشاهده شد، Ptolemy II برای تغییر در ساختار مدل پشتیبانی دارد. ما با مثال نشان می­دهیم که چه طور این مدل­سازی شبکه حسگر با کاربرد پایش ترافیک به کار گرفته می‌شود.
حسگرها در امتداد جاده برای جمع آوری اطلاعات که به پایگاه اصلی برای تحلیل بیشتر فرستاده میشود، توزیع می­شوند. برای مدل­سازی و شبیهسازی چنین شبکه­ای ما ابتدا یک مدل برای میدان حسگر می­سازیم که شامل یک مؤلفه برای هر گره حسگر و مجرا­ها می­باشد. (یک مجرای بیسیم برای انتقال میان حسگرها و یک مجرای صوتی برای انتشار سیگنال از وسایل عبوری در حسگرها).
برای این‌که رفتار شبکه را شبیهسازی کنیم علاوه براین به یک مدل محرک برای تولید ورودی ترافیک به میدان حسگر نیاز داریم. سؤال این است که چه نوع از ورودی باید برای مدل محرک در میدان حسگر فراهم گردد؟ به طور مشخص یک ماشین است که در امتداد جاده در یک کران و حاشیه وارد میشود. در این جهت، محرک واقعاً یک مدل ماشین (اتومبیل) اضافه شده به میدان حسگر است. از آنجایی که ماشینها میتوانند در هر زمان وارد یک منطقه شده و پس از مدتی آن را ترک کنند، میسر نخواهد بود تا آن‌ها به طور ایستا در میدان حسگر مدل شوند. برای نگهداری ساختار پویا به علت ورود و خروج ماشین ها، ما از یک عامل مرتبه بالا استفاده می کنیم. چنین عاملی مدل دیگری که محاسبه­اش را معین میکند، در بر می­گیرد و در طول اجرای مدل نگهداری­شده می­تواند به طور پویا تغییر داده شود. عامل مرتبه بالا دو ورودی دارد، با اولین ورودی داده را دریافت میکند که مدل نگهداشته شده باید پردازش شود و ورودی دوم تغییرات مدل را در مدل نگهداشته جاری دریافت میکند. تغییرات مدل می­تواند مؤلفههای جدیدی از قبیل عامل‌های مدل‌سازی ماشین­ها را اضافه کند. همچنین مؤلفههای موجود و اتصالات را حذف یا اضافه کنند.
زمانی‌که اجرا شروع میشود عامل سطح بالا یک مدل درون تهی دارد. ابتدا یک تغییر مدل را برای ساخت میدان حسگر دریافت میکند، بعد از تغییر به کار برده شده، اجرا با هیچ وسیله نقلیه­ای ادامه پیدا نمیکند. هنگامی که مدل ترافیک تصمیم­گیری میکند که ورود ماشین به میدان به وجود آید، یک مدل ماشین را تولید میکند و به عامل مرتبه بالا آن را می­فرستد، سپس مدل نگهداشته شده را برای قراردادن مدل ماشین تغییر میدهد. اجرا با حرکت ماشین در منطقه بر طبق برنامه رانندگی ادامه می­یابد و حسگر در مسیرش به‌وسیله مجرای صوتی کشف میکند که آیا یک عبور اتومبیل وجود دارد یا خیر. اگر یک ماشین را شناسایی کند، حسگر داده­ای را به پایگاه اصلی می­فرستد.

9-4- گمشده جنگی در منطقه دشمن و تعقیب کننده
در این مثال یک گره بیسیم گمشده جنگی را در میدان حسگرها شناسایی میکند (شکل 13) ، حسگرها در میدان با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند تا یک درخت پوشا از گره ریشه (جایی که گمشده جنگی به آن نزدیک میشود) به گرههایی که یک جهش از گره ریشه و مانند آن هستند، بسازند. موقعی که حسگر گمشده جنگی را شناسایی میکند، خودش را به عنوان ریشه قرار میدهد و یک پیامی را به گرههای همسایه­اش پخش میکند.
پیام شامل زمانی است که گمشده جنگی شناسایی میشود، موقعیت و عمق که برای گره ریشه از حسگرها صفر است. سپس کنترل میکند که آیا گره ریشه از آخرین بار تغییر داده شده (به وسیله کنترل زمان شناسایی) یا که یک مسیر کوتاهتر به گره ریشه وجود دارد. اگر چنین است، زمان شناسایی شده را ثبت میکند و اطلاعات گره پدرش را بهروزرسانی میکند (موقعیت و عمق در درخت) و یک پیام را که شامل زمان شناسایی، موقعیت و عمق در درخت است، به گرههای همسایه آن ارسال میکند. با انجام این کار در شبکه حسگر یک درخت پوشا به طور توزیع شده ساخته میشود و حسگرها بر طبق فاصلهای که از گره ریشه دارند، نمایه­گذاری می­شوند. اگر گمشده جنگی حرکت کند ممکن است به وسیله حسگرهای دیگر شناسایی شود و درخت به طور پویا تغییر می­کند.

 

  
شکل (12) تصویری که میدان حسگرها را به همراه مجراها و. . . نمایش میدهد

شمایل قرمز رنگ میان حسگرها تعقیب کننده است و شمایل سبز رنگ گمشده جنگی است. موقعی که یک گره حسگر نشانه­ای از درگاه سیگنال (که برای دریافت سیگنال از تعقیب کننده یا گمشده جنگی استفاده میشود) را دریافت میکند، تشخیص میدهد که چه کسی سیگنال را فرستاده (با بررسی سرآیند سیگنال). اگر از گمشده جنگی ارسال شده، گره خودش را به عنوان گره ریشه بعدی می­نشاند و یک پیام را برای بهروزرسانی درخت انتشار میدهد و در غیر این‌صورت پیامی به تعقیب­کننده ارسال میکند تا موقعیت گره منشأ یا گره پدر را تشخیص دهد و تعقیب­کننده با این اطلاعات به سمت گمشده جنگی حرکت خواهد کرد.
هنگام دریافت نشانه از درگاه ورودی که برای دریافت پیام از دیگر حسگرها استفاده میشود، بررسی میکند که آیا گره ریشه تغییر کرده یا یک مسیرکوتاهتر وجود دارد. اگر چنین است بهروزرسانی را انجام میدهد و یک پیام را انتشار میدهد، در غیر این صورت پیام را مصرف میکند. تعقیب کننده از گره آخر درخت پوشا به طرف گره پدرش برای ردیابی گمشده جنگی حرکت میکند.

9-5- جهان کوچک
این مثال شبکه حسگری را نشان میدهد که هر گره مجدداً اولین پیامی را که دریافت میکند انتشار میدهد (شکل 13). یک مؤلفه به نام آغازگر یک پیام را منتشر میکند و مدل تعداد گرههایی را که پیام را بعد از یک جهش، بعد از دو جهش و همین‌طور الی آخر دریافت میکنند، نگهداری و یک نمودار میلهای رسم میکند.


 
شکل (13) تصویری از مدل Small World

هنگامی‌که مدل را اجرا می کنید، آغازگر یک پیام را منتشر خواهد کرد. یک گره زمانی قرمز خواهد شد که پیام را در اولین جهش دریافت کند و در صورتی که پیام را بیش از یک جهش دریافت کند گره سبز میشود و اگر هیچ پیامی را دریافت نکند سفید خواهد ماند.

نتیجه‎گیری
شبکه حس/کار به عنوان یکی از مهمترین موضوعات مطرح در حوزه شبکه­های کاربردی مطرح می­باشد. مسأله محدود بودن توان و انرژی گره‎های حسگر از مهمترین و پایه‎ای‎ترین مسائل در برخورد با چنین شبکه‎هایی می‎باشد که راه‎حل مناسب برای رفع این مشکل به نوع و کاربرد شبکه بستگی دارد که این موضوع میتواند به عنوان تحقیقات آتی مدنظر قرار گیرد. لازم به ذکر است که گره‎های شبکه حس/کار باید توان مصرفی کمی داشته باشند که البته باید توان لازم برای مدت طولانی مثلاً 9 ماه را تاًمین کند. روش خود وفق­دهی که مورد استفاده منبع برق است یکی از روشهای پیشنهادی برای کاهش مصرف انرژی است. این روش پیشنهادی همچنین باعث بهبود تعداد گره‎های فعال و تخصیص زمان مساوی برای هر گره برای حس‎کردن و محاسبه‎کردن می‎شود. این روش علاوه بر مزیت‎های فوق میتواند عمر گره‎های حسگر فعال را افزایش دهد. با توجه به کاربردهای متنوع ذکر شده، به­کارگیری روشهای هوشمند و الگوریتم‎های ریاضی میتواند زمینه‎ساز تحقیقات گسترده‎تری در این حوزه باشند. از سوی دیگر استفاده از این موارد در مسائل کاربردی مانند زندگی دیجیتالی، خانه هوشمند، مسیر هوشمند و کسب و کار نوین میتواند موضوعات جذابی برای پژوهش‎های آتی به شمار آیند.

مراجع

[1]     C. T. Ee,N. V. Krishnan and S. Kohli,"Efficient Broadcasts in Sensor Networks,"Unpublished Class Project Report,UC Berkely,CA,May 12,2007.
[2]     X. Liu,"Coverage with Connectivity in wireless sensor networks",Third IEEE/CreateNet International Workshop on Broadband Advanced Sensor Networks (Basenet 2006),in conjunction with BroadNets,San Jose,CA,Oct. 1,2007
[3]     Wenliang Du,Lei Fang and Peng Ning. "LAD: Localization Anomaly Detection for Wireless Sensor Networks," In The Journal of Parallel and Distributed Computing (JPDC) . Volume 66,Issue 7,July 2006.
[4]     X. Liu,"Coverage with Connectivity in wireless sensor networks",Third IEEE/CreateNet International Workshop on Broadband Advanced Sensor Networks (Basenet 2006),in conjunction with BroadNets,San Jose,CA,Oct. 1,2006
[5]     Rong Zheng and Guanghui He and Xue Liu,"Location-free Coverage Maintenance in Wireless Sensor Networks," Technical report UH-CS-05-15,Dept. of Computer Science,University of Houston,2005.
[6]     M. Cardei and J. Wu,"Coverage in Wireless Sensor Networks," in Handbook of Sensor Networks,M. Ilyas and I. Mahgoub (eds.),CRC Press,2004,ISBN: 0-8493-1968-4.
[7]     C. -F. Huang and Y. -C. Tseng,"The coverage problem in a wireless sensor network," in Proc. ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications (WSNA),pp. 115–121,2003.
[8]     X. Wang,G. Xing,Y. Zhang,C. Lu,R. Pless,and C. Gill,"Integrated coverage and connectivity configuration in wireless sensor networks," in Proc. ACM International Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys),pp. 28–39,2003.
[9]     CRUISE Network of Excellence Web Portal, http://www.ist-cruise.eu/, last accessed October 2nd, 2007.
[10]   A. Hessler, D. Westho®, and E. Osipov. Encrypted persistent data storage for asynchronous wireless sensor networks (demo). 13th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (ACM MobiCom'07), 2007.
[11]  S. Lee, G. Pan, J. Park, M. Gerla, and S. Lu. Secure incentives for commercial ad dissemination in vehicular networks. In The 8th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, ACM MobiHoc 2007, 2007.
[12]  M. Manulis and J. Schwenk. Provably secure framework for information aggregation in sensor networks. In The International Conference onComputational Science and its applications, ICCSA 2007, pages 603-621, 2007.

 

اشتراک بگذارید

Submit to DeliciousSubmit to DiggSubmit to FacebookSubmit to Google PlusSubmit to StumbleuponSubmit to TechnoratiSubmit to TwitterSubmit to LinkedIn
گروه شرکت های آ د پارس