شبکه حسگر

شبکه حسگر

شبکه های حسگر

فصل اول: شبکه حسگر

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

• معرفی شبکه های حسگر……………………………………………………………………………………………………………………..
• معماری شبکه های حسگر…………………………………………………………………………………………………………………..
• ویژگیهای عمومی شبکه های حسگر…………………………………………………………………………………………………..
• کاربردهای شبکه های حسگر……………………………………………………………………………………………………………
• عوامل مهم در طراحی شبکه های حسگر…………………………………………………………………………………………

1-5-1  مسیریابی…………………………………………………………………………………………………………………………………..

1-5-2  انرژی محدود…………………………………………………………………………………………………………………………………

1-5-3  مقیاس پذیری………………………………………………………………………………………………………………………………..

1-5-4  زمان تاخیر………………………………………………………………………………………………………………………………….

1-5-5  هزینه پایین…………………………………………………………………………………………………………………………………

تحمل پذیری خطا…………………………………………………………………………………………………………………………………………

• امنیت…………………………………………………………………………………………………………………………………..

1-6 صرفه جویی در مصرف انرژی در گره های حسگر…………………………………………………………………………………………………….

1-6-1 پیش فرضهای طراحی…………………………………………………………………………………………………………………..

• اهداف طراحی……………………………………………………………………………………………………………………….

1-7روشهای زمانبندی توزیع شده در شبکه های سلسله مراتبی……………………………………………………………………..

1-8روشهای زمانبندی توزیع شده در شبکه های غیرسلسله مراتبی………………………………………………………………..

فصل دوم:مسیر یابی در شبکه حسگر

2مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

2-1تقسیم بندی پروتکل ها…………………………………………………………………………………………………………………………………

2-2 پارامترهای موردنظر در پروتکل مسیریابی……………………………………………………………………………………………………

2-2-1  دینامیک شبکه……………………………………………………………………………………………………………………………………..

2-2-2  جای گذاری حسگرها در شبکه………………………………………………………………………………………………………….

2-2-3  محدودیت انرژی…………………………………………………………………………………………………………………………………

2-2-4  مدل انتقال اطلاعات…………………………………………………………………………………………………………………………….

2-2-5  ترکیب داده ها……………………………………………………………………………………………………………………………………..

2-3 پروتکل های مسیریابی………………………………………………………………………………………………………………………………………….

2-3-1  روش سیل آسا……………………………………………………………………………………………………………………………………………

2-3-2  روش شایعه پراکنی……………………………………………………………………………………………………………………………………..

2-3-3  روش SPIN………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

2-3-4  روش انتشار هدایت شده……………………………………………………………………………………………………………………..

2-3-5  مقایسه روش انتشار هدایت شده وروشSPIN………………………………………………………………………………………………..

2-3-6  روش مسیریابی جغرافیایی…………………………………………………………………………………………………………………………

2-3-7  روشانتشار بیرون دهنده………………………………………………………………………………………………………………………..

2-3-8  روش انتشار جذب یک مرحله ای

منابع

شبکه حسگر

مقدمه                                                        

پیشرفت های اخیر در علم الکترونیک و مخابرات بی سیم باعث شده تا دانشمندان بتوانند به ایده ای که سالها آن را در سر میپروراندند، جامه عمل بپوشانند.

شبکه های حسگر ،فناوری است که به ما امکان نظارت دقیق و نامحسوس بر یک فضای گسترده فیزیکی را میدهد.

يك شبكه حسگر متشكل از تعداد زيادي گره‌هاي حسگري است كه در يك محيط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوري اطلاعات از محيط مي‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌هاي حسگري، از ‌قبل‌تعيين‌شده و مشخص نيست. چنين خصوصيتي اين امكان را فراهم مي‌آورد که بتوانيم آنها را در مکان‌هاي خطرناک و يا غيرقابل دسترس رهاکنيم

از طرف ديگر اين بدان معني است که پروتکل‌ها و الگوريتم ‌هاي شبکه‌هاي حسگري بايد داراي توانايي‌هاي خودساماندهي باشند. ديگر خصوصيت‌هاي منحصر به فردشبکه‌هاي حسگر، توانايي همكاري و هماهنگي بين گره‌هاي حسگر است. هر گره حسگر روي برد خود داراي يک پردازشگر است و به جاي فرستادن تمامي اطلاعات خام به مركز يا به گره‌اي که مسئول پردازش و نتيجه‌گيري اطلاعات است، ابتدا خود يك سري پردازش‌هاي اوليه و ساده را روي اطلاعاتي كه به دست آورده است، انجام مي‌دهد و سپس داده‌هاي نيمه پردازش شده را ارسال مي‌کند.

با اينكه هر حسگر به تنهايي توانايي ناچيزي دارد، تركيب صدها حسگر كوچك امكانات جديدي را عرضه مي‌كند. ‌در واقع قدرت شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر در توانايي به‌كارگيري تعداد زيادي گره كوچك است كه خودقادرند سازماندهي شوند و در موارد متعددي چون مسيريابي هم‌زمان، نظارت برشرايط محيطي، نظارت بر سلامت ساختارها يا تجهيزات يك سيستم به كار گرفتهشوند. هریک از گره ها مجهز به تعدادی حسگر (مانند حسگرهای صوتی ، دما ، مادون قرمز ، لرزش ، تشعشع  ویا هرگونه حسگر دیگر)، یک پردازنده کوچک ، یک گیرنده / فرستنده رادیویی و یک منبع تغذیه است. گره های این شبکه میتوانند بر روی زمین ، در هوا، زیر آب ، روی بدن انسان و یا برروی وسایل نقلیه تعبیه شوند .گره های حسگر باکمک یکدیگر سعی میکنند تا اطلاعات محیطی را جمع آوری کرده و آنها را به یک مرکز که به آن اصطلاحا Sink گفته میشود ، انتقال دهند.

جهت مشاهده و دانلود گره در شبكه حسگر بی سيم  کلیک کنید .

 معرفی شبکه های حسگر بیسیم

امروزه بحث سیستم های کنترل و نظارت ازراه دور یکی از مباحث پر چالش در زمینه علوم الکترونیک و کامپیوتر می باشد. لذا تحقیقات در هر زمانی به دنبال راه حلی می باشد تا شرایط خاص و انتظارات مدنظرراپاسخ دهد .درشرايطوكيفيتكارييكسانهرچهنسبتهزينهبهكارائيپائينترباشد،همانقدرمحبوبيتآنشيوهبالاترخواهدرفت.

پیشرفتهای اخیر در زمینه سیستمهای حسگرهای هوشمند ، مخابرات بی سیم و همچنین الکترونیک دیجیتال ، امکان ساخت گره های حسگر کوچک ، کم مصرف و کم هزینه رافراهم می سازند که توانایی برقراری ارتباط به صورت بی سیم را نیز دارا می باشند.

به طور کلی یک شبکه حسگر بی سیم شامل تعداد زیادی از این گره ها می باشند که برای اندازه گیری یک پارامتر ، داده های آنها به صورت دسته جمعی مورد توجه قرار می گیرد، یعنی همه اطلاعات جمع آوری شده یک پارامتر در یک گره از شبکه که معمولا ایستگاه پایه نامیده می شود، پردازش شده و مقدار واقعی آن پارامتر به طور نسبتا دقیقی تخمین زده می شود. در این شبکه ها معمولا از کار افتادن یک گره شبکه تقریبا تاثیری در مقدار تخمین زده شده ندارد.

در شبکه های حسگر بی سیم، گره های حسگر با تعداد زیاد در داخل مکان مورد نظر و یا بسیار نزدیک به آن برای اندازه گیری پارامتر مورد نظر قرار دارند . مکان این گره ها از قبل طراحی نشده است . این مساله به سادگی در کار جایگذاری حسگرها در شبکه کمک می کند اما در عوض ، پروتکل هایی که برای این شبکه ها به کار گرفته می شود باید خود تنظیم یا خود سازمانده باشد. با توجه به اینکه این حسگرها در داخل خود پردازنده دارند ، برای کم شدن حجم انتقال اطلاعات ، این حسگرها فقط داده مورد نیاز را پس از پردازش داده های اولیه می فرستد .

شبکه های حسگر بی سیم از جهات بسیاری  شبیه به شبکه های adhoc متحرک ( MANET ) می باشند ، اما پروتکل هایی که برای شبکه های adhoc  مورد استفاده قرار می گیرند برای شبکه های حسگر بی سیم مناسب نمی باشند. در شبکه های adhoc  مساله اصلی برای طراحی پروتکل ها ، کیفیت سرویس دهی ( Qos ) می باشد ، در صورتی که در شبکه های حسگر بی سیم محدودیت اصلی برای طراحی پروتکل ها ، انرژی محدود حسگرها می باشد. در واقع پروتکل هایی که مصرف توان در حسگرها را به حداقل برسانند ، برای شبکه های حسگر بی سیم بیشتر مورد توجه هستند.

جهت مشاهده و دانلود ادبیات شبکه حسگر بی سیم و سیستم بلوم فیلتر  کلیک کنید .

  معماری گره حسگر

گره های حسگر در حالت کلی از شش جزء تشکیل شده اند: پردازنده، حافظه، منبع تغذیه، حسگر ویا محرک، مبدل آنالوگ / دیجیتال و سیستم ارتباطی .از منظر سیستمی این مولفه ها در قالب چهار واحد عملیاتی با یکدیگر همکاری میکنند که عبارتند از:

• واحد منبع تغذیه که متشکل از یک باتری است که ولتاژ لازم جهت به کار انداختن سایر مولفه ها را فراهم میکند و معمولا قابل شارژ مجدد نیست.
• واحد حسگر که شامل حسگر ومحرک و همچنین یک مبدل آنالوگ دیجیتال است  که ارتباط گره حسگر را با دنیای فیزیکی میسر میسازد.
• واحد پردازش و محاسبات که یک ریز کنترل کننده یا یک ریز پردازنده همراه با یک حافظه است که گره حسگر را هوشمند میسازد.
• واحد ارتباطی که شامل یک گیرنده / فرستنده رادیویی با برد کم است که ارسال و دریافت داده را میسر میکند. علاوه بر موارد فوق یک ریز سیستم عامل بلادرنگ واحدهای حسگر، پردازشگر و ارتباطی را کنترل و هدایت میکند.شکل 1-1 معماری یک گره حسگر را از دیدگاه سیستمی نشان می دهد.

شبکه حسگر

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات پایان نامه برق کلیک کنید.

ویژگیهای عمومی شبکه های حسگر

علاوه بر نكاتي كه تاكنون درباره شبكه‌هاي حسگر به عنوان مقدمه آشنايي با اين فناوري بيان كرديم، اينشبكه‌ها داراي يك سري ويژگي‌هاي عمومي نيز هستند. مهم‌ترين اين ويژگي‌ها عبارت استاز:

• بر خلاف شبكه‌هاي بي‌سيم سنتي، همه گره‌ها در شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر نيازيبه برقراري ارتباط مستقيم با نزديك‌ترين برج كنترل قدرت يا ايستگاه پايه ندارند،بلكه حسگرها به خوشه‌هايی (سلول‌هايی) تقسيم می‌شوند که هر خوشه (سلول) يک سرگروهخوشه موسوم به Parent انتخاب مي‌کند.اين سرگروه‌ها وظيفه جمع‌آوری اطلاعاترا بر عهده دارند. جمع‌آوری اطلاعات به منظور کاهش اطلاعات ارسالی از گره‌ها بهايستگاه پايه و در نتيجه بهبود بازده انرژی شبکه انجام می‌شود. ‌البته چگونگيانتخاب سرگروه خود بحثي تخصصي است كه در تئوري شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر مفصلاً موردبحث قرار مي‌گيرد.
• هر حسگر موجوددر شبكه دارای يک رنج حسگری است که به نقاط موجود در آن رنج احاطه کامل دارد. يکیاز اهداف شبکه‌های حسگر اين است که هر محل در فضای مورد نظر بايستی حداقل در رنجحسگری يک گره قرار گيرد تا شبكه قابليت پوشش همه منطقه موردنظر را داشتهباشد.

يک حسگر با شعاع حسگری r را می‌توان با يک ديسک با شعاع r مدل کرد. اينديسک نقاطی را که درون اين شعاع قرار مي‌گيرند، تحت پوشش قرار می‌دهد. بديهي است کهبرای تحت پوشش قرار دادن کل منطقه اين ديسک‌ها بايد کل نقاط منطقه رابپوشانند.

مسیر یابی در شبکه های حسگر

• مقدمه

پیشرفت ها در تکنولوژی حسگرها سبب تولید حسگرهای بی سیم با توانایی حس کردن و گزارش پدیده های متفاوت شده است .  اما این سیستم ها با پهنای باند، انرژی و محدودیت های عملکردی که سبب تعیین میزان اطلاعات ارسالی می شود ، دست و پنجه نرم می کند . مسیریابی داده یک تکنیک شناخته شده برای کم کردن این مسائل است . اما بعضی از این محدودیت ها به سبب نبودن تطبیق با همبندی شبکه دینامیک و الگوهای ترافیکی پیش بینی نشده ، وجود دارد . مهمترین محدودیت ها در شبکه های حسگر بی سیم ، توان ، قدرت ذخیره سازی و پردازش می باشد.

تکنیک های مسیریابی در شبکه های حسگر به صورت گسترده در مقالات علمی مورد توجه قرار گرفته است . در این فصل یک مطالعه مجمل روی الگوریتم های مسیریابی و پارامترهای ایمن سازی مربوط انجام می شود.

با توجه به تفاوت های عمده بین شبکه های حسگر بی سیم با شبکه های امروزی و همچنین شبکه های MANET ، مسیریابی در این شبکه ها توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. این تفاوت ها به قرار زیر است :

1. امکان ایجاد یک مبنای آدرس دهی کلی در این شبکه ها وجود ندارند. بنابراین پروتکل هایی مثل پروتکل اینترنت ( IP ) در این شبکه ها کاربرد ندارند.
2. تقریبا در تمامی کاربرد های شبکه های حسگر بی سیم نیاز به این امر می باشد که داده ها از نواحی مختلف به سمت یک ایستگاه پایه مشخص جریان پیدا کند( بر خلاف دیگر شبکه های مخابراتی )
3. با توجه به اینکه حسگرهایی که در نزدیکی پدیده مورد نظر برای اندازه گیری قرار دارند با احتمال زیاد یک نوع داده تولید می کنند ، بنابراین تعداد داده های تکراری در این شبکه ها زیاد است.
4. این حسگرها از نظر قدرت در ارسال داده ، انرژی ، قدرت پردازش اطلاعات و حافظه محدودیت دارند ، پس پروتکل های مسیر یابی باید یک مدیریت بسیار دقیق روی این منابع داشته باشند.

با توجه به اختلافات ذکر شده ، تعداد زیادی الگوریتم جدید برای حل مشکل مسیریابی برای شبکه های حسگر بی سیم ، پیشنهاد شده است. در طراحی این مکانیزم های مسیریابی ، علاوه بر مشخصات خاص حسگرها برای آن شبکه ، کاربرد شبکه و همچنین نیازمندی های ساختار آن نیز در نظر گرفته شده است.

Refrences

• [1]    I.F. Akyildiz and W. Su and Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci, Wireless Sensor Networks: A SurveyIEEE Computer, vol. 38, no. 4, pages 393-422, Mar. 2002
• [2]   P.Santi,topologhy control in wireless adhoc ad sensor networks,ACM computing Survey,Vol.37,No.2,June2005
• [3]   A. Ananda, MunChoon Chan, Rajeev Shorey, Wei Tsang Ooi, Mobile, Wireless and Sensor Networks : Technology, Applications and Future Directions,2006
• [4]W.Heinzelman,A.P.Chandrakasan,H.Balakrishnan,” An Application-Specific Protochol Architecture for Wireless Microsensor Networks”, IEEE Transactions on Wireless Comunications, Vol.1,No.4,pp.660-670,Oct 2002
• [5]Sanjay Burman. Cryptography and security – future challenges and issues.Invited Talk, 2007
• [6]  M.Hatler,“wireless sensor networks:mass market opportunities on world inc,2004
• [7]  MauriKuorilehto,MarkoHannikainen,Timo D.Hamalainen,”A survey of application distribution in wireless sensor networks,pp.774-788.Journal of 2005
• [8]  D. Culler, D. Estrin, and M. Srivastava, “Overview of sensor networks,” Computer, Vol. 37, No. 8, pp. 41-49, August 2004
• [9]ANDREA J. GOLDSMITH, STEPHEN B. WICKER, Design challenges for energy-constrained ad hoc wireless networks, Journal: IEEE Wireless Communications , vol. 9, no. 4, pp. 8-27, 2002
• [10] BhaskarKrishnamachari,Networking Wireless Sensors,Cambridge university press,2005
• [11] S.Madden,M.Franklin,J.Hellerstein,W.Hong,”TinyDB:AnAcquisitional Query Processing system for sensor networks,” V.30,pp.122-173,March 2005
• [12]S.Madden,J.Gehrke,”Query Processing in Sensor Networks”,IEEE CS and IEEE ComSoc,ISSN:1536-1268,2004
• [13]  B.A.Warneke,K.S.J.Pister,Exploring the Limits of system Integration with Smart Dust,ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition,2002
• [14]  D.Malan,T.Fulford-Jones,M.Welsh,S.Moulton,”AnAdHoc sensor Network Infrastructure for Emegency Medical Care,Boston,June 2004
• [15] Geoffrey Werner-Allen,”Deploying a Wireless Sensor Network On an Active Volcano”Mar2006
• [16] A.Mainwaring,J.Polastre,R.Szewczyk,D.Culler,J.Anderson,”Wireless sensor networks for habitat monitoring”,PP.88-97,2002
• [17]  [1]    I.F. Akyildiz and W. Su and Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci, Wireless Sensor Networks: A SurveyIEEE Computer, vol. 38, no. 4, pages 393-422, Mar. 2002

https://scholarcommons.sc.edu/elct_etd/