Wireless Sensor Networks (WSN) förklaras på 5 minuter eller mindre

Trådlösa Sensornätverk: En Översikt

Trådlösa sensornätverk, ofta förkortat WSN (Wireless Sensor Networks), fungerar som intelligenta system för att registrera och reagera på fysiska och miljörelaterade händelser. Dessa händelser kan inkludera förändringar i temperatur, tryck, ljusstyrka och andra parametrar, som registreras via sensorer.

Utvecklingen inom trådlös kommunikation och mikroelektromekaniska system (MEMS) har gjort det möjligt att sprida lågenergisensorer på ett smart sätt över stora områden. Detta har lett till att kostnadseffektiva WSN-lösningar har blivit tillgängliga för både militära och civila användningsområden.

I de följande avsnitten kommer vi att utforska olika typer av WSN, deras ingående komponenter, användningsområden, fördelar och nackdelar.

Vad Innebär Ett Nätverk?

Ett nätverk skapar förbindelser mellan enheter, vilket möjliggör utbyte av information och delning av resurser. Dessa sammankopplade enheter kommunicerar genom protokoll, som TCP/IP, UDP, FTP, HTTP och SMTP. Dessa protokoll är en uppsättning regler som styr dataöverföring via trådlösa eller trådbundna anslutningar.

Nätverk kan huvudsakligen delas in i två kategorier: trådbundna och trådlösa. Den huvudsakliga skillnaden mellan dessa är deras dataöverföringshastighet, säkerhet, kommunikationsräckvidd och kostnad.

Trådbundna nätverk använder fysiska kablar för att koppla samman enheter, medan trådlösa nätverk förlitar sig på radiovågor. Det finns en rad trådlösa tekniker, såsom Wi-Fi och Bluetooth, som används för detta ändamål.

Som namnet antyder, tillhör trådlösa sensornätverk (WSN) den trådlösa kategorin, och datakommunikationen sker genom radiosignaler.

Vad Är Ett Trådlöst Sensornätverk (WSN)?

Ett trådlöst sensornätverk, eller WSN, är en samling specialiserade sensorer som är strategiskt placerade inom olika strukturer. Deras syfte är att registrera och övervaka fysiska miljöparametrar och sammanställa denna data på en central plats.

Dessa parametrar kan vara exempelvis temperatur, tryck, vindhastighet och luftfuktighet.

Ett WSN-nätverk består av basstationer och sensorer som placerats på olika platser och kommunicerar trådlöst med varandra. Strukturellt sett kan WSN implementeras med hjälp av fyra olika metoder: punkt-till-punkt, stjärnformad, trädstruktur och nätverksstruktur.

WSN kan delas in i fem typer baserat på den fysiska miljön där de används: underjordiska, markbaserade, undervattens-, multimedia- och mobila WSN.

Nya sensordesigner utnyttjar tekniska framsteg för att koppla samman fysiska och digitala världar på ett effektivt sätt.

Sensorerna i WSN registrerar fysiska och miljömässiga förändringar och överför sedan denna data till en basstation för analys och rapportering. Genom att integrera WSN med GPS eller RFID kan man skapa avancerade spårnings- eller övervakningssystem.

Huvudsyftet med WSN är att samla in miljöinformation för att förbättra säkerhet, produktivitet, förebygga olyckor och skydda miljön.

Beståndsdelar i Ett WSN

Låt oss titta närmare på de komponenter som utgör ett WSN. WSN består huvudsakligen av två delar: sensoroden och nätverksarkitekturen.

Sensornod

En sensornod innefattar följande komponenter:

Strömförsörjning: Förser alla komponenter i nätverket med energi.
Sensor: Inkluderar sensor och ADC (analog-till-digital omvandlare). Sensorn samlar in analoga data, och ADC omvandlar dem till digitalt format. Sensorerna har även bearbetnings-, kommunikations- och lagringsförmåga. De samlar in och analyserar data och jämför information från andra sensorer.
Bearbetningsenhet: Innehåller minne och mikroprocessor, vilket används för intelligent bearbetning och manipulering av data.
Kommunikationssystem: Ett radiosystem för dataöverföring och mottagning.
Basstation: En central nod med hög kapacitet för beräkning och bearbetning.

Klusterhuvud: En sensor med hög bandbredd som används för datafusion och aggregering inom ett WSN-kluster. Antalet klusterhuvuden beror på systemets och applikationens behov.

I ett WSN kommunicerar en sensornod med andra sensornoder i ett större område för att övervaka fysiska miljöer. Information överförs sedan till en basstation (BS) via trådlös kommunikation. Sensorerna samlar in data som skickas till basstationen, där den behandlas och delas med användare.

Nätverksarkitektur

När alla sensorer är anslutna direkt till basstationen, kallas det en Single-hop-nätverksarkitektur. För långdistansöverföringar används ofta en multi-hop-arkitektur, där data överförs via mellanliggande noder istället för en direktlänk till basstationen, eftersom långdistansöverföring kräver mer energi.

Dessa strukturer kan implementeras på två sätt: platt nätverksarkitektur och hierarkisk nätverksarkitektur.

I en platt struktur kontrollerar basstationen alla sensornoder, och data överförs via peer-noder med hjälp av en multi-hop-metod. I en hierarkisk arkitektur samlar klusterhuvuden in information från en grupp sensornoder och vidarebefordrar den till basstationen.

Andra Komponenter i WSN

Relänod: En mellanliggande nod som kommunicerar med närliggande noder och förbättrar nätverkets tillförlitlighet. Den har ingen sensor- eller styrmöjlighet.
Aktornod: En avancerad nod som används för att fatta beslut baserat på applikationskrav. Dessa noder är resursstarka med hög processorkraft, överföringseffekt och batteritid.
Gateway: En gateway fungerar som gränssnitt mellan sensornätverket och externa nätverk. Den har högre prestanda och kapacitet än sensorerna, med utökad minneskapacitet och möjligheter till expansion.

Typer av Trådlösa Sensornätverk (WSN)

Det finns fem huvudsakliga typer av WSN:

Undervattens-WSN: Använder sensorer och undervattensfarkoster för att samla in data. Dessa nätverk kännetecknas av hög latens, sensorfel och begränsad batteritid.
Underjordiska WSN: Övervakar underjordiska förhållanden och överför data till basstationer ovan jord. Dessa nätverk är dyrare än markbundna på grund av utrustnings- och underhållskostnader.
Markbundna WSN: Används för att övervaka miljöförhållanden på land. De består av tusentals sensorer som kommunicerar med basstationer i en ad hoc eller förplanerad struktur.
Multimedia WSN: Används för att spåra och övervaka multimediahändelser som video, bilder och ljud. De använder kameror och mikrofoner för att hämta, komprimera och bearbeta data.
Mobila WSN: Innehåller sensorer som kan röra sig och kommunicera samtidigt som de utför mätningar. De erbjuder större flexibilitet, täckning, kanalutnyttjande och energieffektivitet jämfört med stationära nätverk.

Valet av WSN-typ beror på applikationens och miljöns specifika krav.

Olika Strukturer av WSN

Det finns fyra grundläggande nätverksstrukturer. Valet av struktur påverkar nätverkets latens, kapacitet och robusthet. Därför är det viktigt att noggrant utvärdera kraven och applikationens art innan man implementerar en struktur.

Noder kan även anslutas till internet och överföra data till en molnplattform för vidare analys.

Punkt-till-punkt eller bussstruktur: Sensorer kan kommunicera direkt med varandra utan en central enhet. Denna struktur är vanlig och erbjuder säker kommunikation.
Stjärnstruktur: Använder en basstation som central nod för kommunikation. Den är enkel att implementera och kräver lite energi, men nackdelen är att den är beroende av en enda basstation.
Träd eller hybridstruktur: En kombination av punkt-till-punkt- och stjärnstrukturer, där sensorer är anordnade i en trädliknande konfiguration och data överförs via grenar. Denna struktur använder mindre energi än andra strukturer.
Nätstruktur: Data överförs mellan sensorer inom deras överföringsområde. Mellannoder kan användas för att nå sensorer utanför det direkta täckningsområdet. Denna struktur är känd för sin skalbarhet och redundans, men kräver mer energi.

Användningsområden för WSN

WSN används i stor utsträckning inom olika sektorer där mätning, spårning eller övervakning krävs. De kan distribueras över stora områden för att mäta temperatur, ljud och andra parametrar i olika tillämpningar.

De används för övervakning och upptäckt av inkräktare, ofta inom militären för att upptäcka fientliga aktiviteter.
De används inom civila applikationer som gruvdrift, sjukvård, övervakning, jordbruk och miljöövervakning.
Trådlösa sensorer används för att detektera parkerade fordon via magnetometrar, och även för spårning.
WSN är populära för miljö- och jordbruksövervakning, som förebyggande av naturkatastrofer, jordskredsdetektion, vattenkvalitetsövervakning, skogsbrandsdetektion och habitatövervakning. De används även för industriella övervakningslösningar, maskinhälsa, avloppshantering och strukturell hälsoövervakning.

Fördelar och Nackdelar med Trådlösa Sensornätverk

Låt oss nu undersöka fördelarna och nackdelarna med WSN:

Fördelar

WSN är att föredra framför trådbundna system på grund av deras bekvämlighet, tillförlitlighet, kostnadseffektivitet och enkla installation.
De eliminerar behovet av kablar och ledningar.
WSN:s kapacitet påverkas av flera faktorer: avkänningsnoggrannhet, täckningsområde, feltolerans, anslutningsmöjligheter, minimalt behov av mänsklig interaktion, funktionalitet under utmanande förhållanden och dynamisk sensorschemaläggning.
Möjliggör centraliserad övervakning av alla noder.
Kan anpassas till fysiska uppdelningar utan problem.
Använder routingprotokoll för kommunikation i miljöer med begränsad prestanda och bandbredd, skapar självorganiserande ad hoc-nätverk som använder multi-hop-kommunikation.
Använder trådlösa säkerhetsalgoritmer för att skapa ett pålitligt nätverk för användarna.
Tillåter enkel integrering av nya noder och enheter, vilket möjliggör skalbarhet.

Nackdelar

WSN står inför utmaningar som begränsad bandbredd, hög energiförbrukning, höga nodkostnader, implementeringsmodeller och designbegränsningar i hårdvara/mjukvara.
Trådlösa sensornätverk är känsliga för hacking.
WSN är utformade för applikationer med låg hastighet och är inte lämpliga för snabb kommunikation.
Det kan vara dyrt att bygga WSN-nätverk.
I stjärnbaserade nätverk kan hela nätverket sluta fungera om den centrala noden fallerar.

Lärresurser

Här följer några resurser för dig som vill lära dig mer om WSN:

#1. Bygga Trådlösa Sensornätverk med Arduino

Denna bok visar hur man skapar ett energieffektivt trådlöst nätverk med Arduino- och XBee-utrustning. Den innehåller detaljerade beskrivningar av komplexa projekt med illustrativa exempel, samt bilder, skärmdumpar och beskrivning av ett hemautomationsprojekt.

Du lär dig hur du trådlöst ansluter Arduino-kort med XBee-moduler och styr miljön baserat på data från nätverkssensorer. Du får även lära dig att använda programvaran XCTU för att samla in och lagra sensordata i en molnplattform eller personlig databas och hur du interagerar med ZigBee Home Automation-enheter.

Boken är riktad till inbyggnadssystemutvecklare och entusiaster med Arduino-kunskaper som vill utöka sina projekt med trådlös teknik.

#2. Bygga Trådlösa Sensornätverk: Med ZigBee, XBee, Arduino och Processing

Denna bok fokuserar på att bygga ett ZigBee-nätverk med XBee-radio och Arduino för en låg kostnad. Den ger kunskap om hur man skapar anpassningsbara system för avkänning och aktivering och ger kunskap om XBee-komplikationer, strömhantering och källdirigering. Boken hjälper dig att utveckla gateways för sammankoppling med angränsande nätverk, inklusive internet.

Boken riktar sig till uppfinnare, hackare, hantverkare, studenter, hobbyister och forskare som vill lära sig att bygga sina egna projekt genom att följa exemplen i boken.

Det är en bra resurs för att skapa smarta interaktiva enheter och sensorsystem med hjälp av ZigBees trådlösa nätverksprotokoll och Series 2 XBee-radio.

#3. Industriella Trådlösa Sensornätverk (IWSN): Protokoll och Applikationer

Denna publikation presenterar ny forskning om industriella trådlösa sensornätverk. Artiklarna bidrar till att främja forskningen om IWSN och inspirera till ytterligare utveckling. IWSN är viktiga på grund av den ökande användningen av trådlösa sensornätverk i vardagen och industrin, där robusthet, tillförlitlighet och snabbhet är viktiga parametrar.

#4. Bygga Trådlösa Sensornätverk med ESP32 LoRa

Denna guide ger instruktioner för att implementera ett grundläggande trådlöst sensornätverk (WSN) med ESP32 på LoRa-nätverket. Guiden täcker olika aspekter, inklusive förberedelse av utvecklingsmiljön, konfiguration av ESP32 LoRa, sändning och mottagning av data, hantering av LoRa-mottagareavbrott, sändning av meddelanden på LoRa-nätverket och skapandet av en WSN-applikation med ESP32 LoRa.

Sammanfattning

Trådlösa sensornätverk (WSN) har blivit oumbärliga för många övervaknings- och spårningstillämpningar. Utvecklingen har gått från enkel sensorövervakning till avancerad avkänning, bearbetning och analys. WSN-tekniken har genomgått betydande förändringar och fortsätter att utvecklas för att samla in värdefull information och uppnå önskade resultat.

Om du är intresserad kan du även undersöka hur arkitekturmodellen för TCP/IP-protokollet fungerar.