ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Понятие беспроводной сенсорной сети
Беспроводная сенсорная сеть или беспроводная датчиковая сеть — распределённая, самоорганизующаяся сеть (— система, обеспечивающая обмен данными между вычислительными устройствами) множества датчиков (— средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем) и исполнительных устройств (— устройство, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией), объединённых между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного узла к другому, то есть перед отправкой принятый сигнал усиливается и проверяется на наличие ошибок.
Рисунок 1.1 - Архитектура типичной беспроводной сенсорной сети
Одним из первых прообразов датчиковой сети можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. В середине 1990-х годов технологии беспроводных датчиковых сетей стали активно развиваться, в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешёвую элементную базу. Беспроводные сети начала 2010-х годов в основном базируются на стандарте ZigBee.
Следует отметить, что несмотря на длительную историю сенсорных сетей, концепция построения таковой сети окончательно не оформилась и не выразилась в определенные программно-аппаратные (платформенные) решения. Реализация датчиковых сетей на текущем этапе во многом зависит от конкретных требований индустриальной задачи. Архитектура, программно-аппаратная реализация находится на этапе интенсивного формирования технологии, что обращает внимание разработчиков с целью поиска технологической ниши будущих производителей.
Технологии сенсорной сети
Беспроводные сенсорные сети состоят из миниатюрных вычислительных устройств — мотов, снабжённых датчиками и передатчиками, работающими в заданном радиодиапазоне. Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети интеллектуальных датчиков среди других беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных, особенно когда речь идет о большом количестве соединенных между собой устройств, датчиковая сеть позволяет подключать до 65 000 устройств. Постоянное снижение стоимости беспроводных решений, повышение их эксплуатационных параметров позволяют постепенно перейти с проводных решений в системах сбора телеметрических данных, средств дистанционной диагностики, обмена информации на беспроводные. «Сенсорная сеть» является сегодня устоявшимся термином, обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных узлов сеть из необслуживаемых и не требующих специальной установки устройств. Каждый узел датчиковой сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микровычислитель и радио приёмопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.
Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «Сенсорные сети», является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами. Сегодня технология беспроводных датчиковых сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи наблюдения и контроля, которые критичны к времени работы датчиков. Объединённые в беспроводную сеть датчики образуют территориально-распределённую самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и наблюдение измеряемых параметров физических сред и предметов, что прекрасно обеспечивает ячеистая топология сети.
Принятый стандарт IEEE 802.15.4 описывает контроль доступа к беспроводному каналу и физический уровень для низкоскоростных беспроводных личных сетей, то есть два нижних уровня согласно сетевой модели OSI. «Классическая» архитектура датчиковой сети основана на типовом узле, который включает в себя, пример типового узла RC2200AT-SPPIO:
радио тракт;
процессорный модуль;
элемент питания;
различные датчики.
Использование в типовом узле датчиковой сети в качестве датчика второго передатчика, соответствующего стандарту ISO 24730-5, позволяет использовать датчиковую сеть также для определения местонахождения и наблюдения передвижений предметов, снабжённых специальными радиочастотными метками. Построенная из таких узлов датчиковая сеть образует беспроводную инфраструктуру RTLS.
Ячеистая топология сети
Ячеистая топология (англ. Mesh Topology) — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако, при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу "каждый с каждым". Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута следования трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.
Рисунок 1.2 - Ячеистая топология
Mesh-сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а также их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радио-модулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.
Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме half-duplex. Позднее, с развитием радио-модулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.
1.2.1 Общие особенности
"Интеллектуальность" сети - при подключении каждая точка автоматически получает информацию о всех других точках доступа в сети и "выясняет" свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.
Самовосстановление и самоадаптация — как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перенаправить данные — то есть переопределить маршруты автоматически.
Быстрое и недорогое развертывание - не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановлению и самоадаптации — данная сеть является экономной в эксплуатации.
1.2.2 Организация сети
Беспроводные ячеистые сети — первый шаг в направлении экономически эффективных и динамических сетей с высокой пропускной способностью. Такая топология, по сути, является сетью маршрутизаторов, лишенной проводов между узлами. Беспроводная ячеистая сеть построена на Peer radio устройствах, которые не требуют кабельного соединения, необходимого для традиционных беспроводных точек доступа. Mesh топология позволяет передавать данные на большие расстояния путём разбиения длинного маршрута на серию коротких переходов между узлами - хопов/hops. Промежуточные узлы не только усиливают сигнал, но и совместно передают его от точки A до точки B - осуществляют переадресацию, основываясь на их знании о сети в целом. Другими словами - каждый узел осуществляют маршрутизацию. Такая архитектура, при тщательной разработке и анализе, может обеспечить высокую пропускную способность, спектральную эффективность и экономическое преимущество в зоне покрытия.
Топология беспроводной ячеистой сети относительно постоянна. Только в случаях внезапного отключения или добавления новых узлов могут быть инициированы процессы изменения структуры сети. Маршрут движения трафика, будучи сформированным большим числом конечных пользователей - редко меняется. Практически весь трафик в топологии ячеистой сети либо направлен через шлюз, либо исходит из него, в то время как в беспроводных ad-hoc сетях трафик течет между произвольной парой узлов.
Надежность Mesh топологии обеспечивается так же тем, что каждый узел соединен с несколькими соседями. Это значит, что при выбывании узла из топологии из-за неисправностей устройства или по каким-либо другим причинам, его соседи смогут быстро перестроить маршрут для трафика используя свои протоколы маршрутизации. Это является наглядным исполнением концепции «Интернет вещей».
Концепция «Интернет вещей»
«Интернет вещей» (англ. Internet of Things, IoT) — методология вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.
1.3.1 Средства идентификации
Задействование в «интернете вещей» предметов физического мира, не обязательно оснащённых средствами подключения к сетям передачи данных, требует применения технологий идентификации этих предметов. Хотя толчком для появления концепции стала технология RFID (— способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках), но в качестве таких технологий могут использоваться все средства, применяемые для автоматической идентификации: оптически распознаваемые идентификаторы (штрих-коды, Data Matrix, QR-коды), средства определения местонахождения в режиме реального времени. При всеобъемлющем распространении «интернета вещей» принципиально обеспечить уникальность идентификаторов объектов, что, в свою очередь, требует стандартизации.
Для объектов, непосредственно подключённых к интернет-сетям, традиционный идентификатор — MAC-адрес сетевого адаптера, позволяющий идентифицировать устройство на канальном уровне, при этом диапазон доступных адресов практически исчерпаем (248 адресов в пространстве MAC-48), а использование идентификатора канального уровня не слишком удобно для приложений. Более широкие возможности по идентификации для таких устройств даёт протокол IPv6, обеспечивающий уникальными адресами сетевого уровня не менее 300 млн устройств на одного жителя Земли.