معرفی شبكه حسگر بی‌سیم (Wireless Sensor Network)

شبكه حسگر/ كارانداز شبكه‌ای است متشكل از تعداد زیادی گره كوچك. در هر گره تعدادی حسگر و یا كارانداز وجود دارد. شبكه حس/ كار به شدت 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 كار می‌كند و نوعا از لحاظ فیزیكی بسیار كوچك است و دارای محدودیت‌هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و … می‌باشد. این محدودیت‌ها مشكلاتی را به وجود می‌آورد كه منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است.

این شبكه از پشته پروتكلی شبكه‌های سنتی پیروی می‌كند ولی به خاطر محدودیت‌ها و تفاوت‌های وابسته به كاربرد پروتكل‌ها باید بازنویسی شوند. این مقاله ضمن معرفی شبكه حس/ كار و شرح ویژگی‌ها، محدودیت‌ها، كاربردها، ایده‌ها و چالش‌ها، به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می‌پردازد. پیشرفت‌های اخیر در فناوری ساخت مدارات مجتمع در اندازه‌های كوچك از یك سو و توسعه فناوری ارتباطات بی‌سیم از سوی دیگر زمینه‌ساز طراحی شبكه‌های حس/كار بی‌سیم شده است. تفاوت اساسی این شبكه‌ها ارتباط آن با محیط و پدیده‌های فیزیكی است.

شبكه‌های سنتی ارتباط بین انسان‌ها و پایگاه‌های اطلاعاتی را فراهم می‌كند در حالی كه شبكه حس/ كار مستقیما با جهان فیزیكی در ارتباط است با استفاده از حسگرها محیط فیزیكی را مشاهده كرده، 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 نوعا تك‌منظوره هستند. در صورتی كه گره‌ها توانایی حركت داشته باشند شبكه می‌تواند گروهی از ربات‌های كوچك درنظر گرفته شود كه با هم به صورت تیمی كار می‌كنند و جهت مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن یا جست‌وجو در میدان جنگ طراحی شده است.

از دیدگاه دیگر اگر در شبكه تلفن همراه ایستگاه‌های پایه را حذف نماییم و هر گوشی را یك گره فرض كنیم ارتباط بین گره‌ها باید به طور مستقیم یا از طریق یك یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبكه حس/ كار بی‌سیم می‌باشد. اگرچه به نقلی تاریخچه شبكه‌های حس/ كار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریكا برمی‌گردد. ولی این ایده می‌توانسته در ذهن طراحان ربات‌های متحرك مستقل یا حتی طراحان شبكه‌های بی‌سیم موبایل نیز شكل گرفته باشد. به هر حال از آنجا كه این فن نقطه تلاقی دیدگاه‌های مختلف است تحقق آن می‌تواند بستر پیادهسازی بسیاری از كاربردهای آینده باشد. كاربرد فراوان این نوع شبكه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در كامپیوتر و الكترونیك از جمله امنیت شبكه، ارتباط بلادرنگ‌، پردازش صوت و تصویر، داده كاوی، رباتیك، طراحی خودكار سیستم‌های جاسازی شده دیجیتال و … میدان وسیعی برای پروهش محققان با علاقه‌مندی‌های مختلف فراهم نموده است. شبكه‌های ارتباطی گیرنده بی‌سیم در حال حاضر در محیط‌های شهری هم استفاده می‌شوند شامل نظارت محیط و محل‌های سكونت، استفاده بهداشتی و سلامتی، كنترل دستگاه‌های خود كارخانه و نظارت در ترافیك و … .

ساختار كلی شبكه حس/ كار بی‌سیم

در اینجا تعدادی از تعاریف كلیدی در ساختار كلی شبكه حس/ كار بی‌سیم را ذكر می‌كنیم.

حسگر: وسیله‌ای كه وجود شی‌‌ای رخداد یك وضعیت یا مقدار یك كمیت فیزیكی را تشخیص داده و به سیگنال الكتریكی تبدیل می‌كند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب‌سنج، مغناطیس‌سنج 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 گره‌ای گفته می‌شود كه فقط شامل یك یا چند حسگر باشد.

گره كارانداز: به گره‌ای گفته می‌شود كه فقط شامل یك یا چند كارانداز باشد. گره حسگر/كارانداز: به گره‌ای گفته می‌شود كه مجهز به حسگر و كارانداز باشد.

شبكه حسگر: شبكه‌ای كه فقط شامل گره‌های حسگر باشد. این شبكه نوع خاصی از شبكه حس/ كاراست. در كاربردهایی كه هدف جمع‌آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یك پدیده می‌باشد كاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.

میدان حسگر/ كارانداز: ناحیه كاری كه گره‌های شبكه حس/كار در آن توزیع می‌شوند.

مدل شبكه حسگر

شبكه‌های حسگر توانایی كنترل مناطق جغرافیایی چندگانه، به دست آوردن اطلاعات و پردازش داده در شبكه را دارا می‌باشد. طراحی زیربنایی از این شبكه‌های حسگر می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز باشد. اساسی‌ترین هدف یك طراحی در پتولومی سه عامل اصلی قابل مطرح است. نقطه آغاز یك طراحی ایجاد جریانی از فرآیندها یا تكنیك طراحی قدم به قدم برای هر جزء شبكه‌های حسگر است.

كاربردها و چند مثال كاربردی

كاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشكی تقسیم می‌شوند. سیستم‌های ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده‌بانی و میدان مین هوشمند، سیستم‌های هوشمند دفاعی از كاربردهای نظامی می‌باشد. در كاربردهای مراقبت پزشكی سیستم‌های مراقبت از بیماران ناتوان كه مراقبی ندارند. محیط‌های هوشمند برای افراد سالخوده و شبكه ارتباطی بین مجموعه پزشكان با یكدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله كاربردهای آن است.

كاربردهای تجاری طیف وسیعی از كاربردها را شامل می‌شود مانند سیستم‌های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش‌سوزی (در جنگل)، تشخیص آلودگی‌های زیست محیطی از قبیل آلودگی‌های شیمیای، میكروبی، هسته‌ای، سیستم‌های ردگیری، نظارت و كنترل وسایل نقلیه و ترافیك، كنترل كیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده‌های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل، تحقیق در مورد زندگی گونه‌های خاص از گیاهان و جانوران و … . همچنین می‌توانند در محیط‌های بیابانی هم گسترش یابند و سال‌ها باقی بمانند (برای كنترل تغییراتی محلی). در برخی از كاربردها نیز شبكه حس/ كار به عنوان گروهی از ربات‌های كوچك كه با همكاری هم فعالیت خاصی را انجام می‌دهند استفاده می‌شود.

1) نظارت بر ترافیك

اغلب شبكه‌های حسگر بسیار دینامیك و پویا هستند. اشیا به وسیله رفت‌وآمد یك شبكه حسگر نظارت می‌شوند و ممكن است در اطراف یك میدان حسگر حركت كنند.گره‌های حسگر جدید می‌توانند به شبكه ملحق شوند و موقعی كه باتری یك گره حسگر تخلیه می‌شود آن شبكه را ترك می‌كند. یك مدل طبیعی از چنین شبكه‌های حسگر پویایی باید از تغییرات در شبكه پشتیبانی كند نه فقط در توپولوژی اتصال داخلی، بلكه در مجموعه مؤلفه‌ها ی موجود در شبكه Ptolemy II برای تغییر در ساختار مدل پشتیبانی دارد. ما با مثال نشان می‌دهیم كه چه طور این مدل‌سازی شبكه حسگر با كاربرد نظارت بر ترافیك به كار گرفته شود.

حسگرها در امتداد جاده برای جمع‌آوری اطلاعات كه به پایگاه اصلی برای تحلیل بیشتر فرستاده می‌شود، توزیع می‌شوند. برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی چنین شبكه‌ای ما ابتدا یك مدل برای میدان حسگر می‌سازیم كه شامل یك مؤلفه برای هر گره حسگر و كانال‌ها (یك كانال بی‌سیم برای انتقال میان حسگر ها و یك كانال صوتی برای انتشار سیگنال از وسایل عبوری در حسگرها). برای اینكه رفتار شبكه را شبیه‌سازی كنیم علاوه براین به یك مدل محرك برای تولید ورودی ترافیك به میدان حسگر نیاز داریم. سئوال این است كه چه نوع از ورودی باید برای مدل محرك در میدان حسگر فراهم گردد؟ به طور مشخص آن یك ماشین است كه در امتداد جاده در یك كران و حاشیه وارد می‌شود. در این جهت محرك واقعاً یك مدل ماشین (اتومبیل) اضافه شده به میدان حسگر است. از آنجایی كه ماشین‌ها می‌توانند در هر زمان وارد یك منطقه شده و پس از مدتی آن را ترك كنند، میسر نخواهد بود تا آنها به طور ایستا در میدان حسگر مدل شوند.

برای نگهداری ساختار دینامیك به علت ورود و خروج ماشین‌ها ما یك اكتور سطح بالا را استفاده می‌كنیم (یكی كه به عنوان مدل می‌گیرد ورودی دیگر را). یك چنین اكتوری مدل دیگری كه را كه محاسبه‌اش را معین می‌كند در بر می‌گیرد و در طول اجرا مدل نگهداشته شده می‌تواند به طور پویا تغییر داده شود. اكتور سطح بالا دو ورودی دارد، با اولین ورودی داده را دریافت می‌كند كه مدل نگهداشته شده باید پردازش شود و ورودی دوم تغییرات مدل را در مدل نگهداشته جاری دریافت می‌كند.تغییرات مدل می‌تواند مؤلفه‌های جدیدی از قبیل اكتورهایی كه ماشین‌ها را مدل می‌كنند اضافه كند. مؤلفه‌های موجود و اتصالات را حذف یا اضافه كنند.

موقعی كه اجرا شروع می‌شود اكتور سطح بالا یك مدل درون تهی دارد. آن ابتدا یك تغییر مدل را برای ساخت میدان حسگر دریافت می‌كند بعد از تغییر به كار برده شده، اجرا با هیچ وسیله نقلیه‌ای ادامه پیدا نمی‌كند. هنگامی كه مدل ترافیك تصمیم‌گیری می‌كند كه ورود ماشین به میدان به وجود آید آن یك مدل ماشین را تولید می‌كند و به اكتور سطح بالا آن را می‌فرستد، سپس مدل نگهداشته شده را برای قرار دادن مدل ماشین تغییر می‌دهد. اجرا با حركت ماشین در منطقه بر طبق برنامه رانندگی ادامه می‌یابد و حسگر در مسیرش به وسیله كانال صوتی كشف می‌كند كه آیا یك عبور اتومبیل وجود دارد یا خیر. اگر یك ماشین را شناسایی كند، حسگر سپس داده‌ای را به پایگاه اصلی می‌فرستد.

بررسی مناطق جغرافیایی

محققان اروپایی و هندی براساس تحقیقات به دست آمده از ارگانیسم‌های زنده، به طراحی شبكه حسگرهای بی‌سیم خودساختار اقدام كردند كه كاربرد وسیعی در بررسی‌های پیرامونی (محیطی) دارد. باران‌های ناشی از بادهای موسمی اقیانوس هند (مانسون) در ایالت كرالای هند باعث افزایش خطر زمین‌لرزه می‌شود اما سئوال اینجاست كه چگونه می‌توان به مردم این مناطق قریب الوقوع بودن خطر مانسون را اطلاع داد؟ یك راه، استفاده از شبكه حسگرهای بی‌سیم است كه به منظور نظارت بر شرایط زمین شناسی طراحی شده است. استفاده از این سیستم در حال عمومی شدن است؛ چرا كه این حسگرها كوچك، ساده و ارزان بوده و نیازی به كابل‌كشی جهت وصل كردن گره‌های اتصالات و مركز كنترل ندارند و می‌توانند كاربردهای متعددی داشته باشند.

البته نقاط ضعفی نیز در این سیستم وجود دارد. برای مثال خراب شدن پیوندهای ارتباطی حسگرها و این كه منبع تغذیه گره‌ها باتری است. شبكه بزرگ به واسطه حسگرهای زیادی كه همزمان با مركز كنترل در حال ارسال گزارش هستند، شلوغ و پرترافیك می‌شود و چالش پیش رو این است كه آیا این سیستم می‌تواند به طور قابل اطمینان در مركز كنترل آلودگی هوا نظارت كند، آیا این سیستم قابلیت اندازه‌گیری شرایط آب و هوایی را دارد؟ اینها موانعی است كه این پروژه را معلق نگه داشته است. اتحادیه اروپایی به منظور یافتن راه‌های جدید برای رفع مشكل و تقویت این سیستم در مقابل خرابی گره‌های اتصال و توانایی تولید در مقیاس بزرگ، سرمایه‌گذاری خوبی را انجام داده است. آنچه این پروژه را با پروژه‌های قبل از آن متمایز می‌كند، این است كه طرح اولیه آن از سیستم‌های بیولوژیك گرفته شده است، چرا كه این شبكه شامل حسگرهای زیادی است و ارگانیسم‌های زنده نیز از سلول‌های منفرد فراوانی ساخته شده است.

اگرچه هر كدام از این سلول‌ها پایداری و قابلیت اطمینان ویژه‌ای ندارند، اما تمام قلب به عنوان یك سیستم به شدت پایدار بوده و می‌تواند به آسانی با تغییر شرایط منطبق شود. سرآغاز این پروژه، تهیه مدل ریاضی سیستم‌های بیولوژیكی و ترجمه آنها به الگوریتم‌هایی بود كه نشان‌دهنده چگونه گره‌ها باید با یكدیگر در تقابل باشند. یك نمونه گره حسگر تولید شد، اما بحث اینجا بود كه چگونه شبكه حتی با وجود خرابی چند حسگر، قادر به ادامه كار باشد. پاسخ، یك سیستم خودسازمانده است. در این پروژه، گره حسگر با گره‌های مجاور به گونه‌ای در ارتباط است تا به توافق برسند چه چیزی را حس كنند. سپس شبكه، بهترین مسیر بین گره‌های موجود را برای مخابره اطلاعات به مركز كنترل انتخاب می‌كند؛ این اصل بیولوژیكی در سیستم ردیابی زمین‌لغزه (ریزش كوه) به كار می‌رود. نمونه اولیه این شبكه در جنگل‌های پرباران منطقه كرالا در هند نصب شده است.

این ناحیه در فصل بارندگی نسبت به زمین‌لغزه آسیب‌پذیر است. حسگرها زیر زمین كار گذاشته می‌شوند، سپس به یك ماهواره كه اطلاعات را جمع می‌كند و به مركز كنترل انتقال می‌دهد، متصل می‌شوند. این شبكه شامل 12 حسگر ژئولوژیكی است كه به 15 گره حسگر متصل هستند و در طول 13 هكتار زمین پخش شده‌اند. در نمایش دیگری، محققان یك شبیه‌ساز رایانه‌ای را كه انتشار آتش در جنگل را شبیه‌سازی می‌كرد، ساختند. این شبیه‌ساز به تقلید از شبكه حسی طراحی شده بود تا بر جنگل‌ها نظارت داشته باشد و آتش‌سوزی را اعلام كند. این حسگرها در جنگل‌های جمهوری چك نصب شد تا منبع گرما و دود را مشخص كند. هدف نهایی پژوهشگران از اجرای این پروژه پیشرفت در طراحی خودسازمانده است. محققان معتقدند تبادل ایده‌ها بین زیست شناسان و مهندسان و به عكس می‌تواند مزایای زیادی به دنبال داشته باشد.