Sensornod

Den typiska arkitekturen för sensornoden.

En sensornod (även känd som en mote i Nordamerika ), består av en individuell nod från ett sensornätverk som kan utföra en önskad åtgärd såsom att samla in, bearbeta eller kommunicera information med andra anslutna noder i ett nätverk.

Historia

Även om trådlösa sensornätverk har funnits i årtionden och använts för olika tillämpningar som jordbävningsmätningar eller krigföring, går den moderna utvecklingen av små sensornoder tillbaka till 1998 års Smartdust -projekt och NASA. Sensor Web Ett av målen med Smartdust -projektet var att skapa autonom avkänning och kommunikation inom en kubikmillimeter utrymme, även om detta projekt avslutades tidigt, ledde det till många fler forskningsprojekt och stora forskningscentra som The Berkeley NEST och CENS. Forskarna som var involverade i dessa projekt myntade termen mote för att referera till en sensornod. Motsvarande term i NASA Sensor Webs Project för en fysisk sensornod är pod , även om sensornoden i en sensorwebb kan vara en annan sensorwebb själv. Fysiska sensornoder har kunnat öka sin effektivitet och dess förmåga i samband med Moores lag . Chipfotavtrycket innehåller mer komplexa mikrokontroller med lägre effekt . Således, för samma nodfotavtryck, kan mer kiselkapacitet packas in i den. Nuförtiden fokuserar motes på att tillhandahålla den längsta trådlösa räckvidden (dussintals km), den lägsta energiförbrukningen (några uA) och den enklaste utvecklingsprocessen för användaren.

Komponenter

Huvudkomponenterna i en sensornod involverar vanligtvis en mikrokontroller , transceiver , externt minne , strömkälla och en eller flera sensorer .

Sensorer

Sensorer används av trådlösa sensornoder för att fånga data från sin miljö. De är hårdvaruenheter som producerar ett mätbart svar på en förändring i ett fysiskt tillstånd som temperatur eller tryck. Sensorer mäter fysiska data för parametern som ska övervakas och har specifika egenskaper såsom noggrannhet, känslighet etc. Den kontinuerliga analoga signalen som produceras av sensorerna digitaliseras av en analog-till-digital-omvandlare och skickas till styrenheter för vidare bearbetning. Vissa sensorer innehåller den nödvändiga elektroniken för att omvandla råsignalerna till avläsningar som kan hämtas via en digital länk (t.ex. I2C, SPI) och många konverterar till enheter som °C. De flesta sensornoder är små till storleken, förbrukar lite energi, arbetar i höga volymetriska densiteter, är autonoma och fungerar obevakade och anpassar sig till miljön. Eftersom trådlösa sensornoder vanligtvis är mycket små elektroniska enheter, kan de endast utrustas med en begränsad strömkälla på mindre än 0,5-2 amperetimmar och 1,2-3,7 volt.

Sensorer klassificeras i tre kategorier: passiva, rundstrålande sensorer; passiva, smalstrålande sensorer; och aktiva sensorer. Passiva sensorer känner av data utan att faktiskt manipulera miljön genom aktiv sondering. De är självdrivna; det vill säga energi behövs bara för att förstärka deras analoga signal. Aktiva sensorer sonderar aktivt miljön, till exempel en ekolods- eller radarsensor, och de kräver kontinuerlig energi från en strömkälla. Smalstrålande sensorer har en väldefinierad uppfattning om mätriktning, liknande en kamera. Rundstrålande sensorer har ingen uppfattning om riktning involverad i sina mätningar.

Det mesta teoretiska arbetet med WSN:er förutsätter användningen av passiva, rundstrålande sensorer. Varje sensornod har ett visst täckningsområde för vilket den på ett tillförlitligt och korrekt sätt kan rapportera den specifika kvantitet som den observerar. Flera källor till strömförbrukning i sensorer är: signalsampling och konvertering av fysiska signaler till elektriska, signalkonditionering och analog-till-digital konvertering. Den rumsliga tätheten för sensornoder i fältet kan vara så hög som 20 noder per kubikmeter.

Kontroller

Regulatorn utför uppgifter, bearbetar data och styr funktionaliteten hos andra komponenter i sensornoden. Medan den vanligaste kontrollern är en mikrokontroller , är andra alternativ som kan användas som en kontroller: en stationär mikroprocessor för allmänt bruk , digitala signalprocessorer , FPGA och ASIC . En mikrokontroller används ofta i många sensornoder på grund av dess låga kostnad, flexibilitet att ansluta till andra enheter (eller noder i ett nätverk), enkel programmering och låg strömförbrukning. En mikroprocessor för allmänt bruk har i allmänhet en högre strömförbrukning än en mikrokontroller, vilket gör den till ett oönskat val för en sensornod. Digitala signalprocessorer kan väljas för bredbandsapplikationer för trådlös kommunikation , men i trådlösa sensornätverk är den trådlösa kommunikationen ofta blygsam: dvs enklare, lättare att bearbeta modulering och signalbehandlingsuppgifterna för faktisk avkänning av data är mindre komplicerade. Därför är fördelarna med DSP vanligtvis inte av stor betydelse för trådlösa sensornoder. FPGA:er kan omprogrammeras och omkonfigureras enligt kraven, men det tar mer tid och energi än vad som är önskvärt.

Transceiver

Sensornoder använder ofta ISM-bandet , vilket ger gratis radio , spektrumallokering och global tillgänglighet. De möjliga valen av trådlösa överföringsmedia är radiofrekvens (RF), optisk kommunikation (laser) och infraröd . Lasrar kräver mindre energi, men behöver siktlinje för kommunikation och är känsliga för atmosfäriska förhållanden. Infraröd, precis som lasrar, behöver ingen antenn men den är begränsad i sin sändningskapacitet . Radiofrekvensbaserad kommunikation är den mest relevanta som passar de flesta WSN-applikationer. WSN tenderar att använda licensfria kommunikationsfrekvenser: 173, 433, 868 och 915 MHz ; och 2,4 GHz . Funktionaliteten hos både sändare och mottagare kombineras till en enda enhet känd som en transceiver . Transceivrar saknar ofta unika identifierare. Driftstillstånden är sändning, mottagning, viloläge och viloläge. Den nuvarande generationens transceivrar har inbyggda tillståndsmaskiner som utför vissa operationer automatiskt.

De flesta transceivrar som arbetar i viloläge har en strömförbrukning som nästan är lika med den effekt som förbrukas i mottagningsläge. Därför är det bättre att stänga av transceivern helt istället för att lämna den i viloläge när den inte sänder eller tar emot. En betydande mängd ström förbrukas när man växlar från viloläge till sändningsläge för att sända ett paket.

Externt minne

Ur ett energiperspektiv är de mest relevanta typerna av minne chipminnet i en mikrokontroller och Flash-minne – off-chip RAM används sällan, om någonsin,. Flashminnen används på grund av sin kostnad och lagringskapacitet. Minneskraven är mycket applikationsberoende. Två kategorier av minne baserade på syftet med lagring är: användarminne som används för att lagra programrelaterade eller personliga data, och programminne som används för att programmera enheten. Programminnet innehåller även identifieringsdata för enheten om sådan finns.

Kraftkälla

En trådlös sensornod är en populär lösning när det är svårt eller omöjligt att driva ett nätaggregat till sensornoden. Men eftersom den trådlösa sensornoden ofta är placerad på en svåråtkomlig plats kan det vara dyrt och obekvämt att byta batteri regelbundet. En viktig aspekt i utvecklingen av en trådlös sensornod är att säkerställa att det alltid finns tillräcklig energi tillgänglig för att driva systemet. Sensornoden förbrukar ström för avkänning, kommunikation och databehandling. Mer energi krävs för datakommunikation än någon annan process. Energikostnaden för att sända 1 Kb en sträcka på 100 meter (330 fot) är ungefär densamma som den som används för att utföra 3 miljoner instruktioner av en 100 miljoner instruktioner per sekund/W-processor. Ström lagras antingen i batterier eller kondensatorer. Batterier, både uppladdningsbara och icke-uppladdningsbara, är den huvudsakliga strömkällan för sensornoder. De klassificeras också efter elektrokemiskt material som används för elektroderna som NiCd (nickel-kadmium), NiZn (nickel-zink), NiMH (nickel-metallhydrid) och litiumjon . Nuvarande sensorer kan förnya sin energi från solkällor , radiofrekvens(RF), temperaturskillnader eller vibrationer . Två energisparprinciper som används är Dynamic Power Management (DPM) och Dynamic Voltage Scaling (DVS). DPM sparar ström genom att stänga av delar av sensornoden som för närvarande inte används eller är aktiva. Ett DVS-schema varierar effektnivåerna inom sensornoden beroende på den icke-deterministiska arbetsbelastningen. Genom att variera spänningen tillsammans med frekvensen är det möjligt att erhålla kvadratisk minskning av strömförbrukningen.

Se även

• Mesh-nätverk
• Mobilt ad hoc-nätverk (MANETS)
• Lista över trådlösa sensornoder
• Mobila trådlösa sensornätverk