Vanr.Prof Dr. Lejla Banjanović-Mehmedović20mre%9ee.pdf · 1 Bežične senzorske mreže Sistemi u realnom vremenu 9 Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic Vanr.Prof Dr. Lejla Banjanović-Mehmedović

1

Bežične senzorske mreže

Sistemi u realnom vremenu 9 Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic

Vanr.Prof Dr. Lejla Banjanović-Mehmedović

Bežične senzorske mreže Senzorska mreža (eng. Sensor Network‐ SNet) je distribuirani

sistem (DSis) kojeg čini polje senzora različitog tipa medjusobno povezanih komunikacionom mrežom.

Podaci sa izlaza senzora su djeljivi, a dovode se na ulaz DSis‐a radi njihove procjene (estimacije). Zadatak DSis‐a je da na osnovu dostupnih podataka sa senzora izdvoji najvjerovatnijuinformaciju o fenomenu koji se nadgleda.

SNet se formira od individualnihmultifunkcionalnihsenzorskih čvorova (eng. Sensor Nod‐ SNod).

U najvećem broju slučajeva SNod‐ovi se bežičnim putempovezuju u komunikacionu mrežu formirajući na taj načinbežičnu senzorskumrežu (eng. Wireless Sensor Network‐WSN).

WSN se sastoji od baterijsko napajanih modula koji su u suštiniSNod‐ovi.


2



Bežične senzorske mreže Bežična senzorska mreža

(WSN) je bežična mrežakoja se sastoji od prostornodistribuiranih autonomnihuređaja koji koriste senzoreza nadzor fizičkih iliokolišnih uslova, kao što su temperatura, zvuk, pritisak, pokreti ili zagađivači, na različitim mjestima.

U odnosu na standardnežičane, bežične mrežepružaju mobilnost kojom se omogućava kretanjekorisnika unutar mreže.


3

Mreža senzora omogućava

prikupljanje podataka u realnomvremenu,

skladištenje informacija i

dalje upravljanje.

Bežični sistem može poduzeti kontrolne akcije i na ovajnačin se takmiče npr. sa postojećim sistemima zaautomatizaciju procesa ili konvencionalnimautomatizacijama koje se koriste u kućama.



Senzorsko polje Postavljanjem velikog broja SNod, raspoređenih na malimrastojanjima (tipično do 10m), u samoj blizini ili unutaroblasti koji se posmatra, formira se senzorsko polje.


4

Osnovni princip rada WSN‐a

Ukoliko pojedini elementi mreže, najčešće Sink/BS, imaju mogućnost aktivne interakcije sa okruženjem, takva senzorska mreža se naziva bežičnom senzorsko‐aktuatorskom mrežom (eng. Wireless Sensor‐Actuator Network, WSAN).


Interakcija Sink/BS i SN

Osnovne karakteristike SN i Sink/BS

Struktura multifunkcionalne platforme SN

Multifunkcionalna platforma senzorskog čvora sastoji se od 4 osnovne komponente:

senzorskog, procesorskog, komunikacionog, podsistema za napajanje energijom, podsistema za mobilnost


5

Osnovne karakteristike SN i Sink/BS Osnovne karakteristike Snod‐a su:

ograničene rezerve energije,

male cijene izrade,

visoka integracija elektronskih komponenti i

mogućnost autonomnog rada bez održavanja.

Tipični SN uređaji imaju mogućnost prilagođenja okruženju, relativno malu procesorsku moć i memorijski kapacitet.

Sink/BS predstavljaju znatno složenije uređaje od SN, većih su dimenzija i imaju veće mogućnosti obrade podataka i komunikacije. Osim bežičnog interfejsa za potrebe komunikacije sa senzorskim čvorovima, Sink/BS posjeduju i interfejse za potrebe umrežavanja sa spoljnom telekomunikacionom infrastrukturom.


Osnovna komunikaciona arhitektura WSN

Osnovna komunikaciona arhitektura WSN Arhitektura WSN sa primjenom klasterizacije


6

Principi postavljanja i organizovanje WSN Principi postavljanja WSN:

Slučajno raspoređivanje (najčešće uniformno)

Plansko raspoređivanje (najčešće, praćenje saobraćaja u gradovima, industrijske primjene, sigurnosne primjene ).

Organizacija rada bežične telekomunikacione mreže:

na način tipičan za ad‐hoc WCN (čvorovi mreže uspostavljaju međusobne veze, organizuju topologiju mreže za potrebe rutiranja i uspostavljaju mehanizme za dodjelu i kontrolu pristupa resursima mreže korištenjem odgovarajućih protokola, bez upotrebe dodatne infrastrukture (npr. baznih stanica)) .


Topologije bežičnih senzorskih mreža

Adhoc mreže: ne postoji centralni čvor, već imamo niz ravnopravnih i međusobno povezanih čvorova koji komuniciraju između sebe bez potrebe za postojanjem infrastrukture ili prethodno definisanih odnosa.

direktna komunikacija je moguća samo sa onim čvorovima koji se nalaze u dometu datog čvora.

Infrastrukturna topologija: podrazumijeva postojanje centralnog čvora sa kojim su povezani svi ostali čvorovi u mreži.

centralni čvor se naziva još i pristupna tačka (eng. Accesspoint) i on omogućava komunikaciju čvorova u okviru mreže, a ujedno predstavlja spregu između bežične i žične mreže.


7


Peer‐to‐peer mrežeomogućavaju čvorovimaizravnu komunikaciju s drugim čvorovima bezpotrebe da se ide krozcentraliziranikomunikacijski centar.

Svaki Peer uređaj možedjelovati i kao "klijent" ikao "poslužitelj" drugimčvorovima na mreži.


Peer to Peer mreža

Topologije bežičnih senzorskih mreža Zvijezda (eng. star)mreže su spojene na centralizirano komunikacijsko čvorište.

Čvorovi u mreži ne mogu izravno komunicirati jedni s drugim, sve komunikacije moraju biti preusmjerene kroz centralizovano čvorište.

Svaki čvor je "klijent", dok je središnji čvor "Server".


Primjer mreže Zvijezda (eng. Star)

8


Stablo (eng. Tree) mreže koriste jedan centralni čvor tzv. Root node (usmjeravajući čvor) kao glavni usmjerivač komunikacije.

Stablo mreža može se smatrati hibridnom mrežom nastalom spajanjem zvjezda i peer to peer umrežavanja.


Stablo mreža

Topologije bežičnih senzorskih mreža Bežična mesh mreža je

specifična peer‐to‐peer, multi‐hop mreža u kojoj su čvorovi povezani preko redudantnih međuveza i zajednički vrše rutiranje podataka.

Karakteristična za dinamičke, urbane sredine u slučajevima gdje je redundancija neophodna, a centraliziranu infrastrukturu je teško ili čak nemoguće implementirati


Mesh mreža

9

Potrošnja struje ograničena je za čvorove te se koristebaterije

Mogućnost popravke kvara na čvorovima

Mobilnost čvorova

Komunikacija pri kvarovima

Skalabilnost velikih razmjera implementacije

Sposobnost da radi u otežanim uslovima

Jednostavnost upotrebe

Glavne karakteristike WSN


Usporedba bežičnih tehnologija


IEEE 802.15.4 Standard:•fokusira na male udaljenostiraspona podataka•mala brzina prenosapodataka•energetska efikasnost•niska cijena

10

ZigBee

ZigBee je bežični komunikacioni protokol namjenjenpersonalnim mrežama s malom propusnošću i malom potrošnjom energije.

Ciljane primjene ZigBee‐a su aplikacije koje zahtijevaju:

umrežavanje velikog broja uređaja,

prijenos male količine podataka,

malu potrošnju energije

visoku sigurnost prijenosa.

ZigBee se zasniva na IEEE normi 802.15.4, ali se često ova dva pojma poistovjećuju.


ZigBee ZigBee mreže spadaju u personalne mreže (PAN).

Svaka mreža ima svoj vlastiti jedinstven identifikator PAN ID.

ZigBee definiše tri različite vrste uređaja:

koordinator,

ruter

krajnji uređaj


11

ZigBee Koordinator– odgovoran je za izbor kanala i PAN ID. Koordinator

započinje kreiranje nove personalne mreže tj. kreira novi PAN. Nakon toga, koordinator može dozvoliti ruterima i krajnjim uređajima da se priključe na mrežu. Može slati i primati RF podatke i može asistirati u rutiranju podataka kroz međusobno povezane, isprepletene (mesh) mreže. Koordinator nije predviđen za baterijsko napajanje.

Ruter– prvo se mora priključiti tj. uvezati u ZigBee PAN da bi mogao

da obavlja svoju funkciju. Nakon toga može dozvoliti drugim ruterima ikrajnjim uređajima da se priključe u PAN. Ruter takođe može primati islati RF podatke i može rutirati pakete podataka kroz mrežu. Obziromda omogućava umrežavanje ostalih rutera i krajnjih uređaja, te daučestvuje u procesu rutiranja, ruter ne može "spavati" i zato ne trebabiti baterijski napajan.


ZigBee Krajnji uređaj ‐ mora se priključiti u mrežu kao i ruter, ali krajnji uređaj ne omugućava drugim uređajima da se priključe na PAN i ne učestvuje u rutiranju podataka kroz mrežu. Ovi uređaji mogu slati i primati RF podatke. Najčešće su ovi uređaji baterijski napajani uređaji. Obzirom da ovi uređaji mogu biti u stanju “spavanja”, ruter ili koordinator koji je dozvolio ovom uređaju da se priključi u mrežu mora sve pakete podataka namjenjenih ovom krajnjem uređaju baferovati i čuvati sve dok se ovaj ne probudi i ne bude u stanju da primi podatke koji su mu namjenjeni. Ruter ili koordinator koji dozvoljava krajnjem uređaju da se veže u mrežu i koji upravlja RF podacima namjenjenim tom krajnjem uređaju, naziva se “roditelj krajnjeg uređaja”, a krajnji uređaj je “djete”.


12

ZigBee

Položaj komunikacijskih kanala bežičnih standarda


Neki od dostupnih standarda obuhvaćaju 2,4 GHz radio koji se temelji ili na IEEE 802.15.4 ili na IEEE 802.11 (Wi-Fi) standardima, koji su obično 900 MHz

ZigBee protokolOsnovna zadaća ZigBee Alliance je definisanje mrežne, sigurnosne i aplikacijske arhitekture, zasnovanie na globalnom otvorenom standardu


13

Topologije ZigBee mreže ZigBee mreža podržava sljedeće topologije:

zvijezda (eng. star),

klaster (eng. cluster, grozd) i

mreža (eng. mesh).

Topologije ZigBee mreža


Xbee / Xbee Pro RF moduli XBee i XBee-PRO RF moduli razvijeni su da zadovolje zahtjeve

IEEE 802.15.4 standarda

Moduli rade u opsegu radio-frekventnog, u tzv. ISM 2.4GHz frekventnom opsegu

Neke porodice modula, imaju verzije male potrošnje (eng. low-power)

XBee®/XBee-PRO® RF Moduli XBee®/XBee-PRO® RF dimenzije


14

Arduino Wireless Shield Arduino Wireless Shield omogućava Arduino ploči da komunicira

bežično koristeći ZigBee

Arduino Wireless Proto Shield Arduino Wireless Proto Shield sa Xbee-om postavljen na Arduino UNO razvojnu pločicu


Primjer pojednostavljenog modelasistema za monitoring


15

Praćenje ispravnosti mašine

Industrijska kontrola

Monitoring otpadnih voda

Agrokultura

Upravljanje navodnjavanjem

Staklenici

Monitoring pametnih kuća

Primjena: Industrijski monitoring


Raspoređivanje bežične senzorske mreže u industriji Primjeri industrijskih aplikacija (naftovodi i rafinerije, farmaceutske i hemijske kompanije, termoelektrane)

Monitoring veličina (pritisak, jačina struje, sila, temperatura, korozija, protok, podaci o stanju mašina).

Vodeća aplikacija za industrijske mreže ( za žičane i bežične) je aplikacija za nadzor i prikupljanje podataka (SCADA).


16

Osnovna arhitektura umreženog kontrolnog sistema


WSN za praćenje temperature i pritiskaparnog kotla


17

Smetnje u industrijskom okruženju

Višefazno umnožavanje : na jačinu signala može ozbiljno uticati refleksija od zidova

Smetnje sa drugih uređaja

Buka koju stvara oprema i teški uređaji

Širok opseg radne temperature, jake vibracije i onečišćenja u zraku


Monitoring zdravstvene zaštite

Monitoring okoline

Monitoring kvalitete zraka

Unutrašnji monitoring

Vanjski monitoring

Monitoring zagađenja zraka

Detekcija šumskog požara

Sprečavanje prirodnih katastrofa

Monitoring kvaliteta vode

Otkrivanje klizišta

Primjena: monitoring životnog okoliša


18

MOTEL (A Mobile Robotic‐Assisted Wireless SensorNetworks Testbed)

Primjer: Kooperativni mobilni roboti


MOTEL platforma se sastoji iz:

FLEXOR, kontroliše fleksibilnu softversku arhitekturukoja omogućava daljinsko ispravljanje grešaka,razmjenu i bilježenja podataka sa senzorskih čvorova,bez potrebe za backchannel.

MuRobA, multi‐robotska arhitektura koja omogućavaplaniranje i izvršavanje dobro definisanih scenarijamobilnosti koja se razlikuju od uobičajenih.

Primjer: Kooperativni mobilni roboti


19

Nadzor cijevi u industrijskim objektima korištenjem biomimetičkih robota

Utvrđivanje nenormalnih uslova u prenosnim cijevima u fabričkim postrojenjima

Koristi se:

SCADA sistem

Pokretne tačke posmatranja (roboti), kao dodatak fiksnim senzorima, koji prikupljaju mjerne podatke tokom pretraživanja putanje (duž cijevi), a što je bazirano na real‐time lokaciji robota.


Nadzor cijevi u industrijskim objektima korištenjem biomimetičkih robota Pogodan oblik robota (inspirisan biološkim živim svijetom), prilagodljiv na cijevi u fabričkim uslovima

Mjerni podaci cijevi se skupljaju i prenose prema serveru kako bi se ustanovilo isticanje, vibracija ili temperaturne promjene.

Kako bi robot izvršio zadatak kao mobilni agent, robot mora biti u adekvatnom obliku, sa prikačenim drajverom i interfejsom, sa uključenim baterijskim pakovanjem


20

Nadzor cijevi u industrijskim objektima korištenjem biomimetičkih robota

Integracija svih funkcijskij jedinica na mikrokontrolersku platformu cjevnog robota

Struktura hvataljke cjevnog robota


Nadzor cijevi u industrijskim objektima korištenjem biomimetičkih robota Neophodan server za izvještavanje o tačnoj lokaciji robota i neophodna međusobna komunikacija

U cilju proračuna lokacije mobilnog robota, koriste se fiksne mjerne tačke označene sa RF trakama. One daju koordinate, koje pomažu robotu da se locira, kada se kreće konstantnom brzinom dok skuplja i šalje podatke. Ovo je omogućeno proračunom distance između RF trake i robota, korištenjem ukupnog vrmena koje je potrebno robotu za kretanje, isključujući vrijeme dok robot miruje.


Documents

Vanr.Prof Dr. Lejla Banjanović-Mehmedović20mre%9ee.pdf · 1 Bežične senzorske mreže Sistemi u realnom vremenu 9 Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic Vanr.Prof Dr. Lejla Banjanović-Mehmedović