Климова З.А.
Одесская Национальная Академия Связи имени А.С.Попова,
Украина
Сегодня и завтра сенсорных сетей
Для начала четко сформулируем основные критерии
сенсорной сети будущего. Итак:
-это должна быть беспроводная сеть, состоящая из тысяч
сенсоров (узлов сети) с любой зоной покрытия
выполняющая любые возложенные на неё задачи;
-сенсоры должны самоорганизовываться в беспроводную
сеть, способную передавать произвольную информацию между двумя любыми сенсорами
сети, причём с требуемой скоростью передачи (полосой пропускания);
-сенсоры
должны потреблять ничтожно малое количество энергии, чтобы на протяжении
нескольких лет без замены батареек;
-сенсоры
должны очень быстро реагировать;
-сенсоры
должны быть незаметными и высоконадёжными в эксплуатации;
-сенсоры
должны иметь низкую стоимость.
Существующие
сегодня экспериментальные сенсорные сети лишь отчасти удовлетворяют
вышеизложенным требованиям. Так, на сегодняшний день сети состоят только из
сотен сенсоров с ограниченной зоной покрытия и выполняют лишь чётко
определённые задачи.
Как
работают сенсорные сети. Беспроводные сенсорные сети (также называемые
специализированными или многоточечными сетями) строятся из малых узлов - мотов.
Моты - это небольшие автономные компьютеры с питанием от батарей и радиосвязью,
которая позволяет им самоорганизовываться в специализированные сети,
связываются друг с другом и обменивались данными. Данные от отдельных узлов
передаются по сети от узла к узлу и обычно попадают на « суперузел », или
сервер, имеющий более высокую вычислительную мощность.
Моты
Intel в
настоящее время работают под управлением ОС Tiny OS,
разработанной специалистами Калифорнийского университета в Беркли. Каждый мот
устанавливает связь с соседними сразу после включения. Несмотря на то, что у
отдельного сенсора мощность и вычислительные возможности ограничены, множество
мотов самопроизвольно организуясь в сети, способно выполнять задачи, с которыми
не в состоянии справиться обычная вычислительная система.
По
мере роста сенсорной сети возможно, что её производительность будет снижаться.
Причина заключается в следующем: в типичной беспроводной сенсорной сети данные,
собираемые всеми узлами, хранятся на единственном сервере, выступающем в
качестве шлюза с сетью IP. Чтобы
достичь шлюза, данные перемещаются по сети от узла к узлу. При этом существует
вероятность потери некоторого количества данных, возрастающая с увеличением
размера сети. Кроме того, когда узел передаёт данные соседнему узлу, а тот
передаёт их дальше, расходуется энергия. Сети большого объёма с множеством
узлов расходуют для передачи данных значительно больше электроэнергии. Поэтому
по мере роста сенсорной сети её производительность снижается.
Чтобы
разрешить проблемы с производительностью, корпорация Intel использует специальные технологии и протоколы для
повышения уровня гетерогенности в сенсорных сетях. Подход Intel позволяет сенсорной сети автоматически объединять
ресурсы в таких средах, как корпоративная сетевая инфраструктура, где имеются
настенные розетки или узлы с высокопроизводительным процессором, для повышения
времени работоспособности сети и точности передачи данных.
Сенсорные
сети, образуемые крошечными сенсорами с возможностями беспроводной связи, могут
оказаться полезными в самых разных ситуациях. Так при пожаре на крупном складе
в промышленной зоне города беспроводная сенсорная сеть, развёрнутая в здании,
сможет передать прибывшим на место происшествия пожарным подробную информацию о
местоположении источника возгорания, характеристика пожара и причинах его
возникновения, а также о предполагаемых путях его распространения. В результате
пожарные смогут быстро взять ситуацию под контроль.
Если
вдруг из-за неожиданного большого количества осадков в конце лета
сельскохозяйственные угодья окажутся затопленными, управляющий, включив свой ноутбук,
сможет получить данные с датчиков влажности грунта, установленных по всему
полю. Эта информация позволит ему оценить масштабы затопления и при
необходимости принять соответствующие меры по осушению.
После
слабого землетрясения в большом городе инспекторы строительного надзора смогут
проверить прочность конструкции офисных зданий с помощью встроенных в стены
здания датчиков, которые собирают и передают данные о вибрациях. Эти данные
позволяют убедиться в безопасности эксплуатации здания.
В
промышленности сенсорные сети можно использовать для непрерывного мониторинга
оборудования и предсказания его отказов или необходимости профилактического
обслуживания с гораздо большей точностью, что позволит компаниям избежать
дорогостоящих аварий или простоев производственных линий.
Уже создаются машины, способные управлять атомами. Закладываются
основы технологий молекулярной сборки и самосборки, а также программы их
использования в электронике, связи, оптике и робототехнике.Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Недавно в Афганистане США уже испытали
первую «умную пыль» –
компьютерные микрочипы в пластиковой оболочке – микроскопические устройства-сенсоры с
автономным питанием, обладающие функцией беспроводной связи. Американские
военные применили несколько тысяч сенсоров для слежения за передвижением боевой
техники. Хотя полноценная разведка с помощью «умной пыли» станет возможна не
ранее чем через 7–10 лет, уже сегодня очевидно, что эта система обладает уникальными
возможностями.
Одним из
известных вариантов применения сенсорных сетей является система GPS навигация. Сегодня область
применения системы глобального позиционирования GPS достаточно обширна. Всё чаще GPS-приемники встраивают в мобильные
телефоны и коммуникаторы, в автомобили, часы и даже в собачьи ошейники. Люди
привыкают к такому благу как GPS
навигация, и пройдёт совсем немного времени как они уже не
смогут обойтись без неё. Именно поэтому стоит сказать пару слов о недостатках
GPS. Недостатками GPS навигации
является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до GPS-приёмника, поэтому практически
невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри
железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Рабочая частота GPS находится в дециметровом
диапазоне радиоволн, поэтому уровень приёма сигнала от спутников может
ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской
застройкой или из-за большой облачности, а это скажется на точности
позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны
помешать нормальному приёму сигналов GPS.
Карты, предназначенные для GPS
навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не
только данным GPS-приёмника,
но и своим собственным глазам. Особенно стоит отметить, что работа глобальной
системы навигации GPS полностью зависима от министерства обороны США и нельзя
быть уверенным, что в любой момент времени США не включит помеху (SA -
selective availability) или вообще полностью отключит гражданский сектор
GPS как в отдельно взятом
регионе, так и вообще. Прецеденты уже были. Благо, что у GPS есть альтернатива
в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в
перспективе должны получить широкое распространение. Так же ведётся работа по
разработке чипов навигации поддерживающих сразу три системы позиционирования
GPS, Galileo и ГЛОНАСС.
Корпорация
Intel продолжает совершенствовать технологию сенсорных
сетей и в настоящее время исследует возможности её промышленных и коммерческих
применений с помощью новой рабочей группы, получившей название Intel Research Sensor
Network Operation
(SNO). Кроме научно-исследовательской деятельности, в
задачи группы входит продолжение разработки новых сенсорных технологий (включая
новое ядро Intel Mote 2 и соответствующие ПО), а также надзор за множеством
развернутых сенсорных сетей на местах.
Литература: