ناب لرنینگ |
بزرگترین بانک اطلاعاتی پروژه های دانشجویی تاریخچه شبکه‌های حسگر بی‌سیم
تاریخچه پیدایش شبکه‌های حسگر بی‌سیم را می‌توان به‌صورت چهار فاز جداگانه در نظر گرفت. این چهار فاز به‌صورت مختصر در زیر آمده است.
فاز اول، شبکه‌های حسگر نظامی دوران جنگ سرد است. در دوران جنگ سرد سیستم ارزیابی صوتی ، سیستمی متشکل از حسگرهای صوتی در زیر اقیانوس‌ها برای آشکارسازی و ردیابی زیردریایی‌های کشور شوروی به کار گرفته شد. پس‌ازآن سال‌ها نیز، همچنان شبکه‌های پیچیده صوتی برای کنترل و ردگیری زیردریایی‌ها استفاده می‌شد. سیستم SOSUS، هم‌اکنون نیز برای سازمان‌هایی که در زمینه اقیانوس‌شناسی و مدیریت هوایی فعالیت دارند، برای کنترل فعالیت‌های زمین‌لرزه‌ای در داخل اقیانوس‌ها و یا بررسی رفتار موجودات داخل آن‌ها به کار گرفته می‌شود. همچنین در طول جنگ سرد، شبکه‌های مربوط به رادارهای دفاع هوایی بهینه‌سازی شده و برای دفاع از ایالات‌متحده و کانادا استفاده شدند. شبکه‌هایی با ساختار سلسله مراتبی رشد کردند و در بیشتر موارد، عامل انسانی نقش اساسی و کلیدی در سیستم‌ها ایفا می‌کرد (پردازش سیگنال‌های صوتی، تغییر اطلاعات و ترکیب آن‌ها).
فاز دوم، ابتکارات مرکز پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی بود. انگیزه اصلی برای تحقیق پیشرفته بر روی شبکه‌های حسگر، در اوایل سال 1980 و به‌وسیله برنامه‌هایی که به‌وسیله DARPA ، حمایت شدند به وجود آمد. در این زمان، آرپانت (نسل اولیه اینترنت فعلی) با دویست میزبان در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی استفاده می‌شد و رابرت کان (بنیان¬گذار پروتکل TCP/IP) مدیر سازمان فنون پردازش اطلاعات در DARPA بود. او می‌خواست بداند که آیا می‌توان روش آرپانت را به شبکه‌های حسگر بی‌سیم کشاند. در آن زمان چنین ایده‌ای با نبودن کامپیوترهای شخصی و ایستگاه‌های کاری، پردازش ضعیف و انتقال اطلاعات با سرعت‌پایین یک فکر جاه‌طلبانه به شمار می‌آمد. درواقع یکی از برنامه‌های DARPA ، در آن زمان آن بود که شبکه‌های حسگر توزیع‌شده را به‌صورت گره‌های حسگر توزیع‌شده‌ای که بسیار کم‌هزینه هستند و می‌توانند در یک حالت اشتراکی و به‌صورت خودگردان کار کنند به‌کارگیرند. در حقیقت این اهداف تقریباً همان چیزهایی بود که امروزه برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم انتظار داریم.
تجهیزات برای شبکه حسگر توزیع‌شده در سال 1978 معرفی شدند. این تجهیزات شامل حس کننده‌ها (اغلب صوتی)، ارتباطی، روش‌های پردازش، الگوریتم‌ها (شامل الگوریتم‌های مکان‌یابی برای حس کننده‌ها) و نرم‌افزارهای توزیع‌شده (قابل‌تغییر به‌طور دینامیکی بر روی سیستم‌ها و زبان‌های برنامه‌نویسی) بودند. به دلیل فقر امکانات و فناوری، برنامه شبکه‌های حسگر توزیع‌شده مجبور شد با کمک روش محاسبات گسترده، پردازش سیگنال، ردگیری و محل آزمایش موجود حل شود.
تحقیقات در دانشگاه کارنجی ملون و پترزبورگ بر روی تهیه نرم‌افزاری که دارای قابلیت انعطاف و استفاده از منابع گسترده مورد¬نیاز برای مقاومت در برابر خرابی در شبکه‌های حسگر توزیع‌شده باشد، متمرکز شد. آن‌ها یک سیستم‌عامل به نام ACCENT تولید کردند که در آن امکاناتی از قبیل انتقال در شبکه، امکان بنا کردن دوباره سیستم و نوسازی شبکه وجود داشت. از کارهای دیگر این مرکز تحقیقات، به وجود آوردن پروتکل‌هایی برای ایجاد ارتباط جهت پردازش داخلی در شبکه برای حمایت از نوسازی دینامیکی محاسبات مربوط به ارتباط فعال، ساخت زبان مخصوص واسط برای ساختن نرم‌افزار سیستم توزیع‌شده و یک سیستم برای به وجود آوردن تعادل در بار دینامیکی و اصلاح خطا در نرم‌افزار شبکه توزیع‌شده بود. در آن زمان تمامی این کارها به‌وسیله محیط آزمایش داخلی با منابع سیگنال، حس کننده‌های صوتی و کامپیوترهای VAX که به‌وسیله اترنت به یکدیگر وصل بودند مورد ارزیابی قرار می‌گرفت.
محققین دانشگاه ماساچوست، تلاش خود را بر روی روش‌های پردازش سیگنال هوشمند، برای چرخ‌بال‌های رد گیر با استفاده از آرایه‌های پخش‌شده‌ای از میکروفون‌های صوتی و به کمک تجهیزاتی که از روش‌های تطبیق و خلاصه‌سازی (حذف اطلاعات جزئی در سطوح پایین سیگنال و استفاده از سطوح بالاتر سیگنال یا قله سیگنال) بهره می‌گرفتند، متمرکز کرده بودند. آن‌ها ساختاری مفهومی برای تفکر درباره سیستمهای پردازش سیگنال با الهام ازآنچه سیگنال‌های دنیای واقعی را انسان به‌صورت داخلی، پردازش و تفسیر می‌کند تهیه کردند. با کمک تجربیات مدل انسانی، روشی برای افزایش بهره سیگنال به نویز در محیط‌های پر نویز ساخته شد. علاوه بر این MIT، زبان پردازش سیگنال و محیط محاسبه میان کنشی برای آنالیز داده در این شبکه‌ها و بهسازی الگوریتم را به وجود آورد.
در ادامه این پیشرفت‌ها مشخص شد که ردگیری اهداف چندگانه در محیط‌های گسترده به‌طور کامل از ردگیری متمرکزشده سخت‌تر است. استفاده از اندازه‌گیری برای ردیابی و به دست آوردن مشخصات اهداف (محل و سرعت) نیاز به شبکه‌های حسگر را به وجود آورد. در دهه 1980، مرکز سیستمهای هوشمند پیشرفته در ایالات‌متحده برای مسائل و مشکلات به وجود آمده از قبیل تعداد بالای اهداف که پس از پیداشدن بنا به دلایلی گم می‌شوند و هشدارهای دروغین، الگوریتم‌هایی را به وجود آورد. اکنون ردگیری چند فرضیه‌ای یکی از روش‌های استاندارد برای مسائل ردگیری مشکل است. این الگوریتم برای ردگیری هواپیمایی که در ارتفاع کم پرواز می‌کرد اجرا شد و نتیجه خوبی را از خود نشان داد. به‌طوری‌که نمایش محل پرواز هواپیما، به‌وسیله حس کننده‌های صوتی همانند نمایش آن در نمایشگر رادار بود. از آزمایشات دیگری که برای اثبات درستی برنامه شبکه‌های حسگر استفاده شد، مسئله ردگیری وسایل نقلیه متحرک و کنترل گره‌های محلی بود.
فاز سوم، کاربردهای نظامی توسعه‌یافته و آرایش یافته در سال‌های 1980 و 1990 (این می‌تواند نسل اول محصولات تجاری خوانده شود) بود. باوجوداینکه محققان شبکه‌های حسگر فعالیت‌های بسیاری انجام می‌دادند، اما هنوز فناوری برای این شبکه‌ها به‌صورت کامل آماده نبود. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده‌ی تحقیقات بر روی شبکه‌های حسگر توزیع‌شده به‌وسیله DARPA، طراحان نظامی به دلیل اهمیت این شبکه‌ها در میدان رزم، در سال‌های 1980 و 1990 به‌منظور پذیرفتن تکنولوژی شبکه حسگر شروع به¬کارکردند و آن را به‌عنوان یک جز کلیدی در جنگ‌های شبکه مرکز مدنظر قراردادند. در محیط‌های جنگی سنتی (قدیمی)، هر بخشی سلاح‌هایش را به‌صورتی نسبتاً مستقل مالک می‌شود اما در جنگ‌های شبکه مرکز، سلاح‌ها الزاماً وابسته به یک بخش ویژه نیستند، بلکه در عوض از طریق به‌کارگیری حسگرهای توزیع‌شده، سیستمهای سلاحی و بخش‌های مختلف باهم و بر روی یک شبکه حسگر مشارکت کرده و اطلاعات به‌طرف گره مناسب فرستاده می‌شود. مثال‌هایی از شبکه‌های حسگر در پهنه نظامی، شامل آرایه‌های حسگر آکوستیکی برای ضد حملات زیر‌دریایی در جنگ‌ها و همچنین سیستم حسگر جنگی از راه دور و سیستمهای حسگر تاکتیکی از راه دور می‌باشند. در این زمان می‌توانستند از شبکه‌های حسگر، برای بالا بردن دقت در ردگیری و روش‌های هندسی مختلف، افزایش دامنه آشکارسازی و کاهش زمان پاسخ‌دهی استفاده کنند. از طرف دیگر هزینه توسعه نیز به دلیل استفاده از شبکه‌های تجاری موجود پایین بود.
فاز چهارم، تحقیقات بر روی شبکه‌های حسگر در قرن بیست و یکم (این می‌تواند نسل دوم محصولات تجاری خوانده شود) است. پیشرفت‌های به وجود آمده در زمینه‌های مخابراتی و محاسباتی که در اواخر سال‌های 1990 و اوایل سال 2000 به‌دست آمد تحقیقات در مورد شبکه‌های حسگر را متحول کرده و آن را به اهداف نهایی خود نزدیک نموده است. حس کننده‌های کوچک و ارزان‌قیمت ساخته‌شده بر اساس فناوری سیستمهای میکرو الکترومکانیکی، شبکه‌بندی بی‌سیم و پردازشگرهای کم‌مصرف و ارزان‌قیمت اجازه می‌دهند تا از شبکه‌های بی‌سیم موردی برای مقاصد گوناگون استفاده کنیم. به همین دلیل محققان نیز برنامه جدیدی را بر روی شبکه‌های حسگر بر اساس پیشرفت‌های موجود شروع کرده و روش‌های جدید در شبکه‌بندی را توسعه داده‌اند، که ازجمله این اقدامات می‌توان به جاگذاری سریع حسگرها به‌صورت ادهاک (موردی) و تطبیق شبکه‌ها در محیط‌های مختلف اشاره کرد. اقدام بعدی آن‌ها در زمینه پردازش اطلاعات بود، یعنی اینکه چگونه می‌توان اطلاعات را از شبکه حسگر به شکل مناسب، واقعی و در زمان مناسب استخراج کرد.
ساختمان داخلی یک گره حسگر بی‌سیم
شكل زیر ساختمان داخلي یک گره حسگر بی‌سیم را نشان مي‌دهد. هر گره شامل واحد حسگر، كارانداز، واحد پردازش داده‌ها، فرستنده/گيرنده بی‌سیم و منبع تغذيه مي‌باشد، بخش‌هاي اضافي مانند واحد متحرك ساز، سيستم مکان‌یاب و توليد توان نيز ممكن است بسته به كاربرد در گره‌ها وجود داشته باشند.
واحد پردازش داده شامل يك پردازنده كوچك و يك حافظه با ظرفيت محدود است، این واحد داده‌ها را از حسگرها گرفته بسته به كاربرد پردازش محدودي روي آن‌ها انجام داده و از طريق فرستنده ارسال مي‌كند. واحد پردازش، مديريت هماهنگي و مشاركت با ساير گره‌ها در شبكه را انجام مي‌دهد. واحد فرستنده/گيرنده، ارتباط گره با شبكه را برقرار مي‌كند. واحد حسگر شامل يك سري حسگر و مبدل آنالوگ به ديجيتال است كه اطلاعات آنالوگ را از حسگرگرفته و به‌صورت ديجيتال به پردازنده تحويل مي‌دهد. واحد كارانداز شامل كارانداز و مبدل ديجيتال به آنالوگ است كه فرمان‌ها¬ی ديجيتال را از پردازنده گرفته و به كارانداز تحويل می‌دهد. واحد تأمین انرژي، توان مصرفي تمام بخش‌ها را تأمین مي‌كند كه اغلب يك باتري باانرژی محدود است. محدوديت منبع انرژي يكي از تنگناهاي اساسي است كه در طراحي شبكه‌هاي حسگر همه‌چیز را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در كنار اين بخش ممكن است واحدي براي توليد انرژي مثل سلول‌هاي خورشيدي وجود داشته باشد. در گره‌هاي متحرك واحدي براي متحرک‌سازی وجود دارد. مکان‌یاب موقعيت فيزيكي گره را تشخيص مي‌دهد. تكنيك‌هاي مسيردهي و وظايف حسگري به اطلاعات مكان با دقت بالا نياز دارند. يكي از مهم‌ترين مزايای شبکه‌های حسگر توانايي مديريت ارتباط بين گره‌هاي در حال حركت می‌باشد.
کاربردهای شبکه حسگر بی‌سیم
گره‌های حسگر در شبکه‌های حسگر بی‌سیم شامل انواع مختلف از حسگرها هستند، ازجمله : ارتعاش، مغناطیسی، حرارتی، بصری، فروسرخ، صوتی و رادار می‌باشند، که می‌توانند شرایط محیطی وسیعی را مخابره و گزارش کنند، که شامل : دما، رطوبت، فشار، سرعت، جهت، حرکت، نور، ترکیب خاک، طبقات صدا، وجود یا عدم وجود اشیاء می‌باشد. درنتیجه محدوده‌ی وسیعی از کاربردها امکان‌پذیر هستند. این طیف کاربردها شامل: محافظت منزل، هشدار در مورد لرزش زمین و کف دریا، آماده‌باش برای دفاع، هشدارهای محیطی، تجزیهوتحلیل و پیش‌بینی اقلیم و آب‌وهوا، حفاظت و مخابره در میدان جنگ می‌شود. برای درک و بررسی بهتر، کاربردهای این شبکه‌ها معمولاً در 5 دسته نظامی، محیطی، سلامت، خانه و صنعت قرار می‌گیرند.
کاربردهای نظامی
شبکه‌های حسگر بی‌سیم می‌توانند در بخش فرمان نظامی،کنترل، مخابرات، محاسبات، هشدار، حفاظت، شناسایی و هدف‌گیری در سیستمهای نظامی مورداستفاده قرار گیرند. گسترش سریع، خودسازمان‌دهی، تحمل خرابی ویژگی‌هایی است که باعث می‌شود سنسورها به‌عنوان یک تکنولوژی امیدبخش در سیستمهای نظامی استفاده شوند.ازآنجاکه شبکه‌های حسگر بر گسترش تراکم گره‌های حسگر ارزان‌قیمت و در دسترس بناشده است، آسیب دیدن برخی از این بر اساس فعالیت دشمن، به‌اندازه‌ی آسیب دیدن یک حسگر قدیمی، که باعث می‌شود شبکه‌ی حسگر مفاهیم را برای حفاظت و هشدار بهتر درک کند، بر یک عملیات نظامی تأثیر ندارد .
برخی از کاربردهای نظامی یک شبکه‌ی حسگر عبارت‌اند از: هشدار آگاهی در مورد نیروهای خودی، تجهیزات و مواد ضروری و مهمات، حفاظت و مخابره در میدان جنگ، شناسایی حملات هسته‌ای و شیمیایی.
گردوغبار هوشمند
گردوغبار هوشمند یکی از پروژه‌های شبکه‌های حسگر بی‌سیم می‌باشد، که هدف اصلی این پروژه مجهز کردن تکنولوژی شبکه‌های حسگری است که در عملیات نظامی در محیط دشمن استفاده می‌شوند. استفاده از این تکنولوژی‌ها دستیابی به اطلاعات محیط‌هایی را که برای کار کردن انسان به‌طور همیشه خطرناک است را ساده‌تر می‌کند. کاربردهای نظامی شامل جمع‌آوری اطلاعات از تحرکات دشمن، بمب‌ها و عملیات شیمیایی خطرناک و استحکامات زیربنایی می‌شود.
پروژه گردوغبار هوشمند منجر به تبدیل شبکه‌های گردوغبار به حالت تجاری شده است به‌عنوان‌مثال، صفحه‌کلید مجاز طراحی‌شده که هر ذره گردوغبار به ناخن‌ها می‌چسبد و اطلاعات به‌سرعت برای شناسایی حرکات استفاده می‌شود و به ضربات کلید تبدیل می‌شود، همین‌طور در کنترل کیفیت محصولات جایی که دما و رطوبت گوشت و کالا نظارت می‌شوند، استفاده می‌گردد.
کاربردهای صنعتی
شبکه‌های حسگر سیمی مدتی طولانی است که در زمینه‌های صنعتی مانند سنجش‌های صنعتی و برنامه‌های کنترل، اتوماسیون ساختمان و کنترل دستیابی، استفاده می‌شوند. بااین‌حال هزینه و ارزش مربوط به استقرار حسگرهای سیمی از محدودیت کاربرد این سیستم‌‌هاست. علاوه¬براین، حتی اگر سیستم حسگر در کارخانه‌ی صنعتی مستقر شود، هزینه‌ی ارتقاء این سیستم تقریباً به‌اندازه‌ی هزینه‌ی یک سیستم جدید است. علاوه بر سیستمهای نظارت مبتنی‌برحسگر، برای نگهداری پیشگیرانه و تعمیرات و حفاظت، در کاربردهای صنعتی از نظارت دستی نیز استفاده می‌شود. نظارت دستی به‌طورکلی به‌وسیله‌ی کارکنان باتجربه و با استفاده از آنالیزهای دستی که از یک محل مرکزی برای تجزیهوتحلیل جمع‌آوری‌شده است، انجام می‌شود. درحالی‌که سیستمهای مبتنی بر نظارت، هزینههای بالایی برای استقرار متحمل می‌شوند، سیستمهای دستی فقط به کارکنان و دقت محدود می‌شوند. در عوض شبکه‌های گیرنده‌ی بی‌سیم، به دلیل سهولت استقرار، دانه‌دانه بودن، دقت بالا، تأمین برق باتری از طریق ارتباطات بی‌سیم، یک راه‌‌حل جایگزین و نویدبخش برای این سیستم‌ها هستند. برخی از کاربردهای تجاری عبارت‌اند از: نظارت بر فرسودگی مواد، ساخت کیبورد مجازی، مدیریت موجودی، نظارت بر کیفیت محصول، ساخت فضاهای اداری هوشمند،کنترل محیط‌زیست ساختمان‌های اداری،کنترل ربات و راهنمایی در محیط‌های تولید اتوماتیک، اسباب‌بازی‌های تعاملی، کنترل فرآیند و اتوماسیون کارخانه، نظارت بر مناطق فاجعه‌زده، سازه‌های هوشمند یا گره‌های حسگر جاسازی‌شده، شناسایی و نظارت سرقت ماشین، ردیابی و تشخیص وسیله‌ی نقلیه، حمل‌و‌نقل، تشخیص عیب ماشین، ابزار دقیق کارخانه، کنترل محلی محرک‌ها، ابزار دقیق اتاق‌های پردازش نیمه‌هادی، ماشین‌آلات دوار، تونل‌های باد و اتاق‌های بدون پژواک و طیف توزیع‌شده‌ی حسگری برای کمک به تحقق بخشیدن شبکه‌های رادیویی.
نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه
نگهداری پیشگیرانه مورداستفاده در بسیاری از کارخانه‌ها بزرگ صنعتی راه‌حل‌هایی مقرون‌به‌صرفه را برای بهره‌برداری درازمدت از تجهیزات گران‌قیمت فراهم می‌کند. بااین‌حال سیستمهای موجود نمی‌توانند پذیرش گسترده‌ای داشته باشند، زیرا هزینههای مربوط به استقرار یک سیستم نگهداری و تعمیر پیشگیرانه از استفاده‌ی آن مهم‌تر است.
سلامت تجهیزات را می‌توان از طریق تکنیک‌های تجزیهوتحلیل ارتعاش،که نیاز به اتصال حسگر شتاب سنج به تجهیزات دارد، نظارت کرد. در Fab های نیمه‌هادی اینتل، هزاران حسگر، ارتعاشات تکه‌های مختلف تجهیزات را پیگیری می‌کنند. برای عملکرد خوب، نظارت مداوم ماشین‌ها باید محقق شود، بااین‌حال داده‌ها از حسگرها توسط کارمندان به‌صورت دستی جمع‌آوری می‌شوند. برای خودکار کردن جمع‌آوری داده‌ها از ذره‌ی حسگر Mica2 و اینتل همراه با دروازه ستارگان (Stargate Gateway) که بانام Fab App شناخته می‌شوند، استفاده می‌شود.
معماری Fab App در شکل 2-3 نشان داده‌شده‌است، که در آن 3 لایه‌ی مرتبه‌ای شبکه محصورشده است. لایه‌ی پایین‌تر که از ذره‌ی Mica2 یا اینتل تشکیل‌شده است، به شتاب سنج‌های متعدد برای جمع‌آوری اطلاعات ارتعاش مجهز شده‌اند. این لایه به خوشه‌هایی سازمان‌یافته شده است و هر خوشه به‌وسیله‌ی یک گره دروازه ستاره برای بهبود مقیاس‌پذیری شبکه،کنترل می‌شود. جمع‌آوری داده‌ها به‌وسیله‌ی هر گره دروازه کنترل می‌شود.
دروازه‌ها دومین لایه شبکه‌ای از گره‌های بالا و پایین را که روی شبکه‌ی حسگر لایه‌ی اول را می‌پوشاند، می‌سازند. داده‌های جمع‌آوری‌شده به‌وسیله‌ی هر دروازه به یک گره ریشه فرستاده می‌شود. گره ریشه به شبکه‌های سازمانی از طریق کابل متصل شده است. با استفاده از این معماری، داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط کل شبکه به سرور سازمانی برای تجزیهوتحلیل فرستاده می‌شوند.
براین اساس، دروازه گزارش و مدت‌زمان خواب را به گره‌های حسگر اعلام می‌کند و هر گره حسگر همان زمان، برای گزارش اطلاعات ارتعاش و تغییر به حالت خواب، را در نظر می‌گیرد. علاوه براین هم گره‌های حسگر و هم دروازه به‌گونه‌ای که نرم‌افزار در پایان هر چرخه‌ی دوباره، راه‌اندازی شود، برنامه‌ریزی‌شده‌اند. این هرگونه وضعیت وابستگی را برای هر چرخه حذف می‌کند و عملیات بدون مراقبت در شبکه را تضمین می‌کند. علاوه بر این، چندین تایمر نگهبان برای حصول اطمینان از اینکه دستگاه‌های تعبیه‌شده به‌درستی عمل‌می‌کنند، اجرا می‌شوند.
