Максим Сергиевский
Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем - сенсорных сетей.
Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств - мотов (от англ. motes - пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память - флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными; они подключаются через цифровые и аналоговые коннекторы. Чаще других используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, реже - магнитоэлектрические, химические (например, измеряющие содержание CO, CO2), звуковые и некоторые другие. Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных. Внешний вид мотов, выпускаемых различными производителями, приведен на рис. 1.
Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер. Но для того, чтобы обработать данные, их нужно сначала получить. Для этой цели узел обязательно оснащается антенной. Но в любом случае доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации.
Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в большинстве беспроводных сенсорных сетей используется TinyOS - ОС, разработанная в Университете Беркли. TinyOS относится к программному обеспечению с открытым кодом; оно доступно по адресу: www.tinyos.net. TinyOS - это управляемая событиями операционная система реального времени, рассчитанная на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Эта ОС позволяет мотам автоматически устанавливать связи с соседями и формировать сенсорную сеть заданной топологии. Последний релиз TinyOS 2.0 появился в 2006 году.
Важнейшим фактором при работе беспроводных сенсорных сетей является ограниченная емкость батарей, устанавливаемых на моты. Следует учитывать, что заменить батареи чаще всего невозможно. В связи с этим необходимо выполнять на мотах только простейшую первичную обработку, ориентированную на уменьшение объема передаваемой информации, и, что самое главное, минимизировать число циклов приема и передачи данных. Для решения этой задачи разработаны специальные коммуникационные протоколы, наиболее известными из которых являются протоколы альянса ZigBee. Данный альянс (сайт www.zigbee.org) был создан в 2002 году именно для координации работ в области беспроводных сенсорных сетей. В него вошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI и многие другие (всего более 200 членов). Корпорация Intel в альянс не входит, хотя и поддерживает его деятельность.
В принципе, для выработки стандарта, в том числе стека протоколов для беспроводных сенсорных сетей, ZigBee использовал разработанный ранее стандарт IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных сетей передачи данных на небольшие расстояния (до 75 м) с низким энергопотреблением, но с высокой степенью надежности. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены в табл. 1.
Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4
Полоса частот, МГц |
Нужна ли лицензия |
Географический регион |
Скорость передачи данных, Кбит/с |
Число каналов |
На данный момент ZigBee разработал единственный в этой области стандарт, который подкреплен наличием производства полностью совместимых аппаратных и программных продуктов. Протоколы ZigBee позволяют устройствам находиться в спящем режиме бо льшую часть времени, что значительно продлевает срок службы батареи.
Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями и даже тысячами мотов не так-то просто. Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что сенсорные сети работают в нелицензированных частотных диапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Желательно также избегать повторной передачи одних и тех же данных, а кроме того, учитывать, что из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или на какое-то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку одной из важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.
Чаще всего мот должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере по отношению к тому другому моту, которому он будет передавать данные. То есть сначала происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты - устройства стандарта ZigBee - по уровню сложности разбиваются на три класса. Высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях обычно используется один координатор. Средний по сложности мот является маршрутизатором, то есть может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 2). Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.
В России тоже проводятся разработки, связанные с созданием беспроводных сенсорных сетей. Так, компания «Высокотехнологичные системы» предлагает свою аппаратно-программную платформу MeshLogic для построения беспроводных сенсорных сетей (сайт www.meshlogic.ru). Основным отличием этой платформы от ZigBee является ориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 3). В таких сетях функциональные возможности каждого мота одинаковы. Возможность самоорганизации и самовосстановления сетей ячеистой топологии позволяет в случае выхода части мотов из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Правда, в любом случае необходим центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, или шлюз для передачи данных на обработку узлу. Спонтанно создаваемые сети часто называют латинским термином Ad Hoc, что означает «для конкретного случая».
В сетях MeshLogic каждый мот может выполнять ретрансляцию пакетов, то есть по своим функциям напоминает маршрутизатор ZigBee. Сети MeshLogic являются в полной мере самоорганизуемыми: никакого узла-координатора не предусмотрено. В качестве радиочастотных приемопередатчиков в MeshLogic могут использоваться различные устройства, в частности Cypress WirelessUSB, которые так же, как и устройства стандарта ZigBee, работают в диапазоне частот 2,4... 2,4835 ГГц. Следует отметить, что для платформы MeshLogic существуют только нижние уровни стека протоколов. Считается, что верхние уровни, в частности сетевой и прикладной, будут создаваться под конкретные приложения. Конфигурации и основные параметры двух мотов MeshLogic и одного мота стандарта ZigBee приведены в табл. 2.
Таблица 2. Основные характеристики мотов различных производителей
Параметры |
|||
Микроконтроллер |
|||
Процессор |
Texas Instruments MSP430 |
||
Тактовая частота |
От 32,768 кГц до 8 МГц |
||
Оперативная память |
|||
Flash-память |
|||
Приемопередатчик |
|||
Cypress WirelessUSBTM LP |
|||
Диапазон частот |
2400-2483,5 МГц |
2400-2483,5 МГц |
|
Скорость передачи данных |
От 15,625 до 250 Кбит/с |
||
Выходная мощность |
От –24 до 0 дБм |
От –35 до 4 дБм |
От –28 до 3 дБм |
Чувствительность |
|||
1 или 2 чипа |
|||
Внешние интерфейсы |
|||
12-разрядный, 7 каналов |
10-разрядный, 3 канала |
||
Цифровые интерфейсы |
I2C/SPI/UART/USB |
I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG |
|
Другие параметры |
|||
Напряжение питания |
От 0,9 до 6,5 В |
От 1,8 до 3,6 В |
|
Температурный диапазон |
От –40 до 85 °C |
От 0 до 70 °C |
От 0 до 85 °C |
Отметим, что интегрированных сенсорных датчиков на этих платах нет.
Укажем, что в первую очередь отличает беспроводные сенсорные сети от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей:
Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Беспроводные сенсорные сети - это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:
Из достаточно большого числа примеров использования беспроводных сенсорных сетей выделим два. Наиболее известным является, пожалуй, развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР. Там с помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания. Компания BP проанализировала, может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна. Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети.
Примером еще одного реализованного пилотного проекта является развертывание сенсорной сети на базе военно-воздушных сил США во Флориде. Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числе движущихся. Применение сенсорной сети позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками. В настоящее время масштабы проекта расширяются, и беспроводная сенсорная сеть устанавливается уже на полигоне размером 10 000x500 м. Соответствующее прикладное программное обеспечение разрабатывается несколькими американскими университетами.
Уже близок тот день, когда сотни миллионов полупроводниковых сенсоров будут интегрироваться во все, что только возможно, начиная от брелока на ключе и заканчивая детской коляской. И все они будут в состоянии не только выступать в роли интеллектуальных датчиков, но и выполнять первичную обработку информации, а также взаимодействовать друг с другом, образуя единую беспроводную сенсорную сеть. При этом такие датчики практически не будут потреблять электроэнергию, так как встроенных миниатюрных аккумуляторов будет хватать на несколько лет, то есть на весь срок работы сенсоров. Это будет концептуально новый тип компьютерной системы, функционирующей с помощью беспроводной сенсорной сети. Такую сеть принято называть Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Термин Ad-hoc позаимствован из современных беспроводных сетей, действующих, например, в стандарте IEEE 802.11b. Такие беспроводные сети имеют два режима взаимодействия: режим Infrastructure и Ad-hoc. В режиме Infrastructure узлы сети взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). В режиме Ad-hoc, который также называется Peer-to-Peer («точка-точка»), станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Соответственно и в беспроводных сенсорных сетях режим Ad-hoc означает, что все сенсоры напрямую взаимодействуют друг с другом, создавая своеобразную сотовую сеть
Беспроводные сенсорные сети - это своеобразный шаг на пути перехода в следующую эпоху - когда компьютеры будут непосредственно соединены с физическим миром и смогут угадывать желания пользователей, а также принимать за них решения.
Давайте немного помечтаем, что принесут нам такие сенсорные сети в будущем. Представьте себе детские кроватки, слушающие дыхание младенцев; браслеты, следящие за состоянием пациентов в клинике; детекторы дыма, которые могут не только в случае необходимости вызвать пожарных, но и заранее проинформируют их об очаге возгорания и степени сложности пожара. Электронные устройства смогут распознавать друг друга, источники питания будут напоминать о том, что им необходимо «подкрепиться».
Представьте сотни тысяч сенсорных датчиков, объединенных в общую сеть в лесу. В таком лесу просто невозможно будет заблудиться, поскольку передвижение человека будет фиксироваться, и анализироваться датчиками. Другой пример - датчики в поле, настроенные на контроль за состоянием почвы и в зависимости от меняющихся условий регулирующие полив и количество вносимых удобрений.
Не менее полезными будут сенсорные сети на дорогах. Общаясь друг с другом, они смогут регулировать поток машин. Это же мечта любого водителя - дороги без пробок! Такие сети смогут справляться с этой задачей значительно эффективнее, чем любое ведомство. Проблема контроля
правонарушений на дорогах решится при этом сама собой.
Использование сенсорных сетей для управления электроснабжением позволит достичь невероятной экономии электроэнергии. Представьте себе такую управляющую сеть у вас в квартире. Отслеживая ваше местонахождение, датчики смогут повсюду выключать за вами свет и включать его по мере необходимости. Ну а если использовать такие сети для контроля освещения улиц и дорог, то проблема нехватки электричества исчезнет сама собой. Для того, чтобы сенсорные сети стали реальностью завтрашнего дня, исследования в этом направлении ведутся уже сегодня. И лидером в этой области является корпорация Intel, которая поддерживает все передовые компьютерные технологии будущего. Особое внимание, уделяя разработке беспроводных много узловых сенсорных сетей, способных к самостоятельному автоматическому формированию и настройке по мере необходимости. Реализация этой технологии позволит развернуть сеть недорогих, но при этом весьма сложных полупроводниковых сенсорных устройств, которые смогут самостоятельно устанавливать связь друг с другом, докладывая о тех или иных изменениях в окружающей обстановке. К примеру, сенсор Mica оснащается 128 килобайтами программой флэш-памяти, 256 килобайтами флэш-памяти для хранения данных и радиопередатчиком, работающим на частоте 900 МГц.
Некоторые из этих устройств работают под управлением операционной системы
TinyOS , код этой операционной системы является открытым и состоит всего из
8.5 Кб.
Такие устройства найдут применение в принципиально новых областях, например в разработке интеллектуальных предметов одежды, подключенных одеял, которые будут следить за состоянием здоровья новорожденного и сообщать важнейшие показатели его жизнедеятельности, интеллектуальных фермерских хозяйств, в которых полупроводниковые датчики, установленные в почве, займутся управлением ирригационной
системой и внесением удобрений. Исследованием сенсорных сетей в корпорации Intel занимается
знаменитая исследовательская лаборатория Intel Berkeley Research laboratory, расположенная в штате Калифорния. 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 четко определенные задачи. Они способны передавать лишь определенный тип информации от одного датчика к другому и только в заданной полосе пропускания. Потребление энергии также нельзя назвать ничтожно малым
- заряда батареи хватает всего на несколько дней. Существующие сенсорные датчики пока еще достаточно инертны, а о высокой надежности и незаметности в эксплуатации (хотя бы из-за размеров) и речи не идет. Ну и, конечно же, такие сенсоры стоят достаточно дорого, так что сеть, состоящая из сотни сенсоров, обходится недешево. Но надо помнить, что речь идет об экспериментальных сетях и о развитии технологии будущего. В то же время экспериментальные сенсорные сети уже сейчас приносят пользу. Одна из таких сенсорных сетей, созданная совместными усилиями исследовательской лаборатории Intel Berkeley, институтом Атлантики и Калифорнийским университетом, действует на Большом утином острове (Great Duck Island) в штате Мэн.
Задача этой сети - изучение микросреды обитания различных биологических организмов населяющих остров.
Любое человеческое вмешательство (даже с целью изучения) иногда излишне,
вот тут-то и приходят на выручку сенсорные сети, позволяющие без непосредственного участия человека собирать все необходимую информацию.
Сенсорная сеть использует в качестве узловых элементов две платы. На первой плате расположены температурный датчик, датчики влажности и барометрического давления и инфракрасный датчик. На второй плате находятся микропроцессор (частота 4 МГц), оперативная память объемом 1 Кбайт, флэш-память для хранения программ и данных, источник питания (две батарейки типоразмера АА) и радиопередатчик/
приемник, работающий на частоте 900 МГц. Сенсоры позволяют регистрировать всю необходимую информацию и передавать ее в базу данных главного компьютера. Все датчики предварительно проходят тщательное тестирование - плату с датчиками погружают в воду надвое суток и следят за ее функциональностью. Все сенсорные узлы образуют единую беспроводную сеть и способны обмениваться информацией. При этом передача информации от удаленного узла сети к шлюзу (Gateway Sensor) происходит по цепочке, то есть от одного узла сети к другому, что позволяет создавать большую зону покрытия.
Через шлюз информация достигает главного компьютера. Шлюз использует направленную антенну, что позволяет увеличить расстояние передачи до 300 м. С главного компьютера информация с помощью спутниковой связи передается через Интернет в исследовательский центр, расположенный в Калифорнии.
Не менее активно сотрудники лаборатории работают над прецизионной биологией, созданием биочипов. Кроме сенсорного восприятия мира твердых вещей, исследуется возможность "ощущать" жидкие среды и биологические, развивающиеся объекты. Подобные исследования открывают колоссальные перспективы для медицинских и фармацевтических разработок, осуществления химических процессов и изготовления биологических препаратов. Поскольку главное предназначение сенсорных сетей – восприятие и передача полезной информации, специалисты лаборатории Intel в Беркли заняты разработкой методики объединения сенсоров с предметами, мониторинг которых вменяется им в обязанность, а также исследуют возможность создания «актуаторов» - устройств на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только регистрировать ее состояние. Сенсорные сети очевидным образом полезны для военных приложений, одна из возможных вариаций сетей проходила "боевые" испытания в Афганистане, где вооруженные силы США разместили несколько сот сенсоров с целью отслеживания передвижений боевой техники противника. Однако о внедрении
реальных сетей в нашу жизнь говорить рано, сеть уязвима в отказоустойчивости. Атакой в сенсорной сети, приводящей к отказу в обслуживании (Denial of Service - DoS), является любое событие, которое уменьшает или ликвидирует возможность сети выполнять ожидаемую от нее функцию. Авторы предлагают основывать протоколы сенсорных сетей на многоуровневой архитектуре, что может повредить эффективности сети, но повысит ее надежность. Обсуждаются виды DoS-атак, типичные для каждого уровня, и приемлемые методы защиты. Таким образом, уже сегодня, несмотря на несовершенство и пока еще достаточно узкий круг использования, сенсорные сети находят применение в науке, а в дальнейшем и в жизни.
Использовались материалы с сайтов:
Практически все сферы жизни в 21 веке зависят от информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). Данными обмениваются не только люди, но и всевозможные интеллектуальные системы, мобильные телефоны, носимые устройства, банкоматы, датчики. К «Интернету вещей» уже подключены по меньшей мере 5 млрд устройств. Функционирование любых крупных комплексов — предприятий промышленности, энергетики, сельского хозяйства, торговых центров, музеев, офисов, жилых зданий — сопряжено с постоянным контролем ситуации на их территории. Чувствительные сенсоры в режиме реального времени следят за исправностью оборудования, организацией взаимодействия приборов между собой, предупреждают о необходимости их замены или о чрезвычайных ситуациях. При стремительно растущих объемах данных необходим простой и удобный способ обмена ими между устройствами и центрами обработки информации.
Беспров одные сенсорные сети (БСС, Wireless Sensor Networks), состоящие из беспроводных сенсоров и управляющих устройств и способные к самоорганизации с помощью интеллектуальных алгоритмов, демонстрируют масштабные перспективы использования для контроля здоровья человека, состояния окружающей среды, функционирования производственных и транспортных систем, учета различных ресурсов и др. В настоящем выпуске информационного бюллетеня представлены технологические тренды в области БСС, связанные с обеспечением постоянной работы беспроводных сенсоров и их применением в двух областях современной экономики - передовом производстве (advanced manufacturing) и «умной» энергетике (smart grid).
Для развития беспроводных сенсорных сетей важно решить проблему их энергопитания. Перспективным трендом является создание долговечных автономных устройств с минимальным потреблением энергии - преобразованной из внешних источников.
Беспроводные сенсорные устройства могут, например, питаться от энергии радиосигнала, отправленного на них от какого‑либо передатчика (подобно устройствам радиочастотной идентификации (RFID) или бесконтактным смарт-картам). Эта энергия используется устройством как для подзарядки сенсора, так и для формирования ответного сигнала с информацией о текущем состоянии контролируемого объекта.
Другой способ - пассивное преобразование энергии из внешней среды (energy harvesting): солнечной (снаружи помещения при достаточно ясной погоде), тепловой, энергии механических вибраций (от работающих рядом приборов - сборочных аппаратов, конвейеров и т. п.), энергии вибраций самого сенсора (в случае с носимыми устройствами), фоновых радиоизлучений от окружающих электроприборов (в том числе Wi-Fi).
ЭффектыЗа счет сокращения высокотоксичных отходов отработанных источников тока снижается негативное воздействие на окружающую среду. Применение самозарядных сенсорных устройств будет способствовать развитию беспроводных устройств «Интернета вещей», персонализированной медицины (носимые и вживляемые устройства, контролирующие показатели здоровья человека), а также экологически безопасных технологий (green technologies) в энергетике, промышленности (особенно в опасных производствах) и других областях. |
Оценки рынка30,1 млрд К 2020 году в мире будет 30,1 млрд беспроводных устройств. Потенциальная доля самозарядных устройств достигнет 30–65%. Максимальное проявление тренда прогнозируется в 2020–2030 гг. |
Драйверы и барьерыАктуальность тренда постоянно растет благодаря миниатюризации беспроводных устройств и снижению их стоимости. Сдерживает развитие направления недостаточный у нынешних моделей беспроводных сенсоров объем энергии, преобразованной из внешней среды, необходимой для мониторинга состояния сложного оборудования и периодичной отправки информации в центр обработки данных. |
Нерациональное использование ресурсов и производственных мощностей, выработка большого количества загрязняющих окружающую среду отходов, отсутствие постоянного контроля состояния объектов на предприятиях - эти и другие проблемы современной промышленности стимулируют переход к модели передового производства (advanced manufacturing). Для него характерны использование новых материалов и экологически безопасных технологий (green technologies), а также повсеместное применение ИКТ и интеллектуальных систем, в частности робототехники и беспроводных сенсорных сетей.
Индустриальные беспроводные сенсорные сети (ИБСС, Industrial Wireless Sensor Networks) - важнейший фактор реализации передового производства. Для управления и контроля состояния объектов на предприятии (оборудования, конвейеров, сборочных аппаратов, реакторов) используется набор взаимосвязанных беспроводных сенсоров и информационных систем, которые обрабатывают данные с сенсоров и взаимодействуют с контролируемыми объектами с помощью управляющих устройств. Такая автоматизированная система реагирует на любые изменения показателей на предприятии, оповещает персонал об авариях и проблемных ситуациях, анализирует эффективность использования оборудования, оценивает уровень загрязнения окружающей среды и объемы производимых отходов.
ЭффектыРеализация передового производства повысит эффективность, точность и гибкость управления процессами на больших предприятиях и качество выпускаемой продукции, решит вопросы оптимизации ресурсов и определения «узких мест». Минимизация рисков на производстве (за счет его большей автоматизации) и снижение выбросов существенно уменьшат промышленную нагрузку на окружающую среду. |
Оценки рынка$3,8 млрд достигнет объем рынка индустриальных беспроводных сенсорных сетей в 2017 году. Массовое распространение ИБСС прогнозируется к 2017–2020 гг. |
Драйверы и барьерыРазвитие самозарядных сенсорных устройств, переход на цифровое управление производственным оборудованием, массовое внедрение роботизированных комплексов стимулируют развитие тренда. Недостаточный уровень стандартизации беспроводных сенсорных сетей, устаревшая ИКТ-инфраструктура на многих промышленных предприятиях замедляют переход к модели передового производства. |
Глобальная проблема нерационального использования электроэнергии особенно актуальна для России. Большие затраты на генерацию электроэнергии увеличивают себестоимость производства продукции, что ложится двойным бременем на конечного потребителя. Для повышения эффективности и надежности энергосистем многие страны переходят к концепции «умных» энергосетей (smart grid).
Такая сеть управляет в режиме реального времени всеми подсоединенными к ней генерирующими источниками, магистральными и распределительными сетями и объектами, потребляющими электроэнергию. Для управления «умной» энергосетью используются беспроводные сенсорные сети, которые контролируют объемы энергопроизводства и энергопотребления на разных ее участках. С помощью информационных систем рассчитывается оптимальное распределение энергии в сети, строятся прогнозы на разные сезоны и периоды дня, синхронизируются выработка энергии и ее доставка, контролируется безопасность линий электропередач. Для повышения эффективности энергосети ее некритические элементы на время пониженной активности выключаются.
ЭффектыПостоянный мониторинг и контроль устройств в энергосистеме снижает количество перебоев электроэнергии. Существенная экономия средств при ее производстве приводит к положительным эффектам для промышленности, социальной сферы и окружающей среды (сейчас в России доля энергетики в загрязнении воздуха составляет 26,8 % - максимальное значение в сравнении с другими сферами). |
Оценки рынка$63 млрд составит к 2020 году объем мирового рынка технологий «умных» электроэнергетических сетей при среднегодовых темпах роста более 8 %. 2018–2025 гг. - период максимального проявления тренда. |
Драйверы и барьерыВведение более строгих экологических норм и стандартов ускоряет развитие тренда. Подходящий момент для внедрения smart grid в России - планируемое обновление инфраструктурных объектов электроэнергетики. Усложняют переход к концепции smart grid большой масштаб отрасли, дороговизна и значительные временные затраты на ее технологическое обновление. Периодические отключения электростанций в ходе модернизации энергосетей представляют проблему для компаний-потребителей. |
Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики () в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.
При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), данные Web of Science , Orbit , idc.com, marketsandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru и др.
Обзор современных беспроводных технологий
Архитектура сенсора
Сенсорный датчик состоит из аппаратной и программной части, как и любой другой телекоммуникационный узел. В общем случае сенсор состоит из следующих
подсистем: восприятие, обработки данных, мониторинга, коммуникационной и источника питания (Рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Общая архитектура сенсора.
Подсистема восприятия состоит, как правило, из аналогового устройства, снимающего определенную статистику и аналого-цифрового преобразователя. Подсистема обработки данных содержит в себе центральный процессор и память, позволяющие хранить не только генерируемые сенсором данные, но и служебную информацию, которая необходима для корректного и полноценного функционирования коммуникационной подсистемы. Подсистема мониторинга позволяет сенсору собирать данные об окружающей среде, такие как влажность, температура, давление, магнитное поле, химический анализ воздуха и т.д. Также сенсор может быть дополнен гироскопом, акселерометром, что даёт возможность для построения системы позиционирования.
Прогресс в области беспроводной связи и миниатюризация микросхем открывают новые горизонты в информационно-компьютерных технологиях. Помимо многошаговых сетей существуют более сложные протоколы маршрутизации, когда следующий узел выбирается на основе анализа его характеристик, например, уровень энергии, надежность и тому подобное. Ситуация усложняется в случае, когда узлы беспроводной сенсорной сети передвигаются – топология сети становится динамичной.
Для реализации сенсора как телекоммуникационного устройства малого размера (не более одного кубического сантиметра) необходимо учитывать многие технические аспекты. Частота центрального процессора должна быть не менее 20МГц, объем оперативной памяти не менее 4 КБ, скорость передачи не менее 20 Кбит/с. Оптимизация аппаратной части позволит снизить размеры сенсора, но повлечет за собой увеличение его цены. Операционную систему (ОС) необходимо оптимизировать с учетом архитектуры применяемого центрального процессора. Ограниченные ресурсы и малый размер памяти стимулируют размещение ОС в ПЗУ. В настоящее время широко распространена ОС с открытым кодом Tiny OS, позволяющая достаточно гибко управлять сенсорами разных производителей. В области сетевого взаимодействия, ограниченный источник питания в сенсорах накладывает существенные ограничения на
использование радиотехнологий, которые могут быть применены в сенсорных сетях. Также следует отметить, что ограниченная производительность центрального процессора не позволяет применение стандартных протоколов маршрутизации IP-сетей
– высокая сложность расчета алгоритма оптимального пути перегрузит центральный процессор. На сегодняшний день разработано большое количество специальных протоколов маршрутизации для сенсорных сетей.
Разработка технологии передачи данных в сенсорных сетях является одной из самых важных задач при построении сенсорной сети, так как её специфические архитектурные и системные характеристики накладывают целое множество жестких ограничений, среди которых следует подчеркнуть следующие:
Ограниченные запасы энергии, из-за чего радиус действия ограничен;
Ограниченная производительность процессора;
Одновременное функционирование большого количества узлов на ограниченном пространстве;
Равнозначность узлов, архитектура «клиент-сервер» не применима в связи с характерной для неё задержками;
Функционирование в нелицензируемом спектре частот;
Низкая стоимость.
Настоящее время разработка сенсорных сетей строится на стандарте IEEE 802.15.4 Zigbee, о котором я упомянала выше. Дополнительно отмечу, что альянсом Zigbee предполагается, что радиодоступ стандарта ZigBee будет применятся в таких приложениях, как мониторинг, автоматизация производства, сенсоры, безопасность, контроль, бытовая техника и многое другое. Таким образом, приложения сенсорных сетей можно разделить на несколько основных категорий:
Безопасность, чрезвычайные ситуации и военные операции;
Медицина и здоровье;
Погода, окружающая среда и сельское хозяйство;
Фабрики, заводы, дома, здания;
Транспортные системы и автомобили.
Рассмотрю случаи конкретного применения сенсорных сетей в вышеперечисленных категориях. Сенсорные сети могут, как минимум, использоваться в следующих сценариях.
Применение сенсорных сетей
Беспорводные сенсорные сети имеют уникальные характеристики легкого развертывания, самоорганизации и отказоустойчивости. Появившись как новая парадигма сбора информации, беспроводные сенсорные сети были использованы в широких целях связанных с охраной здоровья, контроль окружающей среды, енергии, безопасности пищевых продуктов и производства.
В течении последних нескольких лет, было много предпосылок того, что сенсорные сети станут реальными. Было создано несколько прототипов сенсорных нодов, включая Motes в Berkeley, uAMPS в MIT (в Массачусетском технологическом институте), и GNOMES в Rice. Элементарными функциями сенсорных сетей являются позиционирование, обнаружение, слежение и выявление. Кроме военных применений, также были гражданские применения, основанные на элементарных функциях, которые можно разделить на контроль среды обитания, наблюдение за окружающей средой, здравоохранения и других коммерческих
приложений. В добавок, Sibley недавно создали мобильный датчик, названный как Robomote, он оборудован колесиками и способен перемещаться по полю.
Качестве одной из первых попыток использования сенсорных сетей для гражданского применения, Berkeley and Intel Research Laboratory использовали сенсорную сеть Моте для контроля показаний штормов на Великих островах Duck, штат Мэн летом 2002 года. Две третьи сенсорных датчиков были установлены у берегов Мэн сбора необходимой (полезной) информации в реальном времени во всемирную путину (интернет). Система работала более 4 месяцев и снабжала данными
Течение 2 месяцев, после того как ученые покинули остров из-за плохих погодных условий (зимой). Это приложение мониторинга среды обитания представляет собой важный класс приложений сенсорных сетей. Самое важное, что сетевые сенсоры способны собирать информацию в опасных условиях, неблагоприятных для людей. В ходе мониторинговых исследований были рассмотрены критерии дизайна, включая дизайн создание, создание сенсорной системы с возможностью отдаленного доступа и управления данными. Были предприняты многочисленные попытки для достижения требований, что привело к развитию системы набора сенсорных датчиков (set of prototype sensor network systems). Сенсорная система, используемая Berkeley and Intel Research Laboratory, хоть и примитивная, но была эффективна в сборе интересных данных окружающей среды и обеспечила ученых важной информацией.
Сенсорные сети нашли применения в сфере наблюдения и предсказывания (предположения). Живой пример подобного применения является система Automated Local Evaluation in Real-Time (ALERT), разработанная Национальной Службой Погоды с беспроводной сетью сенсоров. Снабженные метеорологическими/гидрологическими сенсорными устройствами, сенсоры в данных условиях обычно измеряют несколько свойств местной погоды, таких как уровень воды, температуру, ветер. Данные передаются через прямую линию радиопередачи (line-of-sight radio communication) через сенсоры на базовой станции. Модель Прогноза Наводнений была приспособлена для обработки данных и выдачи автоматического предупреждения. Система обеспечивает важную информацию об осадках и уровне воды в реальном времени для оценки возможности потенциального наводнения в любой точке страны. Настоящая (текущая) система ALERT установлена по всему западному побережью США и используется для предупреждения наводнений в Калифорнии и Аризоне.
Последнее время, системы сенсоров интенсивно используются в сфере здравоохранения, применяемые пациентами и врачами для отслеживания и мониторинга уровня глюкозы, детекторов рака и даже искусственных органов. Ученые предполагают возможность имплантирования биомедицинских сенсоров в человеческое тело для разных целей. Эти сенсоры передают информацию на внешнюю компьютерную систему через беспроводной интерфейс. Несколько биомедицинских сенсоров объединены в систему приложений для определения диагноза и лечения болезни. Биомедицинские сенсоры предвещают более продвинутый уровень медицинской помощи.
Главным отличием беспроводных сенсорных сетей от традиционных компьютерных и телефонных сетей является отсутствие постоянной инфраструктуры, которая принадлежит определенному оператору или провайдеру. Каждый пользовательский терминал в сенсорной сети имеет возможность функционировать не только как оконечное устройство, но, так, же как и транзитный узел, как показано на Рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Пример подсоединения сенсоров сети
Преимущества технологий беспроводных сенсорных сетей могут быть эффективно использованы для решения различных прикладных задач, связанных с распределенным сбором, анализом и передачей информации.
В некоторых приложениях автоматизации зданий использование традиционных проводных систем передачи данных нецелесообразно по экономическим причинам.
Например, требуется внедрить новую или расширить существующую систему в эксплуатируемом здании. В этом случае применение беспроводных решений является наиболее приемлемым вариантом, т.к. не требуется проведенение дополнительных монтажных работ с нарушением внутренней отделки помещений, практически не причиняются неудобства сотрудникам или жильцам здания и т.д. В результате значительно снижается стоимость внедрения системы.
Другим примером могут быть офисные здания со свободной планировкой, для которых невозможно указать точные места установки датчиков на этапе проектирования и строительства. При этом планировка офисов может многократно изменяться в процессе функционирования здания, следовательно, затраты времени и средств на переконфигурацию системы должны быть минимальны, что может быть достигнуто применением беспроводных решений.
В дополнение можно привести следующие примеры систем на базе беспроводных сенсорных сетей:
До настоящего времени широкое использование беспроводной связи в области промышленной автоматизации сдерживалось низкой надежностью радиоканалов по сравнению с проводными соединениями в тяжелых условиях промышленной эксплуатации, но беспроводные сенсорные сети кардинальным образом изменяют сложившуюся ситуацию, т.к. по своей природе устойчивы к различного рода возмущениям (например, физическое повреждение узла, появление помехи, изменение препятствий и т.д.). Более того, в некоторых условиях беспроводная сенсорная сеть может обеспечить даже большую надежность, чем проводная система связи.
Решения на основе беспроводных сенсорных сетей в полной мере отвечают предъявляемым со стороны промышленности требованиям:
Технологии беспроводных сенсорных сетей могут найти применение в следующих задачах промышленной автоматизации:
Уникальные особенности и отличия беспроводных сенсорных сетей от традиционных проводных и беспроводных систем передачи данных делают их применение эффективным в самых различных областях. Например:
