2.3. Применение
в медицине
Одним из применений
в медицине является устройства
для инвалидов; мониторинг пациентов;
диагностика; мониторинг использования
медикаментов в больницах; сбор
физиологических данных человека;
и мониторинга врачей и пациентов
в больницах [8,42,60,71,88]. Мониторинг
физиологического состояния человека:
физиологические данные, собранные
сенсорными сетями могут храниться
в течение длительного периода
времени [41] и могут использоваться
для медицинского исследования [62].
Установленные узлы сети могут
также отслеживать движения пожилых
людей и, например, предупреждать
падения [9,16]. Эти узлы невелики
и обеспечивают пациенту большую
свободу передвижения, в тоже
время позволяют врачам выявить
симптомы болезни заранее [56].
Кроме того, они способствуют
обеспечению более комфортной
жизни для пациентов в сравнении
с лечением в больнице [5]. Для
проверки возможности такой системы
на факультете медицины Grenoble–France
был создан “Здоровый умный дом ''. [60].
Мониторинг врачей и пациентов в больнице:
каждый пациент имеет небольшой и легкий
узел сети. Каждый узел имеет свою конкретную
задачу. Например, один может следить за
сердечным ритмом, в то время как другой
снимает показания кровяного давления.
Врачи могут также иметь такой узел, он
позволит другим врачам найти их в больнице.
Мониторинг медикаментов в больницах:
Узлы могут быть присоединены к лекарствам,
тогда шансы выдачи неправильного лекарства,
могут быть сведены к минимуму. Так, пациенты
будут иметь узлы, которые определяют
их аллергию и необходимые лекарства.
Компьютеризированные системы, как описано
в [78] показали, что они могут помочь свести
к минимуму побочные эффекты от ошибочной
выдачи препаратов.
2.4. Применение
в доме
Автоматизация дома: смарт-узлы
могут быть интегрированы в бытовые приборы,
например в пылесосы, микроволновые печи,
холодильники и видеомагнитофоны [67]. Они
могут взаимодействовать друг с другом
и с внешней сетью через Интернет или спутник.
Это позволит конечным пользователям
легко управлять устройствами дома как
локально, так и удаленно. Умная окружающая
среда: дизайн смарт-среды может иметь
два различных подхода, т.е., ориентированного
на человека или на технологии[1]. В случае
первого подхода, смарт-среда должна адаптироваться
к потребностям конечных пользователей
с точки зрения взаимодействия с ними.
Для технологически-центрированных систем
должны быть разработаны новые аппаратные
технологий, сетевые решений, и промежуточные
приложения. Примеры того, как узлы могут
быть использованы для создания смарт-среды
описана в [36]. Узлы могут быть встроены
в мебель и технику, они могут общаться
друг с другом и сервером комнаты. Сервер
комнаты может также общаться с другими
серверами комнат, чтобы узнать о услугах,
которые они могут предложить, например,
печать, сканирование и работа с факсом.
Эти сервера и сенсорные узлы могут быть
интегрированы в существующие встраиваемые
устройства и составлять самоорганизующиеся,
саморегулируемые и адаптивные системы,
основанные на модели теории управления,
как описано в работе [36].
3. Факторы, влияющие
на разработку моделей сенсорных
сетей.
Разработка сенсорных
сетей зависит от многих факторов,
которые включают в себя отказоустойчивость,
масштабируемость, издержек производства,
вид операционной среды, топологию сенсорной
сети, аппаратные ограничения, модель
передачи информации и потребление энергии.
Эти факторы рассматриваются многими
исследователями. Однако ни в одном из
этих исследований полностью не учтены
все факторы, которые влияют на разработку
сетей. Они важны, поскольку служат в качестве
ориентира для разработки протокола или
алгоритмов работы сенсорных сетей. Кроме
того, эти факторы могут быть использованы
для сравнения различных моделей.
3.1. Отказоустойчивость
Некоторые узлы могут
выйти из строя из-за отсутствия
энергии, физических повреждений
или стороннего вмешательства.
Отказ узла не должен повлиять
на работу сенсорной сети. Это
вопрос надежности и отказоустойчивости.
Отказоустойчивость - способность поддерживать
функциональность сенсорной сети
без сбоев при выходу из строя узла
[37,55,75]. Надежность Rk(t) или отказоустойчивости
узла моделируется в [37] с помощью распределения
Пуассона для определения вероятности
отсутствия неисправности узла в период
времени (0; t) Стоит обратить внимание на
то, что протоколы и алгоритмы могут быть
ориентированы на уровень отказоустойчивости,
требуемый для построения сенсорных сетей.
Если среда, в которой узлы размещены мало
подвержена вмешательствам, то протоколы
могут быть менее отакзоустоичивыми. Например,
если узлы внедряются в дом, чтобы следить
за влажностью и уровнем температуры,
требования к отказоустойчивости может
быть низким, поскольку такого рода сенсорные
сети не могут выйти из строя и «шум» окружающей
среды не влияет на их работу. С другой
стороны, если узлы используются на поле
боя для наблюдения, то отказоустойчивость
должна быть высокой, поскольку наблюдения
являются критически важными и узлы могут
быть уничтожены во время военных действий.
В результате, уровень отказоустойчивости
зависит от применения сенсорных сетей
и модели должны быть разработаны с учетом
этого.
3.2. Масштабируемость
Количество узлов развернутых
для изучения явления может
быть порядка сотен или тысяч.
В зависимости от приложения,
число может достигать экстремальных
значений (миллионов). Новые модели
должны быть в состоянии работать
с этим числом узлов. Они
также должны использовать высокую
плотность сенсорных сетей, которая
может варьироваться от нескольких
узлов до нескольких сотен
на участке, который может быть
меньше 10 м в диаметре [14]. Плотность
может быть рассчитана в соответствии
с [8],
3.3. Расходы на
производство
Так как сенсорные сети
состоят из большого количества узлов,
то стоимость одного узла должна быть
такой, чтобы оправдать общую
стоимость сети. Если стоимость сети
выше, чем развертывание традиционных
датчиков, то она не экономически оправданна.
В результате, стоимость каждого
узла должна быть низкой. Сейчас стоимость
узла с использованием Bluetooth-передатчика
менее 10$ [71]. Цена на PicoNode в районе 1$ [70].
Следовательно, стоимость узла сенсорной
сети должна быть гораздо меньше, чем 1
$ для экономической оправданности их
использования. Стоимость Bluetooth-узла, который
считается дешевым устройством, в 10 раз
выше, чем средние цены на узлы сенсорной
сети. Обратите внимание, что узел также
имеет некоторые дополнительные модули,
такие как модуль сбора данных и модуль
обработки данных (описано в разделе 3.4.)
Кроме того они могут быть оборудованы
системой определения местонахождения
или силовым генератором в зависимости
от применения сенсорных сетей.
В результате стоимость узла
- сложный вопрос, учитывая количество
функциональных возможностей даже при
цене менее 1 $.
3.4. Аппаратные
особенности
Узел сенсорных сетей
состоят из четырех основных
компонентов, как показано на
рис. 1: блок сбора данных, блок
обработки, передатчик и блок
питания. Наличие дополнительных
модулей зависит от применения
сетей, например, могут быть модули
определения местонахождения, силовой
генератор и мобилизатор (MAC). Модуль
сбора данных, как правило, состоят из
двух частей: датчики и аналого-цифровой
преобразователей (АЦП). Аналоговый сигнал,
генерируемый датчиком на основе наблюдаемого
явления, преобразуется в цифровой сигнал
с помощью АЦП, а затем подается в блок
обработки. Модуль обработки, который
использует интегрированную память, управляет
процедурами, которые позволяют совместно
с другими узлами выполнять поставленные
задачи наблюдения. Блок передатчика (трансивер)
соединяет узел с сетью. Одним из наиболее
важных компонентов узла является блок
питания. Блок питания может иметь возможность
подзарядки, например, используя солнечные
батареи.
Большинству узлов,
передающих данные и собирающих
данные, необходимо знать свое
местоположение с высокой точностью.
Поэтому в общую схему включен
модуль определения местоположения.
Иногда может понадобиться мобилизатор,
который при необходимости перемещает
узел, когда это необходимо для выполнения
поставленных задач. Все эти модули, возможно,
потребуется разместить в корпус размером
со спичечный коробок [39]. Размер узла может
быть меньше кубического сантиметра [69]
и достаточно легким, чтобы оставаться
в воздухе. Помимо размера, есть некоторые
другие жесткие ограничения для узлов.
Они должны [42]:
• потребляют очень
мало энергии,
• работать с большим
количеством узлов на малых
расстояниях,
• иметь низкую
стоимость производства
• быть автономными
и работать без присмотра,
• адаптироваться
к окружающей среде.
Поскольку узлы могут
становиться недоступными, жизни
сенсорной сети зависит от
питания отдельных узлов. Питание
ограниченный ресурс и из-з а ограничений
по размеру. Например, общий запас энергии
смарт-узла составляет порядка 1 Дж [69].
Для беспроводной интегрированной сети
датчиков (WINS) [86] средний уровень заряда,
для обеспечения длительного времени
работы должен быть меньше 30 LA. Возможно,
продлить срок службы сенсорных сетей
используя подзаряжаемые батареи [71], например,
получая энергию из окружающей среды.
Солнечные батареи – яркий пример использования
подзарядки. Модуль передачи данных узла
может быть пассивным или активным оптическим
устройством, как в смарт-узле [69] или радиочастотным
(RF) передатчиком. Для радиочастотной передачи
нужен модуль модуляции, который использует
определенную полосу пропускания, модуль
фильтрация, демодуляция, что делает их
более сложными и дорогими. Кроме того,
возможны потери при передаче данных между
двумя узлами из-за того, что антенны распложены
близко к земле [69]. Тем не менее, радиосвязь
является предпочтительной в большинстве
существующих проектов сенсорных сетей,
так как частот передачи данных низкие
(как правило, менее 1 Гц) [71], а частота циклов
передачи высока из-за малых расстояний.
Эти характеристики позволяют использовать
низкие радиочастоты. Однако, проектирование
энергоэффективных и низкочастотных радиопередатчиков
по-прежнему является технически сложной
задачей, а существующие технологии, которые
используются при производстве Bluetooth устройства,
не является достаточно эффективным для
сенсорных сетей, поскольку потребляют
много энергии [77]. Хотя в настоящее процессоры
постоянно уменьшают свои габариты и увеличивают
мощность, обработка и хранения данных
узлом по-прежнему является его слабым
местом. Например, модуль обработки смарт-узла
состоит из процессора 4 МГц Atmel AVR8535, микроконтроллера
с 8 Кбайт для инструкций, флэш-памяти,
512 байт RAM и 512 байт EEPROM [66]. В этом модуле,
который имеет 3500 байт под ОС и 4500 байт
свободной памяти под код, используется
операционная система TinyOS. Модуль обработки
другого прототипа узла lAMPS имеет процессор
SA-1110 с частотой 59-206 МГц [77]. На узлах IAMPS
используется многопоточная операционная
система L-OS. Большинство задач сбора данных
требуют знаний позиции узла. Поскольку
узлы, как правило, располагаются случайным
образом и без надзора, они должны кооперироваться
с помощью системы определения местоположения.
Определение местоположения используется
во многих протоколах маршрутизации сенсорных
сетей (подробнее в разделе 4). Некоторые
предлагают, чтобы каждый узел имел модуль
системы глобального позиционирования
(GPS), который работает с точностью до 5
метров [48]. В работе [74] утверждается, что
оснащение всех узлов GPS не обязательно
для работы сенсорных сетей. Есть альтернативный
подход, где только некоторые узлы используют
GPS и помогают другим узлам, определить
свое положение на местности.
3.5. Топология сети
Наличие того факта,
что узлов могут стать недоступными
и подвержены частым сбои, делают
обслуживание сети сложной задачей.
От сотни до нескольких тысяч
узлов могут быть размещены
на территории сенсорной сети.
Они развертываются в десятке
метров друг от друга [39]. Плотность
расположения узлов может быть
и выше, чем 20 узлов на метр
кубический [77]. Плотное расположение
множества узлов требует тщательного
обслуживания сети. Мы рассмотрим
вопросы, связанные с обслуживанием
и изменением топологии сети
в три этапа:
3.5.1. Предварительное
развертывание и само развертывание узлов
может заключаться в массовом разбросе
узлов или установке каждого по отдельности.
Они могут быть развернуты:
• разбросом с самолета,
• посредством помещения
в ракету или снаряд
• выброшены посредством
катапульты (например, с корабля
и т.д.),
• размещение на
заводе
• каждый узел размещен
по отдельности человеком или
роботом.
Несмотря на то, что
огромное количество датчиков
и их автоматическое развертывание
обычно исключает размещение
их в соответствии с тщательно
разработанным планом, схемы для
первоначального развертывания
должны:
• сокращать расходы
на монтаж,
• устранять необходимость
в какой-либо предварительной
организации и предварительном
планировании,
• повышать гибкости
размещения,
• способствовать
самоорганизации и отказоустойчивости.
3.5.2. Фаза после
развертывания сети
После развертывания
сети, изменение ее топологии
связано с изменением характеристик
узлов [39,50]. Перечислим их:
• положение,
• доступность (из-за
помех, шума, движущихся препятствий,
и т.д.),
• заряда батареи,
• неисправности
• изменение поставленных
задач.
Узлы могут быть
развернуты статически. Однако, отказ
устройств является обычным явлением
в связи с разрядкой батареи или уничтожения.
Возможны сенсорные сети с высокой подвижностью
узлов. Кроме того, узлы и сети выполняют
различные задачи и могут быть подвергнуты
преднамеренным помехам. Таким образом,
структура сенсорной сети склонна к частым
изменениям после развертывания.
3.5.3. Фаза развертывания
дополнительных узлов
Дополнительные узлы
могут быть добавлены в любой
момент для замены неисправных
узлов или в связи с изменением
задач. Добавление новых узлов создает
необходимость реорганизации сети. Борьба
с частыми изменениями в топологии одноранговой
сети, которая содержит множество узлов
и имеет очень жесткие ограничения по
энергопотреблению, требует специальных
протоколов маршрутизации. Этот вопрос
подробнее рассмотрен в разделе 4.