Senzorske mreže

Bežične senzorske mreže (eng. Wireless Sensor Network, WSN) su distribuirani sistemi koji se sastoje od senzora povezanih bežičnom komunikacionom mrežom. Primena bežičnih senzorskih mreža temelji se na korišćenju malih, jeftinih i multifunkcionalnih platformi koje samostalno formiraju ad hoc bežičnu mrežu i prikupljene podatke iz senzora dostavljaju korisniku. Bežične senzorske mreže se primenjuju u ekologiji, e-zdravstvu, pametnom saobraćaju i drugim oblastima.

Bežične senzorske mreže

Bežične senzorske mreže sastoje se od prostorno distribuiranih i autonomnih senzora za praćenje fizičkih ili ekoloških uslova u kojima se nalaze. Osnovna namena im je sakupljanje, obrada i dostava izmerenih informacija iz okruženja krajnjim korisnicima. Za merenje i prikupljanje rezultata merenja služe odgovarajući tipovi pasivnih ili aktivnih senzora koji su deo multifunkcionalnih platformi, tj. senzorskih čvorova (eng. Sensor Nodes, SN). Senzorski čvorovi omogućuju skladištenje i obradu prikupljenih podataka i komunikaciju sa IoT platformom.

Bežične senzorske mreže se u praksi najčešće realizuju kao data-centric sistemi, a ređe kao address-centric sistemi.

Bežični senzorski čvorovi

Senzorski čvorovi su obično gusto raspoređeni u senzorskom polju i prikupljaju i prosleđuju prikupljene podatke iz neposrednog okruženja u kome se nalaze.Zavisno od toga da li su implementirani u proaktivnim ili reaktivnim bežičnim senzorskim mrežama, postoje dve grupe senzorskih čvorova:

• Senzorski čvorovi koji periodično uključuju senzore, prikupljaju i obrađuju podatke iz okruženja i informacije od interesa prosleđuju korisnicima.
• Senzorski čvorovi koji u realnom vremenu reaguju na svaku promenu u mreži.

Strukturu pametnog senzorskog čvora čine: senzorska jedinica, primopredajnik, procesorska jedinica, memorija i baterijsko napajanje.

Opcione komponente senzorskih čvorova su: jedinica za određivanje lokacije senzora (npr. GPS prijemnik), modul za mobilnost i generator energije (npr. solarna baterija).

Na sledećoj slici prikazana je arhitektura senzorskog čvora.

Arhitektura bežične senzorske mreže

Komunikaciona arhitektura bežične senzorske mreže prikazana je na sledećoj slici.

Svaki čvor u bežičnoj senzorskoj mreži ima dve funkcije:

• Da prikupi podatke tako što će iz neposredne blizine izmeriti svojstva fenomena koje prati ili da ih preuzme od suseda;
• Da realizuje rutiranje podataka ka pristupnom uređaju.

Slojevita arhitektura bežične senzorske mreže

Osnovu komunikacija u bežičnim senzorskim mrežama čini slojevit model arhitekture. Ovaj model sastoji se od fizičkog sloja, sloja veze, sloja mreže, transportnog i sloja aplikacija.

Fizički sloj

Uloga fizičkog sloja (eng. physical layer, PHY) jeste da u komunikaciji izvršava sledeće funkcije:

• izbor frekvencije,
• detekciju signala,
• zaštitu podataka,
• prenos podataka između čvorova,
• modulaciju i
• realizaciju energetske efikasnosti.

Sloj veze

Sloj veze zadužen je za sledeće funkcije:

• multipleksiranje paketa podataka,
• formiranje zaglavlja paketa,
• fizičko adresiranje,
• kontrola tokova paketa,
• kontrola grešaka pri prenosu i
• kontrola pristupa.

Mrežni sloj

Mrežni sloj obezbeđuje razmenu podataka između transportnog, aplikacionog i MAC podsloja. Zadatak mrežnog sloja jeste da se рravilno formira mrežna topologija, konfigurišu i adresiraju uređaji, vodi računa o susedstvu između čvorova, pronađe najbolji put da sе poruka dostavi na odredište i da se uključivanjem i isključivanjem čvorova s mreže kontroliše potrošnja energije.

Transportni sloj

TCP kao transportni protokol ne garantuje pouzdan prenos zbog postojanja velikog broja čvorova i predajnika i potrebe pojedinih pristupnih uređaja da iniciraju multicast saobraćaj.

Na transportnom sloju koriste se sledeći protokoli:

• PFSQ (eng. Pump Slow Fetch Quickly),
• RMST (eng. Reliable Multi-Segment Transport),
• ESRT (eng. Event to Sink Reliable Transport),
• CODA (eng. Congestion Detection and Avoidance).

Aplikacioni sloj

Najpoznatiji aplikacioni protokoli su:

• SMP (eng. Sensor Management Protocol),
• TADP (eng. Task Assignment and Data Advertisement Protocol) i
• SQDDP (eng. Sensor Query and Data Dissemination Protocol).

Realizacija bežičnih senzorskih mreža

U praksi postoji više razloga zbog kojih dolazi do prekida rada senzorskih čvorova. Najčešći razlozi su: nestanak energije, interferencija sa susednim čvorovima, fizičko oštećenje i prelazak u neaktivno stanje. Od bežične senzorske mreže zahteva se da, bez obzira na prekid rada pojedinih čvorova, nastavi da funkcioniše. Njena pouzdanost shvata se kao sposobnost dostavljanja paketa odgovarajućem skupu senzorskih čvorova, zavisno od primene. Da bi se povećala pouzdanost, razvijeni su brojni mehanizmi za upravljanje otkazima.

Svaki senzorski čvor ima svoju oblast pokrivanja u kojoj sa zadatom tačnošću obavlja funkciju određenog tipa. Da bi se ostvario maksimalan učinak, neophodno je pažljivo odabiranje komponenti i održavanje mreže.

Da bi bežične senzorske mreže funkcionisale, neophodna je koordinacija rada velikog broja senzorskih čvorova.

Osnovne funkcije platforme jesu: podrška razvoju, održavanju, primeni i izvršavanju aplikacija baziranih na mogućnostima bežične senzorske mreže.

Opšta arhitektura za prenos podataka iz senzorske mreže prikazana je na sledećoj slici.

Primena bežičnih senzorskih mreža

Zavisno od okruženja u kоme se primenjuju, bežične senzorske mreže mogu se koristiti za :

• Pojedinačna i periodična merenja na osnovu kojih je moguća aproksimacija vremenskih ili prostornih funkcija, praćenje promena ili određivanje graničnih vrednosti posmatrane veličine.
• Vremensko i prostorno praćenje objekata i ciljeva i prenos prikupljenih informacija ka pristupnom uređaju.

Najvažnije oblasti primene bežičnih senzorskih mreža su: industrija, vojska, geolokacija, javna bezbednost, poljoprivreda, seizmologija, zdravstvo, identifikacija incidentnih situacija, nadgledanje objekata, saobraćaj, logistika, naučne, biološke i ekološke primene.