Левжинский А.С. Распределенные сенсорные сети

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Ефремов Сергей Геннадьевич. Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком: диссертация... кандидата технических наук: 05.13.18 / Ефремов Сергей Геннадьевич;[Место защиты: Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования].- Москва, 2013.- 143 с.

Введение

Глава 1. Проблема увеличения времени жизни беспроводных сенсорных сетей 11

1.1. Понятие беспроводной сенсорной сети 11

1.2. Понятие времени жизни сети 20

1.3. Методы увеличения времени жизни БСС 23

1.4. Реконфигурируемые БСС с мобильным стоком 27

1.5. Выводы к главе 1 35

Глава 2. Математическая модель реконфигурируемых БСС . 37

2.1. Введение 37

2.2. Модель реконфигурируемой сенсорной сети 37

2.3. Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС. 41

2.4. Показатели времени жизни сети 54

2.5. Оценка времени жизни динамически реконфигурируемых сетей 59

2.6. Выводы к главе 2 63

Глава 3. Метод динамической реконфигурации сенсорной сети с мобильным стоком 65

3.1. Введение 65

3.2. Общая задача планирования движения стока 66

3.3. Метод решения задачи планирования движения стока 72

3.4. Эвристические алгоритмы динамического управления движением стока 77

3.5. Выводы к главе 3 81

Глава 4. Моделирование БСС с мобильным стоком 83

4.1. Введение 83

4.2. Исследование возможности проведения натурного эксперимента 83

4.3. Имитационное моделирование 92

4.4. Выводы к главе 4 113

Заключение 114

Литература 116

Введение к работе

Актуальность работы

Последние достижения технологического прогресса сделали возможным создание недорогих миниатюрных вычислителей с чрезвычайно малым энергопотреблением, способных объединяться в сеть и взаимодействовать друг с другом посредством беспроводных каналов связи. Сети таких устройств получили название беспроводных сенсорных сетей (БСС), что, в частности, подчеркивает их основное назначение - сбор данных с датчиков (сенсоров) для последующего накопления, анализа и выдачи управляющих команд.

Актуальными направлениями в области БСС являются создание новых аппаратных платформ, разработка стеков сетевых протоколов и специализированных операционных систем, разработка алгоритмов доступа к среде и маршрутизации для сложных сетевых топологий, имеющих целью повышение энергоэффективности БСС, что позволяет увеличить время жизни (автономной работы) БСС.

Проводимые в диссертационной работе исследования находятся на стыке двух приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: "Информационно-телекоммуникационные системы" и "Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика". Повышением эффективности сенсорных сетей активно занимаются ведущие российские организации, среди которых Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Институт точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН, Нижегородский государственный университет, Московский авиационный институт, а также международные - Калифорнийский Университет в Беркли, Массачусетский Технологический Университет (США) и многие другие.

Одной из проблем, препятствующих повышению энергоэффективности

БСС, является проблема неравномерного потребления энергии узлами сети, заключающаяся в том, что сеть становится неработоспособной в тот момент, когда энергия заканчивается у нескольких узлов, в то время как большинство остальных имеют значительный запас энергии.

Существует ряд методов, направленных на решение данной проблемы. К ним относятся индивидуальный подбор емкости батарей, плотности размещения узлов, мощности передатчиков, применение энергоэффективных протоколов маршрутизации, позиционирование узлов сети. Относительно недавно был предложен новый класс перспективных методов, использующих в качестве ресурса для энергетической балансировки мобильность узлов сети, предусматривающую динамическое изменение конфигурации (топологии) сети.

Серьезным препятствием проведения дальнейших исследований является отсутствие математических моделей динамически реконфигурируемой сенсорной сети. В связи с этим задача исследования и разработки комплексной модели, позволяющей, во-первых, оценивать время жизни автономных сетей, конфигурации которых меняются с течением времени, и во-вторых, оптимизировать их работу по критерию максимизации времени жизни, является актуальной.

Объектом исследования являются модели и методы динамической реконфигурации сенсорных сетей.

Предметом исследования является применение моделей и методов динамической реконфигурации сенсорных сетей с мобильным стоком для оценки и увеличения времени их жизни.

Цель диссертационной работы состоит в разработке математической модели и метода динамической реконфигурации беспроводной сенсорной сети для увеличения времени ее жизни.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

Проведен обзор и анализ подходов к определению понятия времени жизни сенсорных сетей, дано новое определение.

Разработана математическая модель динамически реконфигурируемой сенсорной сети с мобильным стоком.

Разработан численный метод решения задачи планирования движения стока.

Исследованы и разработаны эвристические алгоритмы для динамического управления мобильным стоком в случае изменяющихся условий функционирования сети.

Разработан комплекс программ имитационного моделирования с целью получения зависимостей времени жизни от параметров функционирования сети.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы теории множеств, теории графов, линейного и целочисленного линейного программирования, методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

4. Разработан алгоритм управления движением мобильного стока в сенсорной сети, учитывающий возможные изменения условий ее функционирования.
Практическая значимость. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования работы динамически реконфигурируемой беспроводной сенсорной сети, а также для моделирования алгоритмов планирования движения мобильного стока.
Создан малогабаритный макет беспроводного устройства сенсорной сети на базе приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4, реализующего необходимые алгоритмы по поддержке мобильности стока, включающие его позиционирование в пространстве.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается их соответствием известным теоретическим и практическим данным, опубликованным в литературе, а также положительными результатами их внедрения в ряде практических проектов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. 1. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ (2008 - 2013гг.), научно-практическом семинаре ВШЭ "Системный анализ, управление и информационные системы" (19.03.2013), XVI и XVII Международной студенческой конференции-школе-семинаре «Новые информационные технологии» (2008-2009гг.), на международных исследовательских семинарах в Университете Шеффилда и Университете Бирмингема (Великобритания, 2011 г.). Результаты работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР «Разработка программных средств в целях внедрения информационных технологий в промышленность» (номер государственной регистрации НИОКР 01201056220), «Разработка системы активного беспроводного сбора данных в интралогисти- ке» (номер государственной регистрации НИОКР 01200961253).
    Результаты работы были применены при проектировании динамически реконфигурируемой сети в рамках совместного Российско-Германского научно-исследовательского проекта.
    Получены патент на полезную модель № 87259 от 11.06.2009, патент на полезную модель № 98623 от 30.06.2010, патент на полезную модель № 121947 от 10.11.2012, патент на изобретение № 2429549 от 30.06.2010.
    Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, включающей 95 наименований, и 4 приложений. Общий объем диссертации без учета приложений составляет 128 страниц.
    
    Методы увеличения времени жизни БСС
    Перейдем к описанию возможных методов увеличения времени автом-номной работы БСС. К наиболее простым относятся улучшение аппаратных характеристик устройств: уменьшение энергопотребления отдельных компонентов, оптимизация их размещения на кристалле или печатной плате или увеличение емкости батарей. Исследование данных возможностей относится к смежным областям (электроника, радиофизика, химия, схемотехника и др.) и не будет затрагиваться в настоящей диссертационной работе.
    Тем не менее, следует отметить, что у способа есть как физические (передача данных по радиоканалу на заданное расстояние, равно как и обработка данных микропроцессором, требуют определенных энергетических затрат) и стоимостные ограничения (использование более энергоэффективных компонентов приводит к удорожанию систем). Кроме того, использование больших по емкости батарей неизбежно приводит к увеличению размера устройств, в то время как сама концепция сенсорных сетей предполагает их миниатюрность.
    С точки зрения программных алгоритмов обработки данных на узлах системы возможны следующие варианты:
    Сжатие данных. Данный метод имеет свои пределы, кроме того в сенсорных сетях сами данные, как правило, невелики по объему, поэтому их сжатие не дает большого эффекта.
    Накопление данных и их последующая передача большими блоками. Метод основан на том, что в современных беспроводных стандартах любая передача цифрового пакета связана с дополнительными накладными расходами (см. также разделы 1.1.2, 2.3.3). Поэтому выгоднее передавать данные большими блоками в одном пакете. Последние исследования в области миниатюрных преобразователей альтернативной энергии (MEH, Micro-Energy Harvesters) открыли ряд возможностей для создания полностью автономных узлов сенсорной сети при сохранении их небольших размеров. Известен ряд готовых решений для подключения сенсорных узлов к миниатюрным солнечным батареям, преобразователям вибрационной энергии и термогенераторам на основе элемента Пелетье .
    Однако на сегодняшний день ни одно из решений по сбору и преобразованию альтернативной энергии еще не нашло массового применения в реальных сетях сбора данных, состоящих из сотен узлов, прежде всего, из-за высокой стоимости, включающей в себя затраты на регулярное обслуживание. Но в перспективе данный подход может стать одним из ведущих и в конечном счете решить проблему ограниченного времени жизни БСС.
    Как было отмечено выше, сенсорные сети главным образом предназначены для сбора данных. Это означает, что существует один или несколько выделенных узлов, к которым стекается информация со всей сети. Данные узлы (стоки), как правило, имеют постоянный источник питания, интерфейсы сопряжения с локальными, глобальными сетями или с более мощными вычислительными устройствами. Таким образом, в сенсорной сети есть преимущественное направление движение полезного трафика, приводящее к тому, что через узлы маршрутизации, находящиеся рядом со стоком(-ами), проходит на порядок больший объем трафика.
    Современные технологические достижения позволили сделать микропроцессоры с очень малой потребляемой мощностью, способные выполнять широкий спектр задач. Однако для того, чтобы передать данные по беспроводному каналу связи, необходимо затратить на порядок больший объем энергии (см. табл. 1.1).
    Из таблицы очевидно, что чем больше данных проходит через узел беспроводной сети, тем больше его потребляемая мощность. Как следствие, в сети возникает проблема дисбаланса энергопотребления (рис. 1.3), приводящая к тому что автономные элементы, располагающиеся рядом с центральным узлом (узлами) сбора данных, раньше других выходят из строя из-за разряда собственных аккумуляторов, и, как следствие, уменьшается время автономной работы сенсорной сети.
    Для выравнивания потребляемой мощности всех узлов сети используют различные методы энергетической балансировки (energy balancing). Приведем краткое описание основных методов.
    Построение гетерогенной сети предполагает использование ряда возможностей:
    1. Индивидуальный подбор емкости батарей в зависимости от положения устройств в структуре сети и выполняемых ими функций . В этом случае ключевые ретранслирующие устройства могут снабжаться большими по емкости аккумуляторами. Данный подход является одним из самым простых, но одновременно приводит к низкой масштабируемости сети и ее плохой адаптации к смене условий функционирования. Также необходимость разработки различных конструктивных решений под разные элементы приводит к увеличению стоимости конечных систем.
    2. Разная плотность размещения узлов сети в зависимости от предполагаемой интенсивности трафика в конкретной зоне . Данное решение направлено на обеспечение избыточности в структуре сети и дублирование функций отдельных узлов. Так при выходе из строя очередного маршрутизатора его функции будут переложены на соседний элемент, до этого момента никак не используемый.
    К программным методам относят использование протоколов маршрутизации, основанных на метрике остаточной энергии узлов или виртуальных координатах , чередование дальней и ближней передачи , позиционирование узлов , а также кластеризацию .
    Известно, что в протоколах маршрутизации традиционных сетей используются метрики, направленные на увеличение пропускной способности сети или уменьшение задержек передаваемых данных. Подобными метриками могут служить количество промежуточных узлов (хопов) до адресата, пропускная способность канала связи, уровень загрузки линии . В сенсорных сетях часто применяется метрика остаточной энергии узлов на пути до стока. В этом случае из множества альтернативных маршрутов выбирается тот, на котором узлы имеют либо большую остаточную энергию.
    Перспективным методом балансировки считается использование мобильности отдельных компонентов сети. В ряде работ показано, что потенциально мобильность может обеспечить наибольшее преимущество с точки зрения увеличения продолжительности автономной работы сети. Поэтому именно данный подход будет детально изучен в диссертационной работе.
    
    Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС
    В целом понятно, что узел беспроводной сети сбора данных можно считать работающим, пока он может безошибочно считывать показания с датчиков, производить необходимые вычисления и передавать данные в сеть. При разработке и установке сети важно заранее оценить приблизительное время работы каждого узла до момента, когда будет необходима замена его батарей. Для этого важно понимать, какие факторы влияют на продолжительность времени его автономной работы.
    В частности, хорошо известно, что энергопотребление отдельных элементов сети зависит от следующих факторов, которые необходимо принимать во внимание при моделировании БСС:
    Характеристики аппаратных средств (емкость батарей, потребляемая мощность микроконтроллера, приемопередатчика, датчиков и прочих электронных компонентов).
    Частота сбора и передачи данных, зависящая от приложения. Например, в широко распространенных системах климат-контроля, экологического мониторинга достаточно собирать информацию раз в несколько секунд или даже десятков секунд, поскольку такие параметры как температура или влажность меняются плавно. Как следствие, большую часть времени сенсор может находится в режиме сна. В то же время передача звука требует высокой частоты сбора данных (8 кГц, 16 кГц, 32 кГц и более), что фактически исключает возможность нахождения элемента сети в режиме пониженного энергопотребления.
    Протоколы физического и канального уровней, определяющие, прежде всего, механизмы контроля доступа к среде. В асинхронном режиме доступа к среде, например, CSMA/CA , ретрансляторы не могут находиться в режиме сна, в противном случае оконечные устройства не смогут передать свои данные. Синхронный режим доступа к среде характеризуется тем, что все элементы могут на некоторое время уходить в режим пониженного энергопотребления, так как функционирование всей сети координируется специальными синхрофреймами (все элементы сети знают время передачи следующего такого кадра). Однако данный режим сложно реализовать в распределенных сетях, в которых используются десятки или сотни маршрутизаторов. Тем не менее уже разработан ряд алгоритмов и протоколов, направленных на уменьшение потребляемой мощности устройств сети: Berkeley MAC (B-MAC) , Sensor MAC (S-MAC) , D-MAC , адаптивный алгоритм быстрой доставки сообщений .
    Топология сети, определяющая объем информации, проходящий через каждый элемент (с учетом ретрансляции сообщений). В сенсорных сетях применяются как простые топологии (звезда, кольцо, дерево), так и более сложные ячеистые структуры.
    Используемый протокол маршрутизации, добавляющий в сеть дополнительный служебный трафик. В области сенсорных сетей наибольшее распространение получили протоколы класса AODV (ad-hoc on-demand distance vector) , отличающиеся тем, что информация о маршрутизации не сохраняется в памяти элементов длительное время и не обновляется регулярно. При необходимости передать сообщение предварительно делается запрос маршрута. Только после этого отправляется само сообщение. Для уменьшение объема трафика, передаваемого по сети, были предложены методы сетевого кодирования .
    Формализуем приведенные выше утверждения в виде методики расчета времени жизни.
    В любой сенсорной сети есть три типа узлов – оконечные устройства, маршрутизаторы (ретрансляторы) и стоки. Стоки не представляют интерес с точки зрения времени автономной работы: как уже было отмечено, обычно они подключены к источникам питания, имеющим на порядок большую емкость.
    Рассмотрим более подробно методику расчета времени жизни оконечных устройств и ретрансляторов. Она основывается на следующих допущениях:
    Алгоритм работы устройства является строго детерминированным, для внешних факторов, являющихся случайными величинами, известно математическое ожидание.
    Отсутствует эффект восстановления батареи. При необходимости он может быть учтен путем увеличения начальной энергии устройства . Тогда зная начальную энергию батареи 0 и мощность, потребляемую устройством, можно приблизительно оценить время его жизни по формуле:
    Оконечное устройство предназначено для считывания показаний с собственных датчиков и передачи их в сеть. Главным его отличием от ретранслятора является отсутствие возможности сквозной передачи через себя данных от других устройств. При использовании событийной модели или модели передачи по расписанию (см. раздел 1.1.3), оно, как правило, работает по циклической схеме, представленной на рис. 2.2.
    
    Метод решения задачи планирования движения стока
    Очевидно, что задача частично-целочисленного линейного программирования является в общем виде NP-трудной , точное решение не может быть получено за допустимое время для больших значений т даже на самых мощных вычислителях. Сложность обусловлена наличием целочисленных переменных и, как следствие, комбинаторным характером общих приемов решения подобных задач .
    Необходимость решения задач большой размерности обусловлена следующим практическим фактором. Результаты имитационного моделирования (см. следующую главу), говорят о том, что управляемую мобильность целесообразно применять в больших сетях, состоящих из нескольких сотен узлов. Такие сети покрывают территории в несколько десятков квадратных километров. Учитывая необходимость сохранять в определенных пределах задержки передачи данных, общее количество позиций стока также должно быть большим.
    Предлагаемый далее метод направлен на снижение вычислительной сложности задачи при сохранении значения целевой функции близким к оптимальному. Метод принимает во внимание следующие особенности рассматриваемой предметной области:
    1. Поиск оптимального маршрута не является целью задачи оптимизации, так как считается, что сток неограничен в ресурсах. Следовательно необязательно искать путь, проходящий через каждую вершину один раз.
    2. Энергетические затраты на перенастройку сети, определяемые величинами ег-к пренебрежимо малы по сравнению с затратами на передачу данных.
    Разделим задачу (3.4) на две подзадачи. Первая подзадача (LP) аналогична оптимизационной проблеме (3.1), то есть она включает только один набор ограничений без учета дополнительной энергии j. В результате ее решения находится подмножество Вторая подзадача (ROUTE) будет решать проблему построения маршрута по найденному подмножеству позиций V и набору ограничений на перемещения стока, задаваемому матрицей D. Данная задача может быть решена одним из эвристических алгоритмов , например “Идти в ближайшую непосещенную вершину”. Однако в ходе ее решения может быть получена принципиальная невозможность построения такого маршрута. Например, на рис. 3.3 показан пример решения задачи LP, по которому невозможно построить маршрут. Серым цветом обозначены вершины из VS, входящие во множество У, получаемое в результате решения задачи LP.
    Решением задачи будет tk = min n ni . Очевидно, что маршрут стока будет включать только точку к, то есть получится сценарий неподвижного стока.
    Теорема 3.3.2. Пусть VQ - множество вершин, запрещенных для посещения на і-м шаге алгоритма. Тогда итерационный процесс выполняется максимум за т шагов (где т - количество вершин в графе позиций стока Gs), если VQ С VQ + .
    Доказательство Согласно алгоритму, V0l = 0. Исходя из условия теоремы, \VQ\ \VQ+ . Возьмем крайний случай последовательного добавления в VQ одного элемента на каждой итерации. Тогда \V0l\ = 0, \V02\ = 1,... \V0m\ = т - 1. Но согласно лемме 3.3.1, если \VQ\ = т - 1, итерационный процесс останавливается.
    Из теоремы 3.3.2 следует один из возможных алгоритмов решения задачи ITER - увеличение на каждом шаге множества Vo. Для этого предлагается несколько эвристик:
    Vo = Vo U {к} : к Є VА, Vj Є V: tj tk. То есть из вершин, полученных в результате решения задачи LP, выбирается такая, для которой время пребывания стока наименьшее.
    Vo = Vo U Vk: Vj Є , j = к: 2iyti 2iy.ti. Другими словами, в Vo добавляется связанный подграф с наименьшим суммарным временем пребывания стока.
    Возможен и другой алгоритм - постепенно наращивать множество V\ до образования связанного графа V. Для этого предлагается следующая эвристика. На первом шаге выделяются два подграфа и с наибольшим суммарным временем пребывания стока. После этого, используя стандартные алгоритмы на графах , например алгоритм Флойда-Уоршелла, или алгоритм Дейкстры в том случае, если число вершин в одном из двух графов небольшое, находятся кратчайшие пути между всеми парами вершин (,),
    Эвристические алгоритмы динамического управления движением стока
    В реальных системах зачастую невозможно заранее собрать всю информацию, необходимую для решения задач (3.1), (3.4). Кроме того, ключевые для модели (2.1) величины могут меняться со временем. Ниже приведены некоторые из практических сценариев, являющихся возможными причинами:
    1. Изменение помеховой обстановки в отдельных зонах. Это может быть в свою очередь связано с развертыванием новой сети в том же или близком частотном диапазоне. В подобном случае увеличивается вероятность повторных передач пакетов, и, следовательно, растет энергопотребление элементов, находящихся в данной зоне.
    2. Реконфигурация элементов сети. В ряде случаев требуется изменение алгоритмов работы отдельных устройств. Например, может потребоваться изменение частоты посылки тестовых сообщений.
    3. Изменение климатических условий функционирования узлов. Как следствие, их аккумуляторы могут быстрее истощать свою энергию. В таких случаях целесообразным является применение динамического управления движением мобильного стока. Для формального описания алгоритма динамического управления стоком введем несколько дополнительных обозначений: S(k) - подмножество вершин графа GS, включающее к и смежные с к вершины, те. S(k) = {к} U {j: (k,j) Є Es}.
    Обозначим также через D(k) множество узлов, окружающих к-ю позицию стока или, другими словами, множество узлов, которые подключаются напрямую к стоку, когда тот находится на позиции к: D(k) = і Є Vn: (и, і) Є Еп(к), где и Є Vn - узел-сток.
    
    Исследование возможности проведения натурного эксперимента
    Глава посвящена моделированию времени жизни динамически реконфи-гурируемых БСС, проводимому с целью получения количественных оценок управляемой мобильности стока, а также нахождения оптимальных условий для ее использования.
    На первом этапе исследована возможность проведения натурного эксперимента на существующих аппаратных платформах, сделан вывод о том, что полноценный эксперимент при текущем состоянии технических и программных средств сильно затруднен.
    На втором этапе проведено имитационное моделирование при помощи разработанного комплекса программных средств.
    С точки зрения оборудования для стационарной части сети, существует огромный выбор устройств для разных задач. Можно условно разбить весь спектр оборудования на три группы:
    1. Электронные компоненты - микроконтроллеры, приемопередатчики и пр., являющиеся основой для разработки решений, начиная с самого низкого уровня. 2. Промежуточные платформы, как правило, разрабатываемые исследовательскими университетами с целью проведения экспериментов.
    3. Встраиваемые системы, создаваемые для решения конкретных задач.
    Теоретически можно провести натурный эксперимент, собрав из отдельных компонентов специализированную платформу на базе одного из множества доступных беспроводных модулей, производимых такими компаниями как Texas Instruments, Atmel, NXP, Telegesis, Freescale и др.
    Автор диссертационной работы участвовал в совместном российско-германском проекте по созданию системы активного беспроводного сбора данных в интралогистике. В ходе проекта была разработана специализированная программно-аппаратная платформа для сенсорных сетей на базе беспроводного модуля NXP Jennic JN5148 . Данные модули на момент разработки обладали наилучшими характеристиками с точки зрения вычислительных возможностей и энергосберегающих режимов.
    В проекте были апробированы модель беспроводной сенсорной сети с автономными источниками питания (2.1), а также метод ее динамической реконфигурации за счет использования мобильных узлов.
    Особенностью разработанной системы сбора данных в интралогистике является то, что мобильным элементом выступает не сток, а сенсорные узлы, которые размещаются на конвейере вместе с товарами в контейнерах для их мониторинга. В таблице 4.1 приведены контролируемые параметры и использованные при разработке макета датчики. Для каждого параметра указана максимальная частота сбора данных в системе (для прототипа из 10 узлов использовалась частота в 15 раз меньше максимальной).
    Другим вариантом проведения натурного эксперимента является использование готовых систем на базе беспроводных сетей, изначально разработанных для решения определенных задач. Так в ходе диссертационного исследования был проведен эксперимент на базе оборудования компании, занимающейся охранным мониторингом в Москве (см. приложение A). Ключевой особенностью рассматриваемой охранной системы является то, что потоки данных в ней заранее известны по алгоритму работы узлов и накопленной статистике, и, следовательно, можно применить метод динамической реконфигурации сети, описав ее работу с точки зрения мощности, потребляемой устройствами. В системе, на базе которой проводился эксперимент, было 9 ретранслирующих и около 4 тысяч оконечных устройств (см. рис. 4.3).
    Ретрансляторы системы подключены к постоянному источнику питания, однако также оборудованы резервной батареей 12В. Целью эксперимента было исследование возможности увеличения длительности автономной работы ретрансляторов системы при аварийном отключении электропитания за счет использования метода динамической реконфигурации сети. Реконфигурация заключалась в смене топологий путем программного управления, последовательность смены определялась в результате решения задачи (3.4). В итоге удалось добиться увеличения времени жизни отдельных ретрансляторов на 25-40%.
    Однако ни один из вышеперечисленных экспериментов не позволил в полной мере раскрыть весь потенциал использования методов динамической реконфигурации сети, прежде всего, из-за небольшого размера самой сети (количества ретрансляторов).
    Наиболее предпочтительным вариантом проведения полноценного натурного эксперимента является использование специализированных аппаратно-программных платформ для научных исследований, главным образом из-за того, что они обладают куда большей гибкостью с точки зрения возможных модификаций протоколов нижнего уровня, необходимых для тонкой настройки переходов устройства между различными режимами своей работы, в том числе при беспроводной передаче данных.
    Одними из наиболее успешных исследовательских платформ для БСС зарекомендовали себя разработки калифорнийского университета Беркли, ранее поставляемые через компанию crossbow (xbow), а в настоящее время реализуемые фирмой MEMSIC . К ним относятся платформы TelosB (рис. 4.4, а), MicaZ (рис. 4.4, б), Imote2 (рис. 4.4, в).
    Все вышеперечисленные решения поддерживают операционную систему TinyOS, разработанную специально для использования в сенсорных сетях. Imote2 является на порядок более производительной платформой, однако, у нее хуже характеристики по энергопотреблению. Все три решения разработаны под стандарт IEEE 802.15.4, при этом в TelosB и MICAZ используются приемопередатчики собственной разработки университета Беркли, которые не сертифицированы во многих странах мира, включая Россию. Данный факт является серьезным препятствием для их использования в качестве оборудования для натурного эксперимента. TelosB содержит интегрированные датчики температуры, освещенности и влажности, в MICAZ предусмотрен универсальный разъем для плат расширения, за счет чего возможно подключение большего спектра датчиков.
    FireFly Nodes – платформа для беспроводной сенсорной сети, разработанная в лаборатории «Realime & Multimedia Systems Lab» Питсбургского университета Carnegie Mellon, США. Она, как и другие, предназначена для сбора данных, обработки и коммуникаций в mesh-сетях. Однако существенным шагом вперед по сравнению с предыдущими решениями стало внедрение системы глобальной синхронизации узлов, обеспечивающей возможность перехода всей сети в режим низкого энергопотребления.
    
    Похожие диссертации на Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком

Я хочу посвятить свою статью технологиям беспроводных сенсорных сетей (wireless sensor networks), которая, как мне кажется, незаслуженно обделена вниманием хабра-сообщества. Основной причиной этого я вижу то, что технология пока так и не стала массовой и в большей части интересна скорее академическим кругам. Но я думаю в ближайшее время мы увидим много продуктов, так или иначе основанные на технологиях таких сетей. Я занимался исследованиями сенсорных сетей на протяжении нескольких лет, написал кандидатскую диссертацию на эту тему и ряд статей в российские и зарубежные журналы. Также мной был разработан курс по беспроводным сенсорным сетям, который я читал в Нижегородском Государственном Университете (ссылку на курс не привожу, если Вам интересно, могу дать ссылку в частном порядке). Имея опыт работы в данной области, хочу поделиться им с уважаемым сообществом, надеюсь Вам будет интересно.

Общие сведения

Беспроводные сенсорные сети получили большое развитие в последнее время. Такие сети, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором и сенсором, могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир. Концепция беспроводных сенсорных сетей привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике. Большой интерес к изучению таких систем обусловлен широкими возможностями применения сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для предсказания отказа оборудования в аэрокосмических системах и автоматизации зданий. Из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости такие сети активно применяются в системах безопасности и военных приложениях. Успешное применение беспроводных сенсорных сетей в медицине для мониторинга здоровья связано с разработкой биологических сенсоров совместимых с интегральными схемами сенсорных узлов. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ.

Железо

Из-за отсутствия четкой стандартизации в сенсорных сетях, существует несколько различных платформ. Все платформы отвечают основным базовым требованиям к сенсорным сетям: малая потребляемая мощность, длительное время работы, маломощные приемо-передатчики и наличие сенсоров. К основным платформам можно отнести MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.

MicaZ

Микропроцессор: Atmel ATmega128L
7.3728 Мгц частота
128 Кб флеш-памяти для программ
4 Кб SRAM для данных
2 UART’s
SPI шина
I2С шина
Радио: ChipCon CC2420
Внешняя флеш-память: 512 Кб
51-pin дополнительный коннектор
восемь 10-битовых аналоговых I/O
21 цифровых I/O
Три программируемых LEDs
JTAG порт
Питание от двух батарей AA

TelosB

Микропроцессор: MSP430 F1611
8 Мгц частота
48 Кб флеш-памяти для программ
10 Кб RAM для данных
SPI шина
Втроенный 12-битовый ADC/DAC
DMA контроллер
Радио: ChipCon CC2420
Внешняя флеш-память: 1024 Кб
16-pin дополнительный коннектор
Три программируемых LEDs
JTAG порт
Опционально: Сенсоры освещенности, влажности, температуры.
Питание от двух батарей AA

Intel Mote 2

320/416/520 МГц PXA271 XScale микропроцессор
32 Мбайта Флеш-памяти
32 Мбайта ОЗУ
Mini-USB интерфейс
I-Mote2 коннектор для внешних устройств(31+21 pin)
Radio: ChipCon CC2420
Светодиодные индикаторы
Питание от трех батарей AAA

Каждая платформа по своему интересна и имеет свои особенности. Лично у меня был опыт работы с платформами TelosB и Intel Mote 2. Также в нашей лаборатории была разработана собственная платформа, но она является коммерческая и я не могу подробно о ней рассказывать.

Наиболее распространенным 3 года назад было использование чипсета CC2420 в качестве маломощного приемо-передатчика.

Программное обеспечение и передача данных

Основным стандартом передачи данных в сенсорных сетях является IEE802.15.4, которые специально был разработан для беспроводных сетей с маломощными приемо-передатчиками.

Никаких стандартов в области программного обеспечения в сенсорных сетях нет. Существует несколько сотен различных протоколов обработки и передачи данных, а также систем управления узлами. Наиболее распространенной операционной системой является система с открытым кодом – TinyOs (будучи в Стэнфордстком университете, лично познакомился с одним из разработчиков). Многие разработчики (особенно это касается коммерческих систем) пишут свою систему управления, часто на языке Java.

Программа управления сенсорного узла под управлением операционной системы TinyOs пишется на языке nesC.

Стоить отметить, что из-за дороговизны оборудования и сложности настройки сенсорных сетей, широкое распространение получили различные системы моделирования, в частности система TOSSIM, специально разработанная для моделирования работы узлов под управлением TinyOs.

Заключение

Сенсорные сети получают все большее распространение в России. Когда я начинал ими заниматься в 2003-ем году, количество человек в России, кто был знаком с данной технологией, можно было пересчитать по пальцам. В том числе в России этим занималась небезызвестная Luxsoft Labs.

Я работал с сенсорными сетями на протяжении 6 лет и могу многое рассказать про эти технологии. Если Хабрасообществу будет интересно и у меня будет возможность, то я с удовольствием напишу серию статей на эту тему. Могу затронуть такие вещи как: реальная работа с платформой TmoteSky, особенности программирования под систему TinyOs на языке nesC, оригинальные результаты исследований, полученных в нашей лаборатории, впечатления о 1.5 месяцах работы в Стэнфордском университете, в проекте по сенсорным сетям.

Всем спасибо за внимание, с удовольствием отвечу на Ваши вопросы.

Лисецкая С. Ю. БМП-107

Введение

На протяжении многих лет задача беспроводной передачи данных в ближнем поле представляла значительную проблему для разработчиков медицинских датчиков. В данной области исследований требуется использование современной технологии передачи данных для усовершенствования медицинского оборудования, позволяющего измерять такие характеристики пациента, как ЭКГ, уровень насыщения крови кислородом, уровень кровяного давления, вес, уровень содержания глюкозы в крови и т. п. Необходимость применения высокотехнологичных медицинских датчиков широко проявляется во всех областях медицины, где кабельные соединения приборов представляют большое неудобство для врачей, пациентов и обслуживающего персонала. Особенно остро эта проблема стоит в спортивной медицине, медицине сна, экстренной медицине и реанимации.

1.Распределенные сенсорные сети

Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote) - небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте - например 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.

Рис.1 Датчики и принимаемое устройство

В англоязычной литературе такую сеть называют wireless sensor network (WSN) - это беспроводная сеть состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах.

Они могут изерять такие параметры, как температуры, звук, вибрации, давление, движение объектов или воздуха. Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение и контроль движения объектов. Область применения становится все шире.

Основные принципы работы:

Каждый узел сети: мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии

Данные от отдаленных элементов передаются по сети между ближайшими от узла к узлу, по радиоканалу. В итоге с ближайшего мота пакет с данными передается на шлюз. Шлюз соединен, как правило, USB кабелем с сервером. На сервере - собранные данные обрабатываются, хранятся и могут быть доступны через WEB оболочку широкому числу пользователей.

Стоимость сенсорного узла меняется от сотни долларов до нескольких центов, в зависимости от размера сенсорной сети и ее сложности.

Аппаратное обеспечение и стандарты

Рис.2 Шлюз (2шт), соединен с ноутбуком кабелем USB. Ноутбук по UTP соединен с интернетом и выполняет роль сервера.

Аппаратное обеспечение беспроводного узла и протоколы сетевого взаимодействия между узлами оптимизированы по энергопотреблению для обеспечения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания. В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет.

В медицине такие датчики могут быть имплантированы в тело пациента для непрерывного контроля функционирования внутренних органов и обеспечения, при необходимости лечения. В промышленности такие системы могут быть использованы на больших площадях для контроля влажности, температуры и бесконечного числа других параметров и способны обеспечить предсказание состояния производственных систем и инициацию процедур самовосстановления системы. Использование датчиков в военной технике позволит получать такую жизненно важную информацию, как наличие мин, ядовитых веществ или источников электромагнитного излучения не только для немедленного предупреждения об опасности, но и для изучения поведения техники на поле боя. Это позволит разработчикам усовершенствовать следующие поколения военной техники. Ключевыми элементами, позволяющими реализовать подобную технологию, являются обеспечение высокой плотности размещения и автономности датчиков за счет повышения степени интеграции (что включает в себя и миниатюризацию источников питания), использования высокоэффективных схем управления питанием, а также трансиверов, датчиков и остального схемного обрамления с микромощным энергопотреблением. Типичная структурная схема микродатчика с автономным питанием показана на рисунке 3.

В таких сенсорных системах используются датчики пьезорезистивные и тензорезистивные.

1. 2 Область применений

Применение WSN многочисленно и разнообразно. Они используются в коммерческих и промышленных системах для мониторинга данных, которые трудно или дорого контролировать с использованием проводных датчиков. WSN могут использоваться в трудно досягаемых районах, где они могут оставаться в течение многих лет (экологический мониторинг окружающей среды) без необходимости замены источников питания. Они могут контролировать действия нарушителей охраняемого объекта

Так же WSN используют для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:

Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания с больших лесных массивов и торфяников

Дополнительный источник информации для Кризисных Центров Управления субъектов федерации РФ

Сейсмическое обнаружение потенциальной напряженности

Военные наблюдения

Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.

Экологический мониторинг пространства и окружающей среды

Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах

Медицинский мониторинг

Автоматизация зданий :

2. Применение датчиков в медицине

Для чего необходимо знать температуру тела, пульс, артериальное давление? Во многих случаях эта информация жизненно важна для скорейшей диагностики какого-либо заболевания, для ухода за новорожденными детьми и пожилыми людьми. Всевозможные датчики пульса, давления и температуры востребованы и в спортивной среде они применяются для контроля над тренировочным процессом.

Датчики и охрана здоровья детей

Зеленый смайлик, умеющий превращаться в черную рожицу, может спасти жизнь тысячам детей. Если мордашка на диске улыбается это означает, что с новорожденным все в порядке, в случае почернения диска нужно бить тревогу. Устройство, предназначенное для измерения температуры тела у детей, называется Термоспот (ThermoSpot). Его изобретатель Джон Зил (John Zeal ).

ThermoSpot, представляющий собой круглый диск диаметром 12 мм, выступает в роли жидкокристаллического индикатора гипотермии критического понижения температуры тела, являющегося одной из главных причин смерти среди новорожденных в странах третьего мира. Способ применения смайлика прост необходимо приклеить диск на кожу подмышки или на область шеи над ключицей. Если температура тела ребенка от 36,5 оC до 37,5 оC зеленый кругляшок улыбается, но чернеет при падении ниже 35,5 оC при таком охлаждении младенца необходимо согреть как можно быстрее, в противном случае ребенок умрет. Результаты экспериментов показали, что ThermoSpot так же точен при измерении температуры, как ректальные термометры.

ThermoSpot смайлик в действии
Устройство Boardbug Baby and Child Monitor также предназначено для контроля состояния здоровья младенца. Комплект состоит из двух терминалов детского и взрослого. Первый предназначен для ребенка и используется для снятия показаний, второй для предоставления данных родителям. Boardbug Baby and Child Monitor работает в двух режимах: наблюдение за младенцами и контроль за несколько повзрослевшими детьми. В первом случае на наручные часы одного из родителей передаются данные о температуре тела ребенка и транслируются звуки, издаваемые младенцем. Таким образом, потребность несения неусыпной вахты у кроватки малыша отпадает о пробуждении ребенка, о необходимости его перепеленать или покормить родитель узнает и на расстоянии.

Датчики в борьбе за жизнь человека
Неудобство стационарных приборов для измерения давления и пульса заключается в их сравнительно крупном размере. К тому же тяжело больной человек вряд ли сможет самостоятельно произвести все необходимые измерения. В таких ситуациях приходят на помощь альтернативные методы получения данных о состоянии здоровья человека. Например, изобретение британских ученых из компании Toumaz имеет небольшой размер и может крепиться к обыкновенному медицинскому пластырю. Микрокомпьютер состоит из миниатюрного кремниевого чипа и датчиков, которые контролируют температуру тела, уровень кровяного давления, содержание глюкозы в крови и пр. Вся информация, собираемая устройством, передается на мобильный телефон или КПК, затем отсылается на центральный компьютер и помещается в базу данных. Доступ к этой информации могут иметь лечащий врач или родственники больного. При помощи цифрового пластыря можно следить за самочувствием пожилых людей.
В дальнейшем ученые планируют расширить функциональность устройства, внедрив в него датчик движения. С его помощью можно будет отслеживать различные происшествия, происходящие с владельцем устройства падения или отсутствие активности длительное время.

Компания Nexense разработала технологию, позволяющую при снятии сигнала с различных датчиков улучшить соотношение сигнал/шум в 10 тысяч раз. На основе этого усовершенствования компания занялась созданием медицинских датчиков, измеряющих пульс и дыхание, температуру тела, кровоток и другие параметры человека без прикосновения и на значительном расстоянии.

Одно из изделий Nexaver представляет собой тонкий пластмассовый лист, помещаемый под матрас. Устройство предупредит родственников больного и персонал медицинского учреждения об опасном изменении сердечной деятельности или дыхания человека. Этот аппарат может предотвратить внезапную смерть грудного ребенка во сне или спасти жизнь человеку, у которого случился сердечный приступ.

За состоянием здоровья человека отныне будет следить и его нижнее белье. Датчики беспроводного контроля самочувствия человека от компании Philips могут размещаться в нижнем белье и оттуда вести непрерывный мониторинг пульса и температуры тела. Именуемые сухими электродами датчики вшиваются в лиф, трусы или в пояс. Важно, что вещи можно стирать вместе с электронной начинкой.

Вся информация собирается и записывается в специальном модуле. Устройство снабжено встроенной памятью в 64 МБ. Это позволяет записывать данные в течение трех месяцев.

Датчик, размещающийся в нижнем белье своего владельца

Британские исследователи в Imperial College London намерены использовать компьютеризированные сенсоры-имплантанты с процессором Pentium для мониторинга состояния здоровья пациентов. Для передачи информации об изменениях в организме пациента применяется модуль беспроводной связи Bluetooth и канал мобильной связи. Отправляемые устройством лечащему врачу SMS-сообщения будут содержать информацию об уровне сахара в крови, если он понизится до критической отметки. Также сенсор, устанавливаемый под кожу больного, фиксирует повышенное кровяное давление и гипотермию. В будущем разработчики планируют связать сенсор с аппаратом подачи инсулина, управляемым врачом.

Датчики и спорт

Казалось бы, зачем спортсменам не жалующимся на здоровье молодым людям нужны датчики температуры тела, артериального давления и пульса? Оказывается, для контроля состояния организма во время интенсивной тренировки им необходимо знать показания этих медицинских приборов. Помимо классических термометров, тонометров и других приборов, спортсмены и люди, ведущие спортивный образ жизни, применяют специальные часы, беспроводные датчики и т. п.

Особенно интересной является разработка итальянской лаборатории Grado Zero Space. Исследователи создали куртку с подогревом, оснащенную четырьмя датчиками, измеряющими температуру тела.

Изделие предназначено для автогонщиков и мотоциклистов. В куртку вшиты микропроцессор и жесткий диск, которые контролируют температуру при помощи пяти мини-обогревателей. Для каждого пользователя уровень подогрева задается индивидуально. Ранее этой же лабораторией была разработана куртка с абсолютно противоположным действием она охлаждает тело. Вместо обогревателей разработчики поместили в эту куртку специальные емкости с гелем, поддерживающим низкую температуру. Изделие также измеряет температуру тела владельца.

Куртка с подогревом и датчиками, измеряющими температуру тела

Компания Suunto выпустила часы n6-HR, имеющие встроенный датчик для измерения пульса человека. Данная модель позволяет выставлять два предельных значения этого показателя. В случае, если тренировка слишком интенсивна для спортсмена, часы оповестят его об этом. Также n6-HR позволяют программировать три тренировочных режима. Часы имеют и околоспортивные функции, к примеру, стекло с повышенной твердостью, водонепроницаемый корпус с возможностью погружения на глубину до 100 м.

Кроме того, спортсменами наверняка будет востребован и цифровой пластырь от компании Toumaz, о котором говорилось выше.

Часы Suunto n6-HR с датчиком для замера пульса человека

Датчики измерения артериального давления, температуры, пульса, уровня сахара в крови жизненно необходимы для людей с тяжелыми заболеваниями, так как позволяют выявить ухудшение самочувствия и диагностировать приступ болезни. Сенсоры, измеряющие температуру тела, чрезвычайно важны для предотвращения детской смертности. Для регуляции интенсивности тренировки и во избежание перегрузок спортсмены также прибегают к использованию всевозможных датчиков.

Эти приборы и многие другие, находящиеся на стадии разработки и усовершенствования, диагностируют и предупреждают заболевания. И, как следствие, помогают человеку следить за своим здоровьем.

3. Технология беспроводной передачи Bluetooth

Учитывая хорошие характеристики в области энергопотребления, диапазона, безопасности данных, а также сетевых возможностей для передачи результатов измерений была выбрана единая стандартная технология беспроводной передачи Bluetooth.

Поскольку цифровые данные пересылаются на приемную станцию с использованием технологии Bluetooth, первичная обработка измерений может осуществляться непосредственно в датчике, а не в мониторе.

В данном пункте рассматриваются приборы, использующие технологию Bluetooth: Bluetooth-ЭКГ, Bluetooth-пульсоксиметр, Bluetooth-пикфлоуметр, а также «событийный регистратор» на основе Bluetooth. С одной стороны, использование данных приборов позволяет системно наблюдать пациентов в режиме on-line (ЭКГ, пульсоксиметр). С другой стороны, данные приборы могут быть интегрированы в комплексные лечебные программы (пикфлоуметр) и могут использоваться для мониторинга пациентов высокой степени риска в домашних условиях (поясное носимое записывающее устройство).

Стандартная методика проведения медицинских измерений предусматривает проводные соединения датчиков (зачастую пациента полностью опутывают кабелями). Во многих системах каждый электрод или датчик подсоединяется к монитору с помощью отдельного кабеля. Все эти провода ограничивают движения пациента, а передаваемые сигналы изобилуют искажениями из-за перемещений кабелей и наличия электромагнитной интерференции.

Одним из практических примеров проблем, вызываемых наличием кабельных соединений, может служить отведение 12-канальной ЭКГ в эргометрии. Запись ЭКГ под нагрузкой происходит во время тренировки на велотренажере или беговой дорожке. Из-за движений пациента в проводах, располагающихся между пациентом и монитором, возникают наводки и появляются искажения сигналов. В дополнение к сказанному следует отметить, что пациент не в состоянии свободно двигаться на эргометре из-за кабелей, подсоединенных к ЭКГ-монитору.

Более сложные измерительные деривационные системы используются в экстремальной медицине и реанимации. В данной области параллельно используется множество датчиков, информация с которых отображается на одном мониторе. Стандартный инструментарий, применяющийся здесь, включает 3-канальный ЭКГ, пульсоксиметр и оборудование для измерения уровня кровяного давления. Нетрудно предположить, что все эти кабельные соединения мешают свободному движению пациента и приводят к появлению артефактов в измерениях (рис. 4).

Рис. 4 . Пример классического отведения сигналов в реанимации

В настоящее время кабельные соединения между датчиком и монитором заменяются беспроводными технологиями передачи данных. При выборе такой технологии необходимо принимать во внимание экстремальные условия «окружения». Функционирование датчиков должно быть гарантировано даже в случаях, когда, например, тучный пациент, находящийся в лаборатории сна, лежит непосредственно на передатчике, таким образом полностью его экранируя. Помимо этого, должны соблюдаться требования к безопасности передачи данных (рис. 5).

Рис. 5 . Беспроводной мониторинг

Структура беспроводных измерительных датчиков

Современные системы отведения включают электрод или датчик на теле пациента, кабель и систему обработки измерений в приемнике (рис. 6). Соединительный кабель вполне возможно может быть длиной в несколько метров. Слабые аналоговые сигналы датчика, проходящие эти несколько метров кабеля, подвержены воздействиям помех от различных источников. Достигнув монитора, аналоговые сигналы, находящиеся в милливольтном диапазоне, затем усиливаются, фильтруются и впоследствии оцифровываются аналого-цифровым преобразователем. Приобретя цифровую форму, данные измерений могут быть обработаны и показаны на мониторе.

Рис. 6 . Блок-диаграмма передачи медицинских данных

Поскольку приборы не могут снабжаться энергией через обычные кабели, в качестве единственного энергетического источника рассматриваются обычные или перезаряжаемые батареи. Чтобы разрабатываемый прибор не стал слишком громоздким, все его компоненты должны быть разработаны и интегрированы на высоком техническом уровне для минимизации энергопотребления. Только такой прибор будет удобен для ношения пациентом, что будет его главным преимуществом перед классическими системами.

В качестве источника питания могут использоваться обычные АА и ААА батареи или перезаряжаемые батареи Li-Ion.

Выбор технологии передачи данных

Поскольку в медицинских аппаратных системах нельзя гарантировать соединения в пределах прямой видимости, вопрос беспроводной передачи данных сосредотачивается на радиоволновом диапазоне. Также рекомендуется использовать стандартизованную форму передачи данных. В процессе выбора технологии также необходимо учитывать, что на мониторе должен быть визуализирован не один прибор. Например, в экстренной медицине необходимы одновременно сигналы ЭКГ, пульсоксиметрические параметры, а также данные об уровне кровяного давления. Если, однако, разработчик принимает решение не в пользу стандартизованной формы, то все вышеперечисленные проблемы необходимо будет решать самостоятельно.

Одним из стандартов радиосвязи, который применяется в медицинских учреждениях, является Wireless LAN. Wireless LAN, в основном, применяется в случаях, когда в помещении необходимо построить стационарные беспроводные коммуникационные сети с большими полосами частот и расстоянием 30-100 м. Поэтому в медицинских учреждениях, не имеющхе интерфейса Ethernet, имеют вход в местную сеть через Wireless LAN. Из-за высокой частоты несущей и большой полосы пропускания уровень энергопотребления является очень высоким, что делает Wireless LAN неприемлемым для использования в беспроводных медицинских датчиках.

Технология Bluetooth широко используется во многих областях. Этот стандарт изначально использовался для соединения компьютеров, а также мобильных телефонов и периферийных устройств. Данная технология применяется также в беспроводных телефонных гарнитурах.

В разработках часто возникает необходимость одновременного подключения нескольких периферийных устройств (например, мышь, клавиатура и принтер). Использование технологии Bluetooth позволяет одновременно работать с 7 терминальными устройствами. В медицине необходимо также, чтобы связь с данными устройствами была свободной от ошибок. Исследования этой проблемы показали, что ошибки передачи, возникающие на уровне радиоканала, полностью исправляются, так что на пользовательском уровне их не возникает.

В настоящее время технология Bluetooth является наиболее доступной, эффективной и приемлемой в плане энергопотребления. На сегодняшний день эта технология является единственным качественным инструментом для применения в беспроводных медицинских датчиках.

BlueЭКГ является мобильным компонентом прибора Bluetooth — ЭКГ, который может применяться для беспроводных измерений по 3, 6 или 12 ЭКГ-каналам (рис. 7). Модуль Bluesense используется в качестве интерфейса Bluetooth.

Рис. 7 . Bluetooth-ЭКГ

Bluetooth-ЭКГ был разработан для использования в системах, осуществляющих мониторинг в режиме «онлайн». В первом варианте (3-канальная ЭКГ) осуществляется отведение по Эйнтховену с использованием 4 электродов. Путем конфигурирования программы монитора 3-канальная ЭКГ может быть расширена до 6-канальной.

Второй вариант — 12-канальная ЭКГ с 3 отведениями по Эйнтховену, 3 — по Гольдбергеру и 6 — по Вильсону. Помимо простейшей передачи ЭКГ-каналов, на мобильной части определяется комплекс-QRS, измеряется качество контакта электрода и пульс синусового узла сердца, а также интегрирована дефибрилляционная защита от импульсов дефибриллятора.

В процессе длительного мониторинга данные измерений передаются в реальном времени на центральную систему (например ПК, PDA, специальный монитор). В случае, если по какой-то причине связь была прервана во время передачи данных, информация сохраняется во внутренней памяти передатчика. После этого в течение 5 минут восстанавливается связь, и сохраненные данные синхронизируются с получающей системой. Применение данного прибора позволяют гарантировать полный мониторинг, даже в случаях, когда пациент случайно оказывается за пределами диапазона приема.

Характеристики работы сердца, а также текущий уровень контакта каждого электрода показываются непосредственно на дисплее прибора. В ограниченном режиме на дисплее не показываются характеристики работы сердца, однако его символическое изображение, пульсирующее с текущей частотой, остается на дисплее. В случае обнаружения комплекса QRS в дополнение к соответствующему изображению подается акустический сигнал.

Прибор BlueЭКГ может подавать сигнал при появлении каждой R-волны.

BlueOxy — Bluetooth-пульсоксиметр

Пульсоксиметр BlueOxy представляет собой компактное независимое пульсоксиметрическое устройство, предназначенное для ношения на руке пациента (рис. 8). Данное устройство позволяет производить неинвазивные измерения уровня насыщения артериальной крови кислородом (SpO2), а также измерения пульса пациента. Помимо измерений пульса и SpO2, на гистограмме интегрированного дисплея показывается уровень качества сигнала.

Рис. 8 . Bluetooth - Пульсоксиметр

Для проведения долгосрочного мониторинга пациента имеются режимы «оффлайн» и «онлайн». В режиме «онлайн» данные измерений передаются на главную систему (например, ПК, PDA, монитор) в реальном масштабе времени, моментально оцениваются и сохраняются. Так же, как и прибор BlueЭКГ, в случае перебоев соединения BlueOxy сохраняет данные в буфере. Однако, в отличие от первого примера, здесь возобновление соединения происходит в течение 15 минут, а не 5, после чего сохраненные данные передаются на систему мониторинга. В режиме «оффлайн» данные измерений сохраняются во внутренней памяти с указанием даты, времени и идентификационного номера пациента. Эти данные могут анализироваться автономно и позднее обрабатываться с помощью соответствующего программного обеспечения на ПК.

Регистратор событий CorBELT/BlueBELT для мониторинга пациентов высокой степени риска

Регистратор событий BlueBELT представляет собой систему для длительного мониторинга в домашних условиях пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями (рис. 9).

Рис. 9 . Регистратор событий CorBELT/BlueBELT для мониторинга состояния пациентов высокой степени риска

Для того чтобы необходимая медицинская помощь была оказана оперативно, в случае, например, критического состояния сердца, на груди пациента с помощью ремня фиксируется прибор, весящий всего 120 г, который способен анализировать в постоянном режиме данные ЭКГ. Если поясное устройство обнаруживает данные пациента, угрожающие жизни, автоматически устанавливается связь с базовой станцией по технологии Bluetooth. Базовая станция, установленная в квартире пациента, при получении сигнала от прибора выдает опто-акустический сигнал тревоги, который предназначен для членов семьи пациента или обслуживающего персонала. Данная схема гарантирует пациенту оказание своевременной медицинской помощи и, как следствие, спасение жизни.

В дополнение к тревожному оповещению членов семьи или обслуживающего персонала базовая станция автоматически устанавливает телефонную связь с электронной базой данных пациента в медицинском учреждении и передает данные о состоянии пациента за 10 с до события, а также за 10 с, последовавших позднее. Одновременно ЭКГ-данные автоматически пересылаются в центр слежения за пациентом и службу скорой медицинской помощи, где специалистами проводится анализ данных и, например, в случае обнаружения опасного состояния, оповещается специалист неотложной медицинской помощи.

По сравнению с существующими системами, прибор BlueBELT принимает и передает сигналы тревоги в критических кардиологических случаях, что дает пациенту высокой степени риска чувство защищенности и уверенности. Применение технологии Bluetooth в профилактике заболеваний можно рассмотреть на примере использования Bluetooth-пикфлоуметра.

Беспроводные медицинские датчики в домашнем мониторинге успешно работают в медицине сна, диализе, а также при мониторинге пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Более того, существуют варианты для применения беспроводной измерительной регистрации для профилактики заболеваний в области конгестивной сердечной недостаточности, высокого кровяного давления, диабета, а также астматических заболеваний и хронических обструктивных легочных заболеваний.

В программах профилактики заболеваний и домашнего мониторинга, проводимых в настоящее время, используются дневниковые записи, телефонные интервью, а также передача данных через модемы или акустические устройства связи для регистрации измерений. Проведение этих программ требует большого количества персонала, а также отличной технической квалификации в отношении контролируемого пациента. Вполне вероятно, что вследствие определенного количества эксплуатационных ошибок, здесь могут передаваться не вполне корректные данные.

При применении беспроводных датчиков пользователю не нужно заполнять какие-либо формы, нет кабелей соединения между прибором и модемом, и нет необходимости прижимать датчики к телефонной трубке для акустической передачи данных. Данные после измерений могут автоматически передаваться в беспроводном режиме на соответствующим образом оборудованный модем, не беспокоя пациента. Такой модем устанавливается единожды, и затем получаемые данные могут передаваться оператору программы. В зависимости от варианта применения данные могут пересылаться через аналоговый модем, либо посредством GSM-соединения, либо с использованием SMS-сообщений (рис. 10).

Рис. 1 0 . Концепция мониторинга пациентов с заболеваниями астмы и легочными заболеваниями

Рассматриваемый здесь пикфлоуметр устанавливает соединение (Bluetooth master) с мобильным телефоном после проведения измерений и посылает SMS-сообщение на принимающий сервер. Затем эти данные автоматически анализируются оператором программы профилактики заболеваний. При обнаружении значений, превышающих допустимые, с контролируемым пациентом устанавливается связь, либо он направляется в соответствующее медицинское учреждение. Данная схема взаимодействия с пациентом будет способствовать выявлению отклонений в здоровье пациента на ранних стадиях развития заболевания и у него появится возможность своевременного обращения к специалисту.
Заключение

Рассмотренные датчики демонстрируют уровень существующих в настоящее время разработок медицинских приборов с применением технологии Bluetooth. В настоящее время имеется возможность создания на их основе систем для проведения «онлайн»-мониторинга, мониторинга пациентов высокой степени риска, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, а также повышения эффективности существующих и планируемых программ профилактики заболеваний.

Все представленные датчики и приборы минимизируют неподвижность пациента и его обслуживающего персонала, а также способствуют снижению ошибок передачи информации с датчиков.

Более того, данные новые подходы к мониторингу пациентов в их домашних условиях позволяют реализовывать концепции, которые не были возможны в прошлом.

В таких областях, как спортивная медицина, медицина сна, экстренная медицина, реанимация, а также мониторинг в домашних условиях, у врачей и обслуживающего персонала появляется больше уверенности в проведении обычных процедур.

Обычный аналоговый модем с Bluetooth-приемником, установленный в доме пациента, превращается в приемную станцию. Это выгоднее, чем использование связи GSM или SMS. Для мобильных вариантов применения мобильные телефоны и смарт-фоны могут выполнять роль подходящих принимающих станций. С этих принимающих станций данные идут на веб-сервер, который осуществляет оценку измерений с возможной постановкой диагноза. Подобным образом реализуются медицинские порталы, позволяющие осуществлять интегрированное наблюдение за пациентами в рамках программ профилактики заболеваний.
Список литературы:

Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с .
Компьютерные сети | WSN http://193.200.95.46/ index. php/Беспроводные_распределённые_сенсорные_сети
Габриель Ринсин-Мора , Джастин Вогт . Беспроводные датчики с автономным питанием, 2007
Елена Ващилко. ИТ в медицине, На страже здоровья http:// www. ci. ru/ inform14_05/ p_24. htm

Мур Клаудиус, Чудовский Игорь.Беспроводные технологии, 2006 вып.2 http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/2006_2_53.php

Распределенные сенсорные сети

Что такое беспроводные сенсорные сети?

Датчики и принимаемое устройство

Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote ) - небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте - например 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.

В англоязычной литературе такую сеть называют wireless sensor network (WSN) - это беспроводная сеть состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах.

Они могут измерять такие параметры, как температуры, звук, вибрации, давление, движение объектов или воздуха. Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности, включая промышленный мониторинг и мониторинг окружающей среды, здравоохранение и контроль движения объектов. Область применения становится все шире.

Основные принципы работы

3-х уровневая схема сети. 1-й Уровень сенсоров и шлюза. 2-й уровень сервера. 3-й уровень тонкого клиента

Каждый узел сети: мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии

Аппаратное обеспечение и стандарты

Шлюз (2шт), соединен с ноутбуком кабелем USB. Ноутбук по UTP соединен с интернетом и выполняет роль сервера

Сенсорные устройства с радио антенной

Ряд стандартов в настоящее время либо ратифицирован или находятся в стадии разработки для беспроводных сенсорных сетей. ZigBee является стандартом, предназначенным для использования таких вещей, как промышленный контроль, встроенное зондирование, сбора медицинских данных, автоматизации зданий. Развитию Zigbee способствует большой консорциум индустриальных компаний.

WirelessHART является продолжением HART протокол для промышленной автоматизации. WirelessHART был добавлен в общей HART протокол как часть спецификации HART 7, который был утвержден фонд HART коммуникации в июне 2007 года.
6lowpan является заявленным стандартом для сетевой слоя, но он не была принят еще.
ISA100 это еще одна работа в попытке войти в WSN технологию, но построено более широко включить обратную связь контроль в своей сфере. Внедрение ISA100 на основе ANSI стандартов планируется завершить к концу года 2008 года.

WirelessHART, ISA100, ZigBee, и все они основаны на тех же стандарт: IEEE 802.15.4 - 2005.

Программное обеспечение беспроводной сенсорной сети

Операционная система

Операционные системы для беспроводных сенсорных сетей менее сложны, чем универсальные операционные системы в силу ограниченности ресурсов в аппаратном обеспечении сенсорной сети. Из - за этого, операционной системе не нужно включать поддержку пользовательских интерфейсов.

Оборудование беспроводных сенсорных сетей не отличается о т традиционных встраиваемых систем, и поэтому для сенсорных сетей можно использовать встроенную операционную систему

Прикладные программы для визуализации

Программа визуализации результатов измерений и генерации отчетов MoteView v1.1

Данные с беспроводных сенсорных сетей, как правило, сохраняются в виде цифровых данных в центральной базовой станции. Есть много стандартных программ, таких как TosGUI MonSense, ГНС, облегчающих просмотр этих больших объемов данных. Кроме того, Открытый консорциум (OGC) указывает стандарты для совместимости и взаимодействия метаданных кодировки, что позволит в режиме реального времени любому лицу осуществлять наблюдение или контроль за беспроводной сенсорной сетью через Web Browser.

Для работы с данными, поступающими от узлов беспроводной сенсорной сети, используются программы, облегчающие просмотр и оценку данных. Одной из таких программ является MoteView . Эта программа позволяет просматривать данные в реальном времени и анализировать их, строить всевозможные графики, выдавать отчеты в различных разрезах.

Преимущества использования

Отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;
Низкая стоимость комплектующих, монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;
Быстрота и упрощенность развертывания сети;
Надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при выходе из строя отдельных узлов или компонентов;
Возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования самого объектах
Возможность быстрого и при необходимости скрытного монтажа всей системы в целом.

Каждый сенсор размером с пивную крышку (но в будущем их размеры можно будет уменьшить в сотни раз) содержит процессор, память и радиопередатчик. Такие крышки можно разбросать на любой территории, а они сами наладят связь между собой, сформируют единую беспроводную сеть и начнут передавать данные на ближайший компьютер.

Объединенные в беспроводную сеть, сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: движение, свет, температуру, давление, влажность и т. д. Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию по цепочке от соседа к соседу. Технология позволяет им годами (даже десятилетиями) работать без смены батарей. Сенсорные сети это универсальные органы чувств для компьютера, и все физические объекты в мире, оборудованные сенсорами, могут быть распознаны компьютером. В перспективе каждый из миллиардов сенсоров получит IP-адрес, и они даже могут сформировать нечто вроде Глобальной сенсорной сети. Возможности сенсорных сетей заинтересовали пока только военных и промышленность. Согласно последнему отчету компании ON World, которая специализируется на исследовании рынка сенсорных сетей, в этом году рынок переживает заметный подъем. Еще одним заметным событием в этом году стал выпуск первой в мире системы ZigBee на одной микросхеме (производства Ember). Среди крупных промышленных компаний США, среди которых был проведен опрос ON World, около 29 % уже используют сенсорные сети, а еще 40 % планируют развернуть их в течение 18 месяцев. В Америке появилось более сотни коммерческих фирм, которые занимаются созданием и обслуживанием сенсорных сетей.

К концу нынешнего года количество сенсоров на планете превысит 1 млн. Сейчас растет не только количество сетей, но и их размер. Впервые созданы и успешно эксплуатируются несколько сетей из более чем 1000 нодов, в том числе одна на 25 тысяч нодов.

Источник: Веб ПЛАНЕТА

Область применений

Так же WSN используют для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:

Мониторинг задымленности и обнаружение очагов возгорания с больших лесных массивов и торфяников
Дополнительный источник информации для Кризисных Центров Управления субъектов федерации РФ
Сейсмическое обнаружение потенциальной напряженности
Военные наблюдения
Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.
Экологический мониторинг пространства и окружающей среды
Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах
Медицинский мониторинг

Автоматизация зданий:

	мониторинг температуры, расхода воздуха, присутствия людей и управление оборудованием для поддержания микроклимата;
	управление освещением;
	управление энергоснабжением;
	сбор показаний квартирных счетчиков газа, воды, электроэнергии и т. д.;
	охранно-пожарная сигнализация;
	мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений.

Промышленная автоматизация:

	дистанционный контроль и диагностика промышленного оборудования;
	техническое обслуживание оборудования по текущему состоянию (прогнозирование запаса надежности);
	мониторинг производственных процессов;

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:

Методы увеличения времени жизни БСС

Расчет потребляемой мощности и времени жизни узлов БСС

Метод решения задачи планирования движения стока

Исследование возможности проведения натурного эксперимента

Похожие диссертации на Моделирование времени жизни динамически реконфигурируемых сенсорных сетей с мобильным стоком

Общие сведения

Железо

Программное обеспечение и передача данных

Заключение

Что такое беспроводные сенсорные сети?

Основные принципы работы

Аппаратное обеспечение и стандарты

Программное обеспечение беспроводной сенсорной сети

Операционная система

Прикладные программы для визуализации

Преимущества использования

Область применений

Автоматизация зданий:

Промышленная автоматизация: