6. Опис операційних систем сенсорних вузлів

Мережі, складені з мініатюрних сенсорних вузлів, пов'язаних один з одним і з базовою станцією по бездротових каналах, розгортаються для різних цілей. Такі сенсорні мережі використовуються для захисту периметрів будівель, охорони державного кордону, для виявлення загорянь в лісі, вимірювання температури та рівня опадів з метою складання прогнозів погоди, збору інформації про переміщення противника на полі бою і багато чого іншого.

Вузли такої мережі є мініатюрними комп'ютери, що живляться від батареї і мають вбудовану радіосистему. Вони обмежені за потужністю і повинні працювати тривалий період часу в необслуживаемом режимі на відкритому повітрі, часто в важких кліматичних умовах. Мережа повинна бути досить надійною і допускати відмови окремих вузлів, що в міру втрати ємності батарей живлення буде траплятися все частіше.

Кожен сенсорний вузол є справжнім комп'ютером, оснащеним процесором, оперативною пам'яттю і постійним запам'ятовуючим пристроєм, а також одним або кількома датчиками. На ньому працює невелика, але справжня операційна система, звичайно керована подіями - відгукується на зовнішні події або періодично проводить вимірювання за сигналами вбудованих годин. Операційна система повинна бути невеликою за обсягом і нескладної, оскільки основною проблемою цих вузлів є мала місткість оперативної пам'яті і обмежений час роботи батарей. Так само як і у вбудованих систем, всі програми є попередньо завантаженими, і користувачі не можуть раптово запустити програму, завантажену з Інтернету, що значно спрощує всю конструкцію. Прикладом широко відомої операційної системи для сенсорних вузлів може послужити TinyOS.

Бездротова сенсорна мережа ( WSN ) - це бездротова мережа, що складається з територіально розподілених автономних пристроїв, що використовують датчики для спільного контролю фізичних або екологічних умов у різних районах, наприклад температури, звуку, вібрації, тиску, руху або повітря. Розвиток бездротових сенсорних мереж спочатку було мотивовано військовими положеннями, наприклад спостереження за полем бою. В даний час бездротові сенсорні мережі використовуються в багатьох областях жизнидеятельности, включаючи моніторинг навколишнього середовища, охорона здоров'я та контроль руху.Кожен вузол мережі оснащений радіотрансівером або іншим пристроєм бездротового зв'язку, невеликим микроконтроллером і джерелом енергії, зазвичай батареєю. Вартість сенсорного вузла змінюється від сотні доларів до кількох центів, в залежності від розміру сенсорної мережі та її складності.

Застосування

Застосування WSN численне й різноманітно. Вони використовуються в комерційних і промислових системах для моніторингу даних, які важко або дорого контролювати з використанням дротових датчиків. WSN можуть використовуватися в важко досяжних районах, де вони можуть залишатися протягом багатьох років (моніторинг екологічних змінних навколишнього середовища) без необхідності заправки / заміни джерел живлення. Вони можуть контролювати дії порушників (миттєва передача інформації від одного вузла до іншого).

Зазвичай WSN використовують для моніторингу, відстеження і контролю. Деякі спеціальні додатки - моніторинг, простежування об'єкта, ядерне реакторне управління, протипожежна безпека, контроль трафіку, і ін При звичайному застосуванні WSN розкидана в регіоні, де відбувається збір даних через сенсорні вузли.

― Екологічний моніторинг ― Моніторинг навколишнього середовища ― Акустичне виявлення ― Сейсмічне виявлення ― Військове спостереження ― Простежування облікового запису ― Медичний моніторинг ― Моніторинг просторів ― Моніторинг процесу ― Спостереження за станом здоров'я

Область контролю

В зоні спостереження, WSN зазвичай створюється в регіоні, де має бути проконтрольовано яке - то явище чи об'єкт. Наприклад, велика кількість сенсорних вузлів може бути розгорнуто на поле бою для виявлення проникнення ворога.

Характеристики

Особливостями WSN є:

― Невеликі сенсорні вузли ― Обмежені можливості для побудови та зберігання даних ― Жорсткі екологічні умови ― Відмови вузла ― Рухливість вузлів ― Динамічна топологія мережі ― Відмови комунікацій ― Різнорідність вузлів ― Великомасштабні розгортання ― Автоматична операція

З точки зору інтерфейсів сенсорні вузли можна уявити собі як невеликі комп'ютери. Вони, як правило, складаються з процесорного блоку з обмеженою обчислювальною потужністю і недостатньою пам'яттю, датчика (включаючи конкретну схему кондиціонування), пристроїв комунікації (як правило, радіо чи ж оптичний приймач) і джерело харчування, як правило, у вигляді батареї.

Базова станція одного або декількох компонентів WSN діє як шлюз між сенсорними вузлами і кінцевими користувачами.

Стандарти

Стандарти, що використовуються в WSN:

― ZigBee ― Wibree ― 6lowpan

Програмне забезпечення

WSN призначені для розгортання в різних середовищах, включаючи віддалені області. З цієї причини, для алгоритмів і протоколів необхідно вирішити наступні питання:

― Максимальна тривалість роботи WSN

― Надійність і відмовостійкість WSN

― Самоконфігурація WSN

"Гарячі" теми в дослідженні програмного забезпечення WSN:

―Безпека

― Мобільність (коли вузли датчика або базові станції рухаються)

― Сполучне програмне забезпечення: розробка середнього рівня примітивів між програмним і апаратним забезпеченням

Операційні системи для бездротових сенсорних мереж менш складні, ніж універсальні операційні системи в силу обмеженості ресурсів в апаратному забезпеченні сенсорної мережі. Через це, операційній системі не потрібно включати підтримку користувацьких інтерфейсів. Устаткування бездротових сенсорних мереж не відрізняється о т традиційних вбудованих систем, і тому для сенсорних мереж можна використовувати вбудовану операційну систему, таку, як eCos або uC / OS. Однак такі операційні системи часто проектуються в режимі реального часу. У операційних систем, що призначаються для сенсорних мереж часто немає підтримки в реальному часі.

Дані візуалізації

Даних з бездротових сенсорних мереж, як правило, зберігаються у вигляді цифрових даних в центральній базі станції. Є багато програм, як TosGUI MonSense, ГНС, що полегшують перегляд цих великих обсягів даних. Крім того, Відкритий консорціум (OGC) вказує стандарти для сумісності та взаємодії метаданих кодування, що дозволить в режимі реального часу будь-якій особі здійснювати спостереження або контроль за бездротової сенсорної мережею через Web Browser.

Висновок

Бездротові сенсорні мережі отримали великий розвиток в останній час. Такі мережі, що складаються з безлічі мініатюрних вузлів, оснащених малопотужним приймально-передавачем, мікропроцесором і сенсором, можуть зв'язати воєдино глобальні комп'ютерні мережі і фізичний світ. Концепція бездротових сенсорних мереж привертає увагу багатьох вчених, дослідницьких інститутів і комерційних організацій, що забезпечило великий потік наукових праць з даної тематики. Великий інтерес до вивчення таких систем обумовлений широкими можливостями застосування сенсорних мереж. Бездротові сенсорні мережі, зокрема, можуть використовуватися для передбачення відмови обладнання в аерокосмічних системах та автоматизації будівель. Через свою здатність до самоорганізації, автономності і високої відмовостійкості такі мережі активно застосовуються в системах безпеки і військових програмах. Успішне застосування бездротових сенсорних мереж в медицині для моніторингу здоров'я пов'язане з розробкою біологічних сенсорів сумісних з інтегральними схемами сенсорних вузлів. Але найбільшого поширення бездротові сенсорні мережі отримали в області моніторингу навколишнього середовища та живих істот. 

Контрольні питання

1. Для чого використовуються операційні системи сенсорних вузлів?

2. Основні вимоги до операційних систем сенсорних вузлів.

3. Класифікація операційних систем даного типу.

4. Особливості операційної системи сенсорних вузлів TinyOS

5. Призначення сенсорних вузлів.

6. Метод B-MAC в операційних сенсорних вузлів.

7. З чого складаються безпровідні сенсорні мережі?

8. Функції операційних систем сенсорних вузлів.

9. Особливості оптичної сенсорної мережі.

10. Що таке сенсорний вузол?

Література

Kufmann M., Wagner D. Drawing Graphs. Methods and Models // Berlin Heidelberg - 2001, 325 c.

Касьянов В.Н., Евстигнеев В.А. Графы в программировании: обработка визуализация, применение // С-П. - 2003, 1104 с.

Levis P. TOSSIM: Accurate and Scalable Simulation of Entire TinyOS Applications // 2009, 23 с.

Maneesh Varshney. Detailed Models for Sensor Network Simulations and their Impact on Network Performance // L-A. – 2006, 10 c

Levis P. TOSSIM System Description // Los Angeles – 2009, 43 с.

Karl H. and Willig A. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. // John Wiley & Sons - 2005

Сергиевский М. Беспроводные сенсорные сети. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.compress.ru/Article.aspx?id=17950

Карабуто А. Сенсорные сети. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://offline.computerra.ru/2004/553/35459/

Баскаков С. и Оганов В. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogic. [Электронный ресурс] – Режим доступа:http://www.meshlogic.ru/data/Meshlogic.pdf

Официальный сайт TinyOS. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.tinyos.net/special/mission

“ Технологія програмування та створення програмних продуктів ”

Методичні вказівки до лабораторної роботи № 1 “ Розробка програмного продукту. Етап формулювання вимог та побудова моделі ” з дисципліни “Технологія програмування та створення програмних продуктів” для студентів спеціальності 0804 “Комп’ютерні науки”

Укладач: