무선 센서 네트워크 아키텍처 및 애플리케이션

현재 WSN (무선 센서 네트워크) 프로세서, 통신 및 임베디드 컴퓨팅 장치의 저전력 사용에 대한 기술 개발로 인해 상업 및 산업 응용 프로그램에서 가장 표준적인 서비스입니다. 무선 센서 네트워크 아키텍처는 온도, 습도, 압력, 위치, 진동, 소리 등과 같은 주변 환경을 관찰하는 데 사용되는 노드로 구축됩니다. 이러한 노드는 다양한 실시간 애플리케이션에서 스마트 감지, 인접 노드 발견, 데이터 처리 및 저장, 데이터 수집, 대상 추적, 모니터링 및 제어, 동기화, 노드 위치 파악 및 기지국과 노드 간의 효과적인 라우팅. 현재 WSN은 향상된 단계로 구성되기 시작했습니다. 10 년에서 15 년 안에 세계가 인터넷을 통한 앙트레와 함께 WSN으로 보호 될 것이라고 기대하는 것은 어색하지 않습니다. 이것은 인터넷이 물리적 인 n / w가되는 것으로 측정 할 수 있습니다. 이 기술은 의료, 환경, 교통, 군사, 엔터테인먼트, 국토 방어, 위기 관리 및 스마트 공간과 같은 많은 응용 분야에 무한한 잠재력을 가지고 있습니다.

무선 센서 네트워크 란?

무선 센서 네트워크는 무선 네트워크의 한 종류입니다. 여기에는 모트 (motes)라고하는 센서 노드라는 이름의 순환, 자기 주도, 분, 저전력 장치가 많이 포함됩니다. 이러한 네트워크는 데이터를 신중하게 수집, 처리 및 운영자에게 전송하기 위해 네트워크로 연결된 공간적으로 분산 된 작고 배터리로 작동하는 임베디드 장치를 포함하며 컴퓨팅 및 처리 기능을 제어했습니다. 노드는 네트워크를 형성하기 위해 함께 작동하는 작은 컴퓨터입니다.

무선 센서 네트워크

센서 노드는 다기능의 에너지 효율적인 무선 장치입니다. 산업에서 티끌의 응용은 널리 퍼져 있습니다. 센서 노드 모음은 특정 응용 프로그램 목표를 달성하기 위해 주변에서 데이터를 수집합니다. 모트 간의 통신은 트랜시버를 사용하여 서로 수행 할 수 있습니다. 무선 센서 네트워크에서 모트의 수는 수백 / 수천 정도일 수 있습니다. 센서 n / ws와 달리 Ad Hoc 네트워크는 구조가없는 노드가 더 적습니다.

무선 센서 네트워크 아키텍처

가장 일반적인 무선 센서 네트워크 아키텍처는 OSI 아키텍처 모델을 따릅니다. WSN의 아키텍처에는 5 개의 계층과 3 개의 교차 계층이 포함됩니다. 대부분 센서 n / w에서는 애플리케이션, 전송, n / w, 데이터 링크 및 물리 계층의 5 개 계층이 필요합니다. 세 가지 교차 영역은 전원 관리, 이동성 관리 및 작업 관리입니다. 이러한 WSN 계층은 네트워크의 완전한 효율성을 높이기 위해 n / w를 수행하고 센서가 함께 작동하도록하는 데 사용됩니다. 아래 링크를 따라주세요 무선 센서 네트워크 및 WSN 토폴로지 유형

WSN 아키텍처 유형

WSN에서 사용되는 아키텍처는 센서 네트워크 아키텍처입니다. 이러한 종류의 아키텍처는 병원, 학교, 도로, 건물 등 다양한 장소에 적용 할 수있을뿐만 아니라 보안 관리, 재난 관리 및 위기 관리 등과 같은 다양한 애플리케이션에 사용됩니다. 무선 센서에는 두 가지 유형의 아키텍처가 사용됩니다. 다음을 포함하는 네트워크. 무선 센서 아키텍처에는 계층 형 네트워크 아키텍처와 클러스터형 아키텍처의 두 가지 유형이 있습니다. 이에 대해서는 다음과 같이 설명합니다.

• 계층화 된 네트워크 아키텍처
• 클러스터 된 네트워크 아키텍처

계층화 된 네트워크 아키텍처

이러한 종류의 네트워크는 수백 개의 센서 노드와 기지국을 사용합니다. 여기서 네트워크 노드의 배열은 동심 계층으로 수행 될 수 있습니다. 다음을 포함하는 3 개의 크로스 레이어와 5 개의 레이어로 구성됩니다.

아키텍처의 5 개 계층은 다음과 같습니다.

• 응용 계층
• 전송 계층
• 네트워크 계층
• 데이터 링크 계층
• 물리적 계층

세 개의 교차 레이어에는 다음이 포함됩니다.

• 전원 관리 플레인
• 모빌리티 관리 플레인
• 작업 관리 플레인

이 세 가지 교차 계층은 주로 네트워크를 제어하고 전체 네트워크 효율성을 향상시키기 위해 센서가 하나로 작동하도록 만드는 데 사용됩니다. 위에서 언급 한 5 개의 WSN 계층은 아래에서 설명합니다.

무선 센서 네트워크 아키텍처

응용 계층

애플리케이션 계층은 트래픽 관리를 담당하며 긍정적 인 정보를 찾기 위해 데이터를 명확한 형식으로 변환하는 수많은 애플리케이션 용 소프트웨어를 제공합니다. 농업, 군사, 환경, 의료 등 다양한 분야의 다양한 애플리케이션에 배치 된 센서 네트워크

전송 계층

전송 계층의 기능은이 기능을 제공하려는 많은 프로토콜이 업스트림에서 실용적 일 때 혼잡 방지 및 안정성을 제공하는 것입니다. 이러한 프로토콜은 손실 인식 및 손실 복구를 위해 서로 다른 메커니즘을 사용합니다. 전송 계층은 시스템이 다른 네트워크에 연결할 계획 일 때 정확히 필요합니다.

신뢰할 수있는 손실 복구를 제공하는 것이 더 에너지 효율적이며 이것이 TCP가 WSN에 적합하지 않은 주된 이유 중 하나입니다. 일반적으로 전송 계층은 패킷 기반, 이벤트 기반으로 분리 될 수 있습니다. 전송 계층에는 STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol 및 PSFQ (pump slow fetch quick)와 같은 몇 가지 인기있는 프로토콜이 있습니다.

네트워크 계층

네트워크 계층의 주요 기능은 라우팅이며 애플리케이션에 따라 많은 작업이 있지만 실제로 주요 작업은 전력 절약, 부분 메모리, 버퍼 및 센서에 범용 ID가 없어야합니다. 자기 조직적입니다.

라우팅 프로토콜의 간단한 아이디어는 프로토콜마다 다른 메트릭이라는 설득력있는 척도에 따라 신뢰할 수있는 레인과 중복 레인을 설명하는 것입니다. 이 네트워크 계층에 대한 많은 기존 프로토콜이 있으며 플랫 라우팅 및 계층 적 라우팅으로 분리되거나 시간 기반, 쿼리 기반 및 이벤트 기반으로 분리 될 수 있습니다.

데이터 링크 계층

데이터 링크 계층은 멀티플렉싱 데이터 프레임 감지, 데이터 스트림, MAC 및 오류 제어를 담당하고 포인트-포인트 (또는) 포인트-멀티 포인트의 신뢰성을 확인합니다.

물리적 계층

물리 계층은 물리 매체 위로 비트 스트림을 전송하기위한 에지를 제공합니다. 이 계층은 주파수 선택, 반송파 주파수 생성, 신호 감지, 변조 및 데이터 암호화를 담당합니다. IEEE 802.15.4는 배터리 수명을 향상시키기 위해 낮은 비용, 전력 소비, 밀도, 통신 범위를 갖춘 저속 특정 영역 및 무선 센서 네트워크에 대해 일반적인 것으로 제안됩니다. CSMA / CA는 스타 및 피어 투 피어 토폴로지를 지원하는 데 사용됩니다. IEEE 802.15.4.V에는 여러 버전이 있습니다.

WSN에서 이러한 종류의 아키텍처를 사용하는 주요 이점은 모든 노드가 다른 종류의 센서 네트워크 아키텍처에 비해 전력 사용률이 낮기 때문에 인접 노드로의 단거리 저전력 전송을 포함한다는 것입니다. 이러한 종류의 네트워크는 확장 가능할뿐만 아니라 높은 내결함성을 포함합니다.

클러스터 된 네트워크 아키텍처

이러한 종류의 아키텍처에서 개별 센서 노드는 클러스터를 사용하기 때문에 'Leach Protocol'에 의존하는 클러스터로 알려진 그룹에 추가됩니다. 'Leach Protocol'이라는 용어는 'Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy'를 의미합니다. 이 프로토콜의 주요 속성은 주로 다음과 같습니다.

클러스터 된 네트워크 아키텍처

• 이것은 2 계층 계층 클러스터링 아키텍처입니다.
• 이 분산 알고리즘은 센서 노드를 클러스터라고하는 그룹으로 배열하는 데 사용됩니다.
• 별도로 구성된 모든 클러스터에서 클러스터의 헤드 노드는 TDMA (시분할 다중 액세스) 계획을 생성합니다.
• 데이터 퓨전 개념을 사용하여 네트워크 에너지를 효율적으로 만듭니다.

이러한 종류의 네트워크 아키텍처는 데이터 융합 속성으로 인해 매우 많이 사용됩니다. 모든 클러스터에서 모든 노드는 데이터를 얻기 위해 클러스터 헤드를 통해 상호 작용할 수 있습니다. 모든 클러스터는 수집 된 데이터를 기지국으로 공유합니다. 클러스터의 형성과 각 클러스터의 헤드 선택은 독립적이고 자율적 인 분산 방법입니다.

무선 센서 네트워크 아키텍처의 설계 문제

무선 센서 네트워크 아키텍처의 설계 문제는 주로 다음과 같습니다.

• 에너지 소비
• 현지화
• 적용 범위
• 시계
• 계산
• 생산 비용
• 하드웨어 설계
• 서비스 품질

에너지 소비

WSN에서 전력 소비는 주요 문제 중 하나입니다. 에너지 원으로서 배터리는 센서 노드를 장착하여 사용됩니다. 센서 네트워크는 위험한 상황에 배치되어 있으므로 배터리를 충전하지 않으면 교체하기가 복잡해집니다. 에너지 소비는 주로 통신, 감지 및 데이터 처리와 같은 센서 노드의 작동에 따라 달라집니다. 커뮤니케이션 전반에 걸쳐 에너지 소비가 매우 높습니다. 따라서 효율적인 라우팅 프로토콜을 사용하여 모든 계층에서 에너지 소비를 피할 수 있습니다.

현지화

네트워크 운영을위한 기본적인 문제이자 중요한 문제는 센서 위치 파악입니다. 따라서 센서 노드는 임시 방식으로 배열되어 위치를 알지 못합니다. 센서가 배치 된 후에는 센서의 물리적 위치를 결정하는 데 어려움을 현지화라고합니다. 이 어려움은 GPS, 비콘 노드, 근접성에 기반한 위치 파악을 통해 해결할 수 있습니다.

적용 범위

무선 센서 네트워크의 센서 노드는 데이터를 감지하고 라우팅 알고리즘을 통해 싱크로 전송하기 위해 커버리지 알고리즘을 사용합니다. 전체 네트워크를 포함하려면 센서 노드를 선택해야합니다. 최소 및 최대 노출 경로 알고리즘과 커버리지 설계 프로토콜과 같은 효율적인 방법이 권장됩니다.

시계

WSN에서 시계 동기화는 심각한 서비스입니다. 이 동기화의 주요 기능은 센서 네트워크 내의 로컬 시계 노드에 대한 일반적인 시간 척도를 제공하는 것입니다. 이러한 시계는 모니터링 및 추적과 같은 일부 애플리케이션 내에서 동기화되어야합니다.

계산

계산은 각 노드를 통해 계속되는 데이터의 합계로 정의 할 수 있습니다. 계산의 주요 문제는 리소스 사용을 줄여야한다는 것입니다. 기지국의 수명이 더 위험한 경우 기지국으로 데이터를 전송하기 전에 각 노드에서 데이터 처리가 완료됩니다. 모든 노드에서 일부 리소스가 있으면 전체 계산이 싱크에서 수행되어야합니다.

생산비

WSN에서는 많은 수의 센서 노드가 배열됩니다. 따라서 단일 노드 가격이 매우 높으면 전체 네트워크 가격도 높아집니다. 궁극적으로 각 센서 노드의 가격을 낮게 유지해야합니다. 따라서 무선 센서 네트워크 내의 모든 센서 노드 가격은 까다로운 문제입니다.

하드웨어 디자인

전력 제어와 같은 센서 네트워크의 하드웨어를 설계 할 때 마이크로 컨트롤러 및 통신 장치는 에너지 효율적이어야합니다. 저에너지를 사용하는 방식으로 설계 할 수 있습니다.

서비스 품질

서비스 품질이나 QoS는 그저 중요하지 않지만 데이터는 적시에 배포되어야합니다. 실시간 센서 기반 애플리케이션 중 일부는 주로 시간에 의존하기 때문입니다. 따라서 데이터가 수신자에게 제 시간에 배포되지 않으면 데이터가 쓸모 없게됩니다. WSN에는 자주 수정할 수있는 네트워크 토폴로지와 같은 다양한 유형의 QoS 문제가 있으며 라우팅에 사용되는 정보의 액세스 가능한 상태가 부정확 할 수 있습니다.

무선 센서 네트워크의 구조

WSN의 구조는 주로 스타, 메시, 하이브리드 스타와 같은 무선 통신 네트워크에 사용되는 다양한 토폴로지로 구성됩니다. 이러한 토폴로지는 아래에서 간략하게 설명합니다.

스타 네트워크

스타 네트워크와 같은 통신 토폴로지는 기지국 만 원격 노드로 메시지를 전송하거나 수신 할 수있는 모든 곳에서 사용됩니다. 서로에게 메시지를 전송할 수없는 여러 노드를 사용할 수 있습니다. 이 네트워크의 이점은 주로 원격 노드의 전력 사용을 최소로 유지할 수있는 단순성입니다.

또한 기지국과 원격 노드간에 지연 시간이 적은 통신이 가능합니다. 이 네트워크의 가장 큰 단점은 기지국이 모든 개별 노드에 대한 무선 범위 내에 있어야한다는 것입니다. 네트워크를 처리하기 위해 단일 노드에 의존하기 때문에 다른 네트워크처럼 강력하지 않습니다.

메시 네트워크

이러한 종류의 네트워크는 무선 전송 범위에있는 네트워크 내에서 한 노드에서 다른 노드로 데이터를 전송할 수 있습니다. 노드가 다른 노드로 메시지를 전송해야하고 무선 통신 범위를 벗어난 경우 중간 노드와 같은 노드를 사용하여 메시지를 선호하는 노드로 보낼 수 있습니다.

메시 네트워크의 주요 이점은 확장 성과 중복성입니다. 개별 노드가 작동을 중지하면 원격 노드는 범위 내의 다른 유형의 노드와 대화 한 다음 메시지를 선호하는 위치로 전달할 수 있습니다. 또한 네트워크 범위는 단일 노드 사이의 범위를 통해 자동으로 제한되지 않으며 단순히 시스템에 여러 노드를 추가하여 확장 할 수 있습니다.

이러한 종류의 네트워크의 가장 큰 단점은 멀티 홉과 같은 통신을 실행하는 네트워크 노드의 전력 사용률이 일반적으로 배터리 수명을 자주 제한하는 용량이없는 다른 노드보다 높다는 것입니다. 더욱이, 목적지를 향한 통신 홉의 수가 증가하면, 특히 노드의 저전력 프로세스가 필요한 경우 메시지를 보내는 데 걸리는 시간도 늘어납니다.

하이브리드 스타 – 메시 네트워크

스타 및 메시와 같은 두 네트워크 간의 하이브리드는 무선 센서 노드의 전력 소비를 최소로 유지하면서 강력하고 유연한 통신 네트워크를 제공합니다. 이러한 종류의 네트워크 토폴로지에서 전력이 적은 센서 노드는 메시지를 전송할 수 없습니다.
이를 통해 최소한의 전력 사용률을 유지할 수 있습니다.

그러나 다른 네트워크 노드는 네트워크의 한 노드에서 다른 노드로 메시지를 전송할 수 있도록 허용하여 다중 홉 기능을 사용할 수 있습니다. 일반적으로 다중 홉 용량이있는 노드는 높은 전력을 가지며 자주 전원 라인에 연결됩니다. 이것은 곧 출시 될 ZigBee라는 표준 메시 네트워킹을 통해 구현 된 토폴로지입니다.

무선 센서 노드의 구조

무선 센서 노드를 만드는 데 사용되는 구성 요소는 감지, 처리, 트랜시버 및 전력과 같은 다른 단위입니다. 또한 발전기, 위치 찾기 시스템 및 모빌 라이저와 같은 애플리케이션에 의존하는 추가 구성 요소가 포함됩니다. 일반적으로 감지 장치에는 ADC와 센서라는 두 개의 하위 장치가 포함됩니다. 여기에서 센서는 ADC의 도움으로 디지털 신호로 변경 될 수있는 아날로그 신호를 생성 한 후 처리 장치로 전송합니다.

일반적으로이 장치는 작은 저장 장치를 통해 연결되어 센서 노드가 할당 된 감지 작업을 수행하기 위해 다른 노드와 작동하도록하는 작업을 처리 할 수 ​​있습니다. 센서 노드는 트랜시버 장치를 사용하여 네트워크에 연결할 수 있습니다. 센서 노드에서 필수 구성 요소 중 하나는 센서 노드입니다. 전원 장치는 태양 전지와 같은 전원 청소 장치를 통해 지원되는 반면 다른 하위 장치는 응용 프로그램에 따라 다릅니다.

무선 감지 노드 기능 블록 다이어그램이 위에 나와 있습니다. 이 모듈은 광범위한 애플리케이션의 요구 사항을 처리 할 수있는 다용도 플랫폼을 제공합니다. 예를 들어, 배치 할 센서에 따라 신호 컨디셔닝 블록을 교체 할 수 있습니다. 이를 통해 무선 감지 노드와 함께 다른 센서를 사용할 수 있습니다. 마찬가지로 무선 링크는 지정된 응용 프로그램으로 교환 할 수 있습니다.

무선 센서 네트워크의 특징

WSN의 특징은 다음과 같습니다.

• 배터리가있는 노드의 전력 한도 소비
• 노드 장애 처리 능력
• 노드의 일부 이동성과 노드의 이기종
• 대규모 배포로 확장 가능
• 엄격한 환경 조건을 보장하는 기능
• 간편한 사용
• 크로스 레이어 디자인

무선 센서 네트워크의 장점

WSN의 장점은 다음과 같습니다.

• 네트워크 배치는 고정 된 인프라없이 수행 될 수 있습니다.
• 산, 바다, 농촌 지역 및 깊은 숲과 같이 접근 할 수없는 장소에 적합합니다.
• 추가 워크 스테이션이 필요한 우연한 상황이있는 경우 유연합니다.
• 실행 가격이 저렴합니다.
• 많은 배선을 피합니다.
• 언제든지 새 장치에 대한 편의를 제공 할 수 있습니다.
• 중앙 집중식 모니터링을 사용하여 열 수 있습니다.

무선 센서 네트워크 애플리케이션

무선 센서 네트워크는 낮은 샘플링 속도, 지진, 자기, 열, 시각, 적외선, 레이더 및 음향과 같은 다양한 유형의 센서로 구성되어 다양한 주변 상황을 모니터링 할 수 있습니다. 센서 노드는 지속적인 감지, 이벤트 ID, 이벤트 감지 및 액추에이터의 로컬 제어에 사용됩니다. 무선 센서 네트워크의 응용 분야에는 주로 건강, 군사, 환경, 가정 및 기타 상업 영역이 포함됩니다.

WSN 신청

• 군사용
• 건강 응용
• 환경 응용
• 홈 애플리케이션
• 상용 응용
• 지역 모니터링
• 건강 관리 모니터링
• 환경 / 지구 감지
• 대기 오염 모니터링
• 산불 감지
• 산사태 감지
• 수질 모니터링
• 산업 모니터링

따라서 이것은 무선 센서 네트워크 , 무선 센서 네트워크 아키텍처, 특성 및 애플리케이션. 이 개념을 더 잘 이해하시기 바랍니다. 또한, 어떤 질문이나 알아야 할 무선 센서 네트워크 프로젝트 아이디어 , 아래 댓글 섹션에 댓글을 달아 소중한 제안을 보내주세요. 여기에 질문이 있습니다. 무선 센서 네트워크에는 어떤 유형이 있습니까?