Bežične senzorske mreže
Vanr.Prof Dr. Lejla Banjanović-Mehmedović
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Bežične senzorske mreže
 Senzorska mreža (eng. Sensor Network- SNet) je distribuirani




sistem (DSis) kojeg čini polje senzora različitog tipa
medjusobno povezanih komunikacionom mrežom.
Podaci sa izlaza senzora su djeljivi, a dovode se na ulaz DSis-a
radi njihove procjene (estimacije). Zadatak DSis-a je da na
osnovu dostupnih podataka sa senzora izdvoji najvjerovatniju
informaciju o fenomenu koji se nadgleda.
SNet se formira od individualnih multifunkcionalnih
senzorskih čvorova (eng. Sensor Nod- SNod).
U najvećem broju slučajeva SNod-ovi se bežičnim putem
povezuju u komunikacionu mrežu formirajući na taj način
bežičnu senzorsku mrežu (eng. Wireless Sensor NetworkWSN).
WSN se sastoji od baterijsko napajanih modula koji su u suštini
SNod-ovi.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Bežične senzorske mreže
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Bežične senzorske mreže
 Bežična senzorska mreža
(WSN) je bežična mreža
koja se sastoji od prostorno
distribuiranih autonomnih
uređaja koji koriste senzore
za nadzor fizičkih ili
okolišnih uslova, kao što su
temperatura, zvuk, pritisak,
pokreti ili zagađivači, na
različitim mjestima.
 U odnosu na standardne
žičane, bežične mreže
pružaju mobilnost kojom se
omogućava kretanje
korisnika unutar mreže.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Bežične senzorske mreže
 Mreža senzora omogućava
 prikupljanje podataka u realnom vremenu,
 skladištenje informacija i
 dalje upravljanje.
 Bežični sistem može poduzeti kontrolne akcije i na ovaj
način se takmiče npr. sa postojećim sistemima za
automatizaciju
procesa
ili
konvencionalnim
automatizacijama koje se koriste u kućama.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Senzorsko polje
 Postavljanjem velikog broja SNod, raspoređenih na malim
rastojanjima (tipično do 10m), u samoj blizini ili unutar
oblasti koji se posmatra, formira se senzorsko polje.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Osnovni princip rada WSN-a
 Ukoliko pojedini elementi
Interakcija Sink/BS i SN
Sistemi u realnom vremenu
7_2
mreže, najčešće Sink/BS,
imaju mogućnost aktivne
interakcije sa okruženjem,
takva senzorska mreža se
naziva bežičnom senzorskoaktuatorskom mrežom (eng.
Wireless Sensor-Actuator
Network, WSAN).
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Osnovne karakteristike SN i Sink/BS
 Multifunkcionalna platforma senzorskog čvora
sastoji se od 4 osnovne komponente:




senzorskog,
procesorskog,
komunikacionog i
podsistema za
napajanje energijom.
 Struktura multifunkcionalne platforme SN
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Osnovne karakteristike SN i Sink/BS
 Osnovne karakteristike Snod-a su:
 ograničene rezerve energije,
 male cijene izrade,
 visoka integracija elektronskih komponenti i
 mogućnost autonomnog rada bez održavanja.
 Tipični SN uređaji imaju mogućnost prilagođenja okruženju,
relativno malu procesorsku moć i memorijski kapacitet.
 Sink/BS predstavljaju znatno složenije uređaje od SN, većih su
dimenzija i imaju veće mogućnosti obrade podataka i komunikacije.
Osim bežičnog interfejsa za potrebe komunikacije sa senzorskim
čvorovima, Sink/BS posjeduju i interfejse za potrebe umrežavanja sa
spoljnom telekomunikacionom infrastrukturom.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Principi postavljanja i
organizovanje WSN
 Principi postavljanja WSN:
 Slučajno raspoređivanje (najčešće uniformno)
 Plansko raspoređivanje (najčešće, praćenje saobraćaja u
gradovima, industrijske primjene, sigurnosne primjene ).
 Organizacija rada bežične telekomunikacione mreže:
 na način tipičan za ad-hoc WCN (čvorovi mreže uspostavljaju
međusobne veze, organizuju topologiju mreže za potrebe
rutiranja i uspostavljaju mehanizme za dodjelu i kontrolu
pristupa resursima mreže korištenjem odgovarajućih
protokola, bez upotrebe dodatne infrastrukture (npr. baznih
stanica)) .
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Topologije bežičnih senzorskih
mreža
 Adhoc mreže:
 ne postoji centralni čvor, već imamo niz ravnopravnih i
međusobno povezanih čvorova koji komuniciraju između
sebe bez potrebe za postojanjem infrastrukture ili prethodno
definisanih odnosa.
 direktna komunikacija je moguća samo sa onim čvorovima
koji se nalaze u dometu datog čvora.
 Infrastrukturna topologija:
 podrazumijeva postojanje centralnog čvora sa kojim su
povezani svi ostali čvorovi u mreži.
 centralni čvor se naziva još i pristupna tačka (eng.
Accesspoint) i on omogućava komunikaciju čvorova u okviru
mreže, a ujedno predstavlja spregu između bežične i žične
mreže.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Topologije bežičnih senzorskih
mreža
 Peer to Peer mreža
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Primjer mreže Zvijezda(eng. Star)
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Topologije bežičnih senzorskih
mreža
 Stablo mreža
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Mesh mreža
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Topologije bežičnih senzorskih
mreža
 Peer-to-peer mreže omogućavaju čvorovima izravnu komunikaciju s drugim
čvorovima bez potrebe da se ide kroz centralizirani komunikacijski centar.
Svaki Peer uređaj može djelovati i kao "klijent" i kao "poslužitelj" drugim
čvorovima na mreži
 Zvijezda (eng. star) mreže su spojene na centralizirano komunikacijsko
čvorište. Čvorovi u mreži ne mogu izravno komunicirati jedni s drugim, sve
komunikacije moraju biti preusmjerene kroz centralizovano čvorište. Svaki
čvor je"klijenta", dok je središnje čvorište "Server".
 Stablo (eng. Tree) mreže koriste jedan centralni čvor nazvan Root node
(usmjeravajući čvor) kao glavni usmjerivač komunikacije. Stablo mreža može
se smatrati hibridnom mrežom nastalom spajanjem zvjezda i peer to peer
umrežavanja.
 Bežična mesh mreža je specifična peer-to-peer, multi-hop mreža u kojoj su
čvorovi povezani preko redudantnih međuveza i zajednički vrše rutiranje
podataka. Ova vrsta mreža je karakteristična za dinamičke, urbane sredine u
slučajevima gdje je redundancija neophodna, a centraliziranu infrastrukturu je
teško ili čak nemoguće implementirati
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Glavne karakteristike WSN
 Potrošnja struje ograničena je za čvorove te se koriste






baterije
Mogućnost popravke kvara na čvorovima
Mobilnost čvorova
Komunikacija pri kvarovima
Skalabilnost velikih razmjera implementacije
Sposobnost da radi u otežanim uslovima
Jednostavnost upotrebe
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Usporedba bežičnih tehnologija
IEEE 802.15.4 Standard:
•fokusira na male udaljenosti
raspona podataka
•mala brzina prenosa
podataka
•energetska efikasnost
•niska cijena
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
ZigBee
 ZigBee je bežični komunikacioni protokol namjenjen
personalnim mrežama s malom propusnošću i malom
potrošnjom energije.
 Ciljane primjene ZigBee-a su aplikacije koje zahtijevaju:
 umrežavanje velikog broja uređaja,
 prijenos male količine podataka,
 malu potrošnju energije
 visoku sigurnost prijenosa.
 ZigBee se zasniva na IEEE normi 802.15.4, ali se često ova
dva pojma poistovjećuju.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
ZigBee
 ZigBee mreže spadaju u personalne mreže (PAN).
 Svaka mreža ima svoj vlastiti jedinstven identifikator PAN ID.
 ZigBee definiše tri različite vrste uređaja:
 koordinator,
 ruter
 krajnji uređaj
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
ZigBee
 Koordinator– odgovoran je za izbor kanala i PAN ID. Koordinator
započinje kreiranje nove personalne mreže tj. kreira novi PAN. Nakon
toga, koordinator može dozvoliti ruterima i krajnjim uređajima da se
priključe na mrežu. Može slati i primati RF podatke i može asistirati u
rutiranju podataka kroz međusobno povezane, isprepletene (mesh)
mreže. Koordinator nije predviđen za baterijsko napajanje.

 Ruter– prvo se mora priključiti tj. uvezati u ZigBee PAN da bi mogao
da obavlja svoju funkciju. Nakon toga može dozvoliti drugim ruterima i
krajnjim uređajima da se priključe u PAN. Ruter takođe može primati i
slati RF podatke i može rutirati pakete podataka kroz mrežu. Obzirom
da omogućava umrežavanje ostalih rutera i krajnjih uređaja, te da
učestvuje u procesu rutiranja, ruter ne može "spavati" i zato ne treba
biti baterijski napajan.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
ZigBee
 Krajnji uređaj - mora se priključiti u mrežu kao i ruter, ali
krajnji uređaj ne omugućava drugim uređajima da se
priključe na PAN i ne učestvuje u rutiranju podataka kroz
mrežu. Ovi uređaji mogu slati i primati RF podatke.
Najčešće su ovi uređaji baterijski napajani uređaji.
Obzirom da ovi uređaji mogu biti u stanju “spavanja”, ruter
ili koordinator koji je dozvolio ovom uređaju da se priključi
u mrežu mora sve pakete podataka namjenjenih ovom
krajnjem uređaju baferovati i čuvati sve dok se ovaj ne
probudi i ne bude u stanju da primi podatke koji su mu
namjenjeni. Ruter ili koordinator koji dozvoljava krajnjem
uređaju da se veže u mrežu i koji upravlja RF podacima
namjenjenim tom krajnjem uređaju, naziva se “roditelj
krajnjeg uređaja”, a krajnji uređaj je “djete”.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
ZigBee
Neki od dostupnih standarda obuhvaćaju 2,4 GHz radio koji se temelji ili na
IEEE 802.15.4 ili na IEEE 802.11 (Wi-Fi) standardima, koji su obično 900 MHz
 Položaj komunikacijskih kanala bežičnih standarda
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Primjena: Industrijski monitoring
 Praćenje ispravnosti mašine
 Memorisanje podataka
 Industrijska kontrola aplikacija
 Monitoring otpadnih voda
 Agrokultura
 Upravljanje navodnjavanjem
 Staklenici
 Monitoring pametnih kuća
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Raspoređivanje bežične senzorske
mreže u industriji
Primjeri industrijskih aplikacija (naftovodi i rafinerije,
farmaceutske i hemijske kompanije, termoelektrane)
Monitoring veličina (pritisak, jačina struje, sila,
temperatura, korozija, protok, podaci o stanju mašina).
Vodeća aplikacija za industrijske mreže ( za žičane i
bežične) je aplikacija za nadzor i prikupljanje podataka
(SCADA).
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Osnovna arhitektura umreženog
kontrolnog sistema
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Alternative upravljačke hijerarhije
C - kontroler, S - mjerenje, A - aktuator
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Demo sistem za testiranje performansi WSN u
industrijskom okruženju
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
WSN i senzori koji se primjenjuju za praćenje
temperature i pritiska parnog kotla
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Smetnje u industrijskom okruženju
 Višefazno umnožavanje : na jačinu signala može ozbiljno
uticati refleksija od zidova
 Smetnje sa drugih uređaja
 Buka koju stvara oprema i teški uređaji
 Širok opseg radne temperature, jake vibracije i onečišćenja
u zraku
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Primjer pojednostavljenog modela
sistema za monitoring u agrokulturi
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Arduino UNO












Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Mikroprocesor : ATmega328
Frekvencija procesora : 16MHz
Radni napon : 5V
Ulazni napon (preporučeno): 712V
Ulazni napon (ograničeno): 620V
Digitalni I/O pinovi : 14 (od toga
moguće 6 PWM izlaza)
Analogni ulazni pinovi : 6
DC struja za I/O pinove: 40mA
DC struja za 3,3V pin: 50mA
Flash memorija: 32 KB (0,5KB
rezervirano za bootloader)
SRAM: 2KB
EEPROM: 1KB
Arduino Wireless Proto Shield
 Arduino Wireless Shield
omogućava Arduino ploči
da komunicira bežično
koristeći ZigBee.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Xbee modul
 XBee i XBee-PRO RF
moduli omogućavaju
pouzdan prenos podataka
između uređaja čime
podržavaju koncept
bežične senzorske mreže.
 Moduli rade u opsegu radio-
frekventnog spektra bez
posebnih dozvola za potrebe
industrije, naučnih
istraživanja i medicine, u tzv.
ISM 2.4GHz frekventnom
opsegu.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Povezivanje Xbee i Arduino
uređaja preko UART-a
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Povezivanje Xbee i Arduino uređaja
 Čvor sa Arduino i Xbee uređajem
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Primjena: monitoring životnog
okoliša










Monitoring zdravstvene zaštite
Monitoring okoline
Monitoring kvalitete zraka
Unutrašnji monitoring
Vanjski monitoring
Monitoring zagađenja zraka
Detekcija šumskog požara
Sprečavanje prirodnih katastrofa
Monitoring kvaliteta vode
Otkrivanje klizišta
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Primjer: Kooperativni mobilni roboti
 MOTEL (A Mobile Robotic-Assisted Wireless
Sensor Networks Testbed)
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Primjer: Kooperativni mobilni roboti
 MOTEL platforma se sastoji iz:
 FLEXOR, kontroliše fleksibilnu softversku arhitekturu
koja omogućava daljinsko ispravljanje grešaka,
razmjenu i bilježenja podataka sa senzorskih čvorova,
bez potrebe za backchannel.
 MuRobA, multi-robotska arhitektura koja omogućava
planiranje i izvršavanje dobro definisanih scenarija
mobilnosti koja se razlikuju od uobičajenih.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
FLEXOR
Flexor pruža sljedeće funkcionalnosti i sposobnosti
MOTEL-u :
- Funkcija daljinskog upravljanja korisniku
- Parametar promjene pojedinih modula
- Razmjena softverskih modula u radnom vremenu
- Daljinsko ispravljanje grešaka i bilježenje podataka
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
MUROBA
Sastoji se od jedne do nekoliko kamera, koje prate
robote, te ih lociraju pomoću označenih tačkica na vrhu
robota, a FleetManager prati podatke sa svih kamera i
odlučuje o kretanju robota.
Sistemi u realnom vremenu
7_2
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Primjer: Nadzor cijevi u industrijskim objektima
korištenjem biomimetičkih robota
 Utvrđivanje nenormalnih uslova u prenosnim
cijevima u fabričkim postrojenjima
 Koristi se:
 SCADA sistem
 Pokretne tačke posmatranja (roboti), kao dodatak
fiksnim senzorima, koji prikupljaju mjerne podatke
tokom pretraživanja putanje (duž cijevi), a što je
bazirano na real-time lokaciji robota.
Copyright: Lejla BanjanovicMehmedovic
Sistemi u
realnom
vremenu
Nadzor cijevi u industrijskim objektima
korištenjem biomimetičkih robota
 Pogodan oblik robota (inspirisan biološkim živim
svijetom), prilagodljiv na cijevi u fabričkim
uslovima
 Mjerni podaci cijevi se skupljaju i prenose prema
serveru kako bi se ustanovilo isticanje, vibracija ili
temperaturne promjene.
 Kako bi robot izvršio zadatak kao mobilni agent,
robot mora biti u adekvatnom obliku, sa
prikačenim drajverom i interfejsom, sa uključenim
baterijskim pakovanjem
Copyright: Lejla BanjanovicMehmedovic
Sistemi u
realnom
vremenu
Struktura hvataljke cijevnog robota

Integracija svih funkcijskij jedinica na
mikrokontrolersku platformu cjevnog robota
Sistemi u realnom vremenu

Struktura hvataljke cjevnog robota
Copyright: Lejla Banjanovic-Mehmedovic
Nadzor cijevi u industrijskim objektima
korištenjem biomimetičkih robota
 Neophodan server za izvještavanje o tačnoj lokaciji robota i
neophodna međusobna komunikacija
 U cilju proračuna lokacije mobilnog robota, koriste se
fiksne mjerne tačke označene sa RF trakama. One daju
koordinate, koje pomažu robotu da se locira, kada se kreće
konstantnom brzinom dok skuplja i šalje podatke. Ovo je
omogućeno proračunom distance između RF trake i
robota, korištenjem ukupnog vrmena koje je potrebno
robotu za kretanje, isključijući vrijeme dok robot miruje.
Copyright: Lejla BanjanovicMehmedovic
Sistemi u
realnom
vremenu
Download

Bežične senzorske mreže - Vanr.prof.dr. Lejla Banjanović