Архитектура беспроводных информационно-измерительных сетей

Если упустить из рассмотрения создание соединений точка – точка и простых одноранговых сетей (один – ко многим), то обычно подразумевается наличие трех типов узлов.

Первый условно называется мастером, в англоязычной литературе часто используется термин "sink" (сток, пункт сбора информации, место, куда стекается информация с датчиков) или "base station" (базовая станция). В каждой сети может быть только один узел-сток. Второй тип узлов – датчик ("sensor"), таких узлов может быть достаточно много (от нескольких единиц до сотен тысяч), их количество зависит от требуемой зоны покрытия, радиуса действия связи, конфигурации и режима работы сети, периода опроса датчиков, специфики решаемой задачи и других факторов. Третий тип узла – ретранслятор ("router", маршрутизатор). Возможно также существование узлов смешанных типов (мастер-датчик и ретранслятор-датчик).

Узлы определенного типа выполняют свою специфическую задачу. Узел-датчик измеряет некоторый физический параметр (температуру, давление, влажность, параметры вибраций различных механизмов, освещенность и т.д.) и передает эту информацию в пакетном режиме узлу-стоку либо напрямую, либо через цепочку ретрансляторов, соединения между которыми формируют остов сети ("backbone"). В задачу ретранслятора входит перенаправление пакетов с данными от источников до узла-стока (возможно, с использованием компрессии или агрегации данных).

При этом, как правило, пункт сбора подключен к компьютеру, на котором может осуществляться обработка данных, требующая значительных вычислительных мощностей, а также их визуализация, накопление и передача через глобальные сети конечным пользователям сети датчиков. В состав узла-датчика входят 4 компонента – источник питания, собственно датчик в связке с преобразователем сигнала в цифровую форму, вычислительный блок (микроконтроллер) и приемопередатчик. Иногда в состав узла-датчика может быть включен модуль определения географических координат (например, GPS), а также специфические модули, например модуль, позволяющий датчику перемещаться в пространстве ("mobilizer").

При проектировании информационно-измерительных систем на основе беспроводных сетей датчиков нужно учитывать ряд их особенностей.

Во-первых, зачастую топология сети и местоположение датчиков не являются детерминированными. Например, датчики могут быть сброшены с самолета. Во-вторых, датчики, маршрутизаторы и пункт сбора могут быть мобильными.

Эти два обстоятельства приводят к требованию наличия механизмов самоконфигурирования (самоорганизации) сети, в частности необходимо, как минимум, находить маршруты от датчиков к пункту сбора в условиях изменения количества узлов, их положений и т.п. Под маршрутом понимается совокупность маршрутизаторов, через которые данные от того или иного датчика приходят на пункт сбора информации.

В-третьих, более остро, по сравнению с проводными сетями, стоит проблема организации доступа к среде передачи: если на узел приходят одновременно два сигнала от двух других узлов (коллизия сигналов), то в большинстве случаев этот узел не сможет принять ни тот, ни другой сигнал. Кроме того, в случае беспроводных сетей возрастает вредоносное влияние помех, проявляющееся в уменьшении вероятности безошибочного приема сигнала. Таким образом, устройства дол­жны самостоятельно определять, когда они имеют право начать передачу.

Наконец, существенное влияние на выбор аппаратуры, алгоритмов маршрутизации и т.п. при разработке беспроводных сетей датчиков оказывает то обстоятельство, что узлы могут быть сильно ограничены в ресурсах, что и имеет место на практике в подавляющем большинстве случаев. Среди этих ресурсов первым по значимости, пожалуй, является запас энергии. Поэтому в аппаратуре сети и алгоритмах ее функционирования должны быть предусмотрены механизмы экономии энергии. Например, можно предусмотреть подпитку от преобразователей световой энергии в электрическую. Также можно, если позволяет решаемая задача, предусмотреть периоды, когда датчики находятся в неактивном состоянии, то есть у них выключены и приемопередатчик, и вычислительное устройство.

Далее, узлы-датчики не могут быть дорогими – в противном случае потеряется экономия на реализации проводной инфраструктуры. Поэтому микроконтроллеры, входящие в состав узла, обладают более чем скромными вычислительными мощностями. Так, для программного кода доступно порядка нескольких десятков килобайт флэш-памяти, а для данных – порядка 0.5–4 килобайт ОЗУ (имеются в виду микроконтроллеры с так называемой "гарвардской" архитектурой, например семейство AVR от Atmel). Понятно, что такие ограничения по ресурсам не могут не сказываться на функциональных возможностях узлов – следует тщательно отбирать алгоритмы работы узлов и оптимизировать код.