فهرست

چكیده
شبکه‎های حسگر بی‎سیم از گره‎های کوچکی با قابلیت‎های حس‎کردن، پردازش و محاسبه کردن تشکیل‎ شده ‎است. پیشرفت‎های اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازه‎های کوچک از یکسو و توسعه فناوری ارتباطات بی‎سیم از سوی دیگر زمینه‎ساز طراحی شبکه‎های حس/کار بی‎سیم شده است. یکی از کاربردهای اساسی این شبکه‎ها مربوط به محیط‎هایی می‎شود که انسان نمی ‎تواند در آن حضور داشته باشد، مانند کف اقیانوس‎ها یا محیط‎های نظامی به علت حضور دشمن و یا محیط‎های آلوده از نظر شیمیایی و هسته‎ای. کوچکترین نمونه پیاده‎سازی سخت‎افزاری گره‎های حسگر غبار هوشمند است که یک گره یک میلیمتر مکعبی است اما همچنان تلاش بر این است که این گره‎ها به قدری کوچک شوند که بتوانند معلق در هوا باقی بمانند و به وسیله جریان هوا شناور شوند و برای ساعت‎ها یا روزها موارد حس‎شده را ارسال نمایند. امنیت در برخی کاربردهای نظامی یک موضوع بحرانی است، مثلاً ارتباط بی‎سیم شبکه کار را برای فعالیت‎های امنیتی دشوارتر می‎نماید. همچنین در این مقاله سعی می‎گردد تا با بررسی مدل‎ها و روش ‎های به کار رفته به یک تحلیل جامع در خصوص کاربرد این شبکه‎ها دست یابیم.

كلمات كلیدی

شبکه حس/کار بی‎سیم، حسگر، کارانداز، گره، چاهک، گره مدیر وظیفه 

مقدمه

امروزه زندگی بدون ارتباطات بی­سیم قابل تصور نیست. پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارهای کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارهای بی­سیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروز ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریزحسگرها شده است. این ریزحسگرها توانایی انجام حس‎های بی­شمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حس‎کردن زلزله را دارا می‎باشند. همچنین جمع‎آوری اطلاعات در مناطق دور افتاده و مکان‎هایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کرده‌اند. اتومبیل‎ها می ‎توانند از ریزحسگرهای بی ‎سیم برای کنترل وضعیت موتور، فشار تایرها، تراز روغن و . . . استفاده کنند. خطوط مونتاژ می ‎توانند از این حسگرها برای کنترل فرایند مراحل طول تولید استفاده کنند. در موقعیت‎های راهبردی ریزحسگرها می ‎توانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای ردگیری هدف (مانند ماشین یا انسان) استفاده شوند. در واقع تفاوت اساسی این شبکه‎ها ارتباط آن با محیط و پدیده‎های فیزیکی است. شبکه‎های سنتی ارتباط بین انسان‎ها و پایگاه‎های اطلاعاتی را فراهم می‎کند در حالی که شبکه حس/کار مستقیماﹰ با جهان فیزیکی در ارتباط است و با استفاده از حسگرها محیط فیزیكی را مشاهده کرده و بر اساس مشاهدات خود تصمیم‎گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می‎دهند. نام شبكه حس/كار بی ‎سیم یك نام عمومی است برای انواع مختلف كه به منظورهای خاص طراحی می‎شود. برخلاف شبكه‎های سنتی كه همه منظوره‎اند شبكه‎های حس/كار نوعاً تك منظوره هستند. در هر صورت شبکه‎های حسگر در نقاط مختلفی کاربرد دارند. برخی از این کاربردها عبارتند از صنایع نظامی مانند ردگیری اشیاء، بهداشت مانند کنترل علائم حیاتی، محیط مانند آنالیز زیستگاه‎های طبیعی، مصارف صنعتی از جمله عیب یابی خط تولید، سرگرمی و بازی‎های مجازی و در مواردی در زندگی دیجیتالی به طور مثال ردگیری مکان پارک ماشین.

در این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگی‎ها، قابلیت‎ها، محدودیت‎ها و برخی کاربردهای آن به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می‎پردازیم. در بخش دوم مقاله معرفی از شبکه حسگر و برخی ویژگی‎های آن خواهیم داشت. در بخش سوم تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می‎کنیم. سپس در بخش چهارم ساختمان داخلی گره حسگر/کارانداز را تشریح کرده و برخی از ویژگی‎ها، کاربردها و پشته قراردادی آن را بررسی می‎کنیم. در ادامه موضوعات مطرح در طراحی شبکه‎های حس/کار را به‌طور خلاصه ذکر می‎کنیم و در بخش ششم به شناخت و بررسی نمونه پیاده‎سازی‎شده شبکه حس/کار (ذره میکا) می‎پردازیم. در ابتدای بخش هفتم نرم‎افزارهای شبیه‎سازی شبکه را بررسی می‎کنیم و سپس خصوصیات لازم برای شبیه‎سازهای شبکه را مورد مطالعه قرار می‎دهیم. در بخش هشتم شرح می‎دهیم که چطور مدل‎هایی از شبکه‎های حسگر بی‎سیم را ایجاد می­کنند و برای مثال یک مدل پیش‎ساخته را اجرا می‎کنیم. در ادامه در بخش نهم گزارش نمونه­هایی از پیاده­سازی وایجاد گره­های حسگر شرح داده شده است. در بخش دهم برخی نمونه‎های ایجاد شده توسط نرم‎افزارها را مورد بررسی قرار می‎دهیم و در انتها نیز به نتیجه‎گیری مطالب گفته‎شده خواهیم پرداخت.

تاریخچه شبکه‌های حسگر بیسیم

فناوری شبکه‌های حسگر[1] یکی از فناوریهای کلیدی برای آینده است، به گونه‌ای که میتوان آن را پراهمیت‌ترین فناوری‌ها برای قرن 21 دانست. یک شبکه حسگر، ساختاری متشکل از اجزای حس کننده، محاسبه کننده و مخابراتی است که به یک مدیر، اجازه مشاهده و تنظیم مشاهدات را می‌دهد و همچنین عکس‌العمل نشان دادن در برابر رویدادهایی که در یک ناحیه مشخص اتفاق می‌افتد را ساده‌تر مي‌سازد. منظور از مدیر، نوعاً میتواند یک هویت اجتماعی، دولتی، تجاری و یا صنعتی باشد. ناحیه مورد نظر می‌تواند جهان فیزیکی، یک سیستم بیولوژیکی و یا یک چارچوب خاص تکنولوژی اطلاعات باشد. سیستم‌های حسگر شبکه شده، امروزه به صورت یک تکنولوژی بسیار مهم که در سالهای آینده آرایشهای مختلفی را تجربه خواهند کرد قابل بررسی برای کاربران خواهند بود . کاربردهای نوعی این نوع از حسگرها شامل جمع آوری داده، کنترل، نظارت و انجام اندازه‌گیریهای مختلف است. تجهیزات ارزان قیمت و هوشمند، همراه با چندین حسگر بر روی یک برد، که از طریق لینکهای بیسیم با یکدیگر شبکه‌ای را تشکیل داده‌اند امکانات و فرصتهای بسیاری را در مدیریت و کنترل شهرها، خانه‌ها و حتی محیطهای پیرامون در اختیارمان قرار می‌دهند. علاوه بر این، شبکه‌های حسگر در مسائل دفاعی و نظامی، مانند بررسی امکانات دشمن و نظارت بر اعمال و رفتار آنها امکانات فراوانی را در اختیار ما قرار می‌دهند.

حسگرهای هوشمند میتوانند در هوا، در زمین، زیر آب، در داخل وسائل نقلیه و حتی در داخل ساختمانها نیز به کار برده شوند. یک سیستم از حسگرهای شبکه شده میتواند برای تشخیص و ردگیری رفتارها (مانند وسائل نقلیه بالدار و چرخدار، اشخاص و عوامل شیمیایی و یا بیولوژیکی)، هدفگیری به کمک سلاحهای پیشرفته و جلوگیری از نفوذ عوامل دشمن استفاده شود .

از جمله کاربردهای متداول شبکه‌های حسگر، می‌توان به مقاصد نظامی، امنیت فیزیکی، کنترل ترافیک هوایی، نظارت ترافیکی، اتوماسیون صنعتی، روبوتها، حفاظت از بناها، کنترل و مدیریت شرایط بحرانی و تحقیقات در حیات جانداران اشاره کرد. ساختار شبکه و نوع حسگرهای به کار رفته بر حسب کاربرد این شبکه‌ها متفاوت خواهد بود.

فناوری به کار رفته در این شبکه‌ها برگرفته از تحقیقات انجام شده در فناوری حس کردن، ارتباطات و محاسبات ( شامل سخت افزار، نرم افزار و الگوریتمها) است. از این رو، معایب و مزایای برخاسته از این فناوریها، تحقیقات و پیشرفت فناوری شبکه‌های حسگر را تحت تاثیر قرار خواهد داد. از جمله شبکه‌هایی که اخیراُ در دنیا استفاده شده میتوان شبکه‌های راداری استفاده شده در کنترل ترافیک هوایی و شبکه‌های توزیع نیروی برق را نام برد. این شبکه‌ها قبل از این که از شبکه‌های حسگر در ساختار خود استفاده کنند از رایانه‌ها و امکانات مخابراتی مخصوصی استفاده می‌کردند.

مشابه اغلب فناوریهای دیگر، کاربردهای نظامی محرک اصلی برای تحقیقات و توسعه در زمینه شبکه‌های حسگر بوده است. تاریخچه پیدایش شبکه‌های حسگر بی‌سیم(WSN) ^[2] را می‌توان به صورت چهار فاز جدا در نظر گرفت. این چهار فاز به صورت مختصر در زیر آمده‌اند.

فاز اول، شبکه‌های حسگر نظامی دوران جنگ سرد است. در دوران جنگ سرد سیستم ارزیابی صوتی ^[3] (SOSUS)، سیستمی متشکل از حسگرهای صوتی در زیر اقیانوسها برای آشکارسازی و ردیابی زیردریایی‌های کشور شوروی به کار گرفته شد. پس از آن سالها نیز، همچنان شبکه‌های پیچیده صوتی برای کنترل و ردگیری زیردریایی‌ها استفاده می‌شد. سیستم SOSUS، هم اکنون نیز برای سازمانهایی که در زمینه اقیانوس‌شناسی و مدیریت هوایی فعالیت دارند، برای کنترل فعالیتهای زمین لرزه‌ای در داخل اقیانوسها و یا بررسی رفتار موجودات داخل آنها به کار گرفته می‌شوند. همچنین در طول جنگ سرد، شبکه‌های مربوط به رادارهای دفاع هوایی بهینه‌سازی شده و برای دفاع از ایالات متحده و کانادا استفاده شدند. شبکه‌هایی با ساختار سلسله مراتبی[4] (پردازش در سطوح متوالی و انتقال اطلاعات از عامل به وجود آورنده آن به دست کاربر ) رشد کردند و در بیشتر موارد، عامل انسانی نقش اساسی و کلیدی در سیستم‌ها ایفا می‌کرد(پردازش سیگنالهای صوتی، تغییر اطلاعات و ترکیب آنها).

فاز دوم، ابتکارات مرکز پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی[5]   (DARPA)بود. انگیزه اصلی برای تحقیق پیشرفته بر روی شبکه‌های حسگر، در اوائل سال 1980 و به وسیله برنامه‌هایی که به وسیله DARPA، حمایت شدند به‌وجود آمد. در این زمان، آرپانت (نسل اولیه اینترنت فعلی) با دویست میزبان در دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی استفاده می‌شد و آر. کان[6][6] (بنیانگذار پروتکل TCP/IP) مدیر سازمان فنون پردازش اطلاعات در DARPA بود. او می‌خواست بداند که آیا میتوان روش آرپانت را به شبکه‌های حسگر کشاند. در آن زمان چنین ایده‌ای با نبودن کامپیوترهای شخصی و ایستگاههای کاری، پردازش ضعیف و انتقال اطلاعات با سرعت پایین یک فکر جاه‌طلبانه به شمار می‌آمد. در واقع یکی از برنامه‌هایDARPA ، در آن زمان آن بود که شبکه‌های حسگر توزیع شده را به صورت گره‌های حسگر توزیع شده‌ای که بسیار کم هزینه هستند و می‌توانند در یک حالت اشتراکی و به صورت خودگردان کار کنند به‌ کار گیرند. در حقیقت این اهداف تقریباً همان چیزهایی بود که امروزه برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم انتظار داریم.

تجهیزات برای شبکه حسگر پخش شده در سال 1978 معرفی شدند. این تجهیزات شامل حس کننده‌ها ( اغلب صوتی)، ارتباطی، روشهای پردازش و الگوریتمها ( شامل الگوریتمهای مکان‌یابی برای حس کننده‌ها) و نرم افزارهای پخش شده  (قابل تغییر به طور دینامیکی بر روی سیستمها و زبانهای برنامه‌نویسی) بودند. به دلیل آن که در آن زمان، DARPA قویترین حمایت کننده تحقیقات هوش مصنوعی  بود، بازار فروش محصولات بیشتر در این زمینه فعال بود (آشکارسازی سیگنال و روشهای حل مسائل به صورت گسترده) . به دلیل فقر امکانات و فناوری، برنامه شبکه‌های حسگر پخش شده مجبور شد با کمک روش محاسبات گسترده، پردازش سیگنال، ردگیری و محل آزمایش موجود حل شود.

تحقیقات در دانشگاه کارنجی ملون و پترزبورگ بر روی تهیه نرم‌افزاری که دارای قابلیت انعطاف و استفاده از منابع گسترده مورد نیاز برای مقاومت در برابر خرابی در شبکه‌های حسگر پخش شده باشد، متمرکز شد. آنها یک سیستم عامل به نام ACCENT تولید کردند که در آن امکاناتی از قبیل انتقال در شبکه، امکان بنا کردن دوباره سیستم و نوسازی شبکه وجود داشت . ��این سیستم عامل، سیستم عامل MACH را تکمیل کرد و از این رو توانست حالت تجاری به خود بگیرد. از کارهای دیگر این مرکز تحقیقات می‌توان به وجود آوردن پروتکلهایی برای ایجاد ارتباط جهت پردازش داخلی در شبکه برای حمایت از نوسازی دینامیکی محاسبات مربوط به ارتباط فعال، ساخت زبان مخصوص واسط برای ساختن نرم افزار سیستم پخش شده و یک سیستم برای به وجود آوردن تعادل در بار دینامیکی و اصلاح خطا در نرم افزار شبکه پخش شده بود. در آن زمان تمامی این کارها به وسیله محیط آزمایش داخلی با منابع سیگنال، حس کننده‌های صوتی و کامپیوترهای VAX که بوسیله اترنت به یکدیگر وصل بودند مورد ارزیابی قرار می‌گرفت.

محققین دانشگاه ماساچوست، تلاش خود را بر روی روشهای پردازش سیگنال هوشمند، برای چرخبال‌های ردگیر با استفاده از آرایه‌های پخش شده‌ای از میکروفن‌های صوتی و به کمک تجهیزاتی که از روشهای تطبیق و خلاصه سازی ( حذف اطلاعات جزئی در سطوح پایین سیگنال و استفاده از سطوح بالاتر سیگنال یا قله سیگنال) بهره می‌گرفتند، متمرکز کرده بودند. آنها ساختاری مفهومی برای تفکر درباره سیستمهای پردازش سیگنال با الهام از آنچه که سیگنالهای دنیای واقعی را انسان به صورت داخلی، پردازش و تفسیر می‌کند تهیه کردند. با کمک تجربیات مدل انسانی، روشی برای افزایش بهره سیگنال به نویز در محیطهای پر نویز ساخته شد. علاوه بر این MIT، زبان پردازش سیگنال و محیط محاسبه میان- کنشی برای آنالیز داده در این شبکه‌ها و بهسازی الگوریتم را به وجود آورد.

در ادامه این پیشرفتها مشخص شد که ردگیری اهداف چندگانه در محیطهای گسترده به طور کامل از ردگیری متمرکز شده سخت‌تر است. استفاده از اندازه‌گیری برای ردیابی و به دست آوردن مشخصات اهداف ( محل و سرعت) نیاز به شبکه‌های حسگر را به وجود آورد. در دهه 1980، مرکز سیستمهای هوشمند پیشرفته در ایالات متحده برای مسائل و مشکلات به وجود آمده از قبیل تعداد بالای اهداف که پس از پیداشدن بنا به دلائلی گم می‌شوند و هشدارهای دروغین، الگوریتمهایی را به وجود آورد. اکنون ردگیری چند-فرضیه‌ای یکی از روشهای استاندارد برای مسائل ردگیری مشکل است. این الگوریتم برای ردگیری هواپیمایی که در ارتفاع کم پرواز می‌کرد اجرا شد و نتیجه خوبی را از خود نشان داد. به طوری که نمایش محل پرواز هواپیما، به وسیله حس‌کننده‌های صوتی همانند نمایش آن در نمایشگر رادار بود. از آزمایشات دیگری که برای اثبات درستی برنامه شبکه‌های حسگر استفاده شد، مسئله ردگیری وسائل نقلیه متحرک و کنترل گره‌های محلی بود.

فاز سوم، کاربردهای نظامی توسعه یافته و آرایش یافته در سالهای 1980 و 1990 (این میتواند نسل اول محصولات تجاری خوانده شود) بود. با وجود اینکه محققان شبکه‌های حسگر فعالیتهای بسیاری انجام می‌دادند، اما هنوز فناوری برای این شبکه‌ها به صورت کامل آماده نبود. بر اساس نتایج به دست آمده‌ی تحقیقات بر روی شبکه‌های حسگر توزیع شده به وسیله DARPA، طراحان نظامی به دلیل اهمیت این شبکه‌ها در میدان رزم، در سالهای 1980 و 1990 به منظور پذیرفتن تکنولوژی شبکه حسگر شروع به کار کردند و آن را به عنوان یک جز کلیدی در جنگهای شبکه-مرکز مد نظر قرار دادند. در محیطهای جنگی سنتی (قدیمی)، هر بخشی سلاح‌هایش را به صورتی نسبتاً مستقل مالک می‌شود اما در جنگهای شبکه-مرکز، سلاح‌ها الزاماً وابسته به یک بخش ویژه نیستند، بلکه در عوض از طریق به‌کارگیری حسگرهای توزیع‌شده، سیستمهای سلاحی و بخش‌های مختلف با هم و بر روی یک شبکه حسگر مشارکت کرده و اطلاعات به طرف گره مناسب فرستاده می‌شود. مثالهایی از شبکه‌های حسگر در پهنه نظامی، شامل آرایه‌های حسگر آکوستیکی برای ضد حملات زیر‌دریایی در جنگها و همچنین سیستم حسگر جنگی از راه دور و سیستم‌های حسگر تاکتیکی از راه دور می‌باشند. در این زمان می‌توانستند از شبکه‌های حسگر، برای بالابردن دقت در ردگیری و روشهای هندسی مختلف، افزایش دامنه آشکارسازی و کاهش زمان پاسخ دهی استفاده کنند. از طرف دیگر هزینه توسعه نیز به دلیل استفاده از شبکه‌های تجاری موجود پایین بود.

فاز چهارم، تحقیقات بر روی شبکه‌های حسگر در قرن بیست و یکم (این میتواند نسل دوم محصولات تجاری خوانده شود) است. پیشرفت‌های به‌وجود آمده در زمینه‌های مخابراتی و محاسباتی که در اواخر سال‌های 1990 و اوائل سال 2000 به‌دست آمد تحقیقات در مورد شبکه‌های حسگر را متحول کرده و آن را به اهداف نهایی خود نزدیک نموده است. حس کننده‌های کوچک و ارزان قیمت ساخته شده بر اساس فناوری سیستمهای میکرو‌الکترومکانیکی، شبکه بندی بیسیم و پردازشگرهای کم مصرف و ارزان قیمت اجازه می‌دهند تا از شبکه‌های بیسیم موردی برای مقاصد گوناگون استفاده کنیم. به همین دلیل محققان نیز برنامه جدیدی را بر روی شبکه‌های حسگر بر اساس پیشرفتهای موجود شروع کرده و روشهای جدید در شبکه بندی را توسعه داده اند، که از جمله این اقدامات میتوان به جاگذاری سریع حسگرها به صورت ادهاک و تطبیق شبکه‌ها در محیطهای مختلف اشاره کرد. اقدام بعدی آنها در زمینه پردازش اطلاعات بود، یعنی اینکه چگونه میتوان اطلاعات را از شبکه حسگر به شکل مناسب، واقعی و در زمان مناسب استخراج کرد.