Sensorknoten - Sensor node

Die typische Architektur des Sensorknotens.

Ein Sensorknoten , auch als Mote bekannt (hauptsächlich in Nordamerika ), ist ein Knoten in einem Sensornetzwerk , der in der Lage ist, einige Verarbeitungen durchzuführen, sensorische Informationen zu sammeln und mit anderen verbundenen Knoten im Netzwerk zu kommunizieren. Ein Mote ist ein Knoten, aber ein Knoten ist nicht immer ein Mote.

Geschichte

Obwohl drahtlose Sensorknoten seit Jahrzehnten existieren und für so unterschiedliche Anwendungen wie Erdbebenmessungen in der Kriegsführung verwendet werden, geht die moderne Entwicklung kleiner Sensorknoten auf das Smartdust- Projekt von 1998 und das NASA- Sensor-Web zurück. Eines der Ziele des Smartdust-Projekts war die Schaffung autonome Erfassung und Kommunikation innerhalb eines Kubikmillimeters Raum. Obwohl dieses Projekt früh endete, führte es zu vielen weiteren Forschungsprojekten. Dazu gehören große Forschungszentren in Berkeley NEST und CENS. Die an diesen Projekten beteiligten Forscher haben den Begriff Mote so geprägt , dass er sich auf einen Sensorknoten bezieht. Der äquivalente Begriff im NASA Sensor Webs Project für einen physischen Sensorknoten lautet pod , obwohl der Sensorknoten in einem Sensor Web selbst ein anderes Sensor Web sein kann. Physikalische Sensorknoten konnten ihre Fähigkeiten in Verbindung mit dem Moore'schen Gesetz verbessern . Der Chip-Footprint enthält komplexere Mikrocontroller mit geringerer Leistung . Somit kann bei gleichem Knoten-Footprint mehr Silizium-Fähigkeit darin gepackt werden. Heutzutage konzentrieren sich Motes darauf, die längste Funkreichweite (Dutzende von Kilometern), den niedrigsten Energieverbrauch (einige uA) und den einfachsten Entwicklungsprozess für den Benutzer bereitzustellen.

Komponenten

Die Hauptkomponenten eines Sensorknotens sind ein Mikrocontroller , ein Transceiver , ein externer Speicher , eine Stromquelle und ein oder mehrere Sensoren .

Regler

Die Steuerung führt Aufgaben aus, verarbeitet Daten und steuert die Funktionalität anderer Komponenten im Sensorknoten. Während der gebräuchlichste Controller ein Mikrocontroller ist , können andere Alternativen als Controller verwendet werden: ein Allzweck- Desktop- Mikroprozessor , digitale Signalprozessoren , FPGAs und ASICs . Ein Mikrocontroller wird häufig in vielen eingebetteten Systemen wie Sensorknoten verwendet, da er kostengünstig ist, flexibel mit anderen Geräten verbunden werden kann, einfach zu programmieren ist und nur wenig Strom verbraucht. Ein Allzweck-Mikroprozessor hat im Allgemeinen einen höheren Stromverbrauch als ein Mikrocontroller, daher wird er häufig nicht als geeignete Wahl für einen Sensorknoten angesehen. Digitale Signalprozessoren können für drahtlose Breitbandkommunikationsanwendungen ausgewählt werden , aber in drahtlosen Sensornetzwerken ist die drahtlose Kommunikation oft bescheiden: Das heißt, die Modulation ist einfacher, einfacher zu verarbeiten und die Signalverarbeitungsaufgaben der tatsächlichen Datenerfassung sind weniger kompliziert. Daher sind die Vorteile von DSPs für drahtlose Sensorknoten normalerweise nicht von großer Bedeutung. FPGAs können je nach Bedarf neu programmiert und konfiguriert werden. Dies kostet jedoch mehr Zeit und Energie als gewünscht.

Transceiver

Sensorknoten nutzen häufig das ISM-Band , das freies Radio , Frequenzzuweisung und globale Verfügbarkeit bietet . Die möglichen Auswahlmöglichkeiten für drahtlose Übertragungsmedien sind Hochfrequenz (RF), optische Kommunikation (Laser) und Infrarot . Laser benötigen weniger Energie, benötigen jedoch eine Sichtverbindung für die Kommunikation und reagieren empfindlich auf atmosphärische Bedingungen. Infrarot, wie Laser, braucht keine Antenne , aber es ist in seiner begrenzten Sendekapazität. Die hochfrequenzbasierte Kommunikation ist für die meisten WSN-Anwendungen am relevantesten. WSNs verwenden in der Regel lizenzfreie Kommunikationsfrequenzen: 173, 433, 868 und 915 MHz ; und 2,4 GHz . Die Funktionalität von Sender und Empfänger wird in einem einzigen Gerät kombiniert, das als Transceiver bezeichnet wird . Transceivern fehlen häufig eindeutige Kennungen. Die Betriebszustände sind Senden, Empfangen, Leerlauf und Ruhezustand. Transceiver der aktuellen Generation verfügen über integrierte Zustandsautomaten , die einige Vorgänge automatisch ausführen.

Die meisten Transceiver, die im Leerlaufmodus arbeiten, haben einen Stromverbrauch, der fast dem im Empfangsmodus verbrauchten Strom entspricht. Daher ist es besser, den Transceiver vollständig herunterzufahren, als ihn im Leerlaufmodus zu belassen, wenn er nicht sendet oder empfängt. Beim Umschalten vom Ruhemodus in den Sendemodus wird eine erhebliche Menge an Strom verbraucht, um ein Paket zu übertragen.

Externer Speicher

Aus energetischer Sicht sind die relevantesten Speicherarten der On-Chip-Speicher eines Mikrocontrollers und der Flash-Speicher - Off-Chip- RAM wird selten, wenn überhaupt, verwendet. Flash-Speicher werden aufgrund ihrer Kosten und Speicherkapazität verwendet. Der Speicherbedarf hängt stark von der Anwendung ab. Zwei Kategorien von Speicher, die auf dem Zweck der Speicherung basieren, sind: Benutzerspeicher, der zum Speichern von anwendungsbezogenen oder persönlichen Daten verwendet wird, und Programmspeicher, der zum Programmieren des Geräts verwendet wird. Der Programmspeicher enthält auch Identifikationsdaten des Geräts, falls vorhanden.

Energiequelle

Ein drahtloser Sensorknoten ist eine beliebte Lösung, wenn es schwierig oder unmöglich ist, eine Netzversorgung für den Sensorknoten herzustellen. Da sich der drahtlose Sensorknoten jedoch häufig an einem schwer erreichbaren Ort befindet, kann ein regelmäßiger Batteriewechsel kostspielig und unpraktisch sein. Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung eines drahtlosen Sensorknotens ist die Sicherstellung, dass immer genügend Energie zur Verfügung steht, um das System mit Strom zu versorgen. Der Sensorknoten verbraucht Strom zum Erfassen, Kommunizieren und Verarbeiten von Daten. Für die Datenkommunikation wird mehr Energie benötigt als für jeden anderen Prozess. Die Energiekosten für die Übertragung von 1 KB in einer Entfernung von 100 Metern sind ungefähr die gleichen wie die, die für die Ausführung von 3 Millionen Befehlen durch einen 100 Millionen Befehle pro Sekunde / W-Prozessor verwendet werden. Die Energie wird entweder in Batterien oder Kondensatoren gespeichert. Sowohl wiederaufladbare als auch nicht wiederaufladbare Batterien sind die Hauptstromquelle für Sensorknoten. Sie werden auch nach elektrochemischem Material klassifiziert, das für die Elektroden verwendet wird, wie NiCd (Nickel-Cadmium), NiZn (Nickel-Zink), NiMH (Nickel-Metallhydrid) und Lithium-Ionen . Stromsensoren können ihre Energie aus Sonnenquellen , Hochfrequenz (RF), Temperaturunterschieden oder Vibrationen erneuern . Zwei Energiesparrichtlinien sind Dynamic Power Management (DPM) und Dynamic Voltage Scaling (DVS). DPM spart Strom, indem Teile des Sensorknotens heruntergefahren werden, die derzeit nicht verwendet werden oder aktiv sind. Ein DVS-Schema variiert die Leistungspegel innerhalb des Sensorknotens in Abhängigkeit von der nicht deterministischen Arbeitslast. Durch Variieren der Spannung zusammen mit der Frequenz ist es möglich, eine quadratische Reduzierung des Stromverbrauchs zu erzielen.

Sensoren

Sensoren werden von drahtlosen Sensorknoten verwendet, um Daten aus ihrer Umgebung zu erfassen. Es handelt sich um Hardwaregeräte, die eine messbare Reaktion auf eine Änderung eines physischen Zustands wie Temperatur oder Druck erzeugen. Sensoren messen physikalische Daten des zu überwachenden Parameters und weisen spezifische Eigenschaften wie Genauigkeit, Empfindlichkeit usw. auf. Das von den Sensoren erzeugte kontinuierliche analoge Signal wird von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert und zur weiteren Verarbeitung an Steuerungen gesendet. Einige Sensoren enthalten die erforderliche Elektronik, um die Rohsignale in Messwerte umzuwandeln, die über eine digitale Verbindung (z. B. I2C, SPI) abgerufen werden können, und viele konvertieren in Einheiten wie ° C. Die meisten Sensorknoten sind klein, verbrauchen wenig Energie, arbeiten mit hohen Volumendichten, sind autonom und unbeaufsichtigt und passen sich der Umgebung an. Da drahtlose Sensorknoten normalerweise sehr kleine elektronische Geräte sind, können sie nur mit einer begrenzten Stromquelle von weniger als 0,5 bis 2 Amperestunden und 1,2 bis 3,7 Volt ausgestattet werden.

Sensoren werden in drei Kategorien eingeteilt: passive, omnidirektionale Sensoren; passive Schmalstrahlsensoren; und aktive Sensoren. Passive Sensoren erfassen die Daten, ohne die Umgebung durch aktives Abtasten zu manipulieren. Sie sind autark; Das heißt, Energie wird nur benötigt, um ihr analoges Signal zu verstärken. Aktive Sensoren prüfen aktiv die Umgebung, beispielsweise einen Sonar- oder Radarsensor, und benötigen kontinuierliche Energie von einer Stromquelle. Schmalstrahlsensoren haben ähnlich wie eine Kamera einen genau definierten Begriff für die Messrichtung. Omnidirektionale Sensoren haben keine Ahnung von der Richtung, die an ihren Messungen beteiligt ist.

Die meisten theoretischen Arbeiten zu WSNs setzen die Verwendung passiver, omnidirektionaler Sensoren voraus. Jeder Sensorknoten hat einen bestimmten Abdeckungsbereich, für den er die bestimmte beobachtete Menge zuverlässig und genau melden kann. Verschiedene Quellen für den Stromverbrauch von Sensoren sind: Signalabtastung und Umwandlung physikalischer in elektrische Signale, Signalkonditionierung und Analog-Digital-Wandlung. Die räumliche Dichte der Sensorknoten im Feld kann bis zu 20 Knoten pro Kubikmeter betragen.

Siehe auch

Verweise