現在、 WSN（ワイヤレスセンサーネットワーク）は、プロセッサ、通信、および組み込みコンピューティングデバイスの低電力使用における技術開発のため、商用および産業用アプリケーションで採用されている最も標準的なサービスです。ワイヤレスセンサーネットワークアーキテクチャは、温度、湿度、圧力、位置、振動、音などの周囲を監視するために使用されるノードで構築されています。これらのノードは、スマート検出などのさまざまなタスクを実行するためにさまざまなリアルタイムアプリケーションで使用できます。隣接ノードの検出、データ処理とストレージ、データ収集、ターゲットトラッキング、監視と制御、同期、ノードのローカリゼーション、およびベースステーションとノード間の効果的なルーティング。現在、WSNは強化されたステップで編成され始めています。 10年から15年以内に、インターネットを介してWSNに参加するWSNで世界が保護されることを期待するのは厄介ではありません。これは、インターネットが物理的なn / wになることとして測定できます。このテクノロジーは、医療、環境、運輸、軍事、エンターテインメント、国防、危機管理、さらにはスマートスペースなど、多くのアプリケーション分野に無限の可能性を秘めています。

ワイヤレスセンサーネットワークとは何ですか？

ワイヤレスセンサーネットワークは無線ネットワークの一種ですこれには、モートと呼ばれるセンサーノードと呼ばれる多数の循環型の自主型の微細な低電力デバイスが含まれます。これらのネットワークは確かに、データを慎重に収集、処理、およびオペレーターに転送するためにネットワーク化された、空間的に分散された小さなバッテリー駆動の組み込みデバイスを多数カバーし、コンピューティングと処理の機能を制御しています。ノードは小さなコンピューターであり、共同でネットワークを形成します。

ワイヤレスセンサーネットワーク

センサーノードは、多機能でエネルギー効率の高いワイヤレスデバイスです。産業におけるモートの用途は広く行き渡っています。センサーノードのコレクションは、特定のアプリケーションの目的を達成するために周囲からデータを収集します。モート間の通信は、トランシーバーを使用して相互に行うことができます。ワイヤレスセンサーネットワークでは、モートの数は数百または数千のオーダーになる可能性があります。センサーのn / wとは対照的に、アドホックネットワークでは、構造のないノードが少なくなります。

ワイヤレスセンサーネットワークアーキテクチャ

最も一般的なワイヤレスセンサーネットワークアーキテクチャは、OSIアーキテクチャモデルに従います。 WSNのアーキテクチャには、5つのレイヤーと3つのクロスレイヤーが含まれます。主にセンサーn / wでは、アプリケーション、トランスポート、n / w、データリンク、物理層の5つの層が必要です。 3つのクロスプレーンは、つまり、電源管理、モビリティ管理、およびタスク管理です。 WSNのこれらのレイヤーは、ネットワークの完全な効率を高めるために、n / wを達成し、センサーを連携させるために使用されます。以下のリンクをたどってくださいワイヤレスセンサーネットワークの種類とWSNトポロジ

WSNアーキテクチャの種類

WSNで使用されるアーキテクチャは、センサーネットワークアーキテクチャです。この種のアーキテクチャは、病院、学校、道路、建物などのさまざまな場所に適用できるだけでなく、セキュリティ管理、災害管理、危機管理などのさまざまなアプリケーションで使用されます。ワイヤレスセンサーで使用されるアーキテクチャには2つのタイプがあります。以下を含むネットワーク。ワイヤレスセンサーアーキテクチャには、レイヤードネットワークアーキテクチャとクラスターアーキテクチャの2種類があります。これらは以下のように説明されます。

階層型ネットワークアーキテクチャ
クラスター化されたネットワークアーキテクチャ

階層型ネットワークアーキテクチャ

この種のネットワークは、基地局だけでなく数百のセンサーノードを使用します。ここでは、ネットワークノードの配置を同心円状のレイヤーに行うことができます。これは、5つのレイヤーと、次の3つのクロスレイヤーで構成されます。

アーキテクチャの5つの層は次のとおりです。

アプリケーション層
トランスポート層
ネットワーク層
データリンク層
物理層

3つのクロスレイヤーには次のものが含まれます。

電源管理プレーン
モビリティ管理プレーン
タスク管理面

これらの3つのクロスレイヤーは、主にネットワークを制御するため、およびネットワーク全体の効率を高めるためにセンサーを1つとして機能させるために使用されます。上記のWSNの5つの層について以下で説明します。

ワイヤレスセンサーネットワークアーキテクチャ

アプリケーション層

アプリケーション層はトラフィック管理の責任を負い、データを明確な形式に変換して肯定的な情報を見つける多数のアプリケーション向けのソフトウェアを提供します。農業、軍事、環境、医療などのさまざまな分野のさまざまなアプリケーションに配置されたセンサーネットワーク。

トランスポート層

トランスポート層の機能は、この機能を提供することを目的とした多くのプロトコルがアップストリームで実用的である場合に、輻輳回避と信頼性を提供することです。これらのプロトコルは、損失認識と損失回復に異なるメカニズムを使用します。システムが他のネットワークに接続するように計画されている場合、トランスポート層はまさに必要です。

信頼性の高い損失回復を提供することは、よりエネルギー効率が高く、それがTCPがWSNに適していない主な理由の1つです。一般に、トランスポート層はパケット駆動型とイベント駆動型に分けることができます。トランスポート層には、STCP（センサー伝送制御プロトコル）、PORT（価格指向の信頼性の高いトランスポートプロトコル、PSFQ（ポンプスローフェッチクイック）などの一般的なプロトコルがいくつかあります。

ネットワーク層

ネットワーク層の主な機能はルーティングであり、アプリケーションに基づいて多くのタスクがありますが、実際には、主なタスクは省電力であり、部分メモリ、バッファ、およびセンサーにはユニバーサルIDがなく、自己組織化する。

ルーティングプロトコルの簡単なアイデアは、プロトコルごとに異なるメトリックと呼ばれる説得力のあるスケールに従って、信頼できるレーンと冗長レーンを説明することです。このネットワーク層には多くの既存のプロトコルがあり、フラットルーティングと階層ルーティングに分けることも、時間駆動型、クエリ駆動型、イベント駆動型に分離することもできます。

データリンク層

データリンク層は、データフレーム検出、データストリーム、MAC、およびエラー制御を多重化する責任があり、ポイントツーポイント（または）ポイントマルチポイントの信頼性を確認します。

物理層

物理層は、物理媒体の上にビットストリームを転送するためのエッジを提供します。この層は、周波数の選択、搬送周波数の生成、信号検出、変調およびデータ暗号化を担当します。 IEEE 802.15.4は、バッテリー寿命を改善するために、低コスト、消費電力、密度、通信範囲を備えた低レートの特定のエリアおよびワイヤレスセンサーネットワークの典型的なものとして提案されています。 CSMA / CAは、スター＆ピアツーピアトポロジをサポートするために使用されます。 IEEE802.15.4.Vにはいくつかのバージョンがあります。

WSNでこの種のアーキテクチャを使用する主な利点は、他の種類のセンサーネットワークアーキテクチャと比較して電力使用率が低いため、すべてのノードが隣接ノードへの距離の短い低電力伝送に関与することです。この種のネットワークはスケーラブルであり、高いフォールトトレランスを備えています。

クラスター化されたネットワークアーキテクチャ

この種のアーキテクチャでは、個別にセンサーノードがクラスターと呼ばれるグループに追加されます。クラスターはクラスターを使用するため、「リーチプロトコル」に依存します。「リーチプロトコル」という用語は、「低エネルギー適応クラスタリング階層」の略です。このプロトコルの主なプロパティには、主に次のものがあります。

クラスター化されたネットワークアーキテクチャ

これは、2層階層クラスタリングアーキテクチャです。
この分散アルゴリズムは、センサーノードをクラスターと呼ばれるグループに配置するために使用されます。
個別に形成されるすべてのクラスターで、クラスターのヘッドノードはTDMA（時分割多元接続）計画を作成します。
データフュージョンの概念を使用して、ネットワークのエネルギー効率を高めます。

この種のネットワークアーキテクチャは、データ融合特性のために非常に使用されています。すべてのクラスターで、すべてのノードがクラスターのヘッドを介して対話し、データを取得できます。すべてのクラスターは、収集したデータを基地局に向けて共有します。クラスターの形成、および各クラスターでのヘッドの選択は、独立した自律的な分散方式です。

ワイヤレスセンサーネットワークアーキテクチャの設計上の問題

ワイヤレスセンサーネットワークアーキテクチャの設計上の問題には、主に次のものが含まれます。

エネルギー消費
ローカリゼーション
カバレッジ
時計
計算
生産費用
ハードウェアの設計
サービスの質

エネルギー消費

WSNでは、消費電力が主要な問題の1つです。バッテリーはエネルギー源としてセンサーノードを装備して使用されます。センサーネットワークは危険な状況に配置されているため、充電中のバッテリーを交換するのは複雑になります。エネルギー消費は主に、通信、センシング、データ処理などのセンサーノードの操作に依存します。通信全体を通して、エネルギー消費量は非常に高くなります。したがって、効率的なルーティングプロトコルを使用することで、すべてのレイヤーでエネルギー消費を回避できます。

ローカリゼーション

ネットワークの運用において、基本的かつ重大な問題はセンサーのローカリゼーションです。そのため、センサーノードはアドホックな方法で配置されているため、センサーノードはその場所を認識していません。センサーが配置された後、センサーの物理的な位置を特定することの難しさは、ローカリゼーションとして知られています。この問題は、GPS、ビーコンノード、近接性に基づくローカリゼーションによって解決できます。

カバレッジ

ワイヤレスセンサーネットワークのセンサーノードは、カバレッジアルゴリズムを利用してデータを検出し、ルーティングアルゴリズムを介してデータを送信してシンクします。ネットワーク全体をカバーするには、センサーノードを選択する必要があります。最小および最大の露出パスアルゴリズムやカバレッジ設計プロトコルなどの効率的な方法が推奨されます。

時計

WSNでは、クロック同期は重要なサービスです。この同期の主な機能は、センサーネットワーク内のローカルクロックのノードに通常のタイムスケールを提供することです。これらのクロックは、監視や追跡などの一部のアプリケーション内で同期する必要があります。

計算

計算は、各ノードを通過するデータの合計として定義できます。計算における主な問題は、リソースの使用率を削減する必要があることです。基地局の寿命がより危険な場合、データ処理は各ノードで完了してから、データが基地局に送信されます。すべてのノードで、リソースがある場合は、計算全体をシンクで実行する必要があります。

生産コスト

WSNでは、多数のセンサーノードが配置されます。したがって、単一ノードの価格が非常に高い場合、ネットワーク全体の価格も高くなります。最終的には、各センサーノードの価格を低く抑える必要があります。したがって、ワイヤレスセンサーネットワーク内のすべてのセンサーノードの価格は厳しい問題です。

ハードウェア設計

電力制御などのセンサーネットワークのハードウェアを設計する場合、マイクロコントローラーと通信ユニットはエネルギー効率が高い必要があります。その設計は、低エネルギーを使用するように行うことができます。

“誘導電動機用ソフトスターター ”

サービスの質

サービス品質またはQoSは他の何物でもありませんが、データは時間内に配布する必要があります。一部のリアルタイムセンサーベースのアプリケーションは主に時間に依存しているためです。したがって、データが受信者に向けて時間どおりに配信されない場合、データは役に立たなくなります。 WSNには、頻繁に変更される可能性のあるネットワークトポロジや、ルーティングに使用される情報のアクセス可能な状態が不正確になる可能性があるなど、さまざまなタイプのQoSの問題があります。

ワイヤレスセンサーネットワークの構造

WSNの構造は主に、スター、メッシュ、ハイブリッドスターなどの無線通信ネットワークに使用されるさまざまなトポロジで構成されています。これらのトポロジについては、以下で簡単に説明します。

スターネットワーク

スターネットワークのような通信トポロジは、基地局のみがリモートノードに向けてメッセージを送受信できる場合に使用されます。相互にメッセージを送信することを許可されていないノードがいくつかあります。このネットワークの利点は、主に、リモートノードの電力使用率を最小限に抑えることができるシンプルさです。

また、リモートノードだけでなく基地局間でも待ち時間の少ない通信が可能になります。このネットワークの主な欠点は、基地局がすべての個別のノードの無線の範囲内にある必要があることです。ネットワークを処理するために単一のノードに依存しているため、他のネットワークのように堅牢ではありません。

メッシュネットワーク

この種のネットワークは、無線送信の範囲内にあるネットワーク内のあるノードから別のノードへのデータの送信を可能にします。ノードが別のノードにメッセージを送信する必要があり、それが無線通信の範囲外にある場合、ノードは中間のようなノードを利用して、優先ノードにメッセージを送信できます。

“スイッチとしてのpnpトランジスタ ”

メッシュネットワークの主な利点は、スケーラビリティと冗長性です。個々のノードが機能しなくなると、リモートノードは範囲内の他のタイプのノードと会話し、メッセージを優先する場所に転送できます。さらに、ネットワーク範囲は、システムに多数のノードを追加するだけで拡張できる単一ノード間の範囲によって自動的に制限されることはありません。

この種のネットワークの主な欠点は、マルチホップのように通信を実行するネットワークノードの電力使用率が、通常、バッテリーの寿命を頻繁に制限するこの容量を持たない他のノードよりも高いことです。さらに、宛先に向かって通信ホップの数が増えると、特にノードの低電力プロセスが必要な場合は、メッセージの送信にかかる時間も長くなります。

ハイブリッドスター–メッシュネットワーク

スターとメッシュのような2つのネットワーク間のハイブリッドは、ワイヤレスセンサーノードの消費電力を最小限に抑えながら、強力で柔軟な通信ネットワークを提供します。この種のネットワークトポロジでは、電力の少ないセンサーノードはメッセージを送信できません。
これにより、最小限の電力使用率を維持できます。

ただし、他のネットワークノードは、ネットワーク上の1つのノードから別のノードにメッセージを送信できるようにすることで、マルチホップ機能を使用できます。通常、マルチホップ容量のノードは高電力であり、頻繁にメインラインに接続されます。これは、ZigBeeと呼ばれる今後の標準メッシュネットワークを通じて実装されたトポロジです。

ワイヤレスセンサーノードの構造

ワイヤレスセンサーノードの作成に使用されるコンポーネントは、センシング、処理、トランシーバー、電源などのさまざまなユニットです。また、発電機、位置検出システム、モビライザーなどのアプリケーションに依存する追加のコンポーネントも含まれています。一般に、センシングユニットには2つのサブユニット、つまりADCとセンサーが含まれます。ここでセンサーは、ADCの助けを借りてデジタル信号に変更できるアナログ信号を生成し、その後、処理ユニットに送信します。

一般に、このユニットは、小さなストレージユニットを介して関連付けられ、センサーノードを他のノードと連携させて割り当てられたセンシングタスクを実行するアクションを処理できます。センサーノードは、トランシーバーユニットを使用してネットワークに接続できます。センサーノードでは、重要なコンポーネントの1つがセンサーノードです。パワーユニットは、太陽電池などのパワースカベンジユニットを介してサポートされますが、他のサブユニットはアプリケーションによって異なります。

ワイヤレスセンシングノードの機能ブロック図を上に示します。これらのモジュールは、幅広いアプリケーションの要件に対応するための多用途のプラットフォームを提供します。例えば、配置されるセンサーに基づいて、信号調整ブロックの交換を行うことができる。これにより、ワイヤレスセンシングノードとともにさまざまなセンサーを使用できます。同様に、無線リンクは指定されたアプリケーションと交換できます。

無線センサーネットワークの特徴

WSNの特徴は次のとおりです。

バッテリーを備えたノードの電力制限の消費
ノード障害を処理する能力
ノードの移動性とノードの不均一性
大規模な配布へのスケーラビリティ
厳しい環境条件を確保する能力
使いやすい
クロスレイヤーデザイン

ワイヤレスセンサーネットワークの利点

WSNの利点は次のとおりです。

ネットワークの配置は、不動のインフラストラクチャなしで実行できます。
山、海、田園地帯、深い森など、手の届かない場所に適しています。
追加のワークステーションが必要なカジュアルな状況に対応できる柔軟性。
実行価格は安価です。
それはたくさんの配線を避けます。
新しいデバイスにいつでも対応できる可能性があります。
一元化された監視を使用して開くことができます。

ワイヤレスセンサーネットワークアプリケーション

ワイヤレスセンサーネットワークは、低サンプリングレート、地震、磁気、熱、視覚、赤外線、レーダー、音響など、さまざまな種類のセンサーで構成されている場合があります。これらのセンサーは、さまざまな周囲の状況を監視するのに適しています。センサーノードは、アクチュエータの常時検知、イベントID、イベント検出、およびローカル制御に使用されます。ワイヤレスセンサーネットワークのアプリケーションには、主に健康、軍事、環境、家庭、およびその他の商業分野が含まれます。

WSNアプリケーション

軍事用途
健康アプリケーション
環境アプリケーション
ホームアプリケーション
商用アプリケーション
エリアモニタリング
ヘルスケアモニタリング
環境/地球センシング
大気汚染モニタリング
森林火災の検出
地すべりの検出
水質モニタリング
産業モニタリング

したがって、これはすべて何であるかについてですワイヤレスセンサーネットワーク、ワイヤレスセンサーネットワークのアーキテクチャ、特性、およびアプリケーション。この概念をより深く理解していただければ幸いです。さらに、質問や知っておくべきことワイヤレスセンサーネットワークプロジェクトのアイデア、下のコメントセクションにコメントして、貴重な提案をしてください。ここにあなたへの質問があります、 ワイヤレスセンサーネットワークの種類は何ですか？