أساسيات هندسة شبكة الاستشعار اللاسلكية WSN

تعمل شبكات الاستشعار اللاسلكية على معرفة المحتوى الناشئ من المستشعرات قليلة التكلفة القائمة على المعايير، والتي تُعد بترتيب عالٍ من الدقة المكانية والزمانية والدقة في عالم متزايد من التطبيقات، كما إنّه يشارك أحدث التطورات في العلوم والهندسة ممّا يمهد الطريق نحو عدد كبير من التطبيقات الجديدة في مجالات، مثل حماية البنية التحتية والأمن والرعاية الصحية والطاقة وسلامة الغذاء و”RFID“و”ZigBee” والمعالجة.

ما هي هندسة شبكة الاستشعار اللاسلكية WSN؟

تعتمد بنية شبكات الاستشعار اللاسلكية الأكثر شيوعاً على نموذج بنية “OSI”، كما تحتوي بنية “WSN” على “5 طبقات” و”3 طبقات” متقاطعة، حيث في الغالب في المستشعر “n / w” يكون هناك “5طبقات” وهي التطبيق والنقل وشبكة”n / w” وارتباط البيانات والطبقة المادية، أمّا المستويات الثلاثة المتقاطعة هي إدارة الطاقة وإدارة التنقل وإدارة المهام، كما تُستعمل طبقات “WSN” هذه لإكمال “n / w” والسماح للمستشعرات بالعمل معاً من أجل رفع الفعالية الكاملة للشبكة.

• “OSI” هي اختصار لـ “Open Systems Interconnection”.

• “RFID” هي اختصار لـ “Radio Frequency Identification”.

• “WSN” هي اختصار لـ “Wireless sensor networks”.

قضايا تصميم بنية شبكة الاستشعار اللاسلكية:

أولاً: استهلاك الطاقة:

في “WSN”، يُعد نفاذ الطاقة أحد المشكلات المهمة، وكمصدر للطاقة يتم استعمال البطارية عن طريق تزويدها بعقد استشعار، كما يتم تنظيم شبكة المستشعرات في المواقف الخطيرة بحيث تصبح معقدة لتغيير البطاريات التي يتم إعادة تفعيلها، حيث يستخدم نفاذ الطاقة بشكل مهم واساسي على عمليات عقد الاستشعار، مثل الاتصال والاستشعار ومعالجة البيانات، ومن خلال الاتصال يكون استهلاك الطاقة مرتفعاً جداً، لذلك يمكن تجنب استهلاك الطاقة في كل طبقة باستخدام بروتوكولات التوجيه الفعالة.

ثانياً: الموقع:

بالنسبة لتفعيل الشبكة، فإنّ المشكلة المهمة والحرجة هي ضبط أجهزة الاستشعار، لذلك يتم عمل عُقد المستشعرات بطريقة مخصصة بحيث لا تعرف مواقعها، كما تُعرف صعوبة تعيين الموقع المادي للمستشعر بمجرد ترتيبها بالتوطين، ويتاح حل هذه الصعوبة من خلال نظام تحديد المواقع العالمي “GPS” وعقد المنارة والتوطين على أساس القرب.

• “GPS” هي اختصار لـ “Global Position System”.

ثالثاً: التغطية:

تستخدم عُقد المستشعر في شبكة المستشعرات اللاسلكية خوارزمية تغطية لاكتشاف البيانات وكذلك نقلها لتغرق في خوارزمية التوجيه، ولتغطية الشبكة بشكل كامل يجب تحديد عقد الاستشعار، كما يُجل استعمال طرق فعالة مثل خوارزميات مسار التعرض الأدنى والأعلى بالإضافة إلى بروتوكول تصميم التغطية.

ثالثاً: ساعات:

في “WSN”، تُعتبر مزامنة الساعة خدمة مهمة، كما تًعتبر الوظيفة الأساسية لهذه المزامنة في تقديم مقياس زمني عادي لعقد الساعات المحلية داخل شبكات الاستشعار، حيث يجب مزامنة هذه الساعات في بعض التطبيقات مثل المراقبة والتتبع.

رابعاً: كيفية إجراء الحساب:

يمكن تعريف الحساب على أنّه مجموع البيانات التي تستمر عبر كل عقدة، والقضية الرئيسية في الحساب هي أنّه يجب أن يقلل من استخدام الموارد، حيث إذا كان العمر الافتراضي للمحطة الأساسية أكثر خطورة، فسيتم إكمال معالجة البيانات في كل عقدة قبل نقل البيانات إلى المحطة الأساسية، وفي كل عقدة إذا كان لدينا بعض الموارد، فيجب إجراء الحساب بالكامل في الحوض.

خامساً: تكليف الإنتاج:

في “WSN”، يتم ترتيب عدد كبير من عقد الاستشعار، لذلك إذا كان سعر العقدة الواحدة مرتفعاً جداً، فسيكون السعر الإجمالي للشبكة مرتفعاً أيضاً، وفي النهاية يجب تحديد سعر كل عقدة مستشعر أقل لذا فإنّ سعر كل عقدة مستشعر داخل شبكة المستشعرات اللاسلكية يمثل مشكلة ملحة.

سادساً: تصميم الأجهزة:

عند تصميم أي جهاز لشبكة الاستشعار مثل التحكم في الطاقة، كما يجب أن تكون وحدة التحكم الدقيقة ووحدة الاتصالات محافظة للطاقة، حيث يمكن تصميمه بطريقة تستعمل طاقة قليلة.

سابعاً: جودة الخدمة:

جودة الخدمة ليست سوى تصنيف البيانات في الوقت المحدد؛ لأنّ بعض التطبيقات المعتمدة على أجهزة الاستشعار في الوقت المحدد تعتمد بشكل كبير على الوقت، لذلك إذا لم يتم توزيع البيانات في الوقت المحدد نحو جهاز الاستقبال، فستتحول البيانات إلى عديمة الفائدة، حيث في شبكات “WSN” هناك أنواع متنوعة من صعوبات جودة الخدمة، مثل هيكل الشبكة التي قد يتم تحسينها بشكل مستمر، وبالإضافة إلى حالة الوصول للمعلومات المستخدمة في التوجيه والتي يمكن أن تكون غير دقيقة.

هيكل شبكة الاستشعار اللاسلكية:

يحتوي هيكل “WSN” بشكل أولي من طبولوجيا متنوعة تستعمل لشبكات الاتصالات الراديوية، مثل النجم والشبكة والنجم الهجين.

أولاً: ستار نتوورك:

يتم استعمال طوبولوجيا الاتصال مثل شبكة “Star” في أي مكان يمكن فيه للمحطة الأساسية فقط إرسال أو استلام رسالة باتجاه العقد البعيدة، وهناك عدد من العقد المتوفرة التي لا يُسمح لها بنقل الرسائل إلى بعضها البعض، كما تشتمل مزايا هذه الشبكة بشكل أساسي على البساطة والقادرة على الحفاظ على استخدام الطاقة للعقد البعيدة إلى الحد الأدنى.

كما أنّه تتيح للاتصالات مع زمن انتقال أقل بين المحطة الأساسية بالإضافة إلى عقدة بعيدة، أمّا العيب الرئيسي لهذه الشبكة هو أنّ المحطة الأساسية يجب أن تكون في نطاق الراديو لجميع العقد المنفصلة كما إنّها ليست قوية مثل الشبكات الأخرى؛ لأنّها تعتمد على عقدة واحدة للتعامل مع الشبكة.

ثانياً: الشبكة التشعبية:

يسمح هذا النوع من الشبكات بنقل البيانات من عقدة إلى أخرى داخل الشبكة الموجودة في نطاق الإرسال اللاسلكي، حيث إذا تطلبت العقدة في إرسال رسالة إلى عقدة أخرى وكان ذلك خارج نطاق الاتصالات اللاسلكية، فيمكنها استعمال عقدة مثل وسيط لإرسال الرسالة نحو العقدة المفضلة.

الفائدة الأساسية للشبكة “Dox” هي قابلية التوسع والتكرار، وعندما تتوقف عقدة فردية عن العمل يمكن للعقدة البعيدة أن تتحدث إلى أي نوع آخر من العقد داخل النطاق، وبعد ذلك تعيد توجيه الرسالة نحو الموقع المفضل، وبالإضافة إلى ذلك لا يتم تقييد نطاق الشبكة تلقائياً من خلال النطاق بين العقد، ويمكن أن يمتد ببساطة عن طريق إضافة عدد من العقد إلى النظام.

العيب الرئيسي لهذا النوع من الشبكات هو استخدام الطاقة لعقد الشبكة التي تنفذ الاتصالات مثل القفزات المتعددة، وعادةً ما تكون أعلى من العقد الأخرى التي لا تتمتع بهذه السعة للحد من عمر البطارية بشكل متكرر، وعلاوةً على ذلك عندما يزداد عدد قفزات الاتصال نحو وجهة ما، فإنّ الوقت المستعمل لإرسال الرسالة سيزداد أيضاً، خاصةً إذا كانت عملية الطاقة القليلة للعقد ضرورية.

ثالثاً: هايبرد ستار – شبكة متشابكة:

يتيح الهجين بين الشبكتين مثل”star and mesh” شبكة اتصالات متينة ومرنة مع حماية استهلاك الطاقة لعقد المستشعر اللاسلكي إلى الحد الأدنى، وفي هذا النوع من طوبولوجيا الشبكة لا يُسمح لعقد المستشعرات ذات الطاقة الأقل بنقل الرسائل، لكنّ هذا يسمح للصيانة بأقل استخدام للطاقة.

ولكن، يُسمح لعقد الشبكة الأخرى بإمكانية القفزات المتعددة من خلال السماح لها بنقل الرسائل من عقدة إلى أخرى على الشبكة، وعادةً ما تتمتع العقد ذات السعة متعددة القفزات بقدرة عالية ويتم توصيلها في كثير من الأحيان بخط التيار الكهربائي، وهذا هو الهيكل المطبق من خلال الشبكات المعيارية القادمة التي تسمى”ZigBee”.