اقرأ في هذا المقال
- ما هي شبكات الاستشعار اللاسلكية WSN؟
- هيكل عقدة الاستشعار اللاسلكية
- شبكات الاستشعار اللاسلكية المركزية
- ما هي خصائص شبكة الاستشعار اللاسلكية؟
- مزايا شبكات الاستشعار اللاسلكية
- تطبيقات شبكة الاستشعار اللاسلكية
في الوقت الحاضر، تظهر شبكات الاستشعار اللاسلكية “WSNs” كمجال بحث نشط تتضمن الموضوعات الصعبة فيه استهلاك الطاقة وخوارزميات التوجيه، وكذلك اختيار موقع أجهزة الاستشعار وفقاً لفرضية معينة والمتانة والكفاءة وما إلى ذلك، وعلى الرغم من المشكلات المفتوحة في شبكات “WSN”، يوجد بالفعل عدد كبير من التطبيقات المتاحة.
ما هي شبكات الاستشعار اللاسلكية WSN؟
شبكات الاستشعار اللاسلكية “WSN”: هي شبكات من أجهزة الاستشعار الدقيقة المدمجة ذات القدرة على الاتصال اللاسلكي، وهذه الأجهزة الصغيرة رخيصة نسبياً مع إمكانية نشرها بكميات كبيرةـ وتتراوح التطبيقات الناشئة لجمع البيانات من البيئية إلى العسكرية، وكأجهزة مستقلة يمكنهم توفير شبكة موزعة وتعاونية من عقد الكمبيوتر.
يتم طرح التحديات المعمارية للمصممين مثل الطاقة الحسابية واستهلاك الطاقة ومصادر الطاقة وقنوات الاتصال وقدرات الاستشعار، كما توفر الأنظمة المضمنة النظام الأساسي الحسابي لمكونات الأجهزة والبرامج للتفاعل مع البيئة والعقد الأخرى.
تحتوي شبكات الاستشعار اللاسلكية “WSN” على مجموعة معينة من أدوات الاستشعار الموزعة جغرافياً في بيئة داخلية أو خارجية معينة وعادةً ما تكون محددة مسبقاً، وتهدف “WSN” إلى جمع البيانات البيئية وقد يكون موضع أجهزة العقدة معروفاً أو غير معروف مسبقاً، كما يمكن أن يكون لعقد الشبكة اتصال فعلي أو منطقي مع جميع الأجهزة، ويحدد مثل هذا الاتصال طوبولوجيا وفقاً للتطبيق.
فعلى سبيل المثال يمكن أن يكون هناك “WSN” مع كلا النوعين من الطبولوجيا متماثلان أي شبكة ونجمة، ومع ذلك قد لا يكون هذا هو الحال بالنسبة لجميع التطبيقات، كما يتم تعريف الهيكل المنطقي بشكل أساسي على أساس الدور المنطقي للعقد أي المهام، ويمكن أن يكون إمّا مخصصاً أو قائماً على الإستراتيجية التنظيم الذاتي والتكتل وتتبع الفرمون “Pheromone”، ويتم تحديد الاستراتيجية على أساس الموارد المتاحة للشبكة.
في جميع حالات تصميم أي تطبيق، يتمثل أحد الأهداف الرئيسية في الحفاظ على “WSN” حية وعملية لأطول فترة ممكنة، والعامل الرئيسي في هذا هو الطريقة التي تتشكل بها الشبكة، كما يقدم هذا الاستطلاع أحدث تقنيات وآليات تشكيل شبكات “WSN”، كما يتم تصنيف الأعمال التي تمت مراجعتها إلى تقنيات موزعة ومركزية، ويركز التحليل على ما إذا كان يتم استخدام أحواض مفردة أو متعددة، أمّا العقد تكون ثابتة أو متحركة والتكوين يعتمد على اكتشاف الأحداث أم لا، ويتم تشكيل العمود الفقري للشبكة أم لا.
تتزايد أهمية شبكات الاستشعار اللاسلكية في مراقبة الصحة الهيكلية باستمرار، وبسبب الطلب المتزايد على كل من السلامة والأمن في المدن، وأدى النمو السريع للتقنيات اللاسلكية إلى تطور كبير في تقدم أنظمة المراقبة الهيكلية مع مزيج من تقنية شبكة الاستشعار اللاسلكية.
كما يقدم نظام مراقبة الصحة الهيكلية القائم على شبكة الاستشعار اللاسلكية تقنية جديدة ذات مزايا مقنعة مقارنة بالنظام السلكي التقليدي، والذي له فوائد في تقليل تكاليف التركيب والصيانة لأنظمة مراقبة الصحة الإنشائية، ومع ذلك فقد جلبت مراقبة الصحة الهيكلية تحديات إضافية معقدة في تصميم الشبكة لشبكات الاستشعار اللاسلكية.
- “WSN” هي اختصار لـ “Wireless sensor networks”.
هيكل عقدة الاستشعار اللاسلكية:
العناصر المستعملة لتكوين عقدة استشعار لاسلكية هي وحدات مختلفة مثل الاستشعار والمعالجة وجهاز الإرسال والاستلام والطاقة، كما يتضمن أيضاً مكونات إضافية تعتمد على تطبيق مثل مولد الطاقة ونظام تحديد الموقع والمعبأ، حيث تحتوي وحدات الاستشعار على مجموعتين فرعيتين هما “ADCs” وكذلك أجهزة الاستشعار، كما تعمل المستشعرات هنا بإنتاج إشارات تمثيلية يمكن تبديلها إلى إشارات رقمية من خلال “ADC“، وبعد ذلك تتحرك إلى وحدة المعالجة.
بشكل عام، يمكن ربط هذه الوحدة من خلال وحدة تخزين صغيرة للتعامل مع الإجراءات لجعل عقدة الاستشعار تعمل مع العقد الأخرى لتحقيق مهام الاستشعار المخصصة، كما يسمح بربط عقدة المستشعر بالشبكة بمساعدة وحدة الإرسال والاستقبال وفي عقدة المستشعر تكون أحد العناصر الأولية هي عقدة الاستشعار، حيث يتم دعم وحدات الطاقة من خلال وحدات مسح الطاقة مثل الخلايا الشمسية، بينما تعتمد الوحدات الفرعية الأخرى على التطبيق.
كما توفر هذه الوحدات منصة متعددة الاستخدامات للتعامل مع متطلبات التطبيقات الواسعة، فعلى سبيل المثال وبناءً على المستشعرات المراد ترتيبها يمكن استبدال كتلة تكييف الإشارة، كما يسمح هذا باستعمال مستشعرات متنوعة مع عقدة الاستشعار اللاسلكي، وبالمثل يتاح استبدال ارتباط الراديو بتطبيق محدد.
- “ADC” هي اختصار لـ “Analog to Digital Converter”.
شبكات الاستشعار اللاسلكية المركزية:
تأخذ الشبكات المركزية الاتجاهات من جهاز فريد، وهذه العقدة المركزية مسؤولة عن توفير خدمات تشغيل الشبكة، مثل توطين العقدة واكتشاف الأحداث وتوجيه حركة المرور، والهيكل المنطقي المناسب لهذا النهج هو النجم، كما يمكن تصنيف الشبكات المركزية وفقاً لكيفية معالجة المعلومات، وتشمل هذه المجموعات ما يلي:
أولاً: مجموعة “Single Sink”:
الهدف من استراتيجية التكوين هو تقليل وقت إعادة التوجيه وتوجيه المعلومات نحو حوض فريد، أمّا العيب الرئيسي لأنظمة الأحواض المفردة هو عدم وجود فائض.
ثانياً: مجموعة “Multilink”:
يتم استخدام أحواض متعددة للسيناريوهات التي يتم فيها توزيع المهام السابقة على عدة عقد، كما يتم ذلك لعدد من الأسباب، مثل كثافة الشبكة ومنطقة التغطية والتكرار وتوزيع تدفقات حركة المرور وعمر الشبكة واستهلاك الطاقة المحتمل.
ثالثاً: أجهزة المهام المتعددة:
تُشير الأعمال البحثية الحديثة إلى استخدام أجهزة الشبكة المساعدة، كما يمكن أن تكون هذه الأجهزة مسؤولة عن القيام بنشاط معين داخل الشبكة، مثل معرفة البيئة الكاملة؛ لتحديد المسار والتحكم في حركات العقد وتعريف العقدة المستهدفة لتحسين الأداء العام لتطبيق “WSN”.
ما هي خصائص شبكة الاستشعار اللاسلكية؟
- حدود استهلاك الطاقة للعقد ذات البطاريات.
- القدرة على التعامل مع فشل العقدة.
- بعض تنقل العقد وعدم تجانس العقد.
- قابلية التوسع على نطاق واسع من التوزيع.
- القدرة على ضمان ظروف بيئية صارمة.
- سهلة الاستخدام.
- تصميم متعدد الطبقات.
مزايا شبكات الاستشعار اللاسلكية:
- يمكن تنفيذ ترتيبات الشبكة بدون بنية تحتية ثابتة.
- مناسب للأماكن التي لا يمكن الوصول إليها مثل الجبال وفوق البحر والمناطق الريفية والغابات العميقة.
- مرنة إذا كان هناك موقف غير رسمي عندما تكون محطة عمل إضافية مطلوبة.
- تسعير التنفيذ غير مكلف.
- يتجنب الكثير من الأسلاك.
- قد يوفر أماكن إقامة للأجهزة الجديدة في أي وقت.
- يمكن فتحه باستخدام المراقبة المركزية.
تطبيقات شبكة الاستشعار اللاسلكية:
قد تحتوي شبكات المستشعرات اللاسلكية على أنواع متنوعة من أجهزة الاستشعار مثل معدل تحديد العينات المنخفض والزلازل والمغناطيسية، وكذلك الحرارية والبصرية والأشعة تحت الحمراءوالرادار والصوت والتي تُعد ذكية لمراقبة مجموعة كبيرة من المواقف المحيطة.
كما تُستخدم عقد الاستشعار للاستشعار المستمر ومعرف الحدث واكتشاف الأحداث والتحكم المحلي في المشغلات، حيث تشمل تطبيقات شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل أولي المجالات الصحية والبيئية والمنزل وغيرها من المجالات التجارية.
- التطبيقات الصحية.
- التطبيقات البيئية.
- تطبيقات المنزل.
- تطبيقات تجارية.
- مراقبة المنطقة.
- مراقبة الرعاية الصحية.
- الإحساس البيئي أو الأرض.
- مراقبة تلوث الهواء.
- كشف حرائق الغابات.
- كشف الانهيارات الأرضية.
- مراقبة جودة المياه.
- المراقبة الصناعية.
