تُعد شبكة المستشعرات اللاسلكية “WSN” حالياً أكثر الخدمات النظامية المستعملة في التطبيقات التجارية والصناعية، ونظراً لتطورها التقني في المعالج والاتصال والاستخدام المنخفض للطاقة لأجهزة الحوسبة المضمنة، تم تخطيط بنية “WSN” باستعمال العقد التي تُستعمل لمراقبة البيئة المحيطة، مثل درجة الحرارة والرطوبة والضغط والموضع والاهتزاز والصوت وما إلى ذلك.
ما هي شبكة الاستشعار اللاسلكية WSN؟
شبكة المستشعرات اللاسلكية “WSN”: هي نوع واحد من الشبكات اللاسلكية التي تتضمن عدداً كبيراً من الأجهزة المتداولة والموجهة ذاتياً والدقيقة والمنخفضة الطاقة المسماة عقد الاستشعار التي تسمى “motes”، حيث تُغطي هذه الشبكات بالتأكيد عدداً كبيراً من الأجهزة الموزعة مكانياً والقليلة التي تعمل بالبطاريات والمدمجة والمرتبطة بالشبكة لجمع البيانات ومعالجتها ونقلها بعناية إلى المشغلين، وقد سيطرت على قدرات الحوسبة والمعالجة، أمّا العقد هي أجهزة كمبيوتر صغيرة تعمل بشكل مشترك لتشكيل الشبكات.
عقدة المستشعر “motes”: هي عبارة عن جهاز لاسلكي متعدد الوظائف وموفر للطاقة، وتطبيقات العقد في الصناعة على نطاق واسع، كما تجمع مجموعة عقد الاستشعار البيانات من المناطق المحيطة لتحقيق أهداف تطبيق محددة، حيث يمكن إجراء الاتصال بين العقد مع بعضها البعض باستخدام أجهزة الإرسال والاستقبال، وفي شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية يمكن أن يكون عدد “motes” في حدود المئات أو حتى الآلاف، وعلى عكس أجهزة الاستشعار “n / ws”، سيكون لشبكات “Ad Hoc” عدد أقل من العقد بدون أي بنية.
يمكن استخدام هذه العقد في العديد من التطبيقات في الوقت الفعلي لأداء مهام مختلفة مثل الاكتشاف الذكي واكتشاف العقد المجاورة، وكذلك معالجة البيانات وتخزينها وجمع البيانات وتتبع الهدف والمراقبة والتحكم والمزامنة وتوطين العقدة والتوجيه الفعال بين المحطة الأساسية والعقد، وكما في الوقت الحالي بدأ تنظيم الشبكات اللاسلكية للشبكة في خطوة محسّنة.
كما ليس من المحرج أن يتم التوقع بأنّه خلال “10 عاماً” إلى “15 عاماً” سيتم حماية العالم بشبكات “WSN” مع الدخول إليها عبر الإنترنت، كما يمكن قياس ذلك؛ لأنّ الإنترنت يُعد مكوناً مادياً “n / w”، وهذه التكنولوجيا مهمة مع قدر لا حصر لها للعديد من مجالات التطبيق، مثل الطبية والبيئية والنقل والجيش والدفاع عن الوطن وإدارة الأزمات وكذلك المساحات الذكية.
- “WSN” هي اختصار لـ “Wireless Sensor Network”.
أنواع معماريات WSN:
الهندسة المستخدمة في “WSN” هي بنية شبكة الاستشعار، وهذا النوع من الهندسة المعمارية قابل للتطبيق في أماكن مختلفة، مثل المستشفيات والمدارس والطرق والمباني وكذلك يتم استخدامه في تطبيقات مختلفة مثل إدارة الأمن وإدارة الكوارث وإدارة الأزمات وما إلى ذلك، وهناك نوعان من البنى المستخدمة في أجهزة الاستشعار اللاسلكية الشبكات التي تشمل ما يلي:
أولاً: هندسة الشبكات ذات الطبقات:
يستخدم هذا النوع من الشبكات المئات من عقد الاستشعار بالإضافة إلى محطة أساسية، كما يمكن ترتيب عقد الشبكة في طبقات متحدة المركز، وهي تتألف من خمس طبقات بالإضافة إلى 3 طبقات متقاطعة والتي تشمل ما يلي:
1- طبقة التطبيقات:
طبقة التطبيق مسؤولة عن إدارة حركة المرور وتقدم برامج للعديد من التطبيقات التي تحول البيانات في شكل واضح للعثور على معلومات إيجابية، وشبكات الاستشعار مرتبة في العديد من التطبيقات في مختلف المجالات مثل الزراعة والعسكرية والبيئية والطبية.
2- طبقة النقل:
تُعد وظيفة طبقة النقل بأنّها تقوم في عرض تجنب الازدحام والموثوقية، حيث يكون الكثير من البروتوكولات التي تهدف إلى تقديم هذه الوظيفة للعملية في المنبع، كما تستعمل هذه البروتوكولات آليات متنوعة للتعرف على الخسائر واستردادها، وتكون طبقة النقل مطلوبة تماماً عندما يتم التخطيط لنظام للاتصال بالشبكات الأخرى.
يُعد إتاحة استرجاع موثوق للخسارة أكثر فعالية في استعمال الطاقة وهذا أحد الأسباب الرئيسية لعدم ملاءمة “TCP” لشبكة “WSN”، كما يمكن فصل طبقات النقل إلى حزم مدفوعة ومدفوعة بالأحداث، وهناك بعض البروتوكولات الشائعة في طبقة النقل، وهي بروتوكول التحكم في إرسال المستشعرات “STCP” وبروتوكول النقل المعتمد الموجه نحو السعر “PORT” ومضخة الجلب البطيء السريع “PSFQ”.
- “TCP” هي اختصار لـ “Transmission Control Protocol”.
- “STCP” هي اختصار لـ “Stream Control Transmission Protocol”.
- “PORT” هي اختصار لـ “Price-Oriented Reliable Transport Protocol”.
- “PSFQ” هي اختصار لـ “Pump Slow Fetch Quick”.
3- طبقة الشبكة:
تتمثل الوظيفة الرئيسية لطبقة الشبكة في التوجيه، فهي تحتوي على الكثير من المهام بناءً على التطبيق، ولكن في الواقع تتمثل المهام الرئيسية في الحفاظ على الطاقة والذاكرة الجزئية والمخازن المؤقتة والمستشعر ليس لديها معرف عالمي ويجب أن تكون منظمة ذاتياً.
الفكرة الرئيسية لبروتوكول التوجيه هي تقديم ممر معتمد عليه وممرات إضافية، ووفقاً لمقياس محدد يسمى متري، والذي يختلف من بروتوكول إلى بروتوكول، وهناك الكثير من البروتوكولات الموجودة لطبقة الشبكة هذه، ويمكن فصلها إلى التوجيه المسطح والتوجيه الهرمي أو يمكن فصلهما إلى مدفوعة بالوقت واستعلام مدفوعة ومدفوعة بالأحداث.
4- طبقة وصل البيانات:
تكون طبقة ارتباط البيانات مسؤولة عن تعدد إرسال البيانات لاكتشاف إطار البيانات وتدفقات البيانات و”MAC” والتحكم في الأخطاء وتأكيد موثوقية النقطة أو متعددة النقاط.
- “MAC” هي اختصار لـ “Media Access Control”.
5- الطبقة المادية:
توفر الطبقة المادية وسيلة لنقل تيار من البتات فوق الوسط المادي، وهذه الطبقة مسؤولة عن تحديد التردد وتوليد تردد الموجة الحاملة واكتشاف الإشارة والتضمين وتشفير البيانات، كما يُعد “IEEE 802.15.4” على أنّه مناسب لمناطق محددة ذات معدل ضعيف وشبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية بتكلفة قليلة، وكذلك استهلاك طاقة وكثافة ومجال اتصال لتقديم عمر البطارية، كما يستعمل “CSMA / CA” لدعم طوبولوجيا النجم والنظير.
تُعد الفوائد الأساسية لاستعمال هذا النوع من البنية في “WSN” في أنّ كل عقدة تحتوي على عمليات إرسال ضعيفة الطاقة ومسافة أقل إلى العقد التالية، نظراً لانخفاض استخدام الطاقة مقارنةً بأنواع أخرى من بنية شبكة المستشعرات، وهذا النوع من الشبكات قابل للتطوير بالإضافة إلى أنّه يتضمن درجة عالية من التسامح مع الخطأ.
- “IEEE” هي اختصار لـ “Institute of Electrical and Electronics Engineers”.
- “CSMA / CA” هي اختصار لـ “Carrier-sense multiple access with collision avoidance”.
6- الطبقات المتقاطعة:
تُستعمل هذه الطبقات الثلاث المتقاطعة بشكل أساسي للتحكم في الشبكة بالإضافة إلى جعل المستشعرات تعمل كواحدة من أجل تعزيز الكفاءة الكلية للشبكة.
- مستوى إدارة الطاقة.
- مستوى إدارة التنقل.
- مستوى إدارة المهام.
ثانياً: بنية الشبكة العنقودية:
في هذا النوع من البنية، تزيد عقد الاستشعار المنفصلة إلى مجموعات والتي تعتمد على بروتوكول “Leach”؛ لأّنه يستعمل المجموعات، كما يدل مصطلح “Leach Protocol” إلى التسلسل الهرمي للتكتل المتكيف ضعيف الطاقة، والخصائص الرئيسية لهذا البروتوكول تشمل بشكل رئيسي ما يلي:
- هذه بنية تجميع هرمية من مستويين.
- تُستعمل هذه الخوارزمية الموزعة لترتيب عُقد المستشعر في مجموعات.
- في كل مجموعة يتم تشكيلها بشكل فردي، ستتكون العقد الرئيسية للمجموعة خطط الوصول المتعدد بتقسيم الوقت “TDMA”.
- يستخدم مفهوم دمج البيانات بحيث يجعل الشبكة ذات كفاءة في استخدام الطاقة.
يتم استخدام هذا النوع من بنية الشبكة بشكل كبير بسبب خاصية دمج البيانات، وفي كل مجموعة يمكن أن تتفاعل كل عقدة من خلال رأس الكتلة للحصول على البيانات، كما ستشارك جميع المجموعات بياناتها التي تم جمعها تجاه المحطة الأساسية، ويُعتبر تشكيل الكتلة وكذلك اختيار رأسه في كل مجموعة طريقة توزيع مستقلة.
ملاحظة: “TDMA” هي اختصار لـ “Time Division Multiple Access”.
