شبکه حسگر بیسیم ؛ نقطه تلاقی علوم مختلف

​

شبکه حسگر/کارانداز شبکه‌ای است که از تعداد زیادی گره کوچک تشکیل شده است. در هر گره تعدادی حسگر یا کارانداز وجود دارد. شبکه حس/کار به شدت با محیط فیزیکی تعامل دارد به طوری که از طریق حسگرها اطلاعات محیط را می‌گیرد و از طریق کاراندازها واکنش نشان می‌دهد. ارتباط بین گره‌ها به صورت بی‌سیم است. هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار می‌کند و از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و محدودیت‌هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و... دارد. این محدودیت‌ها مشکلاتی را به وجود می‌آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبکه از پشته پروتکلی شبکه‌های سنتی پیروی می‌کند، اما به دلیل محدودیت‌ها و تفاوت‌های وابسته به کاربرد، پروتکل‌ها باید بازنویسی شوند. این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگی‌ها، محدودیت‌ها، کاربردها، ایده‌ها و چالش‌ها، به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می‌پردازد.


پیشرفت‌های اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازه‌های کوچک از یک‌سو و توسعه فناوری ارتباطات بی‌سیم از سوی دیگر زمینه‌ساز طراحی شبکه‌های حس/کار بی‌سیم شده است. تفاوت اساسی این شبکه‌ها ارتباط آن با محیط و پدیده‌های فیزیکی است. شبکه‌های سنتی ارتباط بین انسان‌ها و پایگاه‌های اطلاعاتی را فراهم می‌کنند در حالی که شبکه حس/کار به طور مستقیم با جهان فیزیکی در ارتباط است.
با استفاده از حسگرها می‌توان محیط فیزیکی را مشاهده و بر اساس مشاهدات خود تصمیم‌گیری کرد و عملیات مناسب را انجام داد. نام شبکه حس/کار بی‌سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می‌شود. برخلاف شبکه‌های سنتی که همه منظوره‌اند شبکه‌های حس/کار تک‌منظوره هستند. از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاه‌های پایه را حذف و هر گوشی را یک گره فرض کنیم ارتباط بین گره‌ها باید به طور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حس/کار بی‌سیم است. اگرچه به نقلی تاریخچه شبکه‌های حس/کار به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا برمی‌گردد، اما این ایده می‌توانسته در ذهن طراحان ربوت‌های متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه‌های بی‌سیم موبایل نیز شکل گرفته باشد. به هر حال از آنجا که این فن نقطه تلاقی دیدگاه‌های مختلف است تحقق آن می‌تواند بستر پیاده‌سازی بسیاری از کاربردهای آینده باشد. کاربرد فراوان این نوع شبکه و ارتباط آن با مباحث مختلف مطرح در کامپیوتر و الکترونیک از جمله امنیت شبکه، ارتباط بلادرنگ‌، پردازش صوت و تصویر، داده کاوی، ربوتیک، طراحی خودکار سیستم‌های جاسازی شده دیجیتال و... میدان وسیعی برای پژوهش محققان با علاقه‌مندی‌های مختلف فراهم کرده است.
شبکه‌های ارتباطی گیرنده بی‌سیم در حال حاضر در محیط‌های شهری نیز استفاده می‌شوند. این شبکه‌ها شامل نظارت محیط و محل‌های سکونت، استفاده بهداشتی و سلامتی، کنترل دستگاه‌های خود کارخانه و نظارت در ترافیک و... هستند.
● ساختار کلی شبکه حس/کار بی‌سیم
در اینجا تعدادی از تعاریف کلیدی در ساختار کلی شبکه حس/کار بی‌سیم را ذکر می‌کنیم.
▪ حسگر: وسیله‌ای که وجود شیء رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص می‌دهد و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب‌سنج, مغناطیس‌سنج و...
▪ کارانداز: با تحریک الکتریکی، عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می‌دهد.
▪ گره حسگر: به گره‌ای گفته می‌شود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.
▪ گره کارانداز: به گره‌ای گفته می‌شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.
▪ گره حسگر/کارانداز: به گره‌ای گفته می‌شود که مجهز به حسگر و کارانداز باشد.
▪ شبکه حسگر: شبکه‌ای که فقط شامل گره‌های حسگر باشد. این شبکه نوع خاصی از شبکه حس/کار است. در کاربردهایی که هدف جمع‌آوری اطلاعات و تحقیق درباره یک پدیده است کاربرد دارد. برای مثال، مطالعه روی گردبادها.
▪ میدان حسگر/کارانداز: ناحیه کاری که گره‌های شبکه حس/کار در آن توزیع می‌شوند.
● مدل شبکه حسگر
شبکه‌های حسگر دارای توانایی کنترل مناطق جغرافیایی چندگانه، به دست آوردن اطلاعات و پردازش داده در شبکه است. طراحی زیربنایی از این شبکه‌های حسگر می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز باشد. اساسی‌ترین هدف یک طراحی در پتولومی سه عامل اصلی قابل مطرح است. نقطه آغاز یک طراحی ایجاد جریانی از فرآیندها یا تکنیک طراحی قدم به قدم برای هر جزء شبکه‌های حسگر است.
● کاربردها
کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم می‌شوند. سیستم‌های ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده‌بانی، میدان مین هوشمند و سیستم‌های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی هستند. در کاربردهای مراقبت پزشکی سیستم‌های مراقبت از بیماران ناتوان، محیط‌های هوشمند برای افراد سالخوده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربردهای آن است. کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می‌شوند. ازجمله این کاربردها می‌توان به سیستم‌های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش‌سوزی (در جنگل)، تشخیص آلودگی‌های زیست‌محیطی از قبیل آلودگی‌های شیمیایی، میکروبی، هسته‌ای، سیستم‌های ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده‌های طبیعی، تحقیق در مورد زندگی گونه‌های خاص از گیاهان و جانوران و... اشاره کرد. در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار به عنوان گروهی از ربوت‌های کوچک که با همکاری یکدیگر فعالیت خاصی را انجام می‌دهند استفاده می‌شوند.
۱) نظارت بر ترافیک:
اغلب شبکه‌های حسگر دینامیک و پویا هستند. اشیا به وسیله رفت و آمد یک شبکه حسگر نظارت می‌شوند و ممکن است در اطراف یک میدان حسگر حرکت کنند. گره‌های حسگر جدید می‌توانند به شبکه ملحق شوند و زمانی که باتری یک گره حسگر تخلیه می‌شود آن شبکه را ترک می‌کند.
حسگرها در امتداد جاده برای جمع‌آوری اطلاعات که به پایگاه اصلی برای تحلیل بیشتر فرستاده می‌شود، توزیع می‌شوند. برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی چنین شبکه‌ای باید ابتدا یک مدل برای میدان حسگر بسازیم که شامل یک مؤلفه برای هر گره حسگر و کانال‌هاست.
۲) بررسی مناطق جغرافیایی:
محققان اروپایی و هندی بر اساس تحقیقات به دست آمده از ارگانیسم‌های زنده، شبکه حسگرهای بی‌سیم خودساختار را طراحی کردند. این شبکه‌ها کاربرد وسیعی در بررسی‌های پیرامونی (محیطی) دارند. باران‌های ناشی از بادهای موسمی اقیانوس هند (مانسون) در ایالت کرالای هند باعث افزایش خطر زمین‌لرزه می‌شود اما سوال اینجاست که چگونه می‌توان به مردم این مناطق قریب‌الوقوع بودن خطر مانسون را اطلاع داد؟ یک راه، استفاده از شبکه حسگرهای بی‌سیم است که به منظور نظارت بر شرایط زمین‌شناسی طراحی شده است. استفاده از این سیستم در حال عمومی شدن است؛ زیرا این حسگرها کوچک، ساده و ارزان هستند و نیازی به کابل‌کشی جهت وصل کردن گره‌های اتصالات و مرکز کنترل ندارند و می‌توانند کاربردهای متعددی داشته باشند. البته نقاط ضعفی نیز در این سیستم وجود دارد.
برای مثال، خراب شدن پیوندهای ارتباطی حسگرها و اینکه منبع تغذیه گره‌ها باتری است. شبکه بزرگ به واسطه حسگرهای زیادی که همزمان با مرکز کنترل در حال ارسال گزارش هستند، شلوغ و پرترافیک می‌شود و چالش پیش‌رو این است که آیا این سیستم می‌تواند به طور قابل اطمینان در مرکز کنترل آلودگی هوا نظارت کند، آیا این سیستم قابلیت اندازه‌گیری شرایط آب و هوایی را دارد؟
این‌ موارد موانعی است که پروژه مذکور را معلق نگه داشته است. اتحادیه اروپا به منظور یافتن راه‌های جدید برای رفع مشکل و تقویت این سیستم در مقابل خرابی گره‌های اتصال و توانایی تولید در مقیاس بزرگ، سرمایه‌گذاری خوبی را انجام داده است. آنچه این پروژه را با پروژه‌های قبل از آن متمایز می‌کند، این است که طرح اولیه آن از سیستم‌های بیولوژیک گرفته شده، زیرا این شبکه شامل حسگرهای زیادی است و ارگانیسم‌های زنده نیز از سلول‌های منفرد فراوانی ساخته شده است. سرآغاز این پروژه، تهیه مدل ریاضی سیستم‌های بیولوژیکی و ترجمه آن‌ها به الگوریتم‌هایی بود که نشان دهند چگونه گره‌ها باید با یکدیگر در تقابل باشند.
در این پروژه، گره حسگر با گره‌های مجاور به گونه‌ای در ارتباط است تا به توافق برسند چه چیزی را حس کنند. پس از آن شبکه، بهترین مسیر بین گره‌های موجود را برای مخابره اطلاعات به مرکز کنترل انتخاب می‌کند. این اصل بیولوژیکی در سیستم ردیابی زمین لغزه (ریزش کوه) به کار می‌رود. نمونه اولیه این شبکه در جنگل‌های پرباران منطقه کرالادر هند نصب شده است. این ناحیه در فصل بارندگی نسبت به زمین لغزه آسیب‌پذیر است. حسگرها زیر زمین کار گذاشته می‌شوند، سپس به یک ماهواره که اطلاعات را جمع می‌کند و به مرکز کنترل انتقال می‌دهد، متصل می‌شوند. این شبکه شامل ۱۲ حسگر ژئولوژیکی است که به ۱۵ گره حسگر متصل هستند و در طول ۱۳ هکتار زمین پخش شده‌اند.
در نمایش دیگری، محققان یک شبیه‌ساز رایانه‌ای را که انتشار آتش در جنگل را شبیه‌سازی می‌کرد، ساختند. این شبیه‌ساز به تقلید از شبکه حسی طراحی شده بود تا بر جنگل‌ها نظارت داشته باشد و آتش‌سوزی را اعلام کند.این حسگرها در جنگل‌های جمهوری چک نصب شد تا منبع گرما و دود را مشخص کند.
هدف نهایی پژوهشگران از اجرای این پروژه پیشرفت در طراحی خودسازمانده است. محققان معتقدند تبادل ایده‌ها بین زیست‌شناسان و مهندسان و به عکس می‌تواند مزایای زیادی به دنبال داشته باشد.