كتب sensor node physical structure

المتحكِّم

نظرة عامة على أجهزة استشعار العقد:

( Sensor node hardware)

من الواضح أن التطبيق وحجم التكاليف يلعبان دورا مهما في حال القيام بإنتقاء مكونات الأجهزة فيما يختص بمستشعر لاسلكي. وغالبا ما تعتبر أسلاك الاتصال ذات جودة مقبولة، ولكن تعتبر المفاضلة فيما بينها والتي تكون من خلال مزاياها والتكاليف أمراً بالغ الأهمية. وفي أقصى حالتها يجب أن يكون جهاز الاستشعار الكامل أصغر من 1 سم مكعب، ويزن (إلى حد كبير) أقل من 100 غرام، ويكون أرخص بكثير من USSI، ويتبدد في أقل من 100uw.

وتهدف العقد إلى أن تقوم بتخفيض حجم أجهزة الاستشعار ليصل إلى حجم حبيبات الغبار. وفي تطبيقات أكثر واقعية، يعتبر حجم العقدة أمرا ليس مهما للغاية بل تعتبر إمدادات الطاقة البسيطة أمرا أكثر أهمية. 126 هو حجم هذه التفاوتات على الرغم من وجود اتجاه مشترك معين يمكن ملاحظته في منصات الأجهزة النموذجية لعقد الاستشعار اللاسلكية في حين لا يوجد بالتأكيد معيار واحد متاح، كما أن معيارا كهاذا لديه القدرة على دعم التطبيقات جميعها. بالإضافة إلى ذلك، فإن هناك عددا من المشاريع البحثية التي تركز على تقليص أي من المكونات المتعلقة بحجم واستهلاك الطاقة.

وتتكون عقدة الاستشعار الأساسية من خمسة مكونات رئيسية وحدة تحكم ووحدة تحكم لمعالجة جميع البيانات ذات الصلة، وقادرة على تنفيذ رموز تعسفية على الذاكرة (بعض الذاكرة) لتخزين البرامج والبيانات المتوسطة.

تعتبر أجهزة الاستشعار والمحركات الواجهة الفعلية إلى العالم المادي سواء تم استخدام أنواع مختلفة من الذاكرة للبرامج والبيانات أم لا، ويتطلب الاتصال تحويل الأوضاع إلى شبكة ما لإرسال المعلومات وتلقيها عبر قناة شانيل اللاسلكية.

مكونات أجهزة الاستشعار:

مشغل إمدادات الطاقة كما هو بالعادة بحيث لا تتوفر امدادات للطاقة المتوفرة، ويكون وجود بعض البطاريات ضروريا لتوفير الطاقة. وفي بعض الأحيان يكون هناك شكل من أشكال إعادة الشحن عن طريق الحصول على الطاقة من البيئة (مثل الخلايا الشمسية).

ويجب على كل من هذه المكونات أن تعمل على تحقيق التوازن بين طاقة صغيرة قدر الإمكان من ناحية والحاجة إلى أداء مهامهم من ناحية أخرى. ويجب على أجهزة التحكم أن تكون غير مشغلة على سبيل المثال، يمكن تستخدم أجهزة التحكم مؤقتا مبرمجا مسبقا لإعادة تنشيط مرور بعض الوقت. وبدلا من ذلك، يمكن برمجة أجهزة الاستشعار لرفع القاطع إذا تجاوزت قيمة درجة الحرارة حدا معينا. ويتطلب دعم وظائف التنبيه لهذا التوصيل المناسب بين المكونات الفردية. وعلى ذلك، فإنه يجب تبادل كل من معلومات التحكم والبيانات على طول هذه الاتصالات.

ويمكن لهذا الربط أن يكون بسيطا جدا على سبيل المثال، يمكن أن يقوم جهاز استشعار ببساطة بإبلاغ وحدة التحكم عن تجاوز قيمة (analog)، وإذا تم الكشف في وحدة التحكم الرئيسية عن الحدث الفعلي أي كشف تجاوز الحدود المسموح في المستشعر بدرجة حرارة بسيطة، فإن هذا التجاوز البسيط كاف ليعمل على تشغيل المستشار.

وحدة التحكم الرئيسية:

وحدة التحكم هي جوهر عقدة الاستشعار اللاسلكي. إذ تقوم بجمع البيانات من أجهزة الاستشعار ومعالجتها، وتقرر متى وأين يتم إرسالها؟! وتستقبل البيانات من العقد الأخرى، وتقرر سلوك المشغل. وتنفذ برامج مختلفة تتراوح بين معالجة الإشارات الحرجة وبروتوكولات الاتصال لبرامج التطبيق..

وفيما يتعلق بأدائها في العمل فإنه مثالي، ولا تعمل على استهلاك الطاقة بشكل مفرط، وهي مناسبة لل WSN لإنها تمتلك القابلية لتقليل استهلاك الطاقة بحيث يمكن أن تكون بعض أجزائها في وضعية sleep والبعض الآخر نشط ويؤدي المهام.

بعض الأمثلة على استخدام وحدة التحكم المركزية:

1. Intel strong Arm (الذراع القوية). 2. Texas instruments (MPS 430). 3. Atmel Atmega.

الذاكرة

الذاكرة:

مكون الذاكرة بسيط إلى حد ما. ومن الواضح أن هناك حاجة إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتخزين قراءات أجهزة الاستشعار. في حين إن العيب الرئيسي في ذاكرة الوصول العشوائي السريع هو أنها تفقد محتواها في حالة انقطاع التيار الكهربائي. بحيث يجب تخزين البرنامج في ذاكرة للقراءة فقط (ROM) أو بشكل أكثر شيوعا في الذاكرة القابلة للقراءة فقط القابلة للقراءة إلكترونيا) (EEPROM) (أو ذاكرة الفلاش) التي تكون مشابهة في وقت لاحق ل (EEPROM) ولكن تسمح بتمرير البيانات أو كتابتها في أكثر من بايت بدلا من بايت واحد فقط في الوقت نفسه، ويمكن أيضا أن تكون بمثابة تخزين وسائط من البيانات في حالة أن تكون ذاكرة الوصول العشوائي غير كافية أو عندما تحتاج إمدادات الطاقة من ذاكرة الوصول العشوائي إيقاف التشغيل لبعض الوقت. وينبغي أن تؤخذ في الاعتبار القراءة والكتابة الطويلة، وكذلك الطاقة كبيرة الحجم (ذاكرة البعد الصحيح). ويمكن أن تكون حاسمة فيما يتعلق بالتكاليف واستهلاك الطاقة.

جهاز الإرسال والاستقبال

يستخدم جهاز الاتصالات لتبادل البيانات بين العقد الفردية. في بعض الحالات، يمكن أن تكون الاتصالات السلكية في الواقع طريقة الاختيار وكثيرا ما تطبق في العديد من شبكات أجهزة الاستشعار مثل الإعدادات. تعد حالة الاتصالات اللاسلكية أكثر إثارة للاهتمام.

أجهزة الإرسال والاستقبال أما بالنسبة إلى الاتصالات الفعلية، فإن كلا من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال مطلوبان في عقدة الاستشعار. المهمة الأساسية هي تحويل تيارالأرقام الثنائية القادمة من متحكم (أو سلسلة من بايت أو إطارات) وتحويلها من وإلى موجات الراديو. ولأغراض عملية، يكون من المناسب عادة استخدام جهاز يجمع بين هاتين المهمتين في كيان واحد. وتسمى هذه الأجهزة مجتمعة أجهزة الإرسال والاستقبال. وعادة ما تتحقق عملية نصف الازدواجية لأن الإرسال والاستقبال في نفس الوقت على وسط لاسلكي غير عملي في معظم الحالات.

مهام جهاز الإرسال والاستقبال وخصائصه: لتحديد أجهزة الإرسال والاستقبال المناسبة، ينبغي أخذ عدد من الخصائص في عين الاعتبار. وأهمها: الخدمة إلى الطبقة العليا، استهلاك القدرة والطاقة، تردد الناقل وقنوات متعددة، أوقات وطاقة تغير الحالة، معدلات البيانات، التحوير، الترميز، التحكم بطاقة الانتقال، النسبة بين الاشارات الداخلة والخارجة، كفاءة الطاقة، حساسية المستقبل، المدى، حجب الأداء، حساسية الناقل.

أجهزة الإرسال والاستقبال المناسبة لشبكات الاستشعار اللاسلكية متوفرة من العديد من الشركات المصنعة. عادة، هناك مجموعة كاملة من الأجهزة للاختيار من بينها.

ومن الخصائص الهامة والفرق الرئيسي مقارنة بأجهزة الاتصال الأخرى هي حقيقة أن أجهزة الإرسال والاستقبال البسيط هذه تفتقر في كثير من الأحيان إلى معرف فريد: فلكل جهاز أثيري، على سبيل المثال، عنوان على مستوى ماك يعرف هذا الجهاز بشكل فريد. وبالنسبة للمستقبلات البسیطة، فإن التکالیف الإضافیة لتقدیم مثل ھذا المعرف مرتفعة نسبیا فیما یتعلق بالتکالیف الإجمالیة للجھاز، وبالتالي لا یمکن الاعتماد علی المعرفات الفريدة لکي تکون موجودة في جمیع الأجھزة. توافر مثل هذه المعرفات في الأجهزة مفيد جدا في العديد من بروتوكولات الاتصالات وغيابها سيكون له عواقب كبيرة على تصميم البروتوكول.

الحالات التشغيلية لجهاز الإرسال والاستقبال: يمكن للعديد من أجهزة الإرسال والاستقبال أن تميز أربع حالات تشغيلية: الإرسال: في حالة الإرسال، يكون جزء الإرسال من جهاز الإرسال والاستقبال نشطا والسلك الهوائي يشع الطاقة.

الاستقبال: في حالة الاستقبال يكون جزء الاستقبال نشط.

الخمول: جهاز الإرسال والاستقبال الذي هو على استعداد للاستقبال ولكنه لا يستقبل أي شيء يكون في حالة الخمول. وفي هذه الحالة الخاملة، تكون أجزاء كثيرة من دارات الاستقبال نشطة، بينما تكون أجزاء أخرى غير نشطة. على سبيل المثال، في دارات المزامنة، تكون بعض العناصر المعنية بالاقتناء نشطة، في حين أن العناصر المعنية بالتتبع تكون غير نشطة وتنشط فقط عندما يحصل الجهاز على معلومات ما. مايرز وآخرون يناقشون أيضا تقنيات لإيقاف تشغيل أجزاء من دوائر الحصول على معلومات لأجهزة الإرسال والاستقبال المصدرة من معهد المهندسين الالكترونيين و الكهربائيين802.11. والمصدر الرئيسي لتبديد الطاقة هو التسرب.

الراحة: في حالة الراحة، يتم إيقاف أجزاء كبيرة من جهاز الإرسال والاستقبال. هناك أجهزة الإرسال والاستقبال تقدم عدة حالات مختلفة للراحة، انظر لمرجع لمناقشة حالات الراحة لأجهزة الإرسال والاستقبال المصدرة من معهد المهندسين الالكترونيين والكهربائيين 802.11. تختلف حالات الراحة هذه في كمية الدارات قبالة غيرالنشطة وفي أوقات الاسترداد المرتبطة وطاقة بدء التشغيل. على سبيل المثال، في قوة كاملة أسفل جهاز الإرسال والاستقبال، تكاليف بدء التشغيل تشمل التهيئة كاملة وكذلك تكوين الراديو، في حين أن في حالات الراحة "الأخف"، بعض أجزاء جهاز الإرسال والاستقبال التي تقود الدارة المؤقتة يتم التحكم بها في حين يتم مراعاة عملية التكوين والوضع التشغيلي.

مولد الطاقة

امدادات الطاقة من عقد الاستشعار

بالنسبة لعقد أجهزة الاستشعار اللاسلكية غير المترابطة، فإن مصدر الطاقة هو مكون أساسي للنظام. هنالك

جانبين اساسين : أولا، تخزين الطاقة وتوفير الطاقة في النموذج المطلوب؛ ثانيا،

في محاولة لتجديد الطاقة المستهلكة من قبل "الكسح" من بعض مصدر الطاقة العقدة الخارجية متأخر، بعد فوات الوقت يتم عادة تخزين الطاقة باستخدام البطاريات. كما التوجه الخام، العادي مخازن البطارية حوالي 2.2-2.5 آه في 1.5 V. تصميم البطارية هو العلم والصناعة في حد ذاته، و وقد اجتذبت الكسح الطاقة الكثير من الاهتمام في البحوث. هذا القسم يمكن أن توفر سوى بعض لمحات صغيرة من هذا المجال الشاسع. بعض الأوراق التي تتناول هذه الأسئلة (وتكون بمثابة الأساس لهذا القسم)

تخزين الطاقة: بطاريات البطاريات التقليدية مصدر الطاقة لعقدة الاستشعار هو بطارية، إما غير قابلة للشحن ("البطاريات الأولية") أو، إذا كان جهاز مسح الطاقة موجود على العقدة، قابلة لإعادة الشحن أيضا ("البطاريات الثانوية"). في بعض الأشكال أو غيرها، والبطاريات هي مخازن الكيماوية والكهربائية للطاقة - المواد الكيميائية التي هي العامل الرئيسي المحدد لتكنولوجيا البطاريات

عند هذه البطاريات، تفرض متطلبات صعبة للغاية:

القدرات: وينبغي أن يكون قدرة عالية في وزن صغير، حجم صغير، وانخفاض الأسعار. الرئيسية متري هو الطاقة في وحدة التخزين، J / CM3. ويبين الجدول 2-2 بعض القيم النموذجية لكثافة الطاقة، باستخدام التقليدية، وتقنيات البطارية ماكروسيل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن البحث عن "ميكروسكيل" البطاريات، على سبيل المثال، أودعت مباشرة على رقاقة، ويجري حاليا.

القدرة تحت الحمل: يجب أن تحمل أنماط الاستخدام المختلفة كما عقدة استشعار يمكن أن تستهلك مستويات مختلفة تماما من السلطة مع مرور الوقت ورسم فعلا عالية الحالية في عملية معينة أساليب الأرقام الحالية على استهلاك الطاقة من العقد وسن تختلف ويتم التعامل معها بالتفصيل في القسم 2.2، لذلك فمن الصعب توفير مبادئ توجيهية دقيقة. ولكن بالنسبة لمعظم التكنولوجيات، و أكبر البطارية، وأكثر قوة يمكن تسليمها فورا. وبالإضافة إلى ذلك، تصنيف سعة البطارية المحددة من قبل الشركة المصنعة صالحة فقط طالما أقصى التفريغ لا يتم تجاوز التيارات، لئلا تنخفض القدرة أو حتى فشل البطارية المبكرة يحدث .

التفريغ الذاتي: يجب أن يكون التفريغ الذاتي منخفض؛ فإنها قد تضطر أيضا إلى أن تستمر لفترة طويلة (باستخدام تكنولوجيات معينة، لا تعمل البطاريات إلا لبضعة أشهر، بصرف النظر عن سواء تم سحب الطاقة منها أم لا). فبطاريات الزنك - الهواء، على سبيل المثال، ليس لها سوى عمر قصير جدا (حسب ترتيب الأسابيع) والتي تعوض كثافة الطاقة العالية بشكل جذاب.

إعادة الشحن الفعال: يجب أن تكون عملية إعادة الشحن فعالة حتى عند توفرها بشكل متقطع ومتقطع إعادة شحن الطاقة؛ وبالتالي، يجب أن البطارية لا تظهر أي "تأثير الذاكرة". بعض تقنيات استخراج الطاقة الموصوفة أدناه ليست قادرة إلا على إنتاج التيار في منطقة μA (ولكن ربما مستدامة) في عدد قليل فقط فولت في أحسن الأحوال. البطارية الحالية فإن التكنولوجيا لن تقوم أساسا بإعادة شحن هذه القيم .

الاسترخاء: تأثير الاسترخاء - على ما يبدو إعادة شحن الذاتي فارغة أو فارغة تقريبا البطارية عندما لا يوجه أي تيار منه، على أساس عمليات نشر الكيميائية داخل الخلية - ينبغي فهمها بوضوح. عمر البطارية والقدرة القابلة للاستخدام هو إلى حد كبير تمديد إذا كان هذا التأثير هو الاستدانة. وكمثال واحد، فمن الممكن استخدام بطاريات متعددة بالتوازي مع "جدول" التفريغ من بطارية واحدة إلى أخرى، اعتمادا على الاسترخاء مخازن الطاقة غير التقليدية: وبصرف النظر عن البطاريات التقليدية، هناك أيضا أشكال أخرى من خزانات الطاقة التي يمكن التفكير فيها بمعنى أوسع، خلايا الوقود أيضا مؤهلة كتخزين الكهربائية والكيميائية للطاقة، مباشرة إنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق أكسدة الهيدروجين أو الوقود الهيدروكربوني. خلايا الوقود لديها بالفعل (مثل الميثانول كمخازن وقود 17.6 كيلوجول / سم 3)، ولكنها متاحة حاليا فإن الأنظمة لا تزال تتطلب حجم الحد الأدنى غير مؤهل للمضخات والصمامات، وما إلى ذلك. أكثر قليلا النهج التقليدي لاستخدام الطاقة المخزنة في الهيدروكربونات هو استخدام نسخ مصغرة من الحرارة محركات، على سبيل المثال، توربينات . تقلص هذه المحركات الحرارة إلى الأحجام المطلوبة لا يزال يتطلب جهد بحثي كبير في أنظمة ميكروكلترومشانيكال ؛ التوقعات المتعلقة الطاقة تتراوح بين 0.1-10 واط في أحجام حوالي 1 سم مكعب . وأخيرا، حتى المواد المشعة قد اقترح كمخزن للطاقة وهناك خيار آخر يسمى "قبعات الذهب"، وذات جودة عالية والمكثفات ذات قدرة عالية، والتي يمكن تخزين كميات كبيرة نسبيا من الطاقة، يمكن أن يكون بسهولة و بسرعة إعادة شحنها، ولا تبلى مع مرور الوقت.

التحويل (التيار المباشر- التيار المباشر) لسوء الحظ، البطاريات (أو غيرها من أشكال تخزين الطاقة) وحدها ليست كافية ك مصدر طاقة مباشرة لعقدة الاستشعار. مشكلة واحدة نموذجية هي الحد من الجهد البطارية كما لها قطرات القدرات. وبالتالي، يتم تسليم أقل قوة لدوائر عقدة أجهزة الاستشعار، مع فوري العواقب على الترددات مذبذب وقوة الإرسال - عقدة على بطارية ضعيفة سوف لديها مجموعة نقل أصغر من واحد مع بطارية كاملة، وربما رمي قبالة أي المعايرة القيام به لمجموعة في نطاقات البطارية كاملة. (التيار المباشر-التيار المباشر) محول يمكن استخدامها للتغلب على هذه المشكلة من خلال تنظيم الجهد تسليمها إلى الدوائر العقدة. لضمان الجهد المستمر على الرغم من انخفاض الجهد إمدادات البطارية، (التيار المباشر-التيار المباشر) تحويل لديه لرسم التيار أعلى على نحو متزايد من البطارية عندما تكون البطارية أصبحت بالفعل ضعيفة، وتسريع الموت البطارية، و

(التيار المباشر-التيار المباشر) تحويل لا تستهلك الطاقة لتشغيلها الخاص، والحد من الكفاءة العامة. لكن ال

مزايا عملية يمكن التنبؤ بها خلال دورة الحياة بأكملها يمكن أن تفوق هذه العيوب.

كسح الطاقة: بعض من مخازن الطاقة غير التقليدية المذكورة أعلاه - خلايا الوقود، محركات الحرارة الصغيرة، النشاط الإشعاعي - تحويل الطاقة من بعض المخزنة، شكل ثانوي إلى كهرباء في أقل مباشرة وسهلة استخدام الطريقة من البطارية العادية ستفعل. يتم تخزين امدادات الطاقة بأكملها على العقدة نفسها - مرة واحدة يتم استنفاد امدادات الوقود، فشل عقدة لضمان عقد طويل الأمد حقا وشبكات الاستشعار اللاسلكية، ومثل هذا مخزن الطاقة محدودة غير مقبول. بدلا من ذلك، يجب استغلال الطاقة من بيئة العقدة وإتاحتها إلى العقدة - يجب أن تجري عملية سحب الطاقة. توجد عدة مقاربات:

الخلايا الكهروضوئية : يمكن استخدام الخلايا الشمسية المعروفة لعقد أجهزة الاستشعار. الطاقة المتاحة يعتمد على ما إذا كانت العقد تستخدم في الهواء الطلق أو في الداخل، وفي الوقت المحدد من اليوم وما إذا كان للاستخدام في الهواء الطلق. تقنيات مختلفة هي الأنسب للاستخدام في الهواء الطلق أو في الأماكن المغلقة وتتراوح الطاقة الناتجة بين 10 ميكرو واط / سم 2 في الداخل و 15 ميجاواط / سم 2 في الهواء الطلق. خلايا واحدة تحقيق انتاج الناتج مستقرة إلى حد ما حوالي 0.6 V (وبالتالي يجب أن يمكن استخدامها في سلسلة) طالما أن تيار المسحوب لا يتجاوز عتبة حرجة، والتي يعتمد، من بين عوامل أخرى، على شدة الضوء. وبالتالي، عادة ما تستخدم الخلايا الشمسية لإعادة شحن البطاريات الثانوية. أفضل المقايضات بين تعقيد الدوائر إعادة شحن، وكفاءة الخلايا الشمسية، وعمر البطارية لا تزال أسئلة مفتوحة.

تدرجات درجة الحرارة : يمكن تحويل الاختلافات في درجة الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائي من الناحية النظرية، حتى الفرق الصغيرة، على سبيل المثال، 5 K يمكن أن تنتج قوة كبيرة، ولكن الأجهزة العملية تقع قصيرة جدا من الحدود العليا النظرية (نظرا لكفاءة كارنوت) عادة ما يتم النظر في مولدات الطاقة الحرارية الحرارية القائمة على تأثير سيبيك؛ مثال واحد هو مولد، والتي سوف تكون متاحة تجاريا في وقت قريب، أن يحقق حوالي 80 μW / CM2 في حوالي 1 V من 5 الفرق في درجة الحرارة كلفن

الاهتزازات: شكل واحد تقريبا من الطاقة الميكانيكية هو الاهتزازات: الجدران أو النوافذ في المباني هي صدى مع السيارات أو الشاحنات المارة في الشوارع، وآلات غالبا ما يكون انخفاض التردد الاهتزازات، التهوية أيضا يسبب ذلك، وهلم جرا. تعتمد الطاقة المتاحة على سواء الاتساع والتردد للاهتزاز وتتراوح من حوالي 0.1 μW / CM3 تصل إلى 10، 000 μW / cm3 لبعض الحالات القصوى (الحدود العليا النموذجية هي أقل). تحويل الاهتزازات إلى الطاقة الكهربائية يمكن أن يتم عن طريق وسائل مختلفة، على أساس الكهرومغناطيسية، كهرباء، أو كهرضغطية المبادئ. ويبين الشكل 2-4، على سبيل المثال، أ مولد يعتمد على مكثف متغير الأجهزة العملية من 1 CM3 يمكن أن تنتج عنه 200 μW / CM3 من 2.25 م / ث 2، 120 هرتز مصادر الاهتزاز، في الواقع كافية لقوة بسيطة المرسلات اللاسلكية اختلافات الضغط: تشبه إلى حد ما الاهتزازات، ويمكن أيضا أن تستخدم تباين الضغط كما مصدر الطاقة. وتستخدم هذه المولدات الكهربائية كهرضغطية بالفعل. واحد معروف على سبيل المثال هو إدراج مولد كهرضغطية في كعب حذاء، لتوليد الطاقة كما يمشي الإنسان حول هذا الجهاز يمكن أن تنتج، في المتوسط μW / CM2. أنه، ومع ذلك، ليس من الواضح كيف يمكن تطبيق هذه التكنولوجيات على الشبكات الاجتماعية.

تدفق الهواء / السائل: آخر مصدر الطاقة المستخدمة في كثير من الأحيان هو تدفق الهواء أو السائل في مصانع الرياح أو التوربينات. التحدي هنا هو مرة أخرى التصغير، ولكن بعض من العمل على ميليمترسكال قد تكون التوربينات الغازية ميمس قابلة لإعادة الاستخدام غير أن هذا لم ينتج حتى الآن أي نتائج ملحوظة.