شبكات الاستشعار الموزعة. كيفية نشر شبكات الاستشعار اللاسلكية في البيئات الصناعية الصعبة. نظرة عامة على التقنيات اللاسلكية الحديثة

التاريخ والنطاق

يمكن اعتبار أحد النماذج الأولية لشبكة المستشعرات هو نظام SOSUS ، المصمم لاكتشاف الغواصات والتعرف عليها. بدأت تقنيات شبكات الاستشعار اللاسلكية في التطور بنشاط مؤخرًا نسبيًا - في منتصف التسعينيات. ومع ذلك ، فقط في بداية القرن الحادي والعشرين ، أتاح تطوير الإلكترونيات الدقيقة إنتاج قاعدة عنصر رخيصة إلى حد ما لمثل هذه الأجهزة. تعتمد الشبكات اللاسلكية الحديثة بشكل أساسي على معيار ZigBee. عدد كبير من الصناعات وقطاعات السوق (التصنيع ، أنواع مختلفةالنقل ، ودعم الحياة ، والأمن) جاهز لتنفيذ شبكات الاستشعار ، وهذا الرقم في تزايد مستمر. الاتجاه مدفوع بزيادة التعقيد العمليات التكنولوجية، وتطوير الإنتاج ، وتوسيع احتياجات الأفراد في قطاعات الأمن ، ومراقبة الموارد واستخدام المخزون. مع تطور تقنيات أشباه الموصلات ، تظهر المهام العملية الجديدة والمشاكل النظرية المتعلقة بتطبيقات شبكات الاستشعار في الصناعة والإسكان والخدمات المجتمعية والأسر. يفتح استخدام أجهزة التحكم في المستشعر اللاسلكي منخفضة التكلفة مجالات جديدة لتطبيق القياس عن بعد وأنظمة التحكم ، مثل:

• الكشف في الوقت المناسب عن الأعطال المحتملة للمشغلات ، للتحكم في معلمات مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك ؛
• التحكم في الوصول في الوقت الحقيقي إلى الأنظمة البعيدةكائن المراقبة
• أتمتة التفتيش على الأصول الصناعية وصيانتها ؛
• إدارة الأصول التجارية ؛
• التطبيق كمكونات في تقنيات توفير الطاقة والموارد ؛
• التحكم في البارامترات البيئية للبيئة.

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من التاريخ الطويل لشبكات الاستشعار ، فإن مفهوم بناء شبكة أجهزة الاستشعار لم يتخذ شكلًا نهائيًا ولم يتم التعبير عنه في بعض حلول البرامج والأجهزة (النظام الأساسي). يعتمد تنفيذ شبكات الاستشعار في المرحلة الحالية إلى حد كبير على المتطلبات المحددة للمهمة الصناعية. إن الهندسة المعمارية والبرامج والأجهزة في مرحلة التكوين التكنولوجي المكثف ، والذي يلفت انتباه المطورين من أجل البحث عن مكانة تكنولوجية للمصنعين في المستقبل.

التقنيات

تتكون شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSN) من أجهزة حوسبة مصغرة - موتات ، مزودة بأجهزة استشعار (مستشعرات لدرجة الحرارة والضغط والضوء ومستوى الاهتزاز والموقع وما إلى ذلك) وأجهزة إرسال واستقبال للإشارة تعمل في نطاق راديو معين. تتميز الهندسة المعمارية المرنة وتكاليف التثبيت المنخفضة بتمييز الشبكات اللاسلكية لأجهزة الاستشعار الذكية عن الشبكات اللاسلكية الأخرى و واجهات سلكيةنقل البيانات ، خاصة عندما نحن نتكلمحول عدد كبير من الأجهزة المترابطة ، تتيح لك شبكة المستشعرات توصيل ما يصل إلى 65000 جهاز. إن الانخفاض المستمر في تكلفة الحلول اللاسلكية ، والزيادة في معلماتها التشغيلية تجعل من الممكن إعادة التوجيه تدريجيًا من الحلول السلكية في أنظمة جمع بيانات القياس عن بُعد والتشخيص عن بُعد وتبادل المعلومات. "الشبكة الحسية" مصطلح راسخ اليوم. شبكات الاستشعار) ، للدلالة على شبكة موزعة وذاتية التنظيم ومتسامحة مع الأخطاء من عناصر فردية من غير مراقب ولا تتطلب تثبيتًا خاصًا للأجهزة. قد تحتوي كل عقدة في شبكة المستشعرات على مستشعرات مختلفة لمراقبة البيئة الخارجية وجهاز كمبيوتر صغير وجهاز إرسال واستقبال لاسلكي. يسمح هذا للجهاز بأخذ القياسات وإجراء معالجة البيانات الأولية بشكل مستقل والحفاظ على الاتصال بنظام معلومات خارجي.

قام 802.15.4 / ZigBee بنقل تقنية الراديو قصير المدى ، والمعروفة باسم "شبكات الاستشعار" (eng. WSN - شبكة الاستشعار اللاسلكية) ، هو أحد الاتجاهات الحديثة في تطوير الأنظمة الموزعة ذاتية التنظيم والمتسامحة مع الأخطاء لمراقبة وإدارة الموارد والعمليات. اليوم ، تعد تقنية شبكة المستشعرات اللاسلكية هي التقنية اللاسلكية الوحيدة التي يمكنها حل مهام المراقبة والتحكم الحاسمة لوقت تشغيل أجهزة الاستشعار. تشكل المستشعرات المدمجة في شبكة استشعار لاسلكية نظامًا ذاتي التنظيم موزع إقليمياً لجمع المعلومات ومعالجتها ونقلها. المجال الرئيسي للتطبيق هو التحكم ومراقبة المعلمات المقاسة للوسائط المادية والأشياء.

• مسار الراديو
• وحدة المعالج
• بطارية؛
• أجهزة استشعار مختلفة.

يمكن تمثيل العقدة النموذجية بثلاثة أنواع من الأجهزة:

• منسق الشبكة (FFD - جهاز يعمل بكامل طاقته) ؛
  • يقوم بالتنسيق والتنظيم ووضع معايير الشبكة على الصعيد العالمي ؛
  • أكثر أنواع الأجهزة الثلاثة تعقيدًا ، والتي تتطلب قدرًا كبيرًا من الذاكرة وإمدادات الطاقة ؛

• جهاز مزود بمجموعة كاملة من الوظائف (FFD - جهاز يعمل بالكامل) ؛
  • دعم 802.15.4 ؛
  • تسمح لك الذاكرة الإضافية واستهلاك الطاقة بالعمل كمنسق شبكة ؛
  • دعم لجميع أنواع الهياكل ("نقطة إلى نقطة" ، "نجمة" ، "شجرة" ، "شبكة متداخلة") ؛
  • القدرة على العمل كمنسق شبكة ؛
  • القدرة على الوصول إلى الأجهزة الأخرى على الشبكة ؛
• (RFD - جهاز وظيفي منخفض) ؛
  • يدعم مجموعة محدودة من ميزات 802.15.4 ؛
  • دعم الطبولوجيا من نقطة إلى نقطة والنجمة ؛
  • لا يعمل كمنسق ؛
  • يستدعي منسق الشبكة والموجه ؛

مطوري الشركات

هناك أنواع مختلفة من الشركات في السوق:

ملحوظات

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

تعرف على "شبكات الاستشعار اللاسلكية" في القواميس الأخرى:

- (الأسماء الأخرى: الشبكات اللاسلكية المخصصة ، الشبكات الديناميكية اللاسلكية) الشبكات اللاسلكية اللامركزية التي ليس لها بنية دائمة. أجهزة العميل متصلة بشكل سريع وتشكل شبكة. تحاول كل عقدة شبكة إعادة توجيه ... ... ويكيبيديا

يُقترح إعادة تسمية هذه الصفحة إلى الشبكة اللاسلكية المخصصة. شرح الأسباب والمناقشة على صفحة ويكيبيديا: إعادة تسميتها / 1 ديسمبر 2012. ربما اسمها الحالي لا يفي بمعايير العصر ... ... ويكيبيديا

الشبكات اللاسلكية المخصصة هي شبكات لاسلكية لا مركزية ليس لها بنية دائمة. أجهزة العميل متصلة بشكل سريع وتشكل شبكة. تحاول كل عقدة في الشبكة إعادة توجيه البيانات الموجهة إلى العقد الأخرى. في نفس الوقت ...... ويكيبيديا

الشبكات اللاسلكية المخصصة هي شبكات لاسلكية لا مركزية ليس لها بنية دائمة. أجهزة العميل متصلة بشكل سريع وتشكل شبكة. تحاول كل عقدة في الشبكة إعادة توجيه البيانات الموجهة إلى العقد الأخرى. في نفس الوقت ...... ويكيبيديا

بنية شبكة المستشعرات اللاسلكية النموذجية شبكة المستشعرات اللاسلكية عبارة عن شبكة موزعة ذاتية التنظيم تتكون من العديد من أجهزة الاستشعار (أجهزة الاستشعار) والمشغلات المتصلة ببعضها البعض عبر قناة راديو. المنطقة ...... ويكيبيديا

هل ترغب في تحسين هذه المقالة ؟: أعد صياغة التصميم وفقًا لقواعد كتابة المقالات. تحقق من المقال بحثًا عن الأخطاء النحوية والإملائية. صحح المقال حسب ... ويكيبيديا

القياس عن بعد ، والقياس عن بعد (من اليونانية الأخرى τῆλε "بعيدة" + μέτρεω "قياس") مجموعة من التقنيات التي تسمح بالقياسات عن بعد وجمع المعلومات التي سيتم توفيرها للمشغل أو المستخدم ، وهي جزء لا يتجزأ ... ... ويكيبيديا

إشارات النطاق العريض للغاية (UWB) هي إشارات راديو (إشارات UHF) ذات نطاق ترددي "كبير جدًا". يتم استخدامها للرادار واسع النطاق والاتصالات اللاسلكية فائقة النطاق. المحتويات 1 التعريف 2 اللوائح ... ويكيبيديا

أول بروتوكول مفتوح شبكة لاسلكيةنقل البيانات ، المصمم لأغراض أتمتة البناء والتحكم في الكائنات الموزعة. يمكن استخدام شبكة واحدة مع العديد من أجهزة الإرسال والاستقبال الموجودة و ... ويكيبيديا

شبكات الاستشعار الموزعة

ما هي شبكات الاستشعار اللاسلكية؟

مجسات وجهاز استقبال

شبكات الاستشعار اللاسلكية مبنية من عقد تسمى موتي (قذى) - أجهزة صغيرة مستقلة تعمل بالبطاريات والرقائق الدقيقة مع اتصال لاسلكي بتردد - على سبيل المثال 2.4 جيجا هرتز. خاص برمجةيسمح للجراثيم بالتنظيم الذاتي فيها الشبكات الموزعة، والتواصل مع بعضها البعض ، واستجواب وتبادل البيانات مع أقرب العقد ، والتي لا تتجاوز المسافة عادة 100 متر.

في الأدب الإنجليزي ، تسمى هذه الشبكة شبكة استشعار لاسلكي(WSN) عبارة عن شبكة لاسلكية تتكون من أجهزة مستقلة موزعة جغرافيًا تستخدم مستشعرات لمراقبة الظروف المادية أو البيئية بشكل مشترك في مناطق مختلفة.

يمكنهم قياس المعلمات مثل درجة الحرارة ، والصوت ، والاهتزاز ، والضغط ، وحركة الأشياء أو الهواء. كان الدافع في البداية لتطوير شبكات الاستشعار اللاسلكية هو المهام العسكرية مثل مراقبة ساحة المعركة. حاليًا ، يتم استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل متزايد في العديد من مجالات الحياة المدنية ، بما في ذلك المراقبة الصناعية والبيئية ، والرعاية الصحية ، والتحكم في حركة الكائنات. النطاق آخذ في الاتساع.

مبادئ العمل الأساسية

رسم تخطيطي للشبكة من 3 مستويات. المستوى الأول من أجهزة الاستشعار والبوابة. مستوى الخادم الثاني. جهاز عميل رفيع المستوى من المستوى 3

كل عقدة شبكة: موتمجهزة بجهاز إرسال واستقبال لاسلكي أو أي جهاز آخر اتصالات لاسلكية، وهو متحكم صغير ومصدر للطاقة ، وعادة ما يكون بطارية. يمكن استخدامها مع الألواح الشمسية أو مصادر الطاقة البديلة الأخرى

يتم نقل البيانات من العناصر البعيدة عبر الشبكة بين أقربها من عقدة إلى عقدة ، عبر قناة راديو. نتيجة لذلك ، يتم إرسال حزمة بيانات من أقرب نقطة إلى البوابة. البوابة متصلة ، كقاعدة عامة ، بكبل USB بالخادم. على الخادم - تتم معالجة البيانات التي تم جمعها وتخزينها ويمكن الوصول إليها من خلال WEB shell لمجموعة واسعة من المستخدمين.

تختلف تكلفة عقدة المستشعر من مئات الدولارات إلى بضعة سنتات ، اعتمادًا على حجم شبكة الاستشعار وتعقيدها.

الأجهزة والمعايير

بوابة (قطعتان) ، متصلة بجهاز كمبيوتر محمول باستخدام كبل USB. الكمبيوتر المحمول متصل بالإنترنت عبر UTP ويعمل كخادم

أجهزة الاستشعار مع هوائي الراديو

أجهزة العقدة اللاسلكية وبروتوكولات الشبكات بين العقد هي طاقة مُحسّنة لتوفيرها طويل الأمدتشغيل النظام بمصادر طاقة مستقلة. اعتمادًا على طريقة التشغيل ، يمكن أن يصل عمر العقدة إلى عدة سنوات.

يتم حاليًا التصديق على عدد من المعايير أو قيد التطوير لشبكات الاستشعار اللاسلكية. ZigBee هو معيار لأشياء مثل التحكم الصناعي ، والاستشعار المدمج ، وجمع البيانات الطبية ، وأتمتة المباني. يتم تسهيل تطوير Zigbee من خلال كونسورتيوم كبير من الشركات الصناعية.

• WirelessHART هو امتداد لبروتوكول HART للأتمتة الصناعية. تمت إضافة WirelessHART إلى بروتوكول HART العام كجزء من مواصفات HART 7 ، والتي تمت الموافقة عليها من قبل مؤسسة HART Communications Foundation في يونيو 2007.
• 6lowpan هو المعيار المعلن لطبقة الشبكة ، لكن لم يتم اعتماده بعد.
• ISA100 هو عمل آخر في محاولة للدخول إلى تقنية WSN ، ولكن تم بناؤه على نطاق أوسع ليشمل تعليقالسيطرة في مجالهم. من المتوقع أن يتم الانتهاء من تنفيذ ISA100 على أساس معايير ANSI بحلول نهاية عام 2008.

WirelessHART و ISA100 و ZigBee وكلها تستند إلى نفس المعيار: IEEE 802.15.4 - 2005.

برنامج شبكة الاستشعار اللاسلكية

نظام التشغيل

تعد أنظمة التشغيل لشبكات الاستشعار اللاسلكية أقل تعقيدًا من أنظمة التشغيل العامة نظرًا لمحدودية الموارد في المعداتشبكة الاستشعار. و لهذا، نظام التشغيللا حاجة لتضمين دعم واجهات المستخدم.

لا تختلف أجهزة شبكة المستشعر اللاسلكي عن الأنظمة التقليدية المضمنة ، وبالتالي يمكن استخدام نظام تشغيل مضمن لشبكات الاستشعار

تطبيقات التصور

برنامج تصور نتائج القياس وإعداد التقارير MoteView v1.1

عادةً ما يتم تخزين البيانات من شبكات الاستشعار اللاسلكية كبيانات رقمية في محطة قاعدة مركزية. هناك العديد من البرامج القياسية، مثل TosGUI MonSense و SOT ، مما يسهل عرض هذه الكميات الكبيرة من البيانات. بالإضافة إلى ذلك ، تحدد Open Consortium (OGC) معايير التشغيل البيني وإمكانية التشغيل البيني لبيانات التعريف المشفرة ، والتي ستمكن أي شخص من المراقبة أو التحكم في شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية في الوقت الفعلي من خلال متصفح الويب.

للعمل مع البيانات الواردة من عقد شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية ، يتم استخدام البرامج التي تسهل عرض البيانات وتقييمها. أحد هذه البرامج هو MoteView. يتيح لك هذا البرنامج عرض البيانات في الوقت الفعلي وتحليلها ، وبناء جميع أنواع الرسوم البيانية ، وإصدار التقارير في أقسام مختلفة.

فوائد استخدام

• لا حاجة لوضع الكابلات لإمدادات الطاقة ونقل البيانات ؛
• انخفاض تكلفة المكونات والتركيب والتشغيل والصيانة للنظام ؛
• نشر شبكة سريع وسهل ؛
• الموثوقية والتسامح مع الخطأ للنظام بأكمله ككل في حالة فشل العقد أو المكونات الفردية ؛
• إمكانية تنفيذ وتعديل الشبكة في أي كائن دون التدخل في عملية عمل الكائنات نفسها
• إمكانية التثبيت السريع ، وإذا لزم الأمر ، بشكل خفي للنظام بأكمله.

يبلغ حجم كل مستشعر حجم غطاء البيرة تقريبًا (ولكن يمكن تصغيره مئات المرات في المستقبل) ويحتوي على معالج وذاكرة وجهاز إرسال لاسلكي. يمكن أن تكون هذه الأغطية مبعثرة في أي منطقة ، وسيقومون هم أنفسهم بإنشاء اتصال مع بعضهم البعض ، وتشكيل شبكة لاسلكية واحدة والبدء في نقل البيانات إلى أقرب جهاز كمبيوتر.

عند دمجها في شبكة لاسلكية ، يمكن لأجهزة الاستشعار تتبع المعلمات البيئية: الحركة ، والضوء ، ودرجة الحرارة ، والضغط ، والرطوبة ، وما إلى ذلك. يمكن إجراء المراقبة على مساحة كبيرة جدًا ، لأن المستشعرات تنقل المعلومات على طول السلسلة من جار إلى آخر. تسمح لهم التكنولوجيا بالعمل لسنوات (حتى عقود) دون تغيير البطاريات. شبكات الاستشعار هي أجهزة الإحساس العالمية للكمبيوتر ، ويمكن التعرف على جميع الأشياء المادية في العالم المجهزة بأجهزة استشعار بواسطة الكمبيوتر. في المستقبل ، سيتلقى كل من المليارات من أجهزة الاستشعار عنوان IP ، وقد يشكلون شيئًا مثل شبكة الاستشعار العالمية. حتى الآن ، لم يهتم سوى الجيش والصناعة بقدرات شبكات الاستشعار. وفقًا لآخر تقرير صادر عن ON World ، المتخصصة في أبحاث سوق شبكات الاستشعار ، يشهد السوق هذا العام انتعاشًا كبيرًا. حدث ملحوظ آخر هذا العام كان إطلاق أول نظام ZigBee أحادي الرقاقة في العالم (من صنع Ember). من بين الشركات الصناعية الأمريكية الكبرى التي شملتها الدراسة التي أجرتها ON World ، يستخدم حوالي 29٪ بالفعل شبكات استشعار ، ويخطط 40٪ أخرى لنشرها في غضون 18 شهرًا. في أمريكا ، ظهرت أكثر من مائة شركة تجارية تعمل في إنشاء وصيانة شبكات الاستشعار.

بحلول نهاية هذا العام ، سيتجاوز عدد أجهزة الاستشعار على هذا الكوكب المليون ، والآن لا يتزايد عدد الشبكات فحسب ، بل يتزايد حجمها أيضًا. وللمرة الأولى ، تم إنشاء وتشغيل عدة شبكات تضم أكثر من 1000 عقدة ، بما في ذلك شبكة تتكون من 25000 عقدة.

المصدر: ويب بلانيت

منطقة التطبيق

تطبيقات WSN كثيرة ومتنوعة. يتم استخدامها في الأعمال التجارية و أنظمة صناعيةلرصد البيانات التي يصعب التحكم فيها أو تكون مكلفة باستخدام أجهزة الاستشعار السلكية. يمكن استخدام شبكات WSN في المناطق التي يصعب الوصول إليها ، حيث يمكن أن تبقى لسنوات عديدة (المراقبة البيئية البيئية) دون الحاجة إلى تغيير مصادر الطاقة. يمكنهم التحكم في تصرفات منتهكي منشأة محمية

يستخدم WSN أيضًا للمراقبة والتتبع والتحكم. فيما يلي بعض التطبيقات:

• مراقبة الدخان والكشف عن الحرائق من الغابات الكبيرة والأراضي الخثية
• مصدر معلومات إضافي لمراكز الأزمات التابعة لإدارة رعايا الاتحاد الروسي
• الكشف الزلزالي عن التوتر المحتمل
• ملاحظات عسكرية
• كشف حركة الأجسام الصوتية في أنظمة الأمن.
• المراقبة البيئية للفضاء والبيئة
• مراقبة العمليات الصناعية ، واستخدامها في أنظمة MES
• المراقبة الطبية

التشغيل الآلي للمبنى:

	مراقبة درجة الحرارة وتدفق الهواء ووجود الأشخاص والتحكم في المعدات للحفاظ على المناخ المحلي ؛
	التحكم بالإضاءة؛
	إدارة الطاقة؛
	جمع قراءات عدادات الشقق للغاز والماء والكهرباء وما إلى ذلك ؛
	الأمن وإنذار الحريق.
	مراقبة حالة الهياكل الحاملة للمباني والمنشآت.

الأتمتة الصناعية:

	التحكم عن بعد وتشخيص المعدات الصناعية ؛
	صيانةالمعدات وفقًا للحالة الحالية (التنبؤ بهامش الموثوقية) ؛
	يراقب عمليات الانتاج;

تُستخدم نسخة الشركة من تقنية إنترنت الأشياء (IoT) بنشاط في الصناعة اليوم. يستخدم Enterprise Internet of Things (EIoT) شبكات الاستشعار اللاسلكية وأدوات التحكم لتزويد المؤسسات بطرق جديدة للتحكم في الآلات والمعدات. يمكن وضع المستشعرات اللاسلكية ، التي تعمل ببطارية صغيرة دون توصيلها بمصدر طاقة سلكي ، في بيئات صناعية في أماكن يتعذر الوصول إليها تمامًا بواسطة أدوات التحكم من الجيل السابق.

حسنت تقنية EIoT من الموثوقية والأمان وقابلية التشغيل البيني للأنظمة والمعدات لتلبية متطلبات التنفيذ الأكثر صرامة التقنيات اللاسلكيةهذا الاتجاه ليس فقط في الصناعة ، ولكن أيضًا في مجال الرعاية الصحية والخدمات المالية وما إلى ذلك. يأخذ EIoT في الاعتبار احتياجات هذه المجالات نظرًا لحقيقة أن تحديدوعناصر تصميم هذه التكنولوجيا الجديدة أفضل بكثير من تقنيات إنترنت الأشياء المماثلة للأجهزة التقليدية المصممة للتطبيقات الاستهلاكية أو التجارية الأقل أهمية.

قضايا EIoT

يمكن أن تعمل أجهزة الاستشعار وأدوات التحكم المزودة بتقنية EIoT في أي مكان تقريبًا في بيئة صناعية ، ولكن حتى الآن كانت مسألة حظ لأن كل المعدات الصناعية ليست مثالية للاستخدام اللاسلكي. هذا بسبب وجود عنصرين مترابطين ولكن يبدو أنهما متناقضان في نشر إنترنت الأشياء:

1. الشبكة اللاسلكية للأجهزة نفسها ، والتي يتم تثبيتها باستخدام أجهزة استشعار وأدوات تحكم مرتبطة بتقنية المدى القصير مع استهلاك منخفض للطاقة.
2. شبكة من مستشعرات إنترنت الأشياء تتفاعل مع معدات ووحدات تحكم وأجزاء أخرى من الشبكة موجودة بالفعل على مسافة أكبر.

أرز. 1. تطبيقات بعيدة عن المراكز الحضرية وخدمات الاتصالات التقليدية الخاصة بالمنظمة شبكة عالميةيمكن الاستفادة من بروتوكول اتصال موفر للطاقة مثل LoRa

غالبًا ما تكون استحالة الاتصال الموثوق به عبر مسافات طويلة هي أهم عقبة في البيئة الصناعية. سبب هذه المشكلة بسيط: الاتصالات السلكية واللاسلكية ، التي تتم عبر خطوط الكابلات السلكية أو باستخدام نقل الإشارة عبر الأبراج. الاتصال الخلوي، لا يتوفر دائمًا في مواقع المعدات الصناعية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة استخدام الخدمات الخلوية فقط لتقديم عدة حزم من البيانات من أجهزة الاستشعار في جلسة اتصال واحدة ليس لها معنى كبير سواء من وجهة النظر الاقتصادية أو من الاعتبارات التقنية البحتة. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما توجد مشكلة في تزويد الطاقة لأجهزة الاستشعار وأجهزة الاتصال ، والتي يصعب جدًا تنظيمها في الأماكن النائية حيث لا يتم تشغيل المعدات أو البنية التحتية مباشرة من الشبكة الصناعية.

على الرغم من التغطية الواسعة للاتصالات الخلوية في المستوطنات ، لا توجد في بعض الأماكن خدمة موثوقة لتنظيم الاتصالات اللاسلكية. هذه مشكلة شائعة في المناطق الريفية والمواقع النائية للمعدات الصناعية ، مثل معدات النفط والغاز المعزولة أو نقل خطوط الأنابيب وإمدادات المياه وأنظمة الصرف الصحي (الشكل 1) ، إلخ. وغالبًا ما تكون هذه المواقع بعيدة عن أقرب خدمة فنية الأفراد الذين يتحققون من الأداء السليم للأجهزة. في بعض الأحيان يستغرق المهندس يومًا كاملاً ، أو حتى عدة أيام ، للوصول إلى المعدات وفحصها. غالبًا ما يكون من الصعب والسهل العثور على متخصصين على استعداد للعمل في مثل هذه المناطق النائية. نظرًا لأنه نظرًا لتغطية الاتصالات المحدودة ، فإن المستشعرات وأدوات التحكم التي تدعم تقنية EIoT نادرة جدًا في المواقع البعيدة ، حيث تأتي شبكات المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة (LPWAN) للإنقاذ هنا.

BLE و LPWAN

أكثر التقنيات اللاسلكية قصيرة المدى استخدامًا في أنظمة EIoT هي Bluetooth Low Energy - BLE (طاقة Bluetooth منخفضة ، والمعروفة أيضًا باسم Bluetooth Smart). السبب الرئيسي لشعبية BLE العالية لـ EIoT هو كفاءتها في استخدام الطاقة ، والتي تسمح لأجهزة الاستشعار وأدوات التحكم بالعمل لفترة طويلة مع استهلاك منخفض جدًا للبطارية. يدير BLE دورات النوم ، والاستعداد ، والدورات النشطة. يستخدم BLE أيضًا على نطاق واسع نظرًا لقوة إشارة التردد اللاسلكي الخاصة به ، والتي تسمح لهذه التقنية بالعمل بفعالية حتى في البيئات الصعبة مع زيادة مستويات الضوضاء عالية التردد القادمة من الإشارات الرقميةمن أجهزة الكمبيوتر وحتى في وجود عوائق مادية أمام انتشار موجات الراديو. لكن ، كما تعلم ، كل هذه العوامل مألوفة في البيئة الصناعية.

في مشاريع تنفيذ EIoT ، فإن تقنية BLE هي الأساس لتنظيم الاتصالات قصيرة المدى. علاوة على ذلك ، يمكن استخدامه في كل من مجمعات المعدات الصناعية التي تم تشغيلها بالفعل والتي لا تزال قيد التصميم. ومع ذلك ، فإن مثل هذه الشبكة من الأجهزة التي تدعم تقنية BLE تحتاج إلى طريقة لتلقي التعليمات وترحيل البيانات عبر مسافات أطول. الاعتماد على البنية التحتية للاتصالات التقليدية التي تسمح بشبكة Wi-Fi ثنائية الاتجاه أو الإشارات الخلوية غير ممكن بسبب الحاجز الذي يحد من تطبيق شبكات الاستشعار والتحكم هذه. من خلال الجمع بين BLE والمدى الفائق وكفاءة استخدام الطاقة لتقنية LoRa ، تمكنت الشركات من نشر EIoT في الأماكن التي لا تتوفر فيها البنية التحتية للاتصالات السلكية واللاسلكية والبنية التحتية للطاقة ، وهذا بدوره أدى إلى توسيع جغرافية تنفيذ الإنترنت تكنولوجيا الأشياء.

أرز. 2. يتم توصيل المستشعرات أولاً بعميل LoRa ثم من خلال بوابة LoRa

غالبًا ما يكون بروتوكول LoRa WAN هو LPWAN لأنه يوفر نقلًا آمنًا للبيانات ثنائية الاتجاه والاتصال بشبكات إنترنت الأشياء عبر مسافات طويلة لسنوات دون استبدال البطارية. عند استخدام تقنية LoRa ، من الممكن إرسال واستقبال الإشارات على مسافة تصل إلى حوالي 16 كم ، وإذا لزم الأمر ، يمكن لأجهزة إعادة الإرسال (المكررات) زيادة هذه المسافة إلى مئات الكيلومترات. على التين. يوضح الشكل 2 كيفية عمل LoRa. بالنسبة لتطبيقات إنترنت الأشياء ، تتمتع LoRa بالعديد من المزايا على وجه التحديد بسبب خصائصها وقدراتها الاقتصادية:

• نظرًا لأن LoRa ، مثل BLE ، هي تقنية ذات طاقة منخفضة للغاية ، فهي قادرة على العمل على شبكات أجهزة IoT التي تعمل بالبطارية ويمكن أن توفر عمرًا طويلاً للبطارية دون الحاجة إلى صيانة متكررة.
• تعتبر عقد LoRa غير مكلفة وتسمح للشركات بتقليل تكلفة نقل البيانات عبر الأنظمة الخلوية ، فضلاً عن التخلص من تركيب الألياف البصرية أو الكابلات النحاسية. هذا يزيل عائقًا ماليًا رئيسيًا لربط أجهزة الاستشعار والمعدات الموجودة عن بُعد.
• تعمل تقنية LoRa أيضًا بشكل جيد مع أجهزة الشبكة الداخلية ، بما في ذلك البيئات الصناعية المعقدة.
• LoRa قابلة للتطوير بدرجة كبيرة وقابلة للتشغيل البيني من خلال دعم ملايين العقد ، ويمكن توصيلها بشبكات البيانات العامة والخاصة وأنظمة الاتصال ثنائية الاتجاه.

لذلك ، في حين أن تقنيات LPWAN الأخرى لا يمكنها إلا حل مشكلة نطاق الاتصال في تنفيذ حلول إنترنت الأشياء على المدى الطويل ، فإن تقنية LoRa توفر اتصالًا ثنائي الاتجاه ، ومكافحة التشويش ومحتوى معلومات عالي لهذا الغرض.

LoRa له أيضًا عيب كبير - منخفض الإنتاجية. هذا يجعلها غير مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تدفق البيانات. ومع ذلك ، فإن هذا القيد لا يمنع استخدامه لمجموعة واسعة من تطبيقات إنترنت الأشياء حيث يتم إرسال حزم البيانات الصغيرة فقط من وقت لآخر.

تفاعل

أرز. 3. وحدة RM1xx من Laird ، والتي تتضمن قدرات الاتصال لبروتوكولات الشبكة اللاسلكية LoRa و Bluetooth

تتضاعف إمكانات LoRa عندما يتم دمجها مع تقنية مثل BLE. يوفران معًا مجموعة من الإمكانات اللاسلكية منخفضة الطاقة للغاية للاتصالات قصيرة وطويلة المدى التي تعزز قدرات شبكات EIoT. على سبيل المثال ، يمكن تغطية الجزء المركزي من المناطق الحضرية ببضعة بوابات LoRaWAN ، والتي تعد أساس شبكات استشعار BLE ، والتي أصبحت الآن مستقلة عن البنى التحتية للاتصالات السلكية واللاسلكية التقليدية. وبالتالي ، فإن تكافل LoRa و BLE يزيل عددًا من الحواجز أمام توسع إنترنت الأشياء في كل من المدن الكبرى والمدن الصغيرة التي لديها حواجز أمام التنفيذ الواسع لإنترنت الأشياء. ومع ذلك ، فإن أكبر المستفيدين من الجمع بين LoRA و BLE هم أجهزة الاستشعار اللاسلكية وأجهزة التحكم وغيرها من المعدات ، والتي يمكن الآن تركيبها دون أي قيود حرفياً في أي مكان (الشكل 3). هذه ميزة خاصة لـ BLE. يسمح BLE أيضًا لهذه الأجهزة بالعمل معًا في شبكة متكاملة قصيرة المدى يتم التحكم فيها ، على سبيل المثال ، من الهواتف الذكية أو الأجهزة اللوحية ، والتي تُستخدم في هذه الحالة كشاشات عرض لاسلكية عن بُعد. في هذه الحزمة ، تعمل تقنية LoRa ، استنادًا إلى القدرات المحمولة لـ BLE ، كنوع من محطات الترحيل اللاسلكي التي يمكنها إرسال واستقبال البيانات عبر مسافات طويلة. علاوة على ذلك ، يمكن زيادة هذه المسافات عن طريق بوابات بسيطة لنقل الإشارات.

هناك بالفعل العديد من الأمثلة الجيدة التي توضح كيف أن اقتران LoRa و BLE يسمح لشبكات EIoT بالوصول إلى مستوى تقني مختلف تمامًا وزيادة توسعها.

يمكن استخدام مزايا تقنيات شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل فعال في حل المشكلات التطبيقية المختلفة المتعلقة بالتجميع الموزع وتحليل ونقل المعلومات.

التشغيل الآلي للمبنى

في بعض تطبيقات أتمتة المباني ، لا يكون استخدام أنظمة الاتصال السلكية التقليدية ممكنًا لأسباب اقتصادية.

على سبيل المثال ، يلزم إدخال نظام جديد أو توسيع نظام موجود في مبنى عامل. في هذه الحالة ، يعد استخدام الحلول اللاسلكية هو الخيار الأكثر قبولًا ، لأن. لا إضافي أعمال التركيبمع انتهاك الديكور الداخلي للمبنى ، لا يحدث أي إزعاج من الناحية العملية للموظفين أو المقيمين في المبنى ، إلخ. نتيجة لذلك ، يتم تقليل تكلفة تنفيذ النظام بشكل كبير.

ومن الأمثلة الأخرى مباني المكاتب ذات المخطط المفتوح التي لا يمكن تحديد مواقع أجهزة الاستشعار فيها بدقة في مرحلة التصميم والبناء. في الوقت نفسه ، يمكن أن يتغير تخطيط المكاتب عدة مرات أثناء تشغيل المبنى ، وبالتالي ، يجب أن يكون الوقت والتكلفة اللذين يتم إنفاقهما على إعادة تكوين النظام في حده الأدنى ، وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام الحلول اللاسلكية.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعطاء الأمثلة التالية للأنظمة القائمة على شبكات الاستشعار اللاسلكية:

• مراقبة درجة الحرارة وتدفق الهواء ووجود الأشخاص والتحكم في معدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء من أجل الحفاظ على المناخ المحلي ؛
• التحكم بالإضاءة؛
• إدارة الطاقة؛
• جمع القراءات من عدادات الشقة للغاز والماء والكهرباء وما إلى ذلك ؛
• مراقبة حالة الهياكل الحاملة للمباني والمنشآت.

الأتمتة الصناعية

حتى الآن ، تم تقييد الاستخدام الواسع النطاق للاتصالات اللاسلكية في مجال الأتمتة الصناعية بسبب ضعف موثوقية الروابط اللاسلكية مقارنة بالتوصيلات السلكية في البيئات الصناعية القاسية ، لكن شبكات الاستشعار اللاسلكية تعمل على تغيير الوضع بشكل كبير ، بسبب. مقاومة بطبيعتها لأنواع مختلفة من الاضطرابات (على سبيل المثال ، الضرر المادي للعقدة ، وظهور التداخل ، وتغيير العوائق ، وما إلى ذلك). علاوة على ذلك ، في ظل بعض الظروف ، يمكن أن توفر شبكة المستشعرات اللاسلكية موثوقية أكبر من نظام الاتصال السلكي.

الحلول القائمة على شبكات الاستشعار اللاسلكية تلبي تمامًا متطلبات الصناعة:

• التسامح مع الخطأ؛
• قابلية التوسع؛
• القدرة على التكيف مع ظروف التشغيل ؛
• كفاءة الطاقة
• مع مراعاة خصوصيات المهمة المطبقة ؛
• الربحية الاقتصادية.

يمكن استخدام تقنيات شبكات الاستشعار اللاسلكية في مهام الأتمتة الصناعية التالية:

• التحكم عن بعد وتشخيص المعدات الصناعية ؛
• صيانة المعدات وفقًا للحالة الحالية (التنبؤ بهامش الأمان) ؛
• مراقبة عمليات الإنتاج ؛
• القياس عن بعد للبحث والاختبار.

تطبيقات أخرى

الميزات الفريدة والاختلافات بين شبكات الاستشعار اللاسلكية من الشبكات السلكية التقليدية و أنظمة لاسلكيةيجعل نقل البيانات تطبيقاتهم فعالة في مجموعة متنوعة من المجالات. على سبيل المثال:

• الأمن والدفاع:
  • السيطرة على حركة الناس والمعدات ؛
  • وسائل الاتصالات والاستخبارات العملياتية ؛
  • التحكم في المحيط والمراقبة عن بعد ؛
  • المساعدة في عمليات الإنقاذ ؛
  • مراقبة الممتلكات والأشياء الثمينة ؛
  • الأمن وإنذار الحريق.
• المراقبة البيئية:
  • مراقبة التلوث؛
  • زراعة؛
• الرعاىة الصحية:
  • مراقبة الحالة الفسيولوجية للمرضى ؛
  • مراقبة الموقع وإخطار الطاقم الطبي.