Reteaua de senzori wireless (WSN) se refera la un grup de senzori dispersati spatial si dedicati pentru monitorizarea si inregistrarea conditiilor fizice ale mediului si organizarea datelor colectate intr-o locatie centrala. WSN masoara conditiile de mediu, cum ar fi temperatura, sunetul, nivelurile de poluare, umiditatea, vantul si asa mai departe.

Acestea sunt similare cu retelele ad hoc fara fir, in sensul ca se bazeaza pe conectivitate fara fir si formarea spontana a retelelor, astfel incat datele senzorilor sa poata fi transportate fara fir. WSN-urile sunt senzori autonomi distribuiti spatial pentru a monitoriza conditiile fizice sau de mediu, cum ar fi temperatura, sunetul, presiunea etc. si pentru a-si transmite in mod cooperant datele prin retea la o locatie principala.

Retelele mai moderne sunt bidirectionale, ambele colectand date de la senzorii distribuiti si permit controlul activitatii senzorilor.

Dezvoltarea retelelor de senzori fara fir a fost motivata de aplicatii militare, cum ar fi supravegherea campului de lupta; astazi, astfel de retele sunt utilizate in multe aplicatii industriale si de consum, cum ar fi monitorizarea si controlul proceselor industriale, monitorizarea starii unui automobil etc.

WSN este construit din „noduri” – de la doar cateva, pana la cateva sute sau chiar mii, unde fiecare nod este conectat la unul (sau uneori mai multi) senzori. Fiecare astfel de nod de retea de senzori are de obicei mai multe parti: un transmitator radio cu o antena interna sau o conexiune la o antena externa, un microcontroler, un circuit electronic pentru interfata cu senzorii si o sursa de energie, de obicei o baterie sau o forma incorporata de recoltare a energiei .

Un nod senzor ar putea varia in marime de la dimensiunile unei cutii de pantofi pana la dimensiunea unui bob de praf, desi inca nu au fost create „noduri” functionale cu dimensiuni microscopice. Costul nodurilor senzorilor este in mod similar variabil, variind de la cativa dolari pana la sute de dolari, in functie de complexitatea nodurilor senzoriale individuale.

Constrangerile de marime si costuri pe nodurile senzorilor duc la constrangeri corespunzatoare asupra resurselor, cum ar fi energia, memoria, viteza de calcul si latimea de banda a comunicatiilor. Topologia WSN-urilor poate varia de la o retea in stea simpla la o retea avansata fara fir, de tip multi-hop.

In informatica si telecomunicatii, retelele de senzori fara fir sunt o zona activa de cercetare, cu numeroase ateliere si conferinte organizate in fiecare an, de exemplu IPSN, SenSys si EWSN. Incepand cu 2010, retelele de senzori fara fir au ajuns la aproximativ 120 de milioane de unitati, operate in intreaga lume.

Aplicatii

Monitorizarea zonei

Monitorizarea zonei este o aplicatie comuna a WSN-urilor. In monitorizarea zonei, WSN este desfasurat intr-o regiune in care urmeaza sa fie monitorizat un anumit fenomen. Un exemplu militar este utilizarea senzorilor pentru a detecta intruziunile inamice; un exemplu civil este geo-gardul conductelor de gaz sau petrol.

Monitorizarea asistentei medicale

Exista mai multe tipuri de retele de senzori pentru aplicatii medicale: implantate, portabile si incorporate in mediu. Dispozitivele medicale implantabile sunt cele care sunt inserate in interiorul corpului uman. Dispozitivele portabile sunt utilizate pe suprafata corpului unui om sau chiar in imediata apropiere a utilizatorului.

Sistemele incorporate in mediu utilizeaza senzori continuti in mediu. Aplicatiile posibile includ masurarea pozitiei corpului, localizarea persoanelor, monitorizarea generala a pacientilor bolnavi in spitale, dar si acasa. Dispozitivele incorporate in mediu urmaresc starea fizica a unei persoane pentru diagnostic continuu de sanatate, folosind ca intrare datele dintr-o retea, o podea de detectare sau alte dispozitive similare. Retelele corporale pot colecta informatii despre sanatatea, conditia fizica si consumul de energie al unui individ.

In aplicatiile de ingrijire a sanatatii, confidentialitatea si autenticitatea datelor utilizatorilor au o importanta primordiala. Mai ales datorita integrarii retelelor de senzori, cu IoT, autentificarea utilizatorului devine mai provocatoare; cu toate acestea, o solutie este prezentata in lucrarile recente.

Mediu

Exista multe aplicatii in monitorizarea parametrilor de mediu, si cateva exemple sunt date mai jos. Acestea impartasesc provocarile suplimentare ale mediilor dure si ale surselor (de obicei) reduse de energie.

Monitorizarea poluarii aerului

Retelele de senzori fara fir au fost desfasurate in mai multe orase (Stockholm, Londra si Brisbane) pentru a monitoriza concentratia de gaze periculoase pentru cetateni. Acestea pot profita de legaturile wireless ad hoc, mai degraba decat de instalatiile cu fir, care le fac si mai mobile, pentru testarea citirilor in diferite zone.

Detectarea incendiilor forestiere

O retea de noduri senzoriale poate fi instalata intr-o padure pentru a detecta cand a inceput un incendiu. Nodurile pot fi echipate cu senzori pentru a masura temperatura, umiditatea si gazele produse de focul din copaci sau vegetatie. Detectarea timpurie este cruciala pentru o actiune de succes a pompierilor; datorita retelelor de senzori fara fir, pompierii vor putea sa stie cand se declanseaza un incendiu si cum se raspandeste.

Detectarea alunecarilor de teren

Un sistem de detectare a alunecarilor de teren foloseste o retea de senzori fara fir pentru a detecta miscarile usoare ale solului si modificarile diferitilor parametri care pot aparea inainte sau in timpul unei alunecari de teren. Prin datele colectate poate fi posibil sa se cunoasca iminenta aparitiei alunecarilor de teren cu mult inainte ca acestea sa se intample efectiv.

Monitorizarea calitatii apei

Monitorizarea calitatii apei implica analiza proprietatilor apei din baraje, rauri, lacuri si oceane, precum si a rezervelor de apa subterane. Utilizarea multor senzori distribuiti fara fir, permite crearea unei harti mai precise a starii apei si permite desfasurarea permanenta a statiilor de monitorizare in locatii cu acces dificil, fara a fi nevoie de recuperarea manuala a datelor.

Prevenirea dezastrelor naturale

Retelele de senzori fara fir pot fi eficiente in prevenirea consecintelor negative ale dezastrelor naturale, cum ar fi inundatiile. Nodurile wireless au fost desfasurate cu succes in rauri, unde modificarile nivelurilor apei trebuie monitorizate in timp real.

Monitorizare industriala

Monitorizarea starii masinii

Retelele de senzori fara fir au fost dezvoltate pentru intretinerea bazata pe starea masinilor (CBM), deoarece ofera economii semnificative de costuri si permit functionalitati noi.

Senzorii fara fir pot fi amplasati in locuri dificil sau imposibil de atins cu un sistem cu fir, cum ar fi masinile rotative si vehiculele controlate de la distanta.

Inregistrarea datelor

Retelele de senzori fara fir sunt, de asemenea, utilizate pentru colectarea datelor pentru monitorizarea informatiilor de mediu. Acest lucru poate fi la fel de simplu ca monitorizarea temperaturii intr-un frigider sau a nivelului de apa din rezervoarele de preaplin, din centralele nucleare. Informatiile statistice pot fi apoi utilizate pentru a arata cum functioneaza sistemele. Avantajul WSN-urilor fata de jurnalele conventionale este fluxul de date „live” care este posibil.

Monitorizarea apei / apelor uzate

Monitorizarea calitatii si nivelului apei include numeroase activitati, cum ar fi verificarea calitatii apelor subterane sau de suprafata si asigurarea infrastructurii de apa a unei tari atat in beneficiul oamenilor, cat si al animalelor. Poate fi folosit pentru a proteja risipa de apa.

Detectarea amenintarilor

Sistemul de urmarire a zonei largi (WATS) este o retea prototip pentru detectarea unui dispozitiv nuclear la sol, cum ar fi o „bomba de servieta” nucleara. WATS este dezvoltat la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). WATS este alcatuit din senzori fara fir gamma si neutroni conectati printr-o retea de comunicatii. Datele preluate de senzori sufera o „fuziune de date”, care transforma informatia in forme usor de interpretat; aceasta fuziune de date este cel mai important aspect al sistemului.

Procesul de fuziune a datelor are loc mai degraba in reteaua de senzori decat la un computer centralizat si este realizat de un algoritm special, dezvoltat pe baza de statistici bayesiene. WATS nu foloseste un computer centralizat pentru analiza, deoarece cercetatorii au descoperit ca factori precum latenta si latimea de banda disponibila, tind sa creeze blocaje semnificative. Datele procesate pe teren de catre reteaua insasi (prin transferul unor cantitati mici de date intre senzorii vecini) sunt mai rapide si fac reteaua mai scalabila.

Un factor important in dezvoltarea WATS este usurinta implementarii, deoarece mai multi senzori imbunatatesc rata de detectie si reduc alarmele false. Senzorii WATS ar putea fi implementati in pozitii permanente sau montati in vehicule pentru protectia mobila a unor locatii specifice. Un obstacol in calea implementarii WATS este dimensiunea, greutatea, cerintele de energie si costul senzorilor fara fir disponibili in prezent. Dezvoltarea unor senzori imbunatatiti este o componenta majora a cercetarilor actuale la Directia de neproliferare, controlul armelor si securitate internationala (NAI) de la LLNL.

WATS a fost prezentat subcomitetului de cercetare si dezvoltare militara al Camerei Reprezentantilor SUA la 1 Octombrie 1997 in timpul unei audieri despre terorism nuclear si contramasuri. La 4 August 1998, intr-o reuniune ulterioara a acelui subcomitet, presedintele Curt Weldon a declarat ca finantarea cercetarii pentru WATS a fost redusa de administratia Clinton la un nivel de subzistenta si ca programul a fost slab reorganizat.

Caracteristici

Principalele caracteristici ale unui WSN includ:

• Constrangeri de consum de energie pentru noduri care utilizeaza baterii sau recoltarea de energie. Exemple de furnizori sunt ReVibe Energy si Perpetuum
• Abilitatea de a face fata esecurilor nodului (rezistenta)
• O oarecare mobilitate a nodurilor (pentru noduri foarte mobile – MWSN-uri)
• Eterogenitatea nodurilor
• Omogenitatea nodurilor
• Scalabilitate la scara larga de implementare
• Capacitatea de a rezista conditiilor de mediu dure
• Usurinta in utilizare
• Optimizare pe mai multe straturi

Hardware

O provocare majora intr-un WSN este aceea de a produce noduri – senzor cu costuri reduse si mici. Exista un numar din ce in ce mai mare de companii mici care produc hardware WSN, iar situatia comerciala poate fi comparata cu cea a computerului casnic din anii 1970. Multe dintre noduri sunt inca in etapa de cercetare si dezvoltare, in special software-ul lor. De asemenea, inerenta adoptarii retelei de senzori este utilizarea metodelor de putere foarte mica pentru comunicatii radio si achizitie de date.

In multe aplicatii, un WSN comunica cu o retea locala sau cu o retea larga printr-un gateway. Gateway-ul actioneaza ca o punte intre WSN si cealalta retea. Acest lucru permite stocarea si procesarea datelor de catre dispozitive cu mai multe resurse, de exemplu, pe un server aflat la distanta. O retea wireless extinsa, utilizata in principal pentru dispozitive cu consum redus de energie, este cunoscuta sub numele de retea extinsa cu consum redus de energie (LPWAN).