История и сфера использования

Одним из первых прообразов датчиковой сети можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. В середине 1990-х годов технологии беспроводных датчиковых сетей стали активно развиваться, в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешёвую элементную базу. Беспроводные сети начала 2010-х годов в основном базируются на стандарте ZigBee.

Многие отрасли и сферы деятельности (промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, охрана) заинтересованы во внедрении датчиковых сетей, и число потребителей непрерывно увеличивается[1]. Тенденция обусловлена усложнением технологических процессов, развитием производства, расширяющимися потребностями частных лиц в сегментах безопасности, контроля ресурсов и использования товаро-материальных ценностей. С развитием микроэлектронных технологий появляются новые практические задачи и теоретические проблемы, связанные с применениями датчиковых сетей в промышленности, жилищно-коммунальном комплексе, домашних хозяйствах. Использование недорогих беспроводных датчиков контроля параметров открывает новые области для применения систем телеметрии и контроля[2], такие как:

• Своевременное выявление возможных отказов исполнительных механизмов, по контролю таких параметров, как вибрация, температура, давление и т. п.;
• Контроль доступа к удалённым системам объекта мониторинга в режиме реального времени;
  • обеспечение охраны музейных ценностей;
  • обеспечение учёта экспонатов;
  • автоматическая ревизия экспонатов;
• Автоматизация инспекции и технического обслуживания промышленных активов;
• Управление коммерческими активами;
• Применение как компоненты в энерго- и ресурсосберегающих технологий;
• Контроль экологических параметров окружающей среды

Следует отметить, что несмотря на длительную историю датчиковых сетей[1], концепция построения датчиковой сети окончательно не оформилась и не выразилась в определенные программно-аппаратные (платформенные) решения. Реализация датчиковых сетей на текущем этапе во многом зависит от конкретных требований индустриальной задачи. Архитектура, программно-аппаратная реализация находится на этапе интенсивного формирования технологии, что обращает внимание разработчиков с целью поиска технологической ниши будущих производителей[1].

Технологии

Беспроводные датчиковые сети состоят из миниатюрных вычислительных устройств — мотов, снабжённых датчиками (например, температуры, давления, освещённости, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и передатчиками, работающими в заданном радиодиапазоне. Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети интеллектуальных датчиков среди других беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных, особенно когда речь идет о большом количестве соединенных между собой устройств, датчиковая сеть позволяет подключать до 65 000 устройств. Постоянное снижение стоимости беспроводных решений, повышение их эксплуатационных параметров позволяют постепенно перейти с проводных решений в системах сбора телеметрических данных, средств дистанционной диагностики, обмена информации на беспроводные. «Датчиковая сеть» является сегодня устоявшимся термином, обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных узлов сеть из необслуживаемых и не требующих специальной установки устройств[3]. Каждый узел датчиковой сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микровычислитель и радиоприёмопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.

Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «Сенсорные сети», является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами. Сегодня технология беспроводных датчиковых сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи наблюдения и контроля, которые критичны к времени работы датчиков. Объединённые в беспроводную сеть датчики образуют территориально-распределённую самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и наблюдение измеряемых параметров физических сред и предметов[4].

Принятый стандарт IEEE 802.15.4 описывает контроль доступа к беспроводному каналу и физический уровень для низкоскоростных беспроводных личных сетей, то есть два нижних уровня согласно сетевой модели OSI. «Классическая» архитектура датчиковой сети основана на типовом узле, который включает в себя[5], пример типового узла RC2200AT-SPPIO[6]:

• радиотракт;
• процессорный модуль;
• элемент питания;
• различные датчики.

Использование в типовом узле датчиковой сети в качестве датчика второго передатчика, соответствующего стандарту ISO 24730-5, позволяет использовать датчиковую сеть не только для наблюдения параметров сред и предметов, но и для определения местонахождения и наблюдения передвижений предметов, снабжённых специальными радиочастотными метками. Построенная из таких узлов датчиковая сеть образует беспроводную инфраструктуру RTLS.

Виды узлов

Типовой узел может быть представлен тремя типами устройств[7]:

• Сетевой координатор (NCD — Network Coordination Device);
  • осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети;
  • наиболее сложный из трёх типов устройств, требует наибольший объём памяти и источник питания;
• Устройство с полным набором функций (FFD — Fully Function Device);
  • поддержка 802.15.4;
  • дополнительная память и энергопотребление позволяет выполнять роль координатора сети;
  • поддержка всех типов топологий («точка-точка», «звезда», «дерево», «ячеистая сеть»);
  • способность выполнять роль координатора сети;
  • способность обращаться к другим устройствам в сети;
• RFD — Reduced Function Device;
  • поддерживает ограниченный набор функций 802.15.4;
  • поддержка топологий «точка-точка», «звезда»;
  • не выполняет функции координатора;
  • обращается к координатору сети и маршрутизатору;