ارتباطات حسی در جهان فیزیکی

بستر آزمایشی شبکه های حسگر بی سیم از سوی پژوهشگران دانشکده مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات دانشگاه صنعتی امیرکبیر طراحی شده است

کد خبر: ۱۳۲۱۴۳

؛ اگرچه کار روی این شبکه ها ابتدا با هدف و کاربردهای نظامی و دفاعی شروع شد؛ اما به سرعت کاربردهای بسیار دیگری پیدا کرد که باعث شدند تا این شبکه های حسگر، در تمام حوزه های صنعتی ، پزشکی ، کشاورزی ، امنیتی و... به صورت وسیعی به کار روند.
برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره هستند، شبکه های حسگر تک منظوره هم در نظر گرفته می شوند و در صورتی که توانایی حرکت داشته باشند می توانند به گروهی از رباتهای کوچک تبدیل شوند که به صورت تیمی کار می کنند و برای مقصد خاصی همچون بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شده اند.

پیشرفت های اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازه های کوچک از یک سو و توسعه فناوری ارتباطات بی سیم از سوی دیگر زمینه ساز طراحی شبکه های حسگر بی سیم شده است.
تفاوت اساسی این شبکه ها، ارتباط آن با محیط و پدیده های فیزیکی است. شبکه های سنتی ارتباط میان انسان ها و پایگاه های اطلاعاتی را فراهم می کند در حالی که شبکه حسگر به طور مستقیم با جهان فیزیکی در ارتباط است و با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده می کند و بر اساس مشاهدات خود تصمیم گیری می کنند تا عملیات مناسب را انجام دهند. نام شبکه حسگر بی سیم ، نامی عمومی است ؛ برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می شود.
برخلاف شبکه های سنتی که همه منظوره هستند، شبکه های حسگر نوعا تک منظوره هستند. در صورتی که گره ها توانایی حرکت داشته باشند، شبکه می تواند گروهی از رباتهای کوچک در نظر گرفته شود که با هم به صورت تیمی کار می کنند و برای مقصد خاصی مثلا بازی فوتبال یا مبارزه با دشمن طراحی شده است.
از دیدگاه دیگر اگر در شبکه تلفن همراه ایستگاه های پایه را حذف و هر گوشی را یک گره فرض کنیم ، ارتباط میان گره ها باید به طور مستقیم یا از طریق یک یا چند گره میانی برقرار شود. این خود نوعی شبکه حسگر بی سیم است ؛ اگر چه به نقلی تاریخچه شبکه های حسگر به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن به طراحان نظامی صنایع دفاع امریکا برمی گردد؛ ولی این ایده می توانسته در ذهن طراحان رباتهای متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه های بی سیم موبایل نیز شکل گرفته باشد.
شبکه حسگر شبکه ای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک. در هر گره تعدادی حسگر وجود دارد. این شبکه بشدت با محیط فیزیکی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را می گیرد و از طریق کاراندازها واکنش نشان می دهد. ارتباط میان گره ها به صورت بی سیم است. هر گره به صورت مستقل و بدون دخالت انسان کار می کند و نوعا از نظر فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیت هایی در قدرت پردازش ، ظرفیت ، حافظه ، منبع تغذیه و... است.
این محدودیت ها مشکلاتی را به وجود می آورد که منشا بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این خصوص است. این شبکه از پشته پروتکلی شبکه های سنتی پیروی می کند، ولی به دلیل محدودیت ها و تفاوت های وابسته به کاربرد، پروتکل ها باید بازنویسی شوند.
وجود برخی ویژگی ها در شبکه حسگر آن را از دیگر شبکه های سنتی و بی سیم متمایز می کند. تنگناهای سخت افزاری شامل محدودیت های اندازه فیزیکی ، منبع انرژی ، قدرت پردازش ، ظرفیت حافظه ، تعداد بسیار زیاد گره ها، چگالی بالا در توزیع گره ها در ناحیه عملیاتی ، وجود استعداد خرابی در گره ها، تغییرات توپولوژی به صورت پویا و احیا نامتناوب ، استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط میان گره ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه و داده محور بودن شبکه به این معنی که گره ها کد شناسایی ندارند، از جمله این ویژگی ها هستند. نسل جدید حسگرها با پیشرفت 3 تکنولوژی شبکه سازی سیستم های نهفته و حس کردن محیط، امکان استفاده از قدرت پردازش در اندازه کوچک و توان کم به وسیله شبکه های حسگر بی سیم محقق شده است.
امروزه با ترکیب این سه تکنولوژی ، شبکه های حسگر بی سیم قادر هستند به عنوان شبکه هایی با قدرت پردازش کافی و مصرف انرژی کم با دنیای اطراف خود در ارتباط باشند و کمیتهایی را در محیط اطراف خود حس و پردازش کنند.

کاربردهای شبکه حسگر

کار بر روی شبکه های حسگر در ابتدا با اهداف و کاربردهای نظامی و دفاعی آغاز شد ولی به سرعت کاربردهای بسیار دیگری هم پیدا کرد که برخی از کاربردهای آن شامل موارد ذیل هستند.
کاربردهای نظامی و امنیتی: کنترل نیروها و تجهیزات نظامی این کاربرد شامل نظارت بر وضعیت و محل ادوات نظامی و یا کنترل و هدایت سربازان در یک منطقه جنگی است. تشخیص نفوذ، یا پراکنده کردن تعداد زیادی از گره های حسگر در یک محوطه فیزیکی ، می توان از ورود نفوذگر به این ناحیه آگاه شد. این کاربرد ممکن است به صورت کلی در هر جایی که نیاز به محافظت فیزیکی وجود دارد، اعم از مراکز حساس تجاری ، منازل ، پادگان های نظامی ، نقاط حساس مرزی و... به کار رود.
تجسس در محیطهای جنگی: این کاربردها می توانند شامل جمع آوری اطلاعات در مورد دشمن به منظور ردیابی آن ، عملیات تجسسی از میدان نبرد یا پیگیری و دسته بندی اهداف نظامی باشد.
نظارت بر محیطهای داخلی و خارجی کاربرد در ساختمان های هوشمند: این نظارت می تواند با هدف تنظیم دمای محیط داخلی ساختمان ها برای صرفه جویی انرژی ، تشخیص دود و آتش سوزی در ساختمان و تشخیص زلزله از طریق حس کردن لرزش های ساختمان باشد.
کنترل ترافیک: شبکه های حسگر کاربرد گسترده ای در کنترل و نظارت بر ترافیک دارند.
تشخیص حوادث طبیعی: پیش بینی و تشخیص بموقع حوادث طبیعی مانند سیل ، زلزله و آتش سوزی در جنگلها و مراتع می تواند به کنترل آن در مراحل اولیه ، کمک بسیاری کند.
کشاورزی: از طریق اندازه گیری های جوی و کنترل پارامترهای محیطی توسط حسگرها می توان بر نحوه رشد محصولات کشاورزی نظارت دقیقی داشت

البته در دانشگاه صنعتی امیرکبیر تاکنون پروژه های زیادی برای طراحی شبکه های حسگر بی سیم اجرا شده است.
به گفته دکتر مهدی دهقان تخت فولادی ، عضو هیات علمی دانشگاه امیرکبیر در این شبکه ها از واسط بی سیم مانند Zigbee استفاده می شد که یکی از واسطه های پیشرفته در ارتباطات بی سیم و کم مصرف است. در واقع کار بر روی شبکه های حسگر بی سیم در دانشکده مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات از دو سال پیش شروع شد. علاوه بر ساخت بستر سخت افزاری این شبکه در دانشکده که در ایران منحصر به فرد است ، تاکنون چندین پروژه کارشناسی و کارشناسی ارشد و دکترا در این زمینه تعریف شده است.
دهقان می افزاید: عمده کارهایی که در این زمینه در دانشگاه انجام شده است ؛ شامل طراحی الگوریتم های مسیریابی مطئمن برای ارسال اطلاعات با کمترین مصرف انرژی ، همگام سازی زمان گره های حسگر به صورت توزیعی و با سربار کم ، بهینه سازی عملیات پرس وجو در راستای کاهش انرژی و طراحی مکانیزم های موقعیت سنجی گره ها می شوند. در فاز بعدی هم ما سعی می کنیم زیرساخت های نرم افزاری را که در دانشگاه های مختلف دنیا ساخته شده است ، به سخت افزار خود منتقل کنیم. هم اکنون در حال انتقال این نرم افزارها بر روی گره های ساخته شده در دانشکده هستیم تا به این ترتیب قابلیت لازم برای عملیاتی شدن کامل این گره ها ایجاد شود.
در حال حاضر دو کاربرد روی این گره ها در حال پیاده سازی است ؛ یک مورد کشف حریق یا دود است که سیستم اعلام حریق به راحتی در ساختمان ها قابل نصب خواهد شد و اطلاعات را به صورت بی سیم به مرکز منتقل می کند و مورد دیگر کشف و نظارت بر تردد افراد در ساختمان ها است که در این حالت می توانیم وسایل ساختمان را بر حسب نوع افرادی که در ساختمان حضور دارند، سفارشی کنیم. پیش بینی وضع آب و هوا نظارت های زیست محیطی: شبکه های حسگر ابزار بسیار مناسبی برای نظارت های زیست محیطی از راه دور در مناطق گسترده جغرافیایی هستند. به عنوان مثال می توانند در جنگلها برای تحقیقات در مورد رفتارها و نحوه زندگی جانوران مورد استفاده قرار گیرند.
کاربردهای صنعتی: کنترل دقیق نیروی انسانی ، با اتصال یک گره حسگر به هر یک از نیروها، می توان از محل دقیق هر یک از آنها آگاه شد و یا آنها را به محلهای دلخواه هدایت کرد.
پیگیری کالاهای تولیدی ، نظارت بر خط تولید و حفاظت و کنترل ایمنی محیط: استفاده از حسگرهای محیطی می تواند در تشخیص مواردی چون نشت گازهای خطرناک و نظارت بر نفت و گاز در پالایشگاه ها مفید واقع شود.