Rețea de senzori wireless - Wireless sensor network

Rețelele de senzori fără fir ( WSN ) se referă la rețelele de senzori dispersați și dedicați spațial care monitorizează și înregistrează condițiile fizice ale mediului și transmit datele colectate către o locație centrală. WSN-urile pot măsura condițiile de mediu, cum ar fi temperatura, sunetul, nivelurile de poluare, umiditatea și vântul.

Acestea sunt similare cu rețelele ad hoc fără fir, în sensul că se bazează pe conectivitate fără fir și formarea spontană a rețelelor, astfel încât datele senzorilor să poată fi transportate fără fir. WSN monitorizează condițiile fizice sau de mediu, cum ar fi temperatura , sunetul și presiunea . Rețelele moderne sunt bidirecționale, atât colectând date, cât și permit controlul activității senzorilor. Dezvoltarea acestor rețele a fost motivată de aplicații militare precum supravegherea câmpului de luptă. Astfel de rețele sunt utilizate în aplicații industriale și de consum, cum ar fi monitorizarea și controlul proceselor industriale și monitorizarea stării mașinii.

Un WSN este construit din „noduri” - de la câteva la sute sau mii, unde fiecare nod este conectat la alți senzori. Fiecare astfel de nod are de obicei mai multe părți: un transmițător radio cu o antenă internă sau o conexiune la o antenă externă, un microcontroler , un circuit electronic pentru interfața cu senzorii și o sursă de energie, de obicei o baterie sau o formă încorporată de recoltare a energiei . Un nod senzor poate varia ca dimensiune de la o cutie de pantofi la (teoretic) un bob de praf, deși dimensiunile microscopice nu au fost încă realizate. Costul nodului senzorului este în mod similar variabil, variind de la câțiva până la sute de dolari, în funcție de sofisticarea nodului. Constrângerile de mărime și cost constrâng resurse precum energia, memoria, viteza de calcul și lățimea de bandă a comunicațiilor. Topologia unui WSN poate varia de la o rețea stea simplă la o rețea avansată de rețea fără fir multi-hop . Înmulțirea poate utiliza rutare sau inundații .

În informatică și telecomunicații , rețelele de senzori fără fir sunt o zonă activă de cercetare care susține numeroase ateliere și conferințe, inclusiv Atelierul internațional privind senzorii încorporați în rețea (EmNetS) , IPSN , SenSys , MobiCom și EWSN . Începând cu 2010, rețelele de senzori fără fir au implementat aproximativ 120 de  milioane de unități la distanță în întreaga lume.

Cerere

Monitorizarea zonei

Monitorizarea zonei este o aplicație comună a WSN-urilor. În monitorizarea zonei, WSN este desfășurat într-o regiune în care urmează să fie monitorizat un fenomen. Un exemplu militar este utilizarea senzorilor pentru a detecta intruziunile inamice; un exemplu civil este geo-gardul conductelor de gaz sau petrol.

Monitorizarea asistenței medicale

Există mai multe tipuri de rețele de senzori pentru aplicații medicale: implantate, purtabile și încorporate în mediu. Dispozitivele medicale implantabile sunt cele care sunt inserate în interiorul corpului uman. Dispozitivele purtabile sunt utilizate pe suprafața corpului unui om sau chiar în imediata apropiere a utilizatorului. Sistemele încorporate în mediu utilizează senzori conținuți în mediu. Aplicațiile posibile includ măsurarea poziției corpului, localizarea persoanelor, monitorizarea generală a pacienților bolnavi în spitale și acasă. Dispozitivele încorporate în mediu urmăresc starea fizică a unei persoane pentru diagnostic continuu de sănătate, folosind ca intrare datele dintr-o rețea de camere de adâncime, o podea de detectare sau alte dispozitive similare. Rețelele corporale pot colecta informații despre sănătatea, condiția fizică și cheltuielile de energie ale unui individ. În aplicațiile de îngrijire a sănătății, confidențialitatea și autenticitatea datelor utilizatorilor au o importanță primordială. Mai ales datorită integrării rețelelor de senzori, cu IoT, autentificarea utilizatorului devine mai provocatoare; cu toate acestea, o soluție este prezentată în lucrările recente.

Monitorizarea habitatului

Rețelele de senzori fără fir au fost utilizate pentru a monitoriza diferite specii și habitate, începând cu implementarea Insulei Marii Rațe, inclusiv marmote, broaște de trestie din Australia și zebre din Kenya.

Mediu / detectarea Pământului

Există multe aplicații în monitorizarea parametrilor de mediu, exemple care sunt date mai jos. Împărtășesc provocările suplimentare ale mediilor dure și ale sursei reduse de energie.

Monitorizarea calității aerului

Experimentele au arătat că expunerea personală la poluarea aerului în orașe poate varia foarte mult. Prin urmare, este de interes să existe o rezoluție temporală și spațială mai mare a poluanților și a particulelor . În scopuri de cercetare, s-au desfășurat rețele de senzori fără fir pentru a monitoriza concentrația de gaze periculoase pentru cetățeni (de exemplu, la Londra ). Cu toate acestea, senzorii pentru gaze și particule suferă de variabilitate mare de la unitate la unitate, de sensibilități încrucișate și de derivație (conceptuală). Mai mult, calitatea datelor este în prezent insuficientă pentru luarea deciziilor de încredere, deoarece calibrarea câmpului conduce la rezultate de măsurare nerezolvabile și ar putea fi necesară recalibrarea frecventă. O posibilă soluție ar putea fi calibrarea oarbă sau utilizarea referințelor mobile.

Detectarea incendiilor forestiere

O rețea de noduri senzoriale poate fi instalată într-o pădure pentru a detecta când a început un incendiu . Nodurile pot fi echipate cu senzori pentru a măsura temperatura, umiditatea și gazele produse de focul din copaci sau vegetație. Detectarea timpurie este crucială pentru o acțiune de succes a pompierilor; datorită rețelelor de senzori fără fir, pompierii vor putea să știe când se declanșează un incendiu și cum se răspândește.

Detectarea alunecărilor de teren

Un sistem de detectare a alunecărilor de teren folosește o rețea de senzori fără fir pentru a detecta mișcările ușoare ale solului și modificările diferiților parametri care pot apărea înainte sau în timpul unei alunecări de teren. Prin datele colectate, este posibil să se cunoască apariția iminentă a alunecărilor de teren cu mult înainte să se întâmple efectiv.

Monitorizarea calității apei

Monitorizarea calității apei implică analiza proprietăților apei în baraje, râuri, lacuri și oceane, precum și rezervele de apă subterane. Utilizarea multor senzori distribuiți fără fir permite crearea unei hărți mai precise a stării apei și permite desfășurarea permanentă a stațiilor de monitorizare în locații cu acces dificil, fără a fi nevoie de recuperarea manuală a datelor.

Prevenirea dezastrelor naturale

Rețelele de senzori fără fir pot fi eficiente în prevenirea consecințelor negative ale dezastrelor naturale , cum ar fi inundațiile. Nodurile wireless au fost desfășurate cu succes în râuri, unde modificările nivelurilor apei trebuie monitorizate în timp real.

Monitorizare industrială

Monitorizarea stării mașinii

Rețelele de senzori fără fir au fost dezvoltate pentru întreținerea bazată pe starea mașinilor (CBM), deoarece oferă economii semnificative de costuri și permit funcționalități noi.

Senzorii fără fir pot fi amplasați în locuri dificil sau imposibil de atins cu un sistem cu fir, cum ar fi mașinile rotative și vehiculele fără legătură.

Înregistrarea datelor

Rețelele de senzori fără fir sunt, de asemenea, utilizate pentru colectarea datelor pentru monitorizarea informațiilor de mediu. Acest lucru poate fi la fel de simplu ca monitorizarea temperaturii într-un frigider sau a nivelului de apă din rezervoarele de preaplin din centralele nucleare. Informațiile statistice pot fi apoi utilizate pentru a arăta cum funcționează sistemele. Avantajul WSN-urilor față de jurnalele convenționale este fluxul de date „live” care este posibil.

Monitorizarea apei / apelor uzate

Monitorizarea calității și nivelului apei include numeroase activități, cum ar fi verificarea calității apelor subterane sau de suprafață și asigurarea infrastructurii de apă a unei țări în beneficiul oamenilor și animalelor. Poate fi folosit pentru a proteja risipa de apă.

Monitorizarea structurală a sănătății

Rețelele de senzori fără fir pot fi utilizate pentru a monitoriza starea infrastructurii civile și a proceselor geo-fizice conexe aproape de timp real și pe perioade lungi de timp prin înregistrarea datelor, utilizând senzori interfațați corespunzător.

Producția de vin

Rețelele de senzori fără fir sunt utilizate pentru a monitoriza producția de vin, atât pe teren, cât și în pivniță.

Detectarea amenințărilor

Sistemul de urmărire a zonei largi (WATS) este o rețea prototip pentru detectarea unui dispozitiv nuclear la sol, cum ar fi o „bombă-servietă” nucleară. WATS este dezvoltat la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). WATS ar fi alcătuit din senzori fără fir gamma și neutroni conectați printr-o rețea de comunicații. Datele preluate de senzori suferă „fuziune de date” , care transformă informația în forme ușor de interpretat; această fuziune de date este cel mai important aspect al sistemului.

Procesul de fuziune a datelor are loc în cadrul rețelei de senzori , mai degrabă decât la un computer centralizat și se realizează printr - un algoritm special dezvoltat pe baza statisticilor Bayesian . WATS nu ar folosi un computer centralizat pentru analiză, deoarece cercetătorii au descoperit că factori precum latența și lățimea de bandă disponibilă tindeau să creeze blocaje semnificative. Datele procesate pe teren de către rețea însăși (prin transferul unor cantități mici de date între senzorii vecini) sunt mai rapide și fac rețeaua mai scalabilă.

Un factor important în dezvoltarea WATS este ușurința instalării , deoarece mai mulți senzori îmbunătățesc rata de detectare și reduc alarmele false. Senzorii WATS ar putea fi implementați în poziții permanente sau montați în vehicule pentru protecția mobilă a unor locații specifice. Un obstacol în calea implementării WATS este dimensiunea, greutatea, cerințele de energie și costul senzorilor wireless disponibili în prezent. Dezvoltarea unor senzori îmbunătățiți este o componentă majoră a cercetărilor actuale la Direcția de neproliferare, controlul armelor și securitate internațională (NAI) de la LLNL.

WATS a fost prezentat subcomitetului de cercetare și dezvoltare militară al Camerei Reprezentanților SUA la 1 octombrie 1997 în timpul unei audieri privind terorismul nuclear și contramăsurile. La 4 august 1998, într-o reuniune ulterioară a acelui subcomitet, președintele Curt Weldon a declarat că finanțarea cercetării pentru WATS a fost redusă de administrația Clinton la un nivel de subzistență și că programul a fost slab reorganizat.

Monitorizarea incidentelor

Există studii care arată că utilizarea senzorilor pentru monitorizarea incidentelor îmbunătățește într-un mod excelent răspunsul pompierilor și al poliției la o situație neașteptată. Pentru o detectare timpurie a incidentelor putem folosi senzori acustici pentru a detecta o creștere a zgomotului orașului din cauza unui posibil accident sau putem folosi senzori termici pentru a detecta un posibil incendiu.

Caracteristici

Principalele caracteristici ale unui WSN includ

  • Constrângeri de consum de energie pentru noduri care utilizează baterii sau recoltarea de energie . Exemple de furnizori sunt ReVibe Energy și Perpetuum
  • Abilitatea de a face față eșecurilor nodului ( rezistență )
  • O anumită mobilitate a nodurilor (pentru noduri foarte mobile vezi MWSN-uri )
  • Eterogenitatea nodurilor
  • Omogenitatea nodurilor
  • Scalabilitate la scară largă de implementare
  • Capacitatea de a rezista condițiilor de mediu dure
  • Ușurință în utilizare
  • Optimizare pe mai multe straturi

Stratul încrucișat devine o zonă importantă de studiu pentru comunicațiile fără fir. În plus, abordarea tradițională stratificată prezintă trei probleme principale:

  1. Abordarea tradițională stratificată nu poate partaja informații diferite între diferite straturi, ceea ce duce la faptul că fiecare strat nu are informații complete. Abordarea tradițională stratificată nu poate garanta optimizarea întregii rețele.
  2. Abordarea tradițională stratificată nu are capacitatea de a se adapta la schimbările de mediu.
  3. Datorită interferenței dintre diferiți utilizatori, a conflictelor de acces, a decolorării și a schimbării mediului în rețelele de senzori fără fir, abordarea tradițională stratificată pentru rețelele cu fir nu se aplică rețelelor fără fir.

Deci, stratul încrucișat poate fi utilizat pentru a face modulația optimă pentru a îmbunătăți performanța transmisiei, cum ar fi rata de date , eficiența energetică, calitatea serviciului (QoS) etc. Nodurile senzorilor pot fi imaginate ca computere mici, care sunt extrem de simple a interfețelor și componentelor lor. Ele constau de obicei dintr-o unitate de procesare cu putere de calcul limitată și memorie limitată, senzori sau MEMS (inclusiv circuite de condiționare specifice), un dispozitiv de comunicații (de obicei transmițătoare radio sau alternativ optice ) și o sursă de energie de obicei sub forma unei baterii. Alte posibile incluziuni sunt modulele de recoltare a energiei , ASIC-uri secundare și posibil interfața de comunicație secundară (de exemplu, RS-232 sau USB ).

Stațiile de bază sunt una sau mai multe componente ale WSN cu mult mai multe resurse de calcul, energie și comunicare. Acestea acționează ca o poartă între nodurile senzorului și utilizatorul final, deoarece în mod obișnuit redirecționează date de pe WSN pe un server. Alte componente speciale în rețelele bazate pe rutare sunt ruterele, concepute pentru a calcula, calcula și distribui tabelele de rutare.

Platforme

Hardware

O provocare majoră într-un WSN este de a produce noduri senzor cu costuri reduse și mici . Există un număr din ce în ce mai mare de companii mici care produc hardware WSN, iar situația comercială poate fi comparată cu computerul casnic din anii 1970. Multe dintre noduri sunt încă în etapa de cercetare și dezvoltare, în special software-ul lor. De asemenea, inerentă adoptării rețelei de senzori este utilizarea metodelor de putere foarte mică pentru comunicații radio și achiziție de date.

În multe aplicații, un WSN comunică cu o rețea locală sau o rețea extinsă printr-un gateway. Gateway-ul acționează ca o punte între WSN și cealaltă rețea. Acest lucru permite stocarea și procesarea datelor de către dispozitive cu mai multe resurse, de exemplu, pe un server localizat la distanță . O rețea wireless extinsă, utilizată în principal pentru dispozitive cu consum redus de energie, este cunoscută sub numele de rețea extinsă cu consum redus de energie ( LPWAN ).

Fără fir

Există mai multe standarde și soluții wireless pentru conectivitatea nodurilor senzorilor. Thread și ZigBee pot conecta senzori care funcționează la 2,4 GHz cu o rată de date de 250kbit / s. Mulți folosesc o frecvență mai mică pentru a crește autonomia radio (de obicei 1 km), de exemplu , undele Z funcționează la 915 MHz, iar în UE 868 MHz au fost utilizate pe scară largă, dar acestea au o rată de date mai mică (de obicei 50 kb / s). Grupul de lucru IEEE 802.15.4 oferă un standard pentru conectivitatea dispozitivelor cu consum redus de energie și de obicei senzorii și contoarele inteligente utilizează unul dintre aceste standarde pentru conectivitate. Odată cu apariția Internetului obiectelor , s-au făcut multe alte propuneri pentru a asigura conectivitatea senzorilor. LORA este o formă de LPWAN care oferă conectivitate wireless cu rază lungă de acțiune pentru dispozitive, care a fost utilizată în contoare inteligente și alte aplicații de senzori cu rază lungă de acțiune. Wi-SUN conectează dispozitivele acasă. NarrowBand IOT și LTE-M pot conecta până la milioane de senzori și dispozitive folosind tehnologia celulară.

Software

Energia este cea mai redusă resursă a nodurilor WSN și determină durata de viață a WSN-urilor. WSN-urile pot fi implementate în număr mare în diverse medii, inclusiv în regiuni îndepărtate și ostile, unde comunicațiile ad hoc sunt o componentă cheie. Din acest motiv, algoritmii și protocoalele trebuie să abordeze următoarele probleme:

  • Durată de viață crescută
  • Robustețe și toleranță la erori
  • Autoconfigurare

Maximizarea duratei de viață: consumul de energie / energie al dispozitivului de detectare ar trebui redus la minimum, iar nodurile senzorilor ar trebui să fie eficiente din punct de vedere energetic, deoarece resursa lor de energie limitată determină durata lor de viață. Pentru a economisi energie, nodurile senzorului wireless opresc în mod normal atât emițătorul radio, cât și receptorul radio atunci când nu sunt utilizate.

Protocoale de rutare

Rețelele de senzori fără fir sunt compuse din noduri de senzori nesupravegheați cu consum redus de energie, dimensiuni mici și rază joasă. Recent, s-a observat că, pornind și dezactivând periodic capacitățile de detectare și comunicare ale nodurilor senzorilor, putem reduce semnificativ timpul activ și, astfel, putem prelungi durata de viață a rețelei. Cu toate acestea, acest ciclu de funcționare poate duce la o latență ridicată a rețelei, la rutare și la întârzieri în descoperirea vecinilor datorită programării asincrone a somnului și a trezirii. Aceste limitări necesită o contramăsură pentru rețelele de senzori fără fir ciclate în funcțiune, care ar trebui să minimizeze informațiile de rutare, încărcarea traficului de rutare și consumul de energie. Cercetătorii de la Universitatea Sungkyunkwan au propus o rutare ușoară, fără creștere, a intervalului de latență a livrării, denumită LNDIR. Această schemă poate descoperi rute de latență minime la fiecare interval de livrare-latență care nu crește în loc de fiecare interval de timp. Experimentele de simulare au demonstrat validitatea acestei noi abordări în minimizarea informațiilor de rutare stocate la fiecare senzor. În plus, această rutare nouă poate garanta, de asemenea, o latență minimă de livrare de la fiecare sursă la chiuvetă. Se observă îmbunătățiri de performanță de până la 12 ori și de 11 ori în ceea ce privește direcționarea reducerii încărcării traficului și, respectiv, a eficienței energetice, în comparație cu schemele existente.

Sisteme de operare

Sistemele de operare pentru nodurile de rețea ale senzorilor fără fir sunt de obicei mai puțin complexe decât sistemele de operare de uz general. Ele seamănă mai puternic cu sistemele încorporate , din două motive. În primul rând, rețelele de senzori fără fir sunt de obicei implementate având în vedere o anumită aplicație, mai degrabă decât ca o platformă generală. În al doilea rând, nevoia de costuri reduse și putere redusă determină majoritatea nodurilor senzorilor fără fir să aibă microcontrolere de consum redus, asigurându-se că mecanisme precum memoria virtuală sunt fie inutile, fie prea costisitoare pentru implementare.

Prin urmare, este posibil să se utilizeze sisteme de operare încorporate precum eCos sau uC / OS pentru rețelele de senzori. Cu toate acestea, astfel de sisteme de operare sunt deseori proiectate cu proprietăți în timp real.

TinyOS , dezvoltat de David Culler , este poate primul sistem de operare conceput special pentru rețelele de senzori fără fir. TinyOS se bazează pe un model de programare bazat pe evenimente în loc de multithreading . Programele TinyOS sunt compuse din gestionare de evenimente și sarcini cu semantică de execuție până la finalizare. Când apare un eveniment extern, cum ar fi un pachet de date primite sau o citire a senzorului, TinyOS semnalează gestionatorul de evenimente adecvat pentru a gestiona evenimentul. Handlerele de evenimente pot posta sarcini care sunt programate de kernel-ul TinyOS ceva timp mai târziu.

LiteOS este un sistem de operare nou dezvoltat pentru rețelele de senzori fără fir, care oferă abstracție asemănătoare UNIX și suport pentru limbajul de programare C.

Contiki , dezvoltat de Adam Dunkels , este un sistem de operare care folosește un stil de programare mai simplu în C, oferind în același timp progrese precum 6LoWPAN și Protothreads .

RIOT (sistemul de operare) este un sistem de operare mai recent în timp real, care include funcționalități similare cu Contiki.

PreonVM este un sistem de operare pentru rețele de senzori fără fir, care oferă 6LoWPAN bazat pe Contiki și suport pentru limbajul de programare Java .

Platforme online de gestionare a datelor senzorilor colaborativi

Platformele online de gestionare a datelor senzorilor sunt servicii de baze de date on-line care permit proprietarilor senzorilor să se înregistreze și să-și conecteze dispozitivele pentru a alimenta datele într-o bază de date online pentru stocare și, de asemenea, permit dezvoltatorilor să se conecteze la baza de date și să își construiască propriile aplicații pe baza acestor date. Exemplele includ Xively și platforma Wikisensing . Astfel de platforme simplifică colaborarea online între utilizatori în diferite seturi de date, de la date despre energie și mediu la cele colectate de la serviciile de transport. Alte servicii includ permiterea dezvoltatorilor să încorporeze grafice și widget-uri în timp real în site-uri web; analizați și prelucrați datele istorice extrase din fluxurile de date; trimiteți alerte în timp real de la orice transmisie de date pentru a controla scripturi, dispozitive și medii.

Arhitectura sistemului Wikisensing descrie componentele cheie ale acestor sisteme pentru a include API-uri și interfețe pentru colaboratorii online, un middleware care conține logica de afaceri necesară pentru gestionarea și procesarea datelor senzorilor și un model de stocare adecvat pentru stocarea și recuperarea eficientă a volumelor mari de date.

Simulare

În prezent, modelarea și simularea pe bază de agenți este singura paradigmă care permite simularea unui comportament complex în mediile senzorilor fără fir (cum ar fi flocarea). Simularea pe bază de agent a senzorilor fără fir și a rețelelor ad hoc este o paradigmă relativ nouă. Modelarea bazată pe agenți s-a bazat inițial pe simulare socială.

Simulatoarele de rețea precum Opnet, Tetcos NetSim și NS pot fi utilizate pentru a simula o rețea de senzori fără fir.

Alte concepte

Localizare

Localizarea rețelei se referă la problema estimării locației nodurilor senzorului fără fir în timpul implementărilor și în setările dinamice. Pentru senzorii de putere ultra-redusă, dimensiunea, costul și mediul nu permit utilizarea receptorilor sistemului de poziționare globală pe senzori. În 2000, Nirupama Bulusu, John Heidemann și Deborah Estrin au motivat și au propus mai întâi un sistem bazat pe conectivitate radio pentru localizarea rețelelor de senzori fără fir. Ulterior, astfel de sisteme de localizare au fost denumite sisteme de localizare fără raza de acțiune și multe sisteme de localizare pentru rețele de senzori fără fir au fost propuse ulterior, inclusiv AHLoS, APS și Stardust.

Calibrarea datelor senzorului și toleranța la erori

Senzorii și dispozitivele utilizate în rețelele de senzori fără fir sunt o tehnologie de ultimă generație cu cel mai mic preț posibil. Măsurătorile senzorilor pe care le obținem de la aceste dispozitive sunt, prin urmare, adesea zgomotoase, incomplete și inexacte. Cercetătorii care studiază rețelele de senzori fără fir presupun că se pot extrage mult mai multe informații din sute de măsurători nesigure pe un domeniu de interes decât dintr-un număr mai mic de instrumente de înaltă calitate și fiabilitate cu același cost total.

Macroprogramare

Macroprogramarea este un termen inventat de Matt Welsh. Se referă la programarea întregii rețele de senzori ca un ansamblu, mai degrabă decât la noduri individuale ale senzorilor. O altă modalitate de a macro-programa o rețea este de a vizualiza rețeaua de senzori ca o bază de date, care a fost popularizată de sistemul TinyDB dezvoltat de Sam Madden .

Reprogramare

Reprogramarea este procesul de actualizare a codului de pe nodurile senzorului. Cea mai fezabilă formă de reprogramare este reprogramarea la distanță prin care codul este diseminat fără fir în timp ce nodurile sunt implementate. Există diferite protocoale de reprogramare care asigură diferite niveluri de viteză de funcționare, fiabilitate, cheltuială de energie, cerința de cod rezident pe noduri, adecvarea la diferite medii fără fir, rezistență la DoS, etc. Protocoalele populare de reprogramare sunt Deluge (2004), Trickle (2004) ), MNP (2005), Synapse (2008) și Zephyr (2009).

Securitate

Arhitectura fără infrastructură (adică nu sunt incluse gateway-uri etc.) și cerințele inerente (adică mediul de lucru nesupravegheat etc.) ale WSN-urilor ar putea reprezenta mai multe puncte slabe care atrag adversarii. Prin urmare, securitatea este o mare preocupare atunci când WSN-urile sunt implementate pentru aplicații speciale, cum ar fi militare și asistență medicală. Datorită caracteristicilor lor unice, metodele tradiționale de securitate ale rețelelor de calculatoare ar fi inutile (sau mai puțin eficiente) pentru WSN-uri. Prin urmare, lipsa mecanismelor de securitate ar provoca intruziuni în acele rețele. Aceste intruziuni trebuie detectate și ar trebui aplicate metode de atenuare.

Au existat inovații importante în securizarea rețelelor de senzori fără fir. Majoritatea rețelelor încorporate fără fir utilizează antene omnidirecționale și, prin urmare, vecinii pot asculta comunicarea în și din noduri. Aceasta a fost folosită pentru a dezvolta o primitivă numită „ monitorizare locală ” care a fost utilizată pentru detectarea atacurilor sofisticate, cum ar fi gaura neagră sau gaura de vierme, care degradează capacitatea rețelelor mari la aproape de zero. Această primitivă a fost folosită de mulți cercetători și de adulți comerciali de pachete wireless. Acest lucru a fost ulterior rafinat pentru atacuri mai sofisticate, cum ar fi coluziunea, mobilitatea și dispozitivele cu mai multe antene și mai multe canale.

Rețea de senzori distribuită

Dacă o arhitectură centralizată este utilizată într-o rețea de senzori și nodul central eșuează, atunci întreaga rețea se va prăbuși, cu toate acestea fiabilitatea rețelei de senzori poate fi mărită prin utilizarea unei arhitecturi de control distribuite. Controlul distribuit este utilizat în WSN-uri din următoarele motive:

  1. Nodurile senzorilor sunt predispuse la eșec,
  2. Pentru o mai bună colectare a datelor,
  3. Pentru a furniza noduri cu backup în caz de eșec al nodului central.

De asemenea, nu există un organism centralizat care să aloce resursele și acestea trebuie să fie autoorganizate.

În ceea ce privește filtrarea distribuită prin rețeaua de senzori distribuită. configurația generală este de a observa procesul de bază printr-un grup de senzori organizat în conformitate cu o topologie de rețea dată, ceea ce face ca observatorul individual să estimeze starea sistemului bazată nu numai pe propria măsurare, ci și pe vecinii săi.

Integrare date și senzor web

Datele colectate din rețelele de senzori fără fir sunt de obicei salvate sub formă de date numerice într-o stație de bază centrală. În plus, Open Geospatial Consortium (OGC) specifică standarde pentru interfețe de interoperabilitate și codificări de metadate care permit integrarea în timp real a senzorilor eterogeni pe internet, permițând oricărei persoane să monitorizeze sau să controleze rețelele de senzori fără fir printr-un browser web.

Procesare în rețea

Pentru a reduce costurile de comunicare, unii algoritmi elimină sau reduc informațiile redundante ale senzorilor nodurilor și evită redirecționarea datelor care nu sunt de nici un folos. Această tehnică a fost utilizată, de exemplu, pentru detectarea anomaliilor distribuite sau optimizarea distribuită. Deoarece nodurile pot inspecta datele pe care le transmit, ele pot măsura medii sau direcționalitate, de exemplu pentru citirile din alte noduri. De exemplu, în aplicațiile de detectare și monitorizare, este în general cazul în care nodurile senzorilor vecini care monitorizează o caracteristică de mediu înregistrează de obicei valori similare. Acest tip de redundanță a datelor datorată corelației spațiale dintre observațiile senzorilor inspiră tehnici de agregare a datelor în rețea și exploatare. Agregarea reduce cantitatea de trafic din rețea care ajută la reducerea consumului de energie pe nodurile senzorilor. Recent, s-a constatat că gateway-urile de rețea joacă, de asemenea, un rol important în îmbunătățirea eficienței energetice a nodurilor senzorilor prin programarea mai multor resurse pentru nodurile cu o nevoie mai mare de eficiență energetică și algoritmi avansați de planificare eficientă din punct de vedere energetic care trebuie implementați la gateway-urile de rețea pentru îmbunătățire a eficienței energetice generale a rețelei.

Agregarea sigură a datelor

Aceasta este o formă de procesare în rețea în care se presupune că nodurile senzorilor sunt nesecurizate cu energie disponibilă limitată, în timp ce se presupune că stația de bază este sigură cu energie disponibilă nelimitată. Agregarea complică provocările de securitate deja existente pentru rețelele de senzori fără fir și necesită noi tehnici de securitate adaptate special pentru acest scenariu. Furnizarea de securitate pentru agregarea datelor în rețelele de senzori fără fir este cunoscută sub numele de agregare sigură a datelor în WSN . au fost primele câteva lucrări care au discutat despre tehnici pentru agregarea sigură a datelor în rețelele de senzori fără fir.

Două provocări principale de securitate în agregarea sigură a datelor sunt confidențialitatea și integritatea datelor. În timp ce criptarea este utilizată în mod tradițional pentru a oferi confidențialitate de la un capăt la altul în rețeaua de senzori fără fir, agregatoarele dintr-un scenariu sigur de agregare a datelor trebuie să decripteze datele criptate pentru a efectua agregarea. Acest lucru expune textul complet la agregatori, făcând datele vulnerabile la atacurile unui adversar. În mod similar, un agregator poate injecta date false în agregat și poate face stația de bază să accepte date false. Astfel, în timp ce agregarea datelor îmbunătățește eficiența energetică a unei rețele, aceasta complică provocările de securitate existente.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Amir Hozhabri; Mohammadreza Eslaminejad; Mitra Mahrouyan, rutarea nodurilor Gateway bazate pe lanț pentru eficiența energetică în WSN
  • Kiran Maraiya, Kamal Kant, Nitin Gupta "Rețea de senzori fără fir: o revizuire a agregării datelor" Jurnalul internațional de cercetare științifică și inginerie Volumul 2 numărul 4, aprilie 2011.
  • Chalermek Intanagonwiwat, Deborah Estrin, Ramesh Govindan, John Heidemann, „ Impact of Network Density on Data Aggregation in Wireless SensorNetworks ”, 4 noiembrie 2001.
  • Bulusu, Nirupama; Jha, Sanjay (2005). Rețele de senzori fără fir: o perspectivă de sistem . Casa Artech. ISBN 978-1580538671.

linkuri externe