11-03-2021, 06:17 PM
1- شبکه های زیر آبی حسگر بی سیم
www.kishtech.ir
در سال های اخیر برای هوشمند کردن و به دست آوردن اطلاعات دقیق از دریا ها و اقیانوس ها استفاده از شبکه های حسگر بی سیم زیرآبی مورد توجه قرار گرفته است. شبکه های حسگر زیر آبی کاربردهای زیادی دارند که از آن جمله می توان به مواردی همچون جمع آوری داده های اقیانوس شناسی، کنترل آلودگی، تحقیقات ساحلی، جلوگیری از بلایا و آسیب های طبیعی، کمک به دریانوردی، کاربردهای نظامی،اکتشاف منابع طبیعی زیر دریایی و ... اشاره نمود. شبکه های حسگر بی سیم زیر آبی به خاطر شرایط ویژه ی محیط های زیر آبی اهمیت خاصی دارند. تجهیزات زیر آبی که به حسگرهایی مجهز شده اند قادر خواهند بود تا اطلاعات علمی مورد نیاز خود را از زیر آب جمع آوری کنند. به منظور اینکه این اهداف محقق شود لازم است تا امکان مخابره بین تجهیزات زیر آبی فراهم گردد. مشابه WSN گره های حسگر زیر آبی باید قابلیت خود شکل دهی داشته باشند یعنی بتوانند اطلاعات حرکت موقعیت و پیکربندی را بین یکدیگر مبادله کنند و همچنین بتوانند داده های جمع آوری شده را از طریق یکدیگر به یک ایستگاه ساحلی برسانند.
5-1 :کاربردهای شبکه های حسگر زیر آبی
از کاربردهای شبکه های حسگر زیر آبی می توان به موارد زیر هم اشاره نمود:
کنترل و نظارت محیطی: شبکه های حسگر زیر آبی می توانند جهت کنترل آلودگی های شیمیایی،بیولوژیکی و هسته ای مورد استفاده قرار گیرند. زیر نظر گرفتن جریانهای اقیانوسی و بادها، بهبود پیش بینی هوا، تشخیص تغییرات آب و هوایی،درک و پیش بینی اثر فعالیت های انسانی بر اکوسیستم های دریایی، نظارت بیولوژیکی از قبیل ردیابی ماهی ها یا موجودات ذره بینی کاربردهای ممکن است.
تحقیقات زیر دریا: برای شناسایی میدان های نفتی زیر دریا و همچنین تعیین مسیر هایی برای کابل های زیر دریایی از این شبکه ها استفاده می شود. همچنین این شبکه ها می توانند برای تحقیقاتی در زمینه ی معادن با ارزش زیر دریایی مورد استفاده قرار گیرند.
جلوگیری از حوادث ناگوار: شبکه های حسگری که فعل و انفعالات زمینی و گردشی را از یک مکان دور اندازه گیری می کنند می توانند هشدارهایی در مورد سونامی به نواحی ساحلی دریا بدهند و یا می توانند برای تحقیقات زلزله در زیر دریا مورد استفاده قرار گیرند.
5-1-1:معایب شبکه های حسگرهای زیرآبی
روش متداول برای بدست آوردن اطلاعات از دریا با استفاده از حسگرها این است که حسگرها اطلاات مورد نظر را اندازه گیری و ثبت می کنند و بعد از آن بازیافت می شوند. اما این روش معایبی دارد که عبارتند از:
1- هیچ کنترل بلادرنگی ندارد: اطلاعات ثبت شده تا قبل از اینکه تجهیزات بازیافت شوند قابل دستیابی نیستند. بازیافت تجهیزات ممکن است چند ماه پس از جمع آوری اطلاعات انجام شود که باعث می شود اطلاعات بلادرنگی نداشته باشیم. این مورد مخصوصا هنگامی مهم و حیاتی است که از حسگرها در کاربردهای مراقبتی و کنترل زلزله و لرزش استفاده شود.
2- نمی توان به صورت آنی پیکربندی را تغییر داد: تعامل بین سیستم های کنترلی ساحلی و تجهیزات کنترلی امکان پذیر نیست. این عامل باعث می شود نتوانیم تغییرات مورد نیاز برای سازگاری با رخدادهای خاصی که اتفاق می افتد را اعمال کنیم.
3- تشخیص خرابی تجهیزات امکان پذیر نیست: اگر خرابی و یا عدم پیکربندی صحیح تجهیزات اتفاق افتد امکان تشخیص آنها تا هنگامی که تجهیزات بازیافت نشده اند وجود ندارد و بنابراین ممکن است کل عملیات کنترلی بر اثر این ضعف انجام نگیرد.
4- ظرفیت حافظه محدود است: مقدار داده ای که در طول عملیات کنترلی به وسیله ی هر حسگر قابل ثبت و ضبط است توسط ظرفیت حافظه ی آن حسگر محدود می گردد.
بنابراین لازم است شبکه های زیر آبی طوری طراحی شوند تا قادر باشند به صورت بلادرنگ منطقه ی دریایی انتخاب شده را کنترل کنند، از دور قابل پیکربندی باشند و بتوانند با اپراتور انسانی که در ساحل است تعامل داشته باشند. این کار با اتصال تجهیزات زیرآبی به صورت لینک های بی سیم و بر مبنای مخابرات صوتی امکان پذیر است. تاکنون تحقیقات زیادی در مورد شبکه های Ad Hoc و یا حسگر زمینی انجام پذیرفته است، اما ویزگی منحصر بفرد کانال های صوتی زیرآبی مانند پهنای باند محدود و یا تاخیرهای متغیر باعث می شوند تا پروتکل های مخابراتی جدید، انعطاف پذیر و با قابلیت اطمینان زیاد طراحی و توسعه یابند.
5-2:معماری مخابراتی
کنترل زیر آبی به علت گرانی تجهیزات زیرآبی هزینه بر است و بنابراین لازم است که شبکه ی طراحی شده قابلیت انعطاف پذیری زیادی داشته باشد تا از ضعیف شدن عملیات کنترلی به علت خراب شدن یک یا چند وسیله پرهیز شود. همچنین ظرفیت شبکه نیر متاثر از توپولوژی شبکه است. از آنجا که ظرفیت کانال های زیر آبی به شدت محدود است پرهیز از ایجاد گلوگاه های مخابراتی در طراحی توپولوژی شبکه خیلی مهم است.
دو معماری مخابراتی زیرآبی عبارتند از:
1- شبکه های حسگر زیرآبی دوبعدی ایستان برای کنترل کف دریا شامل حسگرهایی است که در کف دریا قرار می گیرند.
2- شبکه های حسگر زیرآبی سه بعدی ایستان برای کنترل ستونی دریا که بوسیله ی تکنیک های خاص،عمق دریا را کنترل می کنند و در نفشه برداری دریایی و یا کنترل پدیده های دریایی مثل فرایندهای بیولوژیکی، جغرافیایی،شیمیایی و یا جریان های آب و آلودگی کاربرد دارند.[2]
5-2-1: شبکه های حسگر زیرآبی دو بعدی
در این شبکه ها گروهی از گره های حسگر به کف دریا لنگر می شوند. گره های حسگر زیرآبی بوسیله ی لینک های صوتی بی سیم به یک یا چند چاهک زیرآبی[2] متصل می گردند. وظیفه ی سینک های زیرآبی هدایت داده ها از شبکه ی کف دریا به ایستگا سطحی است. برای دستیابی به این هدف سینک های زیرآبی به دو گیرنده-فرستنده صوتی مجهز شده اند که یکی گیرنده-فرستنده ی افقی و دیگری گیرنده-فرستنده ی عمودی است. سینک زیرآبی از گیرنده-فرستنده ی افقی خود برای مخابره با گره های حسگر استفاده می کند تا دستورات و داده های پیکربندی را به حسگر برساند و داده های کنترلی را از جانب حسگرها جمع آوری کرده و از طریق لینک عمودی خود آنها را به ایستگاه سطحی مخابره می کند. در کاربردهایی که عمق دریا زیاد است گیرنده-فرستنده عمودی باید قابلیت ارسال دیتا را تا برد 10KM داشته باشد. ایستگاه سطحی به گیرنده-فرستنده ی صوتی مجهز شده که می تواند چندین مخابره ی همزمان را اداره کند.
5-2-2: شبکه های حسگر زیرآبی سه بعدی
این شبکه ها در مواردی استفاده می شود که استفاده از شبکه های دو بعدی کارآمد نیست. در این شبکه ها گره های حسگر برای مشاهده ی یک پدیده ی خاص در عمق های متفاوتی شناور می شوند. به عنوان مثال می توان حسگرها را به وسیله ا ی که در سطح آب قرار می گیرد متصل کرد و آن را در عمق دلخواه قرار داد.
5-3 : قطعات شبکه های حسگر زیر آبی
1- حسگرهای زیرآبی
براساس چالشهای منحصر بفرد مختلف ناشی از محیط زیر آب،چندین حسگر زیرآبی توسعه یافته اند. معماری داخلی یک حسگر زیر آبی در شکل (5-1) نشان داده شده است. این حسگر از یک کنترلر اصلی/cpu که با یک ابزار اقیانوس شناسی یا حسگر از طریق حسگر رابط مداری وصل شده است،تشکیل گردیده است.کنترلر داده ها را از حسگرها دریافت می کند و می تواند داده ها را در حافظه ی روی برد ذخیره کند پردازش کند و آنها را به دیگر وسایل شبکه بوسیله ی کنترل مودم صوتی بفرستد. بخش الکترونیک معمولا در یک قاب است که توسط محفظه ی pvc محافظت می شود. حسگرهای زیر آبی شامل حسگرهایی برای اندازه گیری کیفیت آب و مطالعه ی خواص و ویژگی های آن مثل دما،چگالی،نمک،اسسید،خواص شیمیایی،میزان هدایت،PH،اکسیژن،هیدروژن و گاز متان حل نشده می باشد.
بنابراین حسگرها به چند دسته از جمله حسگرهای تشخیص خواص شیمیایی، حسگرهای تشخیص نیروهای مکانیکی و حسگرهای کوانتومی(تشخیص نور) تقسیم می شوند.
چالشهایی که برای طراحی حسگرهای زیرآبی با ابعاد کوچک و کم هزینه وجود دارد عبارتند از:
[font=Symbol]· لازم است حسگرهایی با قیمت ارزان و مطمئن بر مبنای نانوتکنولوژی ساخته شوند که شامل تجهیزاتی در گسترده ی 1 تا mm500 می باشد.[/font]
[font=Symbol]· لازم است مکانیزم تمیز کردن تناوبی در حسگر وجود داشته باشد تا آلودگی هایی را که روی حسگر می نشیند برطرف کند. وقتی می خواهیم از حسگر در زمان طولانی تری استفاده کنیم این عمل مهم تر می شود.[/font]
[font=Symbol]· حسگرهای زیرآبی باید توانایی ایستادگی در برابر تغییرات دمایی را داشته باشند.[/font]
[font=Symbol]· نیاز است تا حسگرهای مجتمع ساخته شوند تا از پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی برای فهم بهتر فرآیندهای سیستم های دریایی نمونه برداری کنند. [/font]
5-4: لایه ی شبکه
لایه ی شبکه مسئول تعیین مسیر از یک گره مبداً به یک گره مقصد(معمولا ایستگاه سطحی) است.در چند سال گذشته روی پروتکل های مسیریابی برای شبکه های Ad Hoc و حسگر تمرکز زیادی بوده است. اما بخاطر ویژگی های متفاوت محیط های زیرآبی و کاربردهای آن به کارگیری این پروتکل ها در شبکه های زیرآبی صوتی نقاط ضعفی خواهد داشت.پروتکل ها ی مسیریابی موجود به سه دسته کلی تقسیم می شوند که عبارتند از: پروتکل های واکنشی، پروتکل های کنشی و پروتکل های مسیریابی جغرافیایی .
5-4-1: پروتکل های واکنشی: این پروتکل ها سعی می کنند با به روز نگه داشتن اطلاعات مسیر از هر گره به بقیه ی گره ها در همه ی زمانها تاخیر پیام را ناشی از یافتن مسیر را حداقل کنند. این کار با پخش همگانی کردن بسته های کنترلی که حاوی جدول اطلاعات مسیریابی است انجام می گردد. [2]
5-4-2: پروتکل های کنشی: در این پروتکل ها یک گره تنها هنگامی که نیازمند مسیری به یک مقصد خاص باشد فرآیند مسیریابی را آغاز می کند. این پروتکل ها برای محیط های پویا مناسب ترند اما تاخیر زیادی دارند و علاوه بر این لازم است تا مبداّ بسته های کنترلی زیادی را برای برقراری مسیر در شبکه پخش کند، بنابراین هر دو پروتکل های کنشی نیز به علت تاخیر زیادی که دارند برای UW-ASNها مناسب نیستند و چه بسا که در محیط های زیرآبی این تاخیر ها به علت انتشار کند سیگنال های صوتی بیشتر نیز می گردد. علاوه بر این به علت ویژگی های کف دریا و تغییر پذیری کانال های صوتی،لینک ها دوطرفه نمی باشند. بنابراین پروتکل هایی مانند پروتکل های کنشی که مبتنی بر لینک های متقارن هستند برای محیط های زیرآبی مناسب نیستند. علاوه بر این توپولوژی UW-ASNها در زمان کوتاهی تغییر میکنند.
5-4-3: پروتکل های مسیریابی جغرافیایی : این پروتکل ها مسیر بین مبدا و مقصد را براساس اطلاعات موقعی تعیین می کنند یعنی هر گره گام بعدی را براساس موقعیت همسایگان خود و مبدا انتخاب می کند. اگرچه این روش امیدوارکننده است. اما معلوم نیست اطلاعات موقعیت چقدر دقیق هستند. در حقیقت برای دستیابی به اطلاعات موقعیت دقیق لازم است تا همزمانی دقیق بین گره ها وجود داشته باشد که این هم به علت تاخیرهای انتشار متغیر برای محیط های زیرآبی به سختی قابل دستیابی است. علاوه بر این سیستم موقعیت یابی سراسری که برای تخمین دقیق موقعیت جغرافیایی حسگرها در سیستم های زیرزمینی به کار گرفته می شود برای شبکه های زیرآبی خوب عمل نمی کند. در حقیقت GPSاز امواجی در باند GHZ1.5 استفاده می کند که این امواج در آب منتشر نمی شوند.
2- شبکه های حسگر زیرزمینی بی سیم
شبکه های حسگر زیرزمینی متشکل شده اند از دستگاه های بی سیم زیر سطح زمین است. این دستگا ه ها یا به طور کامل زیرخاک متراکم قرار دارند یا در فضای باز زیرزمینی مانند معادن و تونل های جاده ای یا مترو قرار گرفته اند. WUSNs جهت فعالسازی برنامه های گسترده و متنوع کاربردی که با تکنیک های نظارت زیرزمینی امکان پذیر نیستند به کار می رود. در مقایسه با شبکه های حسگر جریان زیرزمینی، که از روش های ارتباط سیمی برای استقرار شبکه استفاده می کنند . WUSNsچند ویژگی قابل توجه دارند: پنهان بودن، سهولت به کارگیری،به هنگام بودن داده ها، قابلیت اطمینان و تراکم پوشش. استفاده از حسگر ها برای مقاصد زیر زمینی در جذب طیف گسترده ای از زمینه های کشاورزی تجاری و زمین شناسی گرفته تا امنیت و جهت یابی اهمیت قابل توجهی دارند. به طور مثال در برنامه های کاربردی کشاورزی، سنسورها نیز با موقعیت برای نظارت بر یکپارچگی زیر ساخت زیرزمین به عنوان شاقول استفاده می شوند.
5-5: مزایای WUSNs
1-پنهان بودن: سیستم های سنجش زیر زمینی کنونی برای جمع آوری داده نیاز به Data-loggerدارند. به طور مشابه گره های حسگر بی سیم می توانند در سطح استفاده شوند و به سنسورهای زیرزمینی سیم کشی شوند تا از چالشهای ارتباط بی سیم زیرزمینی جلوگیری شود. بنابراین بالای سطح زیرزمین می توانند توسط کشنده ها و... آسیب ببینند. همچنین دستگاه های قابل مشاهده ممکن است از نظر دلایل عملکردی و زیبایی شناسی در هنگام نظارت بر زمین های ورزشی یا باغ غیرقابل قبول باشند و به محوطه سازی آسیب بزنند.اما در WUSNs محل تمام تجهیزات مورد نیاز برای سنجش و انتقال زیرزمینی جایی دور از چشم محافظت از آسیب دیدن دزدی و خرابکاری است.
2-سهولت به کارگیری: WUSNs همچنین مزایایی در مرحله ی پس از استقرار دارد. برای سیستم های نظارت ز یرزمینی سنتی،گسترش منطقه ی تحت پوشش نیاز به استقرار اضافی DATA-loggerو سیم کشی زیرزمینی دارد. حتی اگر برای نظارت زیرزمینی تکنولوژی شبکه ی حسگر بی سیم زیرزمینی استفاده شود باید سیم کشی زیرزمینی برای اتصال حسگر زیر زمینی به سطح یک دستگاه فرستنده-گیرنده مستقر شود.در نتیجه هم هزینه و هم تلاش حفظ اینگونه سیستم ها به میزان توجهی بالاست.
3-زمان واقعی تحویل داده: سیستم های سنجش زیرزمینی موجود روی Data-loggerتکیه می کنند، که نیازمند پشتیبانی بلادرنگ نظارت است. خواندنی های جمع آوری شده به وسیله ی حسگرها به صورت دستی به یک Data-logger آپلود شده و سپس پردازش می شوند. بنابراین پردازش بلادرنگ اطلاعات ممکن نیست.
3-استحکام: Data-loggerها نقاط منفرد شکست برای کاربردهای نظارت همه ی اطلاعات از ده ها سنسور جمع آوری شده در Data-logger را معرفی می کند.در نتیجه یک شکست، ممکن از Data-logger می تواند برای حس کردن کاربردها فاجعه بار باشد. WUSNs خودشان می توانند درست شوند به عنوان یک نتیجه اپراتور شبکه می تواند بلادرنگ عیب دستگاه را هشدار دهد. در نتیجه قابلیت اطمینان نظارت زیرزمینی با WUSNsبه میزان قابل توجهی در مقایسه با روش های موجود بهبود یافته است. www.kishtech.ir