Kapitel 1 : Drahtloses Sensornetzwerk
Drahtlose Sensornetzwerke, auch bekannt als WSNs, sind Netzwerke, die aus Sensoren bestehen, die sowohl geografisch verstreut als auch dediziert sind. Diese Sensoren überwachen und erfassen die Umgebungsbedingungen und übertragen die gesammelten Daten an eine zentrale Stelle. WSNs sind in der Lage, Aspekte der Umgebung zu überwachen, einschließlich Temperatur, Schall, Verschmutzung, Luftfeuchtigkeit und Wind. Diese Netzwerke werden in einer Vielzahl von kommerziellen und industriellen Anwendungen eingesetzt, wie z. B. bei der Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse und der Gesundheitsüberwachung von Maschinen.
Ein drahtloses Sensornetzwerk (WSN) besteht aus "Knoten", deren Anzahl von einigen wenigen bis zu Hunderten oder Tausenden reichen kann. Jeder Knoten im Netzwerk ist mit anderen Sensoren verknüpft. Jeder dieser Knoten besteht typischerweise aus mehreren Komponenten, einschließlich eines Funktransceivers mit einer internen Antenne oder einer Verbindung zu einer externen Antenne, einem Mikrocontroller, einer elektronischen Schaltung für die Schnittstelle mit den Sensoren und einer Energiequelle, bei der es sich typischerweise um eine Batterie oder eine Form der Energiegewinnung handelt, die in den Knoten eingebettet ist. Ein Sensorknoten kann so groß wie ein Schuhkarton oder so klein wie ein Staubkorn sein (zumindest in der Theorie), aber mikroskopische Abmessungen sind in der Praxis noch nicht erreicht worden. In ähnlicher Weise können die Kosten für einen Sensorknoten je nach Komplexität des Knotens zwischen einigen Dollar und Hunderten von Dollar liegen. Die Verfügbarkeit von Ressourcen wie Energie, Arbeitsspeicher, Verarbeitungsgeschwindigkeit und Kommunikationsbandbreite kann aufgrund von Größen- und Kostenbeschränkungen eingeschränkt sein. Die Topologie eines WSN kann von einem einfachen Sternnetzwerk bis hin zu einem komplexen drahtlosen Multi-Hop-Mesh-Netzwerk reichen. Beide Topologien sind Beispiele für WSNs. Sowohl das Routing als auch die Überflutung sind praktikable Optionen für die Ausbreitung.
WSNs werden häufig zum Zwecke der Bereichsüberwachung eingesetzt. Bei der Bereichsüberwachung wird ein WSN in einem Gebiet stationiert, das auf ein bestimmtes Phänomen beobachtet wird. Ein Beispiel für Geofencing im zivilen Leben ist die Einhausung von Gas- oder Ölpipelines, während ein Beispiel für seine Verwendung im Militär die Installation von Sensoren zur Erkennung der Anwesenheit feindlicher Kräfte wäre.
Implantierte, tragbare und in die Umgebung eingebettete Sensornetzwerke sind die drei Hauptkategorien von Sensornetzwerken, die in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden. Der Begriff "implantierbare medizinische Geräte" bezieht sich auf solche, die dazu bestimmt sind, in einem lebenden Patienten platziert zu werden. Wearable Technology ist jede Art von elektronischem Gerät, das dazu bestimmt ist, am Benutzer des Geräts getragen oder getragen zu werden. Sensoren, die bereits in der Umgebung vorhanden sind, werden von in die Umgebung eingebetteten Systemen verwendet. Die Messung der Körperposition, die Lokalisierung von Personen und die umfassende Überwachung kranker Patienten zu Hause und in Krankenhäusern sind mögliche Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie. Die Daten, die von einem Netzwerk von Tiefenkameras, einem Sensorboden oder anderen Geräten gesammelt werden, die funktional gleichwertig sind, werden als Eingabe von Geräten verwendet, die in die Umgebung implantiert werden. Diese Geräte überwachen den physiologischen Zustand einer Person, um eine kontinuierliche Gesundheitsdiagnose zu ermöglichen. Informationen über die Gesundheit, die körperliche Fitness und die Menge an aufgewendeter Energie einer Person können über Body-Area-Netzwerke gesammelt werden.
Beginnend mit dem Great Duck Island Deployment wurden drahtlose Sensornetzwerke eingesetzt, um eine Vielzahl von Tieren und Ökosystemen zu überwachen. Zu diesen Arten und Lebensräumen gehören Murmeltiere, Rohrkröten in Australien und Zebras in Kenia.
Es gibt mehrere Anwendungen im Bereich der Überwachung von Umweltparametern; Im Folgenden sind einige Beispiele für diese Anwendungen aufgeführt. Sie alle sind mit den zusätzlichen Schwierigkeiten der rauen Umgebung und der begrenzten Stromversorgung konfrontiert.
Experimente haben gezeigt, dass die Exposition einer Person gegenüber Luftverschmutzung in städtischen Gebieten von Person zu Person sehr unterschiedlich sein kann.
Es ist möglich, den Beginn eines Brandes in einem Wald zu identifizieren, indem ein Netzwerk von Sensorknoten in der gesamten Fläche installiert wird. Die Knoten können mit Sensoren zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und den Gasen, die durch Brände in den Bäumen oder Pflanzen entstehen, ausgestattet werden. Die Früherkennung ist für eine effektive Reaktion der Feuerwehr unerlässlich. Durch den Einsatz von drahtlosen Sensornetzwerken wird die Feuerwehr in der Lage sein, festzustellen, wann ein Feuer entfacht wurde und wie es sich ausbreitet.
Ein drahtloses Sensornetzwerk wird von einem Erdrutscherkennungssystem verwendet, um geringfügige Bodenbewegungen und Änderungen verschiedener Parameter zu erkennen, die vor oder während eines Erdrutsches auftreten können. Diese Bewegungen und Veränderungen können jederzeit auftreten. Es ist wahrscheinlich, dass es durch die Analyse der gesammelten Daten möglich sein wird, den Ausbruch von Erdrutschen weit vor dem Zeitpunkt vorherzusagen, an dem sie wirklich stattfinden würden.
Die Überwachung der Wasserqualität umfasst die Analyse der physikalischen Eigenschaften des Wassers, das in unterirdischen Wasserreserven, Dämmen, Flüssen, Seen und Ozeanen zu finden ist. Durch den Einsatz einer großen Anzahl von drahtlos verteilten Sensoren ist es möglich, eine genauere Karte des Wasserzustands zu erstellen. Es ebnet auch den Weg für die dauerhafte Installation von Messstationen in schwer zugänglichen Bereichen, wodurch ein manueller Datenabruf überflüssig wird.
Drahtlose Sensornetzwerke haben das Potenzial, ein effizientes Werkzeug zu sein, um die zerstörerischen Auswirkungen von Naturkatastrophen wie Überschwemmungen abzumildern. Flüsse, die eine Echtzeitüberwachung von schwankenden Wasserständen benötigen, wurden mit drahtlosen Knoten ausgestattet, die erfolgreich implementiert wurden.
Für die zustandsorientierte Wartung von Maschinen (auch CBM genannt) wurden drahtlose Sensornetzwerke geschaffen, da sie zusätzliche Funktionalitäten ermöglichen und erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen.
Mit einem kabelgebundenen System kann es schwierig oder sogar unmöglich sein, einige Bereiche zu erreichen, wie z. B. wirbelnde Geräte und ungebundene Fahrzeuge. Bei drahtlosen Sensoren gibt es diese Einschränkung jedoch nicht.
Das Sammeln von Daten für die Überwachung von Umweltinformationen kann auch durch den Einsatz drahtloser Sensornetzwerke erfolgen. Ein Auge auf Dinge wie die Temperatur eines Kühlschranks oder die Wassermenge in einem Überlauftank in einem Kernkraftwerk könnte als Beispiel dafür angesehen werden. Danach kann man die statistischen Daten verwenden, um zu zeigen, wie gut die Systeme funktioniert haben. Die Fähigkeit von WSNs, "Live"-Datenfeeds bereitzustellen, ist eine der vielen Möglichkeiten, wie sie sich von herkömmlichen Protokollen abheben.
Die Überwachung der Wasserqualität und des Wasserspiegels umfasst viele Aktivitäten, wie z. B. die Überprüfung der Qualität von Grund- oder Oberflächenwasser und die Sicherstellung der Wasserinfrastruktur eines Landes zum Wohle von Mensch und Tier.
Es ist möglich, es zu verwenden, um die Verschwendung von Wasser zu verhindern.
Durch den Einsatz von korrekt aneinander gekoppelten Sensoren und drahtlosen Sensornetzwerken ist es möglich, den Zustand der zivilen Infrastruktur und die damit verbundenen geophysikalischen Prozesse nahezu in Echtzeit sowie über längere Zeiträume per Datenaufzeichnung zu überwachen.
Sowohl im Weinberg als auch im Keller des Weinguts werden drahtlose Sensornetzwerke eingesetzt, um die Produktion des Weins zu überwachen.
Das Wide Area Tracking System, manchmal auch als WATS bekannt, ist ein Prototyp-Netzwerk, das zur Erkennung von bodengestützten nuklearen Sprengkörpern entwickelt wurde. In der Direktion für Nichtverbreitung, Rüstungskontrolle und internationale Sicherheit (NAI) des Los Alamos National Laboratory (LLNL) liegt einer der Hauptschwerpunkte der laufenden Forschung auf der Entwicklung effektiverer Sensoren.
Während einer Anhörung über nuklearen Terrorismus und Gegenmaßnahmen, die am 1. Oktober 1997 vor dem Unterausschuss für militärische Forschung und Entwicklung des Repräsentantenhauses der Vereinigten Staaten stattfand, wurde ein Vortrag über WATS gehalten.
Es gibt Studien, die darauf hindeuten, dass der Einsatz von Sensoren zur Einsatzüberwachung die Art und Weise, wie Feuerwehren und Polizeidienststellen auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren, deutlich verbessert.
Die wichtigsten Merkmale eines WSN sind die folgenden:
Grenzwerte für die Menge an Strom, die von Knoten verbraucht werden darf, die auf Batterien oder Energy Harvesting angewiesen sind. Zu den Anbietern gehören Namen wie ReVibe Energy.
Fähigkeit, mit dem Ausfall einzelner Knoten umzugehen (Resilienz)
Es gibt etwas Bewegung in den Knoten (für hochmobile Knoten siehe MWSNs)
Heterogenität der Knoten
Homogenität der Knoten
Möglichkeit der Skalierung auf eine sehr große Bereitstellung
Fähigkeit, schwerwiegende Umstände, die durch die Umwelt auferlegt werden, zurückzuhalten
Benutzerfreundlichkeit
Optimierung der Kreuzlagen Darüber...
