Beine senzorske mree(Wireless sensor networks)

Autor: Ivor Grubii Matini broj: 0035134821 Smjer: AUT

SadrajUvod ............................................................................................ 3 Opis WSN sustava ....................................................................... 4 Povijest WSN sustava .................................................................. 7 WSN sustavi danas ....................................................................... 12 Tehnoloki trendovi ...................................................................... 14 Teko rjeivi problemi i tehniki izazovi ...................................... 17 Istraivanja velikih tvrtki u podruju WSN i primjene ................. 20 Literatura i korisni linkovi ............................................................. 25

2

UvodBeine senzorske mree (WSN), kao podruje djelovanja mnogih znanstvenika iz podruja elektrotehnike, biologije, medicine i drugih znanosti javlja se unazad ve tridesetak godina. Razvoj beinih senzorskih mrea direktno je uvjetovan razvojem poluvodike tehnologije (tranzistori), koji svojom veliinom uvjetuju snagu, djelotvornost a time i iskoristivost Beinih senzorskih mrea (WSN). U poluvodikoj industriji broj tranzistora na komercijalno isplativom ipu se gotovo udvostruuje iz godine u godinu, to izrazito pogoduje razvoju Beinih senzorskih mrea (WSN). Kao vrlo vaan faktor u razvoju Beinih senzorskih mrea (WSN), treba navesti, kretanje cijena poluvodikih komponenti od kojih su graene WSN. U prolosti, bilo je vrlo bitno da WSN budu cijenom prihvatljive, kako bi se mogle komercijalizirati i koristiti u znanstvenim disciplinama koje nisu direktno povezana s vojnom industrijom. Danas se sve vie takve tenje ostvaruju.

3

Opis WSN sustavaBeine senzorske mree (WSN) graene su od velikog broja pojedinanih senzora. Takvi senzori unutar WSN sustava imaju svojevrsna tehnika i fizikalna ogranienja. Ogranieni su brzinom rada, memorijom, te rasponom komunikacije. Znanstvenici koji rade na razvoju WSN moraju prihvatit izazov u rjeavanju tih nedostataka. Moraju kombinirati pojedinana rjeenja (senzor ili grupa senzora), i umreavat ih u WSN sustave, na nain da se iskoriste prednosti pojedinanih rjeenja a uklone mane istih. WSN sustavi graeni su od tzv. vorova (nodes), koji meusobno komuniciraju slanjem i primanjem podataka. Podaci putuju od vora do vora i procesiraju se. Slino kao na internetu, gdje vorove predstavljaju serveri. U WSN sustavima vrlo bitan faktor je opskrba energijom takvih sustava, budui da su beini. Takvi susavi moraju radit dugo vremena bez obnavljanja izvora energije pa e pojedine komponente WSN veinu vremena biti iskljuene. Takoer, bitna stavka u razvoju WSN je osiguravanje sigurnog rada u najrazliitijem okruenju. S obzirom na to da e zasebna rjeenja zajedno djelovati kroz dui vremenski period, vrlo vjerojatno e doi do razliitih pozitivnih ali i negatvnih pojava, koje e poremetiti protokole po kojima WSN rade. Manualno odravanje takvih sustava je vrlo sloeno i skupo, pa takvi sustavi moraju biti sposobni sami sebe odravati i organizirati, kao kakav ansambl. Svaki od gore navedenih faktora dodatno komplicira izradu WSN sustava, a istovremeno takvi sustavi moraju zadrat komercijalno prihvatljivu cijenu. Primjenu Beinih senzorskih mrea moemo u grubo podjeliti na 3 podruja: 1. motrenje okoline 2. motrenje neega u okolini 3. motrenje interakcija izmeu objekata u orjentiranom prostoru Motrenje okoline obuhvaa motrenje okolia i prebivalita, odabranih agrikultura i klimatske promjene u interijeru, nadzor i inteligentni alarmi itd. Motrenje neega u okolini obuhvaa strukturna motrenja, odravanje uvjetno ovisne opreme, medicinska dijagnostika itd. Motrenje interakcija izmeu objekata u orjentiranom prostoru obuhvaa motrenje kompleknih interakcija, kao npr. motrenje stanita divljih ivotinja, upravljanje u katastrofama, hitna reagiranja, medicina, procesi u proizvodnim pogonima itd. Openito se moe konstatirati da WSN sustavi objedinjuju slijedee informacijske tehnologije: hardver, softver, mrene tehnologije i programske metode. Tehnike znaajke Hardver kod WSN obuhvaa mikroprocesore, memoriju, sensore, D/A konvertore, odailjae podataka, kontrolere koji povezuju sve pojedinane djelove u cjelinu te izvore energije. S poveanjem djelotvornosti ipova i njihovom minijaturizacijom, postoji trend, da se djelotvornost mikrokontrolera poveava, a funkcionalnost se odrava na slinoj razini. Prosjeni mikrokontroler u ovakvim sustavima troi oko 1mW energije dok radi na oko 10MHz. Veina strujnih krugova su neaktivni veim djelom vremena, pa se potronja u standby nainu rada sputa na otprilike 1 W. Ukoliko je pojedina jedinka u sustavu WSN aktivna oko 1% vremena, tada se prosjena potronja sputa na otprilika nekoliko W.

4

Energija za rad se moe dobiti na vie razliitih naina. Koristi se solarna energija, kod koje vrijedi slijedei proraun: solarna elija generira otprilike 10mW energije po kvadratnom centimetru na otvorenom prostoru, a otprilike 10-100W u zatvorenom prostoru. Mogu se koristiti i mehaniki izvori energije, kao vibracije, ako se senzori nalaze na povoljnom mjestu. Takav nain pribavljanja energije generira oko 100W energije. Tipini kubni centimetar baterije moe spremiti oko 1000 mA/h, tako da centimetarski WSN sustavi mogu bez veih problema ostvarivati svoju zadau. Memorija kod ovakvih sustava je ograniena. Tipino je za njih 1Kbytes RAM memorije, i manje od 100Kbytes ROM memorije. Ova memorija zauzima vei dio ipa, a i troi vei dio energetskih zaliha. S obzirom na to, proizvoai esto nude memoriju na zasebnom ipu. Mikrosenzori su oi i ui, WSN sustava. WSN sustavi moraju biti podloni amortizirati promjene okolinih uvjeta, s obzirom da mnogi materijali mijenjaju svoje elektrike karakteristike s promjenom okolinih uvjeta. Senzori su graeni tako da predviaju promjene tih uvjeta u odreenom rasponu. Sve se vie koriste tzv. Mikromehaniki sustavi (MEMS), koji se mogu urezati u silicij, poput tranzistora, i koriste se kao osjetila za najrazliitije sile, kemijske reakcije i promjene u okoliu. Pri tome su stotine puta jeftiniji od skupih piezo-elektrinih osjetila, a osiguravaju visoku preciznost. Prvi puta su komercijalno koriteni u auto industriji, kao osjetilo za otvaranje airbag-ova. Veliki izazov u razvoju WSN sustava predstavlja povezivanje operacijskih sustava i ostalog softvera s hardverom. Tipian operacijski sustav Unix radi na 32 bitnom mikroprocesoru brzine 50 100MHz, sa nekoliko megabyte-a RAM-a i gigabayte-a dodatnog memorijskog prostora. Takav sustav je danas mogue projektirati da radi nekoliko sati sa samo jednim energetskim punjenjem. Meutim, izazov za WSN sustave je postii jednogodinji rad sa jednim parom AA baterija, ali s manjim djelom gore navedenog sustava. Open-source programeri su iz tog razloga razvili TinyOS operacijski sustav koji upravo zadovoljava traene performanse a kompatibilan je s ostalim softverom. Svaka aplikacija sadri samo ono to je nuno potrebno, primjerice, samo malu grupu komponenti za procesiranje senzorskih oitanja. Mrea zato sadri kompleksniju grupu komponenata za rad s radio kanalima, formatiranje podataka u format koji pojedini vorovi mogu obraditi, obradu iznimaka i pogreaka te komponente za primanje podataka i njihovo procesiranje u vlastite spremnike. Vie razine obrauju i upravljaju spremnicima podataka (buffers), odreuju autentinost podataka te multipleksiraju mreu kroz njezine komponente. Aplikacije najvie razine (top level application) primaju i procesiraju formatirane datoteke s senzorskim oitanjima i predaju bitna opaanja mrei. Druga komponenta e primiti tu poruku i sauvat e dotinu podatkovnu strukturu i odaslat je u smjeru slijedeeg vora. Senzorske mrene platforme su platforme koje se sastoje od mikrokontrolera, jednostavnog radia, memorije za pohranu podataka, te programa na zasebnom ipu (off-chip flash memory). Mikrokontroleri posjeduju zadovoljavajuu koliinu RAM-a i interni ADC. Radio pokriva frekvencijski raspon poput modema, i osigurava umreavanje. Razvijeno je nekoliko takvih senzorskih mrenih platformi. Intel je razvio Intel iMote platformu koja se sastoji od komercijalnog ipa s monim ARM mikroprocesorom, memorije i radia, sve integrirano u jednom. Radio koristi Bluetooth standard, radi na visokim frekvencijama i koristi frekvencijsko skone protokole. Uobiajeno bi se ARM procesor koristio za upravljanje Bluetooth radia i za transfer podataka na i sa serijskog porta. Meutim u Intel iMote platformi TinyOS se vrti direktno u ARM procesoru inei tako samostalan sustav koji slui za upravljanje senzorima i putanjama, te

5

obrauje datoteke i upravlja napajanjem. Veina komponenata nie razine TinyOS operacijskog sustava je implementirano direktno u hardveru. To ukljuuje izrazito nisko energetski ADC, te vrlo moan radio koji je razvijen u okviru Smart Dust projekta na Berkley-u, o kojem e biti vie rijei kasnije. itav dizajn okupira 5mm2 prostora. Platforma je projektirana tako da bi uz konstantnih 1% aktivnih elemenata, ip mogao raditi 100 godina sa samo jednim parom AA baterija. U drugom dijelu spektara postoji vor u kojem 32 bitni procesor, npr. Stargate, koji vrti uobiajeni operacijski sustav, npr. Linux, koji je opremljen s radiom veeg dometa, npr. IEEE 802.11, ili uobiajenim telefonskim modemom. Takvi vorovi e u mnogim razvojnim aplikacijama igrati kljunu ulogu, jer oni predstavljaju svojevrsnu ulaznu toku za prikupljanje podata iz senzorske mree kao i za nadgledanje, konfiguracije i preispitivanje sustava.

Samostalna organizacija WSN sustava je danas od bitnog znaaja. WSN sustavi se sastoje od mnogo vorova (nodes) koji moraju zajedno funkcionirati i zajednikim snagama prenositi signal od izvora signala do eljenog odredita. Nekada su takvu organizaciju osiguravali daljinska osjetila pomou satelita. Danas se WSN sustavi sami organiziraju u cjelinu, na nain, da svaki vor pomou ugraenog radia koji posjeduje nekoliko komunikacijskih linkova sa okolnim vorovima, preispituje okolne vorove i pokree ugraene algoritme za utvrivanje protokola za slanje informacije na susjedni vor. Dakle, mrea se sama prilagoava datim okolnostima. Mrea u WSN sustavima je projektirana u vie razina. U najnioj razini kontrolira fizike karakteristike radia. Kad jedan vor odailje signal drugi ga moe primiti ukoliko nije pomjean s drugim odailjajuim signalima. Da bi se to izbjeglo povezivajua razina (link layer) oslukuje da li je kanal ist, ukoliko je, odaslat e signal u obliku serije bitova koji tvore paket kodiran u radio signal. Kada ne odailje vorovi odlukuju kanal, ekajui poseban znak koji predstavlja poetak paketa. Razina paketa slui za upravljanje spremnicima memorije, rasporeivanja paketa za radio, detektiranje i ispravljanje pogreaka, rade s gubicima u paketima i dostavljaju pakiranja komponentama u sustavu. Osnovna snaga mree u WSN sustavima je sadrana u tzv. prosijavanju informacija u vorove. Prosijavanje se vri po tzv. navodnjavajui protokoli, koji se brinu za da razliiti vorovi dobivaju razliite informacije, tj. da se smanji redundancija i zasienje na najniu moguu razinu. Prosijavanje slui mrei za izdavanje naredbi, prijenosa alarma te konfiguriranje i propitivanje mree. 6

Takoer koristi za utvrivane putanje informacije. Svaki paket utvruje odailja i udaljenost od korjena. Formira se tzv. Distribucijsko stablo , na nain da vorovi snime, koji vorovi lee blie korjenu stabla. Mrea koristi distribucijsko stablo za prikupljanje podataka na nain da alje podatke nazad korjenu ili za skupljanje podataka procesiranjem podataka na svakom nivou stabla. Na ovaj nain se stvara jaka distribucijska mrea ili jaka prikupljajua toka unutar senzorske mree. esto su formacija stabla i prikupljanje podataka isprepleteni. Podatak prati stablo dokle god se roditelj - vor moe razaznati. vorovi mogu nauiti o roditeljima oslukujui poruke podataka. Mrea konstantno prikuplja statistiku kako bi poboljala putanje. Komunikacija u WSN sustavima se znatno razlikuje od one na internetu, gdje mnogo klijenata otvaraju komunikaciju prema nekom serveru te alju i primaju znatne koliine podataka. U WSN sustavima komunikacija se uobiajeno vri u agregatima, gdje je svaki sudionik prepoznat po atributima kao to su fizika lokacija i rasponu vrijednosti senzora. Takvo utvrivanje putanje se naziva direktna fuzija u kojem vorovi pokazuju interes prema svojim atributima. Oni prikazuju interese formirajui gradijent putanje inei svoje podstablo djeltovornijim. Pouzdanost je u stalnom porastu, te se razvijaju tzv. prekidno tolerantne mree, u kojima se svenjevi podataka prenose sigurno skok po skok (hop by hop). To je u suprotnosti s internetom gdje se uspostavlja konekcija od jednog do drugog kraja, te se koristi byte ili paket podataka da se ispita pouzdanost prijenosa izmeu izvora i odredita Prekidno tolerantne mree su primjerenije WSN sustavu, zbog dinamikog okruenja i potrebe radnog ciklusa. Komunikacije su energetski najzahtjevniji proces koji vorovi obavljaju. One se meusobno bore za udio u frekvencijskom rasponu koji je na raspolaganju. Mrea nastoji smanjiti potronju energije na nain da ukida komunikaciju ili da iskljuuje radio za vrijeme dok nema potrebe za komunikacijom. Razvijeno je nekoliko pristupa rjeavanju ove problematike. vorovi procesiraju podatke na lokalnoj razini a kada se javi odreeni dogaaj, tada zapoinje komunikacija Takav pristup se implementira u inteligentne alarmne sustave i sustave za nadgledanje okolia, koji fokusiraju podatke u odreenim vremenskim trenucima ili u odreenim uvjetima. U mnogim primjenama jednostavni nisko energetski senzori trigeriraju visoko energetske, sofisticirane senzorske sustave. Sakupljanje podataka unutar same mree smanjuje komunikaciju. Rasporeivanje i kompresija takoer uvaju energiju na niim stupnjevima mree. Visoki protokoli su povezani s podatkovnom komunikacijom, odravajui putujue strukture, upravljui sadrajima i poveavajui pouzdanost. Senzori mogu izbjei eksplicitne protokolarne poruke oslukujui usmjerene podatke za druge vorove. To moe biti iskoordinirano pomou sloenog ponaanja naprednih aplikacija, kao to je periodiko skupljanje podataka. Mrea takoer moe pripisati svojevrsne odgovornosti pojedinim vorovima, kao to je odailjanje i prikupljanje podataka. Mrea moe ugasiti radio nakon primitka samo djela podatkovnog paketa.

7

Povijest WSNBeine mikrosenzorske mree su prepoznate kao jedno od najvanijih podruja tehnologija 21st. Njihov razvoj je povezan s dva projekta agencije Defence Advanced Research Project Agency (DARPA), a to su: the Distribuited Senzor Networks(DSN) odn. Distribuirane senzorske mree i Sensor Information Technology (SensIT) odn. Senzorske informacijske tehnologiji. Mrena mikrosenzorska tehnologija je opisana kao, skup jeftinih, malih, pametnih ureaja, koji na sebi imaju mnotvo senzora, a komuniciraju beinim vezama i internetom, a rasprostrti su u velikom broju i pogodni su za nadziranje prostora, gradova, domova. Vrlo su pogodni i za najrazliitije vojne primjene, kao to su izvianje i nadzor. Pametni mikrosenzori mogu biti razvijeni na tlu, u zraku, vodi, na tijelu, vozilima, u zgradama... .Senzorske mree mogu otkriti i procesirati zbivanje, mogu takoer locirati naoruanje. Svaki senzorski vor sadrava sposobnost procesiranja podataka, te ima potencijalno veliki broj senzora koji rade u akustinom, infracrvenom, seizmikom ili magnetskom modu, te mogu sadravati mikroradare te razliite predonike. Takoer imaju na sebi ugraenu memoriju za pohranu podataka, linkove na susjedne vorove, te informaciju o poziciji koju dobivaju preko GPS-a. Mreni mikrosenzori pripadaju skupini Senzorskih mrea, koje koristi distribuirane senzore za prikupljanje informacija na objektima od interesa. Trenutne i potencijalne senzorske mree su sadrane u slijedeim primjenama: u vojnoj industriji, osiguranju fizikih objekata, zranoj kontroli, nadzoru prijevoza, video nadzoru, industrijskoj i proizvodnoj automatizaciji, distribuiranoj robotici, nadzoru okolia, nadzoru zgrada i objekata. Senzorske mree u ovim primjenama mogu biti beine ili oiene, senzori mogu biti manji ili vei, ali bitno je da oni ispunjavaju zadau i unose napredak u ovom sektoru. Razvoj senzorskih mrea potpomognut je razvojem triju zasebnih znanstvenih podruja: osjetila, komunikacije i kompjuterska znanost (hardver, softver i algoritmi). Razvoj svake od ove tri znanosti, zasebno i zajedniki, usporedo su razvijale i podruje senzorskih mrea. Primjer prvih senzorskih mrea je radarski sustav za nadzor neba u zranom prometu. Nacionalni energetski sustavi se mogu takoer promatrati kao velike senzorske mree Ovi sustavi su bili izgraeni pomou posebnih kompjuterskih i komunikacijskih rjeenja, puno prije uglavljivanja izraza senzorske mree. Rana vojna istraivanja na WSN Kao i u mnogim drugim tehnologijama, vojna industrija je bila pokreta istraivanja u mrenim senzorskim sustavima. Za vrijeme hladnog rata koristili su se akustini senzori Sound Surveillance System (SOSUS), postavljeni na strateka mjestima, na dnu oceana kako bi se moglo pravovremeno otkriti dolazak tihih sovjetskih podmornica u odreeno podruje. Tjekom godina razvijeni su novi sustavi akustinih senzorskih mrea, a SOSUS se danas koristi u podmorskim istraivanjima. Slijedei rani mreni sustav je bila mrea zranih radarskih sustava koritenih u obrambene svrhe za motrenje zranog prostora iznad Sjeverno Amerikog kontinenta. Ovaj obrambeni sustav se razvijao tijekom godina, i sada ukljuuje i bezpilotne letjelice kao senzore te Airborne Warning and Control System(AWACS) zrakoplove. Ovi sustavi su u osnovi prihvatili hijerarhiju, gdje se procesiranje zbiva na posljedinoj razini, dok informacija od interesa see do korisnika. U mnogo sluajeva ljudi igraju kljunu ulogu u sustavu. Distribuirane senzorske mree u projektima DARPA-e

8

Rana istraivanja na senzorskim mreama zapoela su oko 1980. god. unutar projekta Distributed Senzor Networks (DSN) od strane Defense Advanve Research Agency (DARPA). U tom trenutku Arpanet, koji je bio pretea interneta, ve je bio dugo u upotrebi, i sainjavalo ga je oko 200 host-ova na sveuilitima i institutima. Jedan od kljunih ljudi u razvoju TCP/IP protokola i jedan od suosnivaa Internet-a R. Kahn, bio je ravnatelj Information Processing Techniques(IPTO) Office unutar DARPA-e. Njega je zainteresiralo da li se rad Arpanet-a moe proiriti na senzorske mree. Mrea je bila zamiljena kao mnotvo prostorno raspodjeljenih senzorskih vorova, koji komuniciraju meusobno, ali imaju svojevrsnu autonomiju, uz tenziju da informacija bude usmjerena prema voru koji ju najbolje moe iskoristiti. To je bio vrlo ambiciozan projekt, koji je nastao u vrijeme kada jo nije postojao PC. Procesiranje se vrilo veinom na mini kompjuterima kao to je PDP 11 i WAX koji su na kojima se vrtio UNIX i VMS. Modemi su radili na 300 9600Bd a Ethernet je tek postajao popularan. Tehnologija za DSN sustave je razvijena 1978. u radionici imena Distributed Sensor Nets, i ukljuivala je akustike senzore, komunikacije (protokole visoke razine koji su povezivali procese koji su se vrtili u dotinoj aplikaciji s mreom), procesnu tehnologiju i algoritme (ukljuivali su i algoritme za lociranje vlastitog poloaja senzora) te distribuirani softver (dinamiki modificirajui distribuirani sustav i dizajn jezika). DARPA je istovremeno poela s veim ulaganjima u istraivanje umjetne inteligencije, Artificial Intelligence (AI), te su se rezultati istraivanja poeli primjenjivati u DSN sustavima, za procjenu situacija i razumjevanje signala. kao i za rjeavanje razliite problematike distribuiranih sustava. Praenje akustike je izabran kao pokazni primjer. Znanstvenici sa sveuilita Carnegie Mellon University (CMU), Pittsburg, PA, fokusirali su svoj rad na razvoj mrenog operacijskog sustava koji bi osigurao fleksibilni i transparentni pristup distribuiranim izvorima potrebnim za pogrekama tolerantne DSN sustave. Razvili su komunikacijski orjentiran operacijski sustav pod imenom Accent, koji je omoguavao transparentno umreavanje, sistemsko rekonfiguriranje te ponovno povezivanje. Poluio je znatan uspjeh u komercijanim primjenama. Daljnja nastojanja CMU sveuilita, smjerala su internoj komunikaciji meu procesima, koji bi bili podrka dinamikim distribuiranim operacijskim sustavima, pomou kojih bi se dinamiki rekonfigurirali i povezivali aktivni komunikacijski elementi. Razvijali su i povezivaki specificirani jezik, za izgraivanje distribuiranih softverskih sustava. Sve je to bilo demonstrirano na interjernom test postolju, pomou izvora signala, akustinih senzora i VAX raunala povezanih Ethernetom. Znanstvenici na sveuilitu Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, koristili su pristup baziran na znanstveno - baziranim tehnikama za procesiranje signala. za praenje helikoptera pomou polja akustinih mikrofona u svrhu abstrkcije signala i usporednih tehnika. Apstrakcija signala vidi signal u vie nivoa, sa viim nivoima (peaks) apstrakcije dobivenih iz dobro prouenih niih nivoa apstrakcije (spectrum). Ovo osigurava koncepcijsku platformu za razmiljanje o sustavima za procesiranje signala koji slie ljudskom razmiljanju kada interaktivno procesiraju i interpretiraju stvarne signale. Ovaj sustav je razvijen uz koritenje znanstvenih iskustava i pogodan je za sustave u kojem je visok omjer signal smetnja, gdje modeli postaju manjkavi. MIT je takoer razvio i jezik naziva Signal Processing Language te razvojnu okolinu pod nazivom Interactive Computing Environment (SPLICE) za analizu podataka u DSN sustavima te razvoj algoritama, i Pitch Director's Assistent za interaktivno rekonstruiranje fundamentalnih frekvencija koristei znanje domena. Praenje viestrukih ciljeva u distribuiranom okoliu je mnogo kompleksnije od centraliziranog praenja. Godine 1980 udruenja Advance Decision Systems (ADS), Mountain View, CA, predstavili su viestruko-hipotezno praenje, za rad u sloenim situacijama s gusto rasporeanim ciljevima, proputenom detekcijom i lanim alarmima. Viestruko-hipotezno praenje je danas osnova za primjene u kojima postoje sloeni

9

problemi kod praenja ciljeva. Radi demonstracije MIT-ov Lincoln laboratorij je konstruirao model za rad u stvarnom vremenu, za praenje nisko leteih letjelica. Senzori su bili akustino polje, koje se sastojalo od 9 mikrofona od kojih je najvei imao 6m u promjeru, a bili su smjeteni u 3 koncentrina trokuta. Raunalo PDP11/34 i jedno procesorsko polje su sluili za procesiranje akustinih signala. vorni kompjuter, sastojao se od tri MC68000 procesora koji su imali 256kB memorije i 512kB djeljive memorije, te korisniki operacioni sustav. Komunikacija se vrila putem Ethernet-a te mikrovalnog radija. Model se pokazao uspjenim u praenju letjelice u niskom letu i s akustinim senzorima, kao i s tv kamerama. Drugi testni DSN sustav bio je Vozilo za distribuirano praenje izgraen na University of Massachusetts, Amherst. Taj sustav je bio istraivaki alat za empirijsko istraivanje i rjeavanje distribuiranih problema unutar mree. Pristup empirijski baziranom rjeavanju distribuiranog problema, koristi se funkcijskom preciznou, kooperativnom arhitekturom koja se sastoji od mrenih Hearsay II vorova. Razliita pristupi kontrole pomou lokalnih vorova su istraeni. Na donjim slikama su prikazani djelovi DSN testnog sustava

Opreme za mjerenje

Akustino polje

Mobilni vor

10

Vojne senzorske mree u 1980-ima i 1990-ima Iako su rani istraivai senzorskih mrea zamislili te mree kao skupine malih senzora, tehnologija u tom trenutku nije bila spremna za takve male dimenzije. Vojni znanstvenici su vrlo brzo prepoznali prednosti senzorskih mrea, pa one ubrzo postaju krucijalne komponente u mreno-baziranim vojnim rjeenjima. Platforme u vojnim rjeenjima, posjeduju specifina oruja, dok s druge strane ta oruja posjeduju senzore prilino krute arhitekture. Drugim rjeima senzori i naoruanje su zajedniki smjeteni ali kontrolirani su s razliitih platformi koje djeluju samostalno. U mreno baziranim vojnim primjenama senzori ne pripadaju striktno oruju ili platformi, ve oni komuniciraju zajedniki putem mree, te se informacija alje odreanom objektu. Senzorske mree unapreuju karakteristike praenja zbog viestrukog motrenja i geometrije, te fenomenoloke razliitosti, proirenog raspona detekcije i breg vremena reagiranja. Takoer je razvijanje takvih sustava jeftinije zbog iskoritavanja komercijalnih mrenih tehnologija i uobiajene mrene komunikacije. Primjer mreno bazirane vojne tehnologije je Cooperative Engagement Capability (CEC) razvijen od strane U.S. Navy. Ovaj sustav ini niz radara koji prikupljaju informacije o zranim metama. Razliita mjerenja su povezana preko procesnog vora putem with reporting responsibility rutine i djeljenjem informacije s drugim vorovima koji procesuiraju sve korisne informacije. Kada su svi vorovi doli do informacije, stvara se opa slika bitna za vojnu primjenu. Druge vojne primjene su akustina polja, Fixed Distribuited System (FDS) za otkrivanje podmornica i Advanced Deployable System (ADS), zatim zemaljski senzori za otkrivanje prisustva kao to su Remote Battlefield Sensor System (REMBASS) i Tactical Remote Sensor System(TRSS). Istraivanja u polju senzorskih mrea u 21. stoljeu Dolaskom 21. stoljea, rast kompjuterske i komunikacijske tehnologije pribliio oznaio je ponovni uzlet u istraivanju podruja senzorskih mrea. Nove tehnologije su dovele u realnost originalnu zamisao. Mali i jeftini senzori bazirani na mikromehanikoj tehnologiji, beino umreenje, jeftini i niskoenergetski procesori koji dozvoljavaju ad hoc razvoj senzorskih mrea u mnogim primjenama i aplikacijama. DARPA ponovno nastupa kao krovna organizacija za razvoj DSN tehnologije, i koristi u razvoju najnovija tehnoloka postignua. Razvija program pod nazivom Sensor Information Technology (SensIT) koji prati dve kljune odrednice. Prva odrednica oznaava razvoj novih mrenih tehnika. U vojnoj primjeni se to odnosi na ad hoc primjene, odn. visoko dinamika okruenja. Dananje tehnologije su spremne za statike primjene i za vrstu, ve postojeu infrastrukturu, te ne dostaju za takvu primjenu. Druga odrednica oznaava procesiranje informacija u mrei, odn. kako izdvojiti korisne, pravovremene i pouzdane informacije iz razvijene mree. SensIT stvara nove mogunosti koje se odnose na dananje senzore. Trenutni sustavi kao to je Tactical Automated Security System (TASS) za sigurnosne namjene su predodreani za primjene a ne za programiranje. Koriste se samo odailjaima i irokopojasnim detekcijskim paradigmama. SensIT mree imaju nove mogunosti. Interaktivne su i programabilne, te se mogu propitivati. Multitasking opcija omoguava da se vie korisnika istovremeno slui sustavom. Mree SensIT vorova podravaju detekciju, identifikaciju i praenje bitnih dogaaja kao i pronalaenje cilja te komunikaciju unutar i izvan mree.

11

WSN sustavi danasKroz projekte kao to su Darpa-in projekt SensIt, te drugi projekti, su kroz svoj razvoj rjeavali neke od izazova spomenutih u prolom poglavljima. Kroz ovo poglavlje spomenut e se neki od dosadanjih rezultata. Lokalizirajui algoritmi i Direktna raspodjela Iako centralizirajui algoritmi koji prikupljaju podatke iz razliitih senzorskih vorova pruaju najbolje rezultate, oni su nepoeljni zbog visokih komunikacjskih potreba te manjka robusnosti i pouzdanosti. U lokalizirajuim (distribuiranim) algoritmima, senzorski vorovi komuniciraju samo sa senzorima u susjedstvu. Lokalizirajui algoritmi su atraktivni s obzirom da su robusni i otporni na senzorske pogreke. Mrea se takoer dobro nosi s porastom broja senzora. Bez obzira na sve prednosti, lokalizirajui algoritmi su komplicirani za projektiranje s obzirom na potencijalno sloene odnose izmeu lokalne i globalne razine djelovanja. Algoritmi koji su lokalni ne moraju se dobro ponaati u globalnom okruju. Kako optimalno distribuirati proraune centralizirajuih algoritama u distribuiranu implementaciju ostaje problem za budua istraivanja. Znanstvenik D.Estrin razvio je algoritam direktne raspodjele putanja, koji pripada klasi lokalizirajuih algoritama. Raspodjeljivanje je vrsta emitiranja putanja koje ne specificiraju destinacijsku adresu vora (kao to je to IP adresa u internet protokolima). Paketi su usmjereni prema susjednim vorovima, a smjer ili gradijent su proraunati da bi paket bio dobro usmjeren te da bi stigao do odredita. Gradijent moe biti baziran na geografskim informacijama ili nekim drugim atributima kao to je energija, gomilanje ili neka druga informacija prisutna u mrenim vorovima. Primjerice, ukoliko korisnika aplikacija smjetena u nekom podruju L, a interesiraju je zbivanja u podruju M, tada, vorovi iz podruja M alju pakete informacija susjednim vorovima smjetenim u smjeru L. Meuvorovi e takoer usmjeravati informacijske pakete prema voru L. Gradijent moe biti uspostavljen i u sluaju proizvodnje i konzumiranja informacije pomou izdavako opisnog mehanizma te interesa korisnika za odreenu informaciju koja putuje mreom. Meuvorovi mogu privremeno pohraniti i transformirati informaciju kako bi se dobilo na efikasnosti, robusnosti i skalabilnosti. Rezultati istraivanja dokazuju efikasnost direktne raspodjele. Ima relativno male energetske zahtjeve za razliku od standardnih mehanizama za odreivanje putanje kao to su preplavljivanje(flooding) i omniscient multicast metoda. Npr. simulacija i eksperimentalni rezultati pokazuju da direktna raspodjela u reprezentativnim senzorskim mreama zahtjeva manje od 60% energije potrebne za viekalupne protokole kao to je omniscient multicast (IP bazirana viekalupna tehnika odreivanja putanje), a koji pak zahtjeva samo 50% energije potrebne u preplavljivanju. To se postie uklanjanjem putanja koje se koriste za prijenos redundantnih podatka te iz unutarmrene agregacije kao to je sluaj s meuvorovima koji potiskuju duplu estimaciju lokacija. Distribuirano praenje u beinim Ad hoc mreama Praenje pokretnih ciljeva je vrlo bitna primjena senzorskih mrea u vojnim i obrambenim primjenama. Iako je praenje ciljeva ve dugo prouavano za mree s velikim vorovima te su dostupni algoritmi s distribuiranim algoritmima praenja, praenje u Ad hoc mreama sa mikrosenzorima predstavljaju izazov s obzirom na komunikacijske zahtjeve, procesiranje i energetska ogranienja. U principu bi senzori trebali suraivati te razmjenjivati 12

podatke u svrhu iskoritavanja pogodnosti senzorske podatkovne fuzije, ali bez slanja upita i prikupljanja podataka od svih senzora. Znanstvenik F. Zhao oznaio je sinamiki senzorski kolaborirajui problem u distribuiranom praenju, da bi dinamiki pretpostavio koji senzor je najpogodniji za osjeanje, koje se treba registrirati, i kojem treba informacija za komunikaciju. Razvio je pristup pod nazivom information driven sensor querying (IDSQ) koje omoguava kolaboriranje bazirano na ogranienjima izvora informacije te na cjeni odaslane informacije. Svaki senzor proraunava korisnost predpostavljene informacije od djelia informacije nelokalnog senzora te koriste to mjerenje kako bi znali od kojeg senzora traiti podatak. Funkcije za proraunavanje korisnosti koriste se entropijom, Mahalanobis-ovom razdaljinom, i mjerenjima baziranim na aposteriornoj distribuciji. Ovaj postupak je bio demonstriran pomou simulacija kao i s eksperimentalnim podacima sa terena. Distribuirana klasifikacija u senzorskim mreama koristei tzv. mobilne agente U tradicionalnim senzorskim mreama podaci se sakupljaju individualnim i alju se (mogue viestrukim) povezanim vorovima radi procesiranja. S obzirom da je frekvencijski raspon beinih senzorskih mrea manji nego kod oienih senzorskih mrea, postoji mogunost da komunikacijski zahtjevi senzorskih mrea premae kapacitete. Mobilni agenti su potencijalno rjeenje te dileme. U DSN sustavima baziranim na mobilnim agentima, podaci se uvaju u svakom lokalnom mjestu ili senzoru dok se integrirajui ili stapajui kod alje podacima. Zahtjevi komunikacijskog frekvencijskog rapona mogu se reducirati ako je mobilni agent manjih dimenzija od podatka. Pod ovom predpostavkom, senzorske mree su efikasnije, ako se performanse ne mjenjaju porastom broja senzora. Mrea se takoer bolje adaptira mrenom uitavanju a agenti se mogu programirati da paze na specifine povezivajue procese. Klasifikacija distribuiranih ciljeva je posluila kao dobar primjer ovog pristupa.

Najnovija izvedba Mote-a Spec

13

Tehnoloki trendoviDananje senzorske mree koriste tehnologiju te izvode funkcije o kojima se samo moglo sanjati prije 20ak godina. Senzori, procesori i komunikacijske komponente postaju sve manje i jeftinije. Razliite kompanije kao to su Ember, Krossbow i Sensoria proizvode i razvijaju male senzorske vorove i sustave. Ove tvrtke stvaraju viziju kroz koju e se nai svakodnevni ivoti uzdizati pomou mrea malih senzorskih vorova. Koristei proizvode navedenih tvrtki npr. naprava kao Personal Digital Assistent (PDA) koja koristi Palm ili Pocket PC operacioni sustav koji sadri znaajnu raunarsku snagu u vrlo malim dimenzijama. Takva naprava se lako moe zamisliti kao procesni vor unutar senzorske mree. Takvi ureaji imaju vrlo veliku mo a mogu sadravati i kamere te biti povezani s velikim bazama podataka. Beine mree po standardu IEEE 802.11 osiguravaju performanse sline onima u oienim mreama. Istovremeno IEEE je uoio prednosti i niske cijene koje pruaju senzorske mree. Ustanovljen je novi standard IEEE 802.15 koji se odnosti na tzv. osobne mrene sustave (PANs) koje imaju doputeni radijus 5 10m. Mree sa senzorima kratkog dometa su pogodne za PANs sustave. IEEE potie razvoj algoritama i tehnologija za razvoj takvih sustava. Takoer dolazi do pada energetskih zahtjeva po bitu informacije, za procesiranje i komunikaciju. Osjetilo, procesiranje i komunikacija se dogaa na jednom ipu to smanjuje cijenu i omoguava razvijanje u jo veem broju. Predvia se da e razvoj MEMS tehnologije u budunosti omoguiti jo vee kapacitete ipova te veu raznolikost. Institucije Dust Inc., Berkley, CA ve od 1990. rade na projektu naziva Smart Dust, na University of California, Berkley rade na MEMS senzorima koji mogu osjeati i komunicirati a veliine su jednom kubinog milimetra. Smart Dust optiki mote koristi MEMS da bi ispunio milimetarska zrcala radi komunikacije. Dust senzori mogu biti razvijeni koristei mali val veliine 3*10mm oblikovan kao sjemenka javorova stabla i isputen da odlepra na zemlju. Ovakvi mali, jeftini i sveprisutni senzori mogu se koristiti za ostvarenje najrazliitijih aplikacija.

Smart Dust Berkley, usporedba (na slici lijevo) dananje izvedbe i (na slici desno) slijedea generacija Nove aplikacije Prve aplikacije su bile vojne, kao to je bilo reeno u prethodnim poglavljima, meutim danas se razvija veliki broj aplikacija koje nisu vezane za vojsku a kreu se od infrastrukturne sigurnosti, pa sve do industrijskih osjetila.

14

Infrastrukturna sigurnost Objekti od krucijalnog znaaja moraju biti pod odgovarajuom prismotrom kako bi se u sluaju neprijateljskog napada moglo pravovremeno reagirati. Mree video, akustikih i drugih senzora moraju biti razvijene oko tih objekata. Unaprijeeno izvjetavanje, detekcija, reduciranje broja lanih dojava moe se postii komuniciranjem s veim brojem senzora. Iako fiksne mree povezane s fiksnom komunikacijom mogu dobro zatititi dotine objekte, Ad hoc mree su jo fleksibilnije i efikasnije izvjetavaju kada je potrebno. Senzorske mree mogu takoer biti koritene za detektiranje kemijskog, nuklearnog i biolokog napada. Motrenje okolia i stanita Center for Embedded Network Sensing (CENS), Los Angeles i CA su tvrtke koje imaju primat u razvijanju senzorskih mrea koje slue za motrenje stanita i okolia. Okolini senzori se koriste za prouavanje reakcije vegetacije na klimatske promjene i bolesti, dok akustiki i senzori obrade slike mogu identificirati, pratiti i mjeriti populaciju ptica i drugih vrsta. Velika senzorska mrea pod nazivom System for the Vigilance of the Amazon (SIVAM) nadzire velika prostranstva praume amazone u svrhu borbe protiv transporta droga i zrane kontrole. Sastoji se od velikog broja razliitih senzora koji su povezani. Ti su senzori radari, senzori za obradu slike i okolini senzori. Senzori slike smjeteni su u prostoru, radari se nalaze na letjelicama a okolini senzori se nalaze na tlu. Komunikacijska mrea radi na razliitim brzinama. Maksimalne brzine prisutne su kod prijenosa podataka senzora smjetenih u letjelicama i satelitima dok se spora mrea primjenjuje kod prijenosa informacija senzora koji se nalaze na tlu. Osjeanje u industriji Industrija je ve dugo zainteresirana za primjenu najrazliitijih senzora s obzirom da to pridonosi smanjenju trokova i unapreenju odravanja, te poboljanju performansi kod strojeva. Praenje ponaanja kod strojeva, na nain da se predpostavljaju vibracije i stanje lubrikanata i umetanje senzora u podruja nedostupna ovjeku su primjeri primjene senzorskih aplikacija u industriji. Prije nekoliko godina IEEE i National Institute for Standards and Technology (NIST) donjeli su P1451 standard suelja za istu Plug and Play primjenu u industrijskom okruenju.Tvrtke nastavljaju s automatizacijom proizvodnje te povezivanjem linija proizvodnje pomou daljinskih senzorskih mrea uz on line kontrolu kvalitete koju omoguuju senzori. Posebno su efikasni daljinski beini senzori koji omoguuju upravljanje proizvodnjom uz uvjet da osigura i odrava podreivanje opoj sigurnosti proizvodnje uz smanjenje trokova proizvodnje. Jedan od primjera senzora u industriji su spektralni senzori, koji dobro nadomjetavaju postojei instrumentarij. Mogu biti jednostavni optiki senzori kao to su optrode i pH mjerai pa sve do pravih spektralnih ureaja koji mogu funkcionirati kao spektrometri, optiki senzori mogu zamjeniti instrumente i mjeriti znaajke materijala te obavljati kompozicijska mjerenja. Optiko osjeanje je omogueno minijaturizacijom kao jeftini elektriki par ili polje. Bit ovakvih senzora je da omoguuju viestruka ili matrika mjerenja: mjerenja stotina ili tisua sezora zapisuju se u bazu koja se zatim moe preispitivati, te se na taj nain dolazi do informacije u realnom vremenu. Kontrola prometa

15

Ve dugo vremena se u prometu koriste senzorske mree za detekciju vozila i semafora. Takvi senzori su najee zakopani ili uzdignuti. Ponegdje se koriste i kamere za kontrolu, najee transportnih vozila. Informacije se alju operateru na centralnim lokacijama. Takvi senzori te veze meu njima su skupe, te su takvi ureaji postavljeni samo na pojedinim tokama. Jeftine beine Ad-hoc mree, predpostavlja se, promjenit e globalnu sliku prometa u svijetu. Takvi senzori s ugraenom komunikacijom mogu biti rasprostrite na svim prometnim raskrima da bi mjerili brzinu i brojali vozila. Senzori e komunicirati sa susjednim senzorima te e dati globalnu prometnu sliku koja moe biti propitivana od strane operatera (ovjek ili raunalo) koji zatim generira kontrolni signal. Drugi, radikalniji pristup govori o tome kako e svako vozilo na sebi imati senzore, te e senzori na mimoilazeim autima meusobno komunicirati o stanju u prometu, kako bi se izbjegli prometni epovi i dr.

16

Teko rjeivi problemi i tehniki izazoviSenzorske mree, u opem smislu, povezuju problematiku komunikacija, procesiranja podataka i upravljanja senzorima. Zbog potencijalno neugodnih uvijeta u kojima rade, dinamikog okolia, uz energetska ogranienja te ogranienja frekvencijskog raspona, beine Ad hoc mree postavljaju izazove u razvoju mrea, kontroli i odreivanja putanje unutar mree, propitivanju mree i procesiranju podataka. Otkrie Ad hoc mrea Poznavanje mree je neophodno za ispravan rad senzora unutar mree. Svaki senzor mora znati identitet i lokaciju susjednog vora. zbog boljeg procesiranja i suradnje. U planskim mreama topologiji mree je poznat prioritet, dok se u Ad hoc mreama topologija odreuje u realnom vremenu i obnavlja se perodiki ovisno da li senzori podbaci ili su novi senzori pridodani. U mobilnim mreama svaki senzor mora biti sposoban prepoznati svog susjeda, lokaciju i identitet, te nije potrebno poznavati globalni razmjetaj. Svaki senzor komunicira samo sa svojim susjedom. Takoer bitna stavka je prepoznavanje vlastite lokacije, koja se obavlja ukoliko je mogue GPS sustavom. Ukoliko GPS sustav nije na raspolaganju ili je preskup, tada se koriste algoritimi relativne pozicije za odreivanje vlastite lokacije. Kontrola mree i odreivanje putanje Mrea se mora nositi s izvorima energije, komunikacijama te procesnom tehnikom u sistemu koji se mjenja, a pri tome mrea mora ostati autonomna, mjenjajui svoju strukturu u skladu s potrebama. S obzirom da nema planskog povezivanja, mrea se za povezivanje mora osloniti na algoritme i softver. Komunikacijske veze su nepouzdane, pa je potrebno da dizajn samog sustava i softver osiguraju pouzdanost. To iziskuje istraivanje u podruju veliine mree te broja veza koji bi trebali osigurati dovoljnu zalihost. Takoer za mree na zemlji RF transmisija opada s udaljenou mnogo bre nego na otvorenom prostoru to znai da komunikacija na udaljenost i energija moraju biti jako kvalitetno upravljani. Protokol mora biti ugraen u dizajn i ne smije zahtjevati intervencije operatora. Alternativni pristupi uz ve tradicionalni Internet IP protokol i iji je dio i mobile IP protokol, moraju biti razvijeni. Jedna od prednosti dizajna bez traenja IP adrese na svakom voru je mogunost razvijanja mrenih naprava u vrlo velikom broju. Takoer u suprotnosti s IP protokolom je odreivanje putanje koje je bazirano na geodetskim informacijama optimirane za postojanost i ouvanje energije. To je pristup baziran na zahtjevanju komunikacije za podatkovno - specifine ili aplikacijski specifine primjene. IP pristup nije prikladan za ovakvu komunikaciju s obzirom da odravati putanje za globalnu topologiju te s obzirom da obnavljanja u okolini dinamikih senzorskih mrea zahtjevaju velike koliine energije, memorije i vremena. Postojanost i prilagoavanje okolini je osigurano razvijanje velikog broja senzora koji osiguravaju redundanciju u putanjama i algoritmima koji ju pronalaze. Difuzijske metode za pronalaenje putanje, bazirane na komunikacji s susjednim vorom, su nain za rjeavanje ove problematike. Sljedea bitna stavka koju treba istraiti je kako velika gustoa senzora na malenom ipu, te veliina mree djeluje na razmjenu informacija, pouzdanost i energiju. Kooperacija signala i procesiranje informacija

17

vorovi u senzorskim mreama surauju u svrhu generiranja korisne informacije. Kooperacija signala i procesiranje informacija preko mree je novo podruje u istraivanju i odnosi se na povezivanje distribuirane informacije. Vano tehniko pitanje je stupanj podjeljenosti informacije meu vorovima te na koji nain vorovi povezuju informaciju primljenu iz nekog drugog vora. Procesiranje informacije iz vie senzora redovito daje potpuniju informaciju ali zahtjeva vie izvora informacije a time i vee energetske zahtjeve. Manje komunikacijske informacije gubi se na niim nivoima, ali je potreban vei frekvencijski raspon. Iz gornjih razloga potrebno je razmotriti viestruki kompromis performansi i koritenih izvora u kooperativnim signalima i koritenje mikrosenzora u procesiranju informacije. Kada vor primi informaciju iz nekog drugog vora, tada ta informacija mora biti kombinirana i povezana s lokalnom informacijom. Povezivajua pravila seu od jednostavnih, kao izabiranja najboljeg rezultata do sloenih modelskih baziranih tehnika koje razmatraju na koji nain je informacija generirana. Takoer postoji kompromis performansi i robusnosti. Jednostavna pravila povezivanja doprinose robusnosti, dok sloenija pravila mogu biti ovisna o niim razinama sustava. U mrenoj okolini informacija moe stii nakon viestrukih putanja. Povezivajui algoritam mora biti tada sposoban spoznati da li je potrebno razmatrati dotinu informaciju, u svrhu izbjegavanja ponovljivosti. Odravanje traga informacije je dobro rjeenje u mreama velike procesne moi ali u ad hoc mreama to nije primjenjivo. Senzorske mree su esto koritene za praenje, detekciju te klasifikaciju cilja. Zdruivanje podataka je znaajan problem kada imamo viestruke ciljeve u malenom podruju. Svaki vor mora zdruiti svoje izmjere okoline s individualnim ciljem. Na kraju se cilj detektiran od strane jednog vora mora biti zdruen s ciljevima detektiranim od strane drugih vorova da bi se izbjegla ponovljivost i omoguilo povezivanje.Izvedba optimalnog zdruivanja je raunski vrlo skupo i zahtjeva znaajan frekvencijski raspon. Iz gornjeg slijedi da je za zdruivanje podataka takoer potreban kompromis izmeu performansi i koritenih izvora, te su zahtjevani algoritmi distribuiranih podataka namjenjeni senzorskim mreama. Sljedei problem je kako dostii uvjete samozatajnosti i stabilnosti mree uz njezin maksimalni vjek trajanja. Guste mree jeftinih senzora doputaju prostorno uzorkovanje bez potrebe za skupim algoritmima. Ovi algoritmi moraju biti asinkroni, kako bi brzina procesiranja i komunikacija mogli biti promjenjivi te ak nestati, te ponovno biti uspostavljeni. Postavljanje zadataka i propitivanje Senzorska polja su kao i baze podataka puna jedinstvenih karakteristika. Podaci se dinamiki unose iz okoline, suprotno zadavanju putem operatera. Podaci su distribuirani po vorovima, koji su geografski raspreni i povezani nepouzdanim vezama. Ove znaajke ine izgled baze podataka jo kompleksnijim, posebice u vojnim primjenama gdje su supanja prikrivenosti, rad u stvarnom vremenu i visoko pouzdani zahtjevi jo izrazitiji. Potrebno je da korisnik posjeduje jednostavno suelje za interaktivno zadavanje podataka i propitivanje senzorske mree. Jedan od takvih suelja je i suelje manjih dimenzija koje prepoznaje ljudski govor. Suelje mora biti tako dizajnirano da doputa pristup informaciji ali da ujedno skriva izmjere svakog pojedinanog senzora. Jedan od izazova je dizajnirati jezik koji bi sluio za propitivanje i zadavljanje zadataka, kao to to ve postoji u bazama podataka. Drugi izazov je pronai efikasan distribuirani mehanizam za propitivanje, povezivanje i razmjetaj zadataka, organizaciju podataka i dohvat. Mobilne platforme mogu nositi senzore i ureaje za propitivanje. Neogranien rad interneta izmeu mobilnih i fiksnih rjeenja je krucijalan i jedinstveno rjeenje za senzorske

18

mree. Npr. neka letjelica moe postaviti upit i naznaiti nekom fiksnom rjeenju na tlu da e nadletjeti odreenu lokaciju u nekom trenutku, gdje bi trebala zaprimiti odgovor na svoj upit. Sigurnost Senzorske mree, poglavito u vojnim primjenama, konstruirane su za rad u neprijateljskom okruenju. S obzirom na tu injenicu, njihova sigurnost mora biti bitna stavka, a ne tek sporedna stvar. Sigurnost mree mora biti osigurana kroz sam dizajn mree. Moraju se zatititi od ometanja i podvala.

19

Istraivanja velikih tvrtki u podruju WSN i primjeneIntelova istraivanja: nadziranja vibracija Upotreba WSN sustava u industriji ima svoje pokrie jedino ukoliko moe povratiti ulaganja. Intel momentalno razvija pilot projekt za nadgledanje ispravnosti rada i stanja opreme u poluvodikoj industriji. Kao to primjerice auto zvui ispravno kada je u dobrom stanju tako i oprema ima specifine vibracione znaajke koje ukazuju na stanje ispravnosti. Intel trenutno koristi runo motrenje da bi sprjeio eventualne pogreke i odredio pravilan raspored odravanja ili izmjene opreme, u svrhu izbjegavanja kvarova. Razvijanjem senzorske mree u takvom okruju Intel eli dokazati da redovno odravanje i praenje pogonskih karakteristika moe utjecati na smanjenje broja kvarova uz nisku cjenu instalacije, te eliminaciju skupog nadzora opreme. Povrat ulaganja je mogu i u drugim primjenama kako u industriji tako i u drugim vladinim sektorima. Senzori u zgradama mogu lako odrediti podruje zahvaeno vatrom te pokrenuti spremnike sa vodom za gaenje. Tu se ulaganje isplati s obzirom da se sprjeavaju veliki poari i gubici. Ugradnjom senzora u mostove, u sluaju potresa se gotovo trenutno moe provjeriti da li su mostovi sigurni za koritenje, te se gradska infrastruktura moe vrlo brzo vratiti u funkciju. Takva ulaganja u senzorske mree mogu znaajno smanjiti ulaganja u posao. Intelova istraivanja u Pittsburgh Carnegie Mellon University IrisNet: Istraivanje za Opesvjetsku senzorsku mreu (Worldwide Sensor Web) IrisNet je arhitektura i sustav za Opesvjetsku senzorsku mreu. Senzorske mree kombiniraju senzore razliitog tipa ukljuujui video, te podrazumjeva globalnu distribuiranu podatkovnu kolekciju, izvravanje te podatkovno znaenje. Bit e prikazano kako IrisNet omoguuje vozaima da pronau slobodna parkirna mjesta u blizini vlastite lokacije. Ope znaajke IrisNet-a: Danas standardni hardver, sastoji se od PC raunala povezanog s internetom i jeftinog senzora kao to je Web kamera, a to je ujedno idealan sustav za razvoj opesvjetske senzorske mree. IrisNet prua softversku infrastrukturu za ovakav sustav, koja omoguava korisniku da propituje globalnu distribuiranu kolekciju senzora visoke rezolucije mono i efikasno. Razvijanje senzorske slube postavlja mnoge izazove u smislu prikupljanja podataka i procesiranja, skladitenja te estimiranja senzorskih podataka zbog dostupnosti i performansi, procesiranje upita senzora distribuiranih na sve strane, integriranje podataka i privatnost, itd. IrisNet bi trebao zadovoljiti te uvjete te uz to ponuditi i jednostavno programsko suenje pomou kojeg bi se mogle unati nove opcije. Primjeri aplikacija sa irokim rasponom osjeanja: Traenje slobodnih parkirnih mjesta Aplikacija za nadzor djece: ukoliko npr. djete ode pjeice u kolu, s nekoliko klikova miem, mogue je provjeriti da li je djete stiglo na odredite. Ako se npr. djete nije vratilo na vrijeme iz kole, tada s nekoliko postavljenih upita mogue je doznati gdje je posljednji put vieno, te da li je skrenulo s uobiajene rute. Praenje starijih osoba Pravovremeno otkrivanje epidemija i bolesti: prate se koncentracije mikroorganizama u prostoru 20

Nadziranje doma Motrenje kompjuterske mree Palo Alto Research Center: Distribuirana panja: Omoguavanje osjeanja u kompleksnim urbanim sredinama Kako tehnologija za osjeanje postaje sve jeftinija i efikasnije, velike senzorske mree polako ulaze u urbane, napuene okolie, u aplikacijama kao to su sigurnost prometa, praenje proizvodnje i urbani nadzor. U takvi kompleksnim urbanim sredinama, sustava mora pratiti nekolicinu ljudi ili vozila koji se razlikuju svojim ponaanjem od uobiajenog ponaanja. Motrenje svih aktivnosti u takvom okoliu je nepraktino i komplicirano ak i s najboljom raunalnom opremom. Sustav je konstruiran tako da prati mnoge aktivnosti ovisno o njihovoj vanosti, dok simultano trai nove oblike neobinog ponaanja. Takva tehnologija je analogna ljudskoj panji, u smislu da oko prati interesantna zbivanja u okolici, dok je mozak usredotoen na interpretaciju najbitnijih meu njima. Kao primjer moe posluiti sluaj kada osjeamo da nam se neko ulja iza lea, tada se mozak usredotouje na to da li je ta osoba prijetnja. UC Berkley: Osiguravanje podruja koritenjem sistemske tehnologije s ugraenom mreom Intelovo istraivanje: Proaktivna agrokultura, senzorska mrea za razumjevanje raznolikosti okolia Za agrokulturu se vjeruje da je jedno od podruja koje e najbre usvajati znanja iz podruja WSN. Pomou WSN tehnologije mogue je ouvati kvalitetu terena sa reduciranim koritenjem pesticida i vode. Moe se takoer postii preciznija etva kako bi se maksimizirala kvaliteta te se moe predvidjeti zaleivanje. Suraivalo se s mnogim znanstvenicima iz podruja agrokulture, te se sustavnim praenjem klimatskih promjena primjenom WSN tehnologije u praksi uoilo da je kvalitetu terena esto nemogue prikazati statistikim modelom, jer je ona supstancijalna, dok je s ovom tehnologijom to mogue. Prednosti ove tehnologije su poboljanje kvalitete obrezivanja a time se postigao bolji urod. Tehnologija se moe primjeniti i na druge precizne aktivnosti u agrokulturi. Ova tehnologija djeluje izvan domene predviljivosti, a time se moe djelovati u mnogim znanstvenim i praktinim podrujima. Intelovo istraivanje: Osjeanje u podruju zdravlja drutva te pomoi starijima Zadaa Intelovog Proactive Health Research laboratorija je sakupiti i objediniti poetna istraivanja u tehnolgiji za odravanje kune zdravstvene njege, koja moe unaprijediti zdravlje ukuana i smanjiti raun u zdravstvu. Predvia se da e se u slijedeih 50 godina u SAD-u udvostruiti broj starijih osoba, a tada e biti neobino bitno prebaciti ljeenje i pruanje zdravstvene skrbi iz ustanova u dom ili na radno mjesto. eli se teite staviti na prevenciju od bolesti i bolje odravanje zdravlja. Nakon godina prouavanja obitelji u kojima postoje osobe koje boluju od Alzheimerove bolesti te laganih kognitivnih oteenja, znanstvenici su razvili razliite prototipove koji mogu pomoi skrbnicima te bolesniku. Teite ovog projekta je stavljeno na

21

praenje drutvenog zdravlja i potpori. Tehnologije su bile isprobane na bolesnicima s laganim kognitivnim oteenjima. Tehnologije su bazirane na WSN koja prati nagle promjene stanja bolesnika te pruaju vizualizaciju stanja bolesnika Intelovo istraivanje na Berkley-u: TASK (Tiny Application Sensor Kit) Istraivanje se odnosi na razvoj senzorskih mrenih aplikacija te razvijanje softvera za takve aplikacije. Korisnici aplikacije povezanih s WSN sustavima esto nisu eksperti za softver, ve su to ljudi iz nekih drugih djelatnosti, kao npr. biolozi, agronomi, itd. S obzirom na to njima se moraju omoguiti jednostavni alati za upravljanje takvim sofisticiranim aplikacijama. Upravo takvu zadau ima Intelov istraivaki laboratorij na Berkley-u, gdje je razvijen takav paket alata pod nazivom TASK koji rui barijere izmeu visoke sofisticiranosti WSN sustava i krajnjih korisnika. TASK se sastoji od slijedeeg: TinyDB softver koji omoguuje interakciju programa s senzorskim mreama kroz deklarativno SQL suelje. TASK Server server koji se vrti na portalu senzorske mree a ponaa se kao njihov zastupnik na internetu. TASK DBMS relaciona baza podataka koja slui za spremanje podataka o stanju mree, senzorska oitanja, lokacije senzora te kalibracijske koeficjente TASK Client Tools ukljuuje TASK razvojni alat koji omoguava korisniku da sprema senzorske metapodatke, TASK konfiguracijski alat koji omoguuje korisniku filtriranje podataka te odabiranje kolekcijskih podatkovnih intervala te sakupljanje kriterija, i TASK Visualization Tool koji omoguuje praenje stanja mree i senzorskih oitanja. TASK Field Tool program koji se vrti na PDA, te zaprima dijagnozu i rjeenje problema za razvijenu senzorsku mreu TASK se takoer vrlo jednostavno povezuje s popularnim programima za obradu podataka kao to je MS Excel, Matlab, ArcGis itd. Trenutno radi s Mica2 i Mica2Dot senzorskim mrenim platformama na vremenskim postajama, na portalu baziranom na Intel Xscale tehnologiji, te Miscrosoft x86 baziranim PC-ima s Linux ili Microsoft Windows operacionim sustavom.

Mica2Dot mote, napajana krunom baterijom

UCLA Center for Embeded Network Sensing (CENS): Network Infomechanical Systems (NIMS) 22

NIMS je kreirao novu mobilnu senzorsku aplikaciju za istraivanje okolia bez infrastrukture. Integrirajui ugraenu senzorsku mreu sa mobilnost stvoren je stabilan, samobrinui senzorski sustav.

Mogunosti koje pruaju senzorkske mree su izrazito bitne u krucijalnim problemima dananjice kao to su pronalaenje zaliha pitke vode, zaliha ugljika i odravanja zdravlja drutva. To su trenutno najvei izazovi u razvoju distribuiranih senzorskih sustava za rad u sloenom okruenju, ujedno osiguravajui stabilnost i pouzdanost. Network Infomechanical Systems (NIMS) je projekt unutar istraivakog centra Center for Embeded Network Sensing (CENS) koji razvija nove tehnologije unutar senzorskih ekolokih sustava. Kombinirajui fiksne i mobilne senzorske vorove s infrastrukturom, daljinski senzorski sustavi postaju odrivi ime senzorska mrea postaje sposobna prikupljati i distribuirati energiju, uvoditi nove senzore, pohranjivati komunikacijska rjeenja te kalibrirati senzorski sustav. Posebnost ovakvog sustava je da prua samosvjest koja e osigurati senzorske mree sa sposobnou ispitivanja svojih vlastitih performansi i konano podesi fizike konfiguracije da odravaju i optimiraju senzorske performanse.

NIMS vor i kabel razvijeni na visini od 50 m

Sustav na slici je razvijen u okviru NIMS projekta za rad u otvorenom prostoru u Wind River, eksperimentalnoj umi u Washington-u. Sustav posjeduje vertikalnu i horizontalnu sposobnost transporta, ugraenim proraunavanjem, beinom mreom i senzorskim sustavom. Senzorski sustav prua artikuliranu obradu slike koju zahtjevaju mikroklimatski senzori za ispitivanje interakcije ume i atmosfere. Sustav je projektiran za karakterizaciju okolia kao to su ume, rijeke i protjecanja, a u budunosti i morskog okolia.

23

Zigbee Aliance : Zigbee Aliance je grupacija kompanija koje rade zajedno kako bi osigurale pouzdano, isplativije, uz manju potronju energenata, beino umreavanje, praenje i kontrolu proizvodnje bazirane na otvorenom globalnom standardu. Radi se o novom opem standardu koji slui za beino umreavanje proizvoda na odreenoj frekvenciji. Cilj je osigurati veliku fleksibilnost, mobilnost i lakou rukovanja proizvodima u svakodnevoj upotrebi, ugraivanjem beinih i inteligentnih sustava u te proizvode. ZigBee tehnologija e se ugraivati u proizvode razliitih djelatnosti, od industrije do komercijalnih proizvoda itd. Prvi puta e kompanije imati beinu platformu koja e biti zasnovana na jednom standardu, optimiziranu za jedinstvene potrebe daljinskog nadgledanja i praenja aplikacija. Predstavnici ZigBee udruge su tvrtke Philips, Honeywell, Motorola, Mitsubishi electric, InvensysSH OR T TEXT GRAPHICS INTERNET HI-FI AUDIO STREAMING VIDEO DIGITAL VIDEO MULTI-CHANNEL VIDEO

LO NG

ZigBee

Bluetooth1

PAN

LOW

HIGH

Pozicija ZigBee na beinom tritu ZigBee u odnosu na Bluetooth standard troi manje energije te je shodno tome bolji za aplikacije u kojima nije poeljno esto mjenjati baterijsko napajanje.

24

Literatura

Predavanja: Overview of Sensor Networks, David Culler - University of California,Berkley; Deborah Estrin; Mani Srivastava University of California, Los Angeles

Sensor Networks: Evolution, Opportunities and Challenges, Chee- Yee Chong member, IEEE; Srikanta P. Kumar senior member, IEEE;

lanci:Intel Exploratory Research: Deep Networking How thing works: How mote works

Znaajni linkovi: http://www.darpa.mil/index.html http://www.intel.com/research/exploratory/motes.htm http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/archive/users/warneke-brett/SmartDust/ http://www.zigbee.org/en/about/

25