Введение

Группа пространственно распределенных и специализированных датчиков. Беспроводные сенсорные сети (WSN) — это сети пространственно распределенных и специализированных датчиков, предназначенных для мониторинга и регистрации физических условий окружающей среды с последующей передачей собранных данных в центральную точку. WSN могут измерять такие параметры окружающей среды, как температура, звук, уровень загрязнения, влажность и ветер. Они аналогичны беспроводным ad hoc сетям тем, что полагаются на беспроводную связь и спонтанное формирование сети для беспроводной передачи данных с датчиков. WSN осуществляют мониторинг физических условий, таких как температура, звук и давление. Современные сети являются двунаправленными, обеспечивая как сбор данных, так и управление активностью датчиков. Разработка этих сетей была обусловлена военными приложениями, например, наблюдением за полем боя. Такие сети применяются в промышленных и потребительских областях, включая мониторинг и управление промышленными процессами, контроль состояния оборудования и сельское хозяйство. WSN состоит из "узлов" – от нескольких до сотен или тысяч, при этом каждый узел подключен к другим датчикам. Каждый такой узел обычно включает в себя: радиоприемник с внутренней антенной или подключением к внешней антенне, микроконтроллер, электронную схему для взаимодействия с датчиками и источник питания, как правило, батарею или встроенную систему сбора энергии. Размер сенсорного узла может варьироваться от размера коробки для обуви до (теоретически) пылинки, хотя создание узлов микроскопических размеров пока не реализовано. Стоимость сенсорных узлов также варьируется – от нескольких до сотен долларов, в зависимости от сложности узла. Ограничения по размеру и стоимости сдерживают ресурсы, такие как энергия, память, вычислительная мощность и пропускная способность канала связи. Топология WSN может быть различной – от простой звездообразной сети до продвинутой многоходовой беспроводной mesh-сети. Для распространения данных могут использоваться маршрутизация или широковещание. В области компьютерных наук и телекоммуникаций беспроводные сенсорные сети являются активной областью исследований, поддерживающей множество семинаров и конференций, включая Международный семинар по встроенным сетевым сенсорам (EmNetS), IPSN, SenSys, MobiCom и EWSN. По состоянию на 2010 год во всем мире было развернуто около 120 миллионов удаленных устройств беспроводных сенсорных сетей.

Мониторинг территории

Мониторинг территории – распространенное применение WSN. В задачах мониторинга территории WSN развертывается на определенной области для наблюдения за тем или иным явлением. Примером в военной сфере является использование датчиков для обнаружения вторжения противника, а в гражданской – геозабор газо- или нефтепроводов.

Мониторинг здравоохранения

Существует несколько типов сенсорных сетей для медицинских применений: имплантируемые, носимые и встроенные в окружающую среду. Имплантируемые медицинские устройства – это устройства, которые вводятся внутрь человеческого тела. Носимые устройства используются на поверхности тела человека или в непосредственной близости от пользователя. Системы, встроенные в окружающую среду, используют датчики, расположенные в окружающей среде. Возможные области применения включают измерение положения тела, определение местоположения людей, а также общий мониторинг состояния здоровья пациентов в больницах и на дому. Устройства, встроенные в окружающую среду, отслеживают физическое состояние человека для непрерывной диагностики здоровья, используя в качестве входных данных информацию от сети камер глубины, сенсорного пола или других подобных устройств. Сети персональных устройств могут собирать информацию о здоровье человека, его физической форме и потреблении энергии. В здравоохранении конфиденциальность и подлинность пользовательских данных имеют первостепенное значение. Особенно в связи с интеграцией сенсорных сетей с Интернетом вещей, аутентификация пользователей становится более сложной задачей; однако, решение этой проблемы представлено в недавних исследованиях.

Мониторинг местообитания

Беспроводные сенсорные сети использовались для мониторинга различных видов и их сред обитания, начиная с проекта на острове Большой Утки и включая наблюдение за сурками, тростниковыми жабами в Австралии и зебрами в Кении.

Экологические/земляные датчики

Существует множество применений для мониторинга параметров окружающей среды, некоторые примеры приведены ниже. Все они сталкиваются с дополнительными трудностями, связанными с экстремальными условиями и ограниченным энергоснабжением.

Мониторинг качества воздуха

Эксперименты показали, что индивидуальное воздействие загрязнения воздуха в городах может значительно варьироваться. Поэтому представляется важным иметь более высокое временное и пространственное разрешение при измерении загрязняющих веществ и частиц. Для исследовательских целей были развернуты беспроводные сенсорные сети для мониторинга концентрации опасных газов для населения (например, в Лондоне). Однако датчики газов и твердых частиц характеризуются высокой вариативностью между отдельными устройствами, перекрестной чувствительностью и (концептуальным) дрейфом. Более того, текущего качества данных недостаточно для принятия обоснованных решений, так как полевая калибровка приводит к недостоверным результатам измерений, и может потребоваться частая перекалибровка. Возможным решением может стать слепая калибровка или использование мобильных эталонов.

Обнаружение лесных пожаров

Сеть сенсорных узлов может быть установлена в лесу для обнаружения начала пожара. Узлы могут быть оснащены датчиками для измерения температуры, влажности и газов, выделяемых при горении деревьев или растительности. Раннее обнаружение критически важно для успешных действий пожарных; благодаря беспроводным сенсорным сетям, пожарная служба сможет оперативно узнать о возникновении пожара и отслеживать его распространение.

Обнаружение оползней

Система обнаружения оползней использует беспроводную сенсорную сеть для выявления малейших смещений грунта и изменений различных параметров, которые могут происходить до или во время оползня. Анализ собранных данных позволяет прогнозировать возникновение оползней задолго до их фактического начала.

Мониторинг качества воды

Мониторинг качества воды включает анализ свойств воды в плотинах, реках, озерах и океанах, а также в подземных водах. Использование множества беспроводных распределенных датчиков позволяет создавать более точную картину состояния воды и обеспечивает постоянное развертывание станций мониторинга в труднодоступных местах, исключая необходимость ручного сбора данных.

Предотвращение стихийных бедствий

Беспроводные сенсорные сети могут быть эффективны для предотвращения негативных последствий стихийных бедствий, таких как наводнения. Беспроводные узлы успешно развернуты в реках для мониторинга изменений уровня воды в реальном времени.

Мониторинг состояния машины

Беспроводные сенсорные сети были разработаны для обслуживания оборудования на основе данных о его состоянии (CBM), так как они позволяют значительно снизить затраты и реализовать новые функции. Беспроводные датчики можно устанавливать в местах, недоступных или труднодоступных для проводных систем, например, на вращающемся оборудовании и автономных транспортных средствах.

Регистрация данных

Беспроводные сенсорные сети также используются для сбора данных для мониторинга информации об окружающей среде. Это может быть настолько просто, как контроль температуры в холодильнике или уровня воды в переливных резервуарах на атомных электростанциях. Полученная статистическая информация затем может использоваться для оценки работы систем. Преимущество WSNs перед традиционными регистраторами заключается в возможности получения данных в режиме реального времени.

Мониторинг воды/отходов

Мониторинг качества и уровня воды включает в себя множество мероприятий, таких как контроль качества подземных и поверхностных вод, а также обеспечение надлежащего состояния водной инфраструктуры страны для нужд людей и животных. Это может быть использовано для предотвращения потерь воды.

Структурный мониторинг здоровья

Беспроводные сенсорные сети могут использоваться для мониторинга состояния гражданской инфраструктуры и связанных геофизических процессов практически в реальном времени и на протяжении длительных периодов времени путем регистрации данных с помощью соответствующих датчиков.

Производство вина

Беспроводные сенсорные сети используются для мониторинга производства вина как в винограднике, так и в погребе.

Обнаружение угрозы

Система широкозонного обнаружения (WATS) – это прототип сети для обнаружения наземного ядерного устройства, например, ядерной "бомбы в чемодане". WATS разрабатывается в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL). WATS будет состоять из беспроводных гамма- и нейтронных датчиков, соединенных посредством сети связи. Данные, собранные датчиками, подвергаются "объединению данных", которое преобразует информацию в легко интерпретируемые формы; это объединение данных является наиболее важным аспектом системы. Процесс объединения данных происходит непосредственно в сети датчиков, а не на централизованном компьютере, и выполняется с помощью специально разработанного алгоритма, основанного на байесовской статистике. WATS не будет использовать централизованный компьютер для анализа, поскольку исследователи выяснили, что такие факторы, как задержка и доступная пропускная способность, приводят к существенным узким местам. Обработка данных в режиме реального времени самой сетью (путем передачи небольших объемов данных между соседними датчиками) происходит быстрее и обеспечивает большую масштабируемость сети.

Мониторинг инцидентов

Существуют исследования, показывающие, что использование датчиков для мониторинга инцидентов значительно улучшает оперативность реагирования пожарных и полиции в неожиданных ситуациях. Для раннего обнаружения инцидентов можно использовать акустические датчики для выявления резкого повышения уровня шума в городе, вызванного возможным происшествием, или тепловизоры для обнаружения возможного пожара.

Цепочки поставок

Используя электронику с низким энергопотреблением, беспроводные сенсорные сети (WSN) могут экономически эффективно применяться также и в цепочках поставок в различных отраслях промышленности.

Оборудование

Одна из основных задач в беспроводных сенсорных сетях (WSN) – создание недорогих и миниатюрных сенсорных узлов. Растет число небольших компаний, производящих аппаратное обеспечение для WSN, и текущая коммерческая ситуация сопоставима с рынком домашних компьютеров в 1970-х годах. Многие из этих узлов все еще находятся на стадии исследований и разработки, особенно их программное обеспечение. Важным аспектом внедрения сенсорных сетей является использование энергоэффективных методов для радиосвязи и сбора данных. Во многих приложениях WSN взаимодействует с локальной или глобальной сетью через шлюз. Шлюз выполняет функцию моста между WSN и другой сетью, что позволяет хранить и обрабатывать данные на устройствах с большими вычислительными ресурсами, например, на удаленном сервере. Беспроводная сеть большой зоны покрытия, предназначенная главным образом для устройств с низким энергопотреблением, называется сетью LPWAN (Low Power Wide Area Network).

Беспроводная связь

Существует несколько беспроводных стандартов и решений для подключения сенсорных узлов. Thread и Zigbee могут соединять датчики, работающие на частоте 2,4 ГГц, со скоростью передачи данных 250 кбит/с. Многие используют более низкую частоту для увеличения радиуса действия радиосвязи (обычно до 1 км), например, Z-Wave работает на частоте 915 МГц, а в ЕС широко используется 868 МГц, однако они имеют более низкую скорость передачи данных (обычно 50 кбит/с). Рабочая группа IEEE 802.15.4 предоставляет стандарт для подключения устройств с низким энергопотреблением, и датчики и интеллектуальные счетчики часто используют один из этих стандартов для подключения. С развитием Интернета вещей было предложено множество других решений для подключения датчиков. LoRa – это разновидность LPWAN, обеспечивающая беспроводную связь устройств на больших расстояниях при низком энергопотреблении, и она используется в интеллектуальных счетчиках и других приложениях с датчиками дальнего действия. Wi-SUN подключает устройства в доме. Narrowband IoT и LTE-M могут подключать до миллионов датчиков и устройств, используя сотовую технологию.

Операционные системы

Операционные системы для узлов беспроводных сенсорных сетей, как правило, менее сложны, чем операционные системы общего назначения. Они больше напоминают встроенные системы по двум причинам. Во-первых, беспроводные сенсорные сети обычно развертываются для конкретного приложения, а не в качестве универсальной платформы. Во-вторых, потребность в низкой стоимости и низком энергопотреблении приводит к тому, что большинство узлов беспроводных сенсорных сетей оснащены маломощными микроконтроллерами, что делает механизмы, такие как виртуальная память, либо ненужными, либо слишком дорогими для реализации. Поэтому для сенсорных сетей можно использовать встроенные операционные системы, такие как eCos или uC/OS. Однако такие операционные системы часто разрабатываются с учетом требований реального времени. TinyOS, разработанная Дэвидом Каллером, вероятно, является первой операционной системой, специально разработанной для беспроводных сенсорных сетей. TinyOS основана на модели программирования, управляемой событиями, а не на многопоточности. Программы TinyOS состоят из обработчиков событий и задач с семантикой завершения выполнения. При возникновении внешнего события, например, поступления пакета данных или показания датчика, TinyOS сигнализирует соответствующий обработчик событий для обработки этого события. Обработчики событий могут запускать задачи, которые планируются ядром TinyOS некоторое время спустя. LiteOS – это недавно разработанная ОС для беспроводных сенсорных сетей, предоставляющая UNIX-подобную абстракцию и поддержку языка программирования C. Contiki, разработанная Адамом Дункельсом, – это ОС, использующая более простой стиль программирования на C, при этом обеспечивающая такие возможности, как 6LoWPAN и Protothreads. RIOT (операционная система) – более новая операционная система реального времени, включающая функциональность, аналогичную Contiki. PreonVM – это ОС для беспроводных сенсорных сетей, обеспечивающая поддержку 6LoWPAN на основе Contiki и языка программирования Java.

Онлайн-платформы совместного управления данными датчиков

Онлайн-платформы для совместного управления данными датчиков – это онлайн-сервисы баз данных, позволяющие владельцам датчиков регистрировать и подключать свои устройства для передачи данных в онлайн-базу данных с целью хранения, а также предоставляющие разработчикам возможность подключаться к этой базе данных и создавать собственные приложения на основе этих данных. Примеры таких платформ включают Xively и Wikisensing. Эти платформы упрощают онлайн-сотрудничество между пользователями при работе с разнообразными наборами данных, от данных об энергетике и окружающей среде до данных, собираемых транспортными службами. Среди других возможностей – встраивание графиков и виджетов в реальном времени на веб-сайты, анализ и обработка исторических данных, полученных из потоков данных, и отправка оповещений в реальном времени из любого потока данных для управления скриптами, устройствами и окружением. Архитектура системы Wikisensing описывает ключевые компоненты подобных систем, включая API и интерфейсы для онлайн-соавторов, промежуточное ПО, содержащее бизнес-логику, необходимую для управления и обработки данных датчиков, и модель хранения, подходящую для эффективного хранения и извлечения больших объемов данных.

Симуляция

В настоящее время моделирование и симуляция на основе агентов – единственная парадигма, позволяющая моделировать сложное поведение в средах беспроводных сенсоров (например, стайное поведение). Моделирование беспроводных сенсорных и ad hoc сетей с использованием агентов – относительно новая парадигма. Изначально агентное моделирование базировалось на социальном моделировании. Сетевые симуляторы, такие как Opnet, Tetcos NetSim и NS, могут быть использованы для симуляции беспроводной сенсорной сети.

Локализация

Локализация сети относится к задаче определения местоположения беспроводных сенсорных узлов при развертывании и в динамически меняющихся условиях. Для датчиков с ультранизким энергопотреблением размер, стоимость и условия окружающей среды препятствуют использованию GPS-приемников на самих датчиках. В 2000 году Нирупама Булусу, Джон Хайдеманн и Дебора Эстрин впервые обосновали необходимость и предложили систему, основанную на радиосвязи, для локализации беспроводных сенсорных сетей. Позднее такие системы локализации стали называться системами локализации без определения дальности, и впоследствии было предложено множество систем локализации для беспроводных сенсорных сетей, включая AHLoS, APS и Stardust.

Калибровка данных датчика и допустимость ошибок

Датчики и устройства, используемые в беспроводных сенсорных сетях, представляют собой самые современные технологии по минимальной цене. Измерения, получаемые с этих устройств, поэтому часто зашумлены, неполны и неточны. Исследователи, изучающие беспроводные сенсорные сети, предполагают, что из сотен ненадежных измерений, распределенных по интересующей области, можно извлечь значительно больше информации, чем из меньшего числа высококачественных и надежных приборов с той же общей стоимостью.

Макропрограммирование

Макропрограммирование — термин, введенный Мэттом Уэлшем. Он означает программирование всей сенсорной сети как единого целого, а не отдельных сенсорных узлов. Другой подход к макропрограммированию сети заключается в рассмотрении сенсорной сети как базы данных, что получило распространение благодаря системе TinyDB, разработанной Сэмом Мэдденом.

Перепрограммирование

Перепрограммирование – это процесс обновления кода на сенсорных узлах. Наиболее целесообразным видом перепрограммирования является дистанционное перепрограммирование, при котором код распространяется по беспроводной сети, когда узлы уже развернуты. Существуют различные протоколы перепрограммирования, обеспечивающие различные уровни скорости, надежности, энергопотребления, требований к объему кода, хранящегося на узлах, пригодности для различных беспроводных сред и устойчивости к DoS-атакам и т.д. К популярным протоколам перепрограммирования относятся Deluge (2004), Trickle (2004), MNP (2005), Synapse (2008) и Zephyr (2009).

Безопасность

Инфраструктура, не включающая архитектуру (то есть, шлюзы и т.п.), и присущие беспроводным сенсорным сетям (ВСС) требования (например, работа в среде без присмотра и т.п.) могут создавать ряд уязвимостей, привлекающих злоумышленников. Поэтому безопасность является серьезной проблемой при развертывании ВСС в специализированных областях, таких как военная сфера и здравоохранение. В силу своих уникальных особенностей, традиционные методы защиты компьютерных сетей оказываются неэффективными (или малоэффективными) для ВСС. Следовательно, отсутствие механизмов безопасности может привести к проникновениям в эти сети. Эти проникновения необходимо выявлять и применять методы их нейтрализации. В области защиты беспроводных сенсорных сетей достигнуты значительные успехи. Большинство беспроводных встроенных сетей используют всенаправленные антенны, что позволяет соседним узлам перехватывать входящую и исходящую коммуникацию. Это свойство было использовано для разработки метода "локального мониторинга", предназначенного для обнаружения сложных атак, таких как атаки "черная дыра" или "червоточина", которые могут снизить пропускную способность больших сетей практически до нуля. С тех пор этот метод широко используется исследователями и коммерческими беспроводными анализаторами трафика. В дальнейшем он был усовершенствован для противодействия более сложным атакам, связанным со сговором, мобильностью, а также использованием многоантенных и многоканальных устройств.

Интеграция данных и сеть датчиков

Данные, собранные из беспроводных сенсорных сетей, обычно сохраняются в виде числовых данных на центральной базовой станции. Кроме того, Open Geospatial Consortium (OGC) разрабатывает стандарты для интерфейсов взаимодействия и кодирования метаданных, обеспечивающие интеграцию разнородных сетей датчиков в Интернет в режиме реального времени, что позволяет любому пользователю осуществлять мониторинг или управление беспроводными сенсорными сетями через веб-браузер.

Обработка в сети

Для снижения затрат на связь некоторые алгоритмы удаляют или уменьшают избыточную сенсорную информацию узлов и избегают пересылки бесполезных данных. Этот подход применялся, например, в задачах распределенного обнаружения аномалий или распределенной оптимизации. Поскольку узлы могут анализировать пересылаемые данные, они могут измерять средние значения или направленность показаний от других узлов. Например, в приложениях для сенсорного мониторинга и контроля окружающей среды соседние сенсорные узлы, отслеживающие один и тот же параметр, как правило, регистрируют схожие значения. Такая избыточность данных, обусловленная пространственной корреляцией между показаниями датчиков, стимулирует разработку методов агрегации и анализа данных непосредственно в сети. Агрегация уменьшает объем сетевого трафика, что способствует снижению энергопотребления сенсорных узлов. В последнее время было установлено, что сетевые шлюзы также играют важную роль в повышении энергоэффективности сенсорных узлов, выделяя больше ресурсов узлам с наиболее критическими потребностями в энергосбережении, и для повышения общей энергоэффективности сети на сетевых шлюзах необходимо внедрять передовые алгоритмы энергоэффективного планирования.

Безопасная агрегация данных

Это форма обработки в сети, где предполагается, что сенсорные узлы не защищены и имеют ограниченные энергетические ресурсы, в то время как базовая станция считается защищенной и обладает неограниченными энергетическими ресурсами. Агрегация усложняет уже существующие проблемы безопасности беспроводных сенсорных сетей и требует новых методов защиты, разработанных специально для таких сценариев. Обеспечение безопасности при агрегировании данных в беспроводных сенсорных сетях известно как безопасное агрегирование данных в WSN. Работы стали одними из первых, в которых обсуждались методы безопасного агрегирования данных в беспроводных сенсорных сетях. Две основные задачи безопасности при безопасном агрегировании данных – это конфиденциальность и целостность данных. Хотя шифрование традиционно используется для обеспечения сквозной конфиденциальности в беспроводных сенсорных сетях, агрегаторы в сценарии безопасного агрегирования данных должны расшифровывать зашифрованные данные для выполнения агрегации. Это подвергает открытый текст риску на стороне агрегаторов, делая данные уязвимыми для атак злоумышленника. Аналогично, агрегатор может внедрять ложные данные в агрегированный результат и заставлять базовую станцию принимать неверные данные. Таким образом, хотя агрегация данных повышает энергоэффективность сети, она усугубляет существующие проблемы безопасности.