ИЗТОЧНИК НА ЕЛЕКТРОННИ КОМПОНЕНТИ С УВЕРЕНИЕОторизирано снабдяване с интегрални схеми (ICs), IGBT модули, транзистори, диоди и пасивни компоненти — подкрепени от реални запаси и опит в снабдяването.: Подпомагане на инженери и купувачи с надеждни източници и отзивчиви котировки.ЗАЯВКА ЗА КОМПОНЕНТИ

Безжични сензорни мрежи: Как работят, видове, приложения и отстраняване на проблеми

Aug26

Разгледайте: 839

Безжичните сензорни мрежи (WSN) използват разпределени сензорни възли за измерване на физически условия и предаване на данните безжично на шлюз, sink, контролер или приложение. Те се използват широко за индустриален мониторинг, интелигентни сгради, земеделие, екологично наблюдение, мониторинг на инфраструктурата и IoT системи. Тази статия разглежда как работят безжичните сензорни мрежи, комуникацията с едно и многоскочна свързаност, общите безжични технологии, ключовите параметри за производителност, приложенията, избора на мрежа и отстраняването на проблеми.

Каталог

1. Какво е безжична сензорна мрежа?

2. Как работи безжичната сензорна мрежа

3. Топологии на безжична сензорна мрежа: едноскочна, многоскочна, звездна, дървовидна и mesh

4. Безжични комуникационни технологии и протоколи за WSN

5. Ключови параметри за производителност и проектиране на безжични сензорни мрежи

6. Общи приложения и случаи на използване на безжични сензорни мрежи

7. Как да проектираме и изберем безжична сензорна мрежа

8. Чести проблеми в безжични сензорни мрежи, тестване и отстраняване на проблеми

Example single-hop WSN architecture

Фигура 1: Примерна архитектура на едноскочна WSN

Какво е безжична сензорна мрежа?

Безжичната сензорна мрежа е група от сензорни възли, които измерват физически условия като температура, влажност, налягане, вибрации, движение, светлина, концентрация на газове или статус на оборудването и предават измерванията безжично. Типичният сензорен възел съдържа сензорен елемент, схема за обработка или преобразуване на сигнала, микроконтролер, безжичен трансивер и източник на енергия. В зависимост от архитектурата на мрежата данните се изпращат директно или чрез други възли до sink, шлюз, контролер или отдалечено приложение.

Как работи безжичната сензорна мрежа?

Сензорният възел първо измерва физическо условие с помощта на своя сензорен елемент. Сигналът се обработва и преобразува в данни, които микроконтролерът на възела може да обработи. След това възелът опакова измерването и го предава през избраната безжична връзка. Данните може да пътуват директно до шлюз или през междинни възли, преди да достигнат дестинацията. Шлюзът или sink събира измерванията и ги предава на локален контролер, сървър, облачна платформа или приложение за мониторинг, където данните могат да бъдат съхранявани, анализирани, показвани или използвани за предизвикване на действие.

Топологии на безжичната сензорна мрежа: едноскочна, многоскочна, звездна, дървовидна и mesh

Single-Hop vs. Multi-Hop Wireless Sensor Network

Фигура 2: Едноскочна срещу многоскочна безжична сензорна мрежа

Броят на скоковете и топологията на мрежата описват различни неща. Броят на скоковете показва колко безжични връзки преминава един пакет, преди да достигне дестинацията си. Топологията описва как са организирани възлите, рутерите и шлюзовете. Звездна мрежа може да използва едноскочна комуникация, докато дървовидните и mesh мрежи обикновено използват множество скокове.

Тип на мрежата	Релейно предаване	Резервираност	Задържане на време	Предаване на мощност	Неуспех Поведение	Подходящи Приложения
Едноскоково	Без междинен безжичен релей	Зависи от покритие на шлюза и дизайн на системата	Без забавяне от релейно скокване	Сензорът предава само собственото си трафик	Загубата на директната връзка може да прекъсне този възел	Директно усетване от възел до шлюз
Мултискоково	Един или повече междинни възли предават трафик	Зависи от дизайна на маршрутизацията	Допълнителните скокове могат да добавят забавяне и повторни предавания	Релейните възли консумират енергия, предавайки друг трафик	Неуспехът може да наложи повторна маршрутизация или да прекъсне пътя	Разпределени мрежи, където директните връзки не са налични
Звезда	Крайните възли комуникират с централния координатор или шлюз	Обикновено зависи силно от централната точка	Директният радиовръзка обикновено е прост	Крайните възли обикновено не предават трафика на други възли	Провалът на централната точка може да засегне много възли	Централизирано наблюдение и мрежи, основани на шлюзове
Дърво	Данните следват пътища от родител към дете чрез междинни възли	Обикновено ограничен, освен ако не са проектирани алтернативни пътища	Забавянето може да нараства с дълбочината на дървото	Родителските/маршрутизиращи възли трябва да предават трафика на децата	Неуспехът на горен родител може да прекъсне неговия клон	Йерархични строителни или индустриални мрежи
Мрежа	Възли с възможности за маршрутизиране предават трафика за други възли	Множество маршрути може да са налични	Дължината на маршрута и повторната маршрутизация влияят на латентността	Маршрутизаторите изискват достатъчно енергия за непрекъснати задачи по предаване	Маршрутизацията може да заобиколи повредените връзки или маршрутизатори, когато съществуват алтернативни пътища	Автоматизация на сградите и разпределено индустриално усетване

Мрежа с множество скокове не е автоматично мрежа. Мултискоковата комуникация може да се осъществи и в дървовидни или други маршрутизирани структури.

LoRaWAN е също важен пример защо броят на скоковете и топологията трябва да бъдат отделени. LoRa Alliance определя LoRaWAN като топология "звезда на звезди", в която крайните устройства използват едноскокова радиовръзка до един или повече шлюза. Шлюзовете след това предават пакетите до мрежовия сървър чрез IP свързаност. Крайните устройства на LoRaWAN не образуват безжична мрежа или предават пакети помежду си.

Безжични комуникационни технологии и протоколи за WSNs

Безжичните технологии трябва да се сравняват според тяхното протоколно ниво и роля. Спецификацията на радиочестотната PHY/MAC, мрежовият стек и протоколът за приложна комуникация не изпълняват същата функция.

Радио, PHY и технологии за свързване

Технология	Роля на протокола	Какво предоставя	Забележка за дизайна на WSN
IEEE 802.15.4	PHY и MAC	Определя работа на радиото на физическо ниво и функции на MAC за мрежи с ниска скорост	Използва се като основа на радио/MAC за технологии като Zigbee и Thread
Bluetooth Low Energy (BLE)	Безжичен стек на Bluetooth с множество опции за LE PHY	Предоставя комуникация по радио и свързване на Bluetooth LE	Покритие и поведение на комуникация зависят от избрания PHY, мощност на предаване, приемник, антена, кутия и среда
Wi-Fi / IEEE 802.11	Семейство PHY и MAC с IP мрежова свързаност обикновено над него	Предоставя WLAN свързаност	Полезно, когато дизайнът на сензора изисква съвместимост с вече съществуваща Wi-Fi инфраструктура
LoRa PHY	Физическо ниво	Предоставя модулацията на радио LoRa, използвана в LoRaWAN	LoRa и LoRaWAN не трябва да се третират като един и същи протоколен слой
NB-IoT	3GPP клетъчна безжична достъпна технология	Предоставя свързаност на IoT чрез лицензирани клетъчни честоти	Достъпността на мрежата, поддържаният 3GPP релийз, конфигурацията на оператора, изискванията за мобилност и функции за пестене на енергия трябва да бъдат проверени
LTE-M	3GPP клетъчна безжична достъпна технология	Предоставя клетъчна IoT свързаност чрез лицензирани клетъчни честоти	Трябва да се оценява отделно от NB-IoT, тъй като мобилността, поведението на латентността, характеристиките на устройството и поддръжката на мрежата различават
Собствено радио	PHY/MAC или стек, специфичен за доставчика	Предоставя безжична комуникация, специфична за приложението	Изисква проверка на съвместимостта, регионалните разпоредби и дългосрочната подкрепа на доставчика

IEEE 802.15.4 конкретно определя PHY и MAC функции, а не целия приложен стек. Bluetooth LE поддържа множество конфигурации на PHY, включително LE 1M, LE 2M и LE Coded, така че да се описва BLE безусловно само като "късосрочен" е твърде опростено. NB-IoT и LTE-M са отделни 3GPP клетъчна IoT технологии с допълващи характеристики и трябва да бъдат оценявани индивидуално за предвиденото разполагане и операторската мрежа.

Мрежови стекове и по-високи нива на безжични протоколи

Технология / Протокол	Основна технология	Основна роля	Обичайни WSN приложения
Zigbee	IEEE 802.15.4 PHY/MAC	Добавя функции за мрежова свързаност и приложение на Zigbee	Сензори, автоматизация на сгради, мониторинг
Thread	IEEE 802.15.4 с 6LoWPAN и IPv6	Осигурява мрежова свързаност на базата на IPv6	Умни сгради и IP-базирани сензорни мрежи
WirelessHART	Радио на база IEEE 802.15.4 с WirelessHART данни, мрежова свързаност, планиране и приложения	Осигурява управлявана индустриална безжична комуникация	Процесна инструментализация и индустриален мониторинг
LoRaWAN	LoRa или поддържани регионални PHY опции	Определя LoRaWAN MAC/мрежова архитектура, класове устройства, сигурност и комуникация между шлюз/мрежов сървър	Разпределено сензорно събиране чрез мрежа от звезди на звезди

Спецификацията на Zigbee използва IEEE 802.15.4 MAC и PHY под своите по-високи слоеве. Thread е протокол за мрежова свързаност, базиран на IPv6, изградена на базата на технологията на радиото IEEE 802.15.4. WirelessHART добавя своите промишлени комуникационни функции над физическия слой на база IEEE 802.15.4. LoRaWAN определя протокол за мрежова свързаност от по-високо ниво и архитектура от звезди на звезди, а не е самият радио PHY.

Протоколи за приложно съобщение

Протокол	Слой / Роля	Как се използва
MQTT	Протокол за приложно съобщение	Използва механизъм за публикуване/абониране между клиенти и сървър или брокер
CoAP	Приложен протокол	Осигурява комуникация в стил REST, проектирана за ограничени устройства и мрежи

MQTT и CoAP не трябва да се изброяват като алтернативи на радиотехнологии като IEEE 802.15.4, BLE или LoRa. Те работят над основната мрежа. MQTT определя публикуване/абониране между клиент-сървър, докато CoAP осигурява приложен протокол, проектиран за ограничени среди.

Не присвоявайте универсален обхват, пропускателна способност, латентност или енергийни резултати на тези технологии, без да посочвате версията на протокола, PHY, регионалната лента или каналния план, размера на пакета, конфигурацията на мрежата, антенното системи, предавателната мощност и тестовата среда.

Ключови параметри на производителността и дизайна на безжични сензорни мрежи

Безжичната производителност не може да се оцени само от обхвата на предаване. Мощността, интерференцията, доставката на пакети, латентността, топологията и екологичните условия също трябва да се вземат под внимание.

Параметър	Какво да се провери	Защо е важно
Обхват на покритие	Разстояние и препятствия между възлите и шлюза	Определя дали могат да се установят надеждни връзки
Скорост на данни	Количество данни, предавани на секунда	Трябва да поддържа сензорното натоварване
Латентност	Забавяне от измерване до дестинация	Важно за аларми и контролни приложения
Съотношение на доставка на пакети (PDR)	Успешно получени пакети в сравнение с предадените пакети	Измерва надеждността на комуникацията
RSSI / получено ниво на сигнал	Сила на полученото радио сигнал	Помага да се оцени състоянието на връзката за избраната радио система
SNR	Ниво на сигнала в сравнение с фоновия шум	Помага да се оцени качеството на връзката за избрания PHY и модулация
Честотна лента	Под-ГХц, 2.4 ГХц, лицензирани клетъчни ленти или друг разрешен спектър	Влияе върху дизайна на антената, интерференцията, разпространението и регулациите
Консумация на енергия	Състояние на сън, сензор, обработка, приемане и предаване на текущите	Определя изискванията за батерия и енергия
Работен цикъл	Колко дълго възелът прекарва във всяко работно състояние	Влияе на средния ток и живота на батерията
Брой възли	Брой устройства в мрежата	Влияе на трафика и мащабируемостта
Топология	Звезда, дърво, мрежа, едно скок или много скок	Влияе на маршрутизацията, латентността и изискванията за пренасочване
Интерференция	Съвместни/съседни смущения и заетост на спектъра	Помага за идентифициране на конкурентна RF активност
Сигурност	Аутентификация, криптиране, управление на ключове, защитени актуализации	Защита на устройства и мрежови данни
Оценка на околната среда	Температура, влажност, прах, вибрации, корпус	Определя надеждността на полето
Дизайн на антени	Тип антена, ориентация, разположение и ефекти на корпуса	Пряко влияе на безжичната производителност

Използвайте следните изчисления при оценка на надеждността на мрежата, мощността и производителността на връзката:

PDR (%) = получени пакети ÷ предадени пакети × 100

Среден ток (mA) = Σ(I × t) ÷ време на цикъла

Идеален живот на батерията (ч) = полезна капацитет (mAh) ÷ среден ток (mA)

Марж на връзката (dB) = предсказана получена мощност (dBm) − чувствителност на приемника (dBm)

Животът на батерията е оценка, не гарантиран срок на експлоатация. Практическият живот на батерията трябва също да отчита температура, стареене на батерията, саморазряд, загуби при преобразуване и повторни предавания.

RSSI и SNR зависят от радиоустройството, PHY, модулация, ширина на лентата и условия на работа. Не прилагайте универсални порогови стойности за RSSI или SNR за различни безжични технологии.

Често срещани приложения и случаи на безжични сензорни мрежи

Безжичните сензорни мрежи са полезни, когато много измервателни точки трябва да бъдат разпределени в зона без инсталиране на сигнални кабели до всяко местоположение.

Приложение	Общи измервания	Основно изискване на WSN
Промишлен мониторинг	Температура, вибрации, налягане, статус на оборудването	Надеждност, устойчивост на смущения, живот на батерията
Умни сгради	Заетост, температура, влажност, качество на въздуха, осветление	Ниска мощност и мащабируема брой на възлите
Земеделие	Влажност на почвата, температура, влажност, метеорологични условия	Дълъг обхват и ниска мощност
Мониторинг на околната среда	Качество на въздуха, ниво на вода, време, замърсяване	Дистанционна работа и защита на околната среда
Мониторинг на активи	Позиция, движение, температура, състояние	Ниска мощност и свързаност на големи райони
Енергийни и комунални услуги	Измерване, напрежение, поток, налягане	Надеждност, сигурност, дълъг експлоатационен срок
Мониторинг на инфраструктурата	Напрежение, вибрации, изместване, структура на състоянието	Дългосрочна надеждност и разпределено покритие
Здравеопазване и носими технологии	Движение, температура, физиологични измервания	Ниска мощност, сигурност, компактни размери
Умни градове	Паркиране, осветление, условия на околната среда, инфраструктура	Голям брой възли и широко покритие

Как да проектираме и изберем безжична сензорна мрежа

Започнете с изискванията за измерване и комуникация, преди да изберете безжичен протокол.

Фактор на избор	Какво да проверите	Дизайнерско решение
Данни от сензори	Вид на измерването и размер на полезния товар	Определете необходимия капацитет на данните
Честота на актуализация	Колко често се предават измерванията	Определя трафика и консумацията на енергия
Обхват на покритие	Разстояние, стени, машини, терен	Изберете подходяща радиотехнология и топология
Топология	Пряка комуникация или възел-релета	Изберете едноскокова или многоскокова
Източник на енергия	Батерия, мрежа, слънчева, добив на енергия	Изберете радиото и работния цикъл съответно
Цел за живот на батерията	Необходим интервал за поддръжка	Минимизирайте активното време и ненужните предавания
Забавяне	Максимално приемливо забавяне	Важно за аларми и контрол
Надеждност	Необходими показатели за доставка на пакети	Обмислете повторения, излишък или рутинг в мрежа от клетки
Брой възли	Текущ и бъдещ брой сензори	Уверете се, че адресирането и капацитетът на мрежата могат да се мащабират
Смущения	Други радиа и индустриален шум	Внимавайте при избора на честота, канали и разположение
Изискване за шлюз	Локална или интернет/облачна връзка	Изберете съвместими интерфейси на шлюза
Сигурност	Аутентификация, криптиране, контрол на достъпа	Защита на устройства и мрежови данни
Околната среда	Вътрешна, външна, индустриална, опасна, мокра	Изберете подходяща обвивка и хардуер
Цена	Възли, шлюзове, батерии, инсталация, поддръжка	Оценете общата цена на системата

Илюстративен пример за избор на безжична сензорна мрежа

Следният пример за оранжерия е илюстративен. Конфигурацията и критериите за приемане показват как може да се специфицира и тества внедряването на WSN, но не трябва да се третират като измерени полеви резултати.

Да предположим, че оранжерията изисква 50 сензорни възли за температура и влажност, захранвани с батерии, свързани към един шлюз LoRaWAN.

Избор / Тестов елемент	Илюстративно изискване
Приложение	Наблюдение на температурата и влажността в оранжерията
Модел на устройството	Milesight EM300-TH, хардуер 3.x
Регионален канален план	EU863–870 за това илюстративно европейско внедряване; използвайте регионалния план, разрешен на действителното място на инсталацията
Режим на мрежата	LoRaWAN клас A, използвайки OTAA
Размер на пробата	50 сензорни възли
Полезен товар	Ниво на батерията, температура и влажност; приблизително 10 байта полезен товар при използване на документирания полеви формат EM300-TH
Интервал на докладване	Един uplink на всеки 10 минути
Политика на потвърждение	Непотвърдени uplinks за рутинни периодични измервания; потвържденията се използват само когато приложението изисква потвърдена доставка
Изходна мощност	16 dBm за илюстративния модел 868 MHz
Позиция на антената на сензора	Вътрешна антена; монтирайте всеки възел в окончателната му ориентация и избягвайте ненужно екраниране от големи метални повърхности
Позиция на шлюза	Централно разположен и повдигнат над основните пречки в оранжерията, където е уместно
Фирмен софтуер	EM300-TH хардуер 3.x фирмен софтуер v1.11
Режим на захранване	Операция клас A с батерии, спяща между измервателни и отчетни събития
Критерии за приемане	Илюстративна цел на проекта от ≥99% PDR по време на полевия тест, с всеки възел надеждно доставящ данни от окончателното си местоположение
Приемане на захранване	Измерената средна текуща стойност трябва да отговаря на целта за дълготрайност на батерията, изчислена за проекта

Milesight специфицира EM300-TH като устройство клас A LoRaWAN и посочва 16 dBm изходна мощност за версията 868 MHz с вътрешна антена. Неговият документиран uplink формат присвоява полета за ниво на батерията, температура и влажност; включването на техните байтове за канал/тип дава приблизително 10 байта за тези три нормални измервателни полета. В момента Milesight изброява фирмен софтуер v1.11 за EM300-TH хардуер 3.x.

Интервалът на докладване, политиката за потвърждение, позицията на шлюза, поставянето на възлите и ≥99% PDR са илюстративни настройки на проекта, а не универсални изисквания на LoRaWAN. Регионалната конфигурация също трябва да спазва приложимия план за LoRaWAN канали и местните радиорегулации.

За внедряване на мрежа не предполагайте, че всеки сензор с батерии може да предава пакети. Спящите устройства с батерии обикновено не пренасочват трафика за други възли. Винаги включените рутери, повторители или други устройства, способни на рутинг, трябва да извършват пренасочването и се нуждаят от подходящ източник на захранване. Следователно, топологията на мрежата трябва да включва както стратегията за захранване на сензорните възли, така и разположението на захранваните рутингови възли.

Чести проблеми с безжични сензорни мрежи, тестване и отстраняване на неизправности

Безжичните неизправности могат да произтекат от сензорния възел, радиовръзката, антена, рутинг, шлюз, източник на захранване, конфигурация или приложен слой.

Проблем или симптом	Вероятна причина	Препоръчителна проверка
Възелът не се свързва	Грешни мрежови идентификационни данни, честота, канал или конфигурация	Потвърдете настройки на радиото и мрежата
Слаб сигнал	Прекомерно разстояние, пречки, проблем с антената	Проверете RSSI/SNR, разположение на антената и пътя
Честа загуба на пакети	Интерференция, слаб сигнал, задръстване	Проверете използването на канала, качеството на връзката и повторенията
Прекъсната връзка	Ръбест RF връзка, движеща се пречка, хлабава захранваща връзка	Наблюдавайте качеството на връзката с времето
Кратък живот на батерията	Прекомерни предавания, неуспешен спящ режим, повторения	Измерете средния ток и прегледайте работния цикъл
Един възел в мрежата носи твърде много трафик	Лошо избиране на маршрута или топология	Проверете маршрутните пътища и разположението на възлите
Висока латентност	Твърде много прескачания, повторения, задръстване, бавен интервал на докладване	Измерете броя на прескачанията и времето на пакета
Шлюзът не получава данни	Проблем с захранването на шлюза, мрежата, радиото или конфигурацията	Проверете работата на шлюза и асоциацията на възел
Мрежата не работи след добавяне на възли	Ограничения на капацитета, сблъсъците, маршрутизацията или адресирането	Проверете натоварването на мрежата и мащабируемостта
Данните са неправилни	Проблем с сензора, грешка в калибрирането, парсинг на пакети	Сравнете локалното четене на сензора с получените данни
Комуникацията не работи в близост до машини	RF смущения или защита	Тествайте с машината включена и изключена и инспектирайте спектъра/условията на канала
Възелът работи на тестовата платформа, но не и след инсталацията	Датунг на антената, кутия, монтажна повърхност, лошо местоположение	Тествайте RF производителността в крайната кутия и позиция
Появява се неразрешено или неизвестно устройство	Проблем със сигурността или настройването	Прегледайте удостоверяването, ключовете и регистрацията на устройството

Основна последователност за тестване на WSN

1. Проверете захранването на сензорния възел и състоянието на батерията.

2. Потвърдете, че самият сензор произвежда валидни измервания.

3. Проверете радиочестотата, канала, мрежовото ID, адреса и настройките за сигурност.

4. Измерете RSSI, SNR или други налични индикатори за качество на връзката.

5. Проверете предаването на пакетите, получаването, повторенията и процента на загуба на пакети.

6. За системи с много скокове инспектирайте маршрутизиращите пътища и недостъпните възли на реле.

7. Проверете захранването на шлюза, радиоконфигурацията и мрежовата връзка.

8. Потвърдете, че получените пакети са коректно декодирани от приложението.

9. Повторете теста в крайната инсталационна среда с нормално работещо оборудване.

Безжичен възел не трябва да се заменя само защото липсват данни. Първо определете дали повредата е в сензора, захранващия източник, радиовръзката, антената, маршрутизиращия път, шлюза, конфигурацията или приложния софтуер.