Беспроводные сенсорные сети — новые модели использования
По материалам Intel (http://www.intel.com).
Сенсорные сети, образуемые крошечными сенсорами с возможностями беспроводной связи, могут оказаться полезными в самых разных ситуациях. Так, при пожаре на крупном складе в промышленной зоне города беспроводная сенсорная сеть, развернутая в здании, сможет передать прибывшим на место происшествия пожарным подробную информацию о местоположении источника возгорания, характеристиках пожара и причинах его возникновения, а также о предполагаемых путях его распространения. В результате пожарные смогут быстро взять ситуацию под контроль.
Если вдруг из-за неожиданно большого количества осадков в конце лета виноградники (или другие сельскохозяйственные угодья) окажутся затопленными, управляющий, включив свой ноутбук, сможет получить данные с датчиков влажности грунта, установленных по всему винограднику. Эта информация позволит ему оценить масштабы затопления и при необходимости принять соответствующие меры для осушения.
После слабого землетрясения в большом городе (например, в Сан-Франциско) инспекторы строительного надзора смогут проверить прочность конструкции офисных зданий с помощью встроенных в стены здания датчиков, которые собирают и передают данные о вибрациях. Эти данные позволяют убедиться в безопасности эксплуатации здания.
Приведенные выше сценарии раскрывают огромный потенциал беспроводных сенсорных сетей. Благодаря сбору подробной информации о физическом мире сенсорные сети могут чрезвычайно обогатить наши знания об устройстве мира, открывая возможности для создания совершенно новых вычислительных приложений. Например, получая с помощью сенсорных сетей точную информацию в реальном времени, фермеры смогут сократить расход воды, энергии и пестицидов. В результате уменьшится ущерб, наносимый окружающей среде.
В промышленности сенсорные сети можно использовать для непрерывного мониторинга оборудования и предсказания его отказов или необходимости профилактического обслуживания с гораздо большей точностью, что позволит компаниям избежать дорогостоящих аварий или простоев производственных линий. Это всего несколько примеров все возрастающего числа потенциальных применений технологии сенсорных сетей.
Организация Intel Research сотрудничает с научным сообществом и представителями отрасли, чтобы организовать активное использование сенсорных сетей. В результате исследований уже были продемонстрированы возможности новой технологии для повышения уровня общественной безопасности, сокращения накладных расходов компаний, а также для создания множества новых преимуществ для бизнеса и общества в целом.
Как работают сенсорные сети
Беспроводные сенсорные сети (также называемые специализированными или многоточечными сетями) строятся из малых узлов — мотов (mote). Моты — это небольшие автономные компьютеры с питанием от батарей и радиосвязью, которая позволяет им самоорганизовываться в специализированные сети, связываясь друг с другом и обмениваясь данными. Данные от отдельных узлов передаются по сети от узла к узлу (отсюда название «многоточечные сети») и обычно попадают на «суперузел», или сервер, имеющий более высокую вычислительную мощность.
Моты Intel в настоящее время работают под управлением ОС TinyOS, разработанной специалистами Калифорнийского университета в Беркли. Каждый мот устанавливает связь с соседними сразу после включения. Несмотря на то что у отдельного сенсора мощность и вычислительные возможности ограничены, множество мотов, самопроизвольно организуясь в сеть, способно выполнять задачи, с которыми не в состоянии справиться обычная вычислительная система.
Повышение производительности
По мере роста сенсорной сети возможно, что ее производительность будет снижаться. Причина заключается в следующем: в типичной беспроводной сенсорной сети данные, собираемые всеми узлами, хранятся на единственном сервере, выступающем в качестве шлюза с сетью IP. Чтобы достичь шлюза, данные перемещаются по сети от узла к узлу, при этом существует вероятность потери некоторого количества данных, возрастающая с увеличением размера сети. Кроме того, когда узел передает данные соседнему узлу, а тот передает их дальше, расходуется энергия. Сети большого объема с множеством узлов расходуют для передачи данных значительно больше электроэнергии. Поэтому по мере роста сенсорной сети ее производительность снижается.
Чтобы разрешить проблемы с производительностью, корпорация Intel использует специальные технологии и протоколы для повышения уровня гетерогенности в сенсорных сетях. Подход Intel позволяет сенсорной сети автоматически объединять ресурсы в таких средах, как корпоративная сетевая инфраструктура, где имеются настенные розетки или узлы с высокопроизводительным процессором, для повышения времени работоспособности сети и точности передачи данных.
Например, сенсорная сеть может использовать для работы корпоративную (или специализированную) сеть 802.11. Высокопроизводительные узлы (к примеру, узлы на базе технологии Intel XScale) подключаются к беспроводной локальной сети и покрывают сенсорную сеть, как показано на рисунке. Такая структура аналогична ситуации, когда скоростные магистрали дополняют обычную структуру дорожного движения. Сенсоры могут подключаться и отключаться от «магистралей» 802.11 (узлов Intel XScale) в различных сочетаниях, чтобы обойти моты сенсорной сети. Исследователи Intel продемонстрировали, что устранение узких мест при передаче данных ускоряет распространение данных по сети, приводя к повышению надежности и сокращению энергопотребления.
 |
Повышение производительности в гетерогенных сенсорных сетях.
|
Промышленные и коммерческие применения
Корпорация Intel продолжает совершенствовать технологию сенсорных сетей и в настоящее время исследует возможности ее промышленных и коммерческих применений с помощью новой рабочей группы, получившей название Intel Research Sensor Network Operation (SNO). Кроме научно-исследовательской деятельности, в задачи группы входит продолжение разработки новых сенсорных технологий (включая новое ядро Intel Mote 2 и соответствующее ПО), а также надзор за множеством развернутых сенсорных сетей на местах.
Две основные действующие сенсорные сети, описанные ниже, предназначены для тестирования промышленных применений технологии сенсорных сетей — одна из них развернута на заводе Intel по производству микросхем, а другая — на нефтеналивном танкере в Северном море. Использование таких промышленных систем способно сэкономить компаниям миллионы долларов.
Определение вибрации оборудования
Корпорация Intel проводит опытную эксплуатацию беспроводной сенсорной сети, предназначенной для мониторинга состояния оборудования для производства микросхем, на одном из своих заводов в Орегоне. Сеть отслеживает уровень вибрации оборудования для очистки воды, предоставляя данные о потребности в профилактическом обслуживании. Точно так же, как по вибрации двигателя автомобиля можно определить его состояние, уровень вибрации оборудования свидетельствует о том, соответствуют ли условия его эксплуатации нормальным.
В настоящее время Intel использует ручной контроль для предотвращения отказов оборудования и планирования его технического обслуживания или замены, чтобы избежать дорогостоящих простоев. Развертывание же беспроводной сенсорной сети не связано с большими затратами, но обеспечивает регулярный и надежный сбор данных и позволяет сократить время простоя оборудования без ручного контроля.
Профилактическое обслуживание нефтеналивного танкера
Сотрудничество корпорации Intel с компанией BP, одной из крупнейших в мире нефтяных и нефтехимических компаний, связано с экспериментом на борту нефтяного танкера в Северном море. На нем проводилось тестирование работы сенсорных сетей с целью организации профилактического обслуживания танкера. Компании BP нужны было понять, может ли сенсорная сеть работать на борту судна, в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех в некоторых помещениях судна.
Сенсорная сеть была установлена на борту судна и работала более четырех месяцев. В процессе этой опытной эксплуатации система обеспечивала надежный сбор данных и самовосстанавливалась в случае возникновения ошибок. Журнал InfoWorld включил этот проект в число 100 лучших проектов 2004 г. и удостоил его награды как «инновационный новый проект, позволяющий подчеркнуть возможности ИТ-сообщества». Компания BP теперь планирует использование сенсорных сетей в масштабах всей компании — на судах, в производстве и нефтеперегонке.
С помощью этих и других примеров корпорация Intel демонстрирует возможность внедрения и преимущества технологии сенсорных сетей.
Набор инструментальных средств
Группа Intel Research Sensor Network Operation выпустит набор инструментальных средств для платформы сенсорных сетей уже в текущем году. Он будет доступен для исследователей, OEM-производителей, поставщиков решений и других заинтересованных организаций и поможет им разрабатывать реальные приложения с использованием технологии сенсорных сетей Intel. В нем будет использоваться 32-разрядная платформа Intel Mote 2, представляющая новое поколение технологии мотов. В набор войдут процессор Intel PXA271, радиостанция стандарта 802.15.4, а также богатый выбор интерфейсов ввода-вывода для подключения разнообразных датчиков.
Благодаря использованию технологии Intel XScale платформа сенсорных сетей позволяет проводить анализ данных внутри сети, сокращая объем передаваемых данных и энергопотребление (и продлевая таким образом время автономной работы). Мощные функциональные возможности платформы сенсорных сетей позволят создать совершенно новые вычислительные приложения.