Sensör Network. Bu da sensör networklerinin bir çok farklı uygulama alanında kullanılabilmesini sağlar.

Transkript

1 SENSÖR NETWORK

2 Sensör Network Sensör networkleri; ortamdaki sıcaklık, nem, basınç ve hareketlilik gibi durumlardaki değişiklikleri takip edebilen sismik, termik, manyetik ve görsel gibi bir çok farklı tipte sensör içerebilir. Bu da sensör networklerinin bir çok farklı uygulama alanında kullanılabilmesini sağlar. Bu uygulamaların başında da, tracking uygulamaları gelmektedir. Özellikle deaskeri uygulamalarda çok sık kullanılmaktadır.

3

4 Sensör Ağlarının Tanımı Günümüze kadar, farklı tiplerde ve büyüklüklerdeki sensörler, tetikleyici rolüyle elektronik sistemlerin bir parçası olarak kullanılmaktaydı. Mikro elektro-mekanik sistem (MEMS) ve telsiz iletişimi alanlarındaki teknolojik gelişmeler sonucu sensörler için farklı uygulama alanları doğmuştur; sensör ağlar. Askeri imkan ve kabiliyetlerin arttırılması ve muharebe alanında üstünlük sağlaması için halen üzerinde çalışmaların sürdürüldüğü sensör ağlar, geniş uygulama alanı olması sebebiyle sivil projelerde de kullanılmaktadır.

5 Sensör Birimleri Sensör ağlarda görev yapan bir sensörün algılayıcı, işlemci, alıcı/verici ve güç birimleri olmak üzere dört ana elemanı vardır. Bunlara ilave olarak kullanım amacına göre bir sensör, yer bulma sistemi, güç üretim birimi, konum değiştirici bulundurabilir. Ana birimler başta olmak üzere tüm bu birimler bir kibrit kutusu büyüklüğünden, bozuk para boyutlarına düşürülmüş olup, bilgi sistemlerinin boyutları da donanım teknolojisindeki ilerlemelere paralel olarak daha da küçülmüştür.

6 Sensör Algılayıcı Tipleri Sensörlerin ana birimlerinden olan ve uygulamalara temel teşkil edecek çok çeşitli algılayıcı tipleri vardır. Bunlar: Sıcaklık ölçümü, Nem ölçümü, Hareket algılama, Aydınlık tespiti, Basınç ölçümü, Sismik değer ölçümü, Görüntü tespiti, Gürültü algılama/ölçümü, Canlı/cansız varlık tespiti, Mekanik gerginlik algılama/ölçümü, Hız, yön, miktar tespiti/ölçümü.

7 Sensör ağlar, uygulamaya bağlı olarak uygulama sahasında konuşlandırılmasına (elle konumlarına yerleştirilmesi, uçaktan atılması gibi) takiben, sensörlerin birbiri ile iletişim kurması ile oluşmaya başlar. Donanım ve iletişim gücü itibariyle güçlendirilmiş sensörler, sink etrafında dizayn aşamasında belirlenen protokoller çerçevesinde tamamen kendi kendilerine kısa sürede organize olurlar. Algılayıcıları vasıtasıyla tespit ettikleri veriyi sink e birbirleri üzerinden ulaştırırlar. Sink kendisine ulaşan veriyi kullanıcıya erişim noktalarından (uydu, sabit/hareketli aktarıcı) ya da direk olarak ulaştırır. Verinin iletimi sırasında internet, intranet gibi ağ erişimleri de kullanılabilir.

8 Sensör Ağları Geleneksel Telsiz Ağlardan Ayıran Özellikler; Sensör ağlarındaki sensör sayısı geleneksel telsiz ağlardaki bilgisayar sayısından çok daha fazla olabilmektedir, Sensör uygulama sahasında sensörlerin yoğunluğu fazladır, Gerek donanımlarının minyatüre edilmiş olduğundan, gerekse de atıldıkları saha özelliğinden bazılarının çalışmama/çalışamama ihtimalleri vardır, Donanım özellikleri kısıtlıdır (sınırlı batarya, işlemci, bellek), Adrese dayanan statik bir topolojileri yoktur, Her birinin başında kullanıcısı yoktur, uygulama sahasına bırakıldıktan sonra kendi kendilerine organize olmak zorundadırlar.

9 Sensör Ağların Dizaynını Etkileyen Unsurlar Hata toleransı, ölçeklenebilirlik, maliyet, uygulama sahası, ağ topolojisi, donanım kısıtlamaları, iletişim ortamı kuralları, ve güç tüketimi. Bunlardan araştırmalara konu olan en önemli unsur güç tüketimidir. Depolanabilen güç miktarı sensörün hayatta kalabilme süresini, dolayısıyla ağ ömrünü belirlediğinden, tüm ağ katmanlarında efektif güç tüketimini temel alan çalışmalar halen sürmektedir.

10 Sensör Ağların Uygulama Alanları Sensör ağların uygulama alanları, algılayıcı tiplerinin genişliği oranında çeşitlendirilebilmekle beraber, uygulamalar aşağıdaki başlıklar altında toplanabilir ; 1. Çevresel Uygulamalar 2. Sağlık Uygulamaları 3. Ticari Uygulamalar 4. Askeri Uygulamalar

11 1. Çevresel Uygulamalar Orman yangını, sel, deprem, gibi doğal afetlerin ölçümlendirilmiş olarak hızlı bir şekilde ihbar edilmesinde, Hava kirliliği tespiti ve ayrıntılı rapor alınmasında, Doğal yaşamın gözlenmesinde.

12 2. Sağlık Uygulamaları İnsanların fizyolojik verilerinin uzaktan izlenmesi, Hastanede bulunan doktorların yerinin ve hastaların durumunun (kalp atışı, kan basıncı vb.) izlenmesi, Hastanedeki ilaç dağıtımının yönetimi.

13 3. Ticari Uygulamalar Küçük çocukların konumlarının aileleri tarafından takip edilmesi, Güvenlik ihtiyaçları, hırsızlarının tespiti, Envanter yönetim yardımcı aracı, Araçların izlenmesi ve tespit edilmesi.

14 4. Askeri Uygulamalar Dost kuvvetlerin teçhizat ve cephanesinin izlenmesi, Savaş alanının gözlenmesi, Arazi hakkında keşifte bulunma, Hedefin konumu, sürati gibi hedef bilgilerinin tespiti, Düşmana verdirilen hasar miktarının tespit edilmesi, Nükleer, biyolojik ve kimyasal (NBC) saldırı ihbarının alınması ya da keşfi.

15 Sensör Network İletişim Mimarisi Sensör düğümleri genellikle sensör alanına saçılmış bir şekilde bulunurlar. Bu saçılmış sensör düğümlerinin her birinin veri toplama ve veriyi sinke geri gönderme yeteneğine sahiptir. Sink INTERNET veya SATELLITE yoluyla Task Manager Düğümü ile iletişim kurabilir.

16 SENSOR NETWORK TASARIMINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER Hata toleransı (fault tolerance) Scalability Üretim maliyeti (production costs) Yönetim ortamı (operating environment) Sensor network topolojisi Donanımsal zorunluluklar (hardware constraints) Transmission media; Güç Tüketimi (power consumption).

17 Hata toleransı (fault tolerance) Hata sebepleri nelerdir? Güç yokluğu, fiziksel hasar, veya çevresel engellemeler (0, t) zaman aralığında hatanın olmama olasılığını sağlamak için Sensör düğümü Güvenilirliği (reliability) R k (t), Poisson dağılımı kullanılarak modellenir. λ k ve t sırasıyla, sensör düğümü k nın hata oranı ve zaman periyodudur.

18 Ölçeklenebilirlik (Scalability) Sensör düğümü numaraları yüzler, binler veya milyonlar olarak sıralanabilir.. Yoğunluk hesaplaması; A bölgesindeki saçılmış sensör düğümleri sayısı N; R telsiz iletim dizisi (radio transmission range). Bölgedeki düğüm numaraları, düğüm yoğunluğunu göstermek için kullanılır.

19 Üretim maliyeti (production costs) Sensör networkler çok sayıda sensör düğümleri içerdiği için, networklerin toplam maliyetini göstermek için sadece bir düğümün maliyeti çok önemlidir. Sensör düğümünün gerçeklenebilir olması için sensör düğümünün maliyeti azolmalıdır (1$ dan daha az)

20 Donanımsal zorunluluklar (hardware constraints) Sensör düğümü 4 temel bileşene bağlıdır. Duyarlılık ünitesi Genellikle 2 alt-üniteden oluşur: sensörler ve analog-digital çeviriciler (ADC). İşlem ünitesi, Sensör düğümleriyle diğer düğümlerin birlikte çalışarak duyarlı görevleri gerçekleştirmesi için süreçleri yönetir. Transceiver ünitesi Düğümün network bağlantısını sağlar. Güç ünitesi (en önemli birim)

21 Donanımsal zorunluluklar (hardware constraints)

22 Donanımsal zorunluluklar (hardware constraints) Konum bulma sistemi. Sensör network yol izleme tekniklerinin çoğu ve duyarlılık görevleri (sensing tasks), yüksek doğruluklu yer bilgisi gerektirir. Mobilizer Görevleri yerine getirmek için sensör düğümlerinin yerlerini değiştirebilir.

23 Donanımsal zorunluluklar (hardware constraints) Boyut matchbox-sized module Aşırı güç tüketimi düşük-güç, yüksek gerilim yoğunluklu çalışma düşük üretim maliyeti ve vazgeçilebilirlik, özerk (autonomous) ve kendi kendine çalışma, Çevreye uyumlu.

24 Sensör network topolojisi Ön-yayılma ve yayılma bölümü Sensör bölgesinde, sensör düğümleri hem kümelendirilir hem de tek tek yerleştirilir. Görevlendirilmiş-yayılma bölümü Sensör network topolojileri yayılma sonrasında olağan değişim eğilimindedir. İlave düğümlerin tekrar-yayılma bölümü Yeni düğüm ilave edilmesi networkün tekrar organize edilmesini gerektirir.

25 Çevre-Ortam(Environment) Sensör networklerin çalışma yerleri; Hareketli-meşgul kavşaklarda, Büyük makinaların iç kısımlarıda, Okyanus tabanlarında, Fırtına içlerinde, Düşman hattından uzaktaki savaş meydanlarında, Evde veya büyük binalarda,

26 Transmission media Endüstriyel, bilimsel ve tıbbı (Industrial Scientific Medical ISM) bandları çoğu ülkede lisanssız-iletişim sunar. Infrared (kızıl-ötesi) lisanssız ve engellere dayanıklı Alıcı ve gönderici arasında görüş hattı gerektirir.

27 Güç Tüketimi Sadece sınırlı güç kaynaklarıyla çalıştırılır (<0.5 Ah 1.2V). Düğüm ömrü, pil ömrüne son derece bağımlıdır. Güç tüketimi 3 temel alana ayrılır: 1. Duyarlılık 2. İletişim 3. Veri süreci.

28 Sensör networkleri iletişim mimarisi Sink ve sensör düğümleri tarafından kullanılır.

29 Yönetim Düzlemleri Bu yönetim düzlemleri sensör düğümlerinin güçlerini birlikte verimli şekilde kullanmasını, verinin mobile sensör networke yollanmasını ve sensör düğümleri arasında kaynak paylaşımını sağlar. Üç tip yönetim düzlemi bulunmaktadır: 1. Güç yönetim düzlemi 2. Mobility Yönetim Düzlemi 3. Görev Yönetim Düzlemi

30 Yönetim Düzlemleri Güç yönetim düzlemi Sensör düğümünün gücü nasıl kullanacağını yönetir. Örneğin, sensör düğümü mesajı aldıktan sonra alıcısını kapatabilir. Sensör düğümünün güç seviyesi düşük olduğunda, komşu düğümlerine kendi gücünün düşük olduğunu ve routing mesajları karşılayamayacağı bilgisini yayımlar.

31 Yönetim Düzlemleri Mobility Yönetim Düzlemi Sensör düğümlerinin hareketlerini bulur ve kaydeder. Böylelikle kullanıcıya geri dönüş yolu her zaman bulunur. Sensör düğümleri komşu sensör düğümlerinin izini sürebilirler.

32 Yönetim Düzlemleri Görev Yönetim Düzlemi Özel bölgeye verilen duyarlılık görevlerini dengeler ve listeler. Bu bölgedeki sensör düğümlerinin bazılarının duyarlılık görevlerini aynı zamanda gerçekleştirmesine gerek yoktur.

33 Fiziksel Katman Frekans seçimi, taşıyıcı frekans üretimi, sinyal tespiti, modülasyon, ve veri şifreleme görevleri gerçekleştirilir. 915MHz ISM bandı sensör networklerinde tavsiye edilen bant genişliğidir. Sinyal yayılım etkileri 2<= n < 4 olduğu zaman minimum çıkış gücü sinyali d n ile orantılı olan belirli bir d mesafesinden göndermek için gereklidir. multihop iletişimi, sensor ağda, gölgelenmenin (shadowing) ve yol kayıp etkilerinin (path loss effects) üstesinden gelebilir.

34 Fiziksel Katman Enerji-verimliliği takip edilir. Binary ve M-ary modülasyon ultra wideband (UWB) ve impulse radio (IR) Özellikleri; Baseband İçsel olarak (in door) Arada veya taşıyıcı frekans olarak bulunmazlar. Pulse position modulation (PPM) Düşük iletim gücü ve simple transceiver

35 Veri Bağı Katmanı Veri bağı katmanı, veri akışını çoğullama, veri çerçevesi tanımlama, hata kontrolünden sorumludur.

36

37

38

39 Su altında kullanılan sensör örneği;

40 Sensör ağ kavramı mikro elektro-mekanik alanlarındaki ilerlemelere paralel olarak geliştirilmektedir. Geleneksel ağlardan farklı olarak sensör sayısının çok fazla olabilmesi, iletişim kısıtlamaları, sensör ağların kendi kendine organize olması, uzaktan erişime olanak tanıması, mimarisinin dinamiklerinden kaynaklanan (sınırlı enerjisi, kısıtlı belleği, farklı işlemci yapısı) nedenler ile sıcaklığını sürdüren araştırma konularından biri olmuştur. Sensör ağların insan hayatına getireceği kolaylıklar nedeniyle, hayatımızın bir parçası olan Internet gibi yakın gelecekte etkileri yaşamımızda hissedilmeye başlanacaktır. Bu açıdan akademik çalışmalar desteklenmeli, askeri ve ticari alanlarda da hazırlıklar yapılmalıdır.