Was ist ein drahtloses Sensornetzwerk (WSN)?

In den letzten Jahren haben immer mehr Menschen weltweit drahtlos genutzt Sensornetzwerke. Das effektive Design von WSNs wird zu einem Forschungsgebiet an großen Forschungsstandorten. In diesem Papier werden wir über die Definition von drahtlosen Sensornetzwerken und ihre verwandten Anwendungen sprechen.

Was ist ein drahtloses Sensornetzwerk?

Ein drahtloses Sensornetzwerk (WSN) kann als selbstkonfigurierendes drahtloses Netzwerk definiert werden. Und es ist keine zusätzliche Infrastruktur erforderlich. Es dient der Beobachtung physikalischer oder anderer Umgebungsbedingungen. Wie Druck, Bewegung, Temperatur, Schall und Vibration. Es verbindet diese Daten oder Informationen auch direkt über das Netzwerk mit einem Empfänger. Dieser Empfänger wird oft als primärer Ort zum Beobachten und Analysieren von Informationen angesehen.

Die Schnittstelle zwischen dem Benutzer und dem Netzwerk scheint aus einer Basisstation oder einem Empfänger zu bestehen. An dieser Stelle können Personen Abfragen in diese Schnittstelle einfügen und die Ergebnisse vom Empfänger sammeln lassen. Sie können dann die Informationen, die sie benötigen, aus dem Netzwerk abrufen.

Drahtlose Sensornetzwerke haben Tausende von Sensorknoten. Diese Knoten ermöglichen es ihnen, miteinander zu kommunizieren Funksignale. Auch drahtlose Sensorknoten sind mit leistungsfähigen Komponenten ausgestattet. Diese Komponenten sind Sensoren, Funktransceiver, Computergeräte und Stromversorgungen.

Drahtlose Sensorknoten sind von Natur aus ressourcenbeschränkt. Diese Knoten haben eine begrenzte Verarbeitungsgeschwindigkeit, Speicherkapazität und Kommunikationsbandbreite.

Sie setzen Sensorknoten in der Umgebung ein. Danach sind sie für die Organisation der entsprechenden Netzwerkinfrastruktur verantwortlich. Es findet dann eine Multi-Hop-Kommunikation mit ihnen statt. Die Onboard-Sensoren beginnen dann mit dem Sammeln von Informationen über die für den Benutzer interessanten Daten. Die drahtlose Sensornetzwerkvorrichtung handhabt die Beantwortung der von der Kontrollstation gesendeten Anfrage. Beim Empfang einer Abfrage führt es sofort einen bestimmten Befehl aus oder stellt dem Benutzer ein Abtastmuster zur Verfügung.

Die Sensorknoten arbeiten in der Regel kontinuierlich oder ereignisgesteuert. GPS und lokale LPS-Positionierungsalgorithmen können spezifische Standort- und Positionsinformationen erhalten.

Drahtlose Sensorgeräte sind typischerweise mit effizienten Aktuatoren ausgestattet. Diese Aktuatoren sind so ausgelegt, dass sie unter bestimmten Bedingungen „wirken“. Diese Netzwerke werden oft als drahtlos bezeichnet Sensor und Aktor Netzwerke.

Drahtlose Sensoren bieten mehr Vorteile als herkömmliche eigenständige Sensoren und Controller. WSNs sind standortspezifisch und können in der Nähe des Produktionsstandorts platziert werden. Außerdem können Benutzer die Netzwerkknoten anpassen, um ihre interessierenden Variablen zu verfolgen. Benutzer können auch die Anzahl der Sensoren und Controller pro Flächeneinheit erhöhen, indem sie viele Knoten verwenden. Die Verwendung von drahtlosen Sensornetzwerken kann Benutzern helfen, die Anzahl der eingesetzten Sensoren sowie die Kosten des Netzwerks effektiv zu reduzieren.

Arten von drahtlosen Sensornetzwerken

Drahtlose Sensornetzwerke werden entsprechend ihrer Einsatzumgebung in verschiedene Typen eingeteilt. Benutzer können diese Netzwerke an Land, im Untergrund, unter Wasser usw. bereitstellen. Zu den WSN-Typen gehören die folgenden:

• Terrestrische drahtlose Sensornetzwerke
• Unterirdische drahtlose Sensornetzwerke
• Drahtlose Unterwassersensornetzwerke
• Multimediale drahtlose Sensornetzwerke
• Mobile drahtlose Sensornetzwerke

Terrestrische drahtlose Sensornetzwerke

Ein terrestrisches drahtloses Sensornetzwerk dient der Kommunikation mit Basisstationen. Der drahtlose Sensor wird in einem strukturierten (Ad-hoc) oder unstrukturierten (vorgeplanten) Modus für Tausende von WSN-Knoten bereitgestellt. Bei einem unstrukturierten Einsatz werden die Sensorknoten zufällig im Zielgebiet verteilt, das von der eingestellten Ebene abgeworfen wird. Auslassen, strukturierter Modus berücksichtigt optimale Platzierung, Rasterplatzierung und 2D- und 3D-Platzierungsmodelle.

Das terrestrische drahtlose Sensornetzwerk ist mit einer Solarzelle ausgestattet. Die Batterie dient nur als Hilfsenergiequelle, und die Leistung der Netzbatterie selbst ist begrenzt. WSN erzielt Energieeinsparungen durch wenige Operationen. Wie Low Duty Cycle, optimiertes Routing, minimierte Latenz etc.

Unterirdische drahtlose Sensornetzwerke

Unterirdische drahtlose Sensornetzwerke sind teurer als terrestrische drahtlose Sensornetzwerke. Benutzer sollten die Bereitstellungs-, Wartungs- und Gerätekosten berücksichtigen, bevor sie dieses WSN verwenden. Unterirdische drahtlose Sensornetzwerke haben mehrere Sensorknoten, die Untergrundbedingungen verfolgen können. Diese unterirdischen Sensorknoten sind normalerweise versteckt. Die restlichen Knoten befinden sich über dem Boden. Sie senden Daten über spezialisierte Sensorknoten an die Basisstation.

Unterirdische drahtlose Sensornetzwerke stehen vor mehreren Herausforderungen. Es ist für Menschen schwierig, unterirdisch installierte drahtlose Sensornetzwerke aufzuladen. Selbst mit Batterien ausgestattete Sensorknoten haben keinen einfachen Zugang zu Energie. Zweitens macht die unterirdische Umgebung auch das Kommunikationssignal deutlich schwächer. Es ist für Menschen schwierig, drahtlose Kommunikation in dieser Umgebung zu verwenden.

Drahtlose Unterwassersensornetzwerke

Entsprechenden Studien gehören mehr als 701 TP3T der Erdoberfläche zu marinen Ressourcen. Drahtlose Unterwassersensornetzwerke bestehen aus vielen Sensorknoten und Fahrzeugen unter Wasser. Diese Unterwassergeräte und -fahrzeuge sammeln Daten von den eingesetzten Sensorknoten.

Die Unterwasserumgebung macht die drahtlose Kommunikation zu einer großen Herausforderung. Die Unterwasserumgebung ist anfällig für Ausbreitungsverzögerungen, Bandbreite und Sensorausfälle. Man stattet WSNs auch mit begrenzten Batterien aus, die aus Energiegründen nicht aufgeladen oder ersetzt werden können.

Multimediale drahtlose Sensornetzwerke

Drahtlose Multimedia-Sensornetzwerke ermöglichen es Menschen, Multimedia-Ereignisse zu verfolgen und zu verfolgen. Zum Beispiel etwas Video, Bildgebung und Audio. Die Netzwerk-Sensorknoten sind hauptsächlich mit Kameras und Mikrofonen ausgestattet. Diese Sensorknoten sind über das Internet verbunden. Sie bieten Benutzern Datenabruf, Datenkomprimierung und Korrelationsfunktionen.

Es gibt viele Probleme mit Multimedia-WSNs. Zum Beispiel hohe Bandbreite, hoher Energieverbrauch und schwierige Verarbeitungs- und Komprimierungstechniken. Darüber hinaus muss Multimedia eine hohe Bandbreite aufweisen, um Inhalte ordnungsgemäß bereitzustellen.

Mobile drahtlose Sensornetzwerke

Ein Mobilfunk-Sensornetzwerk besteht aus frei beweglichen Sensorknoten. Diese Knoten können mit der physischen Umgebung interagieren und die Erfassung und Kommunikation berechnen. Mobile drahtlose Sensornetzwerke sind vielseitiger als statische Sensoren. Es hat auch mehr Vorteile. Mobile WSNs haben eine überlegene Kanalkapazität, eine bessere Energieeffizienz usw.

Anwendungen für drahtlose Sensornetzwerke

Verschiedene Anwendungen von WSNs sind weltweit weit verbreitet. Basierend auf der Natur von Anwendungen für drahtlose Sensornetzwerke können wir sie in fünf Kategorien einteilen. Sie sind wie folgt:

• Militär
• Gesundheit
• Umfeld
• Tier und Pflanze
• Industriell

Militärische Anwendungen

Der militärische Sektor wird von den meisten als die treibende Kraft der Sensornetzwerkforschung angesehen. Dieses Feld ist auch der erste Bereich menschlicher Aktivität, der WSNs verwendet. Mit fortschreitender Sensortechnologie kann sie eine Vielzahl von Operationen unterstützen. WSN-Militäranwendungen sind hauptsächlich Schlachtfeldüberwachung, Kampfüberwachung und Eindringlingserkennung.

Sensoren können verwendet werden, um chemische, biologische und radiologische Substanzen zu detektieren. Und giftige Industriematerialien (TIM). Um Einbrüche zu erkennen, würde man mehrere Arten von WSNs verwenden. Wie Infrarot-, optoelektronische, Laser- und Vibrationssensoren. Unter ihnen werden die Knoten von WSN RADAR-, LIDAR-, LADAR- und Ultraschallsensoren verwenden, um die Entfernung zum Zielobjekt zu ermitteln. In diesem Fall bedeutet RADAR Radio Detection and Ranging und LIDAR Light Detection and Ranging. Und LADAR ist Laserdetektion und Entfernungsmessung. Die LADAR- und Infrarotsensoren helfen auch bei der schnellen Bildgebung.

Das Aufstellen von Sensorknoten auf dem Schlachtfeld in der Nähe von Wegen, die feindliche Streitkräfte nutzen könnten, ist eine der effektivsten WSN-Anwendungen. Ein WSN auf dem Schlachtfeld kann ohne kontinuierliche manuelle Betreuung und Wartung arbeiten und seinen Standort senden. Sie müssen sich darüber im Klaren sein, dass es auf dem Schlachtfeld viele Variablen gibt. Somit spielen hier die Reichweite und der Energieverbrauch der Sensorknoten eine wichtige Rolle.

Gesundheitsanwendungen

Drahtlose Sensornetzwerke verwenden fortschrittliche medizinische und tragbare Geräte im Gesundheitsbereich. Medizinische Sensoren Patienten verfolgen in medizinischen Einrichtungen, Krankenhäusern oder zu Hause. Gleichzeitig verfolgen tragbare Geräte die Vitalfunktionen dieser Patienten in Echtzeit. Die Kombination aus medizinischen Sensoren und Wearables bietet viele Vorteile. Es ermöglicht Ärzten, den Gesundheitszustand von Patienten aus der Ferne zu verfolgen. Es reduziert die Behandlungskosten für Patienten erheblich.

Ein Paradebeispiel sind Echtzeit-Elektrokardiogramme (EKGs). Die von EKGs verwendeten Echtzeitsensoren bieten Patienten eine personalisierte medizinische Hilfe. Echtzeitsensoren ermöglichen es Ärzten auch, den Blutzuckerspiegel und andere Diagnosen von Patienten zu verfolgen.

Umweltanwendungen

Mit WSN wird eine kontinuierliche Überwachung der Umgebungsbedingungen in einem bestimmten Bereich erreicht. WSN trägt auch dazu bei, Umweltanwendungen zu verbessern. Das Netzwerk kann verhindern, dass die Gesundheit der Menschen durch gefährliche luftübertragene Krankheiten geschädigt wird. Die häufigeren WSN-Umweltanwendungen sind die Überwachung der Wasserqualität und der Luft.

Drahtloses Sensornetzwerk zur Überwachung der Wasserqualität

Menschen können das cyber-physikalische System von PipeSense verwenden, um die Qualität von frischem Trinkwasser zu beurteilen. Das System verwendet ein RFID-basiertes WSN innerhalb der Pipeline zur Überwachung der Wasserqualität. Das Netzwerk unterstützt die Bereitstellung verschiedener Informationen über den Wasserbedarf oder die Wasserqualität. Einige Wartungsinformationen, wie Schwachstellen oder Rohrlecks, sind ebenfalls einsehbar. Die Pipeline verarbeitet RFID-Sensoren, um Informationen vom System zu sammeln und sie an den angegebenen Datendienst zu senden. Dann verwenden Algorithmen diese Informationen, um Entscheidungshilfen bereitzustellen.

Luftüberwachung

Menschen können drahtlose Sensornetzwerke verwenden, um Luftqualitätsgebiete zu verfolgen, die von feindlichen Kräften besetzt sind. WSN-AQMS ist ein typisches Beispiel für eine Luftüberwachungsanwendung. Das System kombiniert Gassensoren mit Libelium-Waspmotes. Die Kombination der beiden kann Luftqualitätsparameter für Gase wie Ozon, CO und NO 2 messen.

Pflanzen- und Tieranwendungen

WSN kann zur Überwachung von Gewächshäusern und zur Verbesserung seines Betriebs eingesetzt werden. Landwirte können Umweltparameter mit einem System namens AEMS erfassen. Das System verwendet WSN-Sensoren in Verbindung mit CCTV-Kameras. Landwirte können Daten zum Pflanzenwachstum innerhalb und außerhalb des Gewächshauses sammeln und verfolgen. Sie erheben hauptsächlich Umweltparameter. Wie Temperatur, Lichtintensität, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Niederschlag usw.

Mit diesem System können Menschen das Wachstum von Pflanzen in Gewächshäusern verfolgen. Gleichzeitig kann der Mensch damit aber auch Erträge steigern oder die Erntequalität verbessern, indem er bestimmte Umweltfaktoren verändert.

Industrielle Anwendungen

Die Anwendung von WSN in verschiedenen industriellen Anwendungen löst viele Probleme. Viele Logistiksysteme werden WSN für die Echtzeitüberwachung verschiedener Umgebungsparameter verwenden. Es hilft den Arbeitern, die Pakete besser zu handhaben. Durch den WSN-basierten Systemeinsatz können Unternehmen die Transportbedingungen verschiedener Transportwege nachverfolgen. Zum Beispiel die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem fahrenden LKW-Container. Die Studienergebnisse zeigen, dass der Einsatz von WSNs in der Logistik die Qualität durch eine bessere Übersicht verbessert. Es hilft auch, Kosten zu senken, indem es Verluste während des Transports reduziert.

Die Anwendung von WSN in der Kühlkettenlogistik kann deren Überwachung und Verwaltung verbessern. WSN kann verschiedene Umgebungsparameter in Echtzeit verfolgen. Es kann Unternehmen genaue Daten liefern, um die Anforderungen der Kühlkettenlogistik zu erfüllen.

Es gibt noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten für drahtlose Sensornetzwerke.

• Internet der Dinge
• Automatisierung und Smart Home
• Videoüberwachung
• Verkehrsüberwachung
• Überwachung von Medizinprodukten

Es besteht kein Zweifel, dass drahtlose Sensornetzwerke außergewöhnliche Fähigkeiten haben. Drahtlose Sensornetzwerke bieten erhebliche Vorteile in allen Bereichen menschlicher Aktivität. Da sich die Technologie weiterentwickelt, wird erwartet, dass die Palette der WSN-Anwendungen wächst.

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Informationen zu häufig gestellten Fragen zu drahtlosen Sensornetzwerken

1. Was sind drahtlose Sensornetzwerke und wie funktionieren sie?

   Drahtlose Sensornetzwerke sind Netzwerke aus kleinen, kostengünstigen Sensoren, die drahtlos kommunizieren, um eine physische Umgebung zu überwachen und zu steuern. Die Sensoren sammeln Daten und senden sie zur Verarbeitung an einen zentralen Knoten oder eine Basisstation.

2. Welche unterschiedlichen Arten von Sensoren werden in drahtlosen Sensornetzwerken verwendet?

   Die in drahtlosen Sensornetzwerken verwendeten Sensoren umfassen Temperatur-, Feuchtigkeits-, Druck-, Bewegungs- und Lichtsensoren.

3. Welche unterschiedlichen Kommunikationsprotokolle werden in drahtlosen Sensornetzwerken verwendet?

   Zu den in drahtlosen Sensornetzwerken verwendeten Kommunikationsprotokollen gehören unter anderem Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi und LoRaWAN.

4. Wie gehen drahtlose Sensornetzwerke mit Datenmanagement und -verarbeitung um?

   Drahtlose Sensornetzwerke übernehmen die Datenverwaltung und -verarbeitung durch lokale Verarbeitung auf einzelnen Sensoren und zentralisierte Verarbeitung auf einer Basisstation oder einem Cloud-Server.

5. Was sind die Sicherheitsüberlegungen bei der Implementierung von drahtlosen Sensornetzwerken?

   Zu den Sicherheitsüberlegungen bei der Implementierung drahtloser Sensornetzwerke gehören Authentifizierung, Zugriffskontrolle, Verschlüsselung und Intrusion Detection.

6. Wie handhaben drahtlose Sensornetzwerke das Energiemanagement für den Langzeitbetrieb?

   Drahtlose Sensornetzwerke übernehmen das Energiemanagement für den Langzeitbetrieb durch Low-Power-Sensoren, Energy Harvesting und Sleep-Modi.

7. Was sind einige der gängigen Bereitstellungsszenarien für drahtlose Sensornetzwerke?

   Übliche Einsatzszenarien für drahtlose Sensornetzwerke umfassen Gebäudeautomatisierung, industrielle Prozesssteuerung und Umweltüberwachung.

8. Wie handhaben drahtlose Sensornetzwerke die Sensorplatzierung und -optimierung für eine maximale Abdeckung?

   Drahtlose Sensornetzwerke übernehmen die Sensorplatzierung und -optimierung für eine maximale Abdeckung mithilfe von Algorithmen, die die Sensorplatzierung basierend auf Umgebungsfaktoren und Abdeckungsanforderungen optimieren.

9. Was sind die Unterschiede zwischen zentralisierten und verteilten drahtlosen Sensornetzwerken?

   Zentralisierte drahtlose Sensornetzwerke verlassen sich auf einen zentralen Knoten oder eine Basisstation für die Datenverarbeitung und -steuerung, während verteilte drahtlose Sensornetzwerke Verarbeitungs- und Steuerfunktionen auf einzelne Sensoren verteilen.

10. Wie können drahtlose Sensornetzwerke mit anderen Überwachungs- und Steuerungssystemen integriert werden?

    Drahtlose Sensornetzwerke können mithilfe von APIs und Protokollen in andere Überwachungs- und Steuerungssysteme integriert werden, was Datenaustausch und Interoperabilität ermöglicht.

11. Wie können drahtlose Sensornetzwerke für vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung eingesetzt werden?

    Drahtlose Sensornetzwerke können für die vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung verwendet werden, indem Daten zur Geräteleistung gesammelt und analysiert und potenzielle Probleme identifiziert werden, bevor sie ernst werden.