近年、世界中でワイヤレスを使用する人が増えています センサーネットワーク. WSN の効果的な設計は、主要な研究サイトでの研究分野になりつつあります。このホワイト ペーパーでは、ワイヤレス センサー ネットワークの定義とその関連アプリケーションについて説明します。
無線センサーネットワークとは？
ワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) は、自己構成ワイヤレス ネットワークとして定義できます。また、追加のインフラストラクチャは必要ありません。物理的またはその他の環境条件を観察するように設計されています。圧力、動き、温度、音、振動など。また、このデータまたは情報をネットワーク経由で受信機に直接接続します。この受信機は、情報を観察および分析するための主要な場所と見なされることがよくあります。
ユーザーとネットワークの間のインターフェースは、基地局または受信機で構成されているようです。この時点で、ユーザーはこのインターフェイスにクエリを挿入し、レシーバーによって結果を収集できます。その後、ネットワークから必要な情報を取得できます。
ワイヤレス センサー ネットワークには、数千のセンサー ノードがあります。これらのノードは、以下を使用して相互に通信できます。 無線信号.ワイヤレス センサー ノードには、強力なコンポーネントも装備されています。これらのコンポーネントは、センシング、無線トランシーバー、コンピューティング デバイス、および電源です。
ワイヤレス センサー ノードは、本質的にリソースに制約があります。これらのノードには、処理速度、ストレージ容量、および通信帯域幅が制限されています。
彼らはその地域にセンサーノードを配備します。その後、適切なネットワーク インフラストラクチャの編成を担当します。それらとのマルチホップ通信が行われます。次に、オンボードセンサーが、ユーザーが関心のあるデータに関する情報の収集を開始します。ワイヤレス センサー ネットワーク デバイスは、コントロール ステーションから送信されたクエリに対する応答を処理します。クエリを受信すると、すぐに特定のコマンドを実行するか、センシング サンプルをユーザーに提供します。
センサー ノードは通常、継続的またはイベント駆動型で動作します。 GPS また、LPS ローカル ポジショニング アルゴリズムは、特定の位置とポジショニング情報を取得できます。
ワイヤレス センサー デバイスには、通常、効率的なアクチュエータが装備されています。これらのアクチュエータは、特定の条件下で「動作」するように設計されています。これらのネットワークは、しばしばワイヤレスと呼ばれます。 センサーとアクチュエーター ネットワーク。
ワイヤレス センサーには、従来のスタンドアロンのセンサーやコントローラーよりも多くの利点があります。 WSN はサイト固有であり、本番サイトの近くに配置できます。また、ネットワーク ノードをカスタマイズして、対象の変数を追跡することもできます。ユーザーは、多くのノードを使用して、単位面積あたりのセンサーとコントローラーの数を増やすこともできます。ワイヤレス センサー ネットワークを使用すると、ユーザーは展開するセンサーの数とネットワークのコストを効果的に削減できます。
無線センサーネットワークの種類
ワイヤレスセンサーネットワークは、使用環境によっていくつかのタイプに分類されます。これらのネットワークは、陸上、地下、水中などに展開できます。WSN の種類には次のものがあります。
地上無線センサーネットワーク
地上無線センサー ネットワークは、基地局と通信するように設計されています。ワイヤレス センサーは、数千の WSN ノードに対して、構造化 (アドホック) または非構造化 (事前計画) モードで展開されます。非構造化展開では、センサー ノードは、設定された平面からドロップされたターゲット エリアにランダムに分散されます。省略、構造化モードでは、最適な配置、グリッド配置、2D および 3D 配置モデルが考慮されます。
地上無線センサーネットワークには太陽電池を搭載。バッテリーは補助エネルギー源としてのみ使用され、ネットワークバッテリー自体の電力は制限されています。 WSN は、いくつかの操作で省エネを実現します。低デューティ サイクル、最適化されたルーティング、最小化されたレイテンシなど。
地下ワイヤレスセンサーネットワーク
地下の無線センサー ネットワークは、地上の無線センサー ネットワークよりも高価です。ユーザーは、この WSN を使用する前に、展開、保守、および機器のコストを考慮する必要があります。地下ワイヤレス センサー ネットワークには、地下の状態を追跡できる複数のセンサー ノードがあります。これらの地下センサー ノードは、通常は隠されています。残りのノードは地上にあります。専用のセンサーノードを介して基地局にデータを送信します。
地下のワイヤレス センサー ネットワークは、いくつかの課題に直面しています。地下に設置された地下ワイヤレスセンサーネットワークを人が充電することは困難です。バッテリーを搭載したセンサーノードでさえ、エネルギーへのアクセスは容易ではありません。第二に、地下環境も通信信号を大幅に弱めます。この環境では、人が無線通信を使用することは困難です。
水中ワイヤレスセンサーネットワーク
関連する研究によると、地球の面積の 70% 以上が海洋資源に属しています。水中ワイヤレスセンサーネットワークは、水中の多くのセンサーノードと車両で構成されています。これらの水中デバイスおよび車両は、配備されたセンサー ノードからデータを収集します。
水中環境では、ワイヤレス通信が大きな課題になります。水中環境は、伝搬遅延、帯域幅、およびセンサー障害が発生しやすい傾向があります。また、エネルギー問題のために再充電または交換できない限られたバッテリーを WSN に装備することもあります。
マルチメディア ワイヤレス センサー ネットワーク
マルチメディア ワイヤレス センサー ネットワークにより、人々はマルチメディア イベントを追跡できます。たとえば、ビデオ、画像、オーディオなどです。ネットワークセンサーノードには、主にカメラとマイクが搭載されています。これらのセンシングノードは、インターネットを介して接続されています。これらは、データ検索、データ圧縮、および相関機能をユーザーに提供します。
マルチメディア WSN には多くの問題があります。たとえば、高帯域幅、高エネルギー消費、困難な処理および圧縮技術などです。さらに、コンテンツを適切に配信するには、マルチメディアを高帯域幅にする必要があります。
モバイルワイヤレスセンサーネットワーク
モバイル ワイヤレス センサー ネットワークは、自由に移動できるセンサー ノードで構成されます。これらのノードは、物理環境と相互作用し、センシングと通信を計算できます。モバイル ワイヤレス センサー ネットワークは、静的センサーよりも汎用性があります。また、より多くの利点があります。モバイル WSN は、優れたチャネル容量、優れたエネルギー効率などを備えています。
ワイヤレス センサー ネットワーク アプリケーション
WSN のさまざまなアプリケーションが世界中で広く使用されています。ワイヤレス センサー ネットワーク アプリケーションの性質に基づいて、それらを 5 つのカテゴリに分類できます。それらは次のとおりです。
- 軍隊
- 健康
- 環境
- 動植物
- 工業用
軍事用途
軍事部門は、センサー ネットワーク研究の原動力であると考えられています。この分野は、WSN を使用する人類の活動の最初の領域でもあります。センサー技術の進歩に伴い、幅広い運用に対応できます。 WSN 軍事アプリケーションは、主に戦場監視、戦闘監視、および侵入者検出です。
センサーは、化学物質、生物学的物質、および放射線物質で構成される物質を検出するために使用できます。そして有毒工業材料（TIM）。侵入を検出するには、いくつかのタイプの WSN を使用します。赤外線、光電子、レーザー、振動センサーなど。その中で、WSN のノードは、RADAR、LIDAR、LADAR、および超音波センサーを使用して、ターゲット オブジェクトまでの距離を検出します。この場合、RADAR は電波の検出と測距を意味し、LIDAR は光の検出と測距を意味します。そして、LADAR はレーザー検出と測距です。また、LADAR および赤外線センサーは、迅速な画像処理にも役立ちます。
敵軍が使用できる経路の近くの戦場にセンサー ノードを配置することは、効果的な WSN アプリケーションの 1 つです。戦場の WSN は、継続的な手動の出席やメンテナンスなしで機能し、その場所を送信できます。戦場には多くの変数があることに注意する必要があります。したがって、ここではセンサーノードのカバレッジとエネルギー消費が重要な役割を果たします。
健康への応用
ワイヤレス センサー ネットワークは、健康分野で高度な医療機器やウェアラブル デバイスを使用します。医療用センサー 患者を追う 医療施設、病院、または自宅で。同時に、ウェアラブル デバイスがこれらの患者のバイタル サインをリアルタイムで追跡します。医療用センサーとウェアラブルの組み合わせには、多くのメリットがあります。これにより、医師は患者の健康状態をリモートで追跡できます。患者さんの治療費を大幅に削減します。
代表的な例は、リアルタイムの心電図 (ECG) です。 ECG で使用されるリアルタイム センサーは、患者に個別化された医療支援を提供します。リアルタイム センサーにより、医師は患者の血糖値やその他の診断を追跡することもできます。
環境への応用
WSN を使用すると、特定のエリアの環境条件を継続的に監視できます。 WSN は、環境アプリケーションの改善にも役立ちます。このネットワークは、危険な空気感染症によって人々の健康を害するのを防ぐことができます。より一般的な WSN 環境アプリケーションは、水質モニタリングと空気モニタリングです。
水質を監視するワイヤレスセンサーネットワーク
PipeSense のサイバーフィジカル システムを使用して、新鮮な飲料水の品質を評価できます。 システムはRFIDベースのWSNを使用 水質監視のためのパイプライン内。このネットワークは、水需要や水質に関するさまざまな情報の提供をサポートしています。弱点や配管漏れなどのメンテナンス情報もご覧いただけます。パイプラインは RFID センサーを処理して、システムから情報を収集し、指定されたデータ サービスに送信します。次に、アルゴリズムがこの情報を使用して意思決定支援を提供します。
エアモニタリング
ワイヤレス センサー ネットワークを使用して、敵対勢力が占拠している空気の質の高いエリアを追跡できます。 WSN-AQMS は、空気監視アプリケーションの典型的な例です。このシステムは、ガス センサーと Libelium waspmote を組み合わせたものです。この 2 つの組み合わせにより、オゾン、CO、NO 2 などのガスの大気質パラメータを測定できます。
植物および動物への応用
WSN は、温室の監視とその運用の改善に適用できます。農業従事者は、AEMS と呼ばれるシステムを使用して環境パラメーターを収集できます。このシステムは、CCTV カメラと組み合わせて WSN センサーを使用します。農家は、温室の内外で作物の成長データを収集して追跡できます。主に環境パラメータを収集します。温度、照度、湿度、気圧、降水量など。
このシステムを通じて、人々は温室内の作物の成長を追跡できます。同時に、特定の環境要因を変更することで、収量を増やしたり、作物の品質を改善したりするためにそれらを使用することもできます。
産業用アプリケーション
さまざまな産業用途に WSN を適用することで、多くの問題が解決されます。多くの物流システムは、さまざまな環境パラメータのリアルタイム監視に WSN を使用します。作業者がパッケージをより適切に処理するのに役立ちます。 WSNベースのシステム展開により、企業はさまざまな輸送ルートの輸送状況を追跡できます。たとえば、移動中のトラック コンテナ内の温度と湿度。研究結果は、ロジスティクスで WSN を使用すると、監視が改善され、品質が向上することを示しています。また、輸送時のロスを減らし、コスト削減にも貢献します。
コールド チェーン ロジスティクスに WSN を適用すると、監視と管理を改善できます。 WSN は、さまざまな環境パラメータをリアルタイムで追跡できます。企業に正確なデータを提供して、コールド チェーン ロジスティクスのニーズを満たすことができます。
ワイヤレス センサー ネットワークには、さらに多くの潜在的なアプリケーションがあります。
- モノのインターネット
- 自動化とスマートホーム
- ビデオ監視
- トラフィックの監視
- 医療機器モニタリング
ワイヤレス センサー ネットワークが並外れた機能を備えていることは間違いありません。ワイヤレス センサー ネットワークは、人間の活動のあらゆる分野で大きな利点を提供します。テクノロジーが進化し続けるにつれて、WSN アプリケーションの範囲が拡大すると予想されます。
ワイヤレス センサー ネットワークに関するよくある質問
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ワイヤレス センサー ネットワークとは何ですか? また、どのように機能しますか?
ワイヤレス センサー ネットワークは、ワイヤレスで通信して物理環境を監視および制御する小型で低コストのセンサーのネットワークです。センサーはデータを収集し、処理のために中央ノードまたは基地局に送信します。
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ワイヤレス センサー ネットワークで使用されるさまざまな種類のセンサーは何ですか?
ワイヤレス センサー ネットワークで使用されるセンサーには、温度、湿度、圧力、モーション、および光センサーが含まれます。
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ワイヤレス センサー ネットワークで使用されるさまざまな通信プロトコルは何ですか?
ワイヤレス センサー ネットワークで使用される通信プロトコルには、Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、LoRaWAN などがあります。
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ワイヤレス センサー ネットワークはデータの管理と処理をどのように処理しますか?
ワイヤレス センサー ネットワークは、個々のセンサーでのローカル処理と、基地局またはクラウド サーバーでの集中処理によって、データの管理と処理を行います。
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ワイヤレス センサー ネットワークを実装する際のセキュリティ上の考慮事項は何ですか?
ワイヤレス センサー ネットワークを実装する際のセキュリティの考慮事項には、認証、アクセス制御、暗号化、および侵入検知が含まれます。
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ワイヤレス センサー ネットワークは、長期運用のための電力管理をどのように処理しますか?
ワイヤレス センサー ネットワークは、低電力センサー、エネルギー ハーベスティング、およびスリープ モードを使用して、長期運用のための電力管理を処理します。
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ワイヤレス センサー ネットワークの一般的な展開シナリオにはどのようなものがありますか?
ワイヤレス センサー ネットワークの一般的な展開シナリオには、ビルディング オートメーション、産業プロセス制御、環境監視などがあります。
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ワイヤレス センサー ネットワークは、センサーの配置と最適化をどのように処理して、最大のカバレッジを実現しますか?
ワイヤレス センサー ネットワークは、環境要因とカバレッジ要件に基づいてセンサーの配置を最適化するアルゴリズムを使用して、センサーの配置と最適化を処理し、最大のカバレッジを実現します。
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集中型ワイヤレス センサー ネットワークと分散型ワイヤレス センサー ネットワークの違いは何ですか?
集中型ワイヤレス センサー ネットワークは、データの処理と制御を中央ノードまたは基地局に依存しますが、分散型ワイヤレス センサー ネットワークは、個々のセンサー間で処理と制御機能を分散します。
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ワイヤレス センサー ネットワークを他の監視および制御システムとどのように統合できますか?
ワイヤレス センサー ネットワークは、API とプロトコルを使用して他の監視および制御システムと統合できるため、データ交換と相互運用性が可能になります。
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ワイヤレス センサー ネットワークは、予知保全と状態監視にどのように使用できますか?
ワイヤレス センサー ネットワークは、機器のパフォーマンスに関するデータを収集および分析し、潜在的な問題を深刻化する前に特定することにより、予知保全および状態監視に使用できます。
