شبكة الاستشعار اللاسلكية

شبكة الاستشعار اللاسلكية

أتاحت التطورات الحديثة في الإلكترونيات والاتصالات اللاسلكية تصميم وتصنيع حساسات منخفضة استهلاك الطاقة وصغيرة الحجم ومعقولة التكلفة ومتعددة الاستخدامات. تستطيع هذه الحساسات الصغيرة جمع أنواع مختلفة من البيانات البيئية حسب نوع الحساس ومعالجتها وإرسالها، مما أدى إلى ظهور فكرة إنشاء وتوسيع شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSN).

تتكون شبكة الاستشعار من عدد كبير من عقد الحساسات الموزعة على نطاق واسع في بيئة ما لجمع المعلومات منها. ليس من الضروري أن تكون مواقع عقد الحساسات محددة أو معروفة مسبقًا. تتيح هذه الخاصية نشرها في مواقع خطرة أو يصعب الوصول إليها.

وهذا يعني أيضًا أن بروتوكولات وخوارزميات شبكات الاستشعار يجب أن تدعم التنظيم الذاتي. من الخصائص الفريدة الأخرى لشبكات الاستشعار قدرة العقد على التعاون والتنسيق فيما بينها. تحتوي كل عقدة حساس على معالج مدمج. وبدلًا من إرسال جميع البيانات الخام إلى المركز أو عقدة المعالجة، تجري أولًا بعض المعالجة الأولية البسيطة للبيانات ثم ترسل المعلومات المعالجة جزئيًا.

رغم أن قدرة كل حساس منفرد محدودة، فإن الجمع بين مئات الحساسات الصغيرة يتيح إمكانات جديدة. تكمن قوة شبكات الاستشعار اللاسلكية في إمكانية استخدام أعداد كبيرة من العقد الصغيرة القادرة على التجمع والتنظيم ذاتيًا، واستخدامها في مهام مثل التوجيه المتزامن ومراقبة الظروف البيئية ومتابعة سلامة الهياكل أو معدات النظام.

تتمتع شبكات الاستشعار اللاسلكية بمجال واسع جدًا من التطبيقات، من الزراعة والطب والصناعة إلى الاستخدامات العسكرية. على سبيل المثال، من التطبيقات الشائعة لهذه التقنية مراقبة بيئة بعيدة يصعب الوصول إليها. يمكن مثلًا مراقبة تسرب في مصنع كيميائي كبير بواسطة مئات الحساسات التي تكوّن تلقائيًا شبكة لاسلكية وتبلغ مركز التحكم بسرعة عند حدوث التسرب.

بخلاف الأنظمة السلكية القديمة، تقلل هذه الأنظمة تكاليف تهيئة الشبكة ونشرها، وتستبدل آلاف الأمتار من الأسلاك بأجهزة صغيرة بحجم عملة تقريبًا.

شبكة الاستشعار اللاسلكية (WSN) هي شبكة لاسلكية من حساسات ذاتية تعمل موزعة في منطقة ما لقياس مجموعة من الكميات الفيزيائية أو الظروف البيئية مثل الحرارة والصوت والاهتزاز والضغط والحركة أو الملوثات في مواقع مختلفة. طُورت شبكات الاستشعار في البداية لتطبيقات عسكرية مثل مراقبة ساحات القتال. أما اليوم فتُستخدم شبكات الاستشعار اللاسلكية في الصناعة والعديد من التطبيقات المدنية، بما في ذلك مراقبة العمليات الصناعية والتحكم بها، ومراقبة سلامة الأجهزة، والبيئة أو المنازل، والرعاية الصحية، والمنازل الذكية، والزراعة، والتحكم المروري.

بالإضافة إلى حساس واحد أو أكثر، تُجهز كل عقدة في الشبكة عادةً بمرسل ومستقبل راديوي (أو وسيلة اتصال لاسلكية أخرى)، ومتحكم دقيق صغير، ومصدر طاقة غالبًا ما يكون بطارية. يختلف حجم عقدة الحساس حسب تغليفها ويمكن تصغيرها نظريًا إلى حجم حبة رمل؛ مع أن تصنيع المكونات بهذا الحجم المجهري لا يزال مطلوبًا. وبالمثل قد تتراوح تكلفة كل عقدة حساس بين مئات الدولارات وبضعة سنتات حسب الحجم والتعقيد المطلوبين. تؤدي قيود التكلفة والحجم في عقد الحساسات إلى قيود في الموارد مثل الطاقة والذاكرة وسرعة المعالجة وعرض النطاق.

تُشكل شبكة الحساسات عادةً شبكة لاسلكية مخصصة (ad-hoc)، أي إن كل عقدة تستخدم خوارزمية توجيه متعددة القفزات (multi-hop). (تقوم عدة عقد بتمرير حزمة المعلومات حتى تصل إلى المحطة الأساسية.) تُعد شبكات الاستشعار اللاسلكية حاليًا مجالًا بحثيًا نشطًا في علوم الحاسوب والاتصالات، وتُعقد سنويًا العديد من ورش العمل والمؤتمرات حولها.

من المتطلبات المهمة لشبكات الاستشعار مزامنة الوقت. تجعل أهمية الزمن في شبكات الاستشعار تعطيل مزامنة الحساسات أحد الأهداف الأساسية للهجمات على هذه الشبكات. قد يحاول المهاجم منع المزامنة الصحيحة بطرق متعددة، مثل تعطيل رسائل المزامنة أو تغييرها أو تزويرها، وتأخير الرسائل الحساسة للوقت، والسيطرة على بعض العقد وإرسال رسائل مزامنة خاطئة عبرها. رغم طرح عدة أساليب لمزامنة شبكات الاستشعار في السنوات الأخيرة، لم يُقدّم حتى الآن أسلوب شامل يلبي متطلبات الأمان والكفاءة معًا.

التطبيقات

توجد استخدامات كثيرة ومتنوعة لشبكات الاستشعار اللاسلكية. فعلى سبيل المثال، تُستخدم في التطبيقات التجارية والصناعية لمراقبة البيانات وفي الحالات التي يكون فيها استخدام الحساسات السلكية صعبًا أو مكلفًا. كما يمكن نشر هذه الشبكات في البيئات الصحراوية وبقائها لسنوات. ومن التطبيقات الأخرى اكتشاف دخول متسلل إلى منطقة مراقبة ثم تتبعه.

وتشمل التطبيقات الأخرى مراقبة المناطق السكنية وتتبع الأهداف المتحركة والتحكم في المفاعلات النووية وكشف الحرائق ومراقبة المرور وغيرها.

مراقبة المناطق البيئية

يُعد التحكم في البيئة أو مراقبتها أحد استخدامات شبكات الاستشعار اللاسلكية. في المراقبة البيئية تُوزع عقد الاستشعار اللاسلكية في منطقة تحتاج فيها ظواهر أو أحداث معينة إلى المراقبة. على سبيل المثال، يمكن نشر عدد كبير من عقد الإرسال والاستقبال في ساحة معركة لاكتشاف اختراق العدو بدلًا من استخدام الألغام الأرضية.

عندما يكتشف الحساس حدثًا تتم مراقبته، مثل الحرارة أو الضغط أو الصوت أو الضوء أو الخصائص المغناطيسية أو الاهتزاز، يجب الإبلاغ عن الحدث إلى محطة أساسية. بحسب تطبيق الشبكة تنفذ المحطة الأساسية إجراءً مناسبًا، مثل إرسال رسالة إلى الإنترنت أو القمر الصناعي أو معالجة البيانات محليًا.

المراقبة في مجال الرعاية الصحية

قد يشمل ذلك حساسات مزروعة داخل الجسم أو حساسات قابلة للارتداء أو حساسات بيئية للرعاية الصحية، بحيث يكتشف كل منها بيانات مرتبطة بصحة الكائنات الحية ويراقبها.

المراقبة البيئية

مراقبة تلوث الهواء وحرائق الغابات والانهيارات الأرضية وتلوث المياه والتغيرات الجوية للوقاية من آثار الكوارث الطبيعية مثل الفيضانات والعواصف أو الحد منها.

المراقبة الصناعية

مراقبة أداء الآلات وسلامتها وتشغيل الأنظمة، بما في ذلك مراقبة حساس آخر في الشبكة، وتشغيل مراكز البيانات، والسلامة الإنشائية للهياكل الهندسية، وهو مجال واسع بحد ذاته.

الخصائص

الخصائص الفريدة لعقد الاستشعار اللاسلكية:

عقد استشعار صغيرة الحجم

طاقة محدودة يمكن تخزينها أو إعادة شحنها

ظروف بيئية غير مناسبة

أعطال العقد

فقدان العقد

طوبولوجيا شبكة ديناميكية

أعطال الاتصالات

عدم تجانس العقد

نشر واسع النطاق

تشغيل ذاتي

يمكن اعتبار عقد الحساسات حواسيب صغيرة. بصورة أساسية، تتضمن بنيتها ومكوناتها المشتركة عادةً معالجًا بقدرة حسابية وذاكرة محدودتين، وحساسات بدوائر خاصة بالتطبيق، وجهاز اتصال يكون غالبًا مرسلًا ومستقبلًا راديويًا أو أحيانًا بصريًا، ومصدر طاقة يكون عادةً بطارية. تُعد المحطات الأساسية مكونات بارزة في شبكة الاستشعار اللاسلكية (WSN) وتملك موارد أكبر للحوسبة والطاقة والاتصالات، وتعمل كبوابات بين عقد الحساسات والمستخدم النهائي.

من الأهداف الأساسية لعقد الحساسات تحقيق حجم صغير بتكلفة منخفضة. ومع أخذ هذه الأهداف في الاعتبار، فإن كثيرًا من عقد الحساسات الحالية ما زالت نماذج أولية. يستمر التصغير وخفض التكلفة كهدفين حاليين ومستقبليين مدفوعين بالتقدم في MEMS وNEMS؛ وقد عُرضت بعض عقد الحساسات الصغيرة جدًا، بينما لا يزال بعضها في مرحلة البحث. تتوفر نظرة عامة على استخدام الشبكة والمحطات الأساسية والمكونات والموضوعات المرتبطة بـSNM.

المعايير

بينما تعتمد شبكات الحاسوب التقليدية على معايير معروفة، تشمل المعايير الرسمية المستخدمة في شبكات الاستشعار اللاسلكية ISO 18000-7 و6LoWPAN وWirelessHART، إلى جانب معايير أخرى يدرسها الباحثون في هذا المجال.

ZigBee

Wibree

IEEE 802.15.4-2006

البرمجيات

تُعد الطاقة موردًا محدودًا في عقد الاستشعار اللاسلكية وهي التي تحدد عمر شبكة الاستشعار اللاسلكية (WSN). وقد تضم هذه الشبكات أعدادًا كبيرة من العقد المنتشرة في بيئات متنوعة، بما فيها المناطق النائية أو المعادية، مع اتصالات مخصصة. لذلك يجب أن تراعي الخوارزميات والبروتوكولات المتطلبات التالية:

تعظيم العمر التشغيلي.

المتانة وتحمل الأعطال

التهيئة الذاتية؛ والنشر التلقائي

تشمل بعض موضوعات البحث النشطة في برمجيات WSN:

الأمان

الحركة ومغادرة العقد (عندما تكون عقد الحساسات أو المحطات الأساسية متحركة)

البرمجيات الوسيطة، وهي طبقة برمجية متوسطة بين البرمجيات والأجهزة.

نظام التشغيل

تكون أنظمة التشغيل لعقد شبكات الاستشعار اللاسلكية أقل تعقيدًا عمومًا من أنظمة التشغيل العامة. ويرجع ذلك إلى المتطلبات الخاصة لتطبيقات شبكات الاستشعار وإلى قيود الموارد في أجهزة عقد الحساسات. فعلى سبيل المثال لا تتطلب تطبيقات شبكات الاستشعار عادةً تفاعلًا مباشرًا مثل الحاسوب التقليدي. لذلك لا يحتاج نظام التشغيل إلى دعم تطبيقات المستخدم نفسها، كما أن قيود الذاكرة وبنية ذاكرة الأجهزة تجعل ميزات مثل الذاكرة الافتراضية غير ضرورية وغير عملية. لا تختلف أجهزة شبكات الاستشعار اللاسلكية جذريًا عن الأنظمة المضمنة التقليدية، لذلك يمكن استخدام أنظمة تشغيل مضمنة مثل eCos أو µC/OS. ومع ذلك قد تختلف الأنظمة المصممة خصيصًا لشبكات الاستشعار عن الأنظمة المضمنة التقليدية ذات الزمن الحقيقي. وغالبًا لا توفر دعم الزمن الحقيقي. ربما كان TinyOS أول نظام تشغيل صُمم خصيصًا لشبكات الاستشعار. وعلى خلاف العديد من أنظمة التشغيل، يستخدم TinyOS نموذج برمجة موجّهًا بالأحداث بدلًا من نموذج متعدد الخيوط يحتوي على عدة مسارات تنفيذ منطقية تعمل بالتزامن.

تتكون تطبيقات TinyOS من مكونات ومهام يستمر تنفيذها استجابةً لأحداث خارجية مثل وصول البيانات أو قراءات الحساسات.

يقوم TinyOS بإشعار المكوّن المناسب عند وقوع حدث، ويمكن للمكونات إرسال مهام ليقوم نواة TinyOS بجدولتها لاحقًا. يتم تنفيذ كل من TinyOS نفسه والتطبيقات المكتوبة له باستخدام تقنيات برمجة مرتبطة بلغة C. صُممت NesC لاكتشاف حالات السباق، وهي حالات تحدث عند تنفيذ التعليمات بالتزامن ولا يمكن معرفة أيها سينتهي أولًا، بين المهام ومعالجات الأحداث.

وتوجد أيضًا أنظمة تشغيل تسمح بالبرمجة بلغة C، منها Contiki وMANTIS وBTnut وSOS وNano-RK.

صُمم Contiki لدعم التحميل الديناميكي عبر الشبكة وتحميل البرامج أثناء التشغيل باستخدام ملفات ELF القياسية. نواة Contiki موجّهة بالأحداث، لكن النظام يدعم أيضًا تعدد الخيوط عند الحاجة، ويتضمن آليات خفيفة للخيوط توفر أسلوب برمجة مشابهًا لها مع استخدام ذاكرة إضافية قليلة جدًا.

على خلاف الأنظمة الموجّهة بالأحداث، تستخدم MANTIS وNano-RK نوى متعددة الخيوط استباقية، بينما يستطيع Contiki دعم كلا النموذجين. مع تعدد الخيوط الاستباقي لا يحتاج المستخدم إلى تسليم المعالج صراحةً إلى العمليات الأخرى. بل تقسم النواة وقت المعالج بين العمليات النشطة وتحدد أي عملية تعمل، مما قد يبسط البرمجة.

تستخدم أنظمة تشغيل شبكات الاستشعار مثل TinyOS وContiki وSOS تصاميم خفيفة، ويدعم SOS خصوصًا الوحدات القابلة للتحميل ديناميكيًا. يُبنى نظام SOS الكامل من مكونات أصغر ويركز كذلك على دعم إدارة الذاكرة الديناميكية.

البرمجيات الوسيطة

تركز أبحاث حديثة كثيرة على تصميم برمجيات وسيطة لشبكات الاستشعار اللاسلكية. يمكن تصنيف هذه المناهج عمومًا إلى قواعد بيانات موزعة ووكلاء متنقلين وأنظمة قائمة على الأحداث.

لغة البرمجة

تُعد برمجة عقد الحساسات صعبة مقارنة بأنظمة الحاسوب التقليدية. أدت القيود الطبيعية على موارد هذه العقد إلى ظهور نماذج برمجة جديدة. ومع ذلك تُبرمج معظم العقد الحالية بلغة C.

C@t: الحوسبة عند نقطة في الزمان والمكان

DSL: تراكيب زمنية موزعة

Galsc

Nec C

Proto thread

SNACK

SQTL

الخوارزمية

تتكون WSN من عدد كبير من عقد الحساسات. ولذلك فإن خوارزميات WSN هي خوارزميات موزعة. في WSN تُعد الطاقة المورد المحدود؛ ومن أكثر العمليات استهلاكًا للطاقة نقل البيانات. ولهذا تركز الأبحاث الخوارزمية في WSN بدرجة كبيرة على كفاءة الطاقة. تستخدم الخوارزميات الواعية بالطاقة لنقل المعلومات من عقد الحساسات إلى المحطة الأساسية عادةً اتصالًا متعدد القفزات، من عقدة إلى أخرى باتجاه المحطة، لأن تكلفة طاقة الإرسال الراديوي ترتفع كثيرًا مع مسافة الإرسال.

تختلف المناهج الخوارزمية عن مناهج البروتوكولات في أبحاث WSN من حيث أن النماذج الرياضية المستخدمة أكثر تجريدًا. تكون هذه النماذج أكثر عمومية لكنها أحيانًا أقل واقعية. وتشمل النماذج الموجهة للبروتوكولات محاكيات صُممت خصيصًا لتقييم أداء شبكات الاستشعار مثل TOSSIM، وهو جزء من TinyOS، ومحاكيات شبكات أقدم مثل NS-2، ومحاكي OPNET المرئي لتحليل ومحاكاة شبكات الحاسوب والاتصالات من المقاييس الصغيرة حتى العالمية، ومحاكي SENSIM المبني على OMNeT++ والمخصص لتحليل شبكات الاستشعار اللاسلكية. كما تتوفر مجموعة واسعة من أدوات المحاكاة لشبكات WSN، ومنها أدوات قائمة على قواعد البيانات مثل CRUISE WSN.

المحاكاة

تصور البيانات

عادةً ما تُخزن البيانات التي تُجمع من شبكات الاستشعار اللاسلكية بصيغة رقمية في قاعدة بيانات مركزية. تساعد تطبيقات متعددة مثل TosGUI وSensor وMonSense وGSN المستخدمين على استكشاف كميات كبيرة من البيانات. كما يمكن لمعايير الاتحادات الجغرافية المكانية تحسين قابلية التشغيل البيني وترميز البيانات، وتنظيم المواقع غير المتجانسة على الإنترنت، وتمكين المستخدمين من مراقبة شبكات الاستشعار اللاسلكية بشكل فردي عبر برامج الويب.