A vezeték nélküli érzékelő hálózatok (wireless sensor networks - WSN) a térben szétszórt és dedikált érzékelők hálózatainak összefoglaló neve, amelyek figyelemmel kísérik és rögzítik a környezet fizikai állapotát, és az összegyűjtött adatokat továbbítják egy központi helyre. A WSN-ek képesek mérni a környezet állapotát, például hőmérsékletet, hangot, szennyezettségi szintet, páratartalmat és szelet.

Ezek abban a tekintetben hasonlítanak a vezeték nélküli ad hoc hálózatokhoz, hogy a vezeték nélküli kapcsolatra és a hálózatok spontán kialakítására támaszkodnak annak érdekében, hogy az érzékelő adatok vezeték nélkül továbbíthatók legyenek. A WSN-ek figyelik a fizikai vagy környezeti állapotokat, például a hőmérsékletet, a hangot és a nyomást. A modern hálózatok kétirányúak, mind adatokat gyűjtenek, mind pedig lehetővé teszik az érzékelők aktivitásának vezérlését. E hálózatok fejlesztését olyan katonai alkalmazások motiválták, mint a harctéri megfigyelés. Az ilyen hálózatokat ipari és fogyasztói alkalmazásokban használják, például az ipari folyamatok monitorozásában és ellenőrzésében, valamint a gépek állapotának ellenőrzésében.

A WSN "csomópontokból" épül - amiknek száma néhánytól százig vagy több ezerig is terjedhet, ahol minden csomópont más érzékelőkhöz csatlakozik. Mindegyik ilyen csomópont tipikusan több részből áll: belső antennával vagy külső antennához csatlakozó rádió adó-vevő , mikrovezérlő, az érzékelőkkel való összeköttetéshez szükséges elektronikus áramkör és energiaforrás, általában akkumulátor vagy az energiagyűjtés beépített formája. Az érzékelő csomópont mérete a cipős doboztól (elméletileg) a porszem méretéig változhat, bár a mikroszkopikus méretek még nem valósultak meg. Az érzékelő csomópontok költsége is hasonlóan változó, néhány és több száz dollár között mozoghat, a csomópont kifinomultságától függően. A méret és a költség limitjei olyan erőforrásokat korlátoznak, mint az energia, a memória, a számítási sebesség és a kommunikációs sávszélesség. A WSN topológiája változhat az egyszerű csillaghálózattól a fejlett multi-hop vezeték nélküli hálós hálózaton át. A terjesztés útvonalválasztást vagy árasztást alkalmazhat.

Az informatikában és a telekommunikációban a vezeték nélküli szenzorhálózatok aktív kutatási területként számos workshop-ot és konferenciát támogatnak, ideértve a beágyazott hálózati érzékelőkről szóló nemzetközi műhelyt (Embedded Networked Sensors - EmNetS), az IPSN-t, a SenSys-t, a MobiCom-ot és az EWSN-t. 2010-től a vezeték nélküli érzékelő hálózatok körülbelül 120millió távoli egységet telepítettek világszerte.

Alkalmazás

Területfigyelés A WSN-k gyakori alkalmazása közé tartozik a területfigyelés. A területi megfigyelés során a WSN-t egy olyan régió felett helyezik ki, ahol valamilyen jelenséget figyelni kell. Katonai példa az érzékelők használata az ellenség behatolásának észlelésére; egy civil példa a geo-kerítés a gáz- vagy olajvezetékek számára.

Egészségügyi ellenőrzés Többféle érzékelőhálózat létezik az orvosi felhasználásra: beültetett, hordható és környezetbe ágyazott. A beültethető orvostechnikai eszközök azok, amelyeket az emberi testbe helyeznek be. A hordható eszközöket az ember testfelületén vagy a felhasználó közvetlen közelében használják. A környezetbe beágyazott rendszerek a környezetben már elhelyezett és megtalálható érzékelőket alkalmazzák. A lehetséges alkalmazások magukban foglalják a testhelyzet mérését, a személyek elhelyezkedését, a betegek általános megfigyelését mind a kórházakban, mind otthon. A környezetbe ágyazott eszközök nyomon követik a személy fizikai állapotát a folyamatos egészségi állapot diagnosztizálásához, megfigyelő kamerák hálózatából, érzékelő padlóból vagy más hasonló eszközökből származó adatokat használnak fel bemenetként. A test-körüli hálózatok információkat gyűjthetnek az egyén egészségi állapotáról, állóképességéről és energiafelhasználásáról. Az egészségügyi alkalmazásokban a felhasználói adatokra vonatkozó titoktartás és azok valódisága kiemelt jelentőségű. Különösen az érzékelőhálózatok és az IoT integrálása miatt a felhasználói hitelesítés egyre nagyobb kihívást jelent; a az újabb munkálatok során azonban sikerült lehetséges megoldást körvonalazni.

Élőhely Monitoring Vezeték nélküli szenzorhálózatokat alkalmaztak különféle fajok és élőhelyeik megfigyelésére, kezdve a Nagy Kacsa-szigetre való telepítéssel, ideértve a mormotákat, a nádi varangyokat Ausztráliában és a kenyai zebrákat.

Környezet / Föld érzékelés A környezeti paraméterek monitorozásában számos alkalmazás létezik, amelyekre az alábbiakban példákat adunk. Közösen osztoznak a zord környezet extra kihívásaiban és a csökkentett áramellátás gondjával.

A légszennyezés ellenőrzése Kísérletek kimutatták, hogy a városokban a légszennyezésnek való személyes kitettség nagyban változhat. Ezért érdekünk, hogy nagyobb legyen a szennyező anyagok és részecskék időbeli és térbeli felbontása. Kutatási célokra vezeték nélküli érzékelőhálózatokat telepítettek a polgárok számára veszélyes gázok koncentrációjának figyelemmel kísérésére (pl. Londonban). A gázok és részecskék érzékelői azonban nagy egységenkénti változékonyságot, keresztérzékenységet és (fogalom) sodródást szenvednek. Ráadásul az adatok minősége jelenleg nem megfelelő a megbízható döntéshozatalhoz, mivel a terepi kalibrálás megalapozatlan mérési eredményekhez vezet, és gyakori újrakalibrálásra lehet szükség. Lehetséges megoldás lehet a vak kalibrálás vagy a mobil referenciák használata.

Erdőtűz észlelése Érzékelő csomópontok hálózata telepíthető az erdőkbe annak érdekében, hogy észlelje, mikor keletkezett tűz. A csomópontok felszerelhetők olyan érzékelőkkel amelyek képesek a hőmérséklet, a páratartalom és a fák vagy növényzet égés által kibocsátott gázainak mérésére. A korai felismerés döntő fontosságú a tűzoltók sikeres fellépése szempontjából; a vezeték nélküli érzékelő hálózatoknak köszönhetően a tűzoltóság tudni fogja, hogy mikor keletkezik a tűz és hogyan terjed.

Földcsuszamlás detektálása A földcsuszamlást érzékelő rendszer vezeték nélküli érzékelőhálózatot használ fel a talaj enyhe mozgásának és a különböző paraméterekben bekövetkező változások észlelésére, amelyek a földcsuszamlás előtt vagy alatt fordulhatnak elő. Az összegyűjtött adatok révén megismerhető lehet a földcsuszamlások közelgő előfordulása jóval azelőtt, hogy valóban megtörténne.

Vízminőség-ellenőrzés A vízminőség ellenőrzés magában foglalja a gátak, folyók, tavak és óceánok víz tulajdonságainak, valamint a felszín alatti víztárolók vizeinek és talajvíz elemzését. Számos szétszórt vezeték nélküli érzékelő teszi lehetővé a vízállapot pontosabb térképének elkészítését, és lehetővé teszi a megfigyelő állomások állandó telepítését nehezen hozzáférhető helyeken, anélkül, hogy manuálisan kelljen adatot kinyerni.

A természeti katasztrófák megelőzése A vezeték nélküli érzékelő hálózatok hatékonyak lehetnek a természeti katasztrófák, például az áradások káros következményeinek megelőzésében. Számos vezeték nélküli csomópontot telepítettek sikeresen az olyan folyókba, ahol a vízszint változását valós időben kell figyelemmel kísérni.

Ipari monitoring

A gépek állapotának ellenőrzése Vezeték nélküli érzékelőhálózatokat fejlesztettek ki a gépek állapotfüggő karbantartására (CBM), mivel ezek jelentős költségmegtakarítást kínálnak és új funkciókat tesznek lehetővé.

A vezeték nélküli érzékelőket olyan helyekre lehet elhelyezni, amelyek vezetékes rendszerrel nehezen megoldhatók vagy lehetetlenek, például forgó gépek vagy vezeték nélküli járművek.

Adatnaplózás A vezeték nélküli szenzorhálózatokat a környezeti információk nyomon követésére szolgáló adatok gyűjtésére is használják. Ez lehet olyan egyszerű, mint a hűtőszekrény hőmérsékletének vagy az atomerőművek túlfolyó tartályainak vízszintjének figyelése. A statisztikai információk felhasználhatók a rendszerek működésének bemutatására. A WSN-ek előnye a hagyományos naplózókkal szemben a lehetséges "élő" adatcsatorna.

Víz / szennyvíz monitorozása A víz minőségének és szintjének figyelemmel kísérése számos tevékenységet magában foglal, például a felszín alatti vagy felszíni vizek minőségének ellenőrzését és az ország vízügyi infrastruktúrájának biztosítását mind az emberek, mind az állatok érdekében. Felhasználható lehet a vízpazarlás csökkentésére.

Strukturális állapotfigyelés A vezeték nélküli szenzorhálózatok felhasználhatók a polgári infrastruktúra állapotának és a kapcsolódó geo-fizikai folyamatok közel valós idejű, és hosszú időintervallumot felölelő monitorozásához, adatrögzítéssel, megfelelő interfészű érzékelők használatával.

Bortermelés Vezeték nélküli érzékelőhálózatokat használnak a bortermelés figyelemmel kísérésére, mind a földeken, mind a pincékben.Anastasi, G., Farruggia, 0., Lo Re, G., Ortolani, M. (2009) Monitoring High-Quality Wine Production using Wireless Sensor Networks, HICSS 2009

Fenyegetés észlelése A Wide Area Tracking System (WATS) egy prototípus hálózat egy földi nukleáris eszköz, például egy nukleáris "aktatáska bomba" detektálására. A WATS-t a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban (LLNL) fejlesztik. A WATS vezeték nélküli gamma- és neutronérzékelőkből állna, amelyek kommunikációs hálózaton keresztül kapcsolódnak. Az érzékelők által felvett adatok " adatfúzión" mennek keresztül, amely az információt könnyen értelmezhető formákká alakítja; ez az adatfúzió a rendszer legfontosabb szempontja.

Az adatfúziós folyamat a szenzorhálózaton belül történik, nem pedig egy központosított számítógépen, és egy speciálisan kidolgozott algoritmus hajtja végre a Bayes-statisztikák alapján. A WATS azért nem használna központosított számítógépet az elemzéshez, mert a kutatók úgy találták, hogy az olyan tényezők, mint a késés és a rendelkezésre álló sávszélesség, általában jelentős szűk keresztmetszeteket hoznak létre. A hálózat által, a területen feldolgozott adat (kis mennyiségű adat továbbításával a szomszédos érzékelők között) gyorsabb és skálázhatóbbá teszi a hálózatot.

A WATS fejlesztésének fontos tényezője a könnyű telepítés, mivel több érzékelő javítja az észlelési arányt és csökkenti a téves riasztásokat. A WATS szenzorok állandó helyeken is elhelyezhetők lennének vagy járművekbe szerelhetők bizonyos helyek mobil védelme érdekében. A WATS megvalósításának egyik akadálya a jelenleg rendelkezésre álló vezeték nélküli érzékelők mérete, súlya, energiaigénye és költsége. A érzékelők továbbfejlesztése az LLNL Nonproliferációs, Fegyverzetellenőrzési és Nemzetközi Biztonsági (NAI) Igazgatóságának jelenlegi kutatásának egyik fő célját képezi.

1997. október 1-jén az Egyesült Államok Képviselőházának Katonai Kutatási és Fejlesztési Albizottsága elé terjesztették a WATS-t a nukleáris terrorizmusról és az ellenintézkedésekről tartott meghallgatáson. 1998. augusztus 4-én az albizottság egy későbbi ülésén Curt Weldon elnök kijelentette, hogy a Clintoni adminisztráció a WATS kutatásának finanszírozását megélhetési szintre csökkentette, és a programot átszervezték ugyan, de rosszul.

Események figyelése Vannak tanulmányok, amelyek azt mutatják, hogy a szenzorok használata az incidensek megfigyeléséhez nagyban javíthatja a tűzoltók és a rendőrség reakcióját egy váratlan helyzetre. Az események korai észleléséhez használhatunk akusztikus érzékelőket a város zajának elemzésére egy esetleges baleset észlelésére vagy termikus érzékelőket egy esetleges tűz észlelésére.

Jellemzők A WSN főbb jellemzői a következők:

Az akkumulátorokat vagy energiagyűjtést végző csomópontok energiafogyasztási korlátai. Szállítók például a ReVibe Energy és a Perpetuum Képes megbirkózni a csomópont esetleges meghibásodásaival (rugalmasság) A csomópontok valamekkora mobilitása (az erősen mobil csomópontoknál lásd az MWSN-eket) A csomópontok heterogenitása A csomópontok homogenitása Skálázhatóság nagyméretű telepítésig Képes ellenállni a zord környezeti feltételeknek Egyszerű használat