Proiect tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

1.2 Exemple de aplicaţii ale reţelelor de senzori

Pe lângă necesitatea de a construi platforme pentru senzori ieftine, uşor de programat şi de interconectat într-o topologie de reţea, este crucial pentru dezvoltarea de aplicaţii capacitatea platformei de a integra diferitele modele de senzori existenţi pentru a se putea forma nodul de colectare.

Pentru mulţi parametri fizici există tehnologie de achiziţie ce se poate adapta şi integra într-un nod al unei reţele de senzori wireless. Unele din cele mai populare traductoare sunt cele de temperatură, umiditate, lumină din spectrul vizibil sau infraroşu, acustice, de vibraţie (de exemplu pentru detectarea perturbaţiilor seismice), presiune, senzori pentru diverşi compuşi chimici (gaze sau chiar solide – compoziţia solului), pentru tensiunile mecanice, traductoare de camp magnetic (pentru detecţia vehiculelor), potenţial chiar şi radar. Există, de asemenea şi traductoare mai complexe ce se pot imagina (ca o asociere de mai multe platforme integrate pe acelaşi support).

Acţionările electrice (actuatoare) controlate prin intermediul unei reţele wireless de senzori nu au o gama la fel de largă de aplicaţii. Tipic cu ajutorul lor se controlează dispozitive mecanice (servo mecanisme) sau contacte electrice prin intermediul unui releu.

Pe baza acestor platforme care suprapun capabilităţile traductoarelor şi acţionărilor cu un nucleu de procesare de date şi transmitere a acestora se pot construi multe aplicaţii.

O scurtă prezentare de scenarii ce pot beneficia de implementări ale unor reţele wireless de senzori va face evidentă dimensiunea vastă a spaţiului de proiectare cât şi cerinţele foarte diferite, după locaţia reţelei şi destinaţia acesteia:

• 
  Reacţie la dezastre: este una din cele mai menţionate aplicaţii ale reţelelor wireless de senzori.
  

Un scenariu tipic este detecţia incendiilor din medii extraurbane: nodurile echipate cu senzori de temperatură şi cu software adecvat care le permite sa poată determina poziţia proprie (fie în relaţie cu vecinii sau în coordonate absolute). Aceştia sunt răspândiţi într-un perimetru extraurban (de exemplu o pădure), fie preventiv, fie din aeronave specializate, în momentul izbucnirii unui incendiu. Din datele centralizate se formează o hartă termică a regiunii, pe care se poate determina zonele de temperatura ridicată care sunt accesibile terestru (de către pompieri echipaţi cu PDA-uri). Scenarii similare se pot imagina pentru controlul accidentelor în uzine chimice.

Unele din aplicaţiile de monitorizare a incidentelor au puncte comune cu aplicaţii de tip militar, senzorii din componenţa nodurilor fiind proiectaţi să detecteze mişcările de trupe (în loc de incendii). Într-o astfel de aplicaţie, senzorii trebuie sa fie proiectaţi pentru un cost minim, putând fi consideraţi de unică folosinţă (numărul lor este mare, deci preţul trebuie să fie redus pentru a face sistemul fezabil). În aceste condiţii, cerinţele de proiectare privind durata de viaţă a acumulatorului nu sunt foarte dure.

• 
  Controlul mediului şi evaluarea biodiversităţii:
  

Reţelele wireless de senzori pot fi utilizate în controlul calităţii mediului. Un exemplu legat de poluanţii chimici este monitorizarea unei rampe de gunoi. Se poate da şi exemplul monitorizării platoului marin (înţelegerea fenomenelor de eroziune a acestuia sunt importante pentru construcţia de ferme eoliene maritime). Legat de controlul ecologic este utilizarea reţelelor de senzori pentru evaluarea numărului de specii de plante şi animale dintr-un habitat (maparea biodiversităţii)

Principalele avantaje ale utilizării reţelelor de senzori wireless în astfel de aplicaţii sunt legate de funcţionarea pe o durată cât mai lungă a senzorilor in maximă proximitate cu subiecţii de interes (pentru o culegere de date cât mai eficientă). Deoarece senzorii pot fi făcuţi suficient de mici ca sa nu perturbe habitatul în care sunt amplasaţi, având deci un impact minim asupra observaţiilor.

De cele mai multe ori este necesar un număr mare de senzori pentru astfel de aplicaţii, iar restricţiile relativ la consumul de energie sunt dure (se doreşte o durata de viaţă cât mai mare).

• 
  Clădiri Inteligente: Clădirile risipesc cantităţi foarte mari de energie prin utilizarea ineficientă a surselor de aer condiţionat, ventilaţie şi controlul umidităţii (HVAC).
  

Un sistem de înaltă rezoluţie, în timp real pentru monitorizarea temperaturii, fluxului de aer, umidităţii şi alţi parametri ai unei clădiri prin intermediul unei reţele de senzori wireless pot creşte semnificativ confortul şi scădea consumul de energie (unele studii plasează această scadere la până la 2.000.000 TBTU numai pe teritoriul S.U.A. vezi [1]).

Îmbunătăţirea eficienţei energetice şi creşterea simplităţii în utilizare sunt unele din motivele pentru care aplicaţiile tip “clădire inteligentă” sunt studiate cu interes. Aplicaţii dedicate controlului acestor parametri sunt deja disponibile în formatul de reţea cu fir (BACnet, LonWorks, KNX [2]). Standardele dezvoltate includ şi dezvoltarea de componente wireless sau au incorporate astfel de componente.

Suplimentar, astfel de noduri cu senzori pot fi utilizaţi în monitorizarea stresului mecanic la care sunt supuse clădirile în zonele active seismic. Prin măsurarea parametrilor mecanici, cum ar fi încărcarea la încovoiere a grinzilor, este posibil să se afle cu ajutorul reţelelor de senzori dacă o clădire mai constituie un obiectiv sigur după un cutremur sau dacă este în pragul colapsului (acest lucru este de ajutor personalului de salvare implicat), în reţea putând participa şi tipuri de senzori dedicate detecţiei formelor de viaţa prinse în cladirile prăbuşite. Sisteme similare de detecţie a stresului mecanic pot fi utilizate pe poduri.

Avantajul reţelelor într-o astfel de aplicaţie îl reprezintă maparea spaţială a parametrilor fizici. În funcţie de tipul de aplicaţie, nodurile de senzori pot fi instalate în cladiri deja construite (pentru aplicaţii de monitorizare a umiditaţii/ventilaţiei/aerului condiţionat) sau incorporaţi în cladiri aflate în construcţie. Dacă senzorii nu dispun de alimentare de la reţea, costul acestora creşte mult, deoarece cerinţele legate de durata de viaţă sunt foarte dure (în general câteva zeci de ani). Totuşi, numărul de noduri necesare este relativ redus, şi deci costul total va fi modest având in vedere bugetul necesar pentru construcţia unei cladiri.

• 
  Managementul locaţiilor: În managementul unor amplasamente ce cuprind mai multe clădiri, reţelele de senzori wireless au o largă gamă de aplicaţii
  

Exemple simple includ sisteme de identificare/acces fără fir, personalul autorizat purtând cartele ce permit identificarea de către reţea (de cele mai multe ori prin verificarea unei baze de date centrale). Acest exemplu se poate extinde la detecţia intruşilor: o reţea de senzori pe o arie extinsă poate detecta şi localiza poziţia unui potenţial intrus şi transmite poziţia acestuia personalului specializat (această aplicaţie are multe în comun cu aplicaţiile militare de urmărire). Un alt exemplu îl reprezintă folosirea unei reţele de senzori într-o fabrică chimică, pentru a sesiza eventuale scurgeri potenţial periculoase.

Aceste aplicaţii oferă o provocare proiectanţilor, deoarece numărul de noduri necesar este mare, aceştia trebuie să colaboreze – în special în urmărirea de ţinte (nevoia de protocoale de colaborare adecvate), şi trebuie să fie capabile să funcţioneze un timp îndelungat cu acumulatorii proprii.

• 
  Supravegherea maşinilor şi mentenanţă preventivă:
  

Există mai multe direcţii investigate: Fixarea de noduri cu senzori în zone dificil de investigat ale angrenajelor (de exemplu pe osiile trenurilor sau diferite sisteme robotizate), senzori ce pot detecta modele de vibraţie care indică necesitatea unor reparaţii. Se pot imagina uşor şi alte aplicaţii asemănătoare.

Avantajul principal al unei reţele de senzori wireless într-o astfel de aplicaţie este funcţionarea fără cabluri de transport date, evitându-se astfel o problemă de mentenanţă suplimentară. În plus, în general instalarea e simplă, şi poate fi efectuată post fabricare. O sursă de alimentare prin cablu poate fi sau nu disponibilă, depinzând de scenariu. Dacă nodurile trebuie să se bazeze pe alimentare proprie, se impun condiţii dure la alegerea acumulatorilor şi la metodele de conservare a energiei, deoarece schimbarea acestora este de obicei impractică şi costisitoare. Pe de altă parte, de cele mai multe ori dimensiunea nodului şi preţul acestuia nu constituie un factor critic şi restricţiile nu sunt dure.

• 
  Agricultura de precizie:
  

Utilizarea reţelelor wireless de senzori în agricultură permite irigarea şi fertilizarea precisă a culturilor prin plasarea de senzori de umiditate şi compoziţie a solului în lanuri. Se consideră că este în general nevoie de un număr scăzut de senzori (în jur de 1 la 100 m²).

În mod similar se pot utiliza pentru controlarea dăunătorilor sau pentru monitorizarea sănătăţii animalelor domestice.

• 
  Medicină:
  

În mod similar se pot utiliza reţele de senzori wireless în medicină. Exemple de aplicaţii se pot da de la monitorizarea pacienţilor în unităţile de terapie intensivă, senzorii fiind direct ataşaţi de pacient (lipsa firelor fiind un avantaj considerabil), până la supravegherea pe termen lung a pacienţilor şi administrarea automată de medicamente, sisteme de urmărire a cadrelor medicale şi a pacienţilor în spitale etc.

• 
  Logistică:
  

În mai multe aplicaţii de logistică, este convenabilă echiparea diverselor mărfuri cu senzori simpli ce permit urmărirea lor în timpul transportului şi facilitează indentificarea inventarului în depozite.

De cele mai multe ori, acest caz special de aplicaţii nu necesită ca senzorii să comunice activ între ei sau cu un nod colector, se pot extrage informaţiile pasiv prin sisteme tip RFID (de exemplu bagajele pe liniile de sortare din aeroporturi trec prin mai multe puncte de control unde li se poate urmari şi contoriza evoluţia).

Avantajul unui sistem RFID este costul extrem de scazut, preluarea informaţiilor facându-se prin identificatoare de radio frecvenţă.

Cu ajutorul identificatoarele de radio frecvenţă nu se pot implementa aplicaţii mai complexe de localizare (de exemplu identificarea poziţiei unui container într-un depozit), şi nu poate stoca informaţii ce pot interesa operatorii, cum ar fi poziţiile anterioare în care a fost localizat obiectul etc. Aceste aplicaţii şi altele asemănătoare necesită o participare activă din partea senzorului.

• 
  Telematică:
  

Aplicaţiile de telematică sunt parţial legate de aplicaţiile logisticii, tratând însă problemele asociate traficului rutier. Se doreşte crearea unor “şosele inteligente” capabile să urmărească condiţiile de trafic şi chiar să interacţioneze cu vehiculele transmiţând informaţii despre accidente sau blocaje în trafic.
Pe lângă cele mai sus menţionate, alte aplicaţii de reţele de senzori menţionate în literatura de specialitate includ aripile aeronavelor şi suport pentru spaţii inteligente [3], utilizarea în instalaţiile pentru tratarea apei reziduale [4], în camerele de prelucrare a semiconductorilor şi tunelurilor aerodinamice [5], în detecţia inundaţiilor [6], muzee interactive [1], monitorizarea habitatului păsărilor de pe o insulă îndepărtată [7] sau implantarea de senzori în corpul uman (monitorizarea nivelului de glucoza din sânge sau proteze de retină) [8].

Marea parte a aplicaţiilor descrise se pot implementa cu tehnologia actuală, chiar şi fără reţele fără fir de senzori, în special unde este nevoie de senzori mai performanţi pentru a oferi aplicaţiilor un nivel mai mare al rezoluţiei. În reţelele de senzori fără fir este însă crucială oferirea de informaţii cu o precizie specificată, la timp (în special în aplicaţiile în timp real sau care depind critic de timp) şi cu un consum cât mai redus de resurse.