5 分以内で説明するワイヤレス センサー ネットワーク (WSN)

WSN は Wireless Sensor Networks の頭字語で、センサー ネットワークを介して熱、圧力、光などの物理的および環境的条件を検出し、応答します。

無線技術と微小電気機械システム (MEMS) センサーの進歩により、広範囲にわたる低電力センサーのスマートな展開が可能になり、軍事および民間用途向けの安価な WSN が作成されました。

以下のセクションでは、WSN の種類、そのコンポーネントとアプリケーション、およびその長所と短所、およびアプリケーションについて説明します。

ネットワークの意味とは何ですか?

ネットワークはデバイスをリンクし、情報の交換とリソースの共有を可能にします。これらの統合デバイスは、TCP/IP、UDP、FTP、HTTP、SMTP などの通信プロトコルを使用します。これらのプロトコルは、無線または有線ネットワーク上でデータを送信するための一連のルールです。

基本的に、ネットワークには有線と無線の 2 種類があります。有線ネットワークと無線ネットワークは、データ転送速度、データのセキュリティ、通信範囲、コストによって異なります。

有線ネットワークは物理ケーブルを介したデバイスの相互接続によって分類されますが、無線ネットワークはデバイスの接続に電波に依存します。 Wi-FiやBluetoothなど、さまざまな無線技術が利用可能です。

ワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) は、その名前が示すようにワイヤレス テクノロジーであり、通信は無線信号を通じて行われます。

ワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) とは何ですか?

WSN とも呼ばれるワイヤレス センサー ネットワークは、物理環境パラメーターを記録および監視し、結果として得られるデータを集中的な場所で整理するために、特定の構造内のさまざまな場所に配置された特殊なセンサーの集合です。

これらの物理パラメータには、温度、圧力、風、湿度などが含まれますが、これらに限定されません。

WSN ネットワークは、さまざまな場所に配置された基地局とノードで構成され、無線で相互作用します。 WSN 構造は、ポイントツーポイント、スター、ツリー、メッシュ タイプという 4 つの異なるアプローチを使用して実装できます。

WSN の配置は、物理環境に基づいて、地下、地上、水中、マルチメディア、モバイル WSN の 5 つのタイプに分類できます。

新しいセンサー設計では、エンジニアリングとテクノロジーの進歩を利用して物理的領域とデジタル領域を橋渡しし、効率的な結果を実現します。

WSN は、物理的および環境の変化を検出するセンサーを備えたノードで構成され、分析とレポート出力のためにデータを基地局に送信します。

ワイヤレス センサー ネットワークを GPS または RFID と統合すると、カバレッジを強化し、高度な追跡システムまたは監視システムを作成できます。

WSN は、環境を保護しながら安全性、生産性、事故防止を向上させるために環境情報を収集することを目的としています。

WSN のコンポーネント

WSN を構成するコンポーネントのリストを見てみましょう。 WSN には主に、センサー ノードとネットワーク アーキテクチャの 2 つの部分があります。

センサーノード

センサーノードは以下のコンポーネントで構成されます。

• 電源: ネットワークのすべてのコンポーネントに電力を供給します。
• センシングユニット： センサーとADC（アナログデジタルコンバーター）で構成されます。センサーはアナログ データを収集し、ADC がそれをデジタル形式に変換します。センサーノードはセンシング機能だけでなく、処理、通信、ストレージコンポーネントも実行します。センサー ノードは物理データを収集および分析し、それを他のセンサーからのデータと関連付けて融合します。
• 処理ユニット: メモリとマイクロプロセッサで構成されます。データをインテリジェントに処理および操作します。
• 通信システム: データを送受信するための無線システム。
• 基地局 : 高い計算エネルギーと処理能力を備えた並外れたノードです。

クラスター ヘッド: WSN でデータ フュージョンおよびデータ集約機能を実行するために使用される高帯域幅センシング ノードです。システム要件とアプリケーションに基づいて、クラスター内に複数のクラスター ヘッドが存在します。

ワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) では、センサー ノードが広いエリアに配置された他のセンサー ノードと通信し、無線通信を介して物理環境および基地局 (BS) を監視します。センサー ノードはデータを収集し、それをベース ステーションに送信します。基地局はデータを処理し、最新の情報をオンラインでユーザーと共有します。

ネットワークアーキテクチャ

すべてのセンサーノードが基地局に接続されている場合、それはシングルホップネットワークアーキテクチャと呼ばれます。データが長距離にわたって送信される場合、データの収集や計算よりも多くのエネルギーが消費されるため、そのような場合には、センサー ノードと基地局を接続する単一のリンクの代わりに中間ノードを使用するマルチホップ ネットワーク アーキテクチャが一般的に使用されます。

これらの構造を実装するには、フラット ネットワーク アーキテクチャと階層型ネットワーク アーキテクチャの 2 つの方法があります。

フラット アーキテクチャでは、基地局がすべてのセンサー ノードに命令し、センサー ノードはマルチホップ パスを使用してピア ノード経由で応答します。

階層型ネットワーク アーキテクチャでは、クラスター ヘッドがセンサー ノードのグループから情報を受信し、データをベース ステーションに中継します。

WSN のその他のコンポーネント

• 中継ノード: 中間ノードは隣接ノードとの通信に使用されます。ネットワークの信頼性が向上し、プロセスセンサーや制御装置がありません。
• アクター ノード: ハイエンド ノードは、アプリケーションの要件に応じて決定を実行および構築するために使用されます。通常、これらのノードは、高品質の処理能力、高い送信電力、およびバッテリ寿命を備えたリソースが豊富なデバイスです。
• ゲートウェイ: ゲートウェイは、センサー ネットワークと外部ネットワーク間のインターフェイスです。センサー ノードやクラスター ヘッドと比較して、ゲートウェイ ノードは、プログラムとデータ メモリ、使用されるプロセッサ、トランシーバ範囲、外部メモリによる拡張の可能性に関して最も強力です。

ワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) の種類

WSN には 5 つの異なるタイプがあります。

• 水中: 水中ワイヤレス センサー ネットワークは、水中のセンサー ノードと車両を使用してデータを収集します。遅延が長く、センサーの誤動作の問題があり、充電できないバッテリーが限られています。
• 地下: このタイプは完全に地下で動作し、地上に配置されたシンク ノードがデータを基地局に送信するため、地下の状態を監視します。高価な機器とメンテナンスのため、地上ネットワークよりも費用がかかります。
• 地上: このタイプのネットワークは、さまざまな地域の環境状態を監視するために陸上で使用されます。地上波 WSN の何千もの無線センサー ノードは、基地局と効率的に通信するために、アドホックまたは事前に計画された構造に展開されます。
• マルチメディア: WSN は、ビデオ、画像、オーディオなどのマルチメディア イベントを追跡および監視できます。彼らは、データをワイヤレスで接続、取得、圧縮、関連付けするカメラとマイクを備えた手頃な価格のセンサー ノードを持っています。
• モバイル: モバイル WSN は、センシング機能を実行しながら移動および通信できるセンサー ノードで構成されます。モバイル ワイヤレス センサー ネットワークは、固定センサー ネットワークと比較して、より高い柔軟性、より広いカバレッジ、より優れたチャネル容量を提供し、エネルギーを節約します。

WSN タイプの展開は、アプリケーションと地上の要件に基づいています。

WSN のさまざまな構造

ネットワーク構造には 4 つのタイプがありますが、ネットワーク構造が異なるとデータのルーティングと処理が変化するため、その実装は遅延、容量、堅牢性に影響します。したがって、WSN 構造を導入する前に、要件の評価とアプリケーションの性質を理解しておく必要があります。

ノードをインターネットに接続し、データをクラウド プラットフォームに転送してさらに分析することもできます。

• ポイントツーポイントまたはバス構造: このネットワーク内のセンサーは、中央ハブなしで相互に直接通信できます。この構造は広く使用されており、安全な通信を提供します。
• スター構造: スター ネットワークは、すべてのセンサーと通信するための中央ハブとして基地局を使用します。実装が簡単で、消費電力も低くなります。この構造の欠点の 1 つは、通信が単一の基地局に依存していることです。
• ツリーまたはハイブリッド構造: ポイントツーポイントおよびスター構造で構成されます。この構造では、センサーがツリー状に配置され、センサー間の枝を通じてデータが送信されます。他の構造物よりもエネルギーの消費が少なくなります。
• メッシュ構造: この構造では、中央基地局を必要とせずに、マルチホップ通信の送信範囲内のセンサー間でデータ送信が行われます。センサーは中間センサーを使用して、無線到達範囲外のセンサーにデータを送信できます。したがって、スケーラビリティと冗長性で知られています。特異点障害がないため、最も信頼性が高いと考えられていますが、より多くの電力が必要になります。

WSNの応用例

WSN は、測定、追跡、監視が必要な多くの分野で広く使用されています。これらはエリア全体に広がり、さまざまな用途で温度、音、その他のパラメーターを測定します。

• これらは、侵入の試みを検出するセンサーを配備して地域を監視するために採用されているため、敵対的な侵略を検出するために軍事で広く使用されています。
• これらは、鉱業、医療、監視、農業、その他の監視条件などの民間用途で人気があります。
• ワイヤレス センサー ノードは磁力計を介して駐車車両を検出し、マイクロ レーダーと磁力計を追跡に使用できます。
• WSN は、自然災害防止、地すべり検出、水質監視、森林火災検出、生息地の監視など、環境/地球の監視とセンシングで非常に人気があります。また、機械の状態、廃水、構造の状態などの産業監視ソリューション全体でも広く評価されています。

ワイヤレスセンサーネットワークの長所と短所

このセクションでは、WSN の長所と短所を見ていきます。

利点

• WSN は、利便性、信頼性、手頃な価格、導入の容易さにより、有線監視システムよりも好まれます。
• WSN を使用すると、ケーブルやワイヤが不要になります。
• WSN の熟練度は、センシング精度、カバー範囲、フォールト トレランス、接続性、人間の関与の少なさ、困難な状況での機能性、動的なセンサー スケジュールなど、多くの要因によって決まります。
• WSN 内のすべてのノードの集中監視を有効にします。
• 物理パーティションにも問題なく対応できます。
• パフォーマンスと帯域幅が制限された環境で通信するためのルーティング プロトコル。マルチホップ通信を使用する自己組織化アドホック ネットワークを作成します。
• ワイヤレステクノロジーベースのセキュリティアルゴリズムを使用して、ユーザーにとって信頼できるネットワークを構築します。
• 新しいノードやデバイスを簡単に統合して拡張性を確保できます。

短所

• WSN は、限られた帯域幅、高いエネルギー消費、高価なノードコスト、導入モデル、ハードウェア/ソフトウェア設計の制約などの課題に直面しています。
• ワイヤレス センサー ネットワークはハッキングの影響を受けやすいです。
• WSN は低速アプリケーション向けに設計されており、高速通信には適していません。
• WSN ネットワークの構築には費用がかかります。
• スター トポロジ ベースの WSN では、中央ノードに障害が発生した場合、ネットワーク全体がシャットダウンする可能性があります。

学習リソース

#1. Arduinoを使用したワイヤレスセンサーネットワークの構築

Arduino と XBee 機器を使用したワイヤレス低電力ネットワークの構築に関する本。複雑なプロジェクトの開発について、実例を交えて説明します。この本では詳細な写真とスクリーンショットが提供され、そのまま実行することも、カスタマイズすることもできるホーム オートメーション プロジェクトについて説明されています。

XBee モジュールを使用して Arduino ボードをワイヤレスで接続し、ネットワーク センサーからのフィードバックに基づいて環境を制御する方法を学びます。 Windows、OS X、または Linux で XCTU ソフトウェアを使用して、センサー データを収集し、クラウド プラットフォームまたは個人データベースに保存します。また、ZigBee ホーム オートメーション デバイスと対話します。

この本は、Arduino を理解している組み込みシステム開発者や愛好家が、ワイヤレス技術を使用してプロジェクトを拡張するために使用できます。

#2. ワイヤレス センサー ネットワークの構築: ZigBee、XBee、Arduino、および Processing を使用

この本では、100 ドル未満の XBee 無線機と Arduino を使用して ZigBee ネットワークを構築することに重点を置いています。調整可能なセンシングおよび作動システムを作成し、電源管理やソース ルーティングなどの XBee の複雑さについての知識を獲得します。インターネットを含む隣接するネットワークと相互接続するためのゲートウェイを開発します。

この本は、発明家、ハッカー、工芸家、学生、愛好家、科学者など、さまざまな人々が各章の例に従うことで、プロジェクトを推進するための知識とスキルを習得するのに役立ちます。

これは、スマートなインタラクティブ ガジェットを作成するための優れたリソースであり、センサー システムは、ZigBee ワイヤレス ネットワーキング プロトコルとシリーズ 2 XBee 無線を利用して利用できます。

#3. 産業用ワイヤレス センサー ネットワーク (IWSN): プロトコルとアプリケーション

この出版物は、産業用ワイヤレス センサー ネットワークに関する新しい研究結果を紹介します。特集号に含まれる論文は、IWSN に関する研究の進歩に貢献し、さらなる研究と展開を促すことが期待されます。

IWSN は、あらゆるネットワーク層で高い堅牢性、信頼性、適時性の基準を備えた、日常生活や産業におけるワイヤレス センサー ネットワークの使用が増加しているため、非常に重要です。

#4. ESP32 LoRa を使用したワイヤレス センサー ネットワークの構築

このガイドは、LoRa ネットワーク上で ESP32 を使用して基本的なワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) を実装することを目的としています。

開発環境の準備、ESP32 LoRa の構成、データの送受信、LoRa 受信機割り込みの処理、LoRa ネットワーク上でのメッセージのブロードキャスト、ESP32 LoRa を使用した WSN アプリケーションの作成など、さまざまな主題を扱います。

最後の言葉

ワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) は、さまざまな監視および追跡アプリケーションにとって不可欠になっています。 WSN は、基本的なセンサー監視から高度なセンシング、処理、分析まで進歩しました。

WSN テクノロジーは、貴重な知識を収集し、望ましい結果を提供するために大きく変化しました。

次に、TCP/IP プロトコル アーキテクチャ モデルの動作を確認します。