عقدة استشعار

تُستخدم المستشعرات في عقد الاستشعار اللاسلكية لجمع البيانات من بيئتها. وهي عبارة عن أجهزة مادية تُنتج استجابة قابلة للقياس لتغير في حالة فيزيائية كدرجة الحرارة أو الضغط. تقيس المستشعرات البيانات الفيزيائية للمعامل المراد مراقبته، ولها خصائص محددة كالدقة والحساسية وغيرها. تُحوّل الإشارة التناظرية المستمرة التي تُنتجها المستشعرات إلى إشارة رقمية بواسطة مُحوّل تناظري-رقمي، ثم تُرسل إلى وحدات التحكم لمزيد من المعالجة. تحتوي بعض المستشعرات على الإلكترونيات اللازمة لتحويل الإشارات الخام إلى قراءات يمكن استرجاعها عبر وصلة رقمية (مثل I2C أو SPI)، ويُحوّل العديد منها إلى وحدات قياس مثل درجة مئوية (°C). تتميز معظم عقد الاستشعار بصغر حجمها، واستهلاكها المنخفض للطاقة، وقدرتها على العمل بكثافة عالية، واستقلاليتها، وقدرتها على التكيف مع البيئة. ونظرًا لأن عقد الاستشعار اللاسلكية عادةً ما تكون أجهزة إلكترونية صغيرة جدًا، فلا يمكن تزويدها إلا بمصدر طاقة محدود يتراوح بين 0.5 و2 أمبير-ساعة، وجهد يتراوح بين 1.2 و3.7 فولت.

تُصنّف أجهزة الاستشعار إلى ثلاث فئات: أجهزة استشعار سلبية متعددة الاتجاهات، وأجهزة استشعار سلبية ذات حزمة ضيقة، وأجهزة استشعار نشطة. تستشعر أجهزة الاستشعار السلبية البيانات دون التلاعب بالبيئة من خلال المسح النشط. وهي ذاتية التغذية، أي أنها لا تحتاج إلى طاقة إلا لتضخيم إشارتها التناظرية. أما أجهزة الاستشعار النشطة، فتقوم بمسح البيئة بشكل فعال، مثل أجهزة السونار أو الرادار، وتتطلب طاقة مستمرة من مصدر طاقة. تتميز أجهزة الاستشعار ذات الحزمة الضيقة بمفهوم محدد لاتجاه القياس، على غرار الكاميرا. بينما لا تعتمد أجهزة الاستشعار متعددة الاتجاهات على مفهوم الاتجاه في قياساتها.

تعتمد معظم الدراسات النظرية حول شبكات الاستشعار اللاسلكية على استخدام أجهزة استشعار سلبية متعددة الاتجاهات. لكل عقدة استشعار منطقة تغطية محددة، حيث يمكنها الإبلاغ بدقة وموثوقية عن الكمية التي ترصدها. تشمل مصادر استهلاك الطاقة في أجهزة الاستشعار: أخذ عينات الإشارة وتحويل الإشارات الفيزيائية إلى إشارات كهربائية، ومعالجة الإشارة، والتحويل من تناظري إلى رقمي. قد تصل الكثافة المكانية لعقد الاستشعار في الميدان إلى 20 عقدة لكل متر مكعب.

يقوم المتحكم بتنفيذ المهام، ومعالجة البيانات، والتحكم في وظائف المكونات الأخرى في عقدة الاستشعار. على الرغم من أن المتحكم الدقيق هو الأكثر شيوعًا ، إلا أن هناك بدائل أخرى يمكن استخدامها كمتحكم، مثل: المعالج الدقيق المكتبي للأغراض العامة ، ومعالجات الإشارات الرقمية ، ودوائر FPGA، ودوائر ASIC . يُستخدم المتحكم الدقيق غالبًا في العديد من عقد الاستشعار نظرًا لانخفاض تكلفته، ومرونته في الاتصال بالأجهزة الأخرى (أو العقد في الشبكة)، وسهولة برمجته، وانخفاض استهلاكه للطاقة. يستهلك المعالج الدقيق للأغراض العامة طاقة أعلى من المتحكم الدقيق، مما يجعله خيارًا غير مرغوب فيه لعقدة الاستشعار. يمكن اختيار معالجات الإشارات الرقمية لتطبيقات الاتصالات اللاسلكية واسعة النطاق ، ولكن في شبكات الاستشعار اللاسلكية، غالبًا ما تكون الاتصالات اللاسلكية بسيطة: أي أبسط، وأسهل في معالجة التضمين ، وتكون مهام معالجة الإشارات الخاصة باستشعار البيانات أقل تعقيدًا. لذلك، لا تُعد مزايا معالجات الإشارات الرقمية ذات أهمية كبيرة لعقد الاستشعار اللاسلكية. يمكن إعادة برمجة دوائر FPGA وإعادة تكوينها وفقًا للمتطلبات، ولكن هذا يستغرق وقتًا وجهدًا أكثر من اللازم.

جهاز الإرسال والاستقبال

تستخدم عقد الاستشعار غالبًا نطاق ISM ، الذي يوفر ترددات راديوية مجانية ، وتخصيصًا للطيف الترددي، وتوافرًا عالميًا. تشمل خيارات وسائط الإرسال اللاسلكي المتاحة الترددات الراديوية (RF)، والاتصالات الضوئية (الليزر)، والأشعة تحت الحمراء . تتطلب أشعة الليزر طاقة أقل ، ولكنها تحتاج إلى خط رؤية مباشر للاتصال ، كما أنها حساسة للظروف الجوية. أما الأشعة تحت الحمراء، مثل الليزر، فلا تحتاج إلى هوائي، ولكنها محدودة في قدرتها على البث . يُعد الاتصال القائم على الترددات الراديوية الأكثر ملاءمة لمعظم تطبيقات شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSN). تميل شبكات الاستشعار اللاسلكية إلى استخدام ترددات اتصال غير مرخصة: 173، 433، 868، و915 ميجاهرتز ؛ و2.4 جيجاهرتز . يتم دمج وظائف كل من المرسل والمستقبل في جهاز واحد يُعرف باسم جهاز الإرسال والاستقبال . غالبًا ما تفتقر أجهزة الإرسال والاستقبال إلى مُعرّفات فريدة. حالات التشغيل هي: الإرسال، والاستقبال، والخمول، والسكون. تحتوي أجهزة الإرسال والاستقبال من الجيل الحالي على آلات حالة مدمجة تُنفذ بعض العمليات تلقائيًا.

تستهلك معظم أجهزة الإرسال والاستقبال العاملة في وضع الخمول طاقةً تُقارب الطاقة المستهلكة في وضع الاستقبال. ^{[ 6 ]} لذا، يُفضّل إيقاف تشغيل جهاز الإرسال والاستقبال تمامًا بدلًا من تركه في وضع الخمول عندما لا يقوم بالإرسال أو الاستقبال. ويُستهلك قدرٌ كبيرٌ من الطاقة عند الانتقال من وضع السكون إلى وضع الإرسال لإرسال حزمة بيانات.

من منظور الطاقة، تُعدّ ذاكرة الوصول العشوائي المدمجة في المعالج الدقيق وذاكرة الفلاش من أهم أنواع الذاكرة، بينما نادرًا ما تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي الخارجية . وتُستخدم ذاكرة الفلاش نظرًا لتكلفتها المنخفضة وسعتها التخزينية الكبيرة. وتختلف متطلبات الذاكرة باختلاف التطبيقات. وتُصنّف الذاكرة إلى فئتين رئيسيتين بناءً على الغرض من التخزين: ذاكرة المستخدم، التي تُستخدم لتخزين البيانات المتعلقة بالتطبيقات أو البيانات الشخصية، وذاكرة البرنامج، التي تُستخدم لبرمجة الجهاز. وتحتوي ذاكرة البرنامج أيضًا على بيانات تعريف الجهاز، إن وُجدت.

تُعدّ عقدة الاستشعار اللاسلكية حلاً شائعاً عندما يصعب أو يستحيل توصيلها بمصدر طاقة رئيسي. مع ذلك، ونظراً لوضعها غالباً في مواقع يصعب الوصول إليها، فإن تغيير البطارية بانتظام قد يكون مكلفاً وغير عملي. من الجوانب المهمة في تطوير عقدة الاستشعار اللاسلكية ضمان توفر طاقة كافية لتشغيل النظام باستمرار. تستهلك عقدة الاستشعار الطاقة للاستشعار والتواصل ومعالجة البيانات، وتتطلب عملية نقل البيانات طاقة أكبر من أي عملية أخرى. تكلفة الطاقة اللازمة لنقل 1 كيلوبت لمسافة 100 متر (330 قدم) تُعادل تقريباً تكلفة الطاقة اللازمة لتنفيذ 3 ملايين تعليمة بواسطة معالج بسرعة 100 مليون تعليمة في الثانية/واط. تُخزّن الطاقة إما في بطاريات أو مكثفات. تُعدّ البطاريات، القابلة لإعادة الشحن وغير القابلة لإعادة الشحن، المصدر الرئيسي لتزويد عقد الاستشعار بالطاقة. تُصنّف هذه المستشعرات أيضًا وفقًا للمادة الكهروكيميائية المستخدمة في الأقطاب الكهربائية، مثل النيكل-كادميوم ( NiCd )، والنيكل -زنك (NiZn)، والنيكل -معدن الهيدريد ( NiMH )، والليثيوم أيون . وتستطيع مستشعرات التيار تجديد طاقتها من مصادر الطاقة الشمسية ، أو ترددات الراديو، أو فروق درجات الحرارة ، أو الاهتزازات . ومن بين سياسات توفير الطاقة المستخدمة: إدارة الطاقة الديناميكية (DPM) وتغيير الجهد الديناميكي (DVS). ^{[ 7 ]} تعمل إدارة الطاقة الديناميكية على توفير الطاقة عن طريق إيقاف تشغيل أجزاء عقدة المستشعر غير المستخدمة أو غير النشطة. أما نظام تغيير الجهد الديناميكي، فيُغيّر مستويات الطاقة داخل عقدة المستشعر تبعًا لحمل العمل غير المحدد. ومن خلال تغيير الجهد بالتزامن مع التردد، يُمكن تحقيق انخفاض تربيعي في استهلاك الطاقة.