APZNZA~1.PDF

Kablosuz Sensör Ağları (Wireless Sensor Networks-WSNs) Giriş ► Ölçüm teknolojileri artık günümüzün vazgeçilmez altyapılarını oluşturmaktadır ► Pek çok sistem bünyesinde birden fazla ölçüm komponentleri ( sensör, transducers vb.) barındırabilmektedir (örnek günümüz otomobilleri,...

Kablosuz Sensör Ağları (Wireless Sensor Networks-WSNs) Giriş ► Ölçüm teknolojileri artık günümüzün vazgeçilmez altyapılarını oluşturmaktadır ► Pek çok sistem bünyesinde birden fazla ölçüm komponentleri ( sensör, transducers vb.) barındırabilmektedir (örnek günümüz otomobilleri, robotik sistemler vb.) ► IoT ve CPS sistemlerin temelinde ölçüm sistemleri önemli bir yer işgal eder ► Günümüz artık iş birliği yapabilen, dağıtık ve homojen olmayan ölçüm sistemlerini içerebilen gelişmiş teknolojilere sahiptir Giriş ► Bir sistemde ölçüm komponentlerinin sayısının artması veya uzaysal olarak ayrık ve dağıtık olabilmeleri kurulum ve maliyet açısından zorluklar çıkarabilmektedir ► Kablosuz sensör ağları, ► kablosuz teknoloji alt yapı kullanmaları, ► üzerlerinde veya ağ içerisinde hesaplama yeteneği olan teknolojileri barındırmaları, ► dağıtık sistem doğasına sahip olmaları ile bu alanda önemli bir boşluğu doldurmaktadır Giriş ► Kablosuz sensör ağları, RF, ses veya ışık medyalarından birini kullanır ► Bunlardan ışık medya teknolojisi karmaşık ve maliyet açısından elverişli değildir ► Ses ise mekanik özelliklerinden dolayı her senaryoda kullanılmaz ► Radyo dalgaları elektromanyetik (EM) dalga olmalarından dolayı pek çok ortam kısıtından büyük oranda muaftır. Bu bakımdan en çok tercih edilen iletişim ortam teknolojisi radyo frekans (RF) ‘dır.  Kullanım Alanları ► Endüstriyel otomasyon ► Akıllı ev sistemleri ► Otomotiv sektörü ► Askeri izleme / sınır ihlal kontrol ► Smart grid altyapı ► Akıllı şehir alt yapıları ► Trafik izleme / düzenleme ► Güvenlik servisleri ► Habitat izleme ► Doğal afet gözlem Sensör Düğümler ► WSN sistemlerin en temel bileşenleri «sensör düğümler» dir ► Sensör düğümler (RF bazlı); ► üzerlerinde en az bir «radio transciver» devresi barındıran, ► görevine bağlı olmakla beraber sensör veya aktuatör içerebilen, ► yeteneklerine ve görevine bağlı olarak, bir hesaplama birimi içerebilen ► işbirliği ve beraber çalışabilirlik tanımı gereği bir iletişim «protocol stack» barındırabilen ► genellikle batarya ile çalışan ► mobil veya sabit konumlu olabilen ► Küçük boyutlu elektronik devrelerdir Sensör Düğüm Sensör Düğümler ► WSNS sistemlerde genel çalışma mantığı, sensör düğümler tarafından ölçülen verilerin (gerekirse önce ölçülen veriyi inceleyerek) yine sensör düğümler arası bir işbirliği ile merkezi bir birime aktarılmasıdır ► Bu durumda sensör düğümlere sadece ölçüm görevinin dışında farklı iki görev daha düşebilmektedir ► Hesaplama yapabilme ► Kendisine başka bir sensör düğümden gelen veriyi toplama noktasına (sink) doğru yönlendirebilme yapabilme ► Teknolojisine bağlı olarak gömülü OS çalıştırabilme (TinyOS,Contiki, RIoT vb.) ► Doğal olarak her işlem bir maliyet gerektirecektir ► Bu maliyet WSN ‘ler için (batarya ile çalışan sistemlerde) enerjidir ► Enerji harcamasının fazla olması WSN sistemin sürdürülebilirliğini riske atar Sensör Düğmler ► Enerji kısıtı ve zorlukları da beraberinde başka kısıtları da getirecektir ► Hesaplama kısıtı ► Band genişliği kısıtı ► Gecikme problemi ► Ölçeklenebilirlik problemi ► Sensör düğümler ve bunları oluşturduğu ağ sistemi bu kısıtları dikkate alan bir konsepte sahip olmalıdır ► Sensör düğümlerin uzun süre canlı olmaları beklenir ve olası bir olumsuz durumda ağın iletişimi kesintiye uğratmadan yeniden organize olabilmesi istenir, ki bu da art alanda iyi hesap edilmiş bir protokol yapısının olması anlamına gelir WSN ‘ler ► Özellikle çevre gözlem alt yapısı olarak kullanıldıklarında ► Önceden belirlenmiş bir yerleşim planına sahip olmayabilirler ► Belirli bir alandaki yoğunlukları yüksek olabilir ► Birbirleri arasında belirli bir iletişim protokolleri ile bir birlerini keşfedebilir ve kendi kendilerine iletişim rotaları oluşturabilirler ► Radyo kapsama alanları küçük olabileceğinden verilerini komşu düğümler üzerinden yönlendirebilir (komşu keşfi ve seçimi yapabilir) ► Tasarımlarında dikkat edilmesi gereken önemli konular vardır ► Sensör düğümlerin hata yatkınlıkları yüksek olabilir (Fault Tolerance) ► Düğüm maliyetinin düşük olması ► Ölçeklenebilir olmalı Temel WSN Protokol Yığıt Yapısı Genel WSN Topolojileri Günümüz WSN Teknolojileri ► ZigBee ► Z-Wave ► 6LowPAN ► BLE ► Thread ► Wi-SUN ► LoRA ► SigFox ► NB-IoT Radyo İletişim Hakkında Temel Bilgiler Kaynak: EM Dalgalar ► Boşlukta yayılabilirler ► En bilinen EM dalgalar ► Işık ► Radyo dalgaları ► Morötesi ve kızıl ötesi ışınlardır EM Spektrum  Dalga boyu ve Frekans Kavramları ► Örnek 2.4 GHz için dalga boyu 12.25 cm ► Yayılım hızı yaklaşık 300.000km/sn İletişim ve EM dalgalar Multipath Problemi  Multipath Problemi Alıcıya ulaşan farklı gecikmeli ve faz farklı sinyaller bazen birbirlerini yok edecek şekilde etkileşirler (multipath distortion) bazen de bir birlerine toplanarak daha güçlü bir sinyal oluştururlar Bunların her ikisi de iletişim kalitesini düşüren faktörlerdir ve alıcılar bunları minimize edecek şekilde tasarlanmalıdırlar Doppler Etkisi RSSI (Received Signal Strength Indicator) Signal To Noise Ratio (SNR) Sensör ve Transducer Nedir ► Belirli bir fiziksel olaya/olguya cevaben anlamlı ve kullanılabilir çıkış veren aygıtlardır (LDR, termal dirençler vb.) ► Transducer ise içerisinde sensor ve sinyal işleme birimi bulunan, bir enerji formunu başka bir enerji formuna dönüştüren cihazlardır (Mikrofon, hoperlor vs.) Temel Çalışma Prensipleri ► Ampere Kanunu : Manyetik alan içerisinde akım taşıyan iletkenin maruz kaldığı etkinin gözlemlenmesi ► Curie-Weis Kanunu: Ferromanyetik malzemelerin paramanyetik davranış sergilemeleri durumunda ortaya çıkan sıcaklık değişimlerinin gözlemlenmesi ► Faraday İndüksiyon Kanunu : İndüksiyon akımının yönü kendini oluşturan sebebe karşı koyacak yönde olmasından dolayı oluşacak etkileri gözlemleme ► Photoconductive Etkisi: Bazı yarı iletken maddelere ışık vurması durumunda madde direncindeki değişimlerin gözlemlenmesi vb. Her sensör uygun mudur? Aktuatör Akademik ve Endüstriyel Alanda Son Yıllarda WSN Trendleri ► IoT ve CPS entegrasyonu ► Heterojen WSN yönetimi ► Long-Range WSN sistemler ► Data fusion ve Data aggregation algoritmaları ve protokolleri ► IoT ölçekli dağıtık hesaplama ► Big Data ve WSN sistemler ► Robotik sistemlerde WSN bazlı tahmin ve optimizasyon ► Giyilebilir sensör sistemler ► Healtcare uygulamalar ► Ders sonu..