وب حسگر مفهوم جدید

وب حسگر مفهوم جدید – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه کامپیوتر

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

وب حسگر  یک مفهوم ابزاری جدید

چکیده

ترکیب در حال گسترش حسگرها، صنایع محاسباتی و ارتباطات از راه دور مفهوم ابزاری جدیدی را معرفی نموده است که بنام وب حسگر خوانده می‌شود. یک وب حسگر از ارتباطات درونی، پوسته‌های حسگر توزیع شده فضایی، که به منظور اعمال نظارت یا کنترل و بررسی محیط‌ها مستقر شده اند، تشکیل شده است. این سیستم توانایی تدبیر اتوماتیک را دارا می‌باشد و بر این اساس قادر است در محیط‌های نامشخص به صورت مستقل و هوشمند عمل نموده و به شرایط محیطی متغیر پاسخ داده و نهایتا تشخیص و ترمیم خودکار را اعمال نماید.

وب های حسگر اغلب با ” حسگر های توزیع شده” یا “شبکه های حسگر” اشتباه گرفته می‌شوند. ویژگی منحصر به فرد وب حسگر این است که اطلاعات جمع آوری شده توسط یک پوسته در اختیار دیگر پوسته ها هم قرار می‌گیرد و آنها هم می‌توانند از آن استفاده کنند. اما شبکه های حسگر تنها به جمع آوری داده ها می‌پردازند و اطلاعات جمع آوری شده توسط یک پوسته در چنین شبکه هایی بر رفتار دیگر پوسته ها اثری ندارد. بنابراین،  شبکه‌های حسگر، داده ها را جمع آوری می‌کنند در حالیکه وب های حسگر می‌توانند واکنش نشان دهند و رفتار خود را بر اساس داده های جمع آوری شده اصلاح کنند.

کلمات کلیدی: وب حسگر، توزیع شده، شبکه، حسگر های هوشمند، بی‌سیم، کنترل محیطی، گیاه شناسی

وب حسگر مفهوم جدید

 ۱- مقدمه

توسعه سریع کنونی در تکنولوژی های محاسبه و کنترل از راه دور، شیوه تفکر درباره سخت افزار را متحول کرده است. نیازمندی های تلفن های همراه و کامپیوترهای امروزی به قدری پیچیده هستند که تنها راه ممکن برای توسعه این تکنولوژی ها این است که آنها را به یک بازار بزرگ بفروشیم و به اقتصاد مقداری (افزایش تولید به منظور سرشکن کردن هزینه) برای فراهم کردن سرمایه مالی لازم به منظور فراهم آوردن مقدمات دور بعدی توسعه اعتماد کنیم. در نتیجه ما در عصری زندگی می‌کنیم که اجزاء تجاری با توجه به تولید انبوه،  نشان دهنده آخرین مرحله پیشرفتهای بدست آمده می‌باشند. این مطلب با زمان های گذشته که پیشرفت تنها در انحصار دولت، ارتش  یا آزمایشگاه های دانشگاهی بود تفاوت دارد. به طور مثال امروزه سخت افزار به قدری ارزان است که شرکت های تلفن با امید به مستهلک نمودن هزینه ها از طریق خدمات مخابراتی، قیمت تلفنهای  سلولی خود را کاهش داده و یا حتی بصورت مجانی آنها را واگذار می‌کنند.

وب حسگر نوع جدیدی از ابزار است که از امکانات مرتبط با این هزینه پایین بهره برداری نموده ولی در عین حال از سخت افزار بسیار پیشرفته برای سکوی خود استفاده می‌کند. در حقیقت وب حسگر تغییرات موجود در تکنولوژی های محاسبه، ارتباط از راه دور و حس کردن را به تدریج اعمال می‌کند. علاوه بر آن، وب حسگر ابزار جدیدی ارائه می‌کند که به کنترل محیطی و ایجاد حضور مجازی می‌پردازد. به همین دلیل، وب حسگر یک مفهوم ابزاری است که قابل گسترش به کاربرد های گسترده می‌باشد. در این مقاله ابتدا به طور کامل وب حسگر را توصیف می‌کنیم و تفاوت آن را با تولیداتی نظیر حسگر های توزیع شده فضایی بیان می‌کنیم. با تمرکز بر آنچه خواست NASA است، معرفی کوتاهی از کاربردهای وب حسگر خواهیم داشت. در آخر، جزئیات مرتبط با وب های حسگری، که آنها توسعه داده و به کار گرفته‌ایم، را تشریح می‌نمائیم.

وب حسگر مفهوم جدید

۲- وب حسگر چیست؟

همانطور که در گزارش تکنولوژی جدید NASA درباره وب های حسگر مشخص شده است، وب حسگر از سیستمی‌از پوسته های حسگر بی سیم، دارای ارتباط درونی و توزیع فضایی تشکیل شده که می‌توان آن را به راحتی مستقر کرد تا بر این اساس نسبت به کنترل و بررسی محیط های جدید اقدام شود (شکل ۱راببینید). هر پوسته از دو واحد عمده تشکیل شده است. اولین واحد از مبدل هایی ساخته شده که به صورت فیزیکی با محیط تعامل دارند و پارامتر های محیطی را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می‌کنند. واحد دوم زیر ساخت های خود وب حسگر را نشان می‌دهد. این بخش شامل مهارت های ارتباط از راه دور، منابع نیرو و دستگاههای حاصل از انرژی و دستگاههای محاسباتی برای اجرای طرحهای قراردادی و ارائه تحلیل داده‌های محلی می‌باشد. هدف ماقبل آخر یک وب حسگر این است که اطلاعات را از داده های جمع آوری شده استخراج کند و آنها را به کارگیرد و اقدامات لازم را انجام دهد. اگر چه سخت افزار محاسبه موجود در یک پوسته ممکن است کاملا پیشرفته باشد، این اشتراک داده‌ها در حقیقت اتصال بین پوسته ها می‌باشند که هوشمندی فوق العاده ای به وب حسگر می‌دهند. هوشمندی درمغز انسان ناشی از شبکه متفاوت و پیچیده رشته های عصبی است و بر این اساس ناشی از هوش فردی هر رشته عصبی به تنهایی نیست. به طور مشابه وب حسگر ابزاری است که عملکردهای بزرگتری که از یک ساختار موازی نشات گرفته است، همانند  اندازه‌گیری های حسگر (شامل مکان پوسته)، از پوسته ای به پوسته دیگر فرستاده می‌شوند و نهایتا بصورت جمعی تفسیر می‌شوند. این اشتراک سراسری اطلاعات منجر به تجمع پوسته (که کل فعالیتشان از مجموع فعالیت های هرکدام بیشتر است)، بوسیله مجاز کردن مدیریت هوشمند منابع ( برق،پهنای باند،و موارد قابل مصرف) توسط وب شده و امکان رفتار اصلاح خود به خودی بر اساس عوامل محیطی و تشخیص های وب داخلی را فراهم می‌آورد.

۱-۲ وب های حسگر در برابر حسگر های توزیع شده

وب های حسگر اغلب با پروژه هایی که تحت اسامی‌نظیر ” حسگر های توزیع شده ” یا “شبکه های حسگر” قرار می‌گیرند اشتباه گرفته می‌شوند. منحصر به فردترین خصوصیت وب حسگر این است که اطلاعات جمع آوری شده توسط یک پوسته در اختیار دیگر پوسته هم قرار گرفته و مورد استفاده قرار می‌گیرد. شبکه های حسگر تنها داده ها را جمع آوری می‌کنند و آن را به یک نقطه مافوق می‌فرستند. نمونه هایی از شبکه های زلزله شناسی در جنوب کالیفرنیا وجود دارد. اطلاعات گرداوری شده توسط یک پوسته خاص در چنین شبکه هایی معمولا بر رفتار پوسته دیگری اثر نمی‌گذارد. بنابراین دریافتیم که حسگر های توزیع شده داده ها را جمع آوری می‌کنند در حالیکه وب های حسگر رفتار خود را بر اساس داده های جمع آوری شده تغییر می‌دهند. هدف عمومی‌و بزرگی برای جمع آوری داده ها توسط وب حسگر وجود دارد که در شبکه حسگر توزیع شده دیده نمی‌شود.

۲-۲٫ حالت چند جهشی و بازده توانی

انتقال داده ها از پوسته ای به پوسته دیگر نه تنها امکان اشتراک محلی داده ها به بخش های دیگر وب را فراهم می‌کند، بلکه بازده توانی را نیز افزایش می‌دهد. با توجه به نظریه مقدماتی الکترونیک،کل برق مورد نیاز برای ارسال سیگنالی که برق دریافت شده P_rec فاصله D….3…. است که در آن l طول موج سیگنال ارسال شده است.در اینجا m در فضای آزاد ۲ است که می‌تواند در محیط هایی با تداخل های چند مسیری یا پارازیت محلی مقدار ۴ یا بیشتر داشته باشد. در نتیجه کل برق لازم برای ارسال طی فاصله داده شده با N جهش (انتقال) بوسیله عامل N^(m-1) در مقایسه با کل برق مورد نیاز در ارسال مستقیم کاهش می‌یابد. در حالت ساده از فضای آزاد (m=2)،این حقیقت به صورت گرافیکی در شکل ۲ نشان داده شده است. از شکل به وضوح در می‌یابیم که ناحیه سطحی جمع آوری گره‌ها (انتقال با چند جهش) از نوع بزرگتر(انتقال مستقیم) بسیار وسیعتر است. دلیل اینکه انتقال داده موجب افزایش بازده برق می‌شود این است که بیشتر برق به مسیر دریافت کننده هدایت می‌شود. از آنجا که حالت فضای آزاد بهترین حالت برحسب بازده انتقال را دارد،مقدار جهش ها تنها در محیط های متضاد افزایش می‌یابد.

۳-۲٫ سازماندهی وب حسگر

ماهیت وب حسگر با پوسته های افزونه چندگانه اش، به ابزار اجازه می‌دهد تا در مقابل تنزل کیفی ابزار خود را مجدد به حالت اولیه برگرداند (خود را ارتقاء دهد). به عبارت دیگر از آنجایی که پوسته های گوناگون به دلیل باطری های استفاده شده یا مبدل های آسیب دیده کنار گذاشته می‌شوند، می‌توان پوسته های جدید را در ناحیه ابزار مستقر کرد به گونه ای که به صورت یکپارچه با ساختار وب موجود و قدیمی‌تر به صورت شبکه در بیایند. در این روش، گرچه پوسته ها خود مصرف پذیر هستند،ابزار وب حسگر می‌تواند به رفتار نامعین خود ادامه دهند. علاوه برآن، از آنجایی که با وجود خاصیت احیای مجدد، پوسته های جدید ممکن است پیچیده تر و دارای تکنولوژی پیشرفته تری نسبت به انواع قدیمی‌باشند،ابزار بزرگ می‌توانند  به طور اضافه کار کنند.به دلیل آنکه وب حسگر حدود تعیین شده ای ندارد (پوسته های مادر می‌توانند در هر جای شبکه قرار گیرند)، با استقرار چند وب در ناحیه داده شده آنها به طور طبیعی به یکدیگر مرتبط می‌شوند(به صورت شبکه). در نتیجه،وب حسگر نشان دهنده وسیله ای است که ناحیه بازدید آن با چند برابر کردن استقرارها قابل گسترش است.

وب حسگر مفهوم جدید

۳- کاربرد های وب حسگر

مفهوم وب حسگر یک راه حل برای تمام مشکلات نیست همانطور که دیگر کسی انتظار ندارد تمام ماهواره ها یکسان باشند.به طور مثال طبیعی به نظر می‌رسد که تمام پوسته ها را به کوچکترین اندازه ممکن کاهش دهیم. اما در برنامه های کاربردی در  اقیانوس های عمیق، به دلایل منطقی پوسته‌های بزرگ  درخواست می‌شود. سرعت انتقال پوسته به پوسته بر حسب باود (علامت در ثانیه) از خیلی پایین (کاربردهای دستگاه کاشف زیر دریایی بوسیله امواج صوتی) تا خیلی بالا (کاربردهای ماهواره) متفاوت است. نمودار های انتقال دادهد در محیط های پوشیده ی نظامی‌با آنهایی که بر سطح مریخ که هیچ مقررات FCC ندارد کاملا متفاوت است.مفهوم وب حسگر از ابزار بزرگ in situ تا پرواز هماهنگ (دسته ای) فضای پیمای توزیع شده را شامل می‌شود. این امر،ترکیب اطلاعات در نواحی فضایی بزرگ شامل اندازه گیری های چند گانه و مسیریابی پدیده های دینامیک بر مقیاس های چند طولی به صورت همزمان را امکان پذیر می‌سازد.متحد کردن خصوصیت تمام وب های حسگر این است که ابزار اطلاعات جمع آوری کرده را مورد استفاده هم قرار می‌دهد و رفتارش را اصلاح می‌کند. وب حسگر نهایی خود آگاهی محیطی دارد و متعاقبا واکنش نشان می‌دهد.یک بحث مفصل در مورد موضوع کاربرد خاصی از وب حسگر در جای دیگر ارائه شده است.

یک وب حسگر ابزار اندازه گیری متفاوتی با آنچه با اندازه گیری های از راه دور توسط سکوهای مداری انجام می‌شود، ارائه می‌کند. طبق تعریف، اندازه گیری های از راه دور حاصل از مدار، به اطلاعات زیادی از خصوصیات فیزیکی اندازه گیری ها نیاز دارد تا مقدار مورد نظر را از داده های جمع آوری شده استنباط کند( مثلا تفسیر جریان های اقیانوسی یا شاخص یک گیاه خوار).در مقابل، یک وب حسگر می‌تواند از طریق یک مقیاس فضایی بزرگ که مقدار آن سریع تر بدست می‌آید، اندازه‌گیریهای مستقیم و نزدیکی را فراهم کند. علاوه بر آن، بر خلاف اندازه گیری های از راه دور بدست آمده از سکو های مداری یا هوابرد، یک وب حسگر حضور مجازی و مداومی‌در ناحیه دارد.این مطلب به خصوص هنگام بررسی پدیده های دارای ماهیت ناپایدار اهمیت پیدا می‌کند، زیرا هیچ تضمینی وجود ندارد که ابزار در حال چرخش، در مکانی قراردارد که می‌تواند واقعه را ثبت کند. در نهایت، وب های حسگر می‌توانند برای اندازه گیری های از راه دور واقعیت ضروری درباره زمین و درجه بندی داده ها را فراهم کنند.

وب حسگر مفهوم جدید

۴- وب های حسگر در آزمایشگاه نیروی محرکه جت

پروژه وب های حسگر آزمایشگاه نیروی محرکه جت (JPL) به منظور ارائه توجه خاص به خواست های NASA در این خصوص تشکیل شد. هدف آن کشف ارزش مفهوم وب حسگر در کاربرهای گوناگون و جلوبردن تکنولوژی این ابزار بود. پروژه وب های حسگر JPL کاملا تحولات تکنولوژی در صنایع محاسبه و ارتباط از راه دور را اعمال می‌کند و اساسا بر به کارگیری (بیش از توسعه) سخت افزار مورد نیاز تأکید می‌کند.خود کاربردها، ساختار مشخص پوسته ها و حسگر های مورد نیاز را تعیین می‌کند.

۱-۴٫  وب حسگر : یک تست آزمایشگاهی

وب حسگر ۱ برای این ساخته شد تا تست اولیه از مفاهیم ساده وب حسگر را ارائه کند. یک نمونه پوسته از این وب در شکل ۴ نشان داده شده است. محتویات این بسته کوچک عبارتند از تراشه های ارسال/دریافت،یک میکروکنترلر،یک باتری ۳ ولتی کوچک و دو حسگر برای اندازه گیری دما و سطح نور محلی.جرم کل پوسته حدودا ۵۰ گرم است.طی یک دوره کار یک مجموعه از اندازه گیری ها در ثانیه، برق مورد نیاز حدودا ۵۰ میکر وات تخمین زده می‌شود.جزئیات بیشتر این پوسته را می‌توان در جای دیگری پیدا کنید.

۲-۴٫ وب حسگر: تست رشته گیاه شناسی

موفقیت وب حسگر ۱ به ما این امکان را داد تا سیستم بزرگتری در یک محیط کاربردی واقعی تر مستقر کنیم.یک گلخانه گیاهی به چند دلیل، به عنوان محل استقرار انتخاب شد. اول، بسیاری از کاربردهای اساسی، خصوصا در علم زمین شناسی  و علم جستجوی حیات در فضا،به دنباله ای از حسگر های مشابه با نیاز های این محیط،احتیاج دارد. دوم،یک گلخانه برای اینکه تست رشته را با معنی سازد،تا حدی شرایط سختی (دمای بالا، رطوبت بالا، در معرض گرد و غبار،و غیره) را بوجود می‌آورد در حالیکه همزمان ناحیه محافظت شده ی قابل قبولی برای اجرای وب حسگر ایجاد می‌کند. نهایتا، چنین محیطی، به JPL در باغ های گیاه شناسی هانتینگتون در سان مارینو در کالیفرنیا نزدیک است و این خصوصیت دسترسی راحت در طول دوره آزمایش را ممکن می‌سازد.

پوسته های اولیه ساخته شدند( شکل ۶ را ببینید).جمعا ۷ مبدل در رشته اولیه استفاده شدند. این حسگر های موجود تجاری رطوبت نسبی هوا، دمای هوا، دمای خاک، رطوبت خاک، سطوح نور محلی، سطوح گاز اکسیژن و سطوح گاز H₂S را اندازه گرفت. حسگرهای گاز با ایده سنجش نهایی  هر دو فعالیت هوازی و ناهوازی در برخی کاربردهای حیات شناسی انتخاب شدند.میزان برق تمام حسگرها تا اندازه مکرو کاهش داده شدند به استثنای حسگر H₂S که به دلیل عنصر حس کننده ی الکترود داغ  موجود در آن تقریبا ۱ W مصرف می‌کند. ارتباطات توسط یک جفت برد تجاری دریافت کننده و فرستنده  انجام شدند (۹۱۶MHz).این واحدها با برق کاهش یافته می‌توانند با سرعت بیش از ۵۰kbs با  داده ها کار کنند و حتی یک زمین باز با وسعت بالای ۱۵۰m داشته باشند.برنامه کاربردی ما از انتقالات پشت سرهم با سرعت ۲۸٫۸ kbs استفاده می‌کند.یک میکروکنترلر تجاری حسگرها و رادیو را هماهنگ می‌کند و پروتکل های وب حسگر را اجرا می‌کند.

وب حسگر مفهوم جدید

۵- نتیجه گیری

وب حسگر کلاس جدیدی از ابزار را معرفی می‌کن که حاصل انقلاب های سخت افزاری دهه های گذشته است.پروژه وب حسگر JPL با موفقیت ابزاری ساخته است و مفاهیم اساسی وب حسگر را بر روی زمین نشان داده است.این ابزار نمونه قدرت و مهارت های بالقوه یک وب حسگر را نشان داده اند.در حال حاضر در این فکر هستیم که از این ابزار به عنوان بخشی از یک برنامه کاربری بزرگ تر استفاده کنیم.انتظار می‌رود یک وب حسگر در آینده  در همه جا موجود باشد، خصوصا در برنامه های کاربردی که به حضور مجازی و هوشمند نیاز دارد.

تحقیق ارائه شده در این مقاله توسط آزمایشگاه نیروی محرکه جت، مؤسسه تکنولوژی کالیفرنیا  بر اساس قرارداد منعقده با دانش هوانوردی  ملی و اداره هوا و فضا انجام شد.