شبکه­ های حسگر بی‎سیم، کاربردها و چالش­ها

چکیده
شبکه‎های حسگر بی‎سیم از گره‎های کوچکی با قابلیت‎های حس‎کردن، پردازش و محاسبه کردن تشکیل‎ شده ‎است. پیشرفت‎های اخیر در فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اندازه‎های کوچک از یکسو و توسعه فناوری ارتباطات بی‎سیم از سوی دیگر زمینه‎ساز طراحی شبکه‎های حس/کار بی‎سیم شده است. یکی از کاربردهای اساسی این شبکه‎ها مربوط به محیط‎هایی می‎شود که انسان نمی‎تواند در آن حضور داشته باشد، مانند کف اقیانوس‎ها یا محیط‎های نظامی به علت حضور دشمن و یا محیط‎های آلوده از نظر شیمیایی و هسته‎ای. کوچکترین نمونه پیاده‎سازی سخت‎افزاری گره‎های حسگر غبار هوشمند است که یک گره یک میلیمتر مکعبی است اما همچنان تلاش بر این است که این گره‎ها به قدری کوچک شوند که بتوانند معلق در هوا باقی بمانند و به وسیله جریان هوا شناور شوند و برای ساعت‎ها یا روزها موارد حس‎شده را ارسال نمایند. امنیت در برخی کاربردهای نظامی یک موضوع بحرانی است، مثلاً ارتباط بی‎سیم شبکه کار را برای فعالیت‎های امنیتی دشوارتر می‎نماید. همچنین در این مقاله سعی می‎گردد تا با بررسی مدل‎ها و روش‎های به کار رفته به یک تحلیل جامع در خصوص کاربرد این شبکه‎ها دست یابیم.

کلمات کلیدی
شبکه حس/کار بی‎سیم، حسگر، کارانداز، گره، چاهک، گره مدیر وظیفه 

مقدمه

امروزه زندگی بدون ارتباطات بی­سیم قابل تصور نیست. پیشرفت تکنولوژی CMOS و ایجاد مدارهای کوچک و کوچکتر باعث شده است تا استفاده از مدارهای بی­سیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروز ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ریزحسگرها شده است. این ریزحسگرها توانایی انجام حس‎های بی­شمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حس‎کردن زلزله را دارا می‎باشند. همچنین جمع‎آوری اطلاعات در مناطق دور افتاده و مکان‎هایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کرده‌اند. اتومبیل‎ها می‎توانند از ریزحسگرهای بی‎سیم برای کنترل وضعیت موتور، فشار تایرها، تراز روغن و . . . استفاده کنند. خطوط مونتاژ می‎توانند از این حسگرها برای کنترل فرایند مراحل طول تولید استفاده کنند. در موقعیت‎های راهبردی ریزحسگرها می‎توانند توسط هواپیما بر روی خطوط دشمن ریخته شوند و سپس برای ردگیری هدف (مانند ماشین یا انسان) استفاده شوند. در واقع تفاوت اساسی این شبکه‎ها ارتباط آن با محیط و پدیده‎های فیزیکی است. شبکه‎های سنتی ارتباط بین انسان‎ها و پایگاه‎های اطلاعاتی را فراهم می‎کند در حالی که شبکه حس/کار مستقیماﹰ با جهان فیزیکی در ارتباط است و با استفاده از حسگرها محیط فیزیکی را مشاهده کرده و بر اساس مشاهدات خود تصمیم‎گیری نموده و عملیات مناسب را انجام می‎دهند. نام شبکه حس/کار بی‎سیم یک نام عمومی است برای انواع مختلف که به منظورهای خاص طراحی می‎شود. برخلاف شبکه‎های سنتی که همه منظوره‎اند شبکه‎های حس/کار نوعاً تک منظوره هستند. در هر صورت شبکه‎های حسگر در نقاط مختلفی کاربرد دارند. برخی از این کاربردها عبارتند از صنایع نظامی مانند ردگیری اشیاء، بهداشت مانند کنترل علائم حیاتی، محیط مانند آنالیز زیستگاه‎های طبیعی، مصارف صنعتی از جمله عیب یابی خط تولید، سرگرمی و بازی‎های مجازی و در مواردی در زندگی دیجیتالی به طور مثال ردگیری مکان پارک ماشین.

در این مقاله ضمن معرفی شبکه حس/کار و شرح ویژگی‎ها، قابلیت‎ها، محدودیت‎ها و برخی کاربردهای آن به طرح موضوعات پژوهشی در این زمینه می‎پردازیم. در بخش دوم مقاله معرفی از شبکه حسگر و برخی ویژگی‎های آن خواهیم داشت. در بخش سوم تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می‎کنیم. سپس در بخش چهارم ساختمان داخلی گره حسگر/کارانداز را تشریح کرده و برخی از ویژگی‎ها، کاربردها و پشته قراردادی آن را بررسی می‎کنیم. در ادامه موضوعات مطرح در طراحی شبکه‎های حس/کار را به‌طور خلاصه ذکر می‎کنیم و در بخش ششم به شناخت و بررسی نمونه پیاده‎سازی‎شده شبکه حس/کار (ذره میکا) می‎پردازیم. در ابتدای بخش هفتم نرم‎افزارهای شبیه‎سازی شبکه را بررسی می‎کنیم و سپس خصوصیات لازم برای شبیه‎سازهای شبکه را مورد مطالعه قرار می‎دهیم. در بخش هشتم شرح می‎دهیم که چطور مدل‎هایی از شبکه‎های حسگر بی‎سیم را ایجاد می­کنند و برای مثال یک مدل پیش‎ساخته را اجرا می‎کنیم. در ادامه در بخش نهم گزارش نمونه­هایی از پیاده­سازی وایجاد گره­های حسگر شرح داده شده است. در بخش دهم برخی نمونه‎های ایجاد شده توسط نرم‎افزارها را مورد بررسی قرار می‎دهیم و در انتها نیز به نتیجه‎گیری مطالب گفته‎شده خواهیم پرداخت.

1- شبکه حسگر چیست؟
شبکه حسگر/کارانداز (حس/کار) شبکه­ای است متشکل از تعداد زیادی گره کوچک. در هر گره تعدادی حسگر و/یا کارانداز وجود دارد. شبکه حس/کار به‌شدت با محیط فیزیکی تعامل دارد. از طریق حسگرها اطلاعات محیط را گرفته و از طریق کارانداز­ها واکنش نشان می­دهد. ارتباط بین گره‎ها به صورت بی­سیم است. هر گره به طور مستقل و بدون دخالت انسان کار می­کند و نوعاً از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است ودارای محدودیت­هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه، . . . می‎باشد. این محدودیت­ها مشکلاتی را به وجود می­آورد که منشأ بسیاری از مباحث پژوهشی مطرح در این زمینه است. این شبکه از پشته قراردادی شبکه­های سنتی پیروی می‎کند ولی به‌خاطر محدودیت­ها و تفاوت­های وابسته به کاربرد، قرارداد­ها باید باز نویسی شوند.

 اگرچه تاریخچه شبکه‎های حس/کار را به دوران جنگ سرد و ایده اولیه آن را به طراحان نظامی صنایع دفاع آمریکا نسبت می­دهند ولی این ایده می‎توانسته در ذهن طراحان روبات­های متحرک مستقل یا حتی طراحان شبکه‎های بی‎سیم سیار نیز شکل گرفته باشد.

2- ساختار کلی شبکه حس/کار بی‎سیم
قبل از ارائه ساختار کلی ابتدا تعدادی از تعاریف کلیدی را ذکر می­کنیم.

• حسگر: وسیله‎ای که وجود شیء، رخداد یک وضعیت یا مقدار یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‎کند. حسگر انواع مختلف دارد مانند حسگرهای دما، فشار، رطوبت، نور، شتاب‎سنج، مغناطیس سنج و. . .
• کارانداز: با تحریک الکتریکی یک عمل خاصی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا قطع و وصل یک کلید را انجام می­دهد.
• گره حسگر: به گرهی گفته می­شود که فقط شامل یک یا چند حسگر باشد.
• گره کارانداز: به گرهی گفته می­شود که فقط شامل یک یا چند کارانداز باشد.
• گره حسگر/کارانداز: به گرهی گفته می­شود که مجهز به حسگر و کارانداز باشد.
• شبکه حسگر: شبکه ای که فقط شامل گره­های حسگر باشد. این شبکه نوع خاصی از شبکه حس/کاراست. در کاربردهایی که هدف جمع آوری اطلاعات و تحقیق در مورد یک پدیده می‎باشد کاربرد دارد. مثل مطالعه روی گردبادها.
• میدان حسگر/کارانداز: ناحیه کاری که گره­های شبکه حس/کار در آن توزیع می‎شوند.
• چاهک: گرهی که جمع­آوری داده­ها را به عهده دارد و ارتباط بین گره­های حس/کار و گره مدیر وظیفه را برقرار می‎کند.
• گره مدیر وظیفه: گرهی که شخصی به عنوان کاربر یا مدیر شبکه از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار می‎کند. فرمان‌های کنترلی و پرس و جوها از این گره به شبکه ارسال شده و داده­های جمع­آوری شده به آن بر می­گردد.
• شبکه حس/کار: شبکه­ای متشکل از گره­های حسگر و کارانداز یا حسگر/کارانداز است که حالت کلی شبکه­های مورد بحث می‎باشد. به عبارت دیگر شبکه حس/کارشبکه­ای است با تعداد زیادی گره که هر گره می‎تواند در حالت کلی دارای تعدادی حسگر و تعدادی کارانداز باشد. در حالت خاص یک گره ممکن است فقط حسگر یا فقط کارانداز باشد. گره‎ها در ناحیه­ای که میدان حس/کار نامیده می­شود با چگالی زیاد پراکنده می­شوند. یک چاهک، پایش کل شبکه را بر عهده دارد. اطلاعات به وسیله چاهک جمع آوری می‎شود و فرمان‌ها از طریق چاهک منتشر می­شود. همان‌طور که در شکل (1) مشاهده می­گردد مدیریت وظایف می‎تواند متمرکز یا توزیع شده باشد. بسته به این‌که تصمیم­گیری برای انجام واکنش در چه سطحی انجام شود دو ساختار مختلف خودکار و نیمه خودکار وجود دارد که ترکیب آن نیز قابل استفاده است.

 

شکل (1) ساختار کلی شبکه حس/کار

ساختار خودکار: حسگرهایی که یک رخداد یا پدیده را تشخیص می­دهند داده­های دریافتی را به گره­های کارانداز جهت پردازش و انجام واکنش مناسب ارسال می­کنند. گره­های کارانداز مجاور با هماهنگی با یکدیگر تصمیم­گیری کرده و عمل می­نمایند. در واقع هیچ کنترل متمرکزی وجود ندارد و تصمیم گیری‎ها به صورت محلی انجام می‎شود. شکل (2) این ساختار را نشان می‎دهد.

ساختار نیمه خودکار: در این ساختار داده­ها توسط گره­ها به سمت چاهک هدایت شده و فرمان از طریق چاهک به گره­های کارانداز صادر شود. شکل (3) این ساختار را نشان می‎دهد.

از طرف دیگر در کاربردهای خاصی ممکن است از ساختار بخش بندی شده یا سلولی استفاده شود که در هر بخش یک سرخوشه وجود دارد که داده­های گره­های دسته خود را به چاهک ارسال می‎کند. در واقع هر سرخوشه مانند یک دروازه عمل می‎کند.

3- ساختمان گره
شکل (5) ساختمان داخلی گره حس/کار را نشان می­دهد. هر گره شامل واحد حسگر/ کارانداز، واحد پردازش داده­ها، فرستنده/گیرنده بی­سیم و منبع تغذیه می­باشد. بخش­های اضافی واحد متحرک ساز، سیستم مکان­یاب و تولید توان نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره­ها وجود داشته باشد. واحد پردازش داده شامل یک پردازنده کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است که داده­ها را از حسگرها گرفته و بسته به کاربرد پردازش محدودی روی آن‌ها انجام داده و از طریق فرستنده ارسال می‎کند. واحد پردازش، مدیریت هماهنگی و مشارکت با سایر گره­ها در شبکه را انجام می­دهد. واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبکه را برقرار می‎کند. واحد حسگر شامل یک سری حسگر و مبدل قیاسی به رقمی است که اطلاعات قیاسی را از حسگر گرفته و به صورت رقمی به پردازنده تحویل می­دهد. واحد کارانداز شامل کارانداز و مبدل رقمی به قیاسی است که فرمان‌های رقمی را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می­دهد. واحد تأمین انرژی، توان مصرفی تمام بخش­ها را تأمین می ‎کند که اغلب یک باتری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه­های حس/کار همه چیز را تحت تأثیر قرار می­دهد. در کنار این بخش ممکن است واحدی برای تولید انرژی مثل سلول­های خورشیدی وجود داشته باشد. در گره‎های متحرک واحدی برای متحرک­سازی وجود دارد. مکان­یاب موقعیت فیزیکی گره را تشخیص می­دهد. تکنیک‎های مسیردهی و وظایف حسگری به اطلاعات مکان با دقت بالا نیاز دارند. یکی از مهم­ترین مزایای شبکه­های حس/کار توانایی مدیریت ارتباط بین گره­های در حال حرکت می­باشد.

شکل (4) ساختمان داخلی گره حسگر/کارانداز

3-1- ویژگی ‎ها
وجود برخی ویژگی‎ها در شبکه حسگر/ کارانداز، آن را از سایر شبکه‎های سنتی و بی‎سیم متمایز می‎کند. از آن جمله عبارتند از:

• تنگناهای سخت‎افزاری شامل محدودیت‌های اندازه فیزیکی، منبع انرژی، قدرت پردازش، ظرفیت حافظه
• تعداد بسیار زیاد گره‎ها
• چگالی بالا در توزیع گره‎ها در ناحیه عملیاتی
• وجود استعداد خرابی در گره‎ها
• تغییرات همبندی به صورت پویا و احیاناً متناوب

• استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گره‎ها در مقابل ارتباط نقطه به نقطه
• داده محور بودن شبکه به این معنی که گره‎ها کد شناسایی ندارند

3-2- کاربردها
کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم می‎شوند. سیستم‎های ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده‎بانی و میدان مین هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می‎باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی، سیستم‎های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند، محیط‎های هوشمند برای افراد سالخورده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربردهای آن است. کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می‎شود مانند سیستم‎های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش‎سوزی در جنگل، تشخیص آلودگی‎های زیست محیطی از قبیل آلودگی‎های شیمیایی، میکروبی، هسته‎ای، سیستم‎های ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده‎های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل و تحقیق در مورد زندگی گونه‎های خاص از گیاهان و جانوران و. . . در برخی از کاربردها نیز شبکه حس/کار به عنوان گروهی از روبات‎های کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می‎دهند استفاده می‎شود.

3-3- پشته قراردادی
مطابق شکل زیر پشته قراردادی از یک‌طرف دارای پنج لایه افقی شامل لایه‎های فیزیکی، پیوند داده، شبکه، انتقال و کاربرد و از طرف دیگر دارای سه لایه عمودی مدیریت توان، مدیریت جابجایی و مدیریت وظیفه است.
لایه فیزیکی وظیفه‎اش عملیات مدولاسیون و ارسال و دریافت در سطح پایین می‎باشد. لایه کنترل دسترسی رسانه باید قادر باشد با حداقل تصادم به روش پخش همگانی با هر گره همسایه ارتباط برقرار کند. لایه شبکه وظیفه مسیردهی داده‎هایی که از لایه انتقال می‎آید را برعهده دارد. لایه انتقال وظیفه مدیریت جریان انتقال بسته‎ها را در صورت نیاز کاربرد برعهده دارد.

شکل (5) پشته قراردادی

بسته به کاربرد شبکه انواع مختلف نرم‎افزارهای کاربردی می‎تواند روی لایه کاربرد استفاده شود و خدمات مختلفی را ارائه نماید. یک زبان رویه‎نویسی به نام زبان وظیفه و پرسشگر حسگر پیشنهاد شده که پرس‎وجوها و فرمان‎های آن مبتنی بر داده محوری شبکه حس/کار است. به عنوان مثال «چه تعداد لانه پرنده خالی در محدوده شمال شرقی جنگل وجود دارد» یا «اگر تا یک ساعت بعد تعداد لانه‎های خالی بیشتر از یک حد معینی شد اعلام شود.»

4- موضوعات مطرح
عوامل متعددی در طراحی شبکه‎های حس/کار مؤثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که ما تنها به ذکر برخی از آن‌ها به‌طور خلاصه اکتفا می­کنیم.

4-1- تنگناهای سخت‎افزاری
هر گره ضمن این‌که باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید به حد کافی کوچک، سبک و کم حجم نیز باشد. به عنوان مثال در برخی کاربردها گره باید به کوچکی یک قوطی کبریت باشد و حتی گاهی حجم گره محدود به یک سانتیمتر مکعب است و از نظر وزن آنقدر باید سبک باشد که بتواند همراه باد در هوا معلق شود. در عین حال هر گره باید توان مصرفی بسیار کم، قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. این‌ها همه محدودیت­هایی است که کار طراحی و ساخت گره‎های حس/کار را با چالش مواجه می­کند. ارائه طرح­های سخت‎افزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره به خصوص قسمت ارتباط بی‎سیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فناوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سخت‎افزاری دارد.

4-2-همبندی
همبندی ذاتی شبکه حس/کار، همبندی گراف است. به دلیل ارتباط بی‎سیم گره‎ها و پخش همگانی آن‌ها، هر گره با چند گره دیگر که در محدوده برد آن قرار دارد ارتباط دارد. الگوریتم­های کارا در جمع­آوری داده و کاربردهای ردگیری اشیاء شبکه را درخت پوشا در نظر می­گیرند. چون ترافیک به شکلی است که داده ها از چند گره به سمت یک گره حرکت می‎کند. مدیریت همبندی باید با دقت انجام شود، یک مرحله اساسی مدیریت همبندی راه‎اندازی اولیه شبکه است گره‎هایی که قبلاً هیچ ارتباط اولیه­ای نداشته­اند در هنگام جایگیری و شروع به کار اولیه باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. الگوریتم‎های مدیریت همبندی در راه‎اندازی اولیه باید امکان عضویت گره‎های جدید و حذف گره‎هایی که به دلایلی از کار می‎افتند را فراهم کنند. پویایی همبندی از خصوصیات شبکه‎های حس/کار است که امنیت آن را به چالش می‎کشد. ارائه روش‎های مدیریت همبندی پویا به طوری که موارد امنیتی را هم پوشش دهد از موضوعاتی است که جای کار زیادی دارد.

4-3- قابلیت اطمینان
هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار به‌کلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از کار بیفتد. منظور از تحمل پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره‎ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تأثیر قرار دهد. در واقع می‌خواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبکه قابل اطمینان بسازیم. برای گره k با نرخ خرابی lk قابلیت اطمینانبا فرمول ذیل مدل می‎شود. که در واقع احتمال عدم خرابی است در زمان t به‌شرط این‌که گره در بازه زمانی (0,t) خرابی نداشته باشد. به این ترتیب هرچه زمان می‌گذرد احتمال خرابی گره بیشتر می‎شود.

 

4-4- مقیاس پذیری
شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گره‎ها، مقیاس پذیر باشد. به‌عبارت دیگر شبکه حس/کار از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیون ها گره کار کند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گره‎ها را نیز پشتیبانی کند. چگالی طبق فرمول پایین محاسبه می‎شود که بیانگر تعداد متوسط گره‎هایی است که در برد یک گره نوعی (مثلادایره ای با قطر10 متر) قرار می‌گیرد.
A: مساحت ناحیه کاری، N: تعداد گره در ناحیه کاری و R: برد ارسال رادیویی است. در بسیاری کاربردها توزیع گره‎ها اتفاقی صورت می‌گیرد و امکان توزیع با چگالی مشخص و یکنواخت وجود ندارد یا گره‎ها در اثر عوامل محیطی جابجا می‌شوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر کند. موضوع مقیاس پذیری به روش‎ها نیز مربوط می‎شود برخی روش‎ها ممکن است مقیاس پذیر نباشد یعنی در یک چگالی یا تعداد محدود از گره کار کند. در مقابل برخی روش‎ها مقیاس پذیر هستند.

4-5- قیمت تمام شده
چون تعداد گره‎ها زیاد است کاهش قیمت هر تک گره اهمیت زیادی دارد. تعداد گره‎ها گاهی تا میلیون­ها می­رسد که در این صورت کاهش قیمت گره حتی به مقدار کم، تأثیر قابل توجهی در قیمت کل شبکه خواهد داشت.

4-6- شرایط محیطی
طیف وسیعی از کاربردهای شبکه­های حس/کار مربوط به محیط­هایی است که انسان نمی‎تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط های آلوده از نظر شیمیایی، میکروبی، هسته‎ای و یا مطالعات در کف اقیانوس‎ها، فضا و یا محیط‎های نظامی به علت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آن‌ها می‎شود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گره‎ها در نظر گرفته شود، مثلاً در دریا و محیط‌های مرطوب گره حسگر در محفظه­ای که رطوبت را منتقل نکند قرار می‎گیرد.

4-7- رسانه ارتباطی
در شبکه‎های حس/کار ارتباط گره‎ها به صورت بی‎سیم و از طریق رسانه رادیویی، فرو سرخ (مادون قرمز)، یا رسانه‌های نوری دیگر صورت می‌گیرد. البته ارتباط فروسرخ ارزانتر و ساختنش آسانتر است ولی فقط در خط مستقیم عمل می‎کند.

4-8- توان مصرفی گره ‎ها
گره­های شبکه حس/کار باید توان مصرفی کمی داشته باشند. گاهی منبع تغذیه یک باتری 2/1 ولت با جریان 5/0 آمپر ساعت است که باید توان لازم برای مدت طولانی مثلاً 9 ماه را تأمین کند. در بسیاری از کاربردها باتری قابل تعویض نیست. لذا عمر باتری عملاً عمر گره را مشخص می‎کند. به علت این‌که یک گره علاوه بر گرفتن اطلاعات (توسط حسگر) یا اجرای یک فرمان (توسط کارانداز) به عنوان رهیاب نیز عمل می‎کندبد عمل کردن گره باعث حذف آن از همبندی شده و سازماندهی مجدد شبکه و مسیردهی مجدد بسته عبوری را در پی خواهد داشت. در طراحی سخت‎افزار گره­ها استفاده از طرح­ها و قطعاتی که مصرف پایینی دارند و فراهم­کردن امکان حالت خواب برای کل گره یا برای هر بخش به طور مجزا بسیار مهم خواهد بود.

4-9- افزایش طول عمر شبکه
طول عمر شبکه­های حس/کار نوعاً کوتاه می­باشد زیرا طول عمر گره­ها به علت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن گاهی موقعیت ویژه یک گره در شبکه مشکل را تشدید می‎کند. مثلاً گرهی که در فاصل یک قدمی چاهک قرار دارد از یک طرف به خاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می­دهد و از طرفی از کار افتادن آن باعث قطع ارتباط چاهک با کل شبکه شده و از کار افتادن کل شبکه می­شود. برخی راه­حل­ها به ساختار شبکه بر می­گردد، مثلاً در مورد مشکل فوق استفاده از ساختار خودکار راهکار مؤثری است. به علت این‌که در ساختار خودکار بیشتر تصمیم­گیری‎ها به طور محلی انجام می­شود ترافیک انتقال از طریق گره بحرانی کم شده، طول عمر آن و در نتیجه طول عمر شبکه افزایش می­یابد. مشکل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گره­های نواحی کم تراکم در توزیع غیر یکنواخت گره­ها نیز صدق می‎کند. در این‌گونه موارد داشتن یک مدیریت توان در داخل گره­ها و ارائه راهکارهای توان آگاه به طوری که از گره­های بحرانی کمترین استفاده را انجام دهد، مناسب خواهد بود. این موضوع نوعی به اشتراک­گذاری منابع محسوب می­شود لذا در صورت داشتن مدیریت وظیفه و مدیریت توان مناسب توزیع با چگالی زیاد گره­ها در میدان حسگر/ کارانداز طول عمر شبکه را افزایش می­دهد. ارائه الگوهای ساختاری مناسب و ارائه روش‎های مدیریتی و الگوریتم­های توان آگاهبا هدف افزایش طول عمر شبکه حس/کار از مباحث مهم تحقیقاتی است.

4-10- ارتباط بیدرنگ و هماهنگی
در برخی کاربردها مانند سیستم تشخیص و جلوگیری از گسترش آتش­سوزی یا سیستم پیش­گیری از سرقت، سرعت پاسخگویی شبکه اهمیت زیادی دارد. در نمایش بیدرنگ فشار بر روی پایشگر بسته­های ارسالی باید به طور لحظه­ای روزآمد باشند. برای تحقق بیدرنگی سیستم یک روش این است که برای بسته­های ارسالی یک ضرب الاجل تعیین شود و در لایه کنترل دسترسی رسانه بسته­های با ضرب الاجل کوتاهتر زودتر ارسال شوند. مدت ضرب­الاجل به کاربرد آن بستگی دارد. مسأله مهم دیگر تحویل گزارش رخدادها به چاهک، یا کارانداز ناحیه، به ترتیب وقوع آن‌هاست. در غیر این صورت ممکن است شبکه واکنش درستی انجام ندهد. نکته دیگر هماهنگی کلی شبکه در ارتباط با گزارش‎هایی است که در مورد یک رخداد از حسگرهای مختلف به کاراندازهای ناحیه مربوطه داده می‎شود. به عنوان مثال در یک کاربرد نظامی فرض کنید حسگرهایی جهت تشخیص حضور یگان­های پیاده دشمن و کاراندازهایی جهت نابودی آن در نظر گرفته شده است. چند حسگر حضور دشمن را به کاراندازها اطلاع می­دهند. شبکه باید در کل منطقه، عملیات را به یکباره شروع کند. در غیر این صورت با واکنش اولین کارانداز، سربازان دشمن متفرق شده و عملیات با شکست مواجه می‎شود. به هرحال موضوع ارتباط بیدرنگ و هماهنگی در شبکه‎های حس/کار بخصوص در مقیاس بزرگ و شرایط نامطمئن همچنان از مباحث تحقیقاتی است.

4-11- امنیت و مداخلات
موضوع امنیت در برخی کاربردها بخصوصدر کاربرد های نظامی یک موضوع بحرانی است و به‌خاطر برخی ویژگی‎ها شبکه‎های حس/کار در مقابل مداخلات آسیب­پذیرتر هستند. یک مورد بی‎سیم بودن ارتباط شبکه است که کار دشمن را برای فعالیت های ضد امنیتی و مداخلات آسانتر می‎کند. مورد دیگر استفاده از یک فرکانس واحد ارتباطی برای کل شبکه است که شبکه را در مقابل استراق سمع آسیب پذیر می‎کند. مورد بعدی ویژگی پویایی همبندی است که زمینه را برای پذیرش گره‎های دشمن فراهم می‎کند. این‌که قراردادهای مربوط به مسیردهی، کنترل ترافیک و لایه کنترل دسترسی شبکه سعی دارند باهزینه و سربار کمتری کار کنند مشکلات امنیتی به‌وجود می­آورد. مثلاً برای شبکه‎های حسگر در مقیاس بزرگ برای کاهش تأخیر بسته­هایی که در مسیر طولانی در طول شبکه حرکت می­کنند، یک راه حل خوب اولویت مسیردهی به بسته­های عبوری می­باشد. همین روش باعث می‎شود حمله­های سیلی مؤثرتر باشد. یکی از نقاط ضعف شبکه حس/کار کمبود منبع انرژی است و دشمن می تواند با قرار دادن یک گره مزاحم که مرتب پیغام های بیدار باش به صورت پخش همگانی با انرژی زیاد تولید می‎کند باعث شود بدون دلیل گره‎های همسایه از حالت خواب خارج شوند. ادامه این روند باعث به هدر رفتن انرژی گره‎ها شده و عمر آن‌ها را کوتاه می‎کند. با توجه به محدودیت­ها باید دنبال راه­حل­های ساده و کارا مبتنی بر طبیعت شبکه حس/کاربود. به طور مثال گره­ها با چگالی بالا می‎توانند توزیع شوند و هر گره دارای اطلاعات کمی است یا این‌که داده­ها در یک مدت کوتاه معتبرند. از این ویژگی‎ها می‎توان به عنوان یک نقطه قوت در رفع مشکلات امنیتی استفاده کرد. اساساً‏ًًًًًًًٌ چالش­های زیادی در مقابل امنیت شبکه حس/کاروجود دارد و مباحث تحقیقاتی مطرح در این زمینه گسترده و پیچیده است.

4-12- عوامل پیش بینی نشده
یک شبکه حسگر کارانداز تابع تعداد زیادی از عدم قطعیت­ها است. عوامل طبیعی غیر قابل پیش بینی مثل سیل زلزله، مشکلات ناشی از ارتباط بی‎سیم و اختلالات رادیویی، امکان خرابی هر گره، عدم درجه‌بندی حسگرها، پویایی ساختار و مسیردهی شبکه، اضافه شدن گره‎های جدید و حذف گره‎های قدیمی، جابجایی گره‎ها به طور کنترل­شده یا در اثر عوامل طبیعی و غیره. سؤال مطرح این است که در چنین شرایطی چگونه می‎توان چشم­اندازی فراهم کرد که از دیدگاه لایه کاربرد شبکه یک موجودیت قابل اطمینان در مقیاس بزرگ دارای کارآیی عملیاتی مشخص و قابل اعتماد باشد. با توجه به این‌که شبکه‎های حسگر کارانداز تا حدود زیادی به صورت مرکزی غیر قابل کنترل هستند و به صورت خودکار یا حداقل نیمه خودکار عمل می­کنند باید بتوانند با مدیریت مستقل بر مشکلات غلبه کنند. از این رو باید ویژگی‎های خود بهینه سازی، خود سازماندهی و خود درمانی را داشته باشند. این‌ها از جمله مواردی هستند که بحث در مورد آن‌ها آسان ولی تحقق آن بسیار پیچیده بوده و از جمله موارد تحقیقاتی می­باشند.

5- نمونه پیاده­سازی شده شبکه حس/کار
در این بخش از مقاله سعی می‎کنیم تا با شناخت و بررسی یکی از کاربردهای این شبکه مفاهیم بیان شده را از جنبه‎های دیگر نیز مورد بررسی قرار دهیم.
یک نمونه از پیاده سازی سخت‎افزاری گره‎های حسگر ذره میکادانشگاه برکلی امریکا است. این نمونه، یک واحد حس/کار کوچک (چندین اینچ مکعب) با یک واحد پردازنده مرکزی، منبع تغذیه، رادیو و چندین عنصر حسگر اختیاری می‎باشد. پردازشگر آن یک پردازنده 8 بیتی از خانواده اتمل می­باشد همراه با 128 کیلو بایت حافظه، 4 کیلو بایت RAM برای داده، 512 کیلو بایت حافظه درخشی. این پردازنده فقط کمینه‌ای از مجموعه دستورالعمل‎های RISC را بدون عمل ضرب، انتقال با طول متغیر و چرخش پشتیبانی می­کند. رادیوی آن یک رادیوی مصرف پایین916 مگاهرتز روی یک کانال تسهیم شده منفرد با محدوده نزدیک به 12 متر می‎باشد. رادیو در حالت دریافت 4/8 میلی آمپر، در حالت ارسال تا 12میلی آمپر و در حالت خواب 5 میکرو آمپر مصرف جریان دارد.  

شکل (6) ذره میکا

ذره میکا در اندازه­های مختلف وجود دارد. کوچکترین آن اغلب به عنوان غبار هوشمند شناخته می‎شود. طرح پژوهشی غبار هوشمند که به وسیله پروفسور پیتسترو کان رهبری و هدایت می‎شود موفق به دستیابی حدی برای اندازه ومصرف توان در گره­های حسگر خود مختار شده است. کاهش اندازه برای ساختن گره‎های ارزان و البته تسهیل گسترش آن بسیار مهم است. گروه تحقیقاتی امیدوارند که ضمن حفظ مؤثر توانایی‎های حسگری و ارتباطی ‎بتوانند موارد لازم حسگری، مخابره اطلاعات و محاسبات سخت‎افزاری همراه با منبع تغذیه را در اندازه­ای در حدود چند میلیمتر مکعب فراهم کنند. این گره میلیمتر مکعبی غبار هوشمند نام دارد که حقیقتاً قلمرو موضوعات ممکن­شدنی است. چنان‌که نمونه­های آتی آن می­تواند به قدری کوچک باشد که معلق در هوا باقی مانده و به وسیله جریان هوا شناور شود و برای ساعت ها یا روزها موارد حس شده را ارسال کند. غبار هوشمند می­تواند اطلاعات را با استفاده از یک فناوری بازتابنده نوری جدید، به صورت غیر فعال ارسال کند. این یک راه معقول و ارزان را برای وارسی یک حسگر یا تأیید دریافت اطلاعات فراهم می‎کند. ارسال نوری فعال نیز ممکن است اما اتلاف انرژی بیشتری دارد.

شکل (7) ساختار داخلی غبار هوشمند

6- بررسی نرم‎افزارهای شبیه‎سازی شبکه
امروزه فناوری شبیه‎سازی به طرز موفقیت آمیزی در جهت مدل­سازی، طراحی و مدیریت انواع سیستم­های هوشمند به کار گرفته شده و در این راستا ابزارها و تکنیک­های متعددی خلق شده که به طور مثال می­توان به تکنیک شبیه‎سازی رویدادگردان اشاره کرد که اساس عملکرد بسیاری ازشبیه­سازهای نوین می‎باشد. کاربرد شبیه‎سازی در مورد شبکه‎های ارتباطی نیز سابقه­ای 15 ساله دارد که هنوز هم در حال رشد می‎باشد. دلایل استفاده از شبیه‎سازی در این حوزه را می‎توان در دو مورد خلاصه کرد:

• پیدایش و گسترش شبکه‎هایی با فناوری پیچیده
• خلق ابزارها و نرم افزارهای خاص شبیه‎سازی شبکه‎ها

نرم­افزارهای شبیه­ساز شبکه توانایی شبیه­سازی شبکه­های ارتباطی را بدون نیاز به کدنویسی و معمولاً از طریق واسط­های گرافیکی فراهم می‌کنند. وجود عناصر شبیه­سازی شده­ای متناظر با عناصر واقعی مانند راهیاب‌ها و سوئیچ­ها در این گونه موارد علاوه بر بالابردن دقت، باعث افزایش سهولت و سرعت در فرآیند شبیه‎سازی می‎شود و به این ترتیب برای کاربران نا آشنا با فن برنامه­نویسی بسیار مناسب می‎باشد. خصوصیات شبیه­سازهای شبکه عبارتند از:

6-1- انعطاف در مدل­سازی
کاربر باید قادر باشد انواع جدیدی از منابع معمول شبکه همچون گره‎ها، پیوندها و قراردادها را به مجموعه موجود در شبیه­ساز بیفزاید.

6-2- سهولت در مدل­سازی
وجود واسط گرافیکی و امکان مدل‌سازی به صورت ساخت­یافته، به شکلی که مدل­های پیچیده بر اساس مدل­های ساده طرح شوند و همچنین قابلیت استفاده مجدد از پودمان­ها از خصوصیاتی می‎باشد که باعث تسریع در فرآیند شبیه‎سازی می­گردند.

6-3- اجرای سریع مدل­ها
زمان پردازش در شبیه‎سازی‎های بزرگ برای شبکه‎هایی با تعداد زیاد گره بسیار مهم می‎باشد که لازمه آن مدیریت صحیح حافظه می‎باشد.

6-4- قابلیت مصورسازی
نمایش گرافیکی عناصر شبکه در حال تبادل پیغام ها با یکدیگر به رفع خطاهای شبیه‎سازی و درک نحوه کارکرد آن بسیار کمک می‎کند. در برخی نرم افزارهای شبیه­ساز، اجرای مصورسازی همزمان با اجرای شبیه­ساز و در برخی دیگر پس از انجام آن و به صورت Play Back انجام می­گیرد.

6-5- قابلیت اجرای مجدد و تکراری شبیه‎سازی
هدف از انجام شبیه‎سازی به طور عمده تحقیق تأثیر یک یا چند پارامتر (برای مثال متوسط طول بسته­ها و یا ظرفیت میانگیرها) بر کارآیی شبکه می‎باشد و به همین خاطر تکرارپذیری، یک شرط لازم برای این نرم افزارها می‎باشد. در مجموع باید توجه داشت که خلق یک شبیه­ساز شبکه دقیق و معتبر مستلزم به‌کارگیری فناوری شبیه‎سازی در کنار دانش شبکه و قرارداد­های آن می‎باشد. البته در کنار خصوصیات فوق وجود برخی قابلیت­ها بر ارزش هر ابزار شبیه­ساز خواهد افزود که از آن میان می­توان به چند مورد اشاره ذیل اشاره کرد:

• وجود پودمان­های درونی از پیش آماده شده متناظر با عناصر و قرارداد­های شبکه.
• وجود یک مولد عدد تصادفی و در شکل­های پیشرفته تر قابلیت خلق کمیت­های با توزیع های تصادفی گوناگون چرا که اغلب رخدادها در یک فرآیند شبیه‎سازی اعم از تولید و ارسال بسته­ها و یا ایجاد خرابی در آنها، از نوع فرآیندهای تصادفی می­باشند.
• حمایت از کاربران برای بهنگام­سازی‎های بموقع (بخصوص در مورد قرارداد­های جدید) به همراه مستندات کامل و گویا.
• ارائه گزارش­هایی از پارامترهای کارآیی شبکه (نرخ خروجی، بهره‎وری، تأخیر انتقال، . . . ) در قالب ارقام و منحنی‎ها به همراه امکان انجام عملیات آماری روی نتایج از دیگر ویژگی‎های مثبت یک شبیه­ساز می‎باشد.

7- مدل سازی شبکه‎های بی‎سیم
در این بخش چگونگی ساخت و اجرای مدل‎هایی از شبکه‎های حسگر بی‎سیم را بررسی می­نماییم. این یک مدل ساده شده از یک سیستم متمرکز صوتی است که در آن از میدانی از گره‎های حسگر استفاده می‎کند که یک صدا را شناسایی و به وسیله پیام رادیویی به مرکز گزارش می‎کند تا موقعیت صدا را مثلث بندی کند. شکل 8 نشان می‎دهد که این مدل شامل حسگر بی­سیم، دو مدل کانال (یک مدل کانال رادیویی و یک مدل کانال صوتی) یک تعدادی یادداشت (متون شرح دهنده مدل) و عامل‌هایی در مدل است.

شکل (8) نمایش Visualsense از مدل بی‌سیم تشخیص صوت

هر یک از این مؤلفه‎ها یک نقش در مدل ایفا می‎کند. هدایت کننده در اجرای مدل پا به میان می‎گذارد. مدل­های کانال با ارتباط میان عامل‌ها سر و کار دارد. عامل‌ها سیگنال‎هایی از طریق کانال می‎فرستند و دریافت می‎کنند.
این مدل قابل اجرا است. روی مثلث قرمز رنگ در نوار ابزار کلیک کنید، در نتیجه عامل منبع صوت (که با دوایر متحدالمرکز شفاف نمایش داده شده است) در یک الگوی دایره­ای شروع به حرکت می­کند که به وسیله یک فلش آبی رنگ در شکل 9 نمایش داده شده است. عامل منبع صوت رویدادهایی از طریق مدل کانال صوتی منتشر می­کند.
این رویدادها با یک تأخیر زمانی که بستگی به فاصله میان گره‎های دایره­ای آبی رنگ دارد، منتشر می‎شود. موقعی که این گره‎ها صدا را شناسایی می­کنند، آن‌ها یک سیگنال رادیویی از طریق مدل کانال رادیویی پخش می­کنند و شمایل‎‌های آن‌ها به رنگ قرمز تغییر می‎کند تا به طور گرافیکی نشان دهد که آن‌ها این کار را انجام داده­اند. سیگنال‎های رادیویی شامل یک مهر زمانی رویداد صوتی شناسایی شده است. عامل مثلثی در مرکز (که با یک شمایل سبز رنگ نشان داده است) این سیگنال رادیویی را دریافت می‎کند (اگر در برد فرستنده باشد)، و مهرهای زمانی را برای تخمین موقعیت منبع صوت استفاده می‎کند. سپس موقعیت را ترسیم می‎کند، نتیجه در نمودار شکل 9 نشان داده شده است.

 

شکل (9) نمایش مدل در حال اجرا

8- چند مثال و کاربرد
در ادامه گزارش نمونه­هایی از پیاده سازی و ایجاد گره‎های حسگر شرح داده شده است. چندین عامل مؤثر در تحلیل یک شبکه دخالت دارد مانند عمر باتری و محدوده سیگنال وسیله مورد استفاده، همراه با در نظر گرفتن عواملی که می‎توانند اثر منفی در استفاده مفید از حسگرها داشته باشند. در این ابزار شبیه‎سازی شبکه‎هایی با گسترش قابلیت‎های حسگری نیز ممکن است. چنین قابلیت‎هایی شامل شناسایی زمین لرزه یا صدا و الگوریتم‎های مکان‎یابی همراه با بررسی داده در شبکه‎های حسگری است و بسیاری کاربردها که با افزایش آگاهی ما در مورد ارتباطات بی‎سیم ممکن خواهد شد. همان‌طور که قبلاَ گفته شد شبکه‎های حسگر کاربردها و قابلیت‎های فراوانی دارند که به نظر می‎رسد این تنوع استفاده از آن‌ها واقعاَ نامحدود است. حال برای این‌که شبکه‌ای کاراتر داشته باشیم بایستی واکنش گره‎ها را کامل بفهیم همراه با این‌که آن‌ها چگونه با هم کار می‎کنند. همچنین مهم است که ما بدانیم: نخست دلایلی که شبکه حسگر شکست می‎خورد و دوم توانایی‎های توسعه یافته شبکه حسگری. در طراحی مدل شبکه‎های حسگر، فاکتورهای مزبور باید به عنوان کارهایی که قبل از یک شبیه‎سازی صحیح، کامل شوند در نظر گرفته شود. کارهایی که باید انجام شود فهرست­وار چنین است:

• فهمیدن تعامل (واکنش) در شبکه‎های حسگر

 مدیریت داده از طریق ارتباط بی‎سیم و کانال بی‎سیم و پیکربندی درگاه‌­ها

• نقایص شبکه‎های حسگر

تأثیر از دست­رفتن توان، شدت صوت، تأثیر بیرونی، منابع فشرده شده روی گره‎های حسگر در محیط‎های چندگانه

• توانایی‎های توسعه یافته شبکه‎های حسگر

علاوه بر پردازش و حس‎کردن خصوصیاتی نظیر لرزش، صوت، فروسرخ، حرکت و افزودن پردازش داده همراه با الگوریتم‎های ردگیری حرکت و صدا، مدل کردن یک شبیه‎ساز شبکه حسگر آغاز می‎شود.

9- نمونه های ایجاد شده توسط نرم افزار
در این بخش برخی نمونه‎های ایجاد شده توسط نرم‎افزارها را مورد بررسی قرار می‎دهیم.

9-1- غرق سازی
ابتدا، یک ارزیابی از یک الگوریتم برای پرسش های رادیویی به‌طور مؤثر در شبکه حسگر تشریح می‎شود. برای دستیابی به همه گره‎ها، موقعی که یک گره حسگر یک پیام رادیویی را دریافت می‎کند، ممکن است پیام را تکرار کند. مقصود کاهش تعداد چنین تکرار های مورد نیاز برای نفوذ کردن در شبکه است. یک تصویر از یکی از آزمایش های اجرا شده در شکل10 نشان داده شده است. در این تصویر، هر دایره یک گره حسگر را نمایش می‎دهد. در مرکز دایره یک شمایل برای نمایش یک آنتن است. این موقعیت فرستنده و گیرنده را برای گره نمایش می‎دهد. گره‎های حسگر به طور تصادفی پخش می شوند (یک عامل در کتابخانه برای درک پخش تصادفی فراهم شده است).
اجرای این مدل تعداد ثابتی از پرسش­ها را انتشار می‎دهد که به عنوان یک پارامتر مدل، از طریق شبکه حسگر مشخص شده است. در این آزمایش گره پایه با دایره رنگ سبز نیمه شفاف در شکل 10 نمایش داده شده است که یک پرسش را به طور متناوب منتشر می‎کند. در ابتدا همه گره‎ها این پرسش را به محض شنیدن آن تکرار می‎کنند. به هر حال همچنان که اجرا پیش می­رود، گره‎ها همبندی شبکه اطراف آن‌ها را یاد می­گیرند و مبتنی بر الگوریتم توزیع­شده تصمیم به ادامه تکرار یا توقف آن می­گیرند. گره‎هایی با شمایل قرمز رنگ در شکل 10، گره‎هایی هستند که تکرار می‎کنند در حالی که گره‎ها با شمایل آبی تکرار را انجام نمی دهند، بعد از آن الگوریتم همگرا شده است.
در این آزمایش، گره‎های حسگر ارسال را از طریق یک کانال رادیویی بدون تأخیر زمانی و بدون هیچ نوفه و اتلافی انجام می دهند. برد انتشار از گره حسگر، پارامتری از گره است و با شمایل دایره ای نشان داده می‎شود و در شکل10 برای همه گره‎ها یکسان است و می تواند به آسانی تغییر داده شود.

شکل (10) تصویری از مثال غرق­سازی

9-2- مثلث بندی
در این مثال یک مدل از منبع توان (باتری‎ها) گره‎های حسگر با یک مدل از یک سناریویی که گره‎های صوتی با هم برای تصمیم­گیری موقعیت منبع صوت به‌وسیله مثلث‌بندی همکاری می‎کنند، تزویج می­شوند (شکل 11).
در این مثال یک مجرای صوتی سیگنال‎های یک منبع متحرک را حمل می‎کند و گره‎های حسگر آن را از طریق یک مجرای رادیویی انتقال می­دهند. مجرای صوتی تأخیر انتشار را در نظر می­گیرد در حالی که مجرای رادیویی به عنوان لحظه­ای مدل می‎شود، شبیه به مدل مثال غرق‌سازی که در بالا شرح داده شد. همانند آن مثال، شمایل‌های دایره­ای گره‎ها برد ارسال خود را نمایش می­دهند.
مجرای صوتی سیگنال‎ها را از یک منبع صوت متحرک به گره‎های حسگر حمل می‎کنند. موقعی که یک گره حسگر یک سیگنال صوتی را کشف می‎کند، مشاهده (زمان کشف و موقعیت گره حسگر) را از طریق مجرای رادیویی منتشر می‎کند. یک عامل ردیاب صوت مشاهدات را جمع آوری کرده زمان و موقعیت انتشار صوت از منبع متحرک را محاسبه می‎کند.

شکل (11) تصویر مثال مثلث بندی

9-3- پایش ترافیک
اغلب شبکه‎های حسگر بسیار پویا هستند. اشیاء به وسیله رفت و آمد یک شبکه حسگر نظارت می­شوند و ممکن است در اطراف یک میدان حسگر حرکت کنند. گره‎های حسگر جدید می‎توانند به شبکه ملحق شوند و موقعی که باتری یک گره حسگر تخلیه می‎شود آن شبکه را ترک می‎کند.
یک مدل طبیعی از چنین شبکه‎های حسگر پویایی باید از تغییرات در شبکه پشتیبانی کند نه فقط در همبندی اتصال داخلی، بلکه در مجموعه مؤلفه‎های موجود در شبکه. به‌طوری‌که قبلاً مشاهده شد، Ptolemy II برای تغییر در ساختار مدل پشتیبانی دارد. ما با مثال نشان می­دهیم که چه طور این مدل­سازی شبکه حسگر با کاربرد پایش ترافیک به کار گرفته می‌شود.
حسگرها در امتداد جاده برای جمع آوری اطلاعات که به پایگاه اصلی برای تحلیل بیشتر فرستاده می‎شود، توزیع می­شوند. برای مدل­سازی و شبیه‎سازی چنین شبکه­ای ما ابتدا یک مدل برای میدان حسگر می­سازیم که شامل یک مؤلفه برای هر گره حسگر و مجرا­ها می­باشد. (یک مجرای بی‎سیم برای انتقال میان حسگرها و یک مجرای صوتی برای انتشار سیگنال از وسایل عبوری در حسگرها).
برای این‌که رفتار شبکه را شبیه‎سازی کنیم علاوه براین به یک مدل محرک برای تولید ورودی ترافیک به میدان حسگر نیاز داریم. سؤال این است که چه نوع از ورودی باید برای مدل محرک در میدان حسگر فراهم گردد؟ به طور مشخص یک ماشین است که در امتداد جاده در یک کران و حاشیه وارد می‎شود. در این جهت، محرک واقعاً یک مدل ماشین (اتومبیل) اضافه شده به میدان حسگر است. از آنجایی که ماشین‎ها می‎توانند در هر زمان وارد یک منطقه شده و پس از مدتی آن را ترک کنند، میسر نخواهد بود تا آن‌ها به طور ایستا در میدان حسگر مدل شوند. برای نگهداری ساختار پویا به علت ورود و خروج ماشین ها، ما از یک عامل مرتبه بالا استفاده می کنیم. چنین عاملی مدل دیگری که محاسبه­اش را معین می‎کند، در بر می­گیرد و در طول اجرای مدل نگهداری­شده می­تواند به طور پویا تغییر داده شود. عامل مرتبه بالا دو ورودی دارد، با اولین ورودی داده را دریافت می‎کند که مدل نگهداشته شده باید پردازش شود و ورودی دوم تغییرات مدل را در مدل نگهداشته جاری دریافت می‎کند. تغییرات مدل می­تواند مؤلفه‎های جدیدی از قبیل عامل‌های مدل‌سازی ماشین­ها را اضافه کند. همچنین مؤلفه‎های موجود و اتصالات را حذف یا اضافه کنند.
زمانی‌که اجرا شروع می‎شود عامل سطح بالا یک مدل درون تهی دارد. ابتدا یک تغییر مدل را برای ساخت میدان حسگر دریافت می‎کند، بعد از تغییر به کار برده شده، اجرا با هیچ وسیله نقلیه­ای ادامه پیدا نمی‎کند. هنگامی که مدل ترافیک تصمیم­گیری می‎کند که ورود ماشین به میدان به وجود آید، یک مدل ماشین را تولید می‎کند و به عامل مرتبه بالا آن را می­فرستد، سپس مدل نگهداشته شده را برای قراردادن مدل ماشین تغییر می‎دهد. اجرا با حرکت ماشین در منطقه بر طبق برنامه رانندگی ادامه می­یابد و حسگر در مسیرش به‌وسیله مجرای صوتی کشف می‎کند که آیا یک عبور اتومبیل وجود دارد یا خیر. اگر یک ماشین را شناسایی کند، حسگر داده­ای را به پایگاه اصلی می­فرستد.

9-4- گمشده جنگی در منطقه دشمن و تعقیب کننده
در این مثال یک گره بی‎سیم گمشده جنگی را در میدان حسگرها شناسایی می‎کند (شکل 13) ، حسگرها در میدان با یکدیگر ارتباط برقرار می‎کنند تا یک درخت پوشا از گره ریشه (جایی که گمشده جنگی به آن نزدیک می‎شود) به گره‎هایی که یک جهش از گره ریشه و مانند آن هستند، بسازند. موقعی که حسگر گمشده جنگی را شناسایی می‎کند، خودش را به عنوان ریشه قرار می‎دهد و یک پیامی را به گره‎های همسایه­اش پخش می‎کند.
پیام شامل زمانی است که گمشده جنگی شناسایی می‎شود، موقعیت و عمق که برای گره ریشه از حسگرها صفر است. سپس کنترل می‎کند که آیا گره ریشه از آخرین بار تغییر داده شده (به وسیله کنترل زمان شناسایی) یا که یک مسیر کوتاهتر به گره ریشه وجود دارد. اگر چنین است، زمان شناسایی شده را ثبت می‎کند و اطلاعات گره پدرش را به‎روزرسانی می‎کند (موقعیت و عمق در درخت) و یک پیام را که شامل زمان شناسایی، موقعیت و عمق در درخت است، به گره‎های همسایه آن ارسال می‎کند. با انجام این کار در شبکه حسگر یک درخت پوشا به طور توزیع شده ساخته می‎شود و حسگرها بر طبق فاصله‎ای که از گره ریشه دارند، نمایه­گذاری می­شوند. اگر گمشده جنگی حرکت کند ممکن است به وسیله حسگرهای دیگر شناسایی شود و درخت به طور پویا تغییر می­کند.

 

  
شکل (12) تصویری که میدان حسگرها را به همراه مجراها و. . . نمایش می‎دهد

شمایل قرمز رنگ میان حسگرها تعقیب کننده است و شمایل سبز رنگ گمشده جنگی است. موقعی که یک گره حسگر نشانه­ای از درگاه سیگنال (که برای دریافت سیگنال از تعقیب کننده یا گمشده جنگی استفاده می‎شود) را دریافت می‎کند، تشخیص می‎دهد که چه کسی سیگنال را فرستاده (با بررسی سرآیند سیگنال). اگر از گمشده جنگی ارسال شده، گره خودش را به عنوان گره ریشه بعدی می­نشاند و یک پیام را برای به‎روزرسانی درخت انتشار می‎دهد و در غیر این‌صورت پیامی به تعقیب­کننده ارسال می‎کند تا موقعیت گره منشأ یا گره پدر را تشخیص دهد و تعقیب­کننده با این اطلاعات به سمت گمشده جنگی حرکت خواهد کرد.
هنگام دریافت نشانه از درگاه ورودی که برای دریافت پیام از دیگر حسگرها استفاده می‎شود، بررسی می‎کند که آیا گره ریشه تغییر کرده یا یک مسیرکوتاهتر وجود دارد. اگر چنین است به‎روزرسانی را انجام می‎دهد و یک پیام را انتشار می‎دهد، در غیر این صورت پیام را مصرف می‎کند. تعقیب کننده از گره آخر درخت پوشا به طرف گره پدرش برای ردیابی گمشده جنگی حرکت می‎کند.

9-5- جهان کوچک
این مثال شبکه حسگری را نشان می‎دهد که هر گره مجدداً اولین پیامی را که دریافت می‎کند انتشار می‎دهد (شکل 13). یک مؤلفه به نام آغازگر یک پیام را منتشر می‎کند و مدل تعداد گره‎هایی را که پیام را بعد از یک جهش، بعد از دو جهش و همین‌طور الی آخر دریافت می‎کنند، نگهداری و یک نمودار میله‎ای رسم می‎کند.

 
شکل (13) تصویری از مدل Small World

هنگامی‌که مدل را اجرا می کنید، آغازگر یک پیام را منتشر خواهد کرد. یک گره زمانی قرمز خواهد شد که پیام را در اولین جهش دریافت کند و در صورتی که پیام را بیش از یک جهش دریافت کند گره سبز می‎شود و اگر هیچ پیامی را دریافت نکند سفید خواهد ماند.

نتیجه‎گیری
شبکه حس/کار به عنوان یکی از مهمترین موضوعات مطرح در حوزه شبکه­های کاربردی مطرح می­باشد. مسأله محدود بودن توان و انرژی گره‎های حسگر از مهمترین و پایه‎ای‎ترین مسائل در برخورد با چنین شبکه‎هایی می‎باشد که راه‎حل مناسب برای رفع این مشکل به نوع و کاربرد شبکه بستگی دارد که این موضوع می‎تواند به عنوان تحقیقات آتی مدنظر قرار گیرد. لازم به ذکر است که گره‎های شبکه حس/کار باید توان مصرفی کمی داشته باشند که البته باید توان لازم برای مدت طولانی مثلاً 9 ماه را تاًمین کند. روش خود وفق­دهی که مورد استفاده منبع برق است یکی از روش‎های پیشنهادی برای کاهش مصرف انرژی است. این روش پیشنهادی همچنین باعث بهبود تعداد گره‎های فعال و تخصیص زمان مساوی برای هر گره برای حس‎کردن و محاسبه‎کردن می‎شود. این روش علاوه بر مزیت‎های فوق می‎تواند عمر گره‎های حسگر فعال را افزایش دهد. با توجه به کاربردهای متنوع ذکر شده، به­کارگیری روش‎های هوشمند و الگوریتم‎های ریاضی می‎تواند زمینه‎ساز تحقیقات گسترده‎تری در این حوزه باشند. از سوی دیگر استفاده از این موارد در مسائل کاربردی مانند زندگی دیجیتالی، خانه هوشمند، مسیر هوشمند و کسب و کار نوین می‎تواند موضوعات جذابی برای پژوهش‎های آتی به شمار آیند.