ترجمه فارسی عنوان مقاله
توسعه سیستم یکپارچه نظارت میکرو زیست محیطی با استفاده از شبکه حسگر بی سیم
عنوان انگلیسی
Development of an integrated wireless sensor network micro-environmental monitoring system
کد مقاله | سال انتشار | تعداد صفحات مقاله انگلیسی |
---|---|---|
21633 | 2008 | 9 صفحه PDF |
منبع
Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)
Journal : ISA Transactions, Volume 47, Issue 3, July 2008, Pages 247–255
فهرست مطالب ترجمه فارسی
چکیده
کلید واژه ها
1.مقدمه
2.معماری سیستم
3.ساختار سخت افزاری
4.اکتساب و پردازش داده ها در سرور
4.1اکتساب داده ها
4.2اعتبارسنجی بسته ها و استخراج اطلاعات
4.3مجسم سازی داده ها
4.4تابع درونی
5.دسترسی اینترنتی به داده های WSN
5.1سمت سرور
5.2سمت کاربر
6.پیاده سازی و تست سیستم
6.1سنجش های محیطی
6.2ارزیابی عملکردها
7.نتیجه گیری
کلید واژه ها
1.مقدمه
2.معماری سیستم
3.ساختار سخت افزاری
4.اکتساب و پردازش داده ها در سرور
4.1اکتساب داده ها
4.2اعتبارسنجی بسته ها و استخراج اطلاعات
4.3مجسم سازی داده ها
4.4تابع درونی
5.دسترسی اینترنتی به داده های WSN
5.1سمت سرور
5.2سمت کاربر
6.پیاده سازی و تست سیستم
6.1سنجش های محیطی
6.2ارزیابی عملکردها
7.نتیجه گیری
ترجمه کلمات کلیدی
-
شبکه های حسگر بی سیم -
نظارت پایش محیطی میکرو -
پردازش داده ها -
تجسم -
دسترسی به اینترنت -
کلمات کلیدی انگلیسی
Wireless sensor networks,
Micro-environmental monitoring,
Data processing,
Visualization,
Internet access,
ترجمه چکیده
محبوبیت شبکه حسگر بیسیم (WSN) به دلیل قابلیت های امیدوارکننده خود در حوزه نظارت میکرو زیست محیطی، روز به روز در حال افزایش است. اما، اغلب سیستم هایی که از WSN برای نظارت زیست محیطی استفاده می کنند تنها برای کاربردهای خاص طراحی شده اند و فاقد قابلیت هایی برای بهره گیری از روش های پردازش داده ای تعریف شده توسط کاربر هستند. در این مقاله، سیستمی همراه با جزییات طراحی شده است که می تواند با استفاده از WSN نظارت میکرو زیست محیطی را انجام دهد. نوعی شیوه کار سخت افزاری کاربردمحور در این سیستم طراحی شده و پلت فرم آن برای گرفتن داده ها، معتبرسازی، پردازش و تجسم آن ها بطور سیستماتیک ارائه شده است. استراتژی های مختلفی برای تضمین قابلیت سیستم در خصوص استخراج اطلاعات مفید، و همچنین تصویر رویدادها در زمان واقعی آن ها ارائه شده است. به علاوه، یک زیرسیستم نظارتی مبتنی بر وب جهت کنترل و نظارت از راه دور ارائه شده است. به علاوه، این سیستم جهت اجرای الگوریتم های تحلیل داده ای برای مهندسان، قابل توسعه است. نتایج آزمایشی جهت نمایش قابلیت اعتماد مسیر و ویژگی های زمان واقعی و نشان دادن امکان پذیری و کاربرد این سیستم جهت پیاده سازی عملی ارائه شده اند.
ترجمه مقدمه
اخیرا، شبکه های حسگر بی سیم (WSN) تلاش های تحقیقاتی زیادی را به خود معطوف کرده اند زیرا راه اندازی آن ها آسان است و سناریو های کاربردی مختلفی برای آن ها وجود دارد. می توان از این شبکه ها بطور گسترده در نظارت زیستگاهی، زیست محیطی، اکتشاف ساختاری، نظارت روانشخانتی از دور، و حتی مدیریت دارو و غیره استفاده کرد مانند [17,18,12]. برای ایجاد حداکثر عملکرد در WSN چالش های تحقیقاتی و عملی زیادی وجود دارد. حسگر غالبا به وسیله باتری کار می کند که دارای توان محدودی است. بنابراین، یکی از مهمترین موضوعات در خصوص سخت افزار و طراحی پروتکل در مورد چگونگی ذخیره انرژی در گره های حسگر و شبکه است. این امر تبعا می تواند باعث افزایش عمر شبکه شود. مشکل دیگر در خصوص افزایش ثبات و قدرت شبکه و ایجاد نوعی قابلیت خود سازماندهی و خودترمیمی در آن است. این الزامات، مستلزم پروتکل های مسیریابی و طراحی سخت افزاری گره شبکه حسگر است.
علاوه بر مسائل بالا، پردازش داده های حسی نیز در شبکه های حسگر مقیاس بزرگ در حال افزایش چشمگیر است. برای مثال، در یک شبکه حسگر مقیاس بزرگ برای نظارت زیست محیطی، به زمان نظارت طولانی یا فرکانس بالای کسب داده نیاز است. در چنین شرایطی، شبکه های حسگر با انبوهی از داه های سنجشی مواجه خواهند بود. این وضعیت حتی می تواند بدتر هم باشد در صورتی که داده ها به شکل چند رسانه ای مثلا ویدئو های نظارتی باشند. تابع پردازش داده ها بسیار فشرده خواهد بود و انرژی زیادی را مصرف خواهد کرد. برای رفع این مشکل، به روش های پیشرفته در انتقال و پردازش داده ها نیاز خواهد بود. یکی از روش ها فشرده سازی داده ها به گونه ای است که تنها داده های سنجیده شده در محدوده های مشخص به ایستگاه مبنا (BS) انتقال داده شوند تا بعدا مورد پردازش قرار گیرند. اما، بدین صورت، اطلاعات مفید شبکه های حسگر ممکن است از بین بروند. یکی از روش های جایگزین، پردازش توزیعی نام دارد، که امکان تحلیل محلی داده های حسی را توسط گره ها یا ایستگاه های پراکنده و کم هزینه فراهم می کند و تنها نتایج را به BS ارسال می کند. در بسیاری موارد، مدیریت و پردازش مرکزی داده ها مورد نیاز است. روش سوم، بالابردن بازدهی پردازش داده ها در مرکز پردازش است. پلت فرم های نرم افزاری مختلفی مانند متلب، برای مدیریت حجم بالایی از داده ها با بازدهی بالا مناسب هستند.
همانطور که ذکر شد، WSN دارای کاربردهای عملی زیادی خصوصا در حوزه میکرو زیست محیطی است. یک میکرو زیست محیط، محیط یک فضای کوچک مانند دفتر کار و محل کشت است. برای مثال می توان زمین چای را درنظر گرفت، رشد چای شدیدا به میکرو زیست محیط خود حساس است، که شامل نوردهی، دما و رطوبت می باشد. کیفیت و ثمر دهی ان می تواند به شکل چشمگیری با آب و هوای سرد یا هجوم آفات کاهش یابد. برای جلوگیری از آسیب چای توسط عوامل بیرونی، راهکارهای سنتی متعددی به کار می روند: (1) راهکار اول به پیش بینی آب و هوایی در مقیاس کلان یا پیش بینی حشرات وابسته است، که شاید نتواند اطلاعات کافی را برای یک باغ چای کوچک فراهم کند. (2) راه دوم بر مبنای چک آپ های دوره ای یا نمونه برداری داده های میدانی با ابزارهای دستی است. این روش می تواند دقیق باشد گرچه بازهم نمی توان آن را یک سیستم نظارت زمان وقعی دانست و هرگونه رویدادی را بین دو دوره چک آپ نمی توان پیش بینی کرد. (3)ابزارهای توسعه یافته جدید بر اساس گردآوری دستی داده ها قادر به تحلیل داده ها و مدلسازی محیط و ارائه پیش بینی هستند. با این وجود، نبود نظارت فراگیر و اتوماسیون کم را می توان جزو محدودیت های ذاتی آن دانست.
در مقالات، تحقیقات بسیاری با استفاده از WSN در میکرو زیست محیط ها خصوصا در حوزه نظارت عملی در کشاورزی صورت گرفته است. در شال 2002، محققان از 32 ذره در جزیره گریت دوک برای نظارت بر رفتار لانه سازی مرغ طوفان استفاده کردند. WSN خودساخته بطور مستمر داده های محیطی مانند دما، رطوبت، فشار بارومتری و میزان نور را درون و اطراف سوراخ های لانه مرغ طوفان بدون مزاحمت برای لانه سازی آن ها اندازه گیری می کرد. در [2]، نوعی WSN برای مطالعه بلند مدت گونه های گیاهی کمیاب و درخطر ارائه شده است. WSN این گیاهان و محیط آن ها را از نظردما، رطوبت، بارش باران،باد و میزان نور خورشید مورد سنجش قرار می داد. بر اساس [4] محققان نوعی WSN را برای نظارت بر رطوبت خاک طراحی کرده اند که می تواند بر اساس میزان بارش باران به محیط خود واکنش دهد. پروژه Lofar Agro آب و هوای میکرو را در محصول سیب زمینی مورد سنجش قرار می دهد و اطلاعات جمع آوری شده در مورد وضعیت هر مزرعه برای ارائه توصیه هایی در مورد چگونگی مبارزه با پیتوپتورا در محصولات به کار گرفته می شد. در سال 2004، یک گروه تحقیقاتی از Accenture Lab، نوعی سیستم نظارتی WSN را در یک مزرعه انگور شرابی به کار گرفتند. داده های حسی در مورد رطوبت محیط، باد، آب، و خاک و دمای هوا توسط BS جمع اوری شد و سپس به یک سرور شبکه ارسال گردید که کلاینت های مختلفی به وسیله آن می توانستند اطلاعات زیست محیطی را بررسی کنند.
در عین حال، سیستم ها و پلت فرم های خاصی نیز وجود دارند که به تجسم داده ها و نظارت WSN اختصاص دارند. Mote–View که توسط Crossbow طراحی شده، واسط کاربر هدفی است که ابزارهایی را برای جدول بندی زمان واقعی، ثبت داده ها و پیکربندی ذره ای به کار می رود.TinyDB [22] پلت فرمی با محوریت جستجو برای استخراج اطلاعات WSN است. این برنامه واسطی ساده و شبه SQL را ارائه می دهد که کاربر به وسیله آن می تواند داده های مورد جستجو را مشخص کنند. اما، قابلیت توسعه پایین این ابزارها کاربرد ان ها را درتحقیقات علمی محدود می کند. SpyGlass [3] یک ویژوالایزر دیگر است که به وسیله Java توسعه یافته و بخش مجسم سازی آن با چارچوب Java2D پیاده سازی شده است. jWebDust [5] یک محیط کاربردی مادولار و ژنریک بر مبنای Java است، که کاربردهای مختلفی از WSNرا تسهیل می کند. کاربران می تواند مادامیکه به اینترنت دسترسی دارند اجرای همزمان WSNرا بررسی و نظارت کنند. روش TAG به کاربران هدف بیان و اجرای کارآمد کوری را ارائه می دهد که از شبکه های حسگر بی سیم مبتنی بر ذره گرفته شده است. یک WSN نظارتی ساختاری عملی به نام Wisden در [24] ارائه شده که بر انتقال مطمئن داده ها و تکنیک های مهرزمانی تاکید دارد.
در این مقاله، سیستم زمان واقعی کاربردی بر مبنای WSN ارائه شده است. در خصوص زمان واقعی، منظور ما آن است که رویداد های رخ داده در محیط های دور را می توان بلافاصله در زمان اصلی خود رویت، نظارت، مجسم سازی و ثبت نمود. چالش ها و ویژگی های فنی اصلی عبارنتد از : (1) شبکه حسگر باید در محیط های میکرویی که با اینترفیس باز برای کسب و پردازش داده ها نظارت را انجام می دهند کاربردی باشد. (2) WSN را می توان از راه دور و با اینترفیس مبتنی بر وب کنترل و نظارت کرد. بطور خاص، این سیستم به گونه ای طراحی شده که نوعی سیستم اجرایی خودکار و کاربردی باشد و برای نظارت میکرو زیست محیطی کلی مانند نظارت بر آب و هوای میکروی باغات چای قابل استفاده باشد. این سیستم همچنین به عنوان یک پلت فرم آزمایشی برای تسهیل کسب داده ها و فرایند های بنیادی مجسم سازی به کار می رود. یک اینترفیس کاربرپسند نیز برای تسهیل برنامه نویسی و تحلیل داده ای آسان در آن تعبیه شده است. به علاوه، این سیستم می تواند با ادغام یک پلت فرم نرم افزاری مانند مت لب حجم وسیعی از داده ها را مدیریت کند. تا به امروز، در میان پلت فرم های پردازش داده ای، متلب بیشتر از همه در تحقیقات WSN به کار گرفته شده زیرا دارای قابلیت بالایی در انجام محاسبات ریاضی و ویژوالایزیشن نتایج است.اما، اپلیکیشن های موجود که از متلب در WSN استفاده می کنند اغلب در حوزه تحلیل داده ها، محاسبه، ارزیابی الگوریتم و شبیه سازی هستند. برای مثال، پروژه Prowler، که تحت متلب اجرا می شود، محیط شبیه سازی چندلایه حقیقی و شبکه ای را تحت موت Berkeley MICA ارائه می دهد. این برنامه ها همیشه سیستم های شبیه سازی پساپردازشی هستند که معمولا بصورت آفلاین اجرا می شوند. بر اساس طراحی ما، مت لب می تواند آنلاین و در زمان واقعی اجرا شود.
علاوه بر اینها، این مقاله بر طراحی سیستم واقعی، تحلیل، پیاده سازی و تست شبکه های حسگر بیسیم از مولفه های محیطی به کاررفته برای توسعه اینترفیس کاربر تاکید دارد. روش علمی ارائه شده در این مقاله می تواند مرجع و دستورالعمل خوبی را برای طراحی شبکه های حسگر عملی ارائه دهد. به علاوه، ما با ارائه این مقاله این تاثیرات فنی را در این حوزه اعمال کرده ایم: (1) معماری سیستم امکان پذیر که دسترسی اینترنتی به داده های WSNرا ممکن می سازد. (2) مساله ای واقع بینانه و مهم در مورد اکتساب داده ها، معتبرسازی آن ها و استخراج مفید آن ها، مجسم سازی داه ها با توجه به اصالت زمانی رویداد، و نظارت مبتنی بر وب مورد بحث قرار گرفته اند. (3) نتایج عددی گویا برای نشان دادن امکان و بازدهی سیستم ارائه شده اند. (4) پیشنهاد هایی برای اعمال این سیستم بر WSNهای کلان بر مبنای آزمایش های میدانی ارائه شده اند.
ادامه این مقاله بدین صورت است، پس از بازنگری معماری سیستم در بخش 2، ساختاری های سخت افزاری در بخش 3 مورد بحث قرار می گیرند. طراحی ردیف های بالا در بخش های 4 و 5 ارائه شده است. بخش 6 متریک های عملکردی را با توجه اعتمادپذیری مسیر و صحت نظارت شده داده ها نشان می دهد. نهایتا،در بخش 7 به نتیجه گیری خواهیم پرداخت.