Arsitektur Jaringan Sensor Nirkabel dan Aplikasinya

Saat ini, WSN (Jaringan Sensor Nirkabel) adalah layanan paling standar yang digunakan dalam aplikasi komersial dan industri, karena perkembangan teknisnya dalam prosesor, komunikasi, dan penggunaan daya rendah perangkat komputasi tertanam. Arsitektur jaringan sensor nirkabel dibangun dengan node yang digunakan untuk mengamati lingkungan seperti suhu, kelembaban, tekanan, posisi, getaran, suara, dll. Node ini dapat digunakan dalam berbagai aplikasi real-time untuk melakukan berbagai tugas seperti deteksi pintar, penemuan node tetangga, pemrosesan dan penyimpanan data, pengumpulan data, pelacakan target, monitor dan pengendalian, sinkronisasi, lokalisasi node, dan perutean yang efektif antara stasiun pangkalan dan node. Saat ini, WSN mulai diatur dalam langkah yang ditingkatkan. Tidaklah aneh untuk mengharapkan bahwa dalam 10 sampai 15 tahun dunia akan dilindungi dengan WSN yang dapat diakses melalui Internet. Ini dapat diukur sebagai Internet menjadi w / w fisik. Teknologi ini mendebarkan dengan potensi tak terbatas untuk banyak bidang aplikasi seperti medis, lingkungan, transportasi, militer, hiburan, pertahanan tanah air, manajemen krisis, dan juga ruang pintar.

Apa itu Jaringan Sensor Nirkabel?

A Nirkabel Jaringan Sensor adalah salah satu jenis jaringan nirkabel yang mencakup sejumlah besar perangkat bersirkulasi, mandiri, menit, bertenaga rendah bernama node sensor yang disebut motes. Jaringan ini tentu saja mencakup sejumlah besar perangkat tertanam yang tersebar secara spasial, kecil, dioperasikan dengan baterai, yang terhubung dengan jaringan untuk mengumpulkan, memproses, dan mentransfer data secara hati-hati ke operator, dan telah mengontrol kemampuan komputasi & pemrosesan. Node adalah komputer kecil, yang bekerja bersama untuk membentuk jaringan.

Jaringan Sensor Nirkabel

Node sensor adalah perangkat nirkabel multifungsi yang hemat energi. Aplikasi motes di industri tersebar luas. Kumpulan node sensor mengumpulkan data dari lingkungan sekitar untuk mencapai tujuan aplikasi tertentu. Komunikasi antar motes dapat dilakukan satu sama lain menggunakan transceiver. Dalam jaringan sensor nirkabel jumlah motes bisa mencapai ratusan bahkan ribuan. Berbeda dengan sensor n / ws, jaringan Ad Hoc akan memiliki node yang lebih sedikit tanpa struktur apapun.

Arsitektur Jaringan Sensor Nirkabel

Arsitektur jaringan sensor nirkabel yang paling umum mengikuti Model arsitektur OSI. Arsitektur WSN mencakup lima lapisan dan tiga lapisan silang. Kebanyakan pada sensor n / w, kita membutuhkan lima layer yaitu application, transport, n / w, data link & physical layer. Tiga bidang silang tersebut yaitu manajemen daya, manajemen mobilitas, dan manajemen tugas. Lapisan WSN ini digunakan untuk mencapai n / w dan membuat sensor bekerja sama untuk meningkatkan efisiensi jaringan secara keseluruhan. Silakan ikuti tautan di bawah ini untuk Jenis jaringan sensor nirkabel dan topologi WSN

Jenis Arsitektur WSN

Arsitektur yang digunakan dalam WSN adalah arsitektur jaringan sensor. Jenis arsitektur ini dapat diterapkan di berbagai tempat seperti rumah sakit, sekolah, jalan, gedung serta digunakan dalam berbagai aplikasi seperti manajemen keamanan, manajemen bencana & manajemen krisis, dll. Ada dua jenis arsitektur yang digunakan dalam sensor nirkabel jaringan yang meliputi berikut ini. Ada 2 jenis arsitektur sensor nirkabel: Arsitektur Jaringan Berlapis, dan Arsitektur Berkluster. Ini dijelaskan sebagai berikut di bawah ini.

• Arsitektur Jaringan Berlapis
• Arsitektur Jaringan Tergugus

Arsitektur Jaringan Berlapis

Jaringan semacam ini menggunakan ratusan node sensor serta stasiun pangkalan. Disini penataan node jaringan dapat dilakukan menjadi lapisan konsentris. Ini terdiri dari lima lapisan serta 3 lapisan silang yang meliputi berikut ini.

Lima lapisan dalam arsitektur adalah:

• Lapisan Aplikasi
• Lapisan Transportasi
• Lapisan Jaringan
• Lapisan Data Link
• Lapisan fisik

Tiga lapisan silang tersebut meliputi:

• Pesawat Manajemen Daya
• Pesawat Manajemen Mobilitas
• Bidang Manajemen Tugas

Ketiga lapisan silang ini terutama digunakan untuk mengontrol jaringan serta membuat sensor berfungsi sebagai satu untuk meningkatkan efisiensi jaringan secara keseluruhan. Lima lapisan WSN yang disebutkan di atas dibahas di bawah ini.

Arsitektur Jaringan Sensor Nirkabel

Lapisan Aplikasi

Lapisan aplikasi bertanggung jawab atas manajemen lalu lintas dan menawarkan perangkat lunak untuk berbagai aplikasi yang mengubah data dalam bentuk yang jelas untuk menemukan informasi positif. Jaringan sensor diatur dalam berbagai aplikasi di berbagai bidang seperti pertanian, militer, lingkungan, medis, dll.

Lapisan Transportasi

Fungsi lapisan transport adalah untuk memberikan penghindaran kemacetan dan keandalan di mana banyak protokol yang dimaksudkan untuk menawarkan fungsi ini dapat diterapkan di hulu. Protokol ini menggunakan mekanisme yang berbeda untuk pengenalan kerugian dan pemulihan kerugian. Lapisan transport benar-benar dibutuhkan ketika suatu sistem direncanakan untuk menghubungi jaringan lain.

Menyediakan pemulihan kerugian yang andal lebih hemat energi dan itulah salah satu alasan utama mengapa TCP tidak cocok untuk WSN. Secara umum, lapisan Transport dapat dipisahkan menjadi Packet driven, Event-driven. Ada beberapa protokol yang populer di lapisan transport yaitu STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol dan PSFQ (pump slow fetch quick).

Lapisan Jaringan

Fungsi utama dari lapisan jaringan adalah perutean, ia memiliki banyak tugas berdasarkan aplikasi, tetapi sebenarnya, tugas utama adalah pada penghematan daya, memori parsial, buffer, dan sensor tidak memiliki ID universal dan harus mengatur diri sendiri.

Ide sederhana dari protokol perutean adalah menjelaskan jalur yang andal dan jalur yang berlebihan, menurut skala meyakinkan yang disebut metrik, yang bervariasi dari protokol ke protokol. Ada banyak protokol yang ada untuk lapisan jaringan ini, mereka dapat dipisahkan menjadi perutean datar dan perutean hierarki atau dapat dipisahkan menjadi berdasarkan waktu, didorong oleh kueri & didorong oleh peristiwa.

Lapisan Data Link

Lapisan data link bertanggung jawab untuk deteksi bingkai data multiplexing, aliran data, MAC, & kontrol kesalahan, mengkonfirmasi keandalan point-point (atau) point-multipoint.

Lapisan fisik

Lapisan fisik memberikan tepi untuk mentransfer aliran bit di atas media fisik. Lapisan ini bertanggung jawab untuk pemilihan frekuensi, pembangkitan frekuensi pembawa, deteksi sinyal, modulasi & enkripsi data. IEEE 802.15.4 disarankan sebagai tipikal untuk area tertentu dengan tarif rendah & jaringan sensor nirkabel dengan biaya rendah, konsumsi daya, kepadatan, jangkauan komunikasi untuk meningkatkan masa pakai baterai. CSMA / CA digunakan untuk mendukung topologi star & peer to peer. Ada beberapa versi IEEE 802.15.4.V.

Manfaat utama menggunakan jenis arsitektur ini di WSN adalah bahwa setiap node melibatkan transmisi daya rendah jarak yang lebih kecil ke node tetangga karena penggunaan daya yang rendah dibandingkan dengan jenis arsitektur jaringan sensor lainnya. Jenis jaringan ini dapat diskalakan serta mencakup toleransi kesalahan yang tinggi.

Arsitektur Jaringan Tergugus

Dalam arsitektur semacam ini, node sensor secara terpisah ditambahkan ke dalam grup yang disebut cluster yang bergantung pada 'Leach Protocol' karena menggunakan cluster. Istilah 'Leach Protocol' adalah singkatan dari 'Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy'. Properti utama protokol ini terutama mencakup berikut ini.

Arsitektur Jaringan Tergugus

• Ini adalah arsitektur pengelompokan hierarki dua tingkat.
• Algoritma terdistribusi ini digunakan untuk menyusun node sensor menjadi beberapa kelompok yang disebut cluster.
• Di setiap cluster yang dibentuk secara terpisah, node head cluster akan membuat rencana TDMA (Time-division multiple access).
• Ini menggunakan konsep Data Fusion sehingga akan membuat jaringan hemat energi.

Jenis arsitektur jaringan ini sangat digunakan karena properti fusi data. Di setiap cluster, setiap node dapat berinteraksi melalui kepala cluster untuk mendapatkan datanya. Semua cluster akan membagikan data yang dikumpulkan ke stasiun pangkalan. Pembentukan cluster, serta pemilihan kepalanya di setiap cluster, adalah metode terdistribusi independen dan otonom.

Masalah Desain Arsitektur Jaringan Sensor Nirkabel

Masalah desain arsitektur jaringan sensor nirkabel terutama mencakup berikut ini.

• Konsumsi energi
• Lokalisasi
• Cakupan
• Jam
• Komputasi
• Biaya produksi
• Desain Perangkat Keras
• Kualitas pelayanan

Konsumsi energi

Di WSN, konsumsi daya adalah salah satu masalah utama. Sebagai sumber energi, baterai digunakan dengan melengkapi node sensor. Jaringan sensor diatur dalam situasi berbahaya sehingga menjadi rumit untuk mengganti jika tidak mengisi ulang baterai. Konsumsi energi terutama bergantung pada operasi node sensor seperti komunikasi, penginderaan & pemrosesan data. Sepanjang komunikasi, konsumsi energi sangat tinggi. Jadi, konsumsi energi dapat dihindari di setiap lapisan dengan menggunakan protokol perutean yang efisien.

Lokalisasi

Untuk pengoperasian jaringan, masalah dasar sekaligus kritisnya adalah lokalisasi sensor. Jadi node sensor diatur secara ad-hoc sehingga mereka tidak tahu tentang lokasinya. Kesulitan dalam menentukan lokasi fisik sensor setelah diatur dikenal sebagai pelokalan. Kesulitan ini dapat diatasi melalui GPS, node beacon, lokalisasi berdasarkan kedekatan.

Cakupan

Node sensor dalam jaringan sensor nirkabel menggunakan algoritme cakupan untuk mendeteksi data serta mengirimkannya ke sink melalui algoritme perutean. Untuk mencakup seluruh jaringan, node sensor harus dipilih. Ada metode yang efisien seperti algoritma jalur eksposur terendah dan tertinggi serta protokol desain cakupan yang direkomendasikan.

Jam

Di WSN, sinkronisasi jam adalah layanan yang serius. Fungsi utama dari sinkronisasi ini adalah untuk menawarkan skala waktu biasa untuk node jam lokal dalam jaringan sensor. Jam ini harus disinkronkan dalam beberapa aplikasi seperti pemantauan serta pelacakan.

Komputasi

Perhitungan dapat didefinisikan sebagai jumlah data yang berlanjut melalui setiap node. Masalah utama dalam komputasi adalah harus mengurangi pemanfaatan sumber daya. Jika umur stasiun pangkalan lebih berbahaya, maka pemrosesan data akan diselesaikan di setiap node sebelum data dikirim ke stasiun pangkalan. Di setiap node, jika kita memiliki beberapa sumber daya maka seluruh komputasi harus dilakukan di sink.

Biaya produksi

Di WSN, sejumlah besar node sensor diatur. Jadi jika harga single node sangat tinggi maka harga jaringan secara keseluruhan juga akan tinggi. Pada akhirnya, harga setiap node sensor harus dikurangi. Jadi harga setiap node sensor dalam jaringan sensor nirkabel merupakan masalah yang menuntut.

Desain Perangkat Keras

Saat merancang perangkat keras jaringan sensor seperti kontrol daya, pengontrol mikro & unit komunikasi harus hemat energi. Desainnya bisa dibuat sedemikian rupa sehingga menggunakan energi yang rendah.

Kualitas pelayanan

Kualitas layanan atau QoS tidak lain adalah, data harus didistribusikan tepat waktu. Karena beberapa aplikasi berbasis sensor real-time sangat bergantung pada waktu. Jadi jika data tidak didistribusikan tepat waktu ke penerima maka data tersebut akan menjadi tidak berguna. Di WSN, ada berbagai jenis masalah QoS seperti topologi jaringan yang mungkin sering berubah serta status informasi yang dapat diakses yang digunakan untuk perutean bisa jadi tidak tepat.

Struktur Jaringan Sensor Nirkabel

Struktur WSN terutama terdiri dari berbagai topologi yang digunakan untuk jaringan komunikasi radio seperti star, mesh, dan hybrid star. Topologi ini dibahas secara singkat di bawah ini.

Star Network

Topologi komunikasi seperti jaringan bintang digunakan di mana pun hanya stasiun pangkalan yang dapat mengirimkan atau menerima pesan ke node jarak jauh. Ada sejumlah node yang tersedia yang tidak diperbolehkan untuk saling mengirimkan pesan. Manfaat jaringan ini terutama terdiri dari kesederhanaan, yang mampu meminimalkan penggunaan daya dari node jarak jauh.

Ini juga memungkinkan komunikasi dengan latensi yang lebih sedikit di antara stasiun pangkalan serta node jarak jauh. Kelemahan utama dari jaringan ini adalah bahwa stasiun pangkalan harus berada dalam jangkauan radio untuk semua node yang terpisah. Ini tidak kuat seperti jaringan lain karena bergantung pada satu node untuk menangani jaringan.

Jaringan Mesh

Jenis jaringan ini memungkinkan transmisi data dari satu node ke node lain di dalam jaringan yang berada dalam jangkauan transmisi radio. Jika sebuah node perlu mengirimkan pesan ke node lain dan berada di luar jangkauan komunikasi radio, maka node tersebut dapat menggunakan node seperti perantara untuk mengirim pesan ke node yang diinginkan.

Manfaat utama dari jaringan mesh adalah skalabilitas serta redundansi. Ketika node individu berhenti bekerja, node jarak jauh dapat berkomunikasi dengan tipe node lain dalam jangkauan, kemudian meneruskan pesan ke lokasi yang diinginkan. Selain itu, jangkauan jaringan tidak secara otomatis dibatasi melalui jangkauan di antara node tunggal yang dapat diperluas hanya dengan menambahkan sejumlah node ke sistem.

Kelemahan utama dari jenis jaringan ini adalah penggunaan daya untuk node jaringan yang menjalankan komunikasi seperti multi-hop biasanya lebih tinggi daripada node lain yang tidak memiliki kapasitas yang sering membatasi masa pakai baterai. Selain itu, ketika jumlah hop komunikasi meningkat menuju suatu tujuan, maka waktu yang dibutuhkan untuk mengirim pesan juga akan meningkat, terutama jika proses node dengan daya rendah adalah suatu keharusan.

Hybrid Star - Jaringan Mesh

Gabungan antara dua jaringan seperti bintang dan mesh menyediakan jaringan komunikasi yang kuat dan fleksibel sambil menjaga konsumsi daya node sensor nirkabel seminimal mungkin. Dalam topologi jaringan semacam ini, node sensor dengan daya yang lebih kecil tidak diizinkan untuk mengirimkan pesan.
Ini memungkinkan untuk mempertahankan pemanfaatan daya paling sedikit.

Tetapi, node jaringan lain diperbolehkan dengan kemampuan multi-hop dengan memungkinkan mereka mengirimkan pesan dari satu node ke node lain di jaringan. Biasanya, node dengan kapasitas multi-hop memiliki daya tinggi dan sering dicolokkan ke saluran listrik. Ini adalah topologi yang diimplementasikan melalui jaringan mesh standar yang akan datang yang disebut ZigBee.

Struktur Node Sensor Nirkabel

Komponen yang digunakan untuk membuat node sensor nirkabel adalah unit yang berbeda seperti sensing, processing, transceiver & power. Ini juga mencakup komponen tambahan yang bergantung pada aplikasi seperti generator listrik, sistem pencarian lokasi & penggerak. Secara umum unit penginderaan mencakup dua subunit yaitu ADC serta sensor. Di sini sensor menghasilkan sinyal analog yang dapat diubah menjadi sinyal digital dengan bantuan ADC, setelah itu dikirimkan ke unit pemrosesan.

Umumnya, unit ini dapat dikaitkan melalui unit penyimpanan kecil untuk menangani tindakan agar node sensor bekerja dengan node lain untuk mencapai tugas penginderaan yang dialokasikan. Node sensor dapat dihubungkan ke jaringan dengan bantuan unit transceiver. Pada node sensor salah satu komponen penting adalah node sensor. Unit daya didukung melalui unit pemulung listrik seperti sel surya sedangkan subunit lainnya bergantung pada aplikasi.

Diagram blok fungsional node penginderaan nirkabel ditunjukkan di atas. Modul ini memberikan platform serbaguna untuk menangani kebutuhan aplikasi yang luas. Misalnya, berdasarkan sensor yang akan diatur, dapat dilakukan penggantian blok pengkondisian sinyal. Ini memungkinkan untuk menggunakan berbagai sensor bersama dengan node penginderaan nirkabel. Demikian juga, tautan radio dapat ditukar dengan aplikasi tertentu.

Karakteristik Jaringan Sensor Nirkabel

Karakteristik WSN meliputi berikut ini.

• Konsumsi batas Daya untuk node dengan baterai
• Kapasitas untuk menangani kegagalan node
• Beberapa mobilitas node dan Heterogenitas node
• Skalabilitas untuk skala distribusi yang besar
• Kemampuan untuk memastikan kondisi lingkungan yang ketat
• Mudah digunakan
• Desain lintas lapisan

Keuntungan Jaringan Sensor Nirkabel

Keuntungan dari WSN meliputi yang berikut ini

• Pengaturan jaringan dapat dilakukan tanpa infrastruktur yang tidak bergerak.
• Cocok untuk tempat-tempat yang tidak terjangkau seperti pegunungan, di atas laut, daerah pedesaan, dan hutan dalam.
• Fleksibel jika ada situasi santai saat stasiun kerja tambahan diperlukan.
• Harga eksekusi tidak mahal.
• Ini menghindari banyak kabel.
• Ini mungkin menyediakan akomodasi untuk perangkat baru kapan saja.
• Itu dapat dibuka dengan menggunakan pemantauan terpusat.

Aplikasi Jaringan Sensor Nirkabel

Jaringan sensor nirkabel dapat terdiri dari berbagai jenis sensor seperti laju pengambilan sampel rendah, seismik, magnet, termal, visual, inframerah, radar, dan akustik, yang pandai memantau berbagai situasi ambien. Node sensor digunakan untuk penginderaan konstan, ID peristiwa, deteksi peristiwa & kontrol lokal aktuator. Aplikasi jaringan sensor nirkabel terutama mencakup area kesehatan, militer, lingkungan, rumah, & komersial lainnya.

Aplikasi WSN

• Aplikasi Militer
• Aplikasi Kesehatan
• Aplikasi Lingkungan
• Aplikasi Rumah
• Aplikasi Komersial
• Pemantauan area
• Pemantauan perawatan kesehatan
• Penginderaan lingkungan / Bumi
• Pemantauan polusi udara
• Deteksi kebakaran hutan
• Deteksi tanah longsor
• Pemantauan kualitas air
• Pemantauan industri

Jadi, ini semua tentang apa itu a jaringan sensor nirkabel , arsitektur jaringan sensor nirkabel, karakteristik, dan aplikasi. Kami berharap Anda memiliki pemahaman yang lebih baik tentang konsep ini. Selanjutnya, pertanyaan atau apa pun yang perlu diketahui ide proyek jaringan sensor nirkabel , tolong berikan saran berharga Anda dengan berkomentar di bagian komentar di bawah. Ini pertanyaan untukmu, Apa saja jenis jaringan sensor nirkabel?