센서 노드

Sensor node
센서 노드의 일반적인 아키텍처.

센서 노드는 mote(북미에서는 주로 mote)라고도 불리며, 센서 네트워크 내의 일부 처리, 감각 정보 수집 및 네트워크 내의 다른 연결된 노드와 통신할 수 있는 노드입니다.Mote는 노드이지만 노드가 항상 [citation needed]Mote인 것은 아닙니다.

역사

1998년 Smartdust project[1]에 무선 센서 노드 십년 동안 응용 프로그램은 지진 측정 warfare에 다양한를 사용하여 존재해 왔지만 작은 센서 노드의 현대 개발로 거슬러 갈 사람들과 나사 센서 Web[2]하나는 Smartdust 프로젝트의 목표로 자율적 센서와 통신 만드는 것이었다.는 c에우빅 밀리미터의 공간입니다.이 프로젝트는 일찍 끝났지만 더 많은 연구 프로젝트들로 이어졌다.여기에는[3] 버클리 NEST와 [4]CENS의 주요 연구 센터가 포함됩니다.이 프로젝트와 관련된 연구원들은 센서 노드를 지칭하기 위해 mote라는 용어를 만들었습니다.NASA Sensor Web Project에서 물리적 센서 노드를 가리키는 동등한 용어는 포드이지만 센서 웹의 센서 노드는 다른 센서 웹 자체일 수 있습니다.물리 센서 노드는 무어의 법칙과 연계하여 성능을 향상시킬 수 있었습니다.칩 설치 공간에는 더 복잡하고 더 낮은 전력의 마이크로 컨트롤러가 포함되어 있습니다.따라서 동일한 노드 풋프린트에 대해 더 많은 실리콘 기능을 장착할 수 있습니다.오늘날 모트는 가장 긴 무선 범위(수십 킬로미터), 가장 낮은 에너지 소비(수 uA), [5]가장 쉬운 개발 프로세스를 사용자에게 제공하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

구성 요소들

센서 노드의 주요 구성 요소는 마이크로컨트롤러, 트랜시버, 외장 메모리, 전원 및 하나 이상의 센서입니다.

컨트롤러

컨트롤러는 작업을 수행하고 데이터를 처리하며 센서 노드에 있는 다른 구성 요소의 기능을 제어합니다.가장 일반적인 컨트롤러는 마이크로 컨트롤러이지만 컨트롤러로 사용할 수 있는 다른 대안으로는 범용 데스크톱 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, FPGA 및 ASIC가 있습니다.마이크로컨트롤러는 저렴한 비용, 다른 장치에 연결할 수 있는 유연성, 프로그래밍의 용이성 및 낮은 전력 소비량 때문에 센서 노드 등 많은 임베디드 시스템에서 자주 사용됩니다.범용 마이크로프로세서는 일반적으로 마이크로컨트롤러보다 소비전력이 높기 때문에 센서노드에 [citation needed]적합한 선택으로 간주되지 않습니다.광대역 무선 통신 애플리케이션에는 디지털 신호 프로세서를 선택할 수 있지만, 무선 센서 네트워크에서는 무선 통신이 보통입니다.즉, 변조가 간단하고, 처리가 용이하며, 실제 데이터 감지의 신호 처리 태스크가 덜 복잡합니다.따라서 DSP의 장점은 보통 무선 센서노드에는 그다지 중요하지 않습니다.요건에 따라 FPGA를 재프로그래밍 및 재설정할 수 있지만,[citation needed] 이 작업에는 필요 이상으로 많은 시간과 에너지가 소요됩니다.

트랜시버

센서 노드는 ISM 대역을 사용하는 경우가 많아 무선, 주파수 할당 및 글로벌 가용성을 무료로 제공합니다.무선 전송 매체는 무선 주파수(RF), 광통신(레이저), 적외선 중에서 선택할 수 있습니다.레이저는 적은 에너지를 필요로 하지만 통신을 위해 시야를 확보해야 하며 대기 조건에 민감합니다.적외선은 레이저와 마찬가지로 안테나가 필요 없지만 방송능력은 제한적이다.무선 주파수 기반 통신은 대부분의 WSN 애플리케이션에 가장 적합합니다.WSN에서는 라이선스가 필요 없는 통신 주파수 173, 433, 868 및 915MHz 및 2.4GHz를 사용하는 경향이 있습니다.송신기와 수신기의 양쪽의 기능은, 트랜시버라고 불리는 단일의 디바이스에 결합됩니다.트랜시버에는 고유 식별자가 없는 경우가 많습니다.동작 상태는 송신, 수신, 아이돌 및 sleep입니다.최신 세대 트랜시버에는 일부 동작을 자동으로 실행하는 내장 스테이트 머신이 있습니다.

아이돌 모드로 동작하는 트랜시버의 소비전력은 대부분 수신모드에서 [6]소비전력과 거의 동일합니다.따라서 트랜시버가 송수신되지 않을 때는 아이돌모드로 놔두는 것보다 트랜시버를 완전히 셧다운하는 것이 좋습니다.sleep 모드에서 송신 모드로 전환하면 패킷을 송신하기 위해 상당한 전력이 소비됩니다.

외장 메모리

에너지 측면에서 가장 관련성이 높은 메모리의 종류는 마이크로 컨트롤러의 온칩 메모리와 플래시 메모리입니다.오프칩 RAM은 거의 사용되지 않습니다.플래시 메모리는 비용과 스토리지 용량 때문에 사용됩니다.메모리 요건은 응용 프로그램에 크게 의존합니다.저장 목적에 따른 메모리의 두 가지 범주는 애플리케이션 관련 데이터 또는 개인 데이터를 저장하는 데 사용되는 사용자 메모리와 장치 프로그래밍에 사용되는 프로그램 메모리입니다.프로그램 메모리에는 디바이스의 식별 데이터(존재하는 경우)도 포함됩니다.

전원

무선 센서 노드는 센서 노드에 대한 주전원 공급이 어렵거나 불가능할 때 널리 사용되는 솔루션입니다.단, 무선 센서노드는 도달하기 어려운 장소에 배치되어 있는 경우가 많기 때문에 배터리를 정기적으로 교환하는 것은 비용이 많이 들고 불편할 수 있습니다.무선 센서 노드 개발에서 중요한 점은 시스템에 전력을 공급하기에 충분한 에너지가 항상 확보되어 있는지 확인하는 것입니다.센서 노드는 감지, 통신 및 데이터 처리를 위해 전력을 소비합니다.데이터 통신에는 다른 어떤 프로세스보다 많은 에너지가 필요합니다.100m(330ft) 거리에서 1Kb를 송신할 때의 에너지 비용은 초당 1억 명령 프로세서에 [citation needed]의한 300만 명령 실행에 사용되는 에너지 비용과 거의 동일합니다.전원은 배터리 또는 콘덴서에 저장됩니다.충전식 및 비충전식 배터리는 센서 노드의 주요 전원 공급원입니다.전극에 사용되는 NiCd(니켈카드뮴), NiZn(니켈아연), NiMH(니켈금속수소화물), 리튬이온 등에 따라 분류된다.기존 센서는 태양원, 무선주파수(RF), 온도차, 진동 등에서 에너지를 재충전할 수 있다.사용되는 전력 절약 정책에는 DPM(Dynamic Power Management)과 DVS([7]Dynamic Voltage Scaling)가 있습니다.DPM은 현재 사용되지 않거나 활성 상태인 센서 노드의 일부를 종료하여 전력을 절약합니다.DVS 방식은 비결정적 워크로드에 따라 센서 노드 내의 전력 수준을 변화시킵니다.주파수에 따라 전압을 변화시킴으로써 소비전력을 2차적으로 저감할 수 있다.

센서

센서는 무선 센서 노드에서 환경에서 데이터를 캡처하기 위해 사용됩니다.온도나 압력과 같은 물리적 조건의 변화에 측정 가능한 응답을 생성하는 하드웨어 장치입니다.센서는 감시대상 파라미터의 물리데이터를 측정하여 정밀도, 감도 등의 특정특성을 가진다.센서에 의해 생성되는 연속 아날로그 신호는 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털화되어 추가 처리를 위해 컨트롤러로 전송됩니다.일부 센서에는 원시 신호를 디지털 링크(예: I2C, SPI)를 통해 검색할 수 있는 판독치로 변환하는 데 필요한 전자 장치가 포함되어 있으며 많은 센서는 °C와 같은 단위로 변환됩니다.대부분의 센서 노드는 크기가 작고, 에너지를 거의 소비하지 않으며, 높은 체적 밀도로 작동하며, 자율적이고 무인 작동하며 환경에 적응할 수 있습니다.무선 센서 노드는 일반적으로 매우 작은 전자 장치이기 때문에 0.5~2암페어시와 1.2~3.7볼트 미만의 제한된 전원만 장착할 수 있습니다.

센서는 패시브, 전방향 센서, 패시브, 협빔 센서 및 액티브 센서의 세 가지 범주로 분류됩니다.패시브 센서는 액티브 프로브를 통해 실제로 환경을 조작하지 않고도 데이터를 감지합니다.즉, 아날로그 신호를 증폭하는 데만 에너지가 필요합니다.능동형 센서는 소나 레이더 센서와 같은 환경을 능동적으로 탐색하며 전원으로부터 지속적인 에너지를 필요로 합니다.협빔 센서는 카메라와 마찬가지로 측정 방향에 대한 명확한 개념을 가지고 있습니다.전방향 센서는 측정과 관련된 방향에 대한 개념이 없습니다.

WSN에 관한 대부분의 이론적인 작업은 수동적인 전방향 센서의 사용을 전제로 하고 있습니다.각 센서 노드는 관찰 중인 특정 양을 신뢰성 있고 정확하게 보고할 수 있는 특정 커버리지 영역을 가지고 있습니다.센서의 소비 전력에는 신호 샘플링과 물리적 신호의 전기적 신호로의 변환, 신호 조절 및 아날로그-디지털 변환이 있습니다.현장에서 센서 노드의 공간 밀도는 m3당 최대 20 노드까지 높을 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 스마트 더스트
  2. ^ NASA 기술 개요
  3. ^ 2001-11-10 홈아카이브된 웨이백 머신
  4. ^ CENS: 2009-04-07년 의회 도서관 웹 아카이브에 보관된 임베디드 네트워크 센싱 센터
  5. ^ "Waspmote: 현대판 Mote"
  6. ^ Y. 쉬, J. 하이데만, D.Estrin, Proc의 애드혹 루팅을 위한 지리 정보에 근거한 에너지 절약.모비콤, 2001, 페이지 70~84
  7. ^ 무선 센서 네트워크에서의 동적 전원 관리, Amit Sinha 및 Anantha Chandrakasan, IEEE 컴퓨터 설계 및 테스트, 제18권, 제2호, 2001년 3월 ~ 4월