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傳感器技術在構建實時監(jiān)控系統(tǒng)中的作用

發(fā)布時間:2023-12-26 責任編輯:lina

【導讀】在無線傳感器技術中,物聯(lián)網(wǎng)生成的傳感器數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡服務器,工程師可以在其中跟蹤參數(shù)。遠距離無線通信提高了工業(yè) 4.0 的成本效率并減少了人力。實時監(jiān)控系統(tǒng)旨在顯示傳感器節(jié)點周圍的快速變化,這需要快速、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。如果數(shù)據(jù)到達云端存在延遲,則違背了通過傳感器技術進行實時監(jiān)控系統(tǒng)的理念。


在無線傳感器技術中,物聯(lián)網(wǎng)生成的傳感器數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡服務器,工程師可以在其中跟蹤參數(shù)。遠距離無線通信提高了工業(yè) 4.0 的成本效率并減少了人力。實時監(jiān)控系統(tǒng)旨在顯示傳感器節(jié)點周圍的快速變化,這需要快速、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。如果數(shù)據(jù)到達云端存在延遲,則違背了通過傳感器技術進行實時監(jiān)控系統(tǒng)的理念。

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是實時系統(tǒng)中重要的技術之一。它由許多獨立運行的傳感器節(jié)點組成,可以收集、存儲和處理環(huán)境條件,而不依賴于預先存在的基礎設施。它具有低成本、小尺寸、低功耗要求、不同的傳感能力和動態(tài)組網(wǎng)特性。有了這些參數(shù),WSN 就適合在很少維護的地方使用,在那里它們可以收集信息并將其返回給主機進行管理和分析。

在此類模型中,架構涉及傳感器節(jié)點、連接到 GSM/GPRS 的微控制器以及遠程數(shù)據(jù)庫。微控制器將傳入的非結構化傳感器數(shù)據(jù)存儲在外部存儲驅動器中。傳感器數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS模塊上傳至遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)庫,為用戶提供實時數(shù)據(jù)。同時,數(shù)據(jù)被記錄到microSD模塊中。數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡服務器在任何地方訪問,數(shù)據(jù)存儲在云中。

傳感器網(wǎng)絡技術架構

雖然架構在優(yōu)化性能方面發(fā)揮著至關重要的作用,但網(wǎng)絡和設計流程也有助于提高目標系統(tǒng)的效率。當數(shù)據(jù)從一點傳輸?shù)搅硪稽c時,隨著延遲的減少,系統(tǒng)變得更加高效。減少內部硬件延遲可能就是這樣的技術之一。因此,設計具有并行處理而不是串行架構的系統(tǒng)可以減少計算負載并提高整體性能。

對于密集部署的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN),發(fā)送數(shù)據(jù)的典型方式是通過靜態(tài)Sink進行多跳或點對點傳輸??拷黃ink的節(jié)點往往會消耗更多的能量,因為它們負責接收和轉發(fā)來自整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。這會導致網(wǎng)絡斷開并引發(fā)“熱點問題”。另一方面,為了減少數(shù)據(jù)收集的端到端延遲,Sink應該靠近事件源。但由于事件發(fā)生在網(wǎng)絡區(qū)域內的不同區(qū)域,因此無法使用靜態(tài)Sink來實現(xiàn)。

以頻率操作系統(tǒng)也可以提高處理速度。然而,這是以高功耗為代價的,這也可能引發(fā)發(fā)熱和組件老化等問題。因此,達到方法應該涉及從網(wǎng)絡角度設計和實現(xiàn)整個系統(tǒng)。因此,高效的網(wǎng)絡可以克服硬件設計和架構造成的延遲。

一項研究表明,具有多接收器的低延遲數(shù)據(jù)收集方法可以平衡無線傳感器網(wǎng)絡中的功耗并降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。在這種技術中,網(wǎng)絡被分成許多虛擬區(qū)域,每個虛擬區(qū)域具有三個或更少的傳感器,并且每個區(qū)域的主要單元是通過評估其剩余能量和與所有其他節(jié)點的距離來選擇的。


傳感器技術在構建實時監(jiān)控系統(tǒng)中的作用

傳感器網(wǎng)絡技術架構 


主要區(qū)域單元與移動接收器交互,移動接收器的能源消耗顯著減少,并且端到端延遲也減少。通過在每個DGA中選擇的領導節(jié)點,可以構建節(jié)能的數(shù)據(jù)上傳路徑,并且可以調整Sink軌跡,提高數(shù)據(jù)收集時間效率。此外,借助睡眠調度和傳感半徑調整過程,可以成功減少網(wǎng)絡覆蓋的冗余以及傳感和通信的能耗。

每個數(shù)據(jù)收集區(qū)域 (DGA) 中的領導節(jié)點是通過選擇策略完成的,該策略涉及 DGA 中已存在的一個或多個領導節(jié)點。這些節(jié)點從同一 DGA 中的其他節(jié)點接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳到移動接收器。在網(wǎng)絡生命周期中,移動Sink只需要與這些進行通信。因此,優(yōu)化數(shù)據(jù)收集的效率。

數(shù)據(jù)采集單元


傳感器技術在構建實時監(jiān)控系統(tǒng)中的作用網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)收集單元(mdpi)


但是數(shù)據(jù)收集中的冗余減少考慮了網(wǎng)絡中存在的節(jié)點的密度。如果網(wǎng)絡中節(jié)點的密度太低,則不會從該區(qū)域中選擇。反之,相反,節(jié)點密度高也會造成數(shù)據(jù)采集冗余度高的問題。因此,采用主動節(jié)點選擇策略和感知半徑調整方法。對于 WSN,數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能路徑成為減少延遲的一個重要方面。

為了實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡中的能量平衡,使用了一種基于多接收器的數(shù)據(jù)收集方法。通過在每個DGA中選擇的領導節(jié)點,可以建立節(jié)能的數(shù)據(jù)上傳路徑。此外,借助睡眠調度和感知半徑調整策略,還可以有效減少網(wǎng)絡覆蓋的冗余以及感知和通信的能耗。



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