Zavádění bezdrátových senzorových sítí

Zavádění bezdrátových senzorových sítí
Spolehlivost bezdrátových senzorových sítí se zvýšila a jejich využití je stále větší.
Senzorové sítě tvoří infrastruktura lokálních senzorů, komunikační médium a centrální, společná jednotka zpracování dat. Bezdrátové senzorové sítě stavějí na tomto konceptu a odpoutávají senzory od pevného komunikačního média. Přináší to obrovskou svobodu a flexibilitu při umisťování senzorů a možnost podrobně vyladit monitorovací schopnosti sítě. Bezdrátová senzorová síť (Wireless Sensor Network – WSN) je přirozeným výsledkem pokroku v oblasti bezdrátových technologií, miniaturizace a baterií. 

Tato technologie rovněž přispívá k masovému rozšíření senzorů a zařízení spotřební třídy, která jsou základem koncepce označované jako internet věcí (Internet of Things – IoT), jíž veřejnost věnuje velkou pozornost. Tento článek popisuje základy bezdrátových senzorových sítí a způsob jejich používání. Čtenáři časopisu Control Engineering si již měli možnost přečíst, jak lze s úspěchem využívat bezdrátové lokální sítě (Wireless Local Area Networks – WLAN), které přinášejí vyšší efektivitu a eliminují ušlý čas. Bezdrátové senzorové sítě posouvají tuto koncepci ještě dále a využívají stávající bezdrátovou (a kabelovou) infrastrukturu k vybudování rozsáhlých sítí senzorů, jež zasáhnou téměř do všech oblastí našeho života. 

Úspora energie

Bezdrátové senzory jsou obvykle malé samostatné jednotky s nízkou spotřebou a poměrně malým výpočetním výkonem. Hlavním rysem této technologie je schopnost bezdrátové komunikace, a to buď s centrálním portálem, nebo jako součást sítě typu mesh s použitím dalších zařízení pro rozšíření dosahu. Pro bezdrátové senzory je zásadní využívání algoritmů pro úsporu energie, aby zůstaly provozuschopné po dlouhou dobu. Technologie baterií se zdokonalují. Zvýšená kapacita baterie společně se schopností přejít na dlouhá období do režimu nečinnosti umožňují dosáhnout výdrže baterie až na několik let provozu. 

Většina mobilních zařízení již tuto schopnost má (například Bluetooth a Zigbee), protože algoritmy pro úsporu energie jsou požadovanou funkcí u všech zařízení certifikovaných pro Wi-Fi a rovněž u zařízení splňujících normu bezdrátového přenosu IEEE 802.15.4-2015: IEEE Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks. Pracují na jednoduchém principu: pokud není potřeba hlásit nějakou aktivitu nebo událost, senzor přechází do režimu spánku. V případě události nebo po uplynutí stanoveného časového období se senzor probudí, posoudí situaci, oznámí stav a přejde zpět do režimu spánku. Tento cyklus může spustit také dotazovací algoritmus, který oslovuje jednotlivé senzory. Je možné také nastavit pracovní cyklus, aby senzor zapínal a vypínal, a tím v podstatě snížit spotřebu energie na polovinu. Tyto senzory jsou již od počátku navrženy tak, aby fungovaly jako síťové uzly s nízkou spotřebou energie. 

Na velikosti záleží: mnoho malých senzorů

Nejvýraznějším rysem nové generace bezdrátových senzorů je jejich velikost. Senzory se označují výstižnými názvy: „chytrý prach“, „komerčně dostupná zrnka prachu“ nebo jednoduše „zrnka“. Jejich velikost se pohybuje od nanorozměrů až po makroskopickou velikost. K senzorům s nanorozměry patří biologické nebo malé pasivní senzory, které mohou nebo nemusejí být zabudované. Většími senzory jsou pak například značky (tagy) pro výběr mýtného, přístupové karty apod. Myšlenkou je využívat infrastrukturu malých distribuovaných senzorů s nízkou spotřebou a nízkou přenosovou kapacitou s různými úrovněmi výpočetního výkonu, které vytvoří větší, téměř organické sítě s vysokým rozlišením. 

Zpracování dat bude prováděno tradičním způsobem v pevně umístěných centrálních jednotkách pro zpracování dat, jež přijímají data ze sítě a provádějí hromadné zpracování. Zvažuje se také zpracování dat přímo v samotné síti, čímž by vzniklo něco jako „distribuovaný procesor“. Realizací by pak vznikla velká distribuovaná síť komunikující s nejrůznějšími senzory, které budou fungovat autonomním způsobem. To by vyžadovalo společný standard pro otevřenou komunikaci a data, aby byla zajištěna bezproblémová interoperabilita. 

Uplatnění technologií bezdrátových senzorů

Seznam aplikací, v nichž lze použít bezdrátové senzory, je poměrně dlouhý. Obvyklou aplikací jsou systémy zabezpečení. Bezdrátové řízení přístupu a monitorování úseků se již ve značné míře provádí pomocí bezdrátových technologií. Dalším uplatněním je státní energetická síť nebo celostátní síť meteorologických stanic. Společným aspektem u těchto již realizovaných senzorových sítí je schopnost komunikovat po stávající komunikační infrastruktuře. Nicméně mnoho systémů je vysoce specializovaných a schopných využívat speciální komunikační schémata, což značně zvyšuje jejich náklady a složitost. Z toho vyplývá potřeba standardizovaného přístupu. 

Očekává se, že senzorové sítě budoucnosti budou komunikovat po rozsáhlé architektuře typu mesh, přičemž každý její uzel bude mít schopnost předávat data z jiných uzlů a ta nakonec skončí v agregátoru dat, kde se budou nesourodá data zpracovávat. Senzory budou v obrovských množstvích nasazovány do sítí s vysokou hustotou. Budou síťově propojeny pomocí krátkodosahových nízkovýkonových bezdrátových spojení mezi uzly, přičemž pro komunikaci na větší vzdálenost se bude využívat stávající komunikační infrastruktura, zejména konektivita WLAN a internetu. 

Bezdrátové senzorové sítě usnadní instrumentaci a řízení domácností, továren, zpracovatelských závodů, lodí, letadel… a mohli bychom pokračovat donekonečna. Díky všudypřítomným senzorovým sítím bude možné monitorovat každý aspekt provozu, což například budovám umožní oznamovat konstrukční oslabení a zpracovatelskému procesu identifikovat anomálie, které by tradičním fixním senzorům unikly. V průmyslovém procesu je možné bezdrátové senzory injektovat do procesního toku a průběžně monitorovat tisíce bodů. Chytré senzory, které monitorují několik různých parametrů, mohou fungovat také jako miniaturní laboratoře a odesílat data zpět do systému SCADA k provedení požadovaných kroků. Pomocí této technologie je možné vpravit přístrojovou techniku dokonce i do lidského těla. Očekává se rozsáhlé používání pro monitorování parametrů, jako je chemické složení krve nebo komplexní elektrická aktivita těla, a přenos těchto dat k lékaři pacienta jako upozornění na události potenciálně ohrožující zdraví. Seznam aplikací bezdrátových senzorových sítí je nekonečný. A upozornění na závěr: Jak jsme již mohli sledovat u masového rozšíření mobilních zařízení, je snadné stát se na nich závislými a ztratit schopnost uvažovat samostatně. Bezdrátové senzorové sítě nejsou náhradou kritického analytického myšlení a konání. 

Daniel E. Capano je šéf projektu instrumentace společnosti Gannett Fleming Engineers and Architects v New Yorku. Je člen redakčního poradního sboru časopisu Control Engineering. Upravil Jack Smith, obsahový ředitel, CFE Media, Control Engineering, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com