無線技術の分野における最近の発展のおかげで、新しいセンサー ネットワークが環境や産業に役立っています。数十年にわたり、温度、圧力、光度などの物理現象を観察および制御する必要性は、多くの産業および科学用途にとって不可欠でした。エコロジーの分野では、オゾン、NO 2 、さらには CO 2などの汚染物質を監視することで、都市の生活の質を大幅に向上させることができます。少し前までは、センサーデータを中央コントローラーに転送する唯一の解決策はケーブル接続でしたが、これには高価で扱いにくいという主な欠点がありました。現在、ワイヤレス技術の最近の進歩のおかげで、ワイヤレス センサー ネットワークを使用した新しい製品がこの環境データの回復に使用されています。これらの民間用途に加えて、特に侵入検知、戦場での戦闘員の位置特定など、センサー ネットワークの軍事用途も明らかにあります。
導入
マイクロエレクトロニクス、マイクロメカニクス、無線通信技術の分野におけるここ数十年の進歩により、体積数立方ミリメートルのコンポーネントを妥当なコストで製造できるようになりました。後者はマイクロセンサーと呼ばれ、物理量 (熱、湿度、振動) を捕捉してデジタル量に変換する感知ユニット、コンピューター処理およびデータ保存ユニット、およびワイヤレス送信モジュールを統合します。
その結果、マイクロセンサーは真の組み込みシステムとなります。環境データを収集し、自律的な方法で 1 つ以上の収集ポイントに送信するために、それらのいくつかを配置すると、ワイヤレス センサーのネットワークが形成されます。
MIT のTechnology Review誌によると、これは世界と私たちの生活や働き方を変える 10 の新しいテクノロジーのうちの 1 つです。
説明と特徴
ワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) は、特別なタイプのアドホック ネットワークとみなされます。このタイプのネットワークのノードは、環境データを自律的に収集および送信できる多数のマイクロセンサーで構成されています。これらのノードの位置は、必ずしも事前に決定されているわけではありません。これらは、捕捉される現象の対象エリアを定義する集水フィールドと呼ばれる地理的エリア全体にランダムに分散されます。キャプチャされたデータは、マルチホップルーティングを使用して、シンク ノードと呼ばれる「収集ポイント」とみなされるノードにルーティングされます。後者は、インターネットまたは衛星を介してネットワーク ユーザーに接続できます。したがって、ユーザーは、必要なデータの種類を指定してネットワーク内の他のノードにリクエストを送信し、シンク ノードを通じてキャプチャされた環境データを収集できます。
アプリケーション
マイクロセンサーの小型化、低コスト化、利用可能なセンサーの種類の広さ（熱、光学、振動など）、および使用される無線通信媒体により、センサー ネットワークがいくつかのアプリケーション分野に侵入することが可能になっています。また、既存のアプリケーションを拡張し、組立ライン制御や自動化などの他のシステムの設計を容易にすることも可能になります。センサー ネットワークは、複雑な物理システムを理解し構築する方法そのものに革命をもたらす可能性を秘めています。センサー ネットワークは、環境からの情報の収集と処理に関して、多くのアプリケーションで非常に役立ちます。これらのネットワークが最大限の貢献を提供できる分野として、軍事、環境、家庭、健康、安全保障などの分野を挙げます。これらのさまざまな分野における潜在的なアプリケーションの例を以下に示します。
軍事用途
多くのテクノロジーの場合と同様、軍事分野がセンサー ネットワーク開発の最初の原動力でした。センサー ネットワークの迅速な導入、低コスト、自己組織化、および耐障害性は、このタイプのネットワークがこのような分野で優れたツールとなる特徴です。この分野での応用例としては、敵軍のあらゆる活動を監視したり、軍隊を派遣する前に地形を分析したりするために、戦略的な場所やアクセスが困難な場所にセンサーのネットワークを配備することが考えられます（化学物質の検出）。 、生物剤または放射線剤）。この地域では、カリフォルニアの砂漠でアメリカ軍によって決定的な実験がすでに行われています。
セキュリティアプリケーション
地震や老朽化に伴う建物の構造の変化は、電源やその他の有線接続を使用せずに、壁やコンクリートに組み込まれたセンサーによって検出できます。センサーは定期的にアクティブにする必要があるため、数年または数十年にわたって動作する可能性があります。モーション センサーのネットワークは、広範囲にわたる侵入を検出するために使用される分散型警報システムを構成できます。重要なポイントがないため、システムの切断はそれほど簡単ではなくなります。鉄道線路を監視して動物や人間との事故を防ぐことは、センサー ネットワークの興味深い応用例となります。ダムの保護は、ダムにセンサーを導入することで実現できる可能性があります。水漏れを迅速に発見することで被害を防ぎます。人間は自分たちを脅かすリスクや攻撃を認識しています。その結果、セキュリティに必要な人的および財政的リソースがすべて提供されます。しかし、現在適用されているセキュリティ メカニズムには、非常に高いコストがかかることを忘れずに、依然として欠陥が存在しています。セキュリティ分野にセンサー ネットワークを適用すると、より良い結果を確保しながら、場所の確保と人間の保護に費やされる財政的支出を大幅に削減できる可能性があります。
環境用途
航空機から森の上に散乱したサーモセンサーは、井戸田で火災が発生した可能性を知らせる可能性があります。これにより、森林火災との闘いの効率が向上します。農業分野では、センサーを種子と一緒に播種することができます。したがって、乾燥地域が簡単に特定され、灌漑がより効率的になります。産業現場、原子力発電所、または石油タンカーにセンサーを設置すると、有毒製品 (ガス、化学薬品、放射性元素、石油など) の漏洩を検出し、効果的な介入を可能にする十分な短時間でユーザーに警告を発することができます。森林や野生生物の保護環境に大量のセンサーを設置し、自然環境の状態や移動行動に関するさまざまな情報を収集します。たとえば、イタリアのピサ大学は、自然公園 (火災、動物など) を監視するためのセンサー ネットワークを作成しました。これにより、自然環境下での研究が難しい動物種を邪魔することなく「観察」することができ、野生動物の保護のためのより効果的な解決策を提案することが可能になります。環境内でのマイクロセンサーの質量分散によって起こり得る影響により、いくつかの懸念が生じています。実際、各マイクロセンサーには有害な金属を含むバッテリーが装備されています。ただし、それぞれ 1立方ミリメートルのセンサーを100 万個配置しても、総体積は 1リットルにすぎません。たとえこの量がすべて電池だったとしても、環境に悲惨な影響を与えることはありません。
医療用途
将来的には、飲み込んだり皮膚の下に埋め込んだりできるマイクロセンサーのおかげで、人間の重要な機能を監視することが可能になるだろうと想像できます。現在、飲み込むことができる超小型カメラが存在します。これらは、手術に頼ることなく、24時間の自律性で人体の内部の画像を送信することができます。最近の研究の著者らは、特定の種類の病気を治療するために人体内で機能するセンサーを実証しました。彼らの現在のプロジェクトは、視力を矯正するために 100 個のマイクロセンサーで構成される人工網膜を作成することです。血糖値の監視、重要臓器の監視、癌の検出など、他の野心的な生物医学的応用例も紹介されています。医療分野でセンサー ネットワークを使用すると、患者を永続的に監視し、より質の高い生理学的情報を収集できるようになり、一部の病気の診断が容易になる可能性があります。
商用アプリケーション
センサーノードを保管および配送プロセスに統合することが可能です。このようにして形成されたネットワークを利用して、荷物や荷物の位置、状態、方向を知ることができます。これにより、荷物の受け取りを待っている顧客は、リアルタイムに配達通知を受けたり、荷物の現在位置を把握したりすることが可能となる。製造企業にとっては、センサー ネットワークにより、原材料から納品される最終製品に至るまでの生産プロセスを監視できるようになります。センサー ネットワークのおかげで、企業はコストを削減しながら、より良いサービス品質を提供できるようになりました。建物では、床タイルや家具にいくつかのマイクロセンサーを統合することで空調システムを設計できます。したがって、人がいる場所で必要な場合にのみ空調を作動させることができます。分散システムにより、室内の温度を均一に維持することもできます。このような用途を大規模に使用すると、世界のエネルギー需要が削減され、それによって温室効果ガスが削減されます。米国だけでも、この節約は年間 550 億ドルと推定され、大気中への炭素排出量は 3,500 万トン削減されます。したがって、地球温暖化への懸念が増大している世界的な状況において、そのような環境への影響は正しい方向への一歩となるでしょう。
プラットフォーム
ワイヤレス センサー ネットワークでの使用に最も適した規格の中には、デュアル プロトコル スタックBluetooth / Zigbeeがあります。エリクソンが 1994 年にプロジェクトを開始した Bluetooth 技術は、 IEEE 802.4.15標準に基づいて標準化されており、個人の範囲内のネットワークである PAN (パーソナル エリア ネットワーク) を構築および維持することを目的としています。このようなネットワークは、互換性のあるデバイス間の低速、短距離のデータ転送に使用されます。残念ながら、この技術の主な欠点は過剰なエネルギー消費であるため、理想的には数年間動作する必要があるバッテリーで駆動されるセンサーでは使用できません。 ZigBee 標準と IEEE 802.15.4 を組み合わせることで、エネルギー節約の観点からセンサー ネットワークのニーズをさらに適切に満たす機能が提供されます。 ZigBee はデータ レートが低くなりますが、Bluetooth よりも消費電力が大幅に少なくなります。送信周波数が重要ではないセンサー ネットワークにとって、データ レートが小さいことはハンディキャップにはなりません。すべてにもかかわらず、メーカー間の現在の傾向は、特定の用途に特化して最適化されるという利点がある独自の技術を使用することですが、これには相互に互換性がないという大きな欠点があります。
材料
新しい技術はセンサー ネットワークの将来に大きな影響を与えるでしょう。 UWB (Ultra Wide Band) はこの良い例です。この送信技術は、ハードウェア レベルでの簡素化により、極めて低い消費レベルを達成することが可能になります。また、従来の狭帯域無線システムに比べ、障害物による信号の減衰が少なくなります。
ソフトウェア
したがって、ワイヤレスセンサーの分野は大きな成長に向かっており、今後数年間で多くの新製品が市場に溢れ出る可能性があります。特に、バークレー大学で開発されたTinyOSなどの「オープンソース」技術がこの実証済みの成功に関連しているためです。 TinyOS は、組み込みワイヤレス センサー用に設計されたオープンソース オペレーティング システムで、現在世界中の 500 以上の大学や研究センターで使用されています。このプラットフォーム上のプログラムの制作は、NesC (C の方言) のみで行われます。この OS の主な特徴は、メモリのサイズが非常に小さい (数キロバイト) ことです。
マイクロセンサーのアーキテクチャ
センサーノードには、センシング ユニット、プロセッシング ユニット、送信ユニット、エネルギー制御ユニットの 4 つの基本ユニットが含まれています。また、応用分野に応じて、位置情報システム (GPS) やエネルギー生成システム (太陽電池) などの追加モジュールが含まれる場合もあります。必要に応じてマイクロセンサーを動かす可動システムを備えた、もう少し大きなマイクロセンサーも見つけることができます。
キャプチャユニット
センシング ユニットは通常、センサー自体とアナログ/デジタル コンバーターの 2 つのサブユニットで構成されます。センサーは、観察された現象に基づいてアナログ信号をアナログ/デジタル コンバーターに提供する役割を果たします。後者は、これらの信号を処理ユニットが理解できるデジタル信号に変換します。
処理ユニット
処理ユニットには、通常、小型の記憶ユニットに関連付けられたプロセッサが含まれており、マイクロセンサー用に特別に設計されたオペレーティング システム (TinyOS など) を使用して動作します。このユニットは、ノードがネットワーク内の他のノードと連携できるようにする通信プロトコルの実行を担当します。取得したデータを分析してシンクノードの負担を軽減することもできます。
送信ユニット
このユニットは、無線媒体を介したすべてのデータの送受信を実行します。光タイプ ( Smart Dust ノードなど) または無線周波数タイプにすることができます。光通信方式は電気的干渉に強いです。ただし、通信するエンティティ間に永続的な見通し線が必要になるという欠点があります。したがって、障害物を越えて接続を確立することはできません。無線周波数タイプの送信ユニットには、変調、復調、フィルタリング、多重化回路が含まれます。これは、マイクロセンサーの複雑さと製造コストの増加を意味します。低エネルギー消費の無線周波数タイプの送信ユニットを設計することは、大きな課題です。実際、ノードが十分に広い通信範囲を持つには、十分に強力な信号を使用する必要があります。ただし、消費されるエネルギーは膨大になります。他の選択肢は長いアンテナを使用することですが、マイクロセンサーのサイズが小さいためこれは不可能です。
エネルギーコントロールユニット
マイクロセンサーには、すべてのコンポーネントに電力を供給するためのエネルギー リソース (通常はバッテリー) が装備されています。しかし、そのサイズが小さいため、利用できるエネルギー資源は限られており、一般に代替不可能です。したがって、エネルギーはマイクロセンサーとネットワーク全体の寿命に直接影響を与えるため、センサー ネットワーク内で最も貴重なリソースとなります。したがって、エネルギー制御ユニットは最も重要なシステムの 1 つです。利用可能なエネルギーを他のモジュールに分配し、たとえば非アクティブなコンポーネントをスタンバイ状態にすることで経費を削減する責任があります。このユニットは、ネットワークの総寿命を延ばすために、太陽電池などの観測環境からのエネルギー再充電システムも管理できます。