Building Wireless Sensor Networks

1. زیگ‌بی: پروتکل بی‌سیم برای شبکه‌های مش بی‌قدرت

"زیگ‌بی یک پروتکل استاندارد ارتباطی برای شبکه‌های مش بی‌سیم با مصرف کم انرژی است."

ویژگی‌های منحصر به فرد زیگ‌بی آن را برای شبکه‌های حسگر و اتوماسیون خانگی ایده‌آل می‌سازد:

• مصرف کم انرژی
• شبکه مش خودترمیم
• پشتیبانی از حداکثر 65,000 گره
• نرخ داده 250 کیلوبیت بر ثانیه در فرکانس 2.4 گیگاهرتز

زیگ‌بی بر اساس استاندارد IEEE 802.15.4 ساخته شده و قابلیت‌های مسیریابی و شبکه‌سازی را اضافه می‌کند. این پروتکل برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به عمر باتری طولانی و شبکه‌سازی امن دارند، اما به پهنای باند بالا نیاز ندارند. مثال‌ها شامل:

• سیستم‌های انرژی هوشمند
• اتوماسیون خانگی
• کنترل صنعتی
• نظارت بر سلامت

2. رادیوهای XBee: ماژول‌های قابل تنظیم برای ارتباط زیگ‌بی

"XBee یک برند رادیویی است که از انواع پروتکل‌های ارتباطی، از جمله زیگ‌بی، 802.15.4 و وای‌فای، پشتیبانی می‌کند."

ماژول‌های XBee انعطاف‌پذیری و سهولت استفاده را برای پیاده‌سازی‌های زیگ‌بی ارائه می‌دهند:

• فرم‌فاکتورهای متعدد (سوراخ‌دار، نصب سطحی)
• گزینه‌های مختلف آنتن (چیپ، سیم، کانکتور U.FL، کانکتور RPSMA)
• قابل تنظیم به عنوان هماهنگ‌کننده، مسیریاب یا دستگاه نهایی

رادیوهای XBee می‌توانند با استفاده از:

• دستورات AT برای تنظیمات ساده
• حالت API برای عملیات پیچیده‌تر
• نرم‌افزار X-CTU برای به‌روزرسانی و تنظیمات فریم‌ور

این ماژول‌ها به راحتی با میکروکنترلرهایی مانند آردوینو یکپارچه می‌شوند و برای نمونه‌سازی و پیاده‌سازی‌های کوچک محبوب هستند.

3. توپولوژی‌های شبکه: جفت، ستاره، مش و درخت خوشه‌ای

"شبکه‌های زیگ‌بی می‌توانند در چندین چیدمان یا توپولوژی مختلف به هم متصل شوند تا ساختار شبکه را فراهم کنند."

زیگ‌بی از چندین توپولوژی پشتیبانی می‌کند تا نیازهای مختلف کاربردی را برآورده کند:

• جفت: ساده‌ترین شکل، فقط دو گره
• ستاره: هماهنگ‌کننده مرکزی با چندین دستگاه نهایی
• مش: مسیریاب‌ها پیام‌ها را منتقل می‌کنند و دامنه شبکه را گسترش می‌دهند
• درخت خوشه‌ای: ترکیبی از توپولوژی‌های ستاره و مش

هر توپولوژی مزایای خود را دارد:

• ستاره ساده است اما در دامنه محدود است
• مش افزونگی و خودترمیمی را ارائه می‌دهد
• درخت خوشه‌ای تعادل بین پیچیدگی و پوشش را فراهم می‌کند

انتخاب توپولوژی به عواملی مانند چیدمان فیزیکی، نیازهای انرژی و مقاومت شبکه بستگی دارد.

4. آدرس‌دهی در زیگ‌بی: 64 بیتی، 16 بیتی و شناسه‌های گره

"تقریباً هر فردی آدرسی دارد که می‌توان به آن دسترسی پیدا کرد، معمولاً یکی که برای او منحصر به فرد است. بسیاری از افراد بیش از یک آدرس دارند. ما آدرس‌های پستی، آدرس‌های ایمیل، شماره تلفن‌ها، شماره گذرنامه‌ها و غیره داریم. هر نوع آدرس یا شناسه هدف کمی متفاوت دارد. این موضوع در مورد رادیوها نیز صادق است."

زیگ‌بی از چندین طرح آدرس‌دهی استفاده می‌کند برای انعطاف‌پذیری و کارایی:

• آدرس 64 بیتی: "شماره سریال" منحصر به فرد و کارخانه‌ای
• آدرس 16 بیتی: برای مسیریابی کارآمد در شبکه اختصاص داده شده
• شناسه گره: رشته قابل خواندن برای شناسایی آسان

انواع آدرس‌دهی و کاربردهای آن‌ها:

1. 64 بیتی: تضمین شده که در تمام دستگاه‌های زیگ‌بی منحصر به فرد است
2. 16 بیتی: به صورت پویا اختصاص داده شده، منحصر به فرد در یک شبکه
3. شناسه گره: نام کاربری اختیاری

درک این روش‌های آدرس‌دهی برای پیکربندی دستگاه‌ها و رفع مشکلات شبکه ضروری است.

5. دستورات AT: پیکربندی رادیوهای XBee برای ارتباط

"هر دستور AT با حروف "AT" شروع می‌شود که به معنای "توجه" است. ایده این است که توجه دستگاه را جلب کنیم، در این مورد رادیوی XBee ما."

دستورات AT یک رابط ساده برای پیکربندی رادیوهای XBee فراهم می‌کنند:

• ورود به حالت فرمان با "+++"
• استفاده از دستورات مانند ATID (شناسه PAN)، ATDH/ATDL (آدرس مقصد)
• نوشتن تنظیمات در حافظه غیر فرار با ATWR

دستورات AT رایج:

• ATID: تنظیم/خواندن شناسه PAN
• ATMY: خواندن آدرس شبکه 16 بیتی
• ATDH/ATDL: تنظیم/خواندن آدرس مقصد
• ATNI: تنظیم/خواندن شناسه گره

حالت AT برای پیکربندی‌های ساده و تعامل مستقیم انسانی با رادیو مناسب است.

6. حالت API: کنترل پیشرفته و مدیریت داده

"APIها به یک برنامه کامپیوتری اجازه می‌دهند تا به صورت استاندارد از برنامه دیگری خدمات درخواست کند."

حالت API تبادل داده ساختاریافته را برای برنامه‌های پیچیده‌تر ارائه می‌دهد:

• امکان ارتباط همزمان با چندین مقصد
• ارائه تأیید تحویل و پیکربندی از راه دور
• فعال‌سازی ویژگی‌های پیشرفته مانند به‌روزرسانی فریم‌ور و مدیریت شبکه

ساختار فریم API:

1. جداکننده شروع (0x7E)
2. بایت‌های طول
3. داده‌های خاص فریم
4. چک‌سام

حالت API برای:

• دریافت نمونه‌های I/O از دستگاه‌های راه دور
• مدیریت شبکه‌های بزرگ
• یکپارچه‌سازی رادیوهای XBee با سیستم‌های کامپیوتری ضروری است.

7. ایجاد شبکه‌های حسگر: از ساده تا پیچیده

"ساخت شبکه‌های حسگر بی‌سیم یک راهنمای ضروری برای هر کسی است که به ارتباطات بی‌سیم برای شبکه‌های حسگر، شبکه‌سازی خانگی یا هک دستگاه‌ها علاقه‌مند است."

شبکه‌های حسگر می‌توانند به صورت تدریجی ساخته شوند، با پروژه‌های ساده شروع کنید:

• ارتباط جفتی پایه (مثلاً زنگ درب بی‌سیم)
• شبکه حسگر دما با چندین گره
• سیستم‌های اتوماسیون خانگی

اجزای کلیدی برای شبکه‌های حسگر:

• رادیوهای XBee برای ارتباط بی‌سیم
• حسگرها (دما، نور، حرکت و غیره)
• میکروکنترلرها (مثلاً آردوینو) برای پردازش محلی
• منابع تغذیه (باتری‌ها، پنل‌های خورشیدی)

با رشد شبکه‌ها، موارد زیر را در نظر بگیرید:

• مقیاس‌پذیری آدرس‌دهی و مسیریابی
• مدیریت انرژی برای گره‌های باتری‌دار
• تکنیک‌های تجمیع و تجسم داده

8. حالت خواب: افزایش عمر باتری در شبکه‌های زیگ‌بی

"بی‌سیم شدن اغلب به معنای قطع سیم برق است. پروژه‌هایی که متحرک یا در مکان‌های دورافتاده قرار دارند، اغلب از باتری‌ها یا منبع تغذیه محدود دیگری استفاده می‌کنند که نیاز به صرفه‌جویی در انرژی دارد."

حالت خواب به طور چشمگیری عمر باتری را افزایش می‌دهد در شبکه‌های زیگ‌بی:

• خواب چرخه‌ای: رادیو به صورت دوره‌ای بیدار می‌شود تا پیام‌ها را بررسی کند
• خواب پین: سیگنال خارجی حالت خواب را کنترل می‌کند

پیکربندی حالت خواب:

• دستور ATSM حالت خواب را تنظیم می‌کند
• ATSP دوره خواب را تنظیم می‌کند
• ATST زمان قبل از خواب را تنظیم می‌کند

ملاحظات برای حالت خواب:

• دستگاه‌های والد باید پیام‌ها را برای کودکان خوابیده بافر کنند
• تعادل بین صرفه‌جویی در انرژی و پاسخگویی
• برخی گره‌ها (مثلاً مسیریاب‌ها) معمولاً نمی‌توانند از حالت خواب استفاده کنند

9. اتصال به اینترنت: دروازه‌ها و دروازه اینترنت XBee (XIG)

"دروازه اینترنت XBee یک برنامه پایتون است که می‌تواند به صورت آماده بر روی هر ConnectPort بارگذاری شود. این یک رابط است که تعاملات انسانی در مرورگرهای وب را منعکس می‌کند."

دروازه‌ها شبکه‌های زیگ‌بی را به اینترنت متصل می‌کنند، امکان:

• نظارت و کنترل از راه دور
• تجمیع داده و ذخیره‌سازی ابری
• یکپارچه‌سازی با خدمات وب

ویژگی‌های دروازه اینترنت XBee (XIG):

• بر روی دستگاه‌های ConnectPort اجرا می‌شود
• بین پروتکل‌های زیگ‌بی و HTTP ترجمه می‌کند
• به شبکه‌های زیگ‌بی اجازه می‌دهد با خدمات وب تعامل کنند

راه‌اندازی یک شبکه زیگ‌بی متصل به اینترنت:

1. پیکربندی یک ConnectPort با XIG
2. تنظیم رادیوهای XBee برای ارتباط با دروازه
3. استفاده از دستورات ساده شبیه URL برای تعامل با خدمات وب

10. اشتراک‌گذاری و تجسم داده: زنده کردن داده‌های حسگر

"با قرار دادن داده‌های خود در مکانی قابل دسترسی، می‌توانید توانایی‌های خود را به نمایش بگذارید، با همکاران به اشتراک بگذارید و شاید اطلاعات خود را به پروژه‌های دیگر در سراسر جهان منتقل کنید."

اشتراک‌گذاری داده‌های حسگر ارزش آن را افزایش می‌دهد از طریق:

• همکاری با سایر محققان یا علاقه‌مندان
• یکپارچه‌سازی با ابزارهای تجسم داده
• مشارکت در مجموعه داده‌های بزرگ‌تر یا پروژه‌های علمی شهروندی

پلتفرم‌های محبوب برای اشتراک‌گذاری داده‌های حسگر:

• Pachube (اکنون Xively): سرویس ابری برای داده‌های بلادرنگ
• ThingSpeak: پلتفرم متن‌باز برای برنامه‌های IoT
• برنامه‌های وب سفارشی با استفاده از فریم‌ورک‌هایی مانند Processing

تکنیک‌های تجسم:

• نمودارها و گراف‌های بلادرنگ
• نقشه‌برداری جغرافیایی از مکان‌های حسگر
• داشبوردهای تعاملی برای کاوش داده

با اشتراک‌گذاری و تجسم داده‌ها، شبکه‌های حسگر می‌توانند بینش‌ها و ارزشی فراتر از کاربرد فوری خود ارائه دهند و به درک گسترده‌تر از محیط و اکوسیستم اینترنت اشیا کمک کنند.

آخرین به‌روزرسانی:: November 21, 2024