شکل ۳-۱٫ اجزا سخت افزاری گره حسگر
ارتباطات: تبدیل گرهها به شبکه، نیاز به دستگاههایی برای ارسال و دریافت اطلاعات روی کانال بیسیم دارند. این قسمت ارتباط فیزیکی بین گرهها و شبکهها را برقرار میکند(Karray&eta1, 2014,1 – ۸). این دستگاهها برای مبادله داده مورد استفاده قرار میگیرند. انتخاب اولیه برای واسط انتقال فرکانسهای رادیوئی[۱۰۴](RF)، ارتباطات نوری[۱۰۵] و فراصوت[۱۰۶] است. اندوکتانس مغناطیسی[۱۰۷] هم در موارد خاصی استفاده میشود. مناسب ترین واسط ارتباطی در WSN ها فرکانس رادیوئی است. مزایای این روش دور برد بودن، نرخ داده زیاد و نرخ خطای مقبول با مصرف انرژی معقول است. این روش نیاز به مسیر مستقیم بین گیرنده و فرستنده ندارد. گیرنده/فرستنده رشته بیت آمده از میکروکنترلر یا پردازنده را دریافت و آنها را به امواج رادیوئی تبدیل میکند. برای اهداف عملی بهتر است از دستگاهی استفاده کنیم که هر دو کار را انجام دهد. چنین دستگاهی گیرنده/فرستنده[۱۰۸] نام دارد(Karl&Willig, 2005). شکل ۳-۲ بلوک دیاگرام یک فرستنده رانشان میدهد. اجزای اصلی آن عبارتند از: مبدل دیجیتال به آنالوگ[۱۰۹]، فیلتر بازساز[۱۱۰]، مخلوط کننده[۱۱۱]، تقویت کننده توان[۱۱۲] و فیلتر RF.
شکل ۳-۲٫ بلوک دیاگرام فرستنده
شکل ۳-۳ بلوک دیاگرام یک گیرنده را نشان میدهد. اجزای اصلی آن عبارتند از: فیلتر انتخاب باند [۱۱۳]RF، تقویت کننده کم نویز[۱۱۴]، تقویت کننده باند پایه[۱۱۵]، فیلتر باند پایه و ضد ناصافی[۱۱۶]، مبدل آنالوگ به دیجیتال[۱۱۷] و ترکیب کننده RF [۱۱۸].
شکل ۳-۳٫ بلوک دیاگرام گیرنده
منبع تغذیه: منبع تغذیه جزء اصلی شبکه حسگر بیسیم است زیرا طول عمر و قابلیت کارکرد طویل المدت گرهها را کنترل میکند. کاربردی ترین و کلی ترین منابع تغذیه باتریهای کوچک و پر عمر هستند. امکان استفاده از انرژی خورشیدی و انرژیهای موجود در محیط نیز وجود دارد. درحالیکه توان مصرفی بستگی زیادی به نوع حسگرهای مورد استفاده دارد، زیر سیستمهای ارتباطی بیشترین انرژی را مصرف میکنند. این حقیقت تأثیر زیادی روی معماری نرم افزاری پیشنهادی برای گره حسگر دارد، چون ارتباطات گران است سعی میشود بیشتر کارهای پردازشی هر گره حد الامکان قبل از مخابره کردن اطلاعات به گرههای دیگر انجام شود(Karray&eta1, 2014,1 – ۸).
نمونه میکروکنترلرهای مورد استفاده ATmel ATmega128، ۸بیتی یاTexas Instrument MSP430، ۱۶بیتی با مقدار RAM متغیر بین KB 2 تا KB 10 و حافظه فلش با سایز KB 128-48 است. حافظه EEPROM خارجی میتواند بین KB 8 تا MB 1 باشد. سرعت ارتباطات رادیوئی حدود kbit/s 100 است(Becher& eta1, 2005).
۳-۲٫ انرژی مصرفی گره حسگر
۳-۲-۱٫ حالات کاری با توان مصرفی متفاوت
منبع تغذیه گرههای حسگر باتری است، که دارای ظرفیت کم است و شارژ دوباره آن از راه بازیافت انرژی کار پیچیدهای است. بنابراین انرژی مصرفی گره باید بخوبی کنترل شود. مصرفکنندههای اصلی انرژی کنترلر، رادیو، حافظه و حسگرها هستند. با کاهش انرژی مصرفی طول عمر شبکه افزایش مییابد. گره حسگر مدت زمان زیادی، کاری انجام نمیدهد بنابراین باید خاموش شود و در زمان نیاز دوباره روشن گردد. حالات مختلف خواب برای اجزا نامبرده بالا وجود دارد. کنترلر دارای حالت فعال، بیبار(در حالت انتظار) و خواب است. مودم رادیو میتواند گیرنده، فرستنده یا هر دو را خاموش یا روشن کند. در حالیکه این حالات واضح هستند تغییر بین این حالات زمانبر و با مصرف انرژی همراه است. شکل ۳-۴ میزان صرفهجویی در انرژی و اضافه بار را در حالت خواب نشان میدهد. در زمان t1 برای کاهش مصرف توان قطعه به مد خواب می رود یعنی از Pactive به Psleep میرود. اگر قطعه در حالت فعال بماند و در tevent پیشامدی رخ دهد، انرژی کل برابر Eactive=Pactive(tevent-t1) است. اگر قطعه به حالت خواب برود مدت زمان رسیدن به حالت خواب برابر است. توان مصرفی در این فاز برابر است و به اندازه Psleep تا زمان رخداد پیشامد tevent توان مصرف میشود. به اندازه رابطه زیر انرژی در مد خواب مصرف می شود.
مقدار انرژی صرفهجویی شده در مقایسه این دو روش برابر است با:
وقتی پیشامدی رخ دهد اضافه باری برای بازگشت به مد کاری فعال به سیستم تحمی
ل میشود که برابر است با:
بنابراین این عمل زمانی مفید است که باشد یعنی]۵, ۱۱[:
شکل ۳-۴٫ میزان صرفهجویی در انرژی و اضافه بار را در حالت خواب
جدول۳-۱مدهای خواب گره حسگر را نشان میدهد. مد خواب عمیقتر با توان مصرفی کمتر و تأخیر بیشتر همراه است. بعضی از حالات موجود در جدول زیر سبب از دست دادن پیشامدهای مهم میشوند. نمونهای از این حالات، S5 است.
جدول ۳-۱٫ حالات خواب گره حسگر(Wang&Xiao,2006)
Radio | Sensor and A/D | Memory | MCU | Node State | No. |
Tx | On | Active | Active | Transmitting | S0 |
Rx | On |