Утасгүй мэдрэгч сүлжээ(WSN)

Утасгүй мэдрэгчтэй сүлжээ нь хэм, дуу чимээ, даралт зэрэг физикийн болон байгаль орчны нөхцөл байдлыг хянаж, интернет сүлжээгээр дамжуулан үндсэн хэсэгт мэдээллийг дамжуулдаг орон зайн хувьд чөлөөт байдлаар тархсан мэдрэгчийн зангилаануудаас бүрддэг.Мессежүүд нь дундын мэдрэгч зангилаануудаар тараагддаг бөгөөд Multiple шугамаар эсвэл хопуудаар замчлал хийдэг.

Утасгүй мэдрэгч сүлжээний хэрэглээ

Мэдрэгчийг олон янзын физик үзүүлэлт эсвэл нөхцлийг илрүүлэх эсвэл хянахад хэрэглэдэг. Утасгүй мэдрэгч нь уламжлалт утсан мэдрэгчээс илүү их давуу талтай. Тэд тараан байрлуулалтын өртөг болон саатлыг бууруулаад зогсохгүй,мөн ямар ч орчинд хэрэглэгдэж болно,ялангуяа уламжлалт утастай мэдрэгчийг байрлуулах боломжгүй орчинд,жишээ нь тааламжтай бус нутаг дэвсгэр,тулааны талбай,сансар огторгуй эсвэл гүн далайд. WSN –ын анх далайн ажиглалтын том хэмжээний акустик ажиглалтын системээс газрын илрүүлэлтийн алсын мэдрэгчийн жижиг сүлжээ хүртэл цэргийн хэрэглээнд зориулж гаргасан. Гэхдээ бага өртөгтэй мэдрэгчүүд,утасгүй холбоо харилцаа нь иргэний болон цэргийн салбарт аль алинд нь өргөн хэрэглэгддэг болсон.

• Хүрээлэн буй орчны хяналт: Хүрээлэн буй орчны хяналт бол мэдрэгчийн сүлжээний хамгийн эхний хэрэглээний нэг юм. Хүрээлэн буй орчны хяналтад мэдрэгчүүдийг олон янзын орчны үзүүлэлт эсвэл нөхцлийг хянахад хэрэглэдэг. Хүрээлэн буй орчны мэдрэгчийн сүлжээ гэсэн нэр томьёо нь геологийн судалгаанд утасгүй мэдрэгч сүлжээг ашиглах олон тооны хэрэглээг илэрхийлдэг. Үүнд галт уул, далай, мөсөн гол, ой мод зэрэг ойлголтыг багтаадаг.
• Бодит орчны хяналт: Мэдрэгчийг зэрлэг амьтад эсвэл ургамлын нөхцлийг амьдрах орчинд нь ажиглахаас эхлээд тэдний орчны үзүүлэлтүүд зэргийг хянахад хэрэглэдэг.

• Усны чанарын хяналт: Далан гол нуур, далай болон газар доорх усны нөөцийн шинж чанарыг хэмжин дүгнэлт хийдэг. Газарзүйн тодорхой шаардлагатай цэгүүд эсвэл аль нэг цэгт станц байгуулан төхөөрөмжөө суурилуулан хэмжиж дүгнэнэ.

• Цэргийн хэрэглээ: WSN нь цэргийн команд, хяналт, харилцаа холбоо, ухаалаг (C3I) системийн салшгүй нэг хэсэг болоод байна. Утасгүй мэдрэгчийг тулааны газарт эсвэл дайсны бүсэд аливаа дэд бүтэцгүйгээр амархан тараан байрлуулж болно. Тараан байрлуулах, өөрийгөө тохируулах, эзэнгүй ажиллагаа, алдааг тэсвэрлэх зэрэг нь хялбар учраас мэдрэгч сүлжээ нь ирээдүйн цэргийн C3I системд чухал үүрэг гүйцэтгэж, ирээдүйн дайн тулааныг хүний оролцоо багатай, илүү ухаалаг болгоно.

• Эрүүл мэндийн хамгааллын хэрэглээ: WSN –ийг эрүүлд мэндийг хамгаалах зорилгоор настай хүмүүс, өвчтөнгүүдийг хянахад хэрэглэж болно, энэ нь эрүүл мэндийн салбарын боловсон хүчний дутагдлыг нөхөж, одоогийн эрүүлийг хамгаалах системд эрүүл мэнд хамгааллын зардлыг бууруулна.

• Аж үйлдвэрийн процессын хяналт: Аж үйлдвэрт WSN-ийг үйлдзвэрлэлийн процессыг хянах, эсвэл үйлдвэрлэлийн тоног төхөөрөмжийн нөхцөлийг хянахад хэрэглэж болно.

• Аюулгүй байдал ба ажиглалт:WSN-ыг аюулгүй байдлын болон ажиглалтын олон хэрэглээнд ашиглаж болно.

• Гэрийн ухаалаг байдал: WSN-ийг хүмүүсийн илүү тохь тухтай, ухаалаг амьдрах орчныг бүрдүүлэхэд хэрэглэж болно.

• Орон зайн хяналт: Орон зайн хяналт бол утасгүй мэдрэгч сүлжээний энгийн хэрэглээ юм. Орон зайн хяналтын үед зарим үзэгдлийг хянах боломжтой бүс нутагт утасгүй мэдрэгч сүлжээг байршуулдаг.

• Ой модны гал түймрийг илрүүлэгч: Сүлжээний мэдрэх төхөөмжийг ойн хэсэгт байрлуулан гал гарахыг мэдэрнэ. Уг төхөрөмж нь температур, чийглэг, хийг мэдрэх юм. Гал түймрийн аюулыг эрт ирлүүлэгч нь гал хэзээ эхэлсэн болон хэр тархацтай байгааг мэдээлдэг нь гал унтраагчдын талархалыг олоод байгаа юм .

• Газар нуралтыг хэмжигч: Утасгүй мэдрэгч сүлжээний систем нь хөрсний маш бага хэсэг болон параметрийн өөрчлөлтүүдийг мэдэрч газар нуралтаас өмнө мэдээлдэг. Эдгээр өөрчлөлт мэдээллүүдийн тусламжтайгаар газар нуралт болохоос өмнө мэдэх боломжтой юм.

• Байгалийн гамшгийг урьдчилан хамгаалах хэрэгсэл: Байгалын гамшиг, үер гэх мэт гамшгаас урьдчилан хамгаалах төхөөрөмж юм.  Жишээлбэл усанд энэ төхөөрөмжийг байрлуулан хэмжээг хянан мэдээлэх юм.
• Үйлдвэрлэлийн хяналтын төхөөрөмж: Машин механизм тоног төхөөрөмжид суурилагдан үйлдвэрлэлийн явцад тоног төхөөрөмж болон ажиллагаанд алдаа гарах тохиолдолд мэдээлдэг систем юм. Утастай мэдрэгч систем нь өртөг өндөр, хэрэглэх газар хязгаарлагдмал байдаг болохоор энэ утасгүй систем нь хэрэглэхэд тохиромжтой
• Ус болон бохир усны хяналт: Газар доорх ба дээрх усны түвшин болон чанарыг хянахаас гадна тухайн орны усны байдал нь хүн амьтанд хэр үр ашигтайг тодорхойлно.

Утасгүй мэдрэгчтэй сүлжээний стандарт

WSN-ийн дэлхий дахины хөгжилд түүний хэрэглээг хөнгөвчлөхийн тулд энэ салбарт мэдрэгч бүтээгдэхүүний өртөг багатай томоохон зах зээлийг бий болгох хэрэгтэй байна. Энэ зорилгоор холбогдох стандартыг гаргах нь чухал бөгөөд ингэснээр янз бүрийн үйлдвэрлэгч нарын мэдрэгчийн бүтээгдэхүүнүүд нь уг стандартын дагуу бүтээгдэхүүнээ үйлдвэрлэн гаргадаг. Олон тооны стандартын байгууллагуудад өртөг багатай, харилцан уялдаатай ажиллах төхөөрөмжтэй зах зээл бий болж, өмчлөлийн хувьд тохирохгүй ч сүлжээний протоколын тархацаас сэргийлэхийн тулд маш их зүйлийг хийсэн ба хийгдсээр байна. Тодорхой хэмжээгээр WSN нь технологийн хувьд амжилтанд хүрсэн нь эдгээр стандартын хүчин чармайлтаас хамаарч байна.

• IEEE1451 Стандарт: IEEE1451 стандартууд нь өөрчлөгчийг микропроцессор, зэмсгийн систем, хяналт /салбарын сүлжээнд холбоход нээлттэй, нийтлэг, сүлжээнээс бие даасан холбоо харилцааны холбоосын багцыг тодорхойлсон Smart Transducer Interface стандартын нэг хэсэг юм. 1451-ийн зорилт бол өөрчлөгч үйлдвэрлэгчийн хувьд ухаалаг төхөөрөмжийг боловсруулж, эдгээр төхөөрөмжийг сүлжээ, систем, зэмсэгт холбох одоо байгаа болон нийлүүлж буй мэдрэгчийг болон сүлжээний технологийг нэгтгэхэд хялбар болгох явдал юм. Өөрөөр хэлбэл, өөрчлөгчүүд нь систем эсвэл сүлжээнд утсан эсвэл утасгүй орчноор холбогдож байгаа нийтлэг багаж өөрчлөгчөөр дамжуулан өөрчлөгчийн өгөгдөлд нэвтэрнэ гэсэн үг.

• ZigBee Стандарт: IEEE802.15.4 стандарт нь сүлжээний болон хэрэглээний давхаргууд зэрэг илүү өндөр протоколын давхаргуудыг тодорхой заалгүйгээр зөвхөн физик ба МАС давхаргуудыг тогтоодог. ZigBee стандартыг IEEE802.15.4 стандартын дээр боловсруулсан ба сүлжээний болон хэрэглээний давхаргуудыг тогтоодог. Сүлжээний түвшин нь янз бүрийн сүлжээний топологид сүлжээний үйл ажиллагааг хангадаг бол хэрэглээний түвшин нь түгээсэн хэрэглээний боловсруулалт ба харилцаа холбооны хүрээгээр хангаж өгдөг.
• IEEE802.15.4 Стандарт: IEEE802.15.4[31] бол IEEE802.15 TaskGroup4-ийн боловсруулсан стандарт бөгөөд энэ нь бага түвшний WPAN-д физик болон MAC давхаргыг тодорхой тогтоодог. Төслийн байгууллагын хүсэлтэнд тодорхойлсноор TaskGroup4-ийн зорилго бол “үнэтэй биш төхөөрөмжинд төвөгтэй байдал хэт бага, өртөг хэт доогуур, эрчим хүчний зарцуулалт хэт бага, хэт бага өгөгдлийн түвшинтэй утасгүй холбоосын стандартыг бий болгох” байлаа. 2003 онд анхны IEEE 802.15.4 стандартыг гаргасан ба үнэгүй тараагдсан.

Утасгүй мэдрэгч сүлжээний протокол

Утасгүй мэдрэгч сүлжээний протоколын багц нь таван протоколын түвшинээс бүрдэнэ. Үүнд: физик түвшин, өгөгдлийн сувгийн түвшин, сүлжээний түвшин, дамжууллын түвшин, хэрэглээний түвшин.

Хэрэглээний түвшин

Олон төрлийн хэрэглээ-түвшингийн протоколыг агуулж, янз бүрийн мэдрэгчийн сүлжээний хэрэглээг үүсгэдэг. Хэрэглээний түвшин нь асуулгын түгээлт, зангилааны байршил, цаг хугацааны синхрон байдал, сүлжээний аюулгүй байдал зэрэг янз бүрийн мэдрэгчийн сүлжээг гүйцэтгэдэг олон төрлийн хэрэглээний давхаргыг багтаадаг. Жишээ нь мэдрэгчийн менементийн протокол (SMP) бол янз бүрийн даалгавар гүйцэтгэх програм хангамжийн ажиллагааг хангадаг хэрэглээний түвшингийн менежментийн протокол юм. Энэ нь байршилтай холбоотой тоо мэдээг солилцох, мэдрэгчийн зангилаануудыг нэгэн зэрэг байлгах, мэдрэгчийн зангилаануудыг хөдөлгөх, мэдрэгчийн зангилаануудыг хуваарьт оруулах, мэдрэгчийн зангилааны статусын асуулгыг гаргах зэрэг үүрэгтэй. Мэдрэгчийн асуулга болон мэдээллийг түгээх протокол (SQDDP) нь асуулга гаргах, асуулгад хариулах, хариуг цуглуулахад холбоостой хэрэглэгчийн хэрэглээг хангаж өгдөг. Мэдрэгчийн асуулга болон даалгаврын хэл (SQTL) нь WSN-д холбогч суурь програмыг гүйцэтгэхэд хэрэглэгддэг мэдрэгчийн програмчлалын хэлийг хангаж өгдөг.

Дамжууллын түвшин

Мэдрэгчийн зангилаа болон шонгуудын хооронд найдвартай төгсгөлөөс төгсгөл рүү хүргэлтийг хариуцдаг. Эрчим хүч, тооцоолол, хадгалалтын хязгаарлалтын улмаас уламжлалт дамжууллын протоколыг өөрчлөлтгүйгээр мэдрэгчийн сүлжээнд шууд хэрэглэж болохгүй. Жишээ нь уламжлалт төгсгөлөөс төгсгөлд дахин дамжуулалтанд суурилсан алдааны хяналт болон тээврийн хяналтын протоколд \ТСР\ хэрэглэгдэж байсан цонхонд суурилсан хэт ачааллын хяналтын механизмыг мэдрэгчийн сүлжээнд шууд хэрэглэж болохгүй, учир нь тэдгээр нь нөөцийн ашиглалтаараа хангалттай биш юм.  Нөгөө талаар мэдрэгчийн сүлжээ нь тусгай хэрэглээтэй. Мэдрэгчийн сүлжээг гол төлөв тусгай мэдрэмжийн хэрэглээнд тараан байрлуулдаг.

Сүлжээний түвшин

Эх үүсвэрийн мэдрэгчийн зангилаагаар мэдэрсэн мэдээллийг мэдээллийн шонд чиглүүлдэг. Мэдрэгчийн сүлжээнд хэрэгцээний үзэгдлийг ажиглахын тулд мэдрэгчийн бүсэд мэдрэгчийн зангилааг тараан байрлуулсан байдаг. Ажигласан үзэгдэл эсвэл мэдээллийг мэдээллийн шонд дамжуулах хэрэгтэй. Ерөнхийдөө эх үүсвэрийн зангилаа нь мэдэрсэн мэдээллийг шон руу шууд нэг-харайлттай урт утасгүй харилцаа холбоогоор эсвэл олон харайлттай богино утасгүй холбоо харилцаагаар дамжуулна. Гэсэн хэдий ч урт утасгүй харилцаа холбоо нь эрчим хүчний зарцуулалт болон мэдрэгчийн зангилааны хүнд гүйцэтгэлээрээ өртөг өндөртэй. Үүний эсрэгээр олон харайлттай богино харилцаа холбоо нь эрчим хүчний зарцуулалтыг бууруулахаас гадна дохионы тархалт болон урт утасгүй холбоо харилцаанд байдаг суваг чимээгүй болох үр дүнг амжилттай бууруулна. Тиймээс энэ нь илүү байдаг. Мэдрэгчийн зангилааг нягт тараан байршуулдаг, хөрш зангилаанууд нэг нэгтэйгээ ойр байдаг учраас мэдрэгчийн сүлжээнд олон харайлттай богино холбоо харилцааг ашиглаж болно. энэ тохиолдолд мэдэрсэн мэдээллийг шонд илгээхийн тулд эх үүсвэрийн зангилаа нь зангилаанаас өөрөөс нь шон хүртэл эрчим хүчний үр ашигтай олон харайлттай замыг сонгохын тулд чиглэлийн протоколыг ажиллуулах хэрэгтэй.

Өгөгдлийн сувгийн түвшин

Мэдээллийн урсгалын олон сэлгүүр, мэдээллийн хүрээ байгуулах ба илрүүлэх, орчны нэвтрэлт, алдааны хяналтыг хариуцаж, найдвартай цэгээс цэгт болон цэгээс олон цэгт дамжуулалтыг хангана. Өгөгдлийн сувгийн түвшингийн хамгийн чухал функц бол орчны нэвтрэлтийн хяналт (MAC) юм. МАС-ийн үндсэн зорилго бол хуваалцах харилцаа холбооны эх сурвалж эсвэл олон мэдрэгчтэй зангилааны дунд орчныг шударгаар, үр дүнтэй хуваалцаж, сүлжээний үзүүлэлтийг эрчим хүчний зарцуулалт, сүлжээний нэвтрүүлэх чадвар, хүргэлтийн хүлээгдэл зэрэгт нь сайжруулна. Гэсэн ч уламжлалт утасгүй сүлжээнд МАС протоколыг өөрчлөлтгүйгээр мэдрэгчийн сүлжээнд шууд хэрэглэж болохгүй, учир нь тэдгээр нь мэдрэгчийн сүлжээний өвөрмөц үзүүлэлт, тухайлбал, эрчим хүчний хязгаарлалтыг тооцдоггүй. Өгөгдлийн сувгийн түвшингийн өөр нэг чухал функц бол мэдээллийн дамжуулалтын алдааны хяналт юм. Олон хэрэглээнд мэдрэгчийн сүлжээг утасгүй харилцаа холбоо нь алдаатай хэлтгий болох хэцүү орчинд тараан байршуулдаг. Энэ тохиолдолд алдааны хяналт нь шаардлагатай, холбоосын найдвартай байдал эсвэл найдвартай мэдээллийн дамжуулалтанд чухал болдог. Ерөнхийдөө гол алдааны хяналтын хоёр механизм байдаг: Forward Error Correction (FEC)–шууд алдаа засварлалт ба Automatic Repeatre Quest (ARQ)- Автомат давтамжтай хайлт.

Физик түвшин

Өгөгдлийн сувгийн түвшинээс харилцаа холбооны орчноор дамжуулалтанд тохирох дохионд бит урсгалыг хувиргахыг хариуцна. Энэ зорилгоор тэрээр маш олон төрлийн асуудалтай холбогдоно, жишээ нь дамжуулалтын орчин ба давтамжийн сонголт, зөөгчийн давтамж үүсгэлт, дохионы өөрчлөлт ба илрүүлэлт, мэдээллийн нууцлал. Үүнд дээр нэмээд тэрээр мөн техник хангамж болон янз бүрийн цахилгааны болон механик холбоосуудтай ажилладаг.

Мэдрэгч

Мэдрэмтгий элемент буюу мэдрэгч нь биетийн тоо хэмжээг хэмжиж түүнийгээ ажиглагч цахилгаан багаж хэрэгслийн тусламжтайгаар уншиж болохуйц дохио руу шилжүүлдэг хувиргагч юм. Мэдрэгч нь хүрэх үед дохиог хүлээн авч хариу үйлдэл үзүүлдэг төхөөрөмж юм. Мэдрэгчийн хүлээн авах чадвар нь хэмжилтээр гарч ирсэн тоон нэгж өөрчлөгдөх үед мэдрэгчийн хариу хэр зэрэг өөрчлөгдөж байгааг харуулдаг. Маш бага хэмжээний өөрчлөлтийг хэмждэг мэдрэгч нь хүлээн авах чадвар өндөртөй байх ёстой. Мөн мэдрэгч нь хэмжиж байгаа зүйлдээ нөлөө үзүүлдэг. Мэдрэгч нь хэмжиж байгаа зүйлдээ бага нөлөө үзүүлдэг байх хэрэгтэй. Мэдрэгчийг жижигхэн болгосноор  энэхүү нөлөөг багасгадаг бөгөөд  зарим талаараа давуу талтай байж ч болох юм. Техник технологийн хөгжлийг дагаад мэдрэгчийн хэмжээ улам жижиг болсоор байгаа бөгөөд мэдрэгчийг бичил цахилгаан механик системийг (MEMS-micro-electro-mechanical system) ашиглаж хийсэн бичил мэдрэгч шиг нүдэнд үл үзэгдэх хуваарьтайгаар үйлдвэрлэх боломжтой болж байгаа юм. Ихэнх тохиолдолд энгийн мэдрэгчтэй харьцуулахад бичил мэдрэгч нилээд өндөр хурд болон хүлээн авах чадвартай байдаг.

Мэдрэгчийн зангилааны бүтэц

Мэдрэгчийн зангилаа нь гол төлөв дөрвөн үндсэн хэсгээс бүрддэг: мэдрэх нэгж, боловсруулах нэгж, харилцах нэгж, эрчим хүчний нэгж.

• Мэдрэх нэгж: Мэдрэх нэгж нь гол төлөв нэг эсвэл нилээд хэдэн мэдрэгч болон аналогоос дижитал хувиргагчаас (ADCs) бүрддэг. Мэдрэгчүүд нь физик үзэгдлийг ажиглаж, ажигласан үзэгдэл дээр үндэслэн аналог дохиог бий болгодог. ADC нь аналог дохиог дижитал дохио болгон хувиргадаг ба үүнийг дараа нь боловсруулах нэгжид өгнө.
• Боловсруулах нэгж: Боловсруулах нэгж нь гол төлөв микро хянагч эсвэл микро процессороос (жишээ нь Intel’s  Strong ARM microprocessor болон Atmel’sAVR microprocessor) бүрдэх ба эдгээр нь ой санамжтай, энэ нь мэдрэгчийн зангилаанд ухаалаг хяналтыг хангаж өгдөг.
• Харилцах нэгж: Харилцах нэгж нь радио сувгаар өгөгдлийн дамжуулалт болон хүлээн авалтыг гүйцэтгэх богино цар хүрээний радионоос бүрддэг.
• Эрчим хүчний нэгж: Эрчим хүчний нэгж нь систем дахь бусад бүх бүрэлдэхүүнийг жолоодох эрчим хүчийг хангах зайнаас бүрдэнэ. Үүн дээр нэмээд тусгай хэрэглээнээс хамаараад бусад зарим нэгжтэй хамт мэдрэгчийн зангилааг мөн тоноглож болно.