CupCarbon ile Kablosuz Sensör Ağları

Published in

turkcell

7 min readDec 13, 2023

Kablosuz sensör ağları çağımızda özellikle son dönemlerde kullanımı oldukça yaygınlaşan ve birçok alanda uygulanabilen teknolojilerden birisidir. Kablosuz sensör ağları kullanılarak bulunulan ortamla etkileşimli olarak bilgi toplanabilmekte, bu bilgi kolektif bir şekilde değerlendirilebilmekte ve gerektiğinde bilgiye dayalı olarak ortam üzerinde değişiklikler yapılabilmektedir. Kablosuz sensör ağlarının kullanım alanları ise oldukça geniş bir alanı kapsamaktadır, Kablosuz sensör ağlarının kullanım alanları ise oldukça geniş bir alanı kapsamaktadır. Bu alanların bazıları şunlardır:

Askeri
Çevre izleme
Sağlık
Tarım
Endüstri

Kablolu klasik algılayıcı ağların yetersiz kalabileceği ya da uygulama imkânının olmadığı uygulamalarda, kablo kullanım zorunluluğunu ortadan kaldıran kablosuz sensör ağları gerekli hatta bazı durumlarda kaçınılmaz olmaktadır. Bu yazımızda ise kablosuz sensör ağları tanımlanarak, bazı temel özellikleri üzerinde durulmuş, uygulama alanlarına örnekler verilmiş ve temel olarak CupCarbon uygulaması üzerinde örnekleme yapılmıştır.

Giriş

Farklı mekânlardaki sıcaklık, nem, ışık, ses, basınç, kirlilik, toprak bileşimi, gürültü seviyesi, titreşim, nesne hareketleri gibi fiziksel ya da çevresel koşullarını kooperatif bir şekilde izlemek için sensör kullanan ve birbirinden bağımsız çalışan araçlar içeren kablosuz ağlara “Kablosuz Sensör Ağı” denir. Kablosuz sensör ağlarında kullanılan ve hesaplama, algısal bilgi toplama ve ağdaki diğer bağlantılı düğümlerle haberleşme yeteneklerine sahip düğümlere ise sensör düğümü denmektedir. Kablosuz teknolojiler, gün geçtikçe yaygınlaşmaya başlamıştır. Önceden uzak mesafelerin birbiri ile haberleşmesi zor iken bu teknolojinin gelişmesi ile birlikte haberleşme daha kolay bir hal almıştır. Kablosuz teknolojiler kullanılarak, haberleşme yapılabildiği gibi ortam verisi de toplanabilmektedir. Ortam verilerinin toplanması için çeşitli sensörler ve modüller mevcuttur.
Kablosuz sensör ağlar bizlere; geniş bir yelpazede, değişik uygulama alanları için devrimsel algılama özelliği yetenekleri sunmaktadır. Bunun başlıca sebebi, sensör ağlarının aşağıda belirtilen özelliklere sahip olmasıdır:

Güvenilirlik
Doğruluk
Esneklik
Maliyet verimliliği
Kurulum kolaylığı

Sensör Düğüm

Kablosuz sensör ağlarında çok sayıda sensör düğümü ve bu düğümlerin üzerinde farklı bileşenler bulunur. Bu ağın temel elemanları algılama, veri işleme ve haberleşme özelliğine sahip sensör düğümlerdir. Sensör düğümleri, kablosuz sensör ağlarında kullanılan ve hesaplama, algısal bilgi toplama ve ağdaki diğer bağlantılı düğümlerle haberleşme yeteneklerine sahip düğümlerdir.

Sensör düğümünün ana bileşenleri ise şu şekildedir:

1.Mikrodenetleyici

2.Alıcı-verici (Transceiver)

3.Dışsal Bellek (External Memory)

4.Güç kaynağı (Power Source)

5.Başka sensörler

Yukarıda sensör düğümünün sahip olduğu ana bileşenler ve birbirleri ile bağlantısı gösterilmiştir, bu bileşenler ile ilgili detaylı inceleme yapılacak olursa:

1.Mikrodenetleyiciler: Mikrodenetleyiciler, mikrodenetleme görevlerini yerine getirir, veriyi işler ve sensör düğümündeki diğer bileşenlerin işlevselliğini denetler. Alternatif denetleyici seçenekleri arasında genel amaçlı masaüstü mikroişlemciler, sayısal sinyal işlemciler (SSİ), alanı programlanabilir geçit dizileri (FPGA) ve uygulamaya özgü tümleşik devreler bulunabilir. Mikrodenetleyiciler, esnek bağlantı, programlanabilirlik ve düşük enerji tüketimi avantajlarıyla gömülü sistemler için en uygun seçenektir. Genel amaçlı mikroişlemciler daha fazla enerji harcar, SSİ’ler geniş bant kablosuz iletişim için uygundur ancak karmaşıklıkları kablosuz sensör ağları için gereksizdir. FPGA’lar tekrar programlanabilir ve yapılandırılabilir ancak zaman ve enerji tüketimine yol açabilir. Uygulamaya özgü tümleşik devreler, belirli bir uygulama için uzmanlaşmış işlemcilerdir ve işlevselliği donanım olarak sunarlar. ASIC’ler donanımsal işlevselliği sunarken, mikrodenetleyiciler yazılımsal olarak sağlarlar.

2.Alıcı-Verici (Transceiver): Kablosuz Sensör Ağları, ISM bandını kullanarak geniş bir dalga kuşağında ve küresel olarak kullanılabilen özgür radyo iletişimi sağlar. İletim ortamları arasında radyo frekansı, optik iletişim (lazer) ve kızılötesi tercih edilir. Radyo frekansı, çoğu WSN uygulaması için uygun bir iletişim şeklidir, ve WSN’ler genellikle 433 MHz ve 2.4 GHz frekanslarını kullanır.Alıcı-Verici, bir sensör düğümünde bulunan ve tek bir aygıt içinde birleştirilmiş bir işlevsellik sunan bir cihazdır. İşlemsel durumları arasında İletme, Alma, Boş ve Uyku bulunur. Bugünkü radyolar genellikle bu işlemleri otomatik olarak gerçekleştiren gömülü durum makinelerine sahiptir. Boş modda çalışan radyoların güç tüketimi neredeyse Alma modundaki kadar olabilir, bu nedenle işlem yapmayan radyoları kapatmak enerji tasarrufu sağlayabilir. Ayrıca, Uyku modundan İletme moduna geçerken paket iletimi için önemli enerji tüketimi olabilir.

3.Dışsal Bellek (External Memory): Enerji bakış açısından yaklaşıldığında, en uygun bellek çeşitleri mikrodenetleyici çipi üzerindeki bellek ve Flash belleklerdir. Çip dışı RAM modülleri nadiren kullanılmakta veya hiç kullanılmamaktadır. Flash bellekler maliyeti ve depolama kapasitesi nedeniyle tercih edilmektedirler. Bellek gereksinimleri yüksek oranda uygulama bağımlıdır. Depolamanın türüne göre iki farklı bellek türü vardır. Bunlar sırasıyla:

Uygulamayla ilgili veya kişisel bilgileri saklamak için kullanılan kullanıcı belleği
Aygıtın programlanması için kullanılan program belleği. Bu bellek ayrıca, eğer varsa aygıtın tanımlayıcı verisini içerebilir.

4.Güç kaynağı: Sensör düğümlerindeki enerji tüketimi, algılama, iletişim ve veri işleme faaliyetlerinden kaynaklanmaktadır. Veri iletimi için daha fazla enerji gerekmektedir, ancak algılama ve veri işleme için enerji tüketimi daha düşüktür. Sensör düğümlerinin enerji ihtiyaçlarını karşılamak için genellikle piller kullanılır, bu piller şarj edilebilir veya şarj edilemez olabilir. Ayrıca, elektromekanik malzemeye bağlı olarak farklı piller kullanılabilir. Günümüzde sensörler, güneş enerjisi, ısı enerjisi ve titreşim enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanacak şekilde geliştirilmektedir. Enerji tasarrufu için kullanılan önemli yöntemler arasında Dinamik Güç Yönetimi (DPM) ve Devingen Voltaj Ölçeklendirme (DVS) bulunmaktadır. DPM, kullanılmayan parçaları kapatma görevini gerçekleştirirken, DVS, deterministik olmayan iş yüklerine bağlı olarak güç seviyeleri arasında geçiş yaparak çalışır.

5.Başka sensörler: Sensörler, sıcaklık, basınç gibi fiziksel durumlardaki değişimlere tepki veren donanım aygıtlarıdır. Gözlemlenen alanın fiziksel verisini ölçer veya algılarlar. Algılanan analog sinyaller, Analog-to-Digital çeviricilerle sayısallaştırılarak denetleyicilere gönderilir. Sensör düğümleri küçük boyutlu, düşük enerji tüketimli, yüksek hacimli, otonom ve gözetimsiz çalışabilen, çevreye uyum sağlayabilen özelliklere sahip olmalıdır. Kablosuz sensör düğümleri sınırlı güç kaynaklarıyla çalışan mikro elektronik sensör aygıtlarını kullanır. Sensörler pasif, her yöne açık (yönsüz) ve dar ışınlı sensörler ile aktif sensörler olmak üzere üç kategoride sınıflandırılır. Pasif sensörler ortamı değiştirmeden veri toplar, pasif dar ışınlı sensörler belirli bir ölçüm yönüne sahiptir. Aktif sensörler ise ortamı aktif olarak araştırır, örneğin sonar veya radar sensörleri gibi.

Kablosuz Sensör Ağlarda Haberleşme Mimarisi

Sensörler çoğu zaman “Kablosuz Sensör Ağı (WSN) Mimarisi” isimli görselde görüldüğü üzere belirli bir alana dağıtılmış durumdadırlar. Bu dağıtılmış yapıda bulunan her bir nöronun istenilen bilgiyi alıp baz istasyonunu iletebilme yeteneği vardır. Baz istasyonunun ana görevi ise yönetici düğümler ve internet arasındaki iletişimi sağlamaktır. Sensör düğümlerin tasarımı birçok etken tarafından etkilenmektedir. Bunlar; hata toleransı, ölçeklenebilirlik, üretim maliyetleri, çalıştırma ortamı, sensör ağ topolojisi, donanım kısıtlamaları, iletim ortamı ve güç tüketimidir.

Kablosuz Sensör Ağlarında Veri Dağıtımı Protokolleri:

Kablosuz sensör ağlarında, ‘Protokol Yığını’ fiziksel katman, veri bağlantı katmanı, ağ katmanı, taşıma katmanı, uygulama katmanı, güç yönetim düzlemi, taşınırlık yönetim düzlemi ve görev yönetim düzlemi olmak üzere toplamda 5 katman ve 3 düzlemden yoluşur

Veri dağıtım protokolleri ne geçecek olursak bu protokollerin en yaygın olanları aşağıda belirtilmiştir:

LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy): Kablosuz sensör ağlarında enerji tasarrufunu hedefleyen bir protokoldür. Kümeleme ve basit bir yönlendirme protokolünü TDMA tabanlı bir MAC protokolü ile birleştirir. Temel amacı sensör ağının ömrünü uzatmaktır. LEACH, adım adım yönlendirme yönetimini takip etmeme özelliği ile diğer yönlendirme protokollerinden farklıdır.
Directed Diffusion: “Doğrudan Yayılma” anlamına gelen bu protokol, veri-merkezli yönlendirme temelli sensör ağlarında bilgi dağıtımını sağlamak için kullanılır. Veri merkezli yönlendirmede, bilgi veri üzerindedir ve düğüm konumu bağımsızdır.
PEGASIS (Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems): Bu protokol, her devrede sadece bir düğümün baz istasyonuna iletim yapmasına izin verir. Düğümler sadece yakın komşularıyla iletişim kurabilir. LEACH ile benzer çalışma senaryosuna ve radyo modeline sahiptir. PEGASIS, zincirleme ve veri birleşimi kavramlarına odaklanır.

4.SPIN: (Sensör Protocols for Information via Negotiation) protokolü ise bireysel sensörlerin gözlemlerinin ağdaki diğer bütün düğümlere yayılmasında kullanılan protokollerdendir. SPIN klasik taşma (flooding) ile alakalı üç probleme çözüm getirmeye çalışır: İç patlama/göçme (implosion), örtüşme (overlap) ve kaynak-bilgisizliği(sourceblindness).

5.GEAR: (Geographical and Energy-Aware Routing) algoritması sorgu-yanıt modelini kullanır. Her düğümün, kendi konumunu, enerji seviyesini, komşularının konumları ve enerji seviyelerini bildiğini varsayar.

CupCarbon Simülatör Yapısı Uygulama Örneği

CupCarbon, coğrafi konuma dayalı çok etmenli ayrık olaylı kablosuz algılayıcı ağ simülatörüdür. Temel amacı çeşitli dağıtılan algoritmaları tasarlamak, görselleştirmek, hata ayıklamak ve çeşitli çevresel senaryolar oluşturmak olan bir simülasyon aracıdır.

OpenStreetMap (OSM) çerçevesini kullanarak ergonomik ve kullanımı kolay coğrafi arayüzlerle modellenmiş nesnelerle çalışır. SenScript adlı scriptler aracılığıyla sensörleri ve mobil nesneleri ayrı ayrı programlayabilir ve yapılandırabilir. Simülatör, çok etmenli sistemlerin kullanılmasına izin vererek simülasyon süresini daha iyi optimize edebilir. CupCarbon, çok etmenli simülasyon ortamı ve WSN simülatörü olmak üzere iki ana bileşenden oluşur. Çok etmenli simülasyon ortamı, gerçek dünya sistemine yakın bir ortam oluşturmayı amaçlar ve OpenStreetMap entegrasyonu sayesinde coğrafi konumla sayısallaştırılmış verileri işleyebilir.

WSN Simülatörü (WiSeN), sensörlerle ilgili olayları simüle etmek amacıyla CupCarbon’un çekirdeğini temsil eder, her bir cismin durumunu yönetir ve çok etmenli ortamda bağımsız işlemleri destekler

I. CupCarbon ile Gerçekleştirilen Uygulama Bilgisi

Uygulamada simüle edilen sistem temel olarak 5 sensör ve 1 mobil cihaz dan oluşmaktadır. Daha sonrasında mobil araç belirlenen rotası dahilinde hareket ederken rotası üzerinde bulunan sensörün kapsama alanına girdikten sonra diğer bağlı oldukları sensörler ile en son sensöre aracın rotaya girdiği sinyalini gönderir. Uygulama ile ilgili görseller ve script kodları aşağıda gösterilmiştir.

Aracımızın tarayıcı görevi olan sensör alanında bulunduğu sırada sistemin çalışması

loop
dreadsensor x
println $x
if($x==1)
  send 1 1
  delay 1000

end
delay 500

Tarayıcı Sensörden aldığı mesajı bir sonraki sensöre ileten iletici sensör script’i

loop
wait
read x 
delay 100
mark $x
send $x 2

Aldığı mesajın doğruluğu sonucunda sonucu gösteren sensör script’i

loop
wait
read x
mark $x
if($x==1)
  println mesaj basarili
  delay 100
end

Yazımızda CupCarbon uygulaması ve Kablosuz Sensör Ağları (WSN) teknolojisi hakkında genel bilgiler verilmiş olup, mini bir uygulama örneği scriptler ile zenginleştirilmiştir. Paylaşmış olduğumuz bu bilgilerin faydalı olması dileğiyle.