Sensor Networks

Für die Überwachung von Naturgebieten

Was ist ein Sensor Networks?

Ein Sensor Networks oder auch Sensornetzwerk ist der Begriff für ein Rechnernetzwerk von Sensorknoten verschiedener Größe. Diese können sogar so winzig wie ein Staubkorn sein. Die Kommunikation der Sensorknoten erfolgt per Funk zwischen den einzelnen Sensoren, indem sie ihre Umgebung abfragen und die erfassten Daten dann weiterleiten. Somit spricht man von einer Knoten-zu-Knoten-Kommunikation.Die Idee der Sensor Networks wurde unter dem Begriff „Smart Dust“ bekannt gemacht, da man schon früh die Absicht hatte, die Sensoren auf die Größe eines Staubkorns mit gewissen Funktionen („intelligentes Staubkorn“) zu reduzieren.

Die Sensor Networks sind stets in der Weiterentwicklungsphase. Ursprünglich wurden die Sensor Networks nur als Frühwarnsystem für das Militär entwickelt, heutzutage sind aber auch andere Anwendungsfelder für die Sensor Networks denkbar wie zum Beispiel die Überwachung von Naturgebieten auf Auffälligkeit wie Waldbrände.Es können also verschiedenste physikalische Größen mit Hilfe von Sensoren erfasst werden, wie Temperatur, Luftdruck, Drehmoment, Helligkeit o.ä. Diese Daten werden dann an Aktoren weitergeleitet, wodurch diese dann gesteuert werden.

Die Sensor Networks unterscheiden sich hinsichtlich der geringeren übertragbaren Datenmenge von den lokalen Netzen (LAN), WLAN oder Mobilfunknetzen.

Kommunikation der Sensorknoten

Die Sensor Networks bilden Ad-hoc-Netze aus um die Kommunikation unter den Sensorknoten zu ermöglichen. Ad-hoc-Netze haben keine feste Infrastruktur zwischen den Geräten, sondern sind vermascht. Das heißt, dass die Sensorknoten mit einem oder mehreren benachbarten Knoten verbunden sind. Um somit Daten zu einem bestimmten Ziel weiterzureichen, müssen diese von Knoten zu Knoten weitergereicht werden. Man spricht hierbei von einer Multi-Hop-Kommunikation.Diese Netze sind allerdings viel unsicherer als fest installierte Rechnernetze, da während der Multi-Hop-Kommunikation einzelne Knoten ausfallen oder neue hinzukommen können.

Netzwerkprotokolle und deren Aufgaben

Netzwerkprotokolle sollen die Daten in den Sensor Networks möglichst schnell übermitteln, aber den Energieverbrauch der Sensoren gleichzeitig so gering wie möglich halten. Der Energieverbrauch wird durch gezielte Schlafenszeiten oder gezielten Einsatz der Funkeinrichtung der Sensorknoten, wenn dies verlangt wird.

Das Verhalten der Knoten wird im Netzwerkprotokoll wie folgt festgehalten:

  • Initialisierung
    Während der Initialisierungsphase machen die Sensorknoten ihre Nachbarsensoren ausfindig und bauen somit das vermaschte Netz auf.
  • Tagesablauf
    Der Tagesablauf beschreibt den Wechsel zwischen den aktiven Zeiten und den Schlafzeiten der Sensorknoten.
  • Kommunikationsschema
    Das Kommunikationsschema beschreibt den Datenübermittlungsweg zwischen den Sensorknoten. Ein fehlerfreier Datenaustausch muss gewährleistet sein.
  • Routing
    Durch das Routing wird festgelegt welcher Weg bei der Datenübertragung eingeschlagen werden soll. Dabei muss man darauf achten, dass alle Sensorknoten gleich stark gebraucht werden, um eine einseitige Netzbelastung zu verhindern.

Unterschiedliche Netzwerkprotokolle

Je nach Anwendungsgebiet des Sensor Networks werden unterschiedliche Netzwerkprotokolle benötigt. Die wichtigsten werden im Folgenden beschrieben:

Medienzugriffsprotokolle

Bei diesen Protokollen spielt der Media Acces Control (MAC) eine große Rolle, da hier mit Luftschnittstellen gearbeitet wird. Im Grunde besteht die Aufgabe des MACs darin das gemeinsame Medium der Sensorknoten (Luft) zu regulieren, damit die Kommunikation zwischen den Knoten ermöglicht werden kann.

Durch gezieltes Ein- und Ausschalten des Funkmoduls und der Entscheidung wann Daten gesendet werden und wann nicht, soll der Energieverbrauch minimal gehalten werden (Duty Cycling). Durch zwei Methoden wird dieser Effekt erzeugt: zufälliger Zugriff mit Trägerprüfung und Zeitmultiplexverfahren.

Beim zufälligen Zugriff mit Trägerprüfung wird das Low-Power-Listening genutzt. In kurzen Abstand wird dabei immer wieder überprüft, ob das Medium belegt ist oder nicht. Wenn das Medium besetzt ist bleibt der Funk aktiviert, um den Datenaustausch zu ermöglichen, ist das Medium nicht belegt wird das Funkmodul sofort ausgeschaltet.Beim Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiple Access = TDMA) erstellt man einen Zeitplan auf, wann welcher Sensorknoten senden bzw. empfangen muss. Dadurch kann der Energieverbrauch stark verringert werden, allerdings ist die Aufstellung eines Plans auch sehr zeitintensiv. Beispiele für solche Protokolle sind Sensor Media Access Control (S-MAC) oder Timeout Media Access Control (T-MAC)

Routing Protokolle

Die Routing Protokolle beschäftigen sich vor allem mit der Fragestellung, wie die Daten möglichst schnell und mit geringem Aufwand ans Ziel gelangen können. Geografische Routing Verfahren spielen hierbei eine wichtige Rolle.

Vor allem das Netzprotokoll Greedy Perimeter Stateless Routing in Wireless Networks (GPSR) leitet Daten oder Nachrichten nicht an spezielle Namen weiter sondern an Koordinaten. Bei dieser Protokollausführung wird ständig zwischen der Greedy Strategie und dem Perimeter Modus hin- und hergewechselt. Dies wird gemacht, damit Datenpakete zu keinem Zeitpunkt bei suboptimaler Netztopologie in einer Art Sackgasse steckenbleiben. Bei der Greedy Strategie werden die Daten direkt an das Ziel übertragen, wohingegen beim Perimeter Modus die gesendeten Daten das Ziel umkreisen. Durch Geographic Hash Tables wird das GPSR durch eine Sicherheitskomponente erweitert, da gesendete Daten an mehrere Sensorknoten übertragen werden, um bei Knotenausfall die Daten trotzdem noch auf einem anderen Knoten gesichert zu haben.Die geografischen Routing Verfahren sind allerdings erst möglich, wenn genügend Sensorknotenpunkte vorhanden sind, damit eine genaue Ortung vorgenommen werden kann.Das für Sensor Networks optimierte Protokoll ist das RPL.

Synchronisation der Sensorknoten

Die Synchronisation der Sensorknoten wird für einige Kommunikationsprotokolle wie zum Beispiel S-MAC benötigt, da sonst die Messdaten verfälscht werden.

Die Synchronisation der Sensor Networks ist von verschiedenen Faktoren abhängig, wie der Sendezeit, der Zugriffszeit, der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Empfangszeit. Die Synchronisationsverfahren sollten auf die Kommunikationsverfahren abgepasst werden, da hier vor allem die Zugriffszeit variiert.