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センサーノード(北米ではモートとも呼ばれます) は、ネットワーク内の接続された他のノードとの間で情報の収集、処理、通信などの必要なアクションを実行できるセンサー ネットワークの個々のノードで構成されます。
歴史
無線センサーネットワークは数十年前から存在し、地震測定や戦争などの多様な用途に使用されていますが、小型センサーノードの現代的な開発は、1998年の Smartdust プロジェクト [ 1 ] と NASA にまで遡ります。センサーウェブ[ 2 ] Smartdustプロジェクトの目的の1つは、1 立方ミリメートルの空間内での自律的なセンシングと通信を実現することでしたが、このプロジェクトは早期に終了したものの、Berkeley NEST [ 3 ] や CENS [ 4 ]など、さらに多くの研究プロジェクトと主要研究センターの誕生につながりました。これらのプロジェクトに関わった研究者は、センサーノードを指すために「モート」という用語を造り出しました。NASA センサーウェブプロジェクトでは、物理センサーノードをポッドと同義語としていますが、センサーウェブ内のセンサーノードは、別のセンサーウェブ自体である場合もあります。物理センサーノードは、ムーアの法則に沿って、その有効性と能力を向上させることができました。チップフットプリントには、より複雑で低電力のマイクロコントローラが含まれています現在、モートは、最長の無線範囲（数十km）、最低のエネルギー消費（数uA）、そしてユーザーにとって最も簡単な開発プロセスを提供することに重点を置いています。[ 5 ]
コンポーネント
センサー ノードの主なコンポーネントには、通常、マイクロ コントローラ、トランシーバー、外部メモリ、電源、および 1 つ以上のセンサーが含まれます。
センサー
センサーは、ワイヤレスセンサーノードが環境からデータを取得するために使用されます。センサーは、温度や圧力などの物理的条件の変化に対して測定可能な応答を生成するハードウェアデバイスです。センサーは監視対象のパラメータの物理データを測定し、精度、感度などの特定の特性を備えています。センサーによって生成される継続的なアナログ信号は、アナログ/デジタルコンバーターによってデジタル化され、コントローラに送られてさらに処理されます。一部のセンサーには、生の信号をデジタルリンク（I2C、SPIなど）を介して取得できる読み取り値に変換するために必要な電子機器が搭載されており、多くのセンサーは°Cなどの単位に変換します。ほとんどのセンサーノードは小型で、消費電力が少なく、高い体積密度で動作し、自律的で無人動作し、環境に適応します。ワイヤレスセンサーノードは通常、非常に小型の電子機器であるため、0.5～2アンペア時および1.2～3.7ボルト未満の限られた電源しか装備できません。
センサーは、パッシブ全方向センサー、パッシブ狭ビームセンサー、アクティブセンサーの3つのカテゴリーに分類されます。パッシブセンサーは、能動的な探査によって環境を実際に操作することなくデータを感知します。パッシブセンサーは自己駆動型で、アナログ信号の増幅にのみ電力を必要とします。アクティブセンサーは、ソナーセンサーやレーダーセンサーのように環境を能動的に探査するため、電源からの継続的な電力供給を必要とします。狭ビームセンサーは、カメラと同様に、測定方向が明確に定義されています。全方向センサーは、測定に方向の概念を必要としません。
WSNに関する理論研究のほとんどは、受動型の全方向センサーの使用を前提としています。各センサーノードは、観測している特定の量を確実かつ正確に報告できる一定のカバー範囲を持ちます。センサーの電力消費源としては、信号のサンプリング、物理信号から電気信号への変換、信号処理、アナログからデジタルへの変換などが挙げられます。フィールドにおけるセンサーノードの空間密度は、1立方メートルあたり20ノードに達することもあります。
コントローラ
コントローラは、タスクを実行し、データを処理し、センサーノード内の他のコンポーネントの機能を制御します。最も一般的なコントローラはマイクロコントローラですが、コントローラとして使用できる他の代替手段には、汎用デスクトップマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、FPGA 、およびASICがあります。マイクロコントローラは、低コスト、他のデバイス（またはネットワーク内のノード）への接続の柔軟性、プログラミングの容易さ、および低消費電力のため、多くのセンサーノードでよく使用されます。汎用マイクロプロセッサは一般にマイクロコントローラよりも消費電力が高いため、センサーノードには適していません。デジタル信号プロセッサは、ブロードバンドワイヤレス通信アプリケーションに選択される場合がありますが、ワイヤレスセンサーネットワークでは、ワイヤレス通信は多くの場合控えめです。つまり、より単純で、変調を処理しやすく、実際のデータ感知の信号処理タスクはそれほど複雑ではありません。したがって、DSPの利点は通常、ワイヤレスセンサーノードにとってそれほど重要ではありません。FPGAは要件に応じて再プログラムおよび再構成できますが、これには必要以上の時間とエネルギーがかかります。
トランシーバー
センサーノードは多くの場合、無料の無線、スペクトル割り当て、および世界的な可用性を提供するISMバンドを使用します。ワイヤレス伝送メディアの選択肢は、無線周波数（RF）、光通信（レーザー）、赤外線です。レーザーは必要なエネルギーは少ないですが、通信には見通し線が必要であり、大気条件の影響を受けます。赤外線は、レーザーと同様にアンテナを必要としませんが、ブロードキャスト容量には制限があります。無線周波数ベースの通信は、ほとんどのWSNアプリケーションに適合する最も適切なものです。WSNは、ライセンスフリーの通信周波数（173、433、868、915 MHz、および2.4 GHz）を使用する傾向があります。送信機と受信機の両方の機能が、トランシーバーと呼ばれる単一のデバイスに結合されています。トランシーバーには、一意の識別子がないことがよくあります。動作状態は、送信、受信、アイドル、およびスリープです。現在の世代のトランシーバーには、いくつかの操作を自動的に実行するステートマシンが組み込まれています。
アイドルモードで動作するトランシーバーのほとんどは、受信モードでの消費電力とほぼ同じです。[ 6 ]そのため、送受信を行っていないときは、アイドルモードのままにしておくよりも、トランシーバーを完全にシャットダウンする方が適切です。パケットを送信するためにスリープモードから送信モードに切り替えると、かなりの電力が消費されます。
外部メモリ
エネルギーの観点から最も関連性の高いメモリは、マイクロコントローラのオンチップメモリとフラッシュメモリです。オフチップRAMはほとんど使用されません。フラッシュメモリは、そのコストとストレージ容量の点で使用されます。メモリ要件はアプリケーションに大きく依存します。メモリは、ストレージの目的に基づいて2つのカテゴリに分類されます。アプリケーション関連データまたは個人データの保存に使用されるユーザーメモリと、デバイスのプログラミングに使用されるプログラムメモリです。プログラムメモリには、デバイスの識別データ（存在する場合）も含まれます。
電源
ワイヤレス センサー ノードは、センサー ノードへの主電源供給が困難または不可能な場合に人気のソリューションです。ただし、ワイヤレス センサー ノードはアクセスしにくい場所に設置されることが多いため、定期的なバッテリー交換はコストがかかり不便です。ワイヤレス センサー ノードの開発で重要な点は、システムに電力を供給するための十分なエネルギーが常に確保されることを保証することです。センサー ノードは、感知、通信、およびデータ処理のために電力を消費します。データ通信には他のどのプロセスよりも多くのエネルギーが必要です。1 Kb を 100 メートル (330 フィート) の距離に送信するのにかかるエネルギー コストは、1 億命令/W のプロセッサで 300 万命令を実行するのにかかるエネルギー コストとほぼ同じです。電力は、バッテリーまたはコンデンサに蓄えられます。充電式と非充電式の両方のバッテリーが、センサー ノードの主な電源です。センサーは、電極に使用される電気化学材料によっても分類され、 NiCd（ニッケルカドミウム）、NiZn（ニッケル亜鉛）、NiMH（ニッケル水素）、リチウムイオンなどがあります。現在のセンサーは、太陽光、無線周波数（RF）、温度差、振動からエネルギーを再生できます。使用される2つの省電力ポリシーは、動的電力管理（DPM）と動的電圧スケーリング（DVS）です。[ 7 ] DPMは、現在使用されていない、またはアクティブでないセンサーノードの部分をシャットダウンすることで電力を節約します。DVSスキームは、非決定論的なワークロードに応じてセンサーノード内の電力レベルを変化させます。周波数とともに電圧を変化させることで、消費電力を二次的に削減することができます。
参照
参考文献
- ^スマートダスト
- ^ NASA 技術概要
- ^ホーム 2001年11月10日アーカイブWayback Machine
- ^ CENS: 組み込みネットワークセンシングセンター2009年4月7日アーカイブ米国議会図書館ウェブアーカイブ
- ^「ワスプモート：現代のモート」
- ^ Y. Xu、J. Heidemann、D. Estrin、「地理情報に基づくアドホックルーティングのエネルギー節約」、Proc. Mobicom、2001年、70～84ページ
- ^無線センサーネットワークにおける動的電力管理、Amit SinhaとAnantha Chandrakasan、IEEE Design & Test of Computers、Vol. 18、No. 2、2001年3月～4月
