5분 이내에 무선 센서 네트워크(WSN) 설명

Wireless Sensor Networks의 약자인 WSN은 센서 네트워크를 통해 열, 압력, 빛 등과 같은 물리적 및 환경적 조건을 감지하고 대응합니다.

무선 기술과 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 센서의 발전으로 넓은 지역에 걸쳐 저전력 센서를 스마트하게 배치할 수 있게 되었으며, 군사 및 민간 응용 분야를 위한 저렴한 WSN을 만들었습니다.

아래 섹션에서는 WSN의 유형, 해당 구성 요소 및 응용 프로그램, 장단점 및 응용 프로그램에 대해 설명합니다.

네트워크의 의미는 무엇입니까?

네트워킹은 정보 교환 및 자원 공유를 허용하는 장치를 연결합니다. 이러한 통합 장치는 무선 또는 유선 네트워크를 통해 데이터를 전송하기 위한 일련의 규칙인 TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP 등과 같은 통신 프로토콜을 사용합니다.

기본적으로 유선과 무선의 두 가지 유형의 네트워크가 있습니다. 유선 및 무선 네트워크는 데이터 전송 속도, 데이터 보안, 통신 범위 및 비용에 따라 다릅니다.

유선 네트워크는 물리적 케이블을 통한 장치 상호 연결로 분류되는 반면 무선 네트워크는 장치 연결을 위해 전파에 의존합니다. Wi-Fi, Bluetooth 등 다양한 무선 기술을 사용할 수 있습니다.

WSN(Wireless Sensor Network)은 이름에서 알 수 있듯이 무선 기술이며 무선 신호를 통해 통신이 이루어집니다.

WSN(무선 센서 네트워크)이란 무엇입니까?

WSN이라고도 하는 무선 센서 네트워크는 물리적 환경 매개변수를 기록 및 모니터링하고 중앙 위치에서 결과 데이터를 구성하기 위해 특정 구조의 서로 다른 위치에 배열된 특수 센서 모음입니다.

이러한 물리적 매개변수에는 온도, 기압, 바람, 습도 등이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.

이미지 크레디트: electronicshub

WSN 네트워크는 무선으로 상호 작용하는 서로 다른 위치에 위치한 기지국과 노드로 구성됩니다. WSN 구조는 포인트-투-포인트, 스타, 트리 및 메쉬 유형의 네 가지 접근 방식을 사용하여 구현할 수 있습니다.

WSN 배치는 물리적 환경에 따라 지하, 지상, 수중, 멀티미디어 및 모바일 WSN의 5가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

새로운 센서 디자인은 효율적인 결과를 위해 물리적 영역과 디지털 영역을 연결하는 엔지니어링 및 기술 발전을 사용합니다.

WSN은 분석 및 출력 보고서를 위해 데이터를 기지국으로 전송하는 물리적 및 환경적 변화를 감지하는 센서가 있는 노드로 구성됩니다.

무선 센서 네트워크를 GPS 또는 RFID와 통합하면 적용 범위를 향상하고 정교한 추적 또는 모니터링 시스템을 만들 수 있습니다.

WSN은 환경 정보를 수집하여 환경을 보호하면서 안전, 생산성 및 사고 예방을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

WSN의 구성 요소

WSN을 구성하는 구성 요소 목록을 살펴보겠습니다. 주로 WSN에는 센서 노드와 네트워크 아키텍처의 두 부분이 있습니다.

센서 노드

센서 노드는 다음 구성 요소로 구성됩니다.

전원 공급 장치: 네트워크의 모든 구성 요소에 전원을 공급합니다.
Sensing Unit: Sensor와 ADC(Analog to Digital Converter)로 구성된다. 센서는 아날로그 데이터를 수집하고 ADC는 이를 디지털 형식으로 변경합니다. 센서 노드는 센싱 기능뿐만 아니라 처리, 통신 및 저장 구성 요소도 수행합니다. 센서 노드는 물리적 데이터를 수집 및 분석하고 이를 다른 센서의 데이터와 연관시키고 융합합니다.
처리 장치: 메모리와 마이크로프로세서로 구성됩니다. 지능적으로 데이터를 처리하고 조작합니다.
통신 시스템: 데이터 송수신을 위한 무선 시스템.
기지국: 높은 계산 에너지와 처리 능력을 갖춘 특별한 노드입니다.

이미지 크레디트: electronicshub

클러스터 헤드: WSN에서 데이터 융합 및 데이터 집계 기능을 수행하는 데 사용되는 고대역폭 센싱 노드입니다. 시스템 요구 사항 및 애플리케이션에 따라 둘 이상의 클러스터 헤드가 클러스터 내부에 있습니다.

WSN(Wireless Sensor Network)에서 센서 노드는 넓은 지역에 배치된 다른 센서 노드와 무선 통신을 통해 물리적 환경 및 BS(Base Station)를 모니터링합니다. 센서 노드는 데이터를 수집하여 베이스 스테이션으로 보냅니다. 기지국은 데이터를 처리하고 온라인에서 사용자와 업데이트된 정보를 공유합니다.

네트워크 아키텍처

모든 센서 노드가 기지국에 연결되면 단일 홉 네트워크 아키텍처라고 합니다. 데이터가 장거리로 전송될 때 데이터 수집 및 계산보다 더 많은 에너지를 소비하므로 이러한 경우 센서 노드와 기지국을 연결하는 단일 링크 대신 중간 노드를 채택하여 다중 홉 네트워크 아키텍처가 일반적으로 사용됩니다.

이미지 크레디트: electronicshub

이러한 구조를 구현하는 방법에는 플랫 네트워크 아키텍처와 계층적 네트워크 아키텍처의 두 가지가 있습니다.

플랫 아키텍처에서 기지국은 모든 센서 노드에 명령을 내리고 센서 노드는 다중 홉 경로를 사용하여 피어 노드를 통해 응답합니다.

계층적 네트워크 아키텍처에서 클러스터 헤드는 센서 노드 그룹에서 정보를 수신하고 데이터를 기지국으로 전달합니다.

WSN의 다른 구성요소

릴레이 노드: 중간 노드는 인접 노드와 통신하는 데 사용됩니다. 네트워크 신뢰성을 높이고 프로세스 센서나 제어 장비가 없습니다.
액터 노드: 하이엔드 노드는 애플리케이션 요구 사항에 따라 결정을 수행하고 구성하는 데 사용됩니다. 일반적으로 이러한 노드는 고품질 처리 기능, 높은 전송 전력 및 배터리 수명을 갖춘 리소스가 풍부한 장치입니다.
게이트웨이: 게이트웨이는 센서 네트워크와 외부 네트워크 간의 인터페이스입니다. 센서 노드 및 클러스터 헤드와 비교할 때 게이트웨이 노드는 프로그램 및 데이터 메모리, 사용된 프로세서, 트랜시버 범위 및 외부 메모리를 통한 확장 가능성 측면에서 가장 강력합니다.

무선 센서 네트워크(WSN)의 유형

WSN에는 5가지 유형이 있습니다.

수중: 수중 무선 센서 네트워크는 수중 센서 노드와 차량을 사용하여 데이터를 수집합니다. 대기 시간이 길고 센서 오작동 문제가 있으며 비충전식 배터리가 제한되어 있습니다.
Underground: 이 유형은 완전히 지하에서 작동하기 때문에 지하 상태를 모니터링하고 지상에 위치한 Sink 노드는 데이터를 기지국으로 전송합니다. 고가의 장비와 유지보수로 인해 지상파보다 비용이 많이 든다.
지상파: 이 유형의 네트워크는 다양한 지역의 환경 조건을 모니터링하기 위해 육지에서 사용됩니다. 지상파 WSN의 수천 개의 무선 센서 노드는 기지국과 효율적으로 통신하기 위해 임시 또는 미리 계획된 구조로 배치됩니다.
멀티미디어: WSN은 비디오, 이미징 및 오디오와 같은 멀티미디어 이벤트를 추적하고 모니터링할 수 있습니다. 그들은 데이터를 무선으로 연결, 검색, 압축 및 연관시키는 카메라와 마이크가 있는 저렴한 센서 노드를 가지고 있습니다.
모바일: 모바일 WSN은 감지 기능을 수행하면서 이동 및 통신할 수 있는 센서 노드로 구성됩니다. 모바일 무선 센서 네트워크는 고정식 센서 네트워크에 비해 더 많은 유연성, 더 넓은 적용 범위, 더 나은 채널 용량을 제공하고 에너지를 절약합니다.

WSN 유형의 배치는 애플리케이션 및 지상 요구 사항을 기반으로 합니다.

WSN의 다양한 구조

네트워크 구조에는 4가지 유형이 있지만 네트워크 구조에 따라 데이터 라우팅 및 처리가 변경되므로 구현은 대기 시간, 용량 및 견고성에 영향을 미칩니다. 따라서 WSN 구조를 배포하기 전에 애플리케이션의 요구 사항 및 특성에 대한 평가를 알아야 합니다.

노드를 인터넷에 연결하고 추가 분석을 위해 데이터를 클라우드 플랫폼으로 전송할 수도 있습니다.

이미지 크레디트: Researchgate

점대점 또는 버스 구조: 이 네트워크의 센서는 중앙 허브 없이 서로 직접 통신할 수 있습니다. 이 구조는 널리 사용되며 보안 통신을 제공합니다.
스타 구조: 스타 네트워크는 기지국을 중앙 허브로 사용하여 모든 센서와 통신하며 구현이 간단하고 저전력이 필요합니다. 이 구조의 단점 중 하나는 통신을 위한 단일 기지국에 대한 의존성입니다.
트리 또는 하이브리드 구조: 점대점 및 스타 구조로 구성됩니다. 이 구조에서 센서는 나무와 같은 구성으로 배열되고 데이터 전송은 센서 사이의 분기를 통해 이루어집니다. 다른 구조물에 비해 에너지 사용량이 적습니다.
메쉬 구조: 이 구조에서는 중앙 기지국이 필요 없이 다중 홉 통신을 위해 전송 범위 내에서 센서 간에 데이터 전송이 이루어집니다. 센서는 중간 센서를 사용하여 무선 적용 범위 밖에 있는 센서로 데이터를 전송할 수 있습니다. 따라서 확장 성 및 중복성으로 알려져 있습니다. 단일 장애 지점이 없기 때문에 가장 신뢰할 수 있는 것으로 간주되지만 더 많은 전력이 필요합니다.

WSN의 응용

WSN은 측정, 추적 또는 감시가 필요한 수많은 분야에서 널리 사용됩니다. 그들은 다양한 응용 분야에서 온도, 소리 및 기타 매개 변수를 측정하면서 지역 전체에 퍼져 있습니다.

침입 시도를 감지하기 위해 센서를 배치하여 지역을 감시하는 데 사용되므로 적의 침입을 감지하기 위해 군대에서 널리 사용됩니다.
광업, 의료, 감시, 농업 및 기타 모니터링 조건과 같은 민간 응용 분야에서 인기가 있습니다.
무선 센서 노드는 자력계를 통해 주차된 차량을 감지하고 마이크로 레이더와 자력계를 추적에 사용할 수 있습니다.
WSN은 자연 재해 예방, 산사태 감지, 수질 모니터링, 산불 감지 및 서식지 모니터링과 같은 환경/지구 모니터링 및 감지 분야에서 매우 인기가 있습니다. 또한 기계 상태, 폐수, 구조 상태 등과 같은 산업 모니터링 솔루션 전반에서 널리 사용됩니다.

무선 센서 네트워크의 장단점

이 섹션에서는 WSN의 장단점을 살펴보겠습니다.

장점

WSN은 편리함, 신뢰성, 경제성 및 배포 용이성으로 인해 유선 모니터링 시스템보다 선호됩니다.
WSN은 케이블이나 전선이 필요하지 않습니다.
WSN의 숙련도는 감지 정밀도, 적용 범위, 내결함성, 연결성, 낮은 인간 개입, 까다로운 조건에서의 기능 및 동적 센서 스케줄링과 같은 많은 요인에 기인합니다.
WSN 내의 모든 노드에 대한 중앙 집중식 모니터링을 활성화합니다.
아무 문제 없이 물리적 파티션에 적응할 수 있습니다.
제한된 성능 및 대역폭 환경에서 통신하기 위한 라우팅 프로토콜로, 다중 홉 통신을 사용하는 자가 구성 임시 네트워크를 생성합니다.
무선 기술 기반 보안 알고리즘을 사용하여 사용자에게 안정적인 네트워크를 만듭니다.
확장성을 위해 새 노드 또는 장치를 쉽게 통합할 수 있습니다.

단점

WSN은 제한된 대역폭, 높은 에너지 소비, 고가의 노드 비용, 배포 모델 및 하드웨어/소프트웨어 설계 제약 조건과 같은 문제에 직면해 있습니다.
무선 센서 네트워크는 해킹에 취약합니다.
WSN은 저속 애플리케이션용으로 설계되었으며 고속 통신에는 적합하지 않습니다.
WSN 네트워크를 구축하는 데 비용이 많이 듭니다.
중앙 노드에 장애가 발생하면 스타 토폴로지 기반 WSN에서 전체 네트워크가 종료될 수 있습니다.

학습 리소스

#1. Arduino를 사용하여 무선 센서 네트워크 구축

아두이노와 XBee 장비로 무선 저전력 네트워크 구축에 관한 책. 예시를 통해 복잡한 프로젝트 개발에 대한 설명이 포함되어 있습니다. 이 책은 상세한 사진과 스크린샷을 제공하고 그대로 따라하거나 맞춤화할 수 있는 홈 오토메이션 프로젝트를 설명합니다.

XBee 모듈을 사용하여 Arduino 보드를 무선으로 연결하고 네트워크 센서의 피드백을 기반으로 환경을 제어하는 방법을 배웁니다. 클라우드 플랫폼 또는 개인 데이터베이스에서 센서 데이터 수집 및 저장을 위해 Windows, OS X 또는 Linux에서 XCTU 소프트웨어를 사용하십시오. 또한 ZigBee Home Automation 장치와 상호 작용합니다.

이 책은 무선 기술을 사용하여 프로젝트를 확장하기 위해 Arduino를 이해하고 있는 임베디드 시스템 개발자 및 매니아가 사용할 수 있습니다.

#2. 무선 센서 네트워크 구축: ZigBee, XBee, Arduino 및 처리

이 책은 XBee 라디오와 100달러 미만의 Arduino를 사용하여 ZigBee 네트워크를 구축하는 방법을 강조합니다. 조정 가능한 감지 및 작동 시스템을 만들고 전력 관리 및 소스 라우팅과 같은 XBee 복잡성에 대한 지식을 얻으십시오. 인터넷을 포함한 인접 네트워크와의 상호 연결을 위한 게이트웨이를 개발합니다.

이 책은 발명가, 해커, 크래프터, 학생, 애호가, 과학자를 포함하여 각 장의 예를 따라 다양한 개인이 자신의 프로젝트를 추구하는 데 필요한 지식과 기술을 습득하는 데 도움이 될 것입니다.

이것은 스마트 인터랙티브 가젯을 만들기 위한 훌륭한 리소스이며 센서 시스템은 ZigBee 무선 네트워킹 프로토콜 및 Series 2 XBee 라디오를 활용하여 사용할 수 있습니다.

#삼. 산업용 무선 센서 네트워크(IWSN): 프로토콜 및 애플리케이션

이 간행물은 산업용 무선 센서 네트워크에 대한 새로운 연구 결과를 제시합니다. 특별호에 포함된 논문은 IWSN에 대한 연구 발전에 기여하고 추가 연구 및 배포에 영감을 줄 것으로 기대됩니다.

IWSN은 모든 네트워크 계층에서 높은 견고성, 신뢰성 및 적시성 표준을 갖춘 일상 생활 및 산업에서 무선 센서 네트워크의 사용이 증가함에 따라 매우 중요합니다.

#4. ESP32 LoRa로 무선 센서 네트워크 구축

이 가이드는 LoRa 네트워크에서 ESP32로 기본 무선 센서 네트워크(WSN)를 구현하는 것입니다.

개발 환경 준비, ESP32 LoRa 구성, 데이터 송수신, LoRa 수신기 인터럽트 처리, LoRa 네트워크에서 메시지 브로드캐스팅, ESP32 LoRa로 WSN 애플리케이션 만들기 등 다양한 주제를 다룹니다.

마지막 말

무선 센서 네트워크(WSN)는 다양한 모니터링 및 추적 애플리케이션에 필수 요소가 되었습니다. WSN은 기본 센서 모니터링에서 고급 감지, 처리 및 분석으로 발전했습니다.

WSN 기술은 귀중한 지식을 수집하고 원하는 결과를 제공하기 위해 크게 변화했습니다.

다음으로 TCP/IP 프로토콜 아키텍처 모델의 작동을 확인하십시오.