بهینه سازی مصرف انرژی شبکه های حسگر بی سیم با استفاده از الگوریتم ژنتیک
چکیده
شبکه حسگرهای بی سیم به سبب کاربردهای گوناگون، جزء محبوب ترین شبکه های بی سیم بشمار می روند. اما حسگرهای موجود در این نوع شبکه ها مصرف انرژی بالایی دارند. هدف این پایان نامه بیان روشهایی جهت کاهش مصرف انرژی و به تبع آن افزایش طول عمر شبکه حسگرهای بی سیم می باشد. در این پایان نامه پس از معرفی شبکه حسگرهای بی سیم و کاربردهای آن ها دو روش جهت افزایش طول عمر شبکه حسگرهای بی سیم مورد بررسی قرار گرفته است.
دریک روش با بهینه کردن توان بازدهی گره با کمک الگوریتم ژنتیک و روش دیگرباخوشه بندی گره ها با استفاده از الگوریتم ژنتیک، سعی در افزایش عمر شبکه بی سیم شده است.
کلید واژه: الگوریتم ژنتیک، بهینه کردن انرژی، خوشه بندی، شبکه حسگرهای بی سیم.
مقدمه
شبکه های حسگر بی سـیمWireless Sensor ، (WSNNetwork) از مجموعــه ای از سنســورهای خودکــار تشــکیل شده اند تا بر شرایط فیزیکی یا محیطی نظارت کنند. ایـن شـرایط می تواند، حرارت، صدا، لرزش، فشار ،حرکت یا آلـودگی هـا باشـد.
این شبکه ها داده ها را از طریق شبکه به یک واحد مرکزی ارسـال می کنند. شبکه های مدرن تر امـروزی دو طرفـه هسـتند و امکـان کنترل فعالیت سنسورها را هم فراهم کرده اند. توسعه شـبکه های حسگر بی سیم در ابتدا در نیروی نظامی آغـاز شـد و در مـواردی همچون نظارت بر زمین نبرد تحت آزمون قرار گرفت. امروزه ایـن شبکه ها کاربردهای صنعتی و مصـرفی زیـادی پیـدا کـرده انـد. از میان این کاربردها می توان به نظارت تولید کارخانـه ای و کنتـرل آن ها، نظارت بر سلامت ماشین و غیره اشاره کرد.
یک شبکه WSN از مجموع های از گره ها تشکیل شده است که می توانند تعداد آن ها از چندتا تا چند صد حسگر متغیر باشد. در این شبک هها هر گره به گره دیگر (یا چند گره دیگر) متصل است. هر کدام از این حسگرهای شبکه، معمولا چند بخش دارند:
1- گیرنده/فرستنده رادیویی با آنتن داخلی یا اتصال به آنتن بیرونی
2- میکروکنترلر که مداری است الکترونیکی برای ارتباط برقرار کردن با سنسورها و منابع تغذیه
3- باتری یا شکل متصلی از دستگاه ذخیره سازی انرژی
یک گره حسگر در اندازه های متفاوت وجود دارد و می تواند به اندازه یک جعبه کفش یا حتی به اندازه گرد و غبار وجود داشته باشد. هزینه این گره های سنسوری متغیر است و از چند صد ریال تا چند صد میلیون ریال می توان آن ها را تهیه کرد و بستگی به ساختار درونی گره حسگر و پیچیدگی معماری آن دارد.
چون حسگرهای موجود در این نوع شبکه ها در ابعاد کوچک و با وزن اندک ساخته می شوند، امکان قراردادن منبع انرژی جهت استفاده طولانی در آن ها وجود ندارد و معمولا از باتریهای کوچک برای تغذیه حسگرها استفاده می شود، همچنین تعویض باتری تقریبا غیر ممکن می باشد. توان موردنیاز ممکن است با بخش های جمع آوری توان، مانند سلولهای خورشیدی تامین شود. به موازات تولید توان، تلاش برای کاهش مصرف توان در شبکه بسیار مهم است. صرفه جویی در مصرف توان در حالت کلی از دو طریق ممکن است.
یک راه ساخت حسگرهایی با مصرف انرژی کمتر و راه دیگر به کاربردن روش های مدیریت توان در طراحی نرم افزاری شبکه است. مثلاً ارسال TDMA (Time Division Multiple Access) از نظر مصرف توان مناسب است؛ زیرا در فاصله هر شیار زمانی که اطلاعات هر حسگر ارسال نمی شود، حسگر در حالت انتظار که مصرف انرژی بسیار کمی دارد، قرار میگیرد. روش های مناسب پیکربندی هندسی شبکه و یا انتخاب Parent میتواند مصرف انرژی را کاهش دهد.
فهرست مطالب بهینه سازی مصرف انرژی شبکه های حسگر بی سیم:
چکیده د
مقدمه 1
فصل اول : شبکه های حسگر بیسیم 3
1-1 مقدمه ای بر شبکه های حسگر بی سیم 4
1-2 تاریخچه شبکه های حسگر 5
1-3 معماری مجزای در حسگرهای بی سیم 6
1-4 معماری شبکه های حسگرهای بی سیم 7
1-5 شبکه توری : 8
1-6 زیگ بی: 9
فصل دوم بهینه سازی مصرف انرژی شبکه های حسگر بی سیم 11
کاربردهای شبکه های حسگر بی سیم 11
2-1 کاربردهای شبکه های حسگر بی سیم 12
2-2 نظارت بر سازه های بهداشتی – سازه های هوشمند 12
2-3 اتوماسیون ( خودکاری سازی ) صنعتی 13
2-4 کاربردهای برجسته – نظارت سازه های شهری 13
2-5 پیشرفتهای آینده 15
2-6 شبکه های حسگر بی سیم 15
2-7 معماری یک شبکه حسگر بی سیم 15
2-8 کاربردهای شبکه حسگر بی سیم 17
2-9 نظارت بر محیط 18
2-10 مشخصه های شبکه حسگر بی سیم 18
2-11 سختافزار در شبکه حسگر بی سیم 19
2-12 استانداردهای شبکه حسگر بی سیم 20
2-13 نرمافزارهای شبکه حسگر بی سیم 20
2-14 سیستمعامل های شبکه حسگر بی سیم 21
2-15 میان افزار شبکه حسگر بی سیم 22
2-16 زبان برنامه نویسی شبکه حسگر بی سیم 23
2-17 الگوریتم شبکه حسگر بی سیم 23
2-18 تجسم فکری داده ها 24
2-19 شبکه های حسگر بی سیم و کاربردهای آن 24
2-20 خصوصیات مهم شبکه های حسگر بی سیم 25
2-21 کاربردهای نظامی شبکه حسگر بی سیم 28
2-22 کاربردهای محیطی شبکه حسگر بی سیم 28
2-23 کاربردهای بهداشتی شبکه حسگر بی سیم 28
2-24 کاربردهای خانگی شبکه حسگر بی سیم 29
2-25 کاربردهای تجاری شبکه حسگر بی سیم 29
2-26 ویژگیهای عمومی یک شبکه حسگر 30
2-27 چالش های شبکه حسگر 31
2-28 مزایای شبکه های حسگر بیسیم 34
2-29 معرفی شبکههای بیسیم 35
فصل سوم : بهینه سازی مصرف انرژی شبکه های حسگر بی سیم در شبکه های حسگر بی سیم 37
3-1- مقدمه 38
3-2- نقشه ی کارایی انرژی برمبنای DNA: 38
3-3- طرح ارائه شده: 40
3-4- خوشه بندی گره ها: 45
3-4-1- روش خوشه بندی شبکه های سنسور بیسیم 45
3-4-2- جزئیات الگوریتم 46
3-4-3- شبیه سازی و نتایج 48
نتیجه گیری 51
منابع: 52