האמנות של שילוב חיישנים ברשתות חיישנים אלחוטיות

Yan Vainter ,Freescale

שיפורים בטכנולוגיות של חיישנים ובמערכות שלהם מקבלים דגש כתוצאה מיישומם ברשתות חיישנים אלחוטיות (WSN). ואכן, השימוש בתכונות המתקדמות ביותר של חיישנים חכמים יכול לגרום לחיסכון משמעותי בצריכת ההספק, ברמה של מערכות רשתות WSN ובהעברת תקשורת הנתונים. עם זאת, כתוצאה ממספרם המועט של מחקרים שבוצעו בתחום הקשור לרשתות WSN, המימוש והשילוב של חיישנים ברשתות WSN עדיין נראים יותר כאמנות מאשר מדע. מאמר זה מציג בעיקרו של דבר כמה טכניקות ותפישות המיועדות לשיפור היעילות של רשתות WSN בעזרת אופטימיזציה של צומתי חיישנים ושל צומתי משנה של חיישנים.

הקדמה
האימוץ של רשתות חיישנים, במיוחד של רשתות חיישנים אלחוטיות (WSN), מתרחב כתוצאה מכמה מגמות חשובות כדוגמת בקרת אנרגיה במבנים, אוטומציה של הבית, רשתות חיישני גוף ואבטחה. המשמעות של היענות לדרישות שוק אלו, הכוללות אכלוס של רשתות WSN, היא שיש צורך לעמוד באמות מידה חשובות כדוגמת עלות, צריכת הספק, גמישות, פרישה ותחזוקה. רוב הפעילות בתעשייה ובאקדמיה התמקדה עד כה בארכיטקטורה של פרוטוקולי התקשורת האלחוטית ובתוכנה שלה. השיפור של יעילות הצמתים ושל צומתי החיישנים, כמו למשל חיישנים, צירוף חיישנים ואופטימיזציה בתוך רשתות WSN, עדיין נמצא בפיתוח, ולעת עתה נמצא בשלב של אומנות במקום בשלב של מדע. רוב המחקרים מתמקדים בפרוטוקולי תקשורת ובאלגוריתמים שלהם. פריצות דרך בטכנולוגיות ובמערכות של חיישנים מספקות כיום דרכים חדשות לשיפור רשתות WSN, במיוחד מבחינת ביצועי צריכת ההספק. בזכות ייצור המבוסס על טכנולוגיה של מיקרו-אלקטרוניקה, אפשר להגיע לכמויות ייצור גדולות תוך כדי הקטנת גודל השבבים. יתר על כן, בזכות טכנולוגיות של מארזים, אפשר לממש את עיבוד אותות החיישנים ואת המיקרובקר עם הזיכרון הנדרש, יחד, בגודל שטח קטן ביותר. ואכן, חיישנים המבוססים על מערכות MEMS כבר מהווים חיישנים בעלי גודל קטן בעלות נמוכה עבור מדי תאוצה, חיישני לחץ וג’ירוסקופים. במאמר זה יוסברו התכונות המשובצות המתקדמות ביותר של חיישנים, כגון פונקציות לוגיות המשמשות לצורך עיבוד נתוני חיישן, וכן, תקשורת פעילה שמתבצעת באמצעות פסיקות (interrupts) ואחסון זמני (buffering) של נתוני החיישן, ורכזות (hub) חיישנים חכמות שמאפשרות מחשוב של נתוני חיישן שנקלטים מחיישנים מרובים שמתבצע בהתאמה אישית באמצעות תוכנה ברמת החיישנים. בנוסף, במאמר זה נדגיש את הטכניקות האחרונות המשמשות לחיסכון בצריכת הספק ותורמות לשיפור היעילות של תקשורת נתונים בתוך צומת של חיישנים ופעילות הגומלין שלו עם מקמ”ש אלחוטי.™ZigBee משמש בדוגמאות של רשתות WSN, אם כי תקני רשתות WSN אחרים יכולים לשמש אף הם.

חיישנים חכמים עבור רשתות WSN
א. חיישנים חכמים
אפשר להגדיר חיישנים חכמים כחיישנים עם מוצא ספרתי או אנלוגי, שאליו מצורפות תכונות משובצות אשר מאפשרות לחיישן לגלות אירועים מסוימים וליצור תקשורת באופן פעיל, כלומר, הוא יכול לשלוח אות כאשר נתונים צפויים הופכים להיות זמינים למשלוח.
חיישנים שמספקים תוצאה של אירוע מנתונים צפויים, במקום לספק רק נתונים של החיישן, זוכים לאימוץ נרחב. אחת הדוגמאות לכך הם מדי גובה: עד לאחרונה, קיזוז הלחץ שיש לבצע בטמפרטורה, נעשה רק באמצעות תוכנה שנדרשת לה יכולת עיבוד חיצוני על מנת לאסוף בו זמנית הן את נתוני הלחץ וגם את אלו של הטמפרטורה. ביצוע הקיזוז בתוך החיישן מפחית במידה רבה את זרימת הנתונים, תוך כדי ביטול עיבוד הנתונים. הארכיטקטורה של חיישן לחץ חכם מוצגת באיור 1. עיבוד האות מתבצע במעגל לוגי אשר כולל את משוואת הקיזוז ואת כניסת הנתונים. קבוצה של אוגרים משמשת כדי להוסיף גמישות מסוימת לגבי המקדם של קיזוז הטמפרטורה. דוגמה לכך הוא מד הגובה MPL3115A2 של חברת Freescale.
חיישן חכם זה חוסך זמן מחשוב, תקורת תוכנה וצריכת הספק מפני שרק הנתונים הנחוצים מסופקים דרך ממשק האפיק, והלוגיקה המתאימה יעילה יותר במונחים של צריכת הספק מאשר מחשוב שמעורבים בו זיכרון ויע”מ (CPU): חיישן גובה מלא, כמו למשל MPL3115A2, צורך בין 10 מיקרו אמפר ל-100 מיקרו אמפר (בתלות בקצב הדגימה) בהשוואה למיקרובקר רגיל שצורך זרם בטווח שבין 1 ל-20 מילי אמפר.
דוגמה נוספת היא גילוי תנועה או רעידות, המשמש כדי לעורר מערכת באמצעות מד תאוצה. אפשר להשתמש בתכונה זו לגילוי של ניסיון חבלה, כאשר המשתמש מטפל בהתקן שנמצא במצב המתנה על מנת להעביר אותו באופן אוטומטי למצב פועל או פשוט כדי לגלות רמה מסוימת של תנועה או רעידות על מנת לשלוח התרעה או לכבות מערכת. עם זאת, כדי להיות יעיל, יש לחבר פונקציות משובצות עם תקשורת פעילה במקום תקשורת סבילה. על כן יש צורך להשתמש בממשק הפסיקות על מנת ליצור תקשורת פעילה עם יחידת העיבוד העיקרית או במקמ”ש ת”ר (RF) על מנת לאותת על גילוי של נתונים מסוימים או על כך שנתוני חיישן צפויים מוכנים למשלוח. במקום לקבל גישה אל נתוני חיישן עם פרקי זמן קבועים, רשת החיישנים יכולה להמתין לפסיקה הקשורה לנתונים שמישים, כדוגמת שינוי בטמפרטורה של חדר שמוגדר מראש באמצעות קבוצה של ערכים (ערך סף או סחיפה). אפשר להשתמש ביותר מאשר פסיקה אחת כדי ליצור רמות עדיפות של פסיקות או על מנת לספק מידע לגבי סוג האירוע שגרם לפסיקה.
העברת הנתונים הנדרשים אינה הדרך היחידה שבה חיישנים חכמים יכולים לשפר את יעילות המערכת ואת צריכת ההספק. המימוש של תקשורת דו כיוונית בסיסית, במקום איסוף הנתונים בלבד מכל חיישן, פתח דרכים חדשות ליצירה של פעילות גומלין בתוך מערכות על ידי חיסכון בפעולות העברה של נתונים. הארכיטקטורה האופיינית של חיישן חכם מוצגת באיור 2.
ב. תקשורת דו כיוונית
בתקשורת בסיסית זו משתמשים בדרך כלל בממשק ספרתי סטנדרטי, כגון SPI או I2C, עם חיבור פסיקה אחד או יותר. במקום למשוך את הנתונים באופן רציף או במרווחי זמן סדירים, החיישנים יכולים לעורר את תקשורת הנתונים הזו בכל פעם שהיא נדרשת (למשל, כאשר מתרחש אירוע חדש או שקיימים נתונים חדשים). אפשר להשתמש בפסיקות מרובות לקבלת רמות שונות של סדרי עדיפויות או אפשר לשלב ביניהם על מנת לציין את סוג האירוע שעורר את הפסיקה. כך, במערכות שבהן הנתונים נדרשים רק כאשר מתרחש שינוי, כמו למשל טמפרטורה של חדר, אפשר לחסוך בתקשורת הנתונים, מפני שפסיקה תישלח כדי להתחיל את העברת הנתונים רק כאשר היא תידרש.
תקשורת דו כיוונית בסיסית זו, מאפשרת לשלב יותר פונקציות לוגיות בתוך חיישנים על מנת לסנן, לשמור באופן זמני או אף לנהל את הנתונים. ברומטר הוא דוגמה טובה שיכולה לתאר את היעילות המשופרת. ברוב הברומטרים נעשה שימוש בחיישן טמפרטורה ובחיישן לחץ. מיקרובקר משלב את הנתונים ומרענן את מדידת הלחץ האטמוספרי במרווחי זמן סדירים. בסביבת רשת WSN, כמו זו שקיימת בבקרה של חממה, נדרשים בעיקר נתונים הקשורים לשינויים. אי לכך, שילוב של חיישני טמפרטורה ולחץ והוספה של תכונות לוגיקה עם זיכרון לשמירה זמנית שישמשו לגילוי שינויי לחץ ולמעקב אחריהם, מהווה פתרון מתאים יותר מאשר משיכה קבועה של נתוני החיישן, על מנת לעבד אותם בשלב מאוחר יותר. השימוש בפסיקה במטרה לעורר את התקשורת עבור שינוי בעל משמעות (עם מטרות מודולריות) הופך את מערכת רשת WSN ליעילה יותר במונחים של העברת נתונים וצריכת הספק.
חיסכון משמעותי ביותר בשידור נתונים כבר תואר בדוגמה של ניטור הנתונים של מד תאוצה לשלושה צירים עבור אירוע מסוים (למשל במקרה של תנועה צפויה). לדוגמה, השימוש בחיישן חכם מאפשר לשלוח 41 בתים של נתונים בלבד דרך ממשק I2C כאשר האירוע הצפוי מופיע ללא קשר לתדירות הדגימה של החיישן, בהשוואה ל-10,500 בתי נתונים בשנייה של נתונים גולמיים בשיטות אחרות.
דרך יעילה יותר להשתמש בחיישנים ברשת WSN היא באמצעות מימוש מערכת עם חיישנים חכמים על מנת להפחית במידה רבה מאוד את תקשורת הנתונים, את עיבודם, ואת צריכת ההספק. כדי שאפשר יהיה להשתמש בה באופן יעיל, יש לתכנן את התוכנה של מערכת רשת WSN כך שתקבל נתונים אינטראקטיביים במקום הנתונים הקלאסיים בכל מרווח זמן נתון.
החיישנים החכמים כבר זמינים, בהם נכללים מדי גובה, מדי תאוצה, מדי שדה מגנטי וג’ירוסקופים. עם זאת מגבלתם של חיישנים אלו, באה לידי ביטוי כאשר יש צורך לשלב נתונים מחיישנים שונים. השימוש ביותר משני חיישנים מוגבל מפני שלשילוב של חיישנים חכמים מרובים יש צורך בגמישות וביכולת העיבוד של נתונים אלו. ללוגיקה מוגדרת מראש חסרה הגמישות הנדרשת עבור כל השילובים האפשריים של מיזוג חיישנים. ואכן, מיזוג של חיישנים חכמים מוגבל בעיקר ברמת החומרה, על ידי שילוב של חיישנים מרובים יותר בתוך מארז אחד, תוך שיתוף אותם משאבים, כגון ניהול הספקים וממיר ADC ואספקת הנתונים בצורה מוסדרת יותר מאשר במקרה של שני חיישנים נפרדים. מדי תאוצה עם מדי שדה מגנטי עבור מצפנים אלקטרוניים או מדי תאוצה עם ג’ירוסקופים, הם המכשירים הנפוצים ביותר שמצויים במארז יחיד.
הדרך היעילה ביותר על מנת להקטין למינימום את צריכת ההספק, את זרימת הנתונים ואת התדירות של שידור הנתונים, היא הדרך של שימוש בחיישנים חכמים עם פונקציות משובצות והתחברות בממשק בתקשורת פעילה באמצעות פסיקות.
טבלה 1 מציגה כמה דוגמאות של
חיסכון בצריכת הספק ביחס לתכונות של חיישנים חכמים.
השימוש ב-KW20 בטכנולוגיית ZigBeeTM המתקדם ביותר של Freescale, אשר מממש את המקלט עם מעבד מיקרו (MCU) מאפשר לחשב את נתוני החיישן ולשלוח אותם כאשר יש בכך צורך. הדרך הנפוצה ביותר לשימוש בהתקן זה ברשת WSN היא לדרוש נתוני חיישן במרווחי זמן סדירים. להתקן KW20 יש צריכת זרם אופיינית של 15 מילי אמפר עבור השידור והקליטה בת”ר; המיקרובקר המשובץ צורך 12 מילי אמפר במהלך כל העברה והרכשה של נתונים. איור 3 מציג צריכת הספק יחסית עם התזמונים הקשורים, תוך כדי שימוש בתזמון המבוסס על שני בתים שאופייני לטכנולוגיית ZigBeeTM. חיסכון בשידור נתונים והקטנה למינימום של תזמון המיקרובקר, אשר יכולים להפחית באופן משמעותי את צריכת ההספק, במיוחד בהשוואה לצריכת ההספק של חיישן יחיד. החלק הקולט במקרה שלנו משמש בפרוטוקול “לחיצת הידיים” (handshake); לכן, מעט מאוד יכול להתבצע במספר שידורי RX שקיימים ברמה של צומת החיישן.

הרעיון של פלטפורמת חיישנים חכמים
א. התפתחות לפלטפורמות של חיישנים חכמים
בחיישנים חכמים, או כפי שהם גם נקראים לפעמים “חיישנים נבונים”, אנו מתכוונים לחיישן אחד או יותר שבהם משובצות יכולות מחשוב שמאפשרות עיבוד וניהול של נתוני החיישן באמצעות תוכנה, הוספה של ארכיטקטורה המאפשרת איסוף נתונים מחיישנים אחרים או מהתקנים אחרים, משמעותה הוספה של צומתי משנה או של תכונות עיבוד צומת, אשר הופכות חיישן חכם לרכזת חיישנים חכמה. כבר כיום קיימים בשוק חיישנים כאלו, בהם נכללים MMA955xL של Freescale שתוכנן על מנת לענות על האתגרים של מורכבות גוברת שכרוכה בשילוב חיישנים מרובים, במיזוג של נתוני חיישנים ובמגבלות של החומרה. ברכזות חיישנים חכמות, משובצים בהן מיקרובקר ניתן לתכנות בזיכרון הבזק (Flash) וחיישן או חיישנים משובצים שמחוברים באופן הדוק בארכיטקטורת מערכת על שבב (SoC) שמתוכננת במיוחד לשמש כרכזת חיישנים. דור חדש זה של חיישנים מאפשר את קיומם של יישומים שבהם נעשה שימוש בחיישנים, כדי לענות באופן יעיל על בעיות של גמישות, יכולת התאמה, התאמה אישית מקומית וכן על מורכבות פנימית של כל סוג של חיישן (כיול, תבנית נתונים, ממשק, וכיו”ב).
היתרונות של חיישנים חכמים במונחים של צריכת הספק, גמישות ויעילות בתוך רשת WSN יכולים להיות בעלי משמעות עבור שני חיישנים או יותר שנמצאים באותה צומת או צומת משנה. ואכן, החיסכון העיקרי בצריכת ההספק מתרחש כאשר משתמשים בתפיסת המחשוב המבוזרת (או א-סימטרית). המימוש והיתרונות של רכזות חיישנים חכמות עבור רשתות WSN הוצג כבר בעבר.
מצב זה נכון במיוחד ברשתות WSN שבהן צריכת ההספק המשותפת של מקמ”ש ת”ר ושל המיקרובקר אינה ניתנת להתאמה לנתוני החיישן שאותם יש לעבד ולשדר. לכן האפשרות להתאים את עוצמת העיבוד לסוג הצומת, חשובה להתאמה באופטימיזציה של צריכת ההספק של המערכת. התאמה זו של עוצמת העיבוד אפשרית גם עם מיקרובקרים בעלי צריכת הספק נמוכה ביותר המחוברים לחיישנים, אך היא תיעשה במחיר הפשרה בגודל וביעילות, מאחר שלכך יידרשו בנוסף ממשקים, ניהול הספקים והעברת נתונים בין החיישנים והמיקרובקר.
לדוגמה, השימוש ביכולת המחשוב של KW20 צורך 15 מילי אמפר. השימוש ברכזת חיישנים חכמה, כמו למשל MMA955xL צורך 0.5 מילי אמפר בלבד לצורך חישה ועיבוד של הנתונים תוך שמקמ”ש ™ZigBee נתון במצב המתנה ומקבל פסיקה רק על מנת לשלוח את נתוני החיישן שנצברו. מכאן שעיבוד מתאים משיג את היעילות הטובה ביותר עם צריכת הספק מזערית. מצב זה מתקיים במיוחד אם צומת החיישנים מורכב מיותר מאשר חיישן אחד ובמיוחד אם נדרש מיזוג של נתוני חיישנים. דוגמה למימוש כזה מוצגת באיור 4.
המגבלה על מספר החיישנים במערכת יעילה נגזרת בעיקר ממיזוג נתוני החיישנים הנדרש לביצוע בתוך רכזת החיישנים החכמה. כמות MIPS ומשאבי הזיכרון הנדרשים על ידי האלגוריתמים המפעילים את מיזוג נתוני החיישנים מגדילים את צריכת ההספק של רכזת חיישנים חכמה עד שהם מגיעים למגבלת המחשוב. מיזוג נתוני החיישנים יכול להתבצע ברכזת חיישנים חכמה או במעבד המיקרו/בבקר המיקרו (MCU) של היישום הראשי או במיקרובקר ייעודי שתוכנן במיוחד כמשאב לעמוד בדרישות מיזוג נתוני החיישנים ולהקטנת צריכת ההספק למינימום. בטבלה 2 מופיעים היתרונות והחסרונות העיקריים של שתי צורות נפרדות אלו של עיבוד מבוזר. אחת התוצאות היא שהיעילות הטובה ביותר מושגת על ידי התאמה של משאבי עיבוד מתאימים בצומת החיישנים הקרובה ביותר, אך השינויים במספר הפרמטרים ומורכבותם גדולים מכדי שיוכלו לאפשר ניסוח כללים ברורים בשלב זה. אחד האתגרים העומדים בפני המתכנן הוא ארכיטקטורת התוכנה שיש להתאים אותה לעיבוד מבוזר. אפשר להתגבר על אתגר זה רק אם המערכת מתוכננת עבור מערכת שיתופית (symbiotic) של חומרה ותוכנה. עיבוד בחומרה וביצוע חציצה (partitioning) בתוכנה חייבים להיות מתוכננים בו זמנית תוך שמירה על הגמישות של מערכת רשת WSN כקווי הנחיה.
עיבוד מבוזר הוא המפתח הטכנולוגי לחיסכון בצריכת ההספק עבור רשתות WSN עם ריבוי של חיישנים וצומתי חיישנים.

מסקנות
מחקרים נוספים ועבודה נוספת נדרשים כדי לקבוע כללים לביצוע אופטימיזציה של צומתי חיישנים ושל התקשורת. רשתות WSN המותאמות באופטימיזציה באופן הטוב ביותר יהיו שילוב בין חיישנים חכמים, רכזות חיישנים חכמות ומיקרובקרים ייעודיים. רשת WSN מלאה המחוברת לרשת האינטרנט יכולה לקבל יתרונות משימוש בחיישנים חכמים ועם פרוטוקול המתוכנן באופן מתאים מיד בתחילת התכנון. האתגרים הקשורים לתכנון ארכיטקטורת התוכנה ומיזוג נתוני החיישנים עדיין קיימים ורק מימוש שיתופי של תוכנה וחומרה יתאים באופן מלא את רשת WSN להשגת תחזוקה נמוכה, את צריכת ההספק הנמוכה ביותר, את אורך חיי הסוללה הגדול ביותר ואת הגמישות ויכולת המחזור הטובות ביותר. חיבור עם קצירת אנרגיה ירחיב עוד את היתרונות של מימוש כזה מאחר שהחוכמה כבר נמצאת ברמת החיישן.