wireless senzori

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzori

WIRELESS SENZORI I WIRELESS MREŽE

Milan Krstić, 50

1.0 Uvod u Mehatroniku

Savremene mašine i uređaji imaju veliki broj elektrotehničkih i elektronskih komponenti. Ta činjenica govori o neophodnosti zajedničkog rada mašinaca i elektronaca na realizaciji tehničkih sistema. Sistemi u kojima su integrisane mehanika i elektronika prvi put su nazvani “mehatroničkim” osamdesetih godina prošloga veka u Japanu (prvo zvanično pominjanje naziva).

Način funkcionisanja mehatroničkih sistema se sastoji u tome da se iz okoline tehničkih sistema primaju informacije, u tehničkom sistemu se obrađuju i na osnovu te obrade donosi se odluka da sistem dejstvuje potrebnom silom ili kretanjem.

Do 18. veka su tehničke tvorevine umetnici – inženjeri. Razvijeni objekti su pored funkcije posedovali i umetnički vredan oblik. Tek u drugoj polovini 18. veka se pronalaskom načina dejstva parne mašine počinje industrijska revolucija. Razvoj tadašnjih tehničkih sistema išao je u pravcu ekonomičnosti i funkcionalnosti.

Osnovni zadatak mašinskih sistema je transformacija različitih vidova energija u mehanički rad. Iako je odavno bio poznat način transformacije energije vodene pare u cilindru, tek 1769. godine James Watt je uspeo da automatizuje taj proces i stvori prvu parnu mašinu, što je označilo početak industrijske revolucije.

Osnovni problem koji je ovde rešen je upravljanje, koje je omogućavalo nastavak ciklusa transformacije energije. Kontinualni rad mehaničkog dela za transformaciju energije (a) ostvaren je mehaničkim upravljačkim mehanizmom (b) (slika 1.).

Slika 1. Watt-ova parna mašina

Ako mašinski sistem pored osnovne funkcije obavlja i funkcije kontrole i regulacije, on mora posedovati veliki broj pokretnih delova, što uzrokuje nižu pouzdanost i veću cenu izrade. Ovakvi mašinski sistemi su sa fiksnom strukturom i bez mogućnosti izmene upravljačkih parametara prema uslovima koji se u toku rada javljaju.

Tokom vremena princip transformacije energije ostao je isti, a razvoj je išao u pravcu usavršavanja upravljačih mehanizama (kontrolera).

3/71


Mehanički sistemi sa manuelnim upravljanjem

Mehanički sistemi sa automatskim upravljanjem (automati)

Mehanički sistemi

МIU

K

МI

MU R

P

U

4/71

tмеханички контролерхидро-пнеуматски контролерелектронски контролерсофтверски контролер

МIU

K – kontroler

механички контролер хидро-пнеуматски контролер електронски контролер

M – mehanički deo sistemaMU – merni uređajP – procesorR – regulatorU – ulazne veličineI – izlazne veličine


Savremeni koncept rada tehničkog sistema bazira na primeni (slika 2):-mehanike (M) - za proizvodnju i prenos kretanja;-elektronike (E) - za prenos informacija i energije;-informatike (I) - za upravljanje i odlučivanje.

Slika 2. Mehatronički sistemi

Pošto mehanički deo u ovom slučaju ne obavlja upravljačku funkciju, on je veoma jednostavan, a samim tim i pouzdan. Funkciju upravljanja preuzima elektronski upravljački sklop, a informatika preuzima ulogu odlučivanja saglasno uslovima u kojima sistem radi.

Projektovanje mehatroničkih sistema ima za cilj realizaciju sistema sa vrhunskim performansama uz minimalno vreme razvoja, minimalnu cenu izrade i maksimalnu pouzdanost.

Mehatronički sistemi nisu prost zbir elemenata mehanike, elektronike i informatike, već su to elementi međusobno integrisani u jednu funkcionalnu celinu (slika 3).

Slika 3. Mehatronički koncept mašinskih sistema

5/71

механика електроника

информатика

МЕХАТРОНИКАелектромеханика

механички програм

електронски програм


Komponente mehatroničkog sistema sačinjavaju:

a) mehanički deo, koji se sastoji iz mašinskih, hidro-pneumatskih, termodinamičkih, optičkih i drugih sistema, čija je realizacija mehanička;

b) elektronski deo je fleksibilan i sposoban da radi po odgovarajućem programu i u figurativnom smislu predstavlja spoj između mehanike i informatike;

c) informatički deo čini skup programa po kojima treba da radi mehanika, a urađeni su na osnovu znanja i prethodnih iskustava.

Na osnovu prethodnog se može dati osnovna definicija mehatronike kao:

«Mehatronika je tehnička disciplina koja objedinjuje mehaniku, elektroniku i informatiku, a bavi se realizacijom optimalnih tehničkih sistema sa adaptivnim kompjuterskim upravljanjem. »

Adaptivnost tehničkog sistema se ostvaruje permanentnim praćenjem ulaznih i izlaznih veličina iz sistema primenom merne tehnike, čije se informacije pomoću kompjuterskog sistema obrađuju i koji informatičkom delu sistema služe kao baza za odlučivanje i upravljanje.

Ključni faktor u filozofiji mehatronike je integracija mikroelektronike i informacione tehnike u mehanički sistem sa ciljem da se dobije najbolje rešenje. Projektovanje ovakvog sistema ima multi ili transdisciplinarne aktivnosti. Zbog toga je mehatronika intelektualno izazovna filozofija koja zahteva inženjera vizionara spremnog za saradnju sa specijalistima iz drugih oblasti da bi proizveli «inteligentne» proizvode. Osnovne prednosti mehatroničkih sistema nad klasičnim su:

a) fleksibilnost: jedna struktura sistema može obavljati različite zadatke zavisno od programa

kojim se sistem upravlja, prilagodljivost spoljašnjim uslovima pri dejstvu slučajnih uticaja, laka ostvarljivost izmena.b) kraći razvojni ciklus, zbog standardizovane strukture mehatroničkog sistema i

jednostavnosti mehaničkog dela;c) povećana pouzdanost, zbog manjeg broja mehaničkih komponenti;d) olakšano upravljanje;e) stalna prisutnost informacije o stanju sistema;f) jeftiniji razvoj i realizacija sistema, zbog primene standardnih komponenti.

Da bi se ostvario optimalni način upravljanja mašinskih sistema, potrebno je parametre sistema menjati u toku rada, saglasno uslovima u kojima sistem radi. Pošto su promene uslova rada sistema često veoma brze, praćenje tih promena i manuelna promena parametara sistema je apsolutno nemoguća, pa se pristupilo primeni elektronskih upravljačkih sistema. Nagli razvoj mikroelektronike omogućuje proizvodnju jeftinih i moćnih računskih sistema, što je prouzrokovalo ekspanziju sistema za automatizaciju i nadzor (slika 4).

6/71


Slika 4. Kompjutersko upravljanje mašinskih sistema i procesa

Mehatroniku treba posmatrati kao odgovor na ukazane potrebe iz prakse. Svrha postojanja inženjera mehatronike je u skladu potreba društva, inženjeri mehatronike poseduju kompetentnost u evropskim i svetskim okvirima. Cilj se postiže u razvoju kreativnih sposobnosti, razmatranjima problema i sposobnosti kritičnog mišljenja, razvijanje sposobnosti za timski rad i ovladavanje specifičnim, praktičnim veštinama potrebnim za obavljanje već napomenute profesije. Od nas se traži da budemo stručnjak koji poseduje dovoljno potrebnog znanja iz osnovnih inženjerskih disciplina (matematika, mehanika, elektrotehnika…) iz mašinstva, elektronike, atomatskog upravljanja, programiranja i primene savremenih informacionih tehnologija, robotike, automatizacije, savremene mehanizacije...

Mašinstvo je zastupljeno u svim mogućim sferama naseg života, od aparata koje koristimo u svakodnevnom životu do velikih industrijskih postrojenja pa čak i u medicini gde opisujemo celu funkciju čovekovog tela i pravimo model tkiva preko zakona mehanike. Važan je, dobar izbor materijala pri projektovanju datog robotskog sistema. Pri njegovom izboru potrebno je znati strukturu materijala (hemijske veze, kristalnu ili nekristalnu strukturu). Ponašanje materijala na određenim temperaturama. Materijali koje koristimo su najcešce keramike, polimeri, kompoziti, intelegentni materijali, kod kojih je bitno znati strukturu, osobine, primenu...

7/71

сметње

ПРОЦЕС

мерни уређај подешавање

микрорачунар

материјаленергија

информације

материјаленергија

информације

опслуживањепоказивање

стандарднепериферије

веза са надређенимрачунским системом


Mehanika nas uči da se upoznamo sa kretanjem sistema, silama i spregovima sila, analiziramo trenje, bilans energije, teorijom sudara i ostalim važnim stvarima vezanih za mehaniku i ponašanje sistema. Ovde se bavimo dinamikom i kinematikom tj. opisom sistema. Sistemom veza, stvarnim i mogućim pomeranjima, variranjima i oscilacijama. Stičemo znanje za rešavanje sistema koji opisujemo diferencijalnim jednačinama koje opisuju ponašanje sistema kroz vreme i njegove promene. Poznavanje osnovnih zakona dinamike, njihova primena kao polaz pri rešavanju datog problema. Koristimo važne principe Njutna, Ojlera, Lagranza, Žurdena, Gausa i drugih.

Nadogradnja na mehaniku nam sledi u sticanju znanja radi lakšeg razumevanja otpornosti materijala. Granom mehanike koja nam omogućuje analizu naponskih stanja i deformacija za elasticno telo. Sve to pripada oblasti zvanoj statika u mehanici, ispitivanje grede i nosača, napone i naprezanja određenih materijala. Pri rešavanju zadatog problema počinjemo sa analizom kretanja sistema, gubicima i potrebnom energijom. Izborom mehanizma i materijala od koga će sve to biti sačinjeno i predstavljeno verodojstveno. Kad svo već kod izbora mehanizma potrebno je poznavati teoriju mehanike mašina koja nam daje mogućnosti analize i sinteze mehaizama i mašina-pod

8/71


analizom podrazumevamo strukturnu, kinematičku i dinamičku. Strukturna analiza podrazumeva sagledavanje strukture mehanizma i određivanje stepena slobode kretanja jednog od najbitnijih parametara pri konstruisanju robota. Kinetička analiza opisuje kretanje mehanizma u smislu određivanja putanja tačaka, brzina, ubrazanja. Dinamička analiza daje podatke o inercijalnim silama reakcijama veza i podatke o opštoj dinamičnosti mašine.

Sve ovo nas upućije na robote koji se koriste u industriji, a najcešca je primena u automobilskoj, hemijskoj industriji gde je monotono raditi jedan posao(ciklus) više hiljada puta(4000) tu se uvode roboti, zatim na radnim mestima gde ima opasnosti po život i štetnih materija. Sada se teži ka proizvodnji humanoidnih robota, pa čak i malih robota (foka-Japan) koji mogu da budu zamene za kućne ljubimce tj. da prave društvo starijim osobama. Roboti u industriji su najcešce oblika ili izgleda kao čovekova ruka koja može doci do nepristupačnih mesta uz pomoć zglobova što daje jednu novu dimenziju robotima, fleksibilnost i povećava produktivnost. Postoje šest konfiguracija robota koji se koriste u industriji od kojih je najzastupljenija antropomorfna a imamo i sferne, cilindrične, dekarktove i scara konfiguracije. I još jednom se vidi da je nemoguće napraviti robota bez dobrog poznavanja mehanike, elektronike, programiraja…

Kao što imamo izbor materijala u mašinstvu tako je isto potrebno analizirati i dobro poznavati materijale koje se koriste za izradu elektronskih komponenti (tranzistori, diode, fet-ovi...), tehnologiju njihovog dobijanja kao i mernih tehnika koje određuje električne, optičke i magnetne osobine. Osnovna elektronska komponenta je PN-spoj. Vršimo ispitivanja nad inverznim i direktno polarisanim PN-spojem. Saznanjima o elektronskim komponentama dalje krećemo sa uvodom u elektroniku i to tačnije sa analogno-digitalnim konvertorima. Velika pažnja je posvećena kolima koja su realizovana kao pojačavač (neinvertujuci, invertujuci…) od kojih je najviše korišćen pojačavač snage. Saznajemo o primeni dioda (regulacija napona, jednostrani i dvostrani usmerači), tranzistora, mosfetova… Isto tako sa ostalim komponentama o njihovim karakteristikama, režimima i načinu rada. Velika pažnja se posvećuje izvorima napajanja u elektronskim i mehatronskim uređajima, smetnjama i zaštiti.

9/71


Kao što imamo izbor materijala u mašinstvu tako je isto potrebno analizirati i dobro poznavati materijale koje se koriste za izradu elektronskih komponenti (tranzistori, diode, fet-ovi...), tehnologiju njihovog dobijanja kao i mernih tehnika koje određuje električne, optičke i magnetne osobine. Osnovna elektronska komponenta je PN-spoj. Vršimo ispitivanja nad inverznim i direktno polarisanim PN-spojem. Saznanjima o elektronskim komponentama dalje krećemo sa uvodom u elektroniku i to tačnije sa analogno-digitalnim konvertorima. Velika pažnja je posvećena kolima koja su realizovana kao pojačavač (neinvertujuci, invertujuci…) od kojih je najviše korišćen pojačavač snage. Saznajemo o primeni dioda (regulacija napona, jednostrani i dvostrani usmerači), tranzistora, mosfetova… Isto tako sa ostalim komponentama o njihovim karakteristikama, režimima i načinu rada. Velika pažnja se posvećuje izvorima napajanja u elektronskim i mehatronskim uređajima, smetnjama i zaštiti.

Digitalna elektronika nas uči o realizaciji logičkim kolima (minimizaciju, načinom prikazivanja), korišcćnju konbinacionih mreža isto tako i radu sa sekvencijalnim mrežama koje su najcešce realizovane flipflop-ovima. Spajanjem analogne i digitalne elektronike dolazimo do najeksplatisanih konponenti i njihove primene. Mikrokontroleri su veoma korisni za sve vrste obrade i upravljanja željenim sistemom. Dosta pažnje se posvećuje pri pisanju koda tj. programiranju kontrolera za dati sistem, o poznavanju i stanju njegove memorije što se najlakše uči asemblerskim načinom programiranja, dok je prisutno i programiranje u C-u programskom paketu, tačnije u ANSI (American National Standards Institute) C paketu. U kome postoje par komandi koje su dodate u odnosu na standardni C paket radi lakšeg pristupanjima bitovima.

Primena senzora i aktuatora je još jedna od zastupljenih oblasti u projektovanju i primeni na robotima, najviše primene nalazi kod humanoidnih robota koji imaju veliki broj senzora i motora za pokretanje i obavljanje odredjenih operacija i zadataka. Spomenućemo neke od senzora koje je moguće videti na robotu, a isto tako i zivisi od zadatka i namene koju će imati zeljeni sistem. Moguća i najčešća je primena senzora za

10/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorimerenje kretanja i položaja, zatim za merenje pritiska, nivoa i protoka, isto tako temperature i vlažnosti i mnogih drugih.

U savremenoj tehnici se sve više teži automatici i upravljanu na daljinu. Automatika je budućnost i čemu treba težiti u daljem usavršavanju. Upravljanje primenjujemo na različite sisteme, bilo da su oni diskretnog ili kontinualnog tipa. Težimo ka ispitivanju(modeliranju) sistema sa povratnim spregama i pronalaženju upravljanja sistema i kako ih učiniti stabilnim. Modeliranje je način predstave realnog sistema i teorije o tom sistemu u obliku kojim se može manipulisati. Realan sistem je izdvojeni deo realnog sveta koji nam je od interesa. Dok nam simulaciju omogućavaju razni softverski pateti(Matlab, Simulink, Control System Toolbox) radi lakšeg praćenja rezultata i mogućnosti isparavljanja i verifikacije datog modela kao valjanog.

Isto tako dolazimo u dodir sa komponentama tehnoloških sistema, kao sto su maheničke, pneumatske, hidraulične, električne, mehatroničke komponente. Njihova primena je veoma česta, dok je pneumatika najzastupljenija, zbog sigurnosti-nemože doći do eksplozije ili zapaljenja i oštećenja radnog prostora ili mašina kao što je sličaj kod hidrauličnih mašina i sistema. Potrebna su nam znanja iz programiranja i primene programabilno logičkih kontrolera(PLC).

11/71


1. UVOD

Senzori su pretvarači različitih fizičkih veličina (pomeraja, temperature, sile, brzine, ugla skretanja, radioaktivnog zračenja, vlažnosti...) u električne signale (analogne ili digitalne).

Analogni senzori su oni koji pretvaraju položaj, pomeraj, temperaturu, protok, brzinu… i pri tome se primenjuju razni fizičko-hemijski principi za dobijanje električnog signala. Digitalni senzori ili digitalni davači su ovi preostali. Danas postoji više od 10 000 vrsta senzora koji obrađuju više od 100 različitih parametara.

Iako se bežične ad-hok mreže proučavaju već tri decenije, bežične senzorske mreže predstavljaju novu tehnologiju koja se intenzivno razvija poslednjih godina. Bežične senzorske mreže su namenske mreže koje se sastoje od mnoštva senzora koji mogu da pokriju velika područja i obezbede praćenje i dostavu željenih informacija. Odnosno, senzorska mreža (Sensor Network-SNet) je distribuirani sistem koga čini veliki broj senzora različitih tipova, koji imaju sposobnost međusobnog samo-organizovanja u kooperativnu komunikacionu mrežu.

Osnovni zadaci senzorskih mreža su: prikupljanje informacija iz okruženja prilagođavanje informacija prema potrebama korisnika.

Slika 1.

Ove mreže (SNet) su prvo razvijane i korišćene za vojne upotrebe, a u poslednje vreme se koriste i za civilne svrhe. Generalno, osnovna upotreba bežičnih sensorskih mreža je za nadzor, odnosno praćenje određenih fenomena, kao što su vremenski uslovi, nadzor okoline, medicinski nadzor, detekcija seizmičkih aktivnosti, vojno praćenje i mnogi drugi. Zahvaljujući napretku u proizvodnji jeftinih elektronskih komponenti malih dimenzija (VLSI) i sa malom potrošnjom energije i naglom razvoju bežičnih komunikacionih tehnologija tokom poslednjih godina omogućena je realizacija tzv. bežičnih senzorskih mreža, (WSN - Wireless Sensor Network ).

Bežične senzorske mreže predstavljaju skup bežičnih senzorskih čvorova (Sensor Nod - SNod) koji formiraju mrežu bez postojanja prethodne infrastrukture ili

12/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoricentralizovane administracije. Obično kod bežičnih senzorskih mreža ne postoji prava hijerarhijska struktura i svaki čvor, koji se još naziva i mot (mote), komunicira sa bilo kojim susedom koji se nalazi u njegovom radio opsegu. Čvorovi mreže moraju biti u stanju da identifikuju svoju okolinu i na osnovu dinamičkih algoritama da osvežavaju tabele rutiranja, uz čiju pomoć će odrediti najbolji put za slanje informacija.

U najvećem broju slučajeva SNet-ovi se realizuju kao data-centric, a ne kao address-centric sistemi. To znači da se upiti (queries) upućuju regionu koga čini topološki uređena grupa (cluster) senzora, a ne specifičnoj adresi senzora. U okviru jednog cluster-a postoji jedan agregator čvor, koji sakuplja podatke od SNod-ova

pridruženi tom cluster-u, analizira ih, agregatira, i nakon prozivke predaje. U suštini zbirna analiza lokalnih podataka se obavlja od strane agregator čvora u okviru cluster-a. Time se u značajnoj meri redukuju zahtevi koji se odnose na komunikacionu propusnost. Agregacijom podataka povećava se nivo tačnosti, a istovremeno inkorporira redundantnost podataka čime se kompenziraju kvarovi u čvorovima. Imajući u vidu da su senzorski moduli baterijsko napajani uređaji, i da je dostupna energija od baterije ograničena, energetska efikasnost modula ima direktni uticaj na vreme života senzora. Kada modul prestane sa radom, ne prestaje samo njegovo prikupljanje podataka, nego mreža gubi raspoloživost modula da dalje prosleđuje (rutira) podatke. Zbog prethodno pomenutog, energetska efikasnost ima direktni uticaj na to koliko dugo će ne samo individualni senzori nego i cela mreža uspešno funkcionisati. S toga je od izuzetne važnosti sagledati problem energetske efikasnosti sa tačke gledišta svih detalja koji se tiču kako projektovanja modula tako i rada cele mreže.

Takođe, mreža treba da poseduje osobinu samokonfigurisanja (self-configuring), tj. čvorovi moraju biti u stanju da se samostalno organizuju u mrežu i da samostalno održavaju komunikacione puteve. Takođe, u slučaju da određeni čvor prestane sa radom, njegovi susedi moraju biti u stanju da za vrlo kratko vreme nađu alternativnu putanju, tj. mreža treba da poseduje osobinu samooporavljanja (self-healing).

S druge strane, veličina senzorskog čvora mora biti mala u cilju što lakšeg raspoređivanja po željenoj oblasti. Čvorovi moraju imati što manji utrošak energije, tj. eksploatacije mreže treba da bude što duža bez potrebe za zamenom baterija. Takođe, izrada, programiranje i održavanje čvorova mreže treba da budu što je moguće jeftinije jer ove mreže mogu sadržati na hiljade čvorova. Iako resursno ograničeni, čvorovi u mreži treba da budu u stanju da izvršavaju relativno složene procese. Usled svih ovih zahteva bežične senzorske mreže su zaokupirale pažnju tehnološke javnosti.

Iako postoji mnogo aplikacija u kojima se bežične senzorske mreže već koriste, još nisu u potupnosti standardizovani komunikacioni protokoli za ovaj tip mreža. Kao standard se nameće ZigBee protokol stek, čiji su donji nivoi definisani IEEE 802.15.4 protokolom. Naime, IEEE 802.15.4 definiše nivo voda podataka i fizički sloj OSI modela za nisko-protočne bežične personalne mreže (LRWPAN–Low-Rate Wireless Personal Area Network). ZigBee definiše mrežni i aplikacioni sloj OSI modela.

2. OPŠTE O SENZORIMA

Senzori su komponente (pretvarači) koje primaju i pretvaraju neelektrične signale sredine u kojoj se nalaze. Veličina koju treba detektovati i pretvarati može biti temperatura, pomeraj (translacija, rotacija, istezanje), pritisak, svetlost ili drugo, elektromagnetno zračenje, magnetno polje itd. Temperatura je verovatno najčešće meren a neelektrična veličina, zato je razvijeno puno tipova senzora. Tu spadaju neki NTC (Negative Temperature Coefficient) i PTC (Positive Temperature Coefficient) otpornici (videti tačku 2.1) i termoparovi (videti tačku 2.3). Termoparovi se sastoje od dve žice različitog hemijskog sastava. Po jedan kraj od tih žica se spoji zavarivanjem a između

13/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorislobodnih krajeva se može meriti napon koji je srazmeran razlici temperature između spojenih i slobodnih krajeva. Obrada signala termopara zahteva veliku pažnju jer dobijeni napon je vrlo male vrednost.

Za postizanje i održavanje jedne temperature mogu se primeniti i bimetalni sklopovi. Detekcija pomeraja može da se ostvari kontinualnim i diskretnim (digitalnim) senzorima. Potenciometri daju kontinualan signal (promena otpornosti). Slična je situacija i kod nekih induktivnih senzora. Kod njih pri pomeranju senzorskog kalema ili pri pomeranju nekog metalnog dela u blizini senzorskog kalema dolazi do promene neke električne veličine (napon, frekvencija) u strujnom kolu kalema. Po potrebi izlaz induktivnog senzora može da se digitalizuje (uključivanje / isključivanje u određenoj poziciji).

Merne trake se formiraju od tankih metalnih traka koji se čvrsto zalepe na određenu metalnu površinu . Pri elasticnoj deformaciji metalnog dela pod uticajem sile dolazi do promene otpornosti trake. Veličina promene je izuzetno mala zato obrada dobijenih signala zahteva primenu preciznih kola. Glavna oblast primene mernih traka su elektronske vage.

Enkoderi su senzori pomeraja sa digitalnim izlazom. Svetlosni mlaz opipava linije odnosno tamne i svetle površine sa optickog diska i dobijeni rezultat se pretvara u brojni kod. Glavna oblast primene su delovi za pozicioniranje kod alatnih mašina i mašinski merni instrumenti sa digitalnim prikazivanjem rezultata.

Senzori svetlosti se redovno prave na bazi poluprovodnika. Upadajuća svetlost modifikuje broj slobodnih nosilaca ili utiče na unutrašnje električno polje što spolja gledano prouzrokuje promenu otpornosti, struje odnosno napona. Koriste se mnogi različiti senzori svetlosti u alarmnoj tehnici, ali ima i drugih primena, na primer uključivanje/isklučivanje javne rasvete, zaštita rukovaoca kod opasnih mašina itd.

Pod uticajem magnetnog polja rade reed -prekidači i Hall-ove sonde. Reed-prekidači su metalni kontakti od feromagnetnog materijala zatopljeni u staklenu cevčicu. U prisusutvu magnetnog polja kontakti se privuku i zatvaraju spoljašnji strujni krug. Magnetno polje redovno potiče od stalnog magneta. Uz pomoć tih senzora rade digitalni merači brzine na biciklama, neki granični prekidači, detektori rotacije itd.

Kod Hall-ovih senzora propušta se struja kroz jednu poluprovodničku pločicu. U prisusutvu magnetnog polja pojavljuje se napon između dve ivice pločice. Na tom principu mogu se meriti magnetna polja električnih mašina, ali se može ostvariti i beskontaktno merenje struje. Graficki simboli nekih senzora su dati na slici 2.

Slika 2. Graficki simboli za razlicite senzorske komponente: a) termopar; b) detektor polozaja sa potenciometrom;c) reed-prekidac.

2.1 NTC i PTC otpornici

Za otpornike se mogu smatrati sve komponente kod kojih postoji jednoznačna veza između napona na komponenti i struje koja prolazi kroz nju bez obzira na vremenski

14/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorioblik napona i struje. Znači, za svaki otpornik postoji veza v=f(i) koja u se većini slučajeva uprošćava na linearan oblik v=Ri, gde je v napon R je otpornost otpornika, i struja. Razne otpornike iz svakodnevne prakse delimo u tri grupe:

a) Običnim otpornicima se smatraju oni linearni otpornici kod kojih je otpornost R fabrički fiksirana. Aktivni deo otpornika se pravi od tankog sloja grafita ili metala, eventualno od otporne žice. Aktivni materijal se nanosi na keramicku podlogu, naprave se izvodi a slobodne površine se zaštićuju farbanjem.

Glavne karakteristike otpornika su otpornost, nazivna snaga i tolerancija. Otpornost može da se bira iz širokog opsega; dobra je praksa ako se možemo zadržati unutar granica 10Ω -1ΩM ali se dešava da umesto iz navedenih pet dekada biramo

otpornike iz sedam dekada.Unutar jedne dekade proizvođači određuju otpornosti po geometrijskim nizovima.

Ovakvi nizovi su niz E6, E12, E24 itd. Broj u nazivu niza se odnosi na broj vrednosti unutar jedne dekade.

Narednu vrednost u nizu računamo množeći prethodnu vrednost sa (gde je n

broj koji figuriše u nazivu niza), uz zaokruživanje na 2-3 cifre. Spomenuti nizovi sadrže sledeće vrednosti:

niz E6: 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8niz E12: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2.niz E24: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7;

5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1.Električna snaga dovedena u otpornik se pretvara u toplotu što dovodi do

zagrevanja. Nazivna snaga je ona električna snaga koja još ne uzrokuje prekomerno zagrevanje otpornika. Jače zagrevanje dovodi do naglog smanjenja radnog veka otpornika. Decenijama su otpornici nazivne snage od su bili najpopularniji. Danas, radi smanjenja dimenzija sve češće se koriste otpornici snage od i manji.

Tolerancija otpornika određuje očekivano odstupanje otpornosti od nazivne vrednosti. Kao kod svakog serijskog proizvoda, moguća su manja ili veća odstupanja u vrednostima parametara. Tolerancija se zadaje u procentima, značenje tih procenata je moguće odstupanje u oba smera.

Otpornost i tolerancija se obično obeležava na otpornicima uz pomoc kombinacije boja, retko se koriste natpisi (izuzetak čine otpornici veće snage i otpornici predviđeni za površinsku montažu). Vrednost otpornosti se očitava tako da se cifre koje odgovaraju za prve dve ili tri boje, napišu jedan pored drugog i dobijeni broj se pomnoži sa onolikim stepenom broja deset koliki odgovara narednoj boji. Zadnja cifra određuje toleranciju.

15/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriZnačenje pojedinih boja pri određivanju otpornosti i tolerancije dato je u Tabeli 2.1.

Tabela 2.1. Znacenje boja pri obelezavanju otpornika.

b) Obični otpornici se konstruišu tako da ispoljavaju minimalnu zavisnost od temperature.

Za razliku od njih postoje otpornici čija otpornost se značajno menja sa temperaturom. U

njih spadaju NTC otpornici kod kojih sa porastom temperature otpornost opada i PTC otpornici kod kojih je suprotna tendencija (slika 2.1 ).

SLika 2.1. Temperaturna zavisnost (a) NTC i (b) PTC otpornika.

Postoje dve oblasti primene NTC otpornika: merenje temperature i ograničenje udarnih struja pri uključivanju uređaja. Pri uključivanju NTC otpornik je hladan, otpornost mu je velika zato uspešno limitira struju i na taj način zaštićuje ulazno kolo uređaja i mrežni osigurač. U toku rada otpornik se greje, opada mu otpornost i time se smanjuju gubici i ograničava dalje zagrevanje. Osnovni podaci za takve otpornike, pored dimenzija su: otpornost (u hladnom stanju) i najveća efektivna vrednost struje na kojoj se još mogu primeniti.

Dobar deo PTC otpornika se takođe koristi za merenje temperature; u novije vreme su razvijeni PTC otpornici za zaštitu od preopterecenja. Ove poslednje redno vezuju sa potrošačem. U hladnom stanju otpornost im je mala i omogućavaju normalno funkcionisanje uređaja. Pri preopterecenju otpornost im naglo poraste i time praktički prekidaju dalje napajanje potrošača. Čim se ohlade, otpornost im padne i ponovo uključuju potrošač. Važniji podaci za ove otpornike su nazivna otpornost, nazivna struja i struja iskopčavanja.

Kod varistora zavisnost v=f(i) je nelinearna ali važi simetrično ponašanje za pozitivne i negativne napone. Slika 2.2. prikazuje tipičnu karakteristiku varistora. Suština te krive je da do nazivnog napona varistor ne propušta značajnu struju, a preko izvesnog praga struja naglo poraste. Varistori se obično vezuju paralelno na ulaz potrošaca i ostvaruju zaštitu potrošaca od prenapona.

16/71


Slika 2.2. Nelinearna strujno-naponska karakteristika uobičajena kod varistora.

Glavni podaci za varistore su nazivni (radni) napon, probojni napon i opteretljivost (kratkotrajno ili u ustaljenom režimu).

c) Potenciometri su takvi otpornici kod kojih, pored krajnjih izvoda, postoji i jedan klizni kontakt (klizač).Aktivni materijal je i u ovom slučaju tanak sloj grafita, metala ili je otporna žica. Klizač se može pomerati po aktivnom sloju po želji. Na ovaj način se ostvaruje promenljiva otpornost ili promeljiva razdela napona. Pomeranje klizača se ostvaruje okretanjem osovine ili pravolinijskim pomeranjem određene ručke.

Promena otpornosti je obično srazmerna sa veličinom pomeraja klizača (linearni potenciometri) ali može postojati i logaritamska zavisnost (logaritamski potenciometri). U slučaju da se pomeranje klizača vrši sa alatom, govorimo o trimer potenciometrima.

Najvažniji podaci za potenciometre su otpornost, maksimalna snaga i maksimalni ugao okretanja. Većina potenciometara se može okretati nešto manje od punog kruga (na pr. 330°). Postoje međutim i potenciometri sa više okretaja, kod njih osovina se može okretati na pr. za tri ili deset krugova. Potenciometri sa više okretaja su skupi i koriste se samo u slučaju posebno preciznih podešavanja.

Na slici 2.3. su prikazane uobicajene graficke oznake za razne otpornike.

Slika 2.3. Grafičke oznake raznih otpornika: a) običan otpornik, b) temperaturno zavistan otpornik (NTC, PTC), c) varistor, d) potenciometar, e) trimer potenciometar.

Mehanička izvedba većine otpornika je aksijalna: telo otpornika je valjkasto, izvodi se prikljućuju duž osovine valjka. Otpornici predviđeni za površinsku montažu su u obliku paralelopipeda. Sa dve bočne strane postavljaju se metalne kapice koje čine izvode. NTC i PTC otpornici kao i varistori su radijalne izvedbe: telo otpornika je u obliku diska, žice koje čine izvode postavljaju se paralelno sa jedne strane. Pojedine mehaničke izvedbe su prikazane na slici 2.4.

17/71


Slika 2.4. Mehaničke izvedbe otpornika: a) izvedba za površinsku montažu, b) aksijalna izvedba, c) radijalna izvedba.

2.2 Signali i pretvarači

Kvalitetni sistemi za akviziciju podataka mogu maksimalno da uproste priključenje spoljnih signala na njih. Pa ipak je potrebno da korisnik ima bar osnovno znanje o vrstama signala, pretvaračima i načinu kako da ih upotrebi. Ovaj tekst opisuje od čega se najčešće sastoje signali u praksi, i kako ih sistem za akviziciju obrađuje.

2.2.1 Vrste signala

Možemo definisati tri vrste naponskih signala: analogni, digitalni i impulsni. Mada se svi signali vremenski menjaju, jedino analogni signali nose dodatnu informaciju u varijacijama amplitude. Impulsni signali koji se ovde sreću su po mnogo čemu slični digitalnim signalima: imaju stalnu amplitudu i samo dve moguće vrednosti (niski i visoki nivo). Na primer, ovi nivoi mogu da budu 0 V i +5 V (uprošćeno, TTL). Opsezi u kojima niski i visoki nivoi TTL signala mogu da budu su:

1) Niski nivo: 0,0÷0,8 V2) Visoki nivo: 2,0÷5,0 V.

Mogu da se upotrebe i drugi nivoi, kao npr. 24 ili 220 V. Za analogne signale je važno "koliki" je trenutni nivo signala, dok je za digitalne signale važno "da li uopšte" postoji signal ili ne. Razlika između digitalnih i impulsnih signala zavisi od informacije koju nose i od vrste hardvera koji se koristi. Digitalni signali se još zovu "diskretni" signali. Digitalni signali mogu da se menjaju velikom brzinom, i informacija je obično sadržana u statičkom stanju bita, odnosno grupe bitova, u određenom trenutku. Informacija koju impulsni signal nosi je sadržana u broju ili brzini promena stanja (impulsa/sekundi).

Analogni signali se pretvaraju u digitalne (binarni broj) pomoću sistemskog analogno-digitalnog konvertora. Analogni izlazni signali se generišu pomoću sitemskog digitalno-analognog konvetora. Analogni ulazni signali obično dolaze iz nekog pretpojačavača, gde se primarni signal iz senzora kondicionira, pojačava i dalje vodi u sistem za akviziciju. Većina prekondicioniranih signala su relativno visoke impedanse, čiji su naponi u opsegu od ±1 V do ±10 V. Mnogi primarni senzori, kao što su: termoparovi, fotonaponski elementi, piezoelektrični senzori i biomedicinski senzori, proizvode male signale koji mogu da imaju maksimalni opseg od 10 mV. Kvalitetan sistem za akviziciju bi sa lakoćom morao da prihvati (obradi) kako signale malih, tako i signale velikih amplituda.

2.2.2 Pretvarači

Nezavisno od vrste posmatranog fenomena, ili uređaja kojim se upravlja, pretvarači igraju vitalnu ulogu u sistemu za akviziciju. To su uređaji koji pretvaraju fizičke veličine u električne. Sistemi za akviziciju podataka i upravljanje koriste kako ulazne tako i izlazne pretvarače. Ulazne fizičke veličine mogu da budu sila, temeperatura, dužina, brzina, nivo, pH vrednost, intezitet svetlosti, itd. Izlazni signali mogu da upravljaju ventilima, releima, svetiljkama, zvučnim sirenama, motorima itd.

18/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriElektrični ekvivalenti ulaznih veličina mogu da budu napon, struja, naelektrisanje,

otpornost ili kapacitivnost. Kao što će se kasnije videti, ove fizičke veličine se na razne načine pretvaraju u naponski signal. Ovo je važno zbog činjenice, što većina osnovnih elemenata koji sačinjavaju sistem za akviziciju i upravljanje, rade samo sa naponom.

2.2.3 Otporni temperaturni senzori (RTD)

Kao i termistori, RTD (Resistance Temperature Detector) menja svoju otpornost u zavisnosti od temperature. Za njegovu konstrukciju se mogu upotrebiti razni materijali. U praksi se pokazalo da je za to platina najpogodnija, a može se upotrebiti bakar (Cu) ili naročito volfram (W) za merenje vrlo visokih temperatura. RTD uvek ima pozitivan temperaturski koeficijent i malu nelinearnost. Radi što veće tačnosti, mora se upotrebiti korekcija polinomom trećeg reda. Mnogi sistemi za akviziciju podataka imaju ugrađen ovaj tip linearizacije.

RTD se pravi od namotaja žice ili metalnog filma. Ovi senzori, ako su napravljeni od metalnog filma, imaju brz odziv, jevtiniji su i imaju veću otpornost od namotanih. Zbog svoje velike otpornosti, RTD ima malu grešku konačne otpornosti priključnih krajeva. Međutim, i visokootporni RTD zahteva veliku pažnju za smanjivanje otpornosti priključaka. Isto tako, zbog upotrebe pobudne struje pri merenju, samozagrevanje RTD-a može da ima uticaja na tačnost merenja. Kako je disipaciona konstanta RTD-a oko deset puta veća od termistora (videti tačku 2.2.4), to se procena povećanja temperature (u °C) može dobiti deljenjem unutrašnje snage disipacije sa 80 mW. Ovo je opšte pravilo, koje važi za RTD u provodnom fluidu (ulju ili vodi).

Platinski RTD se proizvodi sa otpornostima od 100, 200 ili 1000 Oma. Metal-film otporni temperaturski detektori od 100 Oma su veoma popularni, a najčešće se sreće pod imenom Pt-100. On ima osetljivost od oko 0,4 Oma/°C. Zbog male otpornosti ovog senzora i male osetljivosti, on zahteva upotrebu mosta za merenje.

2.2.4 Termistori

Termistor je element (metalni oksid ili poluprovodnik), koji pri promeni temperature menja svoju otpornost. Temperaturni koeficijent može da bude kako pozitivan tako i negativan, a može da ima vrednost od nekoliko procenata po stepenu Celzijusa. Koristi se u primenama gde je potrebno detektovati male promene u temperaturi, od na primer samo 0.01 °C. Tačnost termistora je oko desetak puta veća od tačnosti termopara postižući pri istim uslovima oko ±0.1 °C.

Od termistora samo platinski RTD može da ima bolju tačnost. Prednosti termistora su male fizičke dimenzije i velika nominalna otpornost. Male dimenzije doprinose brzom odzivu, a velika otpornost smanjuje uticaj (smanjuje grešku) otpornosti priključaka. Zbog velike osetljivosti termistor je veoma nelinearan. Ima nekoliko proizvođača čiji termistori pokazuju vrlo dobro poklapanje sa datim podacima (tabelama). Pojedini termistorski elemenenti imaju logaritamsku karakteristiku trećeg reda, pa kombinacija termistora sa pozitivnim i negativnim temperaturskim koeficijentom može da ima vrlo linearnu karakteristiku.

Termistori se mogu koristiti u temperaturnom opsegu od -50 °C do +100 °C. Osim ograničenog temperaturskog opsega, drugi nedostatak termistora je što su jako osetljivi na udare. Zato pri rukovanju i montaži treba voditi računa da ne dođe do potresa, jer se time smanjuje njihova tačnost, a može doći i do njihovog uništenja.

Pošto je termistor jedna vrsta otpornika, on se može meriti na više načina. Ako se koristi strujna pobuda, meri se napon, a ako je pobuda naponska, pravi se naponski delitelj sa fiksnim otpornikom. U oba slučaja, struja se propušta kroz merni elemenat, što

19/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoridovodi do unutrašnje disipacije snage u termistoru, a ovo dalje do sopstvenog zagrevanja i povećanja temperature samog elementa i greške u merenju. Kao opšte pravilo, greška uzrokovana samozagrevanjem termistora, može se proceniti ako se specificirana unutrašnja snaga disipacije podeli sa 8 mW, čime se dobija porast temperature u °C. Ovo pravilo važi za male termistore u obliku perlice u termički provodnoj okolini, kao što su ulje ili voda. U svakom slučaju, da bi se dobila što veća tačnost, veličina pobude mora biti što manja.

2.2.5 Poluprovodnički temperaturni senzori

Ovi senzori su proizvod savremene tehnologije silicijumskih (Si) integrisanih kola, pa se zbog toga još nazivaju Si senzorima. Silicijumski senzori se sastoje od integrisanih elektronskih kola koja koriste temperaturske osobine aktivnih poluprovodničkih spojeva. Svi senzori mogu da budu sa strujnim ili sa naponskim izlazima. U oba slučaja izlazni signal je proporcionalan apsolutnoj temperaturi. Amplituda izlaznog signala je relativno velika i linearna, pa se interpretacija signala vrši bez teškoća.

Jedan Kelvin (1K) generiše struju od oko 1 µA, tako da na sobnoj temperaturi (25 °C) struja iznosi 298 µA. Ova struja se pomoću poznatog otpornika može konvertovati u napon.

Temperaturni opseg Si senzora se kreće od -50 °C do +150 °C. Stabilnost i tačnost ovih senzora je dovoljno dobra da omogućava očitanja sa rezolucijom od ±0.5 °C. Takođe se lako postiže rezolucija od 0.1 °C. Ovi senzori su idealni za merenje temperature referentnog spoja pri merenju sa termoparovima.

U praksi se često upotrebljavaju LM335 (NS) ili AD590 (Analog Devices), itd.

2.2.6 Senzori napezanja, pritiska, sile, pozicije, pomeraja i nivoa

Ovi senzori reaguju na fizičko pomeranje i/ili kretanje. Najčešće korišćene vrste su poluprovodničke i otporne merne trake (Strain Gauge), pretvarači linearnog pomeraja u napon (LVDT), otpornički potenciometri i kapacitivni senzori. Mada se svaki od ovih senzora zasniva na različitim principima, izlazni signali kod svih senzora su napon, struja ili impedansa. Ovi signali su direkno ili indirektno izraženi veličinom analognog napona. Zato se sve opisane tehnike za merenje odnose i na ove pretvarače.

Senzori koji zahtevaju spoljnu pobudu u principu smanjuju tačnost merenja. Veća pobuda daje i veći nivo izlaznog signala. Međutim, veća pobuda povećava unutrašnju disipaciju snage i grešku merenja čak i kod mehaničkih pretvarača. Svaki pretvarač ima svoj optimalni nivo pobude.

2.2.7 Senzori protoka, brzine i broja događaja

Protok i brzina se mogu meriti na više načina: uz pomoć otpornih, piezoelektričnih, termičkih, i drugih pretvarača. Kao što je rečeno, svi metodi u krajnjoj liniji daju kao izlaz analogni napon, struju ili impedansu. Tipovi pretvarača kao što su npr. rotacioni koderi (Shaft Encoders), turbine, optički i magnetski senzori, imaju digitalne ili impulsne izlaze. Brzina ili broj događaja se može odrediti korišćenjem digitalnih brojača i frekvencmetara.

2.2.8 Senzori intenziteta svetlosti i hemijskih reakcija

Ovi parametri se sreću kod merenja gustine, pH faktora i u spektroskopiji. Pretvarači se karakterišu velikom izlaznom impedansom. Svetlosni senzori se ponašaju kao strujni izvori, dok se hemijski senzori ponašaju kao naponski izvori sa velikom rednom otpornošću. U većini slučajeva signali iz ovih senzora se ne mogu direktno obrađivati standardnim sistemima za akviziciju. Čak i savremeni pojačavači sa

20/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriprogramabilnim pojačanjem (PGA), koji imaju izvanredne karakteristike, nisu adekvatni za direktnu obradu ovih signala. Zato mnogi proizvođači kao sastavni deo pretvarača imaju i sklop za obradu (pojačanje) signala. Izlazni signali iz takvih komponenata su dovoljno velikih amplituda, da mogu, kao i drugi signali, da se priključe na standardni sistem za akviziciju.

Signali malih struja se dovode u predpojačavače sa FET ulazom, koji rade kao strujno-naponski pretvarači (transimpedansni pojačavači). Poznato je da konačne ulazne struje polarizacije pojačavača utiču na grešku pri čitanju signala. Pojačavači sa FET ulazima imaju veoma male struje polarizacije, manje od 1 pA (10 ili 100 fA), pa se mogu

upotrebiti za pojačanje ovako malih signala.Naponski izvor velike impedanse se takođe pojačava pomoću pojačavača sa FET

ulazima. Operacioni pojačavači se pritom konfigurišu kao neinvertujući naponski pojačavači. Time se dobija ulazna impedansa reda 1014 W, što je dovoljno za pojačanje signala iz pretvarača velikih impedansi.

2.2.9 Otporni senzori

Otporni senzori se obično mere uključivanjem u tzv. Vitstonov most. Most je simetrično kolo sa četiri elementa koje poboljšava sposobnost sistema da detektuje vrlo male promene u senzoru. Ovaj tip senzora može da se postavi u 1, 2 ili u 4 grane mosta, s tim da se preostale grane mosta popune fiksnim otpornicima. U praksi se odomaćio izraz: "most sa jednim senzorom ili četvrt-most", "polu-most", ili "pun most". Na dijagonali mosta javlja se diferencijalni naponski signal, kada usled tempterature ili pritiska primarni senzorski otpornici menjaju svoje vrednosti u odnosu na nominalne. Pobuda pretvarača, kao i potreba za ubacivanjem dodatnih komponenata mosta, može da se obezbedi na panelima za priključenje signala. Iako se može koristiti i naponska i strujna pobuda, ova druga je generalno pogodnija. Ovo je uglavnom zbog toga što strujna pobuda obezbeđuje veću linearnost izlazne karakteristike, i što olakšava interpretaciju podataka. ED sistemi imaju strujne izvore sa podešavanjem, koji se mogu optimizovati prema tipu pretvarača kojim se meri.

Slika 2.5. VItstonov pun most

Pretvarači, kao što su merne trake i RTD senzori, imaju relativno malu osetljivost. To znači da je promena otpornosti mala za datu promenu ulaznog parametra. Jednostavno merenje promene napona (usled strujne pobude) na davaču nije moguće. Ne samo što je promena napona mala, nego ovo predstavlja opterećenje za mirni (IR) napon davača. Mirni napon uveliko ograničava pojačanje koje može da se koristi da pojača naponsku promenu. Izložiću ovaj koncept detaljnije. U osnovi, sistem za akviziciju podataka može da meri samo napon. Na sreću, kao što smo pomenuli, svi drugi tipovi

21/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorisignala mogu da se transformišu u napone. Da bismo pretvorili promenljivu otpornost u napon, treba samo da je pobudimo sa nekom strujom. Napon na otporniku je tada I×R.

U primeru koristimo 100-Omski RTD na bazi platine. Da bi se kontrolisalo unutrašnje samozagrevanje, nivo pobude je obično ograničen na 2 mA. Uzimajući da je osetljivost ovakvog tipa elementa oko + 0.4 Oma /°C, onda će izlaz biti oko 0.8 mV/°C. Ovo je zaista mali signal koji zahteva pojačanje. Bilo bi dobro da se signal pojača 100 ili 1000 puta, kako bi se najbolje iskoristio čitav opseg A/D konvertora (obično 5 ili 10 V). Međutim, mirni napon na RTD-u je 2 mA × 100 Oma = 0.2 V. Ovo ograničava najveće pojačanje na 10 puta, kada se koristi asimetrični spoj.

Tako, u 12-bitnom sistemu, najmanja promena temperature koja se može detektovati iznosi 0.5 °C. Za razliku od ovog modela, prikazana mosna kola uravnotežuju fiksni ili mirni pad napona, omogućavajući veće pojačanje signala razlike. Tako se dobija detekcija malih promena od svega 0.005 °C.

Uticaj otpornosti provodnika treba takođe uzeti u obzir. Izlazni napon je proporcionalan zbiru RTD otpornosti i otpornosti provodnika (RL). U mnogim aplikacijama ovaj uticaj može biti veliki. Jedno od rešenja je tzv. Kelvinov spoj ili spoj sa četiri priključka. Otpornost žice ne može da se eliminiše, ali ova merna tehnika uveliko smanjuje njen uticaj. Ideja je da se spoje dva provodnika na svaki kraj mernog senzora. Jedan provodnik je priključen za strujni izvor, a drugi meri napon na priključku. Struja je u ispitnom ili mernom provodniku vrlo mala i može se uzeti da je nula, zbog vrlo velike ulazne otpornosti sistema za akviziciju. Tako neće doći do pada napona na ispitnim linijama. Treba uočiti da pod ovim uslovima padovi napona u pobudnim linijama nisu u mernom kolu.

Najčešći otporni senzori su sa jednim ili sa četiri otporna elementa. Za povezivanje davača sa jednim elementom koristi se dvožična ili trožična merna konfiguracija. Davač ima otporni element, koji je izložen delovanju određene fizičke veličine, pod čijim uticajem on menja svoju vrednost. U davačima sa četiri elementa, sva četiri otpornika reaguju na mereni parametar. Kao što se može očekivati, ova konfiguracija pruža četiri puta veću osetljivost od mosta s jednim elementom. Pored toga, most sa četiri elementa ima i bolju linearnost odziva.

2.3 Termoparovi

Termopar (TC - Thermo Couple), fizički predstavlja spoj dva različita metala. Ovaj spoj generiše termičku elektromotornu silu EMS, proporcionalnu temperaturi spoja (Seebeck-ov efekt).

Sa termoparovima se mogu meriti temperature u opsegu od -200 do +4000 °C. Izlazni napon koji se generiše zavisi od vrste metala u spoju i obično je u opsegu od -10 mV do +50 mV. Prosečna osetljivost im je u opsegu od 10 do 50 μV/°C.

Za izradu TC spoja (termopara) koriste se različiti materijali. Tako dobijeni spojevi se obeležavaju standardnim oznakama (npr.):

J - Gvožđe - Konstantan (Fe-C)K - Hromel - Alumel (Ch-Al)T - Bakar - Konstantan (Cu-C).Volfram, rodijum i platina se takođe koriste za TC, naročito pri upotrebi na vrlo

visokim temeperaturama. Termoparovi su jevtini i robusni, ali imaju svoje nedostatke. Jedan od najvećih je mala preciznost, koja se kreće od 1% do 3%. Niska preciznost je posledica nesavršenosti materijala i varijacija u proizvodnji. Vreme odziva je veliko (nekoliko sekundi), a nelinearnost i neki fenomeni višestrukih fizičkih spojeva se moraju kompenzovati.

2.3.1 Primer termopara za merenje temperature (K-TIP)

22/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriUređaj je namenjen za merenje i regulaciju temperatura i do 1000°C. Kao senzor

upotrebljava se Termopar K-tipa, a na izlazu se nalazi relej koji radi u ON/OFF režimu.

Slika 2.6. Fizički izgled uređaja

Karakteristike uređaja:

Napajanje: 12V AC/DC (50mA)Temperaturna sonda: Termopar K-tipa (Hromel-Alumel)Opseg merenja temperatura: 0 - 999°CPrikaz: trocifarski LED displejPodešavanje: pomoću dva tastera (MENI, SET), mogu se podešavati temperatura (1 – 999°C) i histerezis preklapanja izlaznog releja (1-20°C), a podešeni parametri ostaju sačuvani u internoj EEPROM memoriji i nakon nestanka napona napajanja.

Industrijske potrebe za merenjem temperature idu i do 2000°C. Međutim poluprovodnički senzori temperature imaju barijeru da mere temperature do maksimalnih vrednosti od 150°C. Izuzetak čini jedino KTY84 za koga proizvođač, Philips, tvrdi da može meriti i do 300°C. Praksa je pokazala da se za potrebe merenja mnogo većih temperatura najčešće koriste već dobro provereni metodi sa termoparovima. Termopar je prilično jednostavne konstrukcije, sastoji se od spoja dva različita provodnika (npr: za K tip, negativna elektroda je Alumel, a pozitivna Hromel). Osnovni problem na koji nailazimo pri konkretnoj primeni termopara je njegov jako mali izlazni napon reda 40μV/°C. Kako savremeni trendovi projektovanja uglavnom podrazumevaju upotrebu mikrokontrolera, osvrtom na današnju ponudu uglavnom srećemo integrisane (u sam mikrokontroler) AD konvertore maksimalne rezolucije od 12bita. Čak štaviše najpristupačniji mikrokontroleri imaju uglavnom 10bitne AD konvertore, što ni u kom slučaju nije dovoljno za opsluživanje merenja ovog senzorskog elementa. Jedan od načina koji se često sreće je upotreba operacionih pojačavača kojima se napon sa izlaza termopara izdiže na neku merljivu vrednost (obično 100 puta) i tako prilagođen vodi na AD konvertor. Ovim se obično sužava merni opseg. Drugi takođe bitan problem pri upotrebi termoparova je kompenzacija temperature hladnog kraja. Naime, pod hladnim krajem podrazumeva se temperatura okoline na priključku termopar kabla i mernog uređaja, i naročito dolazi do izražaja na nižim temperaturama merenja.

23/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriRešenje se ogleda u dodatnom merenju temperature okoline u samom uređaju i

zatim kompenzacije sa temperaturom koju merimo na termoparu.

Svi ovi problemi rešeni su u jednom čipu proizvođača Maxim, MAX6675 koji čije su najbitnije karakteristike:

ugrađen 12bitni AD konvertor koji omogućava merenje temperature 0-1024°C, sa rezolucijom od 0.25°C;

interna kompenzacija temperature hladnog kraja; digitalni SPI (serijski) interfejs za priključenje na mikrokontroler; detekcija prekida termopara; 8 pina SMD kućište; 5V napon napajanja.

Korišćenjem ovog čipa, projektantu preostaje jedino da u firmveru mikrokontrolera napiše rutine za komunikaciju sa ovim čipom i da opsluži izlazno/ulazne uređaje, kao što su interakcija sa korisnikom i prikaz temperature, i konačno da kontroliše izlazni član za eventualnu regulaciju temperature. U trenutku pisanja ovog članka cena MAX6675 čipa iznosila je oko 10 Eura na komad.

Slika 2.7. Električna šema uređaja

Hardver:Obzirom da sam MAX6675 odrađuje većinu zadatka, za potrebe ovog uređaja,

biramo 628A mikrokontroler. Njega karakteriše niska cena i to da se lako može nabaviti. Poseduje 2 kworda (2048 x 14bita) FLASH programske memorije, 224 bajta memorije za podatke, i 128 bajta EEPROM memorije. Od dodatnih osobina poseduje interni RC oscilator na 4Mhz, i 16 I/O pinova. Pa je iz tog razloga iz uređaja izostavljen kvarc oscilator na koga smo obično navikli u mikrokontrolerskim sklopovima. Sam mikrokontroler smešten je u 18 pinsko kućište. Zahvaljujući ovim karakteristikama jednostavnost uređaja je na zavidnom nivou, pa je od eksternih komponenti upotrebljeno još par kondenzatora, otpornika, tastera, kao i trocifreni multipleksirani LED displej. Za kontrolu grejača namenjen je RELE. Šemu veza kompletnog uređaja prikazana je na slici 2.7 dok je jednostrana štampana pločica namenjena ovom uređaju data na slici 2.8.

24/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriPosebnu pažnju treba obratiti na to da se LED displej i tasteri na štampanoj pločici montiraju sa strane štampanih veza, radi lakše ugradnje u kutiju. Tasteri koje koristimo su TS1 i TS3, dok je TS2 ostavljen za buduće implementacije dodatnih opcija, pa ga u ovom trenutku možemo izostaviti.

Slika 2.8. Izgled štampane pločice

Podešavanje i prikaz uređaja:

Kako je uređaj namenjen i regulaciji temperature, potrebno je vršiti podešavanje zadate temperature i histerezisa. Ovo je moguće upotrebom samo dva tastera i to na sledeći način: pri startu uređaj će prikazivati merenu temperaturu i pritom blinka treća tačka na LED displeju. Ukoliko sada pritisnemo TS1 (MENI taster) ulazimo u meni za podešavanje temperature. To indiciraju i sve tri upaljene tačkice na LED displeju. Podešavanje ovog parametra vršimo tasterom TS3 (SET taster), kratkim pritiskom uvećavamo za jedan, dok dužim držanjem ubrzavamo korak uvećanja radi lakšeg podešavanja celog opsega 10 - 999°C. Ponovnim pritiskom na taster TS1, prelazimo u meni za podešavanje histerezisa (1 – 20°). Isto kao i u prethodnom meniju pritiskom na taster TS3 povećavamo parametar za jedan. Ukoliko smo zadovoljni podešavanjem, i tasteri budu neaktivni duže od 10 sekundi, na uređaju će se vratiti osnovni prikaz merene temperature. Slikovit prikaz menija i funkcije tastera su prikazani na slici 2.9.

Slika 2.9.Grafički prikaz menija za podešavanje uređaja

3. BEŽIČNE SENZORSKE MREŽE

25/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriSenzorska mreža (Sensor Network - SNet) je distribuirani sistem (DSis) koga čini

polje senzora različitog tipa međusobno povezanih komunikacionom mrežom. Podaci sa izlaza senzora su deljivi, a dovode se na ulaz DSis-a radi njihove procene (estimacije). Zadatak DSis-a je da na osnovu dostupnih podataka sa senzora izdvoji najverovatniju informaciju o fenomenu koji se nadgleda.

Osnovne operativno-ekonomske karakteristike SNet-a su: visoka pouzdanost u radu relativno visoka tačnost fleksibilnost niska cena lako raspoređivanje senzora u prostoru

SNet se formira od individualnih multifunkcionalnih senzorskih čvorova (motova) (Sensor Nod- SNod). U najvećem broju slučajeva SNod-ovi se bežičnim putem povezuju u komunikacionu mrežu formirajući na taj način bežičnu senzorsku mrežu (Wireless Sensor Network - WSN). WSN se sastoji od baterijsko napajanih modula koji su u suštini SNod-ovi. Gradivni blokovi ovih modula su:

Sensor : generator podataka Radio primo-predajnik : predaje svoje ili prosleđuje kroz mrežu podatke koje je

primio od svojih suseda (rutira podatke) Jedan ili više procesora : kontrolišu rad senzora i primo-predajnika, procesiraju

podatke, i implementiraju mrežne i protokole za rutiranje.

U najvećem broju slučajeva SNet-ovi se realizuju kao data-centric, a ne kao address-centric sistemi. To znači da se upiti (queries) upućuju regionu koga čini topološki uređena grupa (cluster) senzora, a ne specifičnoj adresi senzora. U okviru jednog cluster-a postoji jedan agregator čvor (mote), koji sakuplja podatke od SNod-ova pridruženi tom cluster-u, analizira ih, agregatira, i nakon prozivke predaje. U suštini zbirna analiza lokalnih podataka se obavlja od strane agregator čvora u okviru cluster-a. Time se u značajnoj meri redukuju zahtevi koji se odnose na komunikacionu propusnost. Agregacijom podataka povećava se nivo tačnosti, a istovremeno inkorporira redundantnost-podataka čime se kompenziraju kvarovi u čvorovima. Imajući u vidu da su senzorski moduli baterijsko napajani uređaji, i da je dostupna energija od baterije ograničena, energetska efikasnost modula ima direktni uticaj na vreme života senzora. Kada modul prestane sa radom, ne prestaje samo njegovo prikupljanje podataka, nego mreža gubi raspoloživost modula da dalje prosledjuje (rutira) podatke. Zbog prethodno pomenutog, energetska efikasnost ima direktni uticaj na to koliko dugo će ne samo individualni senzori nego i cela mreža uspešno funkcionisati. S toga je od izuzetne važnosti sagledati problem energetske efikasnosti sa tačke gledišta svih detalja koji se tiću kako projektovanja modula tako i rada cele mreže.

Analizirajući rad SNet-a uočavamo da se koriste brojne informaciono procesne tehnike namenjene za:

manipulaciju i analizu senzorskih podataka ekstrakciju značajnih osobina ambijenta koji se nadgleda efikasno memorisanje i prenos važnih podataka

Protokoli i algoritmi koji su predloženi za tradicionalne bežične ad-hoc mreže ne ispunjavaju sve zahteve koji se postavljaju od strane SNet-ova. Specifičnosti karakteristika SNet-ova su sledeće:

Broj SNod-ova je mnogo veći u odnosu na broj čvorova kod ad-hoc mreže26/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzori SNod-ovi su gusto raspoređeni SNod-ovi koriste broadcast komunikacionu paradigmu u odnosu na ad-hoc

čvorove koji koriste point-to-point komunikacije SNod-ovi nemaju globalnu identifikaciju zbog velikog broja senzora

Postoje dva tipa SNod-ova koji se uglavnom razlikuju po tome u koji se tip SNet-ova ugrađuju:

1. Proactive Networks : čvorovi u mreži periodično uključuju senzore, izmere veličinu od okruženja, i predaju podatke koji su od interesa

2. Reactive Networks: su mreže kod kojih su čvorovi celo vreme budni i trenutno reaguju na nagle promene u mreži. Ovi tipovi čvorova su pogodni za aplikacije sistema koji rade u realnom vremenu.

3.1 Arhitektura SNet-a

SNod-ovi su razuđeno raspoređeni u senzorskom polju. Svaki SNod u stanju je da prikuplja podatke i usmerava ih ka odredištu. Strukturu pametnog senzorskog čvora (smart sensor node), vidi sliku 3.1, čine sledeća četiri osnovna gradivna bloka:

senzorska jedinica (sensing unit) primo-predajna jedinica (transceiver unit) procesna jedinica (processing unit) jedinica za napajanje (power unit).

Slika 3.1. Komponente senzorskog čvora

Opcione komponente SNod-a su: jedinice za određivanje lokacija senzora-kakav je, recimo GPS prijemnik mobilizator-blok za pokretanje SNod-ova, koristi se kada senzor treba da

postane mobilan generator energije-blok koji vrši konverziju energije, recimo solarna baterija

Senzor prihvata na ulazu merenu veličinu i konvertuje je u električni signal. Nakon kondicioniranja signal se dovodi na ulaz ADC-a, pa se po obavljenoj konverziji prihvata od strane procesora. Procesor, nad podacima, obavlja neki tip signal procesiranja, i u

27/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorizavisnosti od toga kako je programiran, predaće rezultantnu informaciju prema mreži uz pomoć primopredajnika. Blok za napajanje može biti neka baterijska jedinica.

3.2 Nivoi protokola

Protokol stack (PS) koga koriste SNod-ovi prikazan je na slici 3.2. PS kombinuje: svesnost dizajna koja se odnosi na potrošnju i rutiranje (power and routing

awareness) integritet podataka sa mrežnim protokolom, i energetsku efikasnost komuniciranja preko bežičnog medijuma

Fizički nivo je zadužen za sprovođenje modulacionih tehnika, kao i predaje i prijema signala. Nivo-veze odgovoran je za redukciju kolizija kod predaje podataka. Mrežni-nivo je zadužen za rutiranje. Transportni nivo vodi računa o isporuci podataka od jednog krajnjeg korisnika do drugog. Aplikacioni nivo vodi računa o pružanju usluga.

Slika 3.2. Protokol stack SNod-a

Ravni upravljanja energije, mobilnosti i zadataka posmatraju potrošnju, kretanje i zadatke između senzorskih čvorova. Ove ravni pomažu senzorskom čvoru oko koordinacije senzorskog zadatka i umanjivanjem potrošnje energije.

3.2.1 Fizički nivo

Fizički nivo je zadužen za: izbor frekvencije (frequency selection) detekciju signala (signal detection) zaštitu podataka (data protection) propagacione efekte (propagation effects) modulacionu šemu (modulation sheme) energetsku efikasnost (power efficiency)

28/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriKod SNet-ova najčešće korišćene frekvencije za prenos signala pripadaju RF 915

MHz ISM-ovom opsegu. Detekcija signala se bazira na sledećem principu: Na osnovu skupa vrednosti xj koje se nadgledaju, odredjuje se koja je hipoteza h i istinita (true). Ciljna frekvencija emitovanja koja može biti prisutna ili ne se zasniva na proceni parametara fk od xj, tj. izabranim Fourier-ovim transformacionim koeficijentima koji se odnose na talasnu dužinu. Kada se govori o efektima propagacije signala identifikacija prostornog razdvajanja SNod-ova se mora ostvariti gustim rasporedjivanjem čvorova.

SNod-ovi imaju ugradjene male antene, a rasporedjeni su po neravnoj površini. Što je veća gustina to znači da su čvorovi bliže jedan drugom, pa je i veća verovatnoća ostvarivanja dobre veze na malom rastojanju, kao i eliminisanje drugih negativnih efekata propagacije signala.

Koristeći najjednostavniji Path Loss Model gubici signala se mogu izraziti kao (1/d)n gde je n blizu 4. Izbor modulacione šeme je kritičan sa aspekta energetske efikasnosti. M-arnim modulacijama (u okviru jednog simbola prenosi se veći broj bitova) redukuje se iznos snage potreban da se preda informacija, ali su tada elektronska kola za predaju/prijem (Tx/Rx) suviše složena i troše dosta energije. Kod binarnih modulacionih šema kakve su BPSK, FSK i ASK (predaja je tipa ON/OFF) tako da postoji bolji balans snage na predajnoj strani i snage koja se troši od strane Tx/Rx kola. Start-up vreme ima veliki uticaj na prosečnu energiju po bitu (Eb), Kada se u toku prenosa koriste kratki paketi tada na ukupnu potrošnju veći uticaj ima start-up energija (uključuje prenos header-a), a ne ona koja se troši za prenos korisne informacije. Drugim rečima Eb je jako zavisna od obima paketa.

3.2.2 Nivo veze

Nivo veze je odgovoran za: multipleksiranje nivoa podataka (mulytiplexing data streams ) formiranje okvira (framing) fizičkom adresiranju (physical addressing) upravljanje protokom (flow control) kontrolom gresaka u prenosu (error control) metodom pristupa (access control)

Kontrola medijuma za pristup

Nivo kontrole medijuma za pristup (medium access control layer) je veoma važan aspekt prenosa zbog toga što je bežični medijum deljivi medijum. Naime, imajući u vidu da se radio-prenos od strane većeg broja predajnika vrši na istoj frekvenciji neminovno je da dolazi do njihove međusobne interferencije. To je, u krajnjem slučaju, uzrok pojave kolizije. Uloga MAC-a je da identifikuje kada i kako svaki čvor može da predaje po bežičnom komunikacionom kanalu.

Primarni MAC atributi kojih treba identifikovati su: izbegavanje kolizije (collision avoidance) energetska efikasnost (energy efficiency) skalabilnost i adaptivnost (scalability & adaptivity) efikasno korišćenje propusnog opsega (efficient bandwidth utilization) latencija (latency) propusnost (throughtput)

Postojeći MAC protokoli se ne mogu koristiti kod WSN iz razloga što su mobilni izvori locirani na rastojanju od jednog preskoka u odnosu na najbližu baznu stanicu, kao i što je uloga protokola prvenstveno podređena postizanju visokog QoS-a i efikasnijem korišćenju propusnog opsega. S obzirom da senzorski čvorovi ne poseduju centralno

29/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriupravljački agent (central controlling agent) to znači da se postojeći metodi ne mogu koristiti.

MAC protokoli za senzorske mreže se mogu klasifikovati na: protokoli bazirani na udarima (contention based protocols-CBPs ) i protokoli bazirani na planiranju (scheduled protocols)

Protokoli bazirani na sudarima

Kod protokola baziranih na sudarima, umesto da se unapred određuje trenutak kada će koji čvor vršiti predaju, čvorovi se takmiče za kanal, što rezultira koordinaciji zasnovanoj na verovatnoći. Klasični primeri CB MAC protokola su ALOHA i CSMA/CD.Kod ALOHA čvor predaje paket u trenutku generisanja (pure ALOHA-a) ili u narednom dostupnom slotu (slotted ALOHA). Paketi kod kojih dolazi do kolizije se izbacuju, a kasnije ponovo predaju. Kod CSMA, pre predaje, čvor osluškuje kanal. Ako detektuje da je kanal zauzet, on odgađa pristup i pokušava da pristupi kanalu kasnije. Kod CSMA/CA mehanizma pre nego što predajnik počne sa predajom podataka uspostavlja se handshake procedura između predajnika i prijemnika. Svrha RTS-CTS handshake procedure je da se obaveste susedi kako predajnika tako i prijemnika da će do predaje doći. Tako na primer kod MACA koja se bazira na CSMA/CA kako kod RTS tako i kod CTS pridodaje se polje koje ukazuje na obim podataka kojih treba preneti. Ovim se daje ka znanju drugim čvorovima za koliko dugo neće biti u stanju da obavljaju predaju. Kod poboljšane verzije MACA, nazvane MACW, nakon prenosa svakog paketa podataka uvodi se ACK paket koji omogućava brzo oporavljanje nivoa-veze od grešaka u prenosu. Prenos između predajnika i prijemnika se vrši shodno sekvenci RTS-CTS-DATA-ACK. Kod 802.11, kada se govori o distribuiranoj funkciji (DCF) usvojeni su svi predlozi koji su uvedeni kod CSMA/CA, MACA i MACW, a pored toga učinjena su i brojna poboljšanja, kakva su virtuelna detekcija nosioca (virtual carrier sense), binarna eksponencijalna back-off, kao i podrška procesu fragmentacije.

Protokoli bazirani na planiranju

TDMA deli kanal na N vremenskih slotova. U toku trajanja svakog slota, samo jednom čvoru je dozvoljena predaja. N čvorova čine okvir koji se ciklično ponavlja. U okviru svake ćelije, bazna stanica alocira vremenske slotove i snadbeva sa tajming i sinhronizacionom informacijom sve mobilne čvorove. Obično mobilni čvorovi komuniciraju samo sa baznom stanicom jer ne postoje direktne, peer-to-peer, komunikacije između mobilnih čvorova. Glavna prednost TDMA pristupa je njena energetska efikasnost, iz prostog razloga što ovaj pristup direktno podržava jako-nesimetričan faktor-popune (low duty cycle) u radu čvorova. Ipak TDMA ima i neke svoje nedostatke koji se ogledaju u sledećem: TDMA zahteva da čvorovi formiraju cluster, pri čemu se jedan od čvorova u okviru cluster-a bira da bude vođa (cluster-head) i ponaša se kao bazna stanica. Čvorovima se ograničava da komuniciraju u okviru cluster-a, što znači da se peer-to-peer komunikacije direktno ne podržavaju. (Za slučaj da čvorovi komuniciraju direktno, oni moraju da osluškuju kanal u toku svih slotova, što rezultira smanjenju energetske efikasnosti). Problemi koji se javljaju zbog inter-cluster komunikacije kao i pojavu interferencije rešavaju se korišćenjem tehnika tipa FDMA ili CDMA.

Kod WSN-a često se koristi samo-organizirajući (self-organized) protokol. Ovaj protokol pretpostavlja da je preko FDMA ili CDMA dostupan veći broj kanala, pri čemu bilo koje interferirajuće veze (links) biraju i koriste različite pod-kanale. U toku vremena koje nije predviđeno za predaju i prijem, čvor u cilju uštede energije isključuje svoj radio.

30/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriOvaj protokol podržava rad koji karakteriše mala potrošnja (low-energy operation), ali ima nedostatak koji se ogleda u tome da je iskorišćenost dostupnosti kanala suviše mala. Tipičan primer protokola koji kod WSN koristi TDMA tehniku je LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy). LEACH organizuje čvorove u cluster hijerarhije, a u okviru svakog cluster-a implementira TDMA. Uloga glavnog u okviru cluster-a (cluster-

head) se menja (rotira) između čvorova (cluster-a) i zavisi od preostale neiskorišćene energije. U suštini LEACH predstavlja direktno proširenje celularnog TDMA modela na senzorske mreže. FH (frequency hopping) TDMA se koristi za inter-cluster komunikaciju i smanjenje interferencije.

Kontrola grešaka

Kontrola grešaka u prenosu podataka je važna stavka kod bilo koje veze. Za rešavanje ovog problema koriste se sledeće tehnike:

FEC (Forward Error Correction) – troši se dodatna energija i unosi kašnjenje u prenosu paketa zbog izračunavanja FEC kôda i prenosa dodatnih bitova.

ARQ (Automatic Repeat Request) – rizikuje se da će se paket bez greške preneti, a u slučaju da se to ne desi sledi proces retransmisije što ima za posledicu povećanu potrošnju energije.

Režimi rada za uštedu energije

Nezavisno od toga koji se tip šeme midijuma za pristup, kod senzorskih mreža, koristi, evidentno je da to rešenje mora, što se tiče senzorskog čvora, da podrži režim rada sa smanjenom potrošnjom. Najjednostavniji način za uštedu energije sastoji se u isključenju primo-predajnika čvora u trenucima kada to nije potrebno. I pored toga što se ovakvom metodom na prvi pogled postiže znatna ušteda energije, ipak treba naglasiti da se ovo rešenje uglavnom preporučuje kada se komunikacije između čvorova ostvaruju korišćenjem kratkih paketa. Ispitivanja pokazuju da najveći udeo na potrošnju energije ima start-up energija. U suštini, ako je u toku pasivnih slotova radio primo-predajnik u potpunosti isključen, tada u trenutku uključenja, zbog uspostavljanja radnog režima, može da se zahteva povećana potrošnja, što je nepovoljno sa tačke gledišta rada baterije.

Kao rezultat, rad u režimu smanjene potrošnje je efikasan samo ako je vreme potrošeno u ovom režimu rada veće od određenog iznosa ukupnog vremena (recimo 90 % ili 95 %). U zavisnosti od stanja u kome se nalazi mikroprocesor, memorija, AD

Tabela 3.1. Uporedni pregled različitih MAC protokol modela

31/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorikonvertor, i primo-predjnik razlikuju se nekoliko režima rada sa smanjenom potrošnjom. Svaki od ovih režima rada se karakteriše svojom potrošnjom energije i latencijom, kao i energijom koja je potrebna za prelaz iz jednog režima rada u drugi (recimo, iz pasivni u aktivni). Veoma često u cilju uštede energije koristi se šema poznata kao dinamičko-

upravljanje potrošnjom energije (čvora upravlja blok power-manager. Prelaz iz jednog stanja u drugo dešava se za odredjeni iznos vremena. Uporedni pregled različitih MAC protokola kao i njihovih tehnika za uštedu energije date su u Tabeli 3.1.Dynamic Power Management – DPM). Kod ovog rešenja senzorski čvor može da se nađe u veći broj stanja (sve u zavisnosti od toga koji je njegov blok u stanju ON/OFF).

3.2.3 Mrežni nivo

Glavni atributi mrežnog nivoa su:1. efikasna potrošnja2. efikasno rutiranje, i3. agregacija podataka

Senzorske mreže su mreže data-centric tipa. To znači da zahtevana informacija treba da zadovolji nekoliko atributa, a pri tome se ne zahteva rutiranje podataka između čvorova.

Takođe, s obzirom da susedni čvorovi imaju takoreći slične podatke i zadovoljavaju iste atribute, umesto da se podaci od svakog čvora ka odredišnom čvoru šalju separatno, neophodno je realizovati agregaciju podataka. U tom cilju razvijen je veliki broj protokola koji prikupljaju podatke na osnovu upita iniciranih od strane korisnika. Čvorovi tipa ponor (sink) šalju upite izabranim čvorovima u različitim regionima i čekaju da se podaci prikupe. Ruta se uspostavlja samo kada je potrebno (on-demand routing).

Više o nivou mreže u postavci - 4.NIVO MREŽE

3.2.4 Tehnike rutiranja

3.2.4.1 Plavljenje

Kod plavljenja svaki čvor koji primi podatke ili upravljačku informaciju emituje je svima (broadcast), sve dok se ne dostigne maksimalan broj preskoka specificiran u paketu, ili paket ne pristigne do odredišnog čvora. Plavljenje je reaktivna tehnika i ne zahteva skupo održavanje mrežne topologije, kao i složene algoritme za rutiranje. Ovu tehniku karakterišu sledeće osobine:

implozija - to je situacija kada se istom čvoru šalju duplicirane poruke. Na primer, ako čvor A ima susedne čvorove koji su takođe susedi senzorskom čvoru B, tada će senzor B primiti veći broj poruka tipa kopija koje su poslate od strane senzorskog čvora A.

prikupljanje - ako dva čvora dele isti observacioni region, tada oba senzora u istom trenutku mogu procenjivati isti stimulus. Kao rezultat, susednoi čvorovi primaće duplicirane poruke.

zaslepljenost resursa - protokol plavljenja ne vodi računa o dostupnoj energiji. Energetsko resursno-svesni protokol neprekidno vodi računa o iznosu dostupne energije.

3.2.4.2 Brbljanje

Modifikacijom tehnike plavljenja dobija se brbljanje (gossiping). Kod ove tehnike čvorovi ne vrše emisiju svima nego proizvoljno biraju drugi senzorski čvor prema kome

32/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriće usmeriti poruku. Mada se ovim pristupom izbegava problem implozije jer se raspolaže samo jednom kopijom poruke u bilo kom čvoru, neophodno je dosta dugo vreme da se poruka prenese do svih senzorsih čvorova.

3.2.5 DATA-CENTRIC PROTOKOLI

SPIN 1

Familija adaptivnih protokola nazvanih SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) rasejava svu informaciju od svakog čvora ka svakom čvoru u mreži (vidi sliku 3.3). Ovo omogućava korisniku da upita svaki čvor, kao i da trenutno dobije željenu informaciju. Ovaj protokol koristi osobinu da bliski čvorovi poseduju slične podatke pa s toga distribuiraju samo podatke koje ostali čvorovi ne poseduju. Protokol radi proaktivno i distribuira informaciju po celoj mreži, čak i u slučaju kada korisnik ne zahteva podatke. Za razmenu podataka između čvorova SPIN koristi tri tipa poruka, a to su:

ADV poruke - omogućavaju senzoru da oglašava pojedine meta-podatke, REQ poruke - vrše upis specifičnih podataka, DATA poruke - sadrže aktuelne podatke

Svaki senzorski čvor ima ugrađeno menadžer-resursa koji čuva trag o: izračunavanjima koja obavlja resurs prekidu aktivnosti radi uštede energije

SPIN 2

U odnosu na SPIN 1 protokol SPIN 2 ima implementirano energetsko-konzervativnu haeristiku. To znači da čvor inicira protokol samo ako ima dovoljno energije da završi sa prenosom. Ako je nivo raspoložive čvora nizak, tada čvor može i dalje da prima poruke, ali ne može da predaje/prima poruke tipa DATA.

Pre slanja DATA poruke, senzorski čvor emituje neku ADV poruku kao sadržajni opis DATA kao što je prikazano u koraku 1 na slici 3.3. Ako susedni čvor je zainteresovan za ovaj podatak, on šalje REQ (request) poruku za DATA i DATA je prosleđena susednom senzorskom čvoru, kao što je prikazano u drugom i trećem koraku na slici 3.3. Susedni senzorski čvor onda ponavlja ovaj proces kao što je ilustrovano u četvrtom, petom i šestom koraku na slici. Kao rezultat senzorski čvorovi unutar senzorske mreže koji su zainteresovani za podatak dobiće kopiju istog.

Slika 3.3. SPIN protokol

Glavna prednost SPIN protokola je ta što su topološke promene lokalizovane. To znači da svaki čvor treba da zna samo svoje single-hop susede. Glavni problem koji se javlja kod SPIN-a je sledeći: Ako su čvorovi koji se interesuju za podatke udaljeni u

33/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriodnosu na izvorišni čvor, a čvorovi locirani između izvorišta i odredišta ne interesuju ti podaci, tada se zahtevani podaci ne mogu dostaviti odredištu.

3.2.6 Usemrene difuzije

Kao što je prikazano na slici 3.4 senzori se raspoređuju na takav način da formiraju pri tome distribuiranu mrežu. Kada god neki region zahteva nadgledanje nekog događaja kakav je recimo širenje štetnog gasa, kretanje vozila, seizmičkih vibracija, i drugo, tada se koristi tehnika usmerene difuzije. To znači da kada se desi neki događaj, podatak se prihvata i procesira od strane čvora, a informacija se prosleđuje prema odredištu koje se o toj informaciji raspituje.

Slika 3.4. Usmerena difuzija

Sa ciljem da se obezbedi efikasna agtregacija podataka predlaže se jedna aplikaciono-svesna paradigma, kojom se primljeni podaci prenose ka odredištu koje ih potražuje. Pri tome se koristi model upit-odgovor (query-response model). Upit (interest) se od strane čvora (sink) emituje svima. U toku svoje propagacije upit pristigne do senzorskog čvora (source) koji može da zadovolji zahteve upita. Nakon ovoga čvor izvorište se aktivira, prihvata podatak sa senzora i procesira ga. Kada je podatak dostupan izvorište predaje podatak natrag preko pojačanog puta (vidi udebljanu liniju na slici 3.4). Raspitivač izražava interes, I, koristeći atributne vrednosti. Senzori tipa izvorište (source) koji mogu da pruže uslugu I, odazivaju se podacima. Interes se definiše korišćenjem atributa- parovi vrednosti. Raspitivač (sink) emituje svima izviđački interes, i1, sa ciljem da otkrije (sazna) puteve između source-a i sink-a. Susedi ažuriraju keš-interesa i prosleđuju i1.

3.2.7 TRANSPORTNI NIVO

TCP varijante razvijene za tradicionalne bežične mreže nisu pogodne za WSN-ove. Naime pojam pouzdani prenos podataka od jednog krajnjeg korisnika do drugog mora se u ovom slučaju drugačije sagledati prvenstveno zbog postojanja kako većeg broja predajnika tako i postojanja većeg broja senzora, ali takođe i zbog jednog odredišta (sink) koje inicira multicast tip protok podataka. Treba pri ovome naglasiti da za isti događaj (zahtev za istim podacima) postoji visok nivo redundanse ili korelacije prikupljenih podataka od strane većeg broja senzora pa zbog toga ne postoji potreba za end-to-end pouzdanim prenosom između individualnih senzora i sink-a, nego samo

34/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriizmeđu događaja i sink-a. Sa druge strane ne postoji potreba za end-to-end pouzdanim prenosom između sink-a i individualnih čvorova u situacijama kakve srećemo kod

retasking-a ili reprogramiranja. Razvijeni protokol mora sa jedne strane biti tipa energy-aware, a sa druge strane dovoljno jednostavan kako bi se implementirao u hardver i softver velikog broja WSN aplikacija.

3.2.8 Transport tipa događaj-sink

Sink (vidi sliku 3.5) se interesuje o kolektivnoj informaciji senzorskih čvorova u okviru oblasti čiji radijus okružuje događaj.

Slika 3.5. Transport tipa dogadjaj-sink

Suprotan put sink-senzor se koristi za slanje operativnih ili aplikaciono specifičnih podataka od sink-a ka senzorima. Ovo je multihop jedan-prema-više (multicast) komunikacija.Neki od poznatijih protokola na transportnom nivou koji se koriste su:

1. PFSQ (Pump Flow Fetch Quickly) – obezbeđuje pouzdan prenos od sink-a do senzorskih čvorova. Sink emituje svima (broadcast) konstantnom brzinom pakete, a susedi prosleđuju te pakete. Prenos na nivou jednog preskoka je pouzdan, a čvorovi se karakterišu time što kešuju podatke.

2. RMST (Reliable Multi-Segment Transport) – obezbeđuje pouzdan transport u smeru događaj-sink i to kako na MAC tako i na transportnom nivou. Glavni cilj je da se ispita na kom nivou treba ostvariti puzdani prenos. Pouzdanost na MAC nivou se postiže bez-ARQ, uvek-ARQ, ili selektivnim-ARQ-om. Pouzdanost na transportnom nivou se postiže korišćenjem NACK-ova (bilo da su oni tipa end-to-end ili hop-to-hop).

3. ESRT (Event to Sink Reliable Transport) – obezbeđuje kolektivnu pouzdanost tipa događaj- sink. Kontrola sudara i pouzdanost se postižu podešavanjem frekvencije raportiranja u senzorskim čvorovima. Sink meri pouzdanost observacionog događaja, aplikacija određuje pouzdanost željenog događaja, a sink emituje svima novu frekvenciju raportiranja. Detekcija sudara se vrši u svakom čvoru bilo nadgledanjem lokalnog reda čekanja ili korišćenjem bita koji ukazuje na sudar.

4. CODA (Congestion Detection and Avoidance) – sličan je ESRT-u. Obezbeđuje kolektivni pouzdani transport tipa događaj – sink. Potencira sudar kada nenađeni događaj uzrokuje da čvorovi šalju impulse podataka. CODA može da signalizira sudare specifičnim čvorovima regiona. Detekcija sudara se vrši nadgledanjem kanala.

35/71


Uporedne karakteristike različitih protokola na transportnom nivou prikazani su u Tabeli 3.2.

Tabela 3.2. Karakteristike transportnih protokola

3.2.9 APLIKACIONI NIVO

Dosta je napora istraživača uloženo na razvoju ovog nivoa zadnjih godina. Tri poznata aplikaciona protokola su:

1. Sensor Management Protocol (SMP) - čini da hardver i softver nižih nivoa budu transparentni za aplikacije tipa upravljanje koje se odnose na rad senzorske mreže. Sistem administratori interaguju sa Snet-om koristeći SMP

2. Task Assignment and Data Advertisement Protocol (TADAP) - obezbeđuje korisničkom softveru efikasan interfejs koji se odnosi na potrebe rasejavanja informacije.

3. Sensor Query and Data Dissemination Protocol (SQDDP) - obezbeđuje korisničkim aplikacijama interfejs na upite, odaziva se na upite, i prikuplja dolazeće upite.

3.2.10 KOLABORACIJE ENKODERA

Kod WSN-a događaj obično uzrokuje da nekoliko senzora generišu jako korelisane (skoro identične) merne rezultate. Od interesa je sada kako se uz pomoć korelacije može ostvariti kompresija informacije koja se predaje kontroleru ili sink čvoru. Na slici 3.6 prikazan je jedan od načina organizacije većeg broja enkodera koji rade u kolaborativnom okruženju. Enkoderi kolaborišu brzinom odredjenom od strane entropije, H(X,Y), koja je zadovoljavajuća za datu aplikaciju.

Slika 3.6. Kolaborativnost enkodera

36/71


4. NIVO MREŽE

4.1 Uloga mrežnog nivoa

Osnovni zadatak mrežnog nivoa je da obezbedi razmenu podataka između računara i mreže na koju je taj računar povezan. Predajni računar, u okviru poruke koju predaje, dostavlja mreži adresu odredišnog računara tako da mreža može usmeavati (rutirati) podatke ka odgovarajućem odredištu. Pored ostalog, računar koji predaje podatke može zahtevati određene vrste usluge (servise), kao što je prioritet opsluživanja u prenosu, koje se mogu obezbediti (pružiti) od strane mreže.

Da bi ispunio svoj osnovni cilj mrežni nivo mora da poseduje (zna) dovoljno informacija koje se odnose na topologiju komunikacionog subnet-a (da poznaje skup svih rutera) i da odabere odgovarajući put za prenos poruke kroz mrežu. Mrežni nivo mora takođe da vodi računa o izboru puta kako bi se izbeglo preopterećenje na nekim komunikacionim liniijama i ruterima a da ostali putevi ostanu, pri tome, neopterećeni. Konačno, ako su izvorišni i odredišni računar locirani u različitim mrežama zadatak je mrežnog nivoa da uskladi ove razlike i reši sve probleme koji se javljaju zbog toga.

Na mrežnom nivou koristi se specifični softver koji zavisi od tipa korišćene mreže. U suštini, različiti standardi su razvijeni za mreže koje koriste princip komutacije kola (circuit switching), komutacije paketa (packet switching), lokalne računarske mreže (LAN - Local Area Network), i druge. Zbog toga, u daljem tekstu ukazaću na specifičnosti ovih mreža posebno.

4.2 Komutacione komunikacione mreže

Komutacione komunikacione mreže (switched communication networks) dele se na sledeće tri grupe:

• mreže sa komutacijom-kola (circuit switched network)• mreže sa komutacijom-poruka (message switched network)• mreže sa komutacijom-paketa (paket switched network)

4.2.1 Mreže sa komutacijom kola

Javna telefonska mreža predstavlja mrežu sa komutacijom kola. Kod ovog tipa mreže, u toku poziva, korisniku je dato isključivo pravo da koristi kolo (misli se kanal i elektronika za predaju i prijem koja je povezana na taj kanal). Glavne karakteristike ovog tipa mreže su:

• moguće je obavljati direktni razgovor onoliko dugo koliko to učesnici žele• da bi se uspostavila veza potrebno je da prodje određeni vremenski period. Ako

se veza ne može uspostaviti mreža u opštem slučaju ne pruža indikaciju kada se komunikacija može ostvariti. Ipak treba naglasiti da postoje mreže kod kojih je moguće ostaviti poruku koja će kasnije, kada uslovi to dozvole, biti prosleđena krajnjem korisniku (ovo znači da uspostavljanje trenutne veze kod ovih mreža ne predstavlja više imperativ).

• kada terminali uspostavljaju komunikaciju, uređaji i kanali koji učestvuju u komuniciranju isključivo se koriste za tu namenu i ne obavljaju druge komunikacije.

Mreže koje koriste komutaciju kola sa aspekta komunikacije su veoma neefikasne. Kanal za prenos podataka je zauzet od strane korisnika u toku trajanja

37/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoricelokupne veze (razgovora ili prenosa podataka) i pored toga što se kroz kanal za duži vremenski period ne prenosi nikakva informacija.

Na primer, kod telefonskih razgovora postoji veliki broj pauza u toku konverzacije tako da je iskorišćenost kanala daleko ispod 100%.Kod veza računar-terminal kroz kanal se takođe u toku najvećeg dela vremena ne prenosi informacija. Vreme uspostavljanja veze (misli se u toku poziva) kod ovih mreža je suviše dugo. Glavna prednost ovih mreža je sledeća: Nakon što je veza uspostavljena ona postaje transparentna korisnicima. Informacija koja se prenosi u tom slučaju je fiksne brzine a karakteriše je prenos u realnom vremenu izuzimajući propagaciono kašnjenje signala duž prenosnog puta koje je zaista malo.

4.2.2 Mreže sa komutacijom poruka

Između predajnika i prijemnika ne uspostavlja se direktni kanal (veza). Umesto toga poruke se prenose od tačke do tačke, a u svakoj tački poruke se memorišu i ponovo predaju dalje preko sledećeg dostupnog kanala. Sistemi sa komutacijom poruka se obično nazivaju sistemi tipa sačuvaj-pa-prosledi (store-and-forward). Prednost ovih sistema je sledeća: Odmah nakon što je jedna poruka prosleđena preko kanala, druga poruka, verovatno usmerena drugom odredištu (korisniku) je moguće predati (poslati) preko istog tog kanala. Ako kanal nije slobodan poruke moraju čekati. One se memorišu i smeštaju u redove-čekanja-spremnih-poruka-za-prenos. Ovaj sistem se karakteriše veoma visokim stepenom iskorišćenja kanala, ali je nepogodan za primenu kod onih aplikacija kod kojih se zahteva interaktivna komunikacija između krajnjih korisnika sa brzim odgovorom.

4.2.3 Mreže sa komutacijom paketa

Mreže sa komutacijom paketa predstavljaju derivat mreža sa komutacijom poruka i od izuzetne su važnosti za korisnike računarskih sistema koji međusobno komuniciraju. Kao i kod tehnike sa komutacijom poruka ne uspostavlja se direktni kanal (veza) između predajnika i prijemnika, nego poruke koje se predaju od strane terminala se memorišu u usputnim tačkama, a zatim retransmituju preko narednog slobodnog kanala. Poruka se deli na kratke segmente fiksnih dužina koji se nazivaju paketi. Izbor puta kroz mrežu za svaki paket određen je saobraćajem kroz mrežu u datom trenutku, kao i od tipa sistema za komutaciju paketa. Postoje dva standardna metoda za manipulaciju sa paketima: datagrami i virtuelna kola.

A. DATAGRAMI

Kod datagram servisa svaki paket se tretira kao posebna celina tako da ne postoji međusobna veza sa ostalim paketima. Sastavni deo svakog paketa je kako izvorišna tako i odredišna adresa.

Analizirajmo situaciju prikazanu na slici 4.1 kod koje terminal A treba da pošalje tri-paket-poruke terminalu D. Čvoru_1 on predaje pakete u redosedu 1-2-3. Nakon prijema svakog paketa, čvor_1 mora da donese odluke o rutiranju. U trenutku kada je pristigao paket_1 čvor_1 ispituje redove-čekanja-porukaza-slanje za čvor_5 (Q_1_5) i čvor_2(Q_1_2). Ako je Q_1_5 prazniji čvor_1 usmerava paket ka čvoru_5. Na isti način se usmerava i paket_2. Ali za paket_3 čvor_1 odredi da je Q_1_2 kraći i on usmerava paket_3 ka čvoru_2. Svaki paket prati odgovarajuća odredišna adresa, ali je bitno i to da svaki paket ne mora da prolazi isti put kroz mrežu. Naime moguće je da paket_3 stigne u čvoru_6 pre paketa_1 i paketa_2. Zadatak ugrađenog softvera u stanici D je da preuredi pakete. Kod ove tehnika prenosa svaki paket se tretira nezavisno, pa zbog svoje

38/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorisličnosti sa tehnikom prenosa telegrama naziva se datagram. Ova trehnika je prvenstveno namenjena za slanje kratkih jediničnih-paket-poruka.

Slika 4.1.Topologija jedne komutatorske mreže

B. VIRTUELNA KOLA

Kada poruka sadrži veći broj paketa koristi se metod virtuelno kolo/logički kanal. Kod ovog metoda slanja, pre slanja bilo kakve informacije, izvorni DTE (Data Terminal Equipment) predaje svom lokalnom PSE-u (Packet Switched Exchange) specijalni paket nazvan Call-request. Funkcija call-requesta je da trasira (postavi) pogodan put za prenos podataka kroz mrežu. Nakon što je put trasiran svi naredni paketi generisani od strane izvorenog DTE-a usmeravaju se ka odredišnom DTE-u. Imajući u vidu da svi paketi slede isti put ovaj kanal nazivamo virtuelno kolo (virtual circuit). I pored toga što između dva DTE-a postoji virtuelni kanal, koji usmerava svaki paket kroz isti put, u principu paketi nemaju isključivo pravo korišćenja bilo koje individualne veze (linka). Bilo koja veza (link) karakteriše se time što kroz nju prolazi veći broj paketa od kojih je svaki usmeren ka različitom odredištu. To znači da jedna fizička veza tipa tačka-ka-tački može da podržava rad većeg broja virtuelnih kanala.

Prednosti sistema koji koriste paketsku-komutaciju su sledeće:1. Efikasnost veze je veća u poredjenju sa komutacijom-kola jer jedinstvena veza

(link) se može koristiti za potrebe većeg broja paketa.2. Moguće je uskladiti brzine kod prenosa podataka. Naime svaki terminal se

povezuje na svoj čvor sa kim on ima usklađenu brzinu u toku prenosa podataka.3. Ne može doći do blokiranja puta poruke kao što se to dešava kod sistema sa

komutacijom kola. Kada se mreža preoptereti paketi se i dalje prihvataju ali se kasni sa njihovom isporukom (poruke se pamte u nekom od usputnih čvorova).

4. Paketima se može dodeliti prioritet tako da visoko-prioritetne poruke pristižu do odredišta sa manjim kašnjenjem.

39/71


4.3 X.25Verovatno najpoznatiji i najšire korišćeni protokol standard je X.25. Ovaj standard

specificira interfejs između host-a sistema sa jedne - i mreže za paketsku komutaciju, sa druge strane.

Slika 4.2.Interfejs X.25

Kao što je prikazano na slici 4.2. standard specificira pozive za tri nivoa funkcionalnosti:

• fizički nivo• link nivo (nivo veze)• nivo paketa.Ova tri nivoa odgovaraju trima najnižim nivoima OSI modela. Fizički nivo se

odnosi na fizički interfejs između prikačene stanice (računarski terminal) i veze koja povezuje tu stanicu sa čvorom za paketsku komutaciju. Standardom je definisano da sprega između DTE-a i DCE-a bude X.21, ali i druge standarde kakvi su EIA-232 moguće je koristiti.

Link nivo obezbeđuje pouzdan prenos podataka preko fizičke veze prenosom podataka kao sekvencu okvira. Korišćeni standard za link-nivo je LAP-B (Link Access Protocol-Balanced) koji predstavlja podskup HDLC-a.

Nivo paketa obezbeđuje servise tipa eksterno-virtuelno kolo.Na slici 4.3. prikazan je odnos između sva tri nivoa kod X.25. Korisnički podaci

prenose se naniže ka nivou 3 od X.25. Nivo 3 pridružuje korisničkim podacima upravljačku (kontrolnu) informaciju u obliku zaglavlja, kreirajući na taj način paket. Upravljačka informacija koristi se za potrebe rada protokola. Celokupni X.25 paket prenosi se dalje ka LAP-B celini koja pridružuje kontrolnu informaciju na početku i kraju paketa formirajući na taj način LAP-B okvir. Upravljačka informacija okvira od interesa je za rad protokola LAP-B.

40/71


Slika 4.3.Podaci korisnika i kontrolna informacija kod X.25 protokola

41/71


Slika 4.4.Tipovi paketa i parametri kod X.25

4.3.1 Upravljanje tokom prenosa i greškama

Upravljanje tokom prenosa i greškama kod X.25 vrši se skoro na identičan način kao kod HDLCa. Svaki paket sadrži redni broj predaje, P(S), i redni broj prijema, P(R). Standardno se koriste 3-bitni redni brojevi. Opciono, preko mehanizma za pružanje usluga korisnika (user-facility mechanism), DTE može da zahteva korišćenje 7-bitnih brojeva za numerisanje sekvenci. Kao što je prikazano na slici 4.5, za 3-bitne redne brojeve, treći i četvrti bit kod svih kontrolnih i paketa podataka su postavljeni na vrednost 01, a kod 7-bitnih rednih brojeva sekvenci ovi bitovi su postavljeni na vrednost 10. Za svaki izlazni paket virtuelnog kola vrednost P(S) se određuje od strane DTE-a, što znači da je P(S) za svaki novi izlazni paket podataka virtuelnog kola za jedan veći u odnosu na prethodni paket, po modulu 8 ili modulu 128. P(R) ukazuje na broj narednog paketa koji se očekuje kao prijemni od suprotne strane virtuelnog kola. Na ovaj način se obezbeđuje uzajamno potvrđivanje poruka. Ako jedna strana nema podatke za predaju ona može da potvrdi (prijem) dolazećih paketa sa Receive-Ready (RR) i Receive-not-Ready (RNR) kontrolnim paketima koji imaju isto značenje kao i kod HDLC-a. Inicijalno, obim prozora (veličina poruke) je 2, ali se ona može postaviti na 7 za 3-bitni redni broj ili 127 za 7-bitni redni broj.

Potvrđivanje (bilo da je ono izvedeno preko P(R) polja, kod prenosa paketa podataka, ili preko RR ili RNR paketa), a shodno tome i upravljanje tokom prenosa informacija u zavisnosti od postavljenosti D bita, može da ima lokalno ili end-to-end (od-kraja-do-kraja) značenje. Kada je D = 0 (najčešći slučaj), potvrda se izvodi između DTE i mreže. Ova komunikacija se koristi od strane lokalnog DCE-a i/ili mreže radi povrđivanja prijema paketa i upravljanje tokom prenosa od DTE-a ka mreži. Kada je D=1, potvrde dolaze od udaljenog DTE-a.

Osnovna forma kontrole greške je predaja negativne potvrde koji ima formu Reject (REJ) upravljačkog paketa. Ako čvor primi negativnu potvrdu on će ponovo emitovati specificirani paket i sve naredne pakete.

4.3.2 Sekvenciranje paketa

X.25 ima mogućnost identifikacije kontinualne sekvence paketa podataka koja se naziva complete packet sequence. Ova mogućnost koristi se od strane internetworking protokola sa ciljem da obezbedi slanje dužih blokova podataka kroz mrežu, zadržavajući pri tome ograničenja koja se odnose na slanje paketa manjeg obima, bez opasnosti da se naruši integritet bloka. Da bi specificirao ovaj mehanizam rada, X.25 definiše dva tipa paketa: Paket A i paket B. Paket A je onaj kod koga je M=1, a D=0, a paket je jednak maksimalnoj dozvoljenoj dužini paketa. Paket B je bilo koji drugi paket koji nije paket A. Potpuna (celokupna) sekvenca paketa se sastoji od nula ili većeg broja paketa A iza kojih sledi paket B. Mreža može kombinovati ovu sekvencu kako bi formirala paket većeg obima. Mreža može takodje segmentirati paket B u manje pakete sa ciljem da kreira kompletnu paket sekvencu.

Način na koji se manipuliše paketom B zavisi od postavljenosti bitova M i D. Ako je D=1, end-to-end potvrda se šalje od strane prijemnog DTE-a prema predajnom DTE-u. Na ovaj način se potvrdjuje prijem celokupne paket sekvence. Ako je M=1, slede dodatne kompletne paket sekvence. Ovo obezbeđuje formiranje podsekvenci kao deo veće sekvence, tako da se end-to-end potvrda može javiti pre kraja velike (dugačke) sekvence. Zadatak je DCE-a da složi promene kod numerisanja u sekvenciranju što je uzrok segmentacije i reasembliranja.

42/71


Slika 4.5.Sekvenciranje paketa kod X.25

4.3.3 Napomena u vezi X.25

X.25 je ITU-T standardni protokol za pristup mreži. On definiše interfejs između DTE i PSDN. U suštini, X.25 čini skup protokola koja odgovaraju prvih triju nivoa OSI modela. S obzirom da je X.25 protokol za pristup mreži on pokriva samo interfejs DTE ka DCE. Zbog toga X.25 mreža se definiše samo preko tog interfejsa, a rad mreže obezbeđen je od strane provider-a usluga. Ovo znači da se X.25 odnosi samo na unos podataka u mrežu i njihovo napuštanje, kao podaci tipa X.25.

4.4 Ostali tipovi mreža za prenos podataka

4.4.1 FRAME RELAY

Tehnika koja koristi za komutaciju paketa je bila razvijena u ono vreme kada je digitalni prenos podataka na daljinu bio podložan velikom broju grešaka u poređenju sa onim što današnja tehnologija nudi. Kao rezultat takvih razmatranja značajno veliko režijsko vreme je ugrađeno kod rešenja koja koriste paketsku-komutaciju sve to sa ciljem da se kompenzuju greške u prenosu. Prekoračenje (režijsko vreme - overhead) uključuje dodatne bitove koji prate paket kako bi se uvela redundantnost informacije, a zatim i dodatno procesiranje u krajnjim stanicama kao u i komutatorskim čvorovima sa namerom da se detektuju i isprave greške.

Kod savremenih veoma brzih telekomunikacionih sistema, režijsko vreme nije neophodno, pa je čak i kontra produktivno. Procenat greške u prenosu je drastično smanjen a ostale greške se mogu relativno lako odstraniti (premostiti) u krajnjim stanicama uz pomoć logike koja radi (operativna je) iznad nivoa logike zadužene za

43/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoripaketsku-komutaciju (pripada višim nivoima OSI modela). Na ovaj način u značajnoj meri se efektivno povećava kapacitet (iznos) saobraćaja u mreži.

Frame-relay je razvijena kao tehnika prenosa koja koristi prednosti kod velike-brzine-prenosa podataka uz mali procenat grešaka. Prvobitne mreže za paketsku komutaciju su bile projektovane za brzine prenosa podataka između krajnjih korisnika do 64 kbps, dok su frame-relay mreže projektovane za brzine prenosa do 2 Mbps. Ključ uspeha u postizanju većih brzina svodi se na ukidanju svih ograničenja koja se odnose na kontrolu greške u prenosu.

4.4.2 ATM

Asynchonous transfer mode (ATM), ponekad poznat i kao cell relay, predstavlja kulminaciju svega što je razvijeno zadnjih 25 godina, u tehnici komutacije-kola i komutacije-paketa.

ATM se može smatrati proizvodom evolucije frame-relay-a. Najvažnija razlika između framerelay- a i ATM-a je ta što frame-relay koristi pakete promenljive dužine, dok ATM koristi pakete fiksne dužine, koji se nazivaju cells. Kao i kod frame-relay-a tako i kod ATM postoji mali overhead za korekciju greške, koji zavisi u velikoj meri od osobine pouzdanosti prenosnog sistema i procesnih mogućnosti viših logičkih nivoa sistema krajnjih stanica da detektuju i koriguju greške (viši nivoi OSI modela). Koristeći pakete fiksnih dužina, smanjuje se processing overhead. Kao rezultat, ATM je projektovan da radi sa bitskim brzinama od nekoliko desetina do nekoliko stotina Mbps-a, nasuprot frame-relay koji radi do 2 Mbps.

ATM se, takođe, može posmatrati kao evolucija i u odnosu na sisteme koji rade sa komutacijom kola. Kod komutacije-kola, krajnjem korisniku su samo dostupna kola koja rade sa fiksnom-brzinom prenosa podataka. ATM dozvoljava definiciju većeg broja virtuelnih kanala kod kojih se brzina prenosa podataka dinamički definiše u trenutku kreiranja virtuelnog-kanala. Potpunim korišćenjem, cells-ova fiksnog obima, ATM je efikasan u tome što može ponuditi kanale koji rade sa fiksnom brzinom prenosa podataka i pored toga što se u toku prenosa koristi tehnika sa komutacijom-paketa. Drugim rečima, ATM predstavlja proširenje tehnike komutacije-kola jer omogućava prenos većeg broja kanala kod kojih se brzina podataka dinamički, tj. po zahtevu, postavlja.

4.4.3 ISDN I širokopojasni ISDN

Spajanjem novih komunikacijskih i računarskih tehnologija, uzimajući u obzir povećane zahteve u pogledu rada u realnom vremenu koji se tiču prikupljanja informacije, procesiranja, i korektnog usmeravanja, dovelo je do razvoja integrisanih sistema koji prenose i procesiraju sve tipove podataka. Tipičan reprezent ovih trendova razvoja je ISDN (integrated service digital network). ISDN je namenjena da bude svetska javna telefonska mreža koja će zameniti postojeće javne telefonske mreže, a nuditi veliki broj raznovrstih usluga. ISDN se definiše standardizovanim korisničkim interfejsima, implementira se kao skup digitalnih komutacija i puteva koji podržavaju širok dijapazon tipova saobraćaja, a obezbeđuje, pored toga, i dodatne usluge koje se tiču procesiranja signala. U praksi postoji veći broj mreža, implementiranih u okviru nacionalnih granica, ali sa tačke gledišta korisnika postoji jedna namera da se one vide kao jedinstvena celina, da budu svima podjednako dostupne, i da predstavljaju jednu svetsku mrežu.

I pored toga što ISDN do ovog trenutka nije dostigao željeni nivo, ipak danas egzistira njegova druga generacija. Prva generacija, često nazivana narrowband ISDN, je koristila 64 kbps kanal kao osnovnu jedinica za komutaciju i bila je orijentisana kao sistem koji je koristio tehniku rada sa komutacijom-kola. Kao plod rada na usavršavanju

44/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorinarrowband ISDN, razvijena je bila frame-relay tehnika prenosa. Druga generacija, naziva se broadband ISDN, podržava bitske brzine prenosa od nekoliko stotina Mbps, a

karakteriše je tehnika prenosa sa komutacijom-paketa. Osnovni tehnički doprinos broadband ISDN predstavlja razvoj ATM-a.

5. BEŽIČNE I MOBILNE MREŽE

Osnovni elementi jedne bežične mreže prikazani su na slici 5.1. Njihove funkcije i uloge u okviru mreže su sledeći:

bežični host- ovi – kao i kod ožičenih mreža, host-ovi su krajnji uređaji koji izvršavaju aplikaciju. Bežični host-ovi mogu biti laptop-ovi, palmtop-ovi, PDA-ovi, telefoni, ili desktop računari. Sami po sebi host-ovi mogu, ali i ne moraju biti mobilni.

bežični putevi – host se povezuje sa baznom stanicom ili drugim bežičnim host-om preko bežične komunikacione veze. Različite tehnologije bežičnih veza karakterišu se različitim brzinama prenosa kao i različitim dometom prenosa. Na slici 5.2 prikazane su karakteristike standarda najpopularnijih bežičnih veza.

Slika 5.1. Elementi bežične mreže

45/71


Slika 5.2. Karakteristike veze kod tipičnih bežičnih mrežnih standarda

bazna stanica (BS) - ključni je gradivni blok bežične mrežne infrastrukture. Nasuprot bežičnim host-ovima i bežičnim putevima (vezama), BS nema svoj jasno izdiferenciran ekvivalenat (tzv. pandan uređaj) kod ožičenih veza. BS je zadužena za predaju i prijem podataka (tj. paketa) ka ili od bežičnog host-a, kao i za koordinisanu predaju podataka većem broju bežičnih host-ova koji su pridruženi BS-u. Kada se kaže da je bežični host pridružen baznoj stanici tada to znači: (1) host se nalazi u komunikacionom dometu BS-a; i (2) host koristi BS da bi prosledio/primio podatke ka/od neke mreže. Tačke pristupa (Access Points) kod 802.11 bežičnog LAN-a su tipični primeri BS-ova. AP-ovi ne kontrolišu samo pristup medijumu nego deluju i kao mostovi ka drugim bežičnim i ožičenim mrežama. Na slici 3 prikazana je struktura jedne veće mreže koju čine tri AP-a, tri bežične mreže, i jedna ožičena mreža.

Slika 5.3. Primer od tri infrastrukturno-baziranih bežičnih mreža

BS (alternativno nazvana AP) se najčešće povezuje sa nekom većom mrežom (kakve su Internet, javne telefonske mreže, itd.), pa shodno tome i funkcioniše kao spona na nivou veze OSI-ISO modela između bežičnog host-a i ostatka sveta sa kojim taj host komunicira. Za host-ove koji su pridruženi baznoj stanici često kažemo da rade u infrastrukturnom režimu rada (infrastructure mode) jer svi tradicionalni mrežni servisi (dodela adresa i rutiranje) se obezbeđuju od strane mreže na koju je taj host povezan preko BS-a (tj, AP-a, za slučaj sa slike 5.3.).

Kod ad-hoc mreža, bežični host-ovi ne koriste infrastrukturu da bi se povezali. Svaki čvor može direktno da komunicira sa drugim čvorovima, tako da nije potrebno da postoje AP-ovi koji će, ako je potrebno, kontrolisati pristup medijumu. Na slici 5.4. prikazane su dve ad-hoc mreže, svaka sa po tri čvora. Čvorovi u okviru ad-hoc mreže mogu jedino komunicirati ako se međusobno nalaze u istom radio dometu. U odsustvu infrastrukture, host-ovi kod ad-hoc mreže moraju sami po sebi da obezbede usluge tipa rutiranje, dodela adresa, transliranje tipa DNS, itd. Zbog prethodno pomenutih funkcija, treba posebno naglasiti da je složenost čvora kod ad-hoc mreže znatno veća od čvora kod infrastrukturno bazirane bežične mreže.

46/71


Slika 5.4. Primer dve ad-hoc bežične mreže

Kada jedan mobilni host pređe iz oblasti pokrivanja jedne BS u oblast koju pokriva druga BS, tada on promeni svoju tačku pridruživanja (pristupa) u odnosu na veću mrežu. Ovaj proces se naziva handoff. Ovakva mobilnost rađa veći broj problema. Kao prvo, ako je host pokretan, postavlja se pitanje na koji način se određuje njegova tekuća pozicija u mreži tako da se podaci mogu proslediti mobilnom host-u? Kao drugo, na koji način se vrši adresiranje, ako host može da se nađe u jednu od mnogo mogućih lokacija? Ako se host premešta u toku TCP konekcije (ili telefonskog poziva kod GSM-a) tada se ponovo pitamo na koji način se obavlja rutiranje podataka, a da pri tome ne dođe do prekida veze? Ova i mnoga druga pitanja čine da bežično i mobilno umrežavanje predstavlja jedno izuzetna i izazovna oblast rada.

5.1 Karakteristike bežičnih mreža

Neka je data jedna ožičena LAN kakva je ona prikazana na slici 5.5.

Slika 5.5. LAN koji pokriva dve bežične mreže koje su preko switch-a povezane na ožičeni Ethernet

Zamenimo sada neku ožičenu Ethernet mrežu sa bežičnom mrežom tipa IEEE 802.11. Da bi ovo uradili neophodno je da sve žičane mrežne kartice, koje su instalirane

47/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriu svakom od host-PC-ova, zamenimo bežičnim karticama, a na mesto Ethernet switch-a treba postaviti BS (tj. AP). To znači da prelazak sa žičanog na bežični prenos se svodi

na promene koje se odnose do nivoa-veze ISO-OSI modela komuniciranja. Svi nivoi počev od mrežnog pa naviše ostaće nepromenjeni u oba slučaja.Ukažimo sada na najvažnije razlike koje postoje izmedju žičanih i bežičnih veza:

1. slabljenje - jačina elektromagnetnog polja slabi nakon prolaska talasa kroz neku sredinu, kao na primer zid. Šta više i u slobodnom prostoru dolazi do disperzije radio talasa, a to dovodi do slabljenja signala. Ovaj efakat se naziva path-loss. Takođe do slabljenja signala na prijemnoj starni dolazi i kada se rastojanje između predajnika i prijemnika povećava.

2. interferencija od drugih izvora - ako dva izvora radio signala emituju u istom frekventnom opsegu tada dolazi do međusobne interferencije. Tako na primer bežični telefon i bežični LAN 802.11 rade u istom frekventnom opsegu od 2.4 GHz. Zbog toga za očekivati je da ako oba sistema rade istovremeno tada i oba neće raditi dobro, prvenstveno zbog međusobne interferencije. Pored toga usled smetnji od drugih izvora, kakve su recimo smetnje od motora ili mikrotalasnih peći, može doći do indukcije elektromegnetnog šuma, a to će takođe rezultirati do pojave interferencije.

3. propagacija duž više različitih puteva (multipath propagation)- javlja se kada se deo elektromagnetnih talasa reflektuje od objekata ili zemlje, pri čemu dužine puteva talasa od predajnika do prijemnika su različiti. Pokretni objekti između predajnika i prijemnika mogu uzrokovati multipath propagation koja je promenljiva sa vremenom. Multipath propagation zbog uticaja refleksije talasa od jonosfere ili drugih objekata može da dovede do pojave fadding-a, tj. privremenog gubitka signala na prijemnoj strani.

Na osnovu prethodne diskusije jasno je da su bežične komunikacije daleko nepouzdanije od žičanih. Zbog toga, kod 802.11 protokola koristi se ne samo moćna CRC tehnika za otkrivanje grešaka u prenosu, nego i ARQ protokol na nivou-veze kojim se zahteva kompletna retransmisija poruka u slučaju kada dođe do greške u prenosu.

5.2 Sistemska arhitektura kod 802.11

Kao što smo već naglasili, bežične mreže koriste sledeće dve osnovne sistemske arhitekture: infrastrukturno bazirane, i ad-hoc.

Na slici 5.6. prikazane su komponente jedne IEEE 802.11 infrastrukturno-bazirane LAN. Nekoliko čvorova nazvanih stanice (Stations- STAi), povezano je na tačke pristupa (AP- Access Points), alternativno nazvane bazne stanice. Stanice predstavljaju terminali koji poseduju mehanizme pristupa ka bežičnom medijumu i ostvaruju radio-kontakt sa AP-om. Osnovni gradivni blok arhitekture 802.11 je BSS (Basic Service Set). BSS može da sadrži jednu ili veći broj STA-ova i jednu AP. Sve STA i AP koje koriste isti radio-kanal formiraju BSSi. Kao što se vidi sa slike 7 BSS1 i BSS2 povezane su u distribucioni sistem. Distribucioni sistem povezuje nekoliko BSS-ova preko AP-ova, pa se na taj način formira mreža. Ilustracije radi na slici 5.6. prikazano je kako se dva AP-a, dva BSS-a nazvanih BSS1 i BBS2, povezuju na sprežni (mrežni) uređaj tipa hub ili switch, a zatim dalje na Internet. Mreža se sada naziva ESS (Extended Service Set) i ima svoj sopstveni identifikator ESSID. ESSID predstavlja ime mreže, a koristi se za identifikaciju različitih mreža. Distributivni sistem povezuje bežične mreže preko AP-ova sa portalom (hub ili switch na slici 5.6) koji predstavlja sprežni blok sa drugim LAN-ovima.

48/71


Slika 5.6. Arhitektura arhitekturno-bazirane 802.11 LAN, distribucioni sistem

Arhitektura distribucionog sistema (mogu da čine nekoliko LAN-ova povezanih preko mostova, bežičnih LAN-ova ili drugih mreža) se dalje ne specificira od strane 802.11, ali se distribuirani servisi specificiraju standardom 802.11f. Stanice mogu da biraju AP kojoj mogu da se pridruže. AP-ovi podržavaju roaming (promena tačke pristupa), dok distribucioni sistem je zadužen za manipulacije pri prenosu podataka između različitih AP-ova. AP-ovi pružaju podršku:

1. održavanju sinhronizacije između BSS-ova 2. power-management-u i 3. kontroli pristupa medijumu radi podrške rada vremensko-ograničenim (kritičnim)

servisima. IEEE 802.11 takođe podržava formiranje ad-hoc mreža između STA-a, tj.

formiranje jedne ili više nezavisnih BSS-ova nazvanih IBSS (Independent BSS), vidi sliku 5.8. U ovom slučaju, IBSS čini grupu stanica koje koriste istu radio frekvenciju. Tako na primer stanice STA1, STA2 i STA3 pripadaju grupi IBSS1, a ST4 i ST5 grupi IBSS2. To znači da STA3 može direktno da komunicira sa STA2, ali ne i sa STA5.

Slika 5.7. Arhitektura IEEE 802.11 ad-hoc bežičnih LAN-ova49/71


IEEE 802.11 ne specificira bilo kakav specijalni čvor koji podržava rutiranje, dalje prosleđivanje podataka, ili promenu informacije o topologiji kao na primer što je to slučaj sa bežičnim mrežama tipa Bluetooth ili Hiperlan 1.

5.3 Protokol arhitektura

Protokoli koji su specifično definisani za LAN, MAN i WAN prenos, zaduženi su za prenos blokova podataka preko mreže. Sa aspekta OSI referentnog modela komuniciranja, viši nivoi protokola (nivoi od 3 do 7) nezavisni su od mrežne arhitekture i mogu se primeniti na sve LAN, MAN i WAN mreže. Zbog ove činjenice diskusija o LAN protokolima uključujući i bežične LAN-ove, koja sledi u daljem tekstu, prvenstveno će se odnositi samo na niže nivoe OSI modela, dok nivoi od 3 do 7 su identični kako za žičane tako i bežične mreže.

Na slici 5.8. prikazan je odnos koji važi između IEEE 802 i OSI referentnog modela, a tiće se svih LAN, MAN i WAN mreža.

Slika 5.8. Nivoi IEEE 802 referentnog modela u odnosu na OSI referentni model

Na osnovu slike 5.8. uočavamo da najniži nivo IEEE 802 referentnog modela odgovara fizičkom nivou OSI modela, i obavlja funkcije koje se odnose na:

kodiranje i dekodiranje signala generisanje preambula / rešavanje problema koji se tiču sinhronizacije predaja / prijem bitova

Pored toga, fizički nivo kod 802 modela uključuje i specifikacije koje se odnose na prenosni medijum i topologiju mreže. U opštem slučaju, za ove detalje mnogi stručnjaci iz oblasti računarskih mreža smatraju da pripadaju nivou koji se nalazi ispod najnižeg nivoa OSI modela. Ipak ako se želi jedno kompletno sagledavanje stvari tada detalji koji se odnose na izbor prenosnog medijuma kao i izbor topologije predstavljaju kritične stavke kod projektovanja LAN-ova pa ih kao takve treba uključiti , tj. bolje sagledati, još u fazi specifikacije medijuma.

Kao što se vidi sa slike 5.8. iznad fizičkog nivoa funkcije koje obezbeđuju servise LAN korisnicima su sledeće:

50/71


a) u toku predaje - vrši se asembliranje podataka u okvire. Svaki okvir prati adresno polje za detekciju grešaka u prenosu podataka

b) u toku prijema - disasembliraju se okviri, prepoznaju adrese i detektuju greške u prenosu ako postoje

c) reguliše se pristup LAN-ovom prenosnom medijumu d) ostvaruje se sprega - sa višim nivoima i kontroliše se tok podataka i greške koje

mogu nastati (za slučaj da se ne prime svi paketi ili da je neki okvir primljen sa greškom).

Nabrojane funkcije od a) do d) svojstvene su nivou 2 OSI modela. Kada je u pitanju model 802, skup funkcija koje se odnose na stavku d) se obično pridružuje LLC-ovom (Logical Link Control) nivou, dok se funkcije definisane stavkama a), b) i c) tretiraju kao poseban nivo koji se naziva MAC (Media Access Control). Razdvajanje LLC i MAC nivoa je izvršeno iz sledećih razloga:

logika koja je potrebna da se upravlja pristupom nad deljivim medijumom ne sreće se kod tradicionalnog upravljanja na nivou 2 OSI modela, tj. na nivou-veze ( link control level)

za isti LLC postoje po nekoliko MAC opcija.Na slici 5.9. prikazani su nivoi kod modela 802.

Slika 5.9. Protokoli kod IEEE 802

5.4 Nivovska protocol arhitektura

Na slici 5.5 prikazan je najčešći scenario: Povezivanje bežičnog 802.11 LAN-a na komutirani 802.3 Ethernet koje je ostvareno preko mosta/komutatora (bridge/switch-a). Takođe jedna praktična implementacija AP-a je prikazana na slici 5.10.

Slika 5.11. Arhitektura protokola 802.11, praktična implementacija

51/71


Kod tipične aplikacije (slika 5.5.) veći broj laptop-ova se povezuje preko WLAN-a na backbone (kičmu) žičanog LAN-a. U svakom laptop-u instalirana je kartica kojom se ostvaruje bežična veza, a tačka povezivanja sa backbone-om je AP. Sa svoje strane i AP ima karticu koja obezbeđuje povezivanja sa bežičnim LAN-on i portalom. Na slici 5.11. prikazana je ova praktična veza. Kartice u laptop-u i AP uređaju podržavaju MAC i PHY nivoe standarda 802.11. Ostatak AP uređaja deluje kao most i konvertuje protokol 802.11 u MAC i PHY nivoe backbone-a DS-a koji je tipično IEEE 802.3 Ethernet LAN. Laptop-ovi koji se povezuju na LAN preko AP-a mogu da komuniciraju sa drugim uređajima, kakvi su server sa slike 5.11.

Obično se ESS (Extended Service Set) formira instaliranjem većeg broja AP-ova na različitim lokacijama backbone-a didtribuiranog sistema (DS-a) čime se želi ostvariti veća pokrivenost neke oblasti.

Sa ciljem da se specifikacije procesa učine lakšim definicije standardnih MAC i PHY nivoa kod IEEE 802 se razbijaju na druge podnivoe. U konkretnom slučaju MAC nivo se deli na sledeće celine:

MAC podnivo MAC management podnivo

MAC podnivo je zadužen da obezbedi: mehanizam pristupa, fragmentaciju i asembliranje paketa.

MAC layer management podnivo odgovorno je za: roaming kod ESS-a, power managemant-om, upravljenje procesom za udruživanje (association), razdrživanje (dissaciation) i

reasocijaciju kod upravljanja procesom koji se odnosi na registraciju kod konektiranja.

PHY se deli na sledeća tri podnivoa: PHY Layer Convergence Protocol (PLCP) – zadužen je za generisanje nosioca

(carrier sensing assesment) i formiranje pakete za različite PHY nivoe. PHY Medium Dependent Protocol (PMD) specificira modulaciju i tehniku kodiranja

za signalizaciju sa medijumom PHY Layer Management odlučuje o podešenosti kanala na različite opcije za

svaki PHY nivo.

Pored toga 802.11 specificira i Station managemant podnivo koji je odgovoran za koordinaciju i interakciju između MAC i PHY nivoa.

5.5 802.11 MAC protokol

Nakon što je mreža formirana, bežična stanica može da počne sa predajom/prijemom okvira podataka ka/iz AP-a. No, pri ovome se može dogoditi, da će veći broj stanica istovremeno hteti, preko istog kanala, da prenosi podatke. Sa ciljem da se prenos koordinira neophodno je kopristiti Multiple Access Protocol (MAP). Globalno posmatrano, postoje sledeće četiri klase MAP-ova:

particionisanje kanala (Channel Partitioning Protocol- CPP) proizvoljan pristup (Random Access Protocol- RAP) opsluživanje po redosledu (Taking Turns Protocol- TTP) CDMA (Collision Detect Multiple Access Protocol- CDMAP)

52/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriInspirisani ogromnim uspehom Ethernet-a kao i njegovim RAP-om, projektanti

802.11 izabrali su RAP za 801.11 bežične LAN-ove. Ovaj RAP se naziva CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), što znači da svaka stanica pre predaje nadgleda kanal i uzdržava se od predaje ako ustanovi da je kanal zauzet. I pored toga što oba sistema, Ethernet i 802.11 koriste CSRA (Carrier Sense Random Access) ipak se ova dva sistema u zanačajnoj meri razlikuju. Prvo, umesto da koristi tehniku detekciju kolizije (collision detection) standard 802.11 koristi tehniku izbegavanje kolizije (collision avoidance). Kao drugo, zbog relativno velikog broja grešaka kod bežičnog prenosa, nasuprot Ethernet-u, 802.11 na nivou veze (link-level) koristi ARQ (acknowledgment/retransmission) šemu. Sagledajmo sada kako ova šema radi. Prisetimo se samo da kod Ethernet-ovog algoritma za detekciju kolizije, Ethernet stanica je ta koja nadgleda (sluša) predaju podataka po kanalu, tj., po vodu. Ako u trenutku kada stanica vrši predaju detektuje da i druga stanica takođe obavlja predaju, tada ona prekida sa predajom, generiše jamming signal, i pokušava sa ponovnom predajom nakon isteka proizvoljnog vremena. Nasuprot 802.3 Ethernet protokolu, 802.11 MAC protokol ne implementira tehniku za detekciju kolizije. Za ovo postoje sledeća dva razloga:

a) da bi se detektovala kolizija neophodno je da stanica u trenutku kada predaje bude u stanju i da sluša svoj (sopstveni) signal, a takođe primi signal od drugog predajnika i odredi da li i druga stanica istovremeno vrši predaju. S obzirom da je na prijemnom 802.11 adapteru snaga prijemnog dsignala od druge stanice mnogo manja od snage sopstvenog predajnog signala, veoma je teško konstruisati adapter koji će detektovati ovakav tip kolizije.

b) sto je još važnije, čak i da je adapter u stanju istovremeno da sluša i predaje (i prekine predaju ako detektuje da je medijum zauzet), adapter neće biti u stanju da detektuje sve kolizije prvenstveno zbog postojanja fedinga ili skrivenog (nevidljivog) terminala (slučaj kada se dve stanice medjusobno ne vide zbog toga što nisu u međusobnom dometu, a pri tome obe stanice jedino vidi AP).

S obzirom da 802.11 bežični LAN ne koristi tehniku za detekciju kolizije, nakon što stanica počne sa predajom okvira, ona predaje ceo okvir. Naime, od trenutka kada stanica počne sa predajom predaja se ne prekida sve do svog kraja. Kao što se i može očekivati, predaja celih okvira, posebno ako su okviri dugački, za slučaj da je kolizija preovladjujuća, može u značajnoj meri da degradira performanse MAP-a. Sa ciljem da se smanji verovatnoća pojave kolizije, 802.11 koristi nekoliko tehnika za izbegavanje kolizija. Ukažimo sada na neke od njih.

No pre nego što razmotrimo tehniku izbegavanja kolizije, sagledaćemo prvo princip rada šeme potvrda-na-nivou-veze (Link Layer Acknowledgment- LLA). Ukažimo pri ovome na činjenicu da kada jedna stanica u bežičnom LAN-u pošalje okvir, tada može da se desi da okvir ne pristigne do odredišne stanice iz brojnih razloga. Da bi se izašlo na kraj sa ovakvim nedostatkom 802.11 koristi LLA. Kao što je prikazano na slici 5.12, kada odredišna stanica primi okvir koji je prošao CRC proveru, ona čeka kratak vremenski period nazvan SIFS (Short Inter-Frame Spacing) pa tek nakog isteka tog perioda šalje nazad okvir potvrde (acknowledgment frame). Ako predajna stanica ne primi potvrdu o okviru nakon odredjenog vremenskog perioda, ona pretpostavlja da je došlo do greške u predaju okvira, i ponovo koristi CSMA/CA protokol da bi pristupila kanalu. Ako se potvrda o prijemu ne primi nakon određenog broja retransmisija, predajna stanica se otkazuje od predaje i poništava okvir (izbacuje ga).

Nakon što smo sagledali kako 802.11 koristi LLA-ove, u situaciji smo sada da opišemo kako radi 802.11 CSMA/CD protokol. Pretpostavimo da stanica (bežična stanica ili AP) ima okvir za predaju:

1) putem testiranja, stanica ustanovi da je kanal u stanje pasivan (idle). Kraći vremenski period nakon toga, nazvan DIFS (Distribution Inter-Frame Space), stanica počinje sa predajom (vidi sliku 5.12.)

53/71


Slika 5.12. 802.11 Korišćenje LLA-ova

2) u suštini, u trenutku kada detektuje da je kanal pasivan, stanica odabira jedan slučajan broj i određuje da taj broj bude brojač petlje. Nakon svake iteracije u petlji, ako je kanal pasivan brojač se dekrementira za jedan, a u slučaju kada je kanal zauzet tada stanje brojača ostaje nepromenjeno (zamrznuto).

3) kada vrednost brojača postane jednaka nuli (to se može desiti samo kada je kanal u pasivno stanje) stanica predaje ceo okvir, a zatim čeka na potvrdu (acknowledgment- ack)

4) ako se primi ack, predajna stanica zna da je poslati okvir korektno primljen od strane odredišne stanice. Ako stanica ima da šalje još jedan okvir, ona počinje sa CSMA/CA protokolom od koraka 2. Za slučaj da se ack ne primi, predajna stanica ponovo ulazi u izvršenje petlje u koraku 2 samo što se sada brojač petlje postavlja na veću vrednost (to odgovara dužem vremenskom intervalu).

U celoj prethodno opisanoj proceduri (koja se bazira na CSMA/CD protokolu) karakteristično je to što stanica bira jedan slučajni broj, postavlja taj broj da bude brojač petlje, počinje da obrojava naniže, i efektivno posmatrano unosi kašnjenje na početku predaje od trenutka kada ustanovi (detektuje) da je kanal pasivan. Kod Ethernet CSMA/CD protokol stanica odmah počinje sa predajom onog trenutka kada ustanovi da je kanal pasivan. Postavlja se sada pitanje: Zbog čega CSMA/CD i CDMA/CA imaju tako različite pristupe? Da bi odgovorili na ovo pitanje razmotrimo sledeći scenario: Neka dve stanice imaju spremne okvire za predaju. Pri tome, nijedna od njih ne počinje sa predajom jer je detektovala da je neka treća stanica u fazi predaje. Kod Ethernet CSMA/CD obe stanice počeće sa predajom onog trenutka kada detektuju da je treća završila sa predajom. Istovremena predaja dovešće do pojave kolizije, što i nije tako ozbiljan problem kod CSMA/CD jer će obe stanice prestati sa predajom onog trenutka kada detektuju koliziju. Time se nakon detekcije kolizije izbegava nekorisna predaja ostatka okvira. Kod 802.11, ipak, situacija je značajno različita. S obzirom da 802.11 ne detektuje koliziju i ne prekida započeti prenos, ceo okvir u toku čijeg prenosa je detektovana kolizija biće prenet. Cilj kod 802.11 je da se izbegne kolizija kada je god to moguće. Kod 802.11 ako dve stanice detektuju da je kanal zauzet one postavljaju svoje brojače petlje na proizvoljne vrednosti. Pri tome svaka stanica postavlja svog brojača na

različitu vrednost. Kako su ove vrednosti stvarno različite, jedna od stanica će početi sa predajom pre druge. Ako se stanice međusobno vide (u dometu su) tada stanica gubitnik

54/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorionog trenutka kada oslušne signal pobedničke stanice trenutno zamrzava stanje svog brojača i uzdržava se od predaje sve dok pobednička stanica ne završi sa predajom. Na ovaj način se izbegava kolizija. Naravno do kolizije kod 802.11 može da dodje pod sledećim uslovima: Dve stanice se međusobno ne vide (međusobno su van dometa), ili kada su obe stanice izabrale istu vrednost na koju postavljaju svog brojača u petlji.

5.6 Nevidljivi terminali

Sastavni deo 802.11 MAC protokola je i jedna divna, doduše opciona, rezervaciona šema koja nam omogućava da se izbegne kolizija i za slučaj kada postoje nevidljivi terminali (stanice). Analizirajmo rad ove šeme sa aspekta slike 5.13. na koju su prikazane dve bežične stanice i jedna AP.

Slika 5.13. Primer nevidljivih terminala: H1 se ne vidi od strane H2, i obratno

Obe stanice se nalaze u opsegu pokrivanja AP-a. Zbog pojave fedinga i slabljenja signala duž puta, oblasti pokrivanja bežičnih stanica H1 i H2 su ograničene na levi i desni odsečak krugova, respektivno (vidi sliku 5.13). Zbog ovoga stanice H1 i H2 međusobno se ne vide (H1 ne prima signal od H2 i obratno), ali su obe vidljive od strane AP-a (AP prima signal kako od H1 tako i od H2). Analizirajmo sada situaciju zbog čega skriveni terminali (stanice) mogu biti problematični. Pretpostavimo da stanica H1 šalje okvir. Neka na polovini vremena predaje stanice H1, mrežni nivo stanice H2 preda okvir svom MAC nivou. Ovaj okvir ćemo zvati DATA okvir. S obzirom da H2 ne prima signal od H1, ona će sačekati jedan proizvoljan vremenski interval i nakon toga početi sa predajom okvira DATA, što će dovesti do kolizije. Shodno prethodnom, prenosni kanal biće neupotrebljiv u toku celog prenosa od strane stanice H1

i delimično u toku prenosa od stanice H2. Sa ciljem da se izbegne ovaj problem, protokol 802.11 dozvoljava stanici da

koristi jedan kratak Request to Send (RTS) upravljački okvir, kao i jedan kratak Clear to Send (CTS) upravljački okvir pomoću kojih se rezerviše pristup kanalu. Kada predajnik želi da preda okvir DATA, on pošalje okvir RTS prema AP-u, kojim informiše AP o tome koliko vremena će biti potrebno za prenos okvira DATA i okvira ACK. Kada AP primi RTS okvir, ona se odaziva na taj način što svim stanicama u njenom dometu preda okvir CTS. Ovaj CTS okvir se koristi za sledeće dve namene: on daje predajniku eksplicitnu dozvolu da

preda svoj okvir, ali naređuje ostalim stanicama da ne predaju podatke za rezervisani period trajanja.

55/71


6. BEŽIČNE LAN MREŽE

6.1 Uvod

Za samo nekoliko godina popularnost bežičnih LAN mreža je jako skočila na tržištu LAN. Razlog za to je zato što bežični LAN omogućavaju moblilnost, relokaciju i pokrivanje teritorije gde je teško uvesti kablove. Bežični LAN koriste sredinu za prenos za bežičnu primopredaju. Do skora, ovaj tip LAN se malo koristio. Razlozi za to su: visoke cene, mali protoci, problemi sigurnosti i potreba za radio-dozvolom. Kada su ovi problemi prevaziđeni njihova popularnost je naglo skočila.

6.2 Bežične LAN aplikacije

6.2.1 LAN ekstenzija

Na bežičnoj LAN mreži može da se uštedi jer ne moraju da se uvode kablovi. Takođe, moguće je seliti mrežu kao i vršiti razne modifikacije mreže. Ove prednosti bežične LAN mreže su prevaziđene u uslovima gustih zgrada sa velikim brojem korisnika na relativno maloj površini. Moderne zgrade su takve da je uvođenje kablova lako.

Međutim, u mnogim drugim okruženjima su poželjnije bežične LAN mreže. Tu spadaju zgrade koje se nalaze na otvorenom prostoru (fabrike), skladišta, istorijske zgrade gde se ne smeju buštiti zidovi, male kancelarije gde uvođenje kablova nije ekonomično, itd. U svim ovim slučajevima bežični LAN obezbeđuju bolju alternativu. U mnogim ovim slučajevima, organizacija ima i klasični LAN da podrži bežični i obrnuto. Na primer, u fabrici postoji sprat sa kancelarijama koji mora da bude u vezi sa samom fabrikom. U ovom slučaju je najefikasnije i najekonomičnije da bežični LAN bude povezan sa klasičnim LAN.

Na slici 6.1 prikazana je jednostavna bežična LAN konfiguracija koja je tipična za mnoga okruženja. Postoji LAN sa okosnicom, kao što je Ethernet, koji podržava servere, radne stanice i jedan ili više mostova ili routera (rutera) za povezivanje sa drugim mrežama. Kontrolni modul (CM - Control Modul) deluje kao sprega za bežični LAN. CM ima ili funkciju mosta ili rutera tako da može da poveže bežični LAN na okosnicu.On sadrži neku vrstu logike za kontrolu pristupa, kao što je na primer žeton. Neke od krajnjih stanica su serveri ili radne stanice. Još neki korisnički moduli (UM - User Modul) koji kontrolišu stanice običnog LAN mogu takođe da budu deo bežičnog LAN.

Mreža na slici 6.1 je u stvari bežični LAN sa jednom ćelijom, jer je sve u dometu jednog kontrolnog modula. Na slici 6.2 prikazana je mreža sa više ćelija. Svaki kontrolni modul kontroliše nekoliko bežičnih sistema u svom dometu.

56/71


Slika 6.1 Bežična LAN konfiguracija sa jednom ćelijom

Slika 6.2 Bežične LAN konfiguracija se više ćelija

6.2.2 Veze između zgrada

Još jedna upotreba bežičnih LAN je da poveže zgrade koje nisu mnogo udaljene. U zgradama se koristi ili klasični LAN ili bežični.LAN Za povezivanje zgrada koristi se bežični link tačka-tačka. Uređaji koji se koriste su uglavnom mostovi ili routeri.

6.2.3 Nomadski pristup

Nomadski pristup obezbeđuje bežični link između LAN hub-a i mobilnog terminala koji ima antenu, kao što je labtop računar ili notepad računar. Primer ovakve primene je da se omogući zaposlenom koji se vraća sa poslovnog puta da sa svog mobilnog računara izvrši prenos podataka do servera u kancelariji. Nomadski pristup se koristi u

57/71


okruženjima gde ima više zgrada (bliskih) unutar jedne organizacije. U oba ova slučajeva korisnici se mogu kretati okolo sa svojim mobilnim računarima i mogu da imaju pristup serveru na bežičnom LAN sa raznih lokacija.

6.2.4 AD HOC mreža

Ovakav tip mreže se postavlja privremeno zbog nekih hitnih potreba. Na primer, grupa ljudi može biti u konferencijskoj sobi zbog sastanka a da pri tome imaju mobilne računare. Ova grupa ljudi može privremeno da svoje računare poveže u mrežu za vreme sastanka. Na slici 6.3 prikazana je razlika između a) bežičnog LAN koji podržava LAN ekstenziju i b) ad hoc bežične LAN. Mreža a) čini stacionarnu infrastrukturu koja se sastoji od jedne ili više ćelija sa kontrolnim modulom za svaku ćeliju. U svakoj ćeliji može biti više sistema. Nomadske stanice se mogu kretati iz jedne ćelije u drugu. U ad hoc mreži nema infrastrukture. Mreža se sastoji od stanica koje su u međusobnom dometu i koje se mogu povezati u priremenu mrežu.

6.3 Zahtevi za bežičnu LAN mrežu

Bežični LAN mora da ispuni iste zahteve kao i klasični LAN, uključujući veliki kapacitet, mogućnost da pokrije mala rastojanja, potpunu povezanost između stanica. Pored ovih zahteva postoje i dodatni zahtevi:

Iskorišćenje sredine za prenos: protokol kontrole pristupa sredini za prenos (MAC) mora maksimalno da iskoisti bežičnu sredinu kako bi kapacitet bio maksimalan

Broj čvorova: Bežični LAN nekada mora da podrže stotine čvorova koji se nalaze u ćelijama.

Povezivanje na okosnicu LAN: U mnogim slučajevima potrebno je povezivanje stanica na okosnicu. Za bežični LAN ovo je lako i postiže se pomoću kontrolnih modula koji se povezuju na oba tipa LAN. Treba napomenuti da se ponekad vrše adaptacije za mobilne korisnike i ad hoc mreže.

a) b)

Slika 6.3 a) Infrastruktura bežične LAN mreže i b) Ad hoc mreža

Područje servisa: Tipična zona koju pokriva bežični LAN je prečnika 100m do 300m.

Baterijsko napajanje: Mobilni korisnici koriste radne stanice koje se napajaju iz baterija koje mora da imaju dug vek zato što se koriste sa bežičnim adapterima. Bežične LAN

implementacije mogu da smanje potrošnju dok ne koriste mrežu, to je tzv. faza spavanja.

Bezbednost: Ako nije pravilno dizajnirana, bežični LAN može biti i prisluškivan. Mreža mora da obezbedi prenos i u bučnim okruženjima i mora imati odgovarajuću bezbenost.

Raspodeljene mrežne operacije: Sa porastom popularnosti bežičnih LAN, raste mogućnost da dve mreže rade u istom području, tako da može doće do ometanja između njih. Ova ometanja mogu poremetiti rad MAC algoritma.

58/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzori Rad bez dozvole: Korisnici bi više voleli da koriste LAN bez dozvole za

korišćenje određenog frekvencijskog spektra (radio-dozvole). Handoff/roaming: MAC protokol treba da omogući mobilnim stanicama da se

kreću iz ćelije u ćeliju bez prekidanja aktivnosti.

6.4 Vrste bežičnih LAN mreža

Bežične LAN mreže su podeljene po tome koju tehniku prenosa koriste. Sve postojeće bežične LAN mreže spadaju u jednu od sledećih kategorija:

Infracrveni (IR) LAN: Ćelija IR LAN je ograničena na jednu sobu, zato što infracrvena svetlost ne prolazi kroz zidove.

LAN koje koriste tehniku proširenog spektra: Ove mreže rade u ISM opsegu ( Industrial, Scientific, i Medical) tako da dozvola nije potrebna.

Uskopojasni mikrotalasni LAN: Ove mreže rade na mikrotalasima, ali ne koriste prošireni spektar. Za neke su potrebne dozvole zbog frekvencije koju koriste.U Tabeli 6.1 su date najvažnije karakteristike ovih tehnika.

6.4.1 Infracrvene LAN mreže

Optičke bežične komunikacije u infracrvenom delu spektra se često koriste u domovima, kod raznih daljinskih upravljača. Infracrvena tehnika se može upotrebiti i za bežične LAN mreže.

6.4.1.1 Prednosti i mane

Infracrvene mreže imaju više prednosti nad mikrotalasnim. Infracrveni opseg je vrlo širok, što omogućava jako visoke protoke. Međutim, ovaj opseg nije regulisan svuda u svetu što nije slučaj kod mikrotalasnih opsega. Infracrveni opseg zahvata neke delove spektra vidljive svetlosti što ga u nekim LAN konfiguracijam čini atraktivnim. Infracrvena svetlost se difuzno reflektuje od svetlo obojenih predmeta. Ovo može da se koristi da bi se postiglo pokrivanje cele sobe. Infracrvena svetlost ne prolazi kroz zidove i druge neprozirne predmete. Ovo ima dve prednosti: infracrvene komunikacije se mogu lako zaštititi od prisluškivanja od strane mikrotalasnih i u svakoj sobi može da radi posebna infracrvena instalacija.

Još jedna prednost je ta što oprema za infracrvene mreže ima relativno nisku cenu I jednostavna je. U ovim mrežama se koristi intenzitetska modulacija (ASK), tako da IR prijemnici treba samo da detektuju amplitudu signala, a mikrotalasni prijemnici moraju da detektuju frekvenciju ili fazu.

Infracrvene LAN mreže imaju i svoje mane. Mnoge prostorije pate od infracrvene radijacije koja potiče od sunčeve svetlosti i veštačke svetlosti. Ova dodatna svetlost je šum za prijemnike. Zbog ovoga mora da se poveća snaga predaje, ali do određene granice jer može da prouzrokuje oštećenje vida.

59/71


Tabela 6.1 Karakteristike bežičihe LAN tehnika

6.4.1.2 Tehnike emitovanja

Postoje tri tehnike emitovanja koje se koriste kod infracrvenih bežičnih LAN mreža: signal može da se emituje fokusiran; signal može da se emituje omnidirekciono; signal može da se odbija od svetlo obojenog plafona.

6.4.1.3 Direktan signal

Direktan IR signal se koristi za veze tačka-tačka. U ovom slučaju domet zavisi od snage emitovanja i od ugla fokusiranja. Fokusiran IR link može imati domet od nekoliko kilometara. Ovoliki dometi nisu potrebni za konstrukciju unutrašnjih LAN. IR link može se koristiti za povezivanje zgrada tj. mostova ili routera na zgradama koji su u liniji optičke vidljivosti.

Na slici 6.4. prikazana je veza više IR mreža. One čine TR mrežu. Svaki transceiver podržava radnu stanicu ili hub stanica, a hub obezbeđuje funkciju mosta.

Slika 6.4.Token Ring LAN sa infracrvenim linkovima

60/71


6.5 LAN mreže koje koriste prošireni spektar

Ovaj tip bežičnih LAN su najpopularnije. U ovom mrežama je moguća konfiguracija sa više ćelija. Svaka ćelija koristi druge frekvencije da ne bi došlo do ometanja.

U jednoj ćeliji topologija može biti sa hubom ili bez. U hub topologiji, hub je uglavnom na plafonu i povezan je za okosnicu klasičnog LAN da bi obezbedio povezanost izameđu obe vrste LAN mreže. Hub takođe može da kontroliše pristup, pomoću funkcije koordinacije opisane u IEEE 802.11 standardu. Hub može da kontroliše pristup i kao multiportni ripiter koji slično funkcioniše kao Ethernet multiportni ripiter. U ovom slučaju sve stanice u ćeliji predaju i primaju od huba. Svaka stanica može omnidirekciono da emituje da bi sve stanice primile signal. Ovakva konfiguracija ukazuje na bus topologiju.

Još jedna funkcija huba je handover mobilne stanice. U određenom vremenu stanice su dinamički dodeljene jednom hubu. Kada jedan hub primi oslabljen signal on predaje stanicu susednom hubu.

U topologiji bez huba koristi se MAC algoritam kao što je CSMA za kontrolu pristupa. Ova topologija se koristi kod ad hoc LAN mreža.

6.6 Uskopojasne mikrotalasne LAN mreže

Ovaj tip bežičnih LAN mreža koristi uskopojasni mikrotalasni frekvencijski opseg za prenos signala. Do skoro su za sve mreže ovog tipa bile potrebne dozvole. Mreže su iste konfiguracije kao i LAN mreže koje koriste prošireni spektar.

7. ZigBee PROTOKOL ZA BEŽIČNE SENZORSKE MREŽE

7.1 Uvod

Bežične senzorske mreže WSN su mreže budućnosti, a i sadašnjosti. Osnovna uloga im je u procesiranju informacije dobijene iz fizičkog domena našeg okruženja. Za razliku od WLAN (Wireless Local Area Network) mreža najčešće ne zahtevaju dodatnu infrastrukturu i predstavljaju jevtino i energetski efikasno rešenje problema prenosa informacija u embedded sistemima s kojima se danas srećemo ili ćemo se susretati u bliskoj budućnosti. Svaka WSN mreža sastoji se od mogućeg velikog broja čvorova, tj. uređaja zaduženih za različita fizička merenja u svom okruženju. Očitavanja sa senzora koja čvorovi obavljaju se zatim prenose bežičnim putem i dostavljaju centralnom aplikativnom sistemu koji donosi dalje odluke. Ograničavajući faktori razvoja bežičnih senzorskih mreža su svakako energetski, ali i procesiranje informacija i njihov zapis (storage). Senzorskim čvorovima u većini primena neophodno je obezbediti autonomno napajanje dugog veka trajanja što je moguće postići poboljšavanjem karakteristika baterijskih izvora kao i minijaturizacijom komponenti i modovima rada sa smanjenom potrošnjom.

Glavne današnje primene su za prevenciju i otklanjanje posledica elementarnih nepogoda, kontrole okoline, izgradnju inteligentnih zgrada, sigurnosnih sistema, za nadgledanje rada mašina, u medicini itd. Pri tome se iz spoljašnje okoline kao ulazni parametri koriste, temperature, vlažnost, vidljiva i infracrvena svetlost, zvuk, vibracije, pritisak, hemijske i mehaničke promene, elektromagnetno polje itd.

Standard IEEE 802.15.4 – 2003 definiše fizički sloj – PHY i MAC podsloj sloja podataka u OSI referentnom modelu bežičnih senzorskih mreža. Ubrzo po donošenju

61/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoristandard IEEE 802.15 grupe 4 čime je definisan fizički i MAC sloj bežičnih mreža malih protoka – LR-WPAN (Low Rate - Wireless Personal Area Network) osnovana je ZigBee Alliance grupa od strane osam vodećih kompanija u ovoj oblasti čiji zadatak je bio da standard prilagodi korisniku i zahtevima tržišta. Samim tim ZigBee standard se nadovezuje na standard IEEE 802.15.4 i definiše perostale slojeve steak do sloja aplikacije.

7.2 ZigBee mreže

Osnovne uloge fizičkog sloja su: aktivacija i deaktivacija radio primo-predajnika, detekcija energije unutar trenutno aktivnog kanala, indikacija kvaliteta veze za primljene pakete, pristup slobodnom kanalu radi CSMA-CA (Carrier Sence Multiple Access with Collision Avoidance) algoritma, selekcija frekvencije kanala, slanje i primanje podataka. Predviđen je rad u tri opsega – 868 MHz, 915 MHz i 2.45 GHz. Najviše korišćen opseg je 2.45 GHz (ISM – Industrial Scientific Medical) koji se koristi i u drugim lokalnim personalnim bežičnim mrežama, kao što je npr. Bluetooth. U ovom opsegu koristi se kvaziortogonalna modulacija, pri čemu se 4 bita po simbolu koriste za izbor jedne od 16 približno ortogonalnih pseudoslučajnih sekvenci za prenos. Dobijena sekvenca čipa se zatim moduliše na nosilac korišćenjem O-QPSK modulacije.

MAC (Medium Access Control) podsloj je zadužen za pristup fizičkom radio kanalu I obavlja sledeće zadatke: generisanje beacon ramova ako je uređaj koordinator, sinhronizacija na beacon ramove, podrška PAN (Personal Area Network) asocijaciji I deasocijaciji, podrška sigurnosti uređaja, implementacije CSMA-CA mehanizma za pristup kanalu, realizacija i održavanje mehanizma garantivanih vremenskih slotova, realizacija sigurnog linka između dva MAC entiteta.

ZigBee mreže često primenjuju superfrejm strukture. Format superfrejma je definisan od strane koordinatora mreže. Podeljen je u 16 jednakih vremenskih slotova. Osnovna karakteristika superfrejma je beacon ram koji se prenosi u prvom vremenskom slotu svakog superfrejma i na taj način ga ograničava. Beacon ramovi se koriste za sinhronizaciju povezanih uređaja, za identifikaciju PAN mreže i za opisivanje strukture superfrejma. Svaki uređaj koji želi da komunicira u mreži može to uraditi u vremenskom periodu između dva beacon rama – CAP (Contention Access Period).

Na nivou sloja mreže, ZigBee standard definiše tri grupe uređaja – čvorova. ZigBee krajnji uređaj može biti bilo RFD (Reduced Function Device) ili FFD (Full Function Device) senzorski čvor. Drugoj grupi pripadaju ZigBee ruteri sa funkcijom rutiranja saobraćaja u mreži, a treći tip uređaja je coordinator koji može biti samo jedan u celoj ZigBee mreži. I ruteri i koordinatori moraju biti FFD uređaji. Pored zvezdaste topologije, ZigBee sloj mreže podržava i dosta kompleksnije topologije kao što su drvo, žbun (tree, mesh).

Formiranje mreže se umnogome razlikuje zavisno od korišćene topologije. U zvezda topologiji, po uključenju, jedan od FFD uređaja može postati PAN koordinator i formirati svoju mrežu. Sve zvezda mreže rade nezavisno od ostalih zvezda mreža u njihovoj blizini. Svaka mreža se karakteriše svojim PAN brojem koji ne sme biti korišćen u susednim mrežama u radio dometu. Po izboru PAN broja koordinator dozvoljava priključenje ostalih RFD i FFD uređaja svojoj mreži. U Peer-to-peer topologiji svaki uređaj može da komunicira sa bilo kojim uređajem u dometu. Jedan od uređaja se proglašava PAN koordinatorom, npr. prvi uređaj koji započne komunikaciju u kanalu.

Mehanizam pristupa kanalu je CSMA-CA mehanizam pri čemu se u LR-WPAN mrežama koriste dva različita algoritma. U mrežama koji ne koriste beacon remove primenjuje se CSMA-CA algoritam bez određenih vremenskih slotova. Uređaji u mrežama pokušavaju da pristupe medijumu nakon proizvoljnog vremena čekanja. Ukoliko je medijum slobodan, uređaj šalje podatke, a ukoliko medijum nije slobodan

62/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriuređaj mora da čeka slučajan vremenski interval nakon koga će ponovo pokušati da pristupi medijumu. Ramovi potvrde šalju se direktno bez primene CSMA-CA algoritma.

U mrežama koje koriste beacon ramove, vremenski intervali čekanja i pokušaja pristupa medijumu su određeni i sinhronizovani putem beacon ramova. Ukoliko nema garantovani vremenski slot, uređaj pokušava da pristupi kanalu u vremenskom slotu u okviru CAP intervala superfrejma. Ukoliko slot bude zauzet uređaj čeka proizvoljan broj slotova nakon čega opet pokušava pristup medijumu a ako je medijum Slobodan uređaj započinje komunikaciju. Ramovi potvrde i beacon ramovi šalju se bez primene mehanizma CSMA-CA.

Jedan od primera korišćenja Peer-to-peer topologije je cluster-tree forma mreže. Ona predstavlja specijalan slučaj u kome su skoro svi uređaji FFD. RFD čvorovi se mogu povezati samo na krajnjim čvorovima (krajevima grana) iz razloga što ovi uređaji mogu biti povezani samo sa jednim FFD čvorom. Pojedini FFD čvorovi preuzimaju ulogu koordinatora i omogućuju sinhronizaciju u komunikaciji ostalim čvorovima u tom delu mreže – klasteru. U celoj mreži samo jedan od ovih koordinatora može biti PAN koordinator, koji najčešće poseduje veće mogućnosti procesiranja radi boljeg funkcionisanja mreže. PAN koordinator formira prvi klaster proglašavanjem samog sebe za koordinatora – CLH (Cluster Header) sa CID (Cluster Identification) identifikatorom jednakim nula. Zatim počinje sa emitovanjem beacon ramova susednim čvorovima. Čvorovi kojima stižu beacon ramovi mogu zatražiti priključivanje klasteru. Ukoliko čvor dobije dozvolu za priključenje, PAN 63oordinator dodaje ovaj čvor u listu uređaja u mreži. Novopridruženi čvor može zatim I sam da počne da emituje beacon ramove I da priključuje nove uređaje, koji nisu bili u domenu PAN koordinatora, u mrežu u klasteru koji sam formira.

Fizički sloj, MAC podsloj I sloj mreže pružaju standardizovan osnovu za rad ZigBee mreža. Funkcionisanje viših slojeva u ZigBee bežičnim senzorskim mrežama, nemoguće je objasniti jednodimenziono kao što je to slučaj u OSI modelu. Oni predstavljaju osnovu za aplikativni sloj I razne aplikacije za koje se ove mreže primenjuju. Višeslojni model ZigBee mreža prikazan je na slici 7.1.

Slika 7.1. Model ZigBee mreža

Svaka ZigBee aplikacija sastoji se od skupa aplikacionih objekata APO (Application Object) koji se nalaze na čvorovima širom mreže. Svaki APO objekta predstavlja deo softvera koji kontroliše hardverske delove na uređajima. Svakom ovom objektu dodeljen je i odgovarajući broj koji drugi objekti u mreži koriste kao dodatak adresi čvora sa kojim komuniciraju. ZDO (ZigBee Device Object) je specijalni objekat koji pruža servis aplikacijskim objektima. Omogućava im pronalaženje odgovarajućih uređaja u mreži, kao i realizaciju njihovih servisa. Aplikacijski podsloj omogućava transfer

63/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoripodataka za APO i ZDO objekte. Svaka ZigBee aplikacija mora biti usklađena sa aplikacijskim profilom podržanim od strane ZigBee Alliance grupe. Aplikacijski profil definiše poruke, formate I protokole za komunikaciju između dva APO objekata čime se formira distribuirana aplikacija. Ovaj profil može se iskoristiti kao osnova za nove programere da nezavisno grade, unapređuju i prodaju kompatibilne ZigBee uređaje. Svaki aplikacijski objekat uključuje skup atrubuta i omogućava servise za podešavanje i primanje vrednosti atrubuta, ili biva obavešten o promeni odgovarajućeg atributa. Skup atributa slične funkcije označava se kao klaster i može biti i numerisan. Tipičan klaster može biti skup atributa jednog APO objekta koji služi kao interfejs u komunikaciji sa drugim APO objektima u mreži.

8. BEŽIČNI ETHERNET – IEEE STANDARD 802.11

Početna verzija standarda IEEE 802.11 je formirana sredinom 1997., tako što je za rad bežičnih Ethernet sistema određena radna frekvencija od 2,4 GHz i dve brzine prenosa podataka, od 1 i 2 Mbps (miliona bita u sekundi).

Ponuđene su i dve tehnologije prenosa radio signala: FHSS i DSSS. FH označava Frequency Hopping (skakanje po frekvencijama), a DS Direct Sequence (niz skokova), dok SS na kraju ovih skraćenica označava Spread Spectrum, tehnologiju prenosa signala sa ispod nivoa šuma (razmazani spektar). Ubrzo po definisanju standarda oformljene su brojne radne grupe:

grupa "A" je zadužena za unapređenje inicijalnog standarda i rad u 5 GHz opsegu,

"B" za izradu bržeg DSSS prenosa na 2,4 GHz. 802.11a je propisao prenos podataka brzinama od 6 do 54 Mbps, a 802.11b je inicijalni standard pomerio sa 1, na 5,5 i 11 Mbps.

"D" grupa radi na harmonizaciji međunarodnih pravilinika o slobodnim radio frekvencijama,

"E" obaduje kvalitet servisa (QoS), grupa "F" razraduje podršku za roming, a "G" rad na 54 Mbps za zahtevne 802.11b korisnike...

8.1 WECA

Širenje podrške 802.11b standardu ubrzo je dovelo do postavljanja pitanja kompatibilnosti opreme brojnih proizvođača, zbog čega je formirano udruženje pod nazivom "Wireless Ethernet Compatibility Alliance" - WECA. WECA je formirala test program za sertifikaciju opreme pod 802.11b standardom i svoj garantni znak je potpisala Wi-Fi oznakom.

OD ČEGA SE SASTOJI JEDAN BEŽIČNI SISTEM?

Za formiranje bežične LAN mreže potrebni su nam sledeci elementi:

Radio kartica - umesto standardnih LAN karti ili modema, Access Point uređaji - (u prevodu: pristupna tačka) umesto Dail In servera ili

Ethernet habova,

Postojeća LAN mreža - koju ćemo proširiti bežičnim sistemom i pomoću koje ćemo pristupiti serverima i Internet-u.

Tipično rastojanje koje se ovakvim uređajima pokriva je od 50 do 100m zatvorenog prostora.

64/71


8.2 Tipovi ACCESS POINT uređaja

Access Point uređaji se proizvode kao: Bridž - Bridž transparentno povezuje bežičnu i LAN mrežu. NAT ruter - NAT ruter prevodi saobraćaj sa bežicne mreže na LAN mrežu, ali ne i

u obrnutom smeru i obično se koristi za bežični pristup Internet-u.NAT je skraćenica za Network Address Translation - tehniku zaštite i "skrivanja" podmreže.

NAT ruter + bridž - Ova vrsta uređaja bridžem spaja bežičnu i LAN i zatim ih ruterom povezuje sa Internet-om pomoću jedne IP adrese. Ovi uređaji najčešce imaju ugrađen Cable ili DSL modem.

8.3 Ingrastrukturni i AD HOC režimi rada

Većina bežičnih LAN-ova rade u takozvanom "infrastrukturnom" režimu koji zahteva postojanje centralnih tačaka - Access Point-a. U ovakvoj organizaciji Access Point uređaj obezbeđuje vezu sa LAN mrežom i tako povezuju bežične korisnike sa serverima i Internet aplikacijama. Dodatna mogućnost predviđena 802.11 standardom je "Ad Hoc" režim, u kome radio kartice rade nezavisno od centralnog kontrolera (Peer-to-peer). Korisnici portabl računara su tako u mogućnosti da razmene datoteke, ili oforme radnu grupu bez ikakvih instaliranih kablova i druge komplikovane mrežne opreme. Sistemi u Ad Hoc režimu su time veoma interesantni za razne ekipe i hitne službe koje se bore protiv prirodnih (i drugih) katastrofa i nemaju ni vremena, ni uslova da razvuku kablove i postave standardnu računarsku opremu.

8.4 Domet

802.11 uređaji tipično pokrivaju rastojanja od oko 100m zatvorenog prostora, sa standardnim neusmerenim antenama. Veća rastojanja se pokrivaju sa više Access Point uređaja, ili primenom antenna sa većim pojačanjem (usmerene antene). Suština problema dometa bežicnih uređaja je u slabljenju signala pri prolasku kroz vazduh i prepreke. Za izradu dobrog bežicnog sistema potrebno je dobro poznavanje uzroka slabljenja signala. Borba sa slabljenjem počinje pri planiranju pozicija za Access Point uređaje tokom kljucne faze planiranja instalacije: Radio frekventne analize lokacije.

Gipsani zid 3 dBStakleni zid sa metalnim ramom 6 dBZid od cigle ili bloka 4 dBKancelarijski prozor 3 dBMetalna vrata 6 dBMetalna vrata u zidu od cigle 12.4 dB

U tabeli su data slabljenja u decibelima (db) za najčešće "prepreke" radio signalu u kancelarijama. 3 db slabljenja znači da je od signala koji je do gipsanog zida došao sa na primer 50 mW snage, po prolasku kroz zid preostalo upola manje, tj. 25 mW. Tri gipsana zida unose slabljenje od 9 db, itd. Proračun slabljenja u zatvorenim prostorima je veoma komplikovan, ali se može očekivati oko 100 db slabljenja na rastojanju od 60 m za 802.11b uređaje na 11 Mbps. 100 db je otprilike ukupno slabljenje koje 802.11b uređaji mogu da izdrže.

65/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriUspostavljanje veze u otvorenom prostoru je složen zadatak. Jedan od osnovnih uslova za funkcionisanje sistema je da tzv. Frenelova zona bude čista. Iako je 802.11 signal veoma visoke frekvencije, elektromagnetni talas "deblja" na svom putu, tako da na 10 km dostiže poluprečnik od desetine metara. Osim ovoga na većim rastojanjima treba računati i na efekte zakrivljenje Zemlje, kao i na druge geometrijske i fizicke fenomene.

8.5 802.11 kanali i frekvencije

Komunikacija između 802.11 radio kartice i Access Point-a se obavlja preko zajedničke radio frekvencije. Na Access Point uređaju se izabere radni kanal, a radio kartica se samo automatski podešava na frekvenciju Access Pointa sa najjačim signalom. Da bi se obezbedila podrška za roming (kretanje korisnika) radio kartica periodično skenira sve Access Point-e i povezuje se onim koji ima najjači signal. Zbog ovoga je potrebno da se susedni Access Point uređaji podese na frekvencije koje imaju najmanje preklapanje spektra. Standard 802.11b definiše ukupno 14 frekvencija (ili kanala) unutar ISM opsega na 2,4 GHz. (ISM je skraćenica za Industry, Scientific & Medical opseg radio frekvencija koji se koristi bez licence - drugim rečima, slobodno.)

U Americi su dozvoljeni kanali od 1 do 11, u većem delu Evrope kanali od 1 do 13, a u Japanu samo jedan kanal – kanal 14. Priča o 802.11b kanalima nije jednostavna, jer se radi o signalima koji zauzimaju oko 30 MHz spectra, dok su pri tome pojedini kanali razmaknuti samo 5 MHz.

Kanal 1 = 2.412 GHz Kanal 2 = 2.417 GHz Kanal 3 = 2.422 GHz Kanal 4 = 2.427 GHz Kanal 5 = 2.432 GHz Kanal 6 = 2.437 GHz …

8.6 Sigurnost i brzina prenosa

Bilo koji mrežni adapter koji primi signal drugog 802.11b adaptera ili Access Point-a može da se istog trenutka pridruži mreži – osim ako nije uključen sigurnosni WEP prtokol. WEP je skraćenica za Wireless Encrypton Protocol i dovoljna je zaštitu za većinu sistema, osim onih koji traže izuzetno visok stepen zaštite. Ključevi za kriptografsku zaštitu su dužine 40, 64 i 128 bita i za ispravan rad - svi čvorovi mreže trebaju da koriste istu dužinu ključeva.

8.7 Realna brzina

Sa punim signalom 802.11b uređaji daju 3,5 - 4,5 Mbps sa isključenom WEP enkripcijom. Razlog je u Half-Duplex režimu rada (u jednom trenutku uređaj ili šalje ili prima). Pri ovome treba voditi računa da zidovi i druge prepreke slabe signal, što dovodi do daljeg pada brzine prenosa. Standard 802.11g omogućava brzinu prenosa od 54Mbps, pri čemu se u realnim okruženjima najveće brzine postižu na rastojanjima od 20-30m.

66/71


9. ZAKLJUČAK

Šta nam donosi budućnost?

Težnja ka prevazilaženju velikih udaljenosti dovela je razvoja WiMAX tehnologije i IEEE 802.16 standarda, čime je omogućeno efikasno kreiranje WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) mreža velikog dometa reda nekoliko desetina kilometara. Očekivana integracija WMAN i GSM mreža u skoroj budućnosti će omogućiti brz Internet doslovce u svakoj tački sveta, kao i ujedinjenje telefonskih i multimedijalnih servisa.

Na malim destinacijama pak teži se što većem protoku podataka, u čemu po najavama prednjače UWB (Ultra Wideband) tehnologije bazirane na ogromnom broju paketa poslatih kroz vrlo širok frekventni opseg u određenom ritmu. Karakteristike koje, pored velikog protoka, uključuju prolazak kroz gotovo sve prepreke, nizak nivo smetnji i malu potrošnju energije, kao i mogućnost bliskog lociranja uređaja na malim razdaljinama, obećavaju široku primenu.

MANet (Mobile Ad-hoc Networks) i Mash topologija uvode bežične sisteme bez pristupnih tačaka (Access Point), u kojima je svaki korisnik zapravo čini čvor mreže, imajući i ulogu prenosnika signala ka drugim korisnicima. Razni senzorski sistemi već se uveliko baziraju na ovim tehnologijama, a u kombinaciji sa poznatim RF tagovima mogu, na primer, magacine načiniti potpuno autimatizovanim...

Malo li je za početak trećeg milenijuma?

67/71


10. REČNIK W-lan termina

802.11Grupa bežičnih mrežnih standarda, poznatih i pod nazivom Wi-Fi, koje uspostavlja Institute of Electrical and Electronic Engineers,

IEEE (udruženje inženjera elektronike i elektrotehnike).

802.11aIEEE standard za bežičnu mrežu koja operiše na 5 GHz brzinom do 54Mbps.

802.11bIEEE standard za bežičnu mrežu koja operiše na 2,4 GHz brzinom do 11Mbps.

802.11dIEEE specifikacija koja dopušta konfiguracione izmene na nivou sloja Media Access Control, MAC (sloj kontrole pristupa mediju) kako bi došlo do prilagođavanje pravilima države u kojoj će se mreža koristiti.

802.11eIEEE standard koji dodaje osobinu Quality of Service, QoS (kvalitet usluge) i multimedijalnu podršku postojećim 802.11b, 802.11g i

802.11a bežičnim mrežama.

802.11gIEEE standard za bežičnu mrežu koja operiše na 2,4 GHz Wi-Fi brzinom do 54Mbps.

802.11h802.11h podržava Dynamic Frequency Selection, DFS (izbor dinamickih frekvencija) i Transmit Power Control, TPC (kontrola predajne snage) zahteve kako bi se osigurala koegzistencija između Wi-Fi i ostalih vrsta uređaja koji koriste radio frekvencije u 5 GHz opsegu.

802.11iIEEE standard koji određuje zaštitne mehanizme za 802.11 mreže. Standard 802.11i koristi Advanced Encryption Standard, AES (unapređeni standard šifrovanja) šifrovanje bloka. Ovaj standard takođe obuhvata poboljšanja u upravljanju kjučem.

802.11jIEEE specifikacija za bežične mreže koji inkorporira japanske propise u vezi izlazne snage bežicnih predajnika, operacionih režima, rasporeda kanala i nivoa emisije.

802.11nGrupa zadataka IEEE 802.11 odbora čiji je cilj definisanje standarda za velike propusne brzine od najmanje 100Mbps u bežičnim mrežama. Neki od predloga ovog budućeg standarda su i dizajni za 540Mbps. Očekuje se da ce tehnologija Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO (više ulaza-više izlaza), upotrebom više prijemnika i više predajnika i na klijentskoj i na pristupnoj tački kako bi se

postigle bolje performanse, predstavljati osnovu konačne specifikacije. APAccess point (pristupna tačka). Uređaj koji povezuje bežične uređaje sa drugom mrežom. To može biti bežični LAN, Internet modem, itd.

Most(bridge)Bežicni uređaj koji povezuje više mreža.

Širokopojasni modem (broadband modem) Uredaj koji povezuje lokalni računar ili mrežu sa brzim Internet servisom, kao što je DSL ili kablovski Internet.

Klijent (client)Svaki računar povezan sa mrežom koji traži fajlove i servise (fajlovi, mogucnost štampanja) od servera ili drugih uređaja u mreži. Ovaj termin se takođe odnosi na krajnje korisnike.

Izbegavanje kolizije (collision avoidance)Sredstvo proaktivne detekcije da li čvor u Ethernet mreži može da prenosi signal bez rizika da ce doći u koliziju sa ostalim saobraćajem na mreži. (Vidite CSMA/CA, CSMA/CD).

CSMA/CACarrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (višestruki pristup sa osluškivanjem nosioca i izbegavanjem kolizija). Strategija za kontrolu pristupa medijima koja se koristi u 802.11 mrežama da bi se izbegla kolizija podataka. To je metoda “osluškivanja pre razgovora” (listen before talk) za minimalizovanje kolizije. Mrežni čvor proverava da li je transmisioni kanal čist pre nego što se pošalje paket podataka.

Ethernet

68/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzoriNajpopularnija međunarodna standardna tehnologija za žičane lokalne mreže (Local Area Network, LAN). Ova tehnologija omogućava brzine prenosa od 10 Mbps na osnovnim 10BaseT Ethernet mrežama do 100 Mbps na brzim Ethernet mrežama, 1000 Mbps na Gigabit Ethernet i 10000 Mbps na 10 Gigabit Ethernet mrežama.

Mrežni prolaz (gateway)U bežicnom svetu, mrežni prolaz je pristupna tačka sa dodatnim softverskim mogućnostima, kao što su pružanje NAT i DHCP. Mrežni prolazi mogu takođe da pružaju VPN podršku, roaming, zaštitne zidove, različite nivoe zaštite, itd.

GPRSGeneral Packet Radio Service (globalni sistem paketnpg radio prenosa). Sistem koji koristi satelite, prijemnike i softvere kako bi omogućio korisnicima da precizno odrede svoju geografsku poziciju.

GSMGroupe Speciale Mobile ili Global System for Mobile Communications (globalni sistem za mobilnu komunikaciju). 2G digitalni standard za komunikaciju mobilnih telefona koji su usvojile mnoge zemlje širom sveta. Frekvencijski opseg je između 900 i 1800 MHz.

IEEEInstitute of Electrical and Electronic Engineers (udruženje inženjera elektronike i elektrotehnike). Globalno tehničko profesionalno udruženje i organizacija za postavljanje standarda koja služi javnim interesima i svojim članovima iz oblasti elektronike, elektrotehnike, informatike i drugih tehnologija.

ISDNIntegrated Digital Services Network (digitalna mreža sa integrisanim uslugama) - servis koji pruža većina telefonskih kompanija, a to je brzi digitalni servis za prenos glasa i podataka preko običnih telefonskih linija. ISDN koristi standardne POTS bakarne žice za prenos glasa, podataka ili videa.

ISO mrežni model (ISO network model)Model koji je razvila međunarodna organizacija za standarde (International Standards Organization, ISO), a koji definiše sedam nivoa, ili slojeva, u mreži. Po standardizaciji, ovi slojevi i interfejsi koji ih povezuju, odnosno različiti delovi datog protokola se mogu modifikovati ili menjati kako tehnologije napreduju ili se sistemski zahtevi menjaju. Tih sedam slojeva, počevši od najnižeg sloja su: fizički sloj, sloj veze između podataka, mrežni sloj, transportni sloj, sloj sesije, sloj prezentacije i aplikacioni sloj. IEEE 802.11 standard obuhvata fizički sloj (PHY) i niži deo sloja veze između podataka, koji se često naziva podsloj kontrole pristupa mediju (Media Access Control, MAC).

LANSistem povezanih računara i drugih uređaja unutar istog fizičkog okruženja radi deljenja resursa kakvi su Internet konekcije, štampači, fajlovi i diskovi. Kada se za povezivanje uređaja koristi Wi-Fi, sistem se naziva bežični LAN ili WLAN.

MAC adresaMedia Access Control adress (adresa kontrole pristupa mediju). Jedinstveni hardverski broj koji identifikuje svaki uređaj u mreži. Taj uređaj može da bude računar, štampač, itd.

Složena mreža (mesh network)Komunikaciona mreža sa najmanje dve putanje do svakog čvora. Kada se svaki čvor poveže sa svakim čvorom, za mrežu se kaže da je potpuno složena. Kada se povežu samo neki od čvorova, potrebna je komutacija da bi se napravile sve konekcije, a za mrežu se kaže da je delimično složena, ili delimično povezana.

MIMOMultiple-Input-Multiple-Output (više ulaza-više izlaza). Napredna tehnologija obrade signala koja koristi više prijemnika i više predajnika i na klijentskoj i na pristupnoj tacki kako bi se postigla brzina propuštanja podataka od 100Mbps.

Mreža ravnopravnih računara (peer-to-peer network)Bežična ili žičana računarska mreža koja nema server, niti centralni razvodni uređaj ili ruter. Svi umreženi računari imaju jednaku mogućnost da se ponašaju kao mrežni server ili klijent, a svaki klijentski računar može da komunicira sa svim ostalim bežičnim računarima bez potrebe da to obavlja preko pristupne tačke ili razvodnog uređaja. Međutim, pošto ne postoji centralna bazna stanica da nadgleda mrežni saobraćaj ili da pruža pristup Internetu, može da dođe do međusobnog ometanja signala, što smanjuje ukupne performanse mreže.PHYFizički, ili najniži sloj OSI mrežnog modela. U bežičnoj mreži, PHY definiše parametre kao što su brzina prenosa podataka, metoda modulacije, parametri signaliziranja, sinhronizovanje predajnika/prijemnika, itd. U stvarnoj radio implementaciji, PHY odgovara prednjem kraju radia i sekcijama obrade osnovnog opsega signala.

Ruter (router)Bežčni ruter je uređaj koji prihvata konekcije od bežičnih uređaja u mreži, a obuhvata zaštitni zid mreže radi bezbednosti i nudi adrese lokalne mreže.

TCP/IPOsnovna tehnologija Internet komunikacije. Dok IP upravlja stvarnom isporukom podataka, TCP prati pakete podataka radi efikasnog prenosa poruke kroz Internet. Svaki računar u TCP/IP mreži ima sopstvenu IP adresu koja je ili dinamicki dodeljena na početku ili trajno dodeljena kao statična adresa. Sve TCP/IP poruke sadrže adresu odredišne mreže, kao i adresu odredišne stanice. To omogućava da se TCP/IP poruke prenose do više mreža (podmreža) unutar jedne organizacije ili širom sveta. Na primer, kada korisnik preuzme web stranicu, TCP na web serveru deli fajl stranice na pakete, numeriše te pakete i pojedinačno ih prosleđuje na

69/71

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorikorisnikovu IP adresu. Paketi mogu da se prenose različitim putanjama pre nego što dođu na odgovarajuću adresu. Na odredištu, TCP sakuplja pojedinačne pakete, čekajuci da svi stignu da bi ih predstavio kao jedan fajl.

WANWide Area Network, WLAN (mreža širokog područja). Mreža za komunikaciju podataka koja pokriva velike lokalne, regionalne, nacionalne ili međunarodne oblasti i obično se nalazi u ponudi javnih dobavljaca telekomunikacionih usluga (kao što su telefonske kompanije). Ovaj termin se koristi da bi se napravila razlika između mreža podataka zasnovanih na telefonskim linijama i Wi-Fi mreža. Za telefonske mreže se koristi termin WAN, a za Wi-Fi mreže se koristi termin Wireless Local Area Network (bežična lokalna mreža).

WLANWireless Local Area Network (bežična lokalna mreža). Vrsta lokalne mreže u kojoj se podaci šalju i primaju preko radio talasa visoke frekvencije umesto preko kablova i žica.

WMANWireless Metropolitan Area Network (bežična gradska mreža). Bežična mreža koja može da se uporedi sa mrežom mobilne telefonije, gde korisnici iz gradske oblasti mogu besplatno da pristupaju Internetu. WiMAX tehnologija predstavlja osnovu za WMAN mreže.

WPANWireless Personal Area Network (bežična personalna mreža). Mreža koja bežično povezuje personalne uređaje koji se nalaze u prečniku od 30 stopa, na primer u kancelariji ili sobi. WPAN tehnologije obuhvataju Bluetooth i druge tehnologije definsane standardom IEEE 802.15. Specifikacije uređaja obuhvataju malu brzinu prenosa podataka (250 kbps, 40 kbps i 20 kbps) i životni vek baterije od više meseci do više godina, i obuhvataju uređaje poput palica za igru (joy stick) i interaktivnih igračaka. WPAN uređaji rade u nelicenciranim međunarodnim frekvencijskim područjima i mogu direktno da komuniciraju jedni sa drugima.

11. LITERATURA – WEB STRANICE

http://mrzs.org/viewtopic.php?p=7275#p7275 http://www.epraktikum.iz.rs/projekti/termopar01/termopar01.php

70/71

http://www.epraktikum.iz.rs/projekti/termopar01/termopar01.php

http://mrzs.org/viewtopic.php?p=7275#p7275

Mehatronika Wireless mreže i wireless senzorihttp://es.elfak.ni.ac.rs/ http://es.elfak.ni.ac.rs/rmif/predavanja.htm http://es.elfak.ni.ac.rs/das/Materijal/DAS.pdf http://es.elfak.ni.ac.rs/iw/predavanja.htm http://es.elfak.ni.ac.rs/tkon/predavanja.htm http://es.elfak.ni.ac.rs/rts/predavanja.htm

71/71

http://es.elfak.ni.ac.rs/rts/predavanja.htm

http://es.elfak.ni.ac.rs/tkon/predavanja.htm

http://es.elfak.ni.ac.rs/iw/predavanja.htm

http://es.elfak.ni.ac.rs/das/Materijal/DAS.pdf

http://es.elfak.ni.ac.rs/rmif/predavanja.htm

http://es.elfak.ni.ac.rs/

wireless senzori

Documents

drugih sistema

wireless senzori u mu

kontroler u

u cilindru

u tehnikom sistemu se

mehatronika wireless

wireless senzori slika

je veoma jednostavan