センサーノード

センサーノード(北米ではモートとも呼ばれます) は、ネットワーク内の接続された他のノードとの間で情報の収集、処理、通信などの必要なアクションを実行できるセンサー ネットワークの個々のノードで構成されます。

無線センサーネットワークは数十年前から存在し、地震測定や戦争など多様な用途に使用されていますが、小型センサーノードの現代的な開発は、1998年のSmartdustプロジェクト[1]とNASAにまで遡ります。センサーウェブ^[ 2 ] ^Smartdustプロジェクトの目的の1つは、 1立方ミリメートルの空間内での自律的なセンシングと通信を実現することでしたが、このプロジェクトは早期に終了しましたが、バークレーNEST ^[3] やCENS ^[4]などの多くの研究プロジェクトと主要な研究センターにつながりました。これらのプロジェクトに関わった研究者は、センサーノードを指すために「モート」という用語を作り出した。NASAセンサーウェブプロジェクトでは、物理センサーノードはポッドと同義ですが、センサーウェブ内のセンサーノードは別のセンサーウェブ自体である可能性があります。物理センサーノードは、ムーアの法則と連動して、その有効性と機能を向上させることができました。チップフットプリントには、より複雑で低電力のマイクロコントローラーが含まれています。したがって、同じノードフットプリントで、より多くのシリコン機能を詰め込むことができます。現在、モートは、最長の無線範囲（数十km）、最低のエネルギー消費（数uA）、そしてユーザーにとって最も簡単な開発プロセスを提供することに重点を置いています。^[5]

センサー ノードの主なコンポーネントには、通常、マイクロ コントローラ、トランシーバー、外部メモリ、電源、および 1 つ以上のセンサーが含まれます。

センサーは、ワイヤレス センサー ノードによって環境からデータを取得するために使用されます。センサーは、温度や圧力などの物理的条件の変化に対して測定可能な応答を生成するハードウェア デバイスです。センサーは、監視対象のパラメータの物理データを測定し、精度、感度などの特定の特性を備えています。センサーによって生成される継続的なアナログ信号は、アナログ/デジタル コンバーターによってデジタル化され、コントローラに送信されてさらに処理されます。一部のセンサーには、生の信号をデジタル リンク (I2C、SPI など) 経由で取得できる読み取り値に変換するために必要な電子機器が含まれており、多くは °C などの単位に変換します。ほとんどのセンサー ノードは小型で、エネルギー消費が少なく、高容積密度で動作し、自律的で無人で動作し、環境に適応します。ワイヤレス センサー ノードは通常、非常に小型の電子デバイスであるため、0.5 ～ 2 アンペア時および 1.2 ～ 3.7 ボルト未満の限られた電源しか装備できません。

センサーは、パッシブ全方向センサー、パッシブ狭ビーム センサー、アクティブ センサーの 3 つのカテゴリに分類されます。パッシブ センサーは、アクティブ プローブによって実際に環境を操作することなくデータを感知します。パッシブ センサーは自己電源式で、アナログ信号を増幅するためにのみエネルギーが必要です。アクティブ センサーは、ソナー センサーやレーダー センサーのように環境をアクティブにプローブし、電源から継続的にエネルギーを必要とします。狭ビーム センサーには、カメラと同様に、測定方向の概念が明確に定義されています。全方向センサーには、測定に関係する方向の概念はありません。

WSN に関する理論研究のほとんどは、受動的な全方向センサーの使用を想定しています。各センサー ノードには、観測している特定の量を確実かつ正確に報告できる特定のカバー範囲があります。センサーの電力消費源には、信号サンプリング、物理信号から電気信号への変換、信号調整、アナログからデジタルへの変換などがあります。フィールド内のセンサー ノードの空間密度は、1 立方メートルあたり 20 ノードにも達することがあります。

コントローラはタスクを実行し、データを処理し、センサーノード内の他のコンポーネントの機能を制御します。最も一般的なコントローラはマイクロコントローラですが、コントローラとして使用できる他の代替手段には、汎用デスクトップマイクロ プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、FPGA、およびASICがあります。マイクロコントローラは、低コスト、他のデバイス（またはネットワーク内のノード）への接続の柔軟性、プログラミングの容易さ、および低消費電力のため、多くのセンサーノードでよく使用されます。汎用マイクロプロセッサは一般にマイクロコントローラよりも消費電力が高いため、センサーノードには適していません。^{[要出典]デジタル信号プロセッサは、ブロードバンド}無線通信アプリケーション に選択される場合がありますが、ワイヤレスセンサーネットワークでは、無線通信は控えめであることが多いです。つまり、より単純で、変調を処理しやすく、実際のデータ感知の信号処理タスクはそれほど複雑ではありません。したがって、DSPの利点は通常、ワイヤレスセンサーノードにとってそれほど重要ではありません。FPGAは要件に応じて再プログラムおよび再構成できますが、これには必要以上に時間とエネルギーがかかります。^[要出典]

トランシーバー

センサーノードは、多くの場合、無料の無線、スペクトル割り当て、および世界的な可用性を提供するISM バンドを使用します。ワイヤレス伝送メディアの選択肢は、無線周波数(RF)、光通信(レーザー)、および赤外線です。レーザーは必要なエネルギーが少なくて済みますが、通信には見通し線が必要であり、大気の条件に敏感です。赤外線は、レーザーと同様にアンテナを必要としませんが、ブロードキャスト容量には制限があります。無線周波数ベースの通信は、ほとんどの WSN アプリケーションに適合する最も適切な方法です。WSN は、ライセンスフリーの通信周波数 (173、433、868、および 915 MHz、および 2.4 GHz ) を使用する傾向があります。送信機と受信機の両方の機能が、トランシーバーと呼ばれる単一のデバイスに結合されています。トランシーバーには、多くの場合、一意の識別子がありません。動作状態は、送信、受信、アイドル、およびスリープです。現在の世代のトランシーバーには、一部の操作を自動的に実行するステートマシンが組み込まれています。

アイドルモードで動作するトランシーバーのほとんどは、受信モードで消費される電力とほぼ同じ電力を消費します。^[6]したがって、送信または受信していないときは、トランシーバーをアイドルモードのままにしておくよりも、完全にシャットダウンする方がよいでしょう。パケットを送信するためにスリープモードから送信モードに切り替えると、かなりの量の電力が消費されます。

エネルギーの観点から、最も関連性の高いメモリの種類は、マイクロコントローラのオンチップ メモリとフラッシュ メモリです。オフチップRAM はほとんど使用されません。フラッシュ メモリは、コストとストレージ容量の面で使用されます。メモリ要件は、アプリケーションによって大きく異なります。ストレージの目的に基づくメモリの 2 つのカテゴリは、アプリケーション関連または個人データの保存に使用されるユーザー メモリと、デバイスのプログラミングに使用されるプログラム メモリです。プログラム メモリには、デバイスの識別データ (存在する場合) も含まれます。

ワイヤレス センサー ノードは、センサー ノードへの主電源供給が困難または不可能な場合によく使用されるソリューションです。ただし、ワイヤレス センサー ノードは手の届きにくい場所に設置されることが多いため、定期的にバッテリーを交換するのはコストがかかり、不便です。ワイヤレス センサー ノードの開発で重要な点は、システムに電力を供給するために常に十分なエネルギーが確保されていることを保証することです。センサー ノードは、感知、通信、およびデータ処理のために電力を消費します。データ通信には、他のどのプロセスよりも多くのエネルギーが必要です。1 Kb を 100 メートル (330 フィート) の距離に送信するのにかかるエネルギー コストは、1 億命令/秒/W のプロセッサで 300 万命令を実行するのにかかるエネルギー コストとほぼ同じです。^[要出典]電力は、バッテリーまたはコンデンサに保存されます。充電式と非充電式の両方のバッテリーが、センサー ノードの主な電源です。センサーは、電極に使用される電気化学材料によっても分類され、NiCd（ニッケルカドミウム）、NiZn（ニッケル亜鉛）、NiMH（ニッケル水素）、リチウムイオンなどがあります。現在のセンサーは、太陽光、無線周波数（RF）、温度差、振動からエネルギーを回復できます。使用される2つの省電力ポリシーは、動的電力管理（DPM）と動的電圧スケーリング（DVS）です。^[7] DPMは、現在使用されていない、またはアクティブでないセンサーノードの部分をシャットダウンすることで電力を節約します。DVSスキームは、非決定論的なワークロードに応じてセンサーノード内の電力レベルを変化させます。周波数とともに電圧を変化させることで、消費電力を2乗的に削減することができます。

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