Από τα τοπικά δίκτυα αισθητήρων, στις έξυπνες πόλεις

Αλέξανδρος Τιντίνης
Μηχανικός Έρευνας και Ανάπτυξης
Olympia Electronics

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων υποστηρίζουν μέσω κατάλληλων μηχανισμών πολλές από τις σημερινές απαιτήσεις που οδηγούν στις λεγόμενες "έξυπνες" και "πράσινες" πόλεις.

Πολλοί είναι οι παράγοντες και οι νέες τεχνολογίες που πρέπει να εφαρμοστούν και να συνεργαστούν αρμονικά μεταξύ τους, ώστε να επιτευχθεί η έξυπνη δικτύωση συσκευών. Θα πρέπει να υπάρξει η υλοποίηση σε τοπικό επίπεδο, στη συνέχεια θα πρέπει τα δεδομένα από πολλά τέτοια τοπικά δίκτυα να «βγουν» σε έναν κοινό τόπο (π.χ. cloud) και στη συνέχεια να ανέβουν στο διαδίκτυο, ώστε να μπορούν να καταλήξουν σε τερματικά ελέγχου και απομακρυσμένης πρόσβασης.

Στο επίπεδο της τοπικής δικτύωσης αισθητήρων, τα δεδομένα προέρχονται κατά κύριο λόγο από αισθητήρες (π.χ. επίπεδο στάθμης σε δεξαμενή), αλλά και από μονάδες ελέγχου προς ενεργοποιητές (π.χ. εντολή από τον κεντρικό πίνακα στην ηλεκτροβάνα για να κλείσει, ώστε να μην πλημμυρίσει η δεξαμενή). Συνεπώς η ασφαλής μεταφορά των κρίσιμων αυτών δεδομένων είναι μεγάλης σπουδαιότητας. Επίσης πολύ σημαντική απαίτηση είναι και η χαμηλή κατανάλωση. Η έννοια άλλωστε της «έξυπνης» πόλης, εμπεριέχει σίγουρα και αυτήν της «πράσινης» πόλης. Οι μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες για παράδειγμα, θα πρέπει να κρατάνε για χρόνια πριν ανακυκλωθούν. Επιπλέον τα «έξυπνα πλέγματα» (smartgrids) που εφαρμόζονται ολοένα και περισσότερο τα τελευταία χρόνια, όχι μόνο δίνουν μεγάλη βαρύτητα στη χαμηλή κατανάλωση, αλλά προχωράνε και ένα βήμα παραπάνω, στην παραγωγή δηλαδή ενέργειας (energy harvesting) χαμηλής ισχύος, από διάφορες πηγές (φως, δονήσεις, θερμοηλεκτρικές γεννήτριες κτλ). Η ενέργεια αυτή καταλήγει σε μέσα αποθήκευσης, όπως μπαταρίες ή πυκνωτές. Σε πολλές περιπτώσεις μάλιστα, κάποιοι αισθητήρες μπορεί να τροφοδοτούνται αποκλειστικά από τέτοιες πηγές ενέργειας. Επίσης η ευελιξία είναι ακόμα ένα χαρακτηριστικό, το οποίο είναι απαιτητό στα δίκτυα αυτά και επιτυγχάνεται μέσω τεχνικών δικτύωσης που περιγράφονται παρακάτω.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων λοιπόν (Wireless Sensor Networks -WSN), ενσωματώνουν μέσω κατάλληλων μηχανισμών τις παραπάνω απαιτήσεις, σχηματίζοντας τα λεγόμενα WPAN (Wireless Personal Area Networks). Πρόκειται δηλαδή για ένα δίκτυο αισθητήρων και ενεργοποιητών, οι οποίοι επικοινωνούν ασύρματα μεταξύ τους, αλλά και με την κεντρική μονάδα που υπάρχει συνήθως και η οποία διαθέτει σίγουρα επεξεργαστική ισχύ. Μία σημαντική ικανότητα των δικτύων αυτών είναι η χρήση της τεχνολογίας "plugging in", όπου όταν δύο τοπικά δίκτυα βρίσκονται εντός εμβέλειας μεταξύ τους, μπορούν (ιδανικά) να επικοινωνούν, σαν να ήταν συνδεμένα με καλώδιο. Αυτό το επιτυγχάνουν περιορίζοντας ή ακόμα και διακόπτοντας κάποιες επικοινωνίες σε τοπικό επίπεδο, δίνοντας έτσι προτεραιότητα στην επικοινωνία μεταξύ των δικτύων. Πολύ γνωστά WPANs είναι τα Bluetooth, ZigBee, Mi-Wi, wireless USB, IrDA, Z-Wave, τα οποία συμμορφώνονται με το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15. Τα low rate WPANs (LR-WPANs), όπως είναι τα δίκτυα αισθητήρων, συμμορφώνονται με το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15.4, το οποίο καθορίζει το φυσικό επίπεδο (physical layer -PHY-) και το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσων (media access control -MAC- layer), των LR-WPANs. Τα υψηλότερα επίπεδα (π.χ. δικτύωση κόμβων) καθορίζονται από την εκάστοτε προδιαγραφή (π.χ. Bluetooth, ZigBee κτλ). Ως κρίσιμα χαρακτηριστικά μπορούμε να διακρίνουμε την ευελιξία, το χαμηλό κόστος, το χαμηλό επίπεδο πολυπλοκότητας και τη χαμηλή κατανάλωση.

Σε ό,τι αφορά στα τεχνικά χαρακτηριστικά, έχουμε χαμηλό data rate έως 250Kbps και διάφορες επιτρεπτές μπάντες λειτουργίας για Ευρώπη (868MHz), Αμερική (915MHz) και παγκόσμια χρήση (2400MHz), πρόσφατα δε και για Κίνα και Ιαπωνία. Επίσης οι κωδικοποιήσεις δεδομένων ποικίλουν ανάλογα με τη μπάντα και το κανάλι και μπορεί να είναι BPSK, ASK, O-QPSK, GFSK. Επίσης, για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις δεδομένων (και άρα η καταστροφή τους), χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο CSMS/CA (collision avoidance), όπου κάποιος κόμβος στέλνει μόνο εάν ανιχνεύσει ελεύθερη γραμμή, αλλιώς περιμένει κάποιο τυχαίο χρονικό διάστημα και ξαναπροσπαθεί. Η διευθυνσιοδότηση των κόμβων μπορεί να επιτευχθεί είτε με την 16-bit διεύθυνσή τους (short address), είτε με την 64-bit διεύθυνση (MAC address). Οι τοπολογίες του δικτύου μπορεί να είναι star, cluster tree ή mesh και επίσης οι κόμβοι χωρίζονται σε κόμβους πλήρους λειτουργικότητας (FFD) ή μειωμένης λειτουργικότητας (RFD). ¶λλα χαρακτηριστικά που προβλέπονται από το ΙΕΕΕ 802.15.4: beaconing, εγγυημένα time slots, ED (Energy Detection), LQI (Link Quality Indication), δομή των πακέτων, τρόποι επικύρωσης ή απόρριψης των πακέτων, διαδικασίες εισαγωγής/εξαγωγής των κόμβων προς/από το δίκτυο (association) κ.ά.

Οι κόμβοι διακρίνονται όπως αναφέρθηκε σε FFDs και RFDs. Σε ό,τι αφορά στο ρόλο του κάθε κόμβου στο δίκτυο, θα μπορούσε να είναι:
– COORDINATOR. Μία FFD συσκευή, ικανή να αναμεταδίδει μηνύματα.
– PAN COORDINATOR. Ο κυρίαρχος COORDINATOR του δικτύου. Είναι μοναδικός σε κάθε δίκτυο και είναι υπεύθυνος για να αρχικοποιήσει το δίκτυο κατά την εκκίνησή του. Χωρίς PAN COORDINATOR δεν μπορεί να εκκινήσει το δίκτυο.
– DEVICE. Μία συσκευή FFD ή RFD, η οποία δεν συμπεριφέρεται ως COORDINATOR.

Από τις τρεις τοπολογίες (star, cluster tree και mesh), μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τοπολογία mesh, όπου όλες οι FFDs μπορούν να επικοινωνήσουν απευθείας μεταξύ τους, ενώ οι RFDs μπορούν να επικοινωνήσουν μόνο με FFDs. Οι coordinators μπορούν να αναμεταδώσουν τόσο unicast, όσο και broadcast. Σημαντικότατο χαρακτηριστικό είναι επίσης η χρήση της τεχνικής δρομολόγησης δεδομένων (routing), όπου τα μηνύματα αναπαράγονται επάνω σε ένα μονοπάτι, αναπηδώντας από κόμβο σε κόμβο (hopping), έως ότου φτάσουν στον προορισμό τους. ¶ρα μπορούν με αυτόν τον τρόπο να ανταλλάξουν δεδομένα δύο συσκευές που μεταξύ τους είναι εκτός εμβέλειας. ¶λλη μία πολύ σημαντική δυνατότητα είναι αυτή του συνεχούς επαναπροσδιορισμού του δρόμου μεταφοράς μηνυμάτων, μέσω αλγόριθμων «αυτοθεραπείας» (self healing algorithms), για κατεστραμμένους ή μπλοκαρισμένους για αναμετάδοση κόμβους. Τέλος, τα ασύρματα mesh δίκτυα είναι "multihop", που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη για καλώδιο σε κανένα σημείο του δικτύου, σε αντίθεση με άλλα ασύρματα δίκτυα, τα οποία χρειάζονται οπωσδήποτε καλώδιο σε κάποιες βαθμίδες του δικτύου.

Επομένως, βάσει όλων των παραπάνω, μπορούμε να έχουμε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων χαμηλής κατανάλωσης, τα οποία μέσω κατάλληλης δικτύωσης να μπορούν να επικοινωνούν και μεταξύ τους, ακόμα και εάν πολλοί κόμβοι είναι εκτός εμβέλειας μεταξύ τους. Τα δεδομένα από αυτά τα δίκτυα μπορούν μέσω πυλών (gateways) να "βγουν" στο cloud. Τα δεδομένα από πολλά clouds και αυτά με τη σειρά τους, μπορούν μέσω routers να ανέβουν στο διαδίκτυο, ώστε όλα αυτά τα τοπικά δίκτυα να μπορούν να μιλάνε με μία ή περισσότερες απομακρυσμένες μονάδες, είτε απλά για εποπτεία, είτε και για απομακρυσμένο έλεγχο. ¶ρα καθίσταται προφανές ότι η δυναμική και οι δυνατότητες είναι πολύ μεγάλες, με τις προοπτικές επεκτασιμότητας να αποτελούν πραγματική πρόκληση. Τα smart grids για παράδειγμα, εφαρμόζονται ήδη σε αεροδρόμια, πάρκα, ΜΜΜ, τηλεπικοινωνίες κτλ.

Τέλος, για το πώς μπορούμε να καταλήξουμε στις έξυπνες πόλεις. Θα μπορούσε να υπάρξει τοπική δικτύωση σε επίπεδο κάποιου νοσοκομείου, εκπαιδευτικού ιδρύματος κτλ. Στη συνέχεια οι πληροφορίες από τα δίκτυα αυτά συνδυάζονται, ώστε να χρησιμοποιηθούν και σε ευρύτερες εφαρμογές. Για παράδειγμα, σε κάποιες πόλεις παρακολουθείται η κίνηση στους δρόμους και η πληρότητα των κάδων απορριμμάτων, ώστε τα απορριμματοφόρα να βγουν για αποκομιδή τις κατάλληλες ώρες όπου και όταν χρειάζεται, εξοικονομώντας έτσι καύσιμα, μη επιβαρύνοντας την κυκλοφορία και επιμηκύνοντας το χρόνο ζωής των οχημάτων. ¶λλωστε, στην «έξυπνη πόλη» θα υπάρχει σίγουρα συνετή διαχείριση των φυσικών πόρων, καθώς και δυνατότητα επίλυσης προβλημάτων με τη χρήση της τεχνολογίας πληροφοριών και επικοινωνιών, μέσω των οποίων υπάρχει σαφής βελτίωση του επιπέδου διαβίωσης των πολιτών. Αρκεί και ο πολίτης να ανταποκριθεί και να είναι ώριμος να αξιοποιήσει στο έπακρο όλες αυτές τις δυνατότητες που του δίνονται και να αλληλεπιδράσει κατάλληλα, βοηθώντας με οικολογική ευσυνειδησία ώστε να λειτουργήσει το σύστημα ακόμα πιο αποδοτικά.