تکنولوژی WSN [1] نیرویی بالقوه ای در تغییر مسیر زندگی،صنعت،فروش،پزشکی، مراقبت اغلب افراد وابسته، مدیریت بحران و بسیاری جهات دیگر دارد.حسگرهای بی سیم و شبکه های حسگر،محاسبه فراگیر و تحقبقات هوش مصنوعی با هم نظریات میان رشته ای هوش محدود را برای پیروز شدن بر چالش هایی که ما در زندگی روزمره مان با آن مواجه هستیم را ساخته اند.یکی از چالش های اصلی جهان برای دهه های اخیر ادامه جمعیت سالخورده بوده است که در کشور های پیشرفته افزایش یافته است.مرجع جمعیتی پیش بینی کرده است که در 20 سال آینده جمعیت در کشورهای پیشرفته تقریبا نزدیک 20% جمعیت کلی خواهد شد.از این رو افزایش کیفیت افراد سالخورده مسئله مهمی است که در این زمینه مطرح می شود.

یکی از کاربردهای امید بخش این است که ناحیه ترکیبی از تکنولوژی های الکترونیکی دریافتی و مصرفی که به مردم اجازه بازبینی ثابت را می دهد در شبکه های فراگیر خانگی با ایجاد بازبینی پزشکی متدوام،ارتقای حافظه،کنترل اسباب خانه،دستیابی داده های پزشکی و ارتباط اورژانسی به ساکنان و مراقبت کنندگانشان کمک کرد.

نه تنها سالخوردگان و بیماران بلکه در خانواده هایی که والدین هردو مشغول به کار می باشند استفاده از این سیستم ها برای مراقبت از نوزادان و کودکان مزیت هایی دارد.

محققان در کامپیوتر،شبکه ها و زمیینه های پزشکی با هم برای ساخت تصویر وسیعی از مراقبت های هوشمندانه ی ممکن در حال کار هستند.

رشد بیشتری توسط همزیستی تکنولوژی های شخصی کوچک معرف فرکانس رادیو،بلوتوث و شبکه های حسگر بی سیم برای بوجود آوردن کاربردهای زمینه ای بدست خواهد آمد.

در این مقاله، ما سیستم مدیریت داده ی درمان حسگر گرید، به نام  [2]SEGEDMAرا پیشنهاد می کنیم که ادغام فن آوری های شبکه های مختلف وامکان دسترسی به داده های پیوسته  به کاربران سیستم را تضمین می کند.

هدف از این مقاله، حل مسائل و چالش های ذخیره سازی گرید و هم چنین مشکلات مهمی که به دلیل ادغام شبکه های حسگر بی سیم با فن آوری گرید در مراقبت های بهداشتی بوجود می آیند،است.

[1] Wireless Sensor Network

[2] Sensor Grid Enhancement Data Management system

2.1معرفی شبکه های حسگر بی سیم

پیشرفت های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک، قیمت مناسب و کاربری های گوناگون داده است.

این حسگرهای کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی (بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده ای برای ایجاد و گسترش شبکه های موسوم به شبکه های بی سیم حسگر شده اند.

22..1محدودیت های سخت افزاری یک گره حسگر:

عواملی چون اقتصادی بودن سیستم،توانی های مورد انتظار ،تعداد انبوه گره ها ، و نهایتا عملی شدن ایده ها در محیط واقعی موجب گشته است هر گره تعتعدی محدودیت سخت افزاری داشته باشد.

هزینه پایین : بایستی سیستم نهایی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.چون تعداد گره ها خیلی زیاد بوده و برآورد هزینه هر گره بر تعداد زیادی ضرب می گردد،بنابراین هرچه از میزان هزینه هر گره کاسته شود ،در سطح کلی شبکه ، صرفه جویی زیادی صورت خواهد گرفت.

حجم کوچک : گره ها به نسبت محدوده ای که زیر نظر دارند ،بخشی را به خود اختصاص می دهند. لذا هرچه این قسمت کمتر باشد به همان نسبت کارآیی بالاتر می رود و از طرفی در اکثر موارد برای اینکه گره ها جلب توجه نکنند و یا بتوانند در برخی مکان ها قرار بگیرند نیازمند داشتن حجم کوچکی می باشند.

توان مصرفی پایین : منبع تغذیه در گره ها محدود می باشد و در عمل ، امکان تعویض یا شارژ مجدد آن مقدور نمی باشد،لذا بایستی از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن استفاده شود.

نرخ بیت پایین : به خاطر وجود سایر محدودیت ها ، عملا میزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در گره ها ، نسبتا پایین می باشد.

خود مختار بودن : هر گره باید از سایر گره ها ستقل باشد و بتواند وظایف خود را طبق تشخیص و شرایط خود، به انجام رساند.

قابلیت تطبیق پذیری : در طول انجام نظارت بر محیط، ممکن است شرایط در هر زمانی دچار تغییر و تحول شود.مثلا ممکن است بعضی از گره ها خراب شوند به همین دلیل هر گره باید بتواند خود را با شرایط جدید ایجاد شده تطبیق دهد.

3.2.1معماری ارتباطی در شبکه های حسگر:

شبکه های حسگر در حالت کلی ماهیت داده – محور دارند و بنابراین، ساختار ارتباطی بین گره های حسگر باید طوری طراحی شوند که با ماهیت این شبکه ها ،هماهنگی داشته باشند. چون اکثر کاربرد های شبکه های حسگر در مواردی است که عملا امکان اتصال گره ها به یکدیگر عملی یا مقرون به صرفه نیست ، در این گونه شبکه ها  عموما از ارتباط بی سیم استفاده می شود. ساختار کلی این شبکه ها به این صورت است که تعداد زیادی گره همسان ،در محیط پراکنده می شوند و پس از جمع آوری اطلاعات مورد نظر،آن را به یک گیرنده مرکزی ارسال می کنند.گیرنده مرکزی، گرهی با میزان انرژی بالا و تجهیزات مورد نیاز می باشد و در واقع واسط بین شبکه حسگر و محیط اطراف می باشد. در شبکه هایی با وسعت جغرافیایی زیاد ، می توان از چندین گیرنده مرکزی استفاده کرد تا مسیر ارسال داده ها به گیرنده ها ، بیش از حد طولانی نگردد.

در شکل زیر شمایی از معماری ارتباطی شبکه های حسگر بی سیم نشان داده شده است.

 

 

 

  4.2.1اجزای سخت افزاری:

با توجه به عملکرد متفاوت شبکه های حسگر، هر گره می تواند با توجه به وظایف تعریف شده از اجزای متنوعی تشکیل شده باشد ولی در حالت کلی هر گره از یک سری اجزای کلی تشکیل شده است که عبارتند از : واحد پردازش مرکزی، فرستنده – گیرنده رادیویی،منبع تغذیه که می تواند از طریق باتری یا سلول های خورشیدی یا ترکیب هردو، انرژی مورد نیاز سیستم را فراهم کند، یک یا تعدادی حسگر که داده های مورد نظر را جمع آوری می کنند، انواع حافظه های جانبی و هم چنین موقعیت یاب در صورت نیاز، و سایر اجزا که بسته به کاربرد های متفاوت می توانند در هر گره گنجانده شوند.

 

واحد پردازنده مرکزی : یکی از فاکتورهای مهم در انتخاب واحد پردازنده مرکزی برای استفاده در گره های شبکه های حسگر ، میزان توان مصرفی پردازنده و پشتیبانی آن از حالت های متنوع کاری می باشد. همچنین در گره هایی که نیاز به پردازش حجیم اطلاعات دریافتی دارند، میزان توان پردازشی واحد پردازنده مرکزی از اهمیت بالایی برخوردار است.

فرستنده – گیرنده رادیویی : فرستنده – گیرنده رادیویی یکی از اجزای با اهمیت در گره های شبکه های بی سیم می باشد و بسته به کاربردهای متفاوت می تواند تنوع زیادی داشته باشد. مهم ترین مشخصه در انتخاب فرستنده – گیرنده ها،برد مورد نیاز برای ارتباط بین گره های شبکه است.در شبکه هایی با گره های نزدیک به هم ،می توان از فرستنده های کم مصرف استفاده کرد ولی توان مصرفی در فرستنده – گیرنده ها با بردهای بیشتر ، به شدت افزایش پیدا می کند و باید در انها از مکانیزم های کنترل توان دقیق تری  استفاده کرد.

حافظه جانبی : در صورتی که حافظه موجود در واحد پردازنده مرکزی کافی نباشد که معمولا هم چنین است، می توان از حافظه دایمی استفاده کرد که ارزان قیمت تر است و هم حجم کمتری را در مدار اشغال می کرد.

5.2.1کاربردها:

شبکه های حسگر بی سیم کاربردهای متفاوتی دارند،برخی از این کاربردها عبارتند از:

·                    نظامی (مانند: ردگیری اشیا)

·                    بهداشت(مانند: کنترل علایم حیاتی)

·                    محیط(مانند:آنالیز زیستگاه های طبیعی)

·                    صنعتی (مانند: عیب یابی خط تولید)

·                    سرگرمی(مانند: بازی مجازی)

·                    زندگی دیجیتالی(مانند: ردگیری مکان پارک ماشین)

همچنین شبکه های بی سیم متشکل از حسگر های زیست پزشکی را می توان در بدن بیمار قرار داد وآنها می توانند بر شرایط سلامتی بیماران نظارت داشته باشند.

 این دستگاه های حسگر، قابلیت این را دارند که حجم عظیمی از داده های جمع آوری شده ازمحیط فیزیکی خود را مستقل از یکدیگرداشته باشند،هم چنین محدودیت منابع درطبیعت را با پردازش محدود و توانایی های ارتباطی انجام می دهند.بنابراین ما باید آنها را با فن آوری گرید ،به منظور پردازش و ذخیره سازی داده های جمع آوری شده توسط حسگرهای گره ای یکپارچه   کنیم.

شبکه های حسگر بی سیم (شبکه گیرنده بی سیم) از تکنولوژی گسترده ای برای شناسی برنامه های کاربردی که داده ها را ازدنیای فیزیکی جمع آوری و پردازش می کنند ،استفاده میشود.

برنامه های کاربردی مهم شبکه های حسگر بی سیم شامل: نظارت بر محیط زیست و زیستگاه،
نظارت بر مراقبت های بهداشتی بیماران، نظارت بر آب و هوا وپیش بینی آن، کارهای نظامی و نظارت امنیتی کشور،ردیابی کالاها و فرآیندهای تولید، ایمنی نظارت بر ساختارهای فیزیکی و سایت های ساخت و ساز،خانه های هوشمند و ادارات ، و بسیاری از استفاده های دیگری که ما انجام می دهیم .

دستگاه های حسگر در شبکه های حسگربی سیم منابع محدود از آنها محدود کرده اند سنجش از توانایی ها ، قدرت پردازش و ارتباطات پهنای باند.

 با این حال،شبکه های حسگر بی سیم با تعداد زیادی از دستگاه ها بالای یک منطقه گسترده جمع می شوند و  مقدار قابل توجهی اطلاعات  کسب می کنند و هم چنین قابلیت پردازش آنها را نیز دارند. بنابراین ، شبکه حسگر بی سیم منابع محاسباتی توزیع شده ی مهمی هستند که می توانند توسط کاربران مختلف و برنامه های کاربردی به اشتراک گذاشته شوند.

بسیاری از پلت فرم ها وجود دارند که در آنها تکنولوژی شبکه های حسگر بی سیم استفاده شده است که نظارت بر مراقبت های بهداشتی یکی از آنها است.
این تکنولوژی توسط بعضی از محققان ودانشمندان در سراسر جهان  پیشنهاد شده ، این تکنولوژی دارای پتانسیلی است برای ایجاد تاثیر زیادی بر بسیاری از جنبه های های مراقبت های پزشکی .

 دستگاه های حسگر برای گرفتن مداوم علائم حیاتی از تعداد زیادی از بیماران استفاده شده است ، تحویل داده ها به کامپیوتر های دستی که توسط EMT[1] ، پزشکان و پرستاران انجام می شده است.

علاوه بر این ، با توجه به اندازه کوچک و انرژی مفید آنها،به راحتی می توان آنها را در بدن بیمار ادغام کرد.

محاسبات گرید دراواسط دهه ی 1990 ابداع شد و آن دلیلی برایدپیشنهاد زیرساخت های محاسبات توزیع شده برای پیشرفت علوم و مهندسی شد.

 در سال های اخیرمحاسبات گرید علاقه مندان زیادی در سراسر جهان از جمله در دانشگاهیهای بزرگ جهان ، صنعت و دولت بدست آورده است.

كاربردهاي تجاري طيف وسيعي از كاربردها را شامل مي شود مانند سيستم هاي امنيتي تشخيص و مقابله با سرقت, آتش سوزي(درجنگل), تشخيص آلودگي هاي زیست محیطی از قبیل آلودگي هاي شيمياي, ميكروبي, هسته اي, سيستم هاي ردگيري, نظارت وكنترل وسايل نقليه و ترافيك, كنترل كيفيت توليدات صنعتي, مطالعه در مورد پديده هاي طبيعي مثل گردباد, زلزله, سيل, تحقيق در مورد زندگي گونه هاي خاص از گياهان و جانوران و .. در برخي از كاربردها نیز شبکه حس/کار بعنوان گروهي از رباتهاي كوچك كه با همكاري هم فعاليت خاصي را انجام مي دهند استفاده میشود.

3.1 پشته پروتكلي:

مطابق شكل زیر پشته پروتكلي از يكطرف داراي پنج لايه افقي شامل لايه هاي فيزيكي, پيوند داده, شبكه, انتقال, و كاربرد و از طرفي داراي سه لايه عمودي مديريت توان, مديريت جابجايي, و مديريت وظيفه است. لايه فيزيكي وظيفه اش عمليات مدولاسيون و ارسال و دريافت در سطح پايين مي باشد. لايه كنترل دسترسي رسانه بايد قادر باشد با حداقل تصادم بروش پخش همگاني با هر گره همسايه ارتباط برقرار كند. لايه شبكه وظيفه مسيردهي داده هايي كه از لايه انتقال مي آيد را بر عهده دارد. لايه انتقال وظيفة مديريت جريان انتقال بسته ها را در صورت نياز كاربرد, بر عهده دارد. بسته به كاري كه شبكه براي آن طراحي شده انواع مختلف نرم افزارهاي كاربردي مي تواند روي لايه كاربرد استفاده شود و خدمات مختلفي را ارائه نمايد. یک زبان پردازه نویسی بنام زبان وظیفه و پرسشگری حسگر پیشنهاد شده که پرس وجوها و فرمانهای آن مبتنی بر با ویژگی داده محوری شبکه حس/کاراست. بعنوان مثال “چه تعداد لانه پرنده خالي در محدوده شمال شرقي جنگل وجود دارد”يا “اگر تا يك ساعت بعد تعدادلانه هاي خالي بيشتر از يك حد معيني شد اعلام شود”   برای اطلاعات بیشتر به  مراجعه کنید.

لايه عمودي مديريت توان با دخالت در كليه لايه هاي افقي چگونگي مصرف توان براي گره را تعيين مي كند. در واقع براي كاهش مصرف انرژي به الگوريتم ها و پروتكل هاي توان آگاه نيازمنديم. مثلا اينكه يك گره پس از دريافت يك پيغام از يكي از همسايه هايش دريافت كننده اش را خاموش كند باعث جلوگيري از دريافت دوباره پيغام و در نتيجه كاهش مصرف انرژي مي گردد. ايده ديگري كه مي تواند همزمان استفاده شود اين است گره ای  كه به سطح پايين انرژي رسيده به همسايه هايش اعلام همگاني مي كند كه انرژي اش در حال اتمام است و نمي تواند در مسيردهي پيغامها شركت داشته باشد. گره هاي همسايه پس از آن پيغام ها را از طريق گره هاي ديگر مسيردهي خواهند كرد. لايه عمودي مديريت حركت, به بكار گيري روشهاي مكان آگاه بر مي گردد جابجايي گره را تشخيص داده و ثبت مي كند بنابراين يك مسير برگشت تا كاربر هميشه مديريت مي شود و رد گره متحرك دنبال مي شود. مديريت وظيفه وظايف گره ها را زمانبندي كرده و متعادل مي سازد. مثلا اگر وظيفة حس به يك ناحية معين محول شد همة گره هاي حسگر آن ناحيه لازم نيست عمليات حس را بطور همزمان انجام دهند بلكه اين وظيفه مي تواند بسته به كاربرد به برخي گره ها مثلا  به گره هايي قابليت اطمينان بيشتر يا ترافيك كمتر يا انرژي بيشتر دارند محول شود. براي تضمين اين نكته بايد از الگوريتم هاي كارآگاه استفاده نمود. با وجود موارد فوق گره ها در شبكه حس/كار مي توانند با روشهاي توان كارا باهم كار كرده و داده ها را در يك شبكه متحرك حس/كار مسير دهي كنند و منابع را بين گره ها به اشتراك گذارند.

[1] Emergency Medical Technicians