فهرست:
سنسور چیست؟
سنسورهای بدون تماس
کاربرد سنسورها
مزایای سنسورهای بدون تماس
سنسورهای القائی
اساس کار و ساختمان سنسورهای القائی
سنسورهاي التراسونيك و كاربرد اين سنسورها
سنسورهاي صنعتي
سنسور دماي هوا (ATS)
سنسور دماي آب (CTS )
سنسور فشار هواي منيفولد ( MAP)
ادوات ورودی سنسورها ، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها
شبکه هاي سنسور
آشنايي با دو نوع سنسور
استراتژي شناسايي ( Exploration )
هزينه جواب دادن به Query
انتخاب Data Storage
سنسور چیست؟
سنسور المان حس کننده ای است که کمیتهای فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما، و … را به کمیتهای الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیرپیوسته (دیجیتال) تبدیل می کند. این سنسورها در انواع دستگاههای اندازه گیری، سیستمهای کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار می گیرند. عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاههای مختلف از جمله PLC باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد. سنسورها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال نموده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاهها می شوند.

سنسورهای بدون تماس
سنسورهای بدون تماس سنسورهائی هستند که با نزدیک شدن یک قطعه وجود آنرا حس کرده و فعال می شوند. این عمل به نحوی که در شکل زیر نشان داده شده است می تواند باعث جذب یک رله، کنتاکتور و یا ارسال سیگنال الکتریکی به طبقه ورودی یک سیستم گردد.

کاربرد سنسورها
۱-شمارش تولید: سنسورهای القائی، خازنی و نوری
۲-کنترل حرکت پارچه و …: سنسور نوری و خازنی
۳-کنترل سطح مخازن: سنسور نوری و خازنی و خازنی کنترل سطح
۴-تشخیص پارگی ورق: سنسور نوری
۵-کنترل انحراف پارچه: سنسور نوری و خازنی
۶-کنترل تردد: سنسور نوری
۷-اندازه گیری سرعت: سنسور القائی و خازنی
۸-اندازه گیری فاصله قطعه: سنسور القائی آنالوگ
مزایای سنسورهای بدون تماس
سرعت سوئیچینگ زیاد: سنسورها در مقایسه با کلیدهای مکانیکی از سرعت سوئیچینگ بالائی برخوردارند، بطوریکه برخی از آنها (سنسور القائی سرعت) با سرعت سوئیچینگ تا ۲۵KHz کار می کنند.

طول عمر زیاد: بدلیل نداشتن کنتاکت مکانیکی و عدم نفوذ آب، روغن، گرد و غبار و … دارای طول عمر زیادی هستند.

عدم نیاز به نیرو و فشار: با توجه به عملکرد سنسور هنگام نزدیک شدن قطعه، به نیرو و فشار نیازی نیست.
قابل استفاده در محیطهای مختلف با شرایط سخت کاری: سنسورها در محیطهای با فشار زیاد، دمای بالا، اسیدی، روغنی، آب و … قابل استفاده می باشند.
عدم ایجاد نویز در هنگام سوئیچینگ: به دلیل استفاده از نیمه هادی ها در طبقه خروجی، نویزهای مزاحم (Bouncing Noise) ایجاد نمی شود.

سنسورهای القائی
سنسورهای القائی سنسورهای بدون تماس هستند که تنها در مقابل فلزات عکس العمل نشان می دهند و می توانند فرمان مستقیم به رله ها، شیرهای برقی، سیستمهای اندازه گیری و مدارات کنترل الکتریکی (مانند PLC) ارسال نمایند.

اساس کار و ساختمان سنسورهای القائی
ساختمان این سنسورها از چهار طبقه تشکیل می شود: اسیلاتور، دمدولاتور، اشمیت تریگر، تقویت خروجی. قسمت اساسی این سنسورها از یک اسیلاتور با فرکانس بالا تشکیل یافته که می تواند توسط قطعات فلزی تحت تاثیر قرار گیرد. این اسیلاتور باعث بوجود آمدن میدان الکترومغناطیسی در قسمت حساس سنسور می شود. نزدیک شدن یک قطعه فلزی باعث بوجود آمدن جریانهای گردابی در قطعه گردیده و این عمل سبب جذب انرژی میدان می شود و در نتیجه دامنه اسیلاتور کاهش می یابد. از آنجا که طبقه دمدلاتور، آشکارساز دامنه اسیلاتور است در نتیجه کاهش دامنه اسیلاتور توسط این قسمت به طبقه اشمیت تریگر منتقل می شود. کاهش دامنه اسیلاتور باعث فعال شدن خروجی اشمیت تریگر گردیده و این قسمت نیز به نوبه خود باعث تحریک طبقه خروجی می شود.

سنسورهاي التراسونيك و كاربرد اين سنسورها
شايد با كلمه التراسونيك يا Ultrasonic بر خورد كرده باشيد.التراسونيك به معناي مافوق صوت است.فركانسهاي اين محدوده را ميتوان بين ۴۰ كيلو هرتز تا چندين مگا هرتز در نظر گرفت.امواجي با اين فركانسها كه كاربردهايي چون سنجش ميزان فاصله،سنجش ميزان عمق يك مخزن،تعيين فشار خون يك بيمار،همگن كردن مواد مذاب،استفاده در دريلها جهت ايجاد ضربه و كارائي بيشتر دريل،تست قطعات صنعتي از نظر كيفي جهت تشخيص شكافها و سوراخهاي ريز و غيره اشاره كرد.

جهت استفاده از اين امواج يك سري سنسورهاي مخصوص طراحي شده كه ميتوان اين سنسورها را به دو دسته صنعتي و غير صنعتي تقسيم بندي كرد.سنسورهاي غير صنعتي در فركانسهايي در حدود ۴۰ كيلو هرتز كار ميكنند و در بازار با قيمتهاي پايين در دسترس هستند. در اين سنسورها دقت كار بالا نبود و فقط در حد تشخيص يك فاصله يا عمق يك مايع ميتوان از آنها استفاده كرد.اما در سنسورهاي صنعتي كه در فركانسهاي در حد مگا هرتز كار ميكنند به دليل همين فركانس بالا ما دقت زيادي را خواهيم داشت.به طور نمونه ما در اينجا بلوك دياگرام طرح اندازه گيري ميزان فاصله توسط ميكروكنترلرavr را براي شما آورده ايم.

سنسورهاي صنعتي
۱- سنسور دماي هوا (ATS)
اين سنسور در مسير دستگاه هواي هواكش قرار گرفته است و اطلاعات مربوت به دماي هوا و مقدار هواي ورودي را به موتور را به واحد كنترل الكترونيكي ارسال مي‌دارد .
واحد كنترل اين اطلاعات را به جهت تنظيم مقدار پاشش سوخت در مانيفولد ورودي به كار مي‌برد . اين سنسور در واقع يك سنسور حرارتي مي‌باشد كه نوعي مقاومت است كه آن با دماي هواي ورودي تغيير مي‌كند بر اساس ولتاژ خروجي ، كامپيوتر موتور دماي هواي ورودي را تعيین كرده و مطابق با آن ميزان سوخت تزريقي را تنظيم مي‌كند .

۲- سنسور دماي آب (CTS )
اين سنسور بر روي سر سيلندر و بر روي منيفولد هوا قرار گرفته است . اين سنسور اطلاعات مربوط به درجه حرارت آب خنك كننده را توسط يك مقاومت حساس در برابر حرارت به واحد كنترل موتور بر اساس ولتاژ خروجي سنسور مربوطه ، گرم شدن موتور را تشخيص داده و در نتيجه مخلوط مناسبي از هوا و بنزين را در هنگامي كه موتور سرد است فراهم مي‌كند .

۳- سنسور فشار هواي منيفولد ( MAP)
اي سنسور توسط يك شيلنگ ميزان خلأ‌ داخل منيفولد را حس كرده و اختلاف ولتاژ را به واحد ECU ارسال مي‌دارد اين سنسور بر روي بدنه خودرو در كنار ECU و شير برقي EGR و كنيستر قرار دارد . ECU توسط اين اطلاعات نيازمنديهاي سوخت دستگاه را تعين كرده و به انژكتورها دستور پاشش سوخت را ارسال مي‌دارد اين سنسور داراي ولتاژ ۵ ولت مي‌باشد فشار مطلق برابر است با فشار بارمتريك منهاي خلايي كه توسط پيستونها ايجاد مي‌شود . به طور مثال اگر فشار بارومتريك در سطح دريا برابرHg 30 و خلا مانيفولد برابر Hg20 در اين صورت فشار مطلق برابر Hg 10 مي‌باشد . تمامي سنسورهاي MAP به اين طريق عمل مي‌كنند .

(ادوات ورودی سنسورها ، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها)

سنسورها ، ترانسمیترها و ترانسمیترها اجزای یک پروسه صنعتی هستند که کاربردهای فراوانی در پروسه های متنوع دارند.
کاربرد عمده این قطعات در ارزیابی عملکرد سیستم و ارائه یک فیدبک با مقدار و وضعیت مناسب است که بدین ترتیب کنترلر سیستم متوجه وضعیت کارکرد آن و جگونگی حالت خروجی خواهد شد .یک سنسور بنا به تعریف ، قطعه ای است که به پارامترهای فیزیکی نظیر حرکت ، حرارت ، نور ، فشار ، الکتریسیته ، مغناطیس و دیگر حالات انرژی حساس است و در هنگام تحریک آنها از خود عکس العمل نشان می دهد .

یک ترانسدیوسر بنا به تعریف ، قطعه ای است که وظیفه تبدیل حالات انرژی به یکدیگر را برعهده دارد ، بدین معنی که اگر یک سنسور فشار همراه یک ترانسدیوسر باشد ، سنسور فشار پارمتر را اندازه می گیرد و مقدار تعیین شده را به ترانسدیوسر تحویل می دهد ، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل درک برای کنترلر و صد البته قابل ارسال توسط سیم های فلزی ، تبدیل می کند .بنابراین همواره خروجی یک ترانسدیوسر ، سیگنال الکتریکی است که در سمت دیگر خط می تواند مشخصه ها و پارامترهای الکتریکی نظیر ولتاژ ، جریان و فرکانس را تغییر دهد ، البته به این نکته باید توجه داشت که سنسور انتخاب شده باید از نوع شنشورهای مبدل پارامترهای فیزیکی به الکتریکی باشد و بتواند مثلأ دمای اندازه گیری شده را به یک سیگنال بسیار ضعیف تبدیل کند که در مرحله بعدی وارد ترانسدیوسر شده و سپس به مدارهای الکترونیکی تحویل داده خواهد شد .

برای درک این مطلب به تفاوتهای میان دو سنسور انداره گیر دما می پردازیم : ترموکوپل و درجه حرارت جیوه ای ، دو نوع سنسور دما هستند که هر دو یک عمل را انجام می دهند ، اما ترموکوپل در شمت خروجی سیگنال الکتریکی ارائه می دهد ، در حالی که درجه حرارت جیوه ای خروجی خود را به شکل تغییرات ارتفاع در جیوه داخلش نشان می دهد .

ترانسمیتر وسیله ای است که یک سیگنال الکتریکی ضعیف را دریافت کرده و به سطوح قابل قبول برای کنترلرها و مدارهای الکترونیکی تبدیل می کند ، مثلأ یک حلقه فیدبک سیگنالی در سطح ماکروولت یا میلی ولت یا میلی آمپرتولید می کند و این سیگنال ضعیف می تواند با عبور از ترانسمیتر به سیگنالی در سطوح صفر تا ده ولت و یا ۴ تا ۲۰ میلی آمپر تبدیل شود. ترانسمیترها عمومأ از قطعاتی مثلop-amp برای تقویت و خطی کردن این سطوح ضعیف سیگنال استفاده می کند .

سنسورها و ملحقات آنها مثل ترانسدیوسرها را در گروه های بزرگی تحت عنوان ابزار دقیق قرار داده و آنها را بر اساس نوع انرژی قابل استفاده و روشهای تبدیل ، دسته بندی می کنند .

شبکه هاي سنسور
شبکه هاي سنسور بي سيم شامل نودهاي کوچکي با توانايي حس کردن، محاسبه و ارتباط به زودي در همه جا خود را مي گسترانند. چنين شبکه هايي محدوديت منابع روي ارتباطات، محاسبه و مصرف انرژي دارند. اول اينکه پهناي باند لينکهايي که گرههاي سنسور را به هم متصل مي کنند محدود مي باشد و شبکه هاي بيسيم اي که سنسورها را به هم متصل مي کنند کيفيت سرويس محدودي دارند و ميزان بسته هاي گم شده در اين شبکه ها بسيار متغير مي باشد. دوم اينکه گره هاي سنسور قدرت محاسبه محدودي دارند و اندازه حافظه کم نوع الگوريتمهاي پردازش داده اي که مي تواند استفاده شود را محدود مي کند. سوم اينکه سنسورهاي بي سيم باطري کمي دارند و تبديل انرژي يکي از مسائل عمده در طراحي سيستم مي باشد.

داده جمع آوري شده مي تواند در شبکه هاي سنسور ذخيره شود و يا به سينک منتقل شود وقتي داده در شبکه هاي سنسور ذخيره مي شود مشکلات عديده اي به وجود مي آيد:
• سنسورها ميزان حافظه محدودي دارند که اين باعث مي شود نتوانيم ميزان زيادي داده که در طول ماه يا سال جمع آوري شده را ذخيره کنيم
• چون منبع تغذيه سنسورها باطري مي باشد با تمام شدن باطري داده ذخيره شده در آن از بين مي رود.

• جستجو در شبکه گسترده و پراکنده آن بسيار مشکل مي باشد.

داده ها مي توانند به سينک منتقل شوند و در آنجا براي بازيابي هاي بعدي ذخيره شوند اين شما ايده آل مي باشد چون داده ها در يک محل مرکزي براي دسترسي دائمي ذخيره مي شوند. با اين حال، ظرفيت انتقال به ازاي هر نود در شبکه سنسور که به صورت تعداد بسته هايي که سنسور مي تواند در هر واحد زماني به سينک منتقل کند تعريف مي شود، محدود مي باشد. حجم زيادي از داده نمي تواند به صورت موثر از شبکه سنسور به سينک منتقل شود علاوه بر اينها انتقال داده از شبکه سنسور به سينک ممکن است انرژي زيادي مصرف کند و اين باعث مصرف انرژي باطري شود.

بخصوص سنسورهاي اطراف سينک به طور وسيع مورد استفاده قرار مي گيرند وممکن است سريع خراب شوند و اين باعث پارتيشن شدن شبکه مي شود. اين امکان وجود دارد که با افزايش هزينه برخي از نودها با ظرفيت حافظه بيشتر و قدرت باطري بيشتر در شبکه هاي سنسور استفاده شود اين سنسور ها از اطلاعات موجود در سنسورهاي نزديک Backup مي گيرند و به Query ها جواب مي دهند. داده جمع آوري شده در هر نود مي تواند به صورت پريوديک توسط رباتها به Data ware house منتقل شود چون نودهاي ذخيره داده را فقط از نودهاي همسايه جمع آوري مي کنند و از طريق فيزيکي منتقل مي کنند، مشکل ظرفيت محدود حافظه، ظرفيت انتقال و باطري تا حدودي بهبود مي يابد.

پرس و جوي کاربر ممکن است فرم هاي مختلفي داشته باشد براي مثال پرس و جوي کاربر ممکن است اين باشد که چه تعداد نود رخداد هاي انتقال را تشخيص مي دهند، ميانگين دماي فيلدهاي حسگر و يا … ، در اين سناريو هر سنسور علاوه بر حس کردن درگير مسيريابي داده در دو زمينه مي باشد: داده خامي که به نودهاي ذخيره منتقل مي شود و انتقال براي Query Diffusion و جواب به پرس و جو ، هر کدام از دو مورد ممکن است داده را به سينک منتقل کند و يا به صورت محلي در نود سنسور ذخيره کند، از طرف ديگر داده اي که منحصراً در سينک ذخيره شده است براي جواب به پرس و جو با صرفه تر است چون هيچ هزينه انتقال ندارد ولي تجمع داده در سينک هزينه زيادي دارد در طرف مقابل داده اي که به صورت محلي در سنسور ذخيره شده است هيچ هزينه اي براي تجمع داده ندارد ولي هزينه پرس و جو بسيار بالا مي باشد نودهاي ذخيره نه تنها يک محل ذخيره سازي دائمي فراهم مي کنند يک بافر بين سينک و نودهاي سنسور مي باشند.
آشنايي با دو نوع سنسور
در اينجا ما دو نوع از سنسورها را تعريف مي کنيم :
نودهاي ذخيره ( Storage Node ) : اين گره ها تمام داده هايي که از ساير دريافت کرده اند و نيز داده هايي که خود توليد کرده اند را ذخيره مي کنند و هيچ چيزي را قبل از اينکه پرس و جو دريافت کنند نمي فرستند با توجه به تعريف پرس و جو آنها نتايج مورد دلخواه را از داده خام بدست مي آورند و نتايج مربوطه را به سينک منتقل مي کنند. سينک هم خودش به عنوان نود ذخيره تعبير مي شود.

نودهاي فوروارد ( Forwarding Node ) : اين نودها داده دريافتي از نودهاي ديگر يا داده هاي توليدي خود را دوباره از طريق مسير هاي خاص به سينک منتقل مي کنند اين عمل تا زماني که داده به يک نود ذخيره منتقل شود ادامه پيدا مي کند عمليات ارسال دوباره مستقل از پرس و جو مي باشد و بنابراين نياز به هيچ پردازشي ندارد. شکلهاي زير اين تعريف ها را به خوبي نمايان مي کند.

شکل۲:قرار دادن گره های storage در شبکه شکل۱: تپولوژی گره های شبکه های سنسوری
در شبکه هاي سنسوري که در آن مقادير زيادي داده جمع آوري و براي بازيابي در آينده ذخيره مي شوند، ذخيره سازي به عنوان موضوع مهمي مطرح شده است .
اخيراً براي ذخيره داده در شبکه هاي حسگر ( سنسور ) مفهوم Storage Network ارائه شده است . Storage Node بار بالاي انتقال تمام داده ها به يک مکان مرکزي براي ذخيره را تعديل مي کند . داده جمع آوري شده در شبکه سنسور يا بايد به يک مکان مرکزي ( Sink ) انتقال داده شود يا اينکه در خود گره ها ذخيره شود .
مشکلاتي براي ذخيره داده در سنسور ها وجود دارد : اول اينکه يک سنسور تنها فضاي حافظه محدودي در اختيار دارد که از ذخيره مقادير زيادي داده جلوگيري مي کند. دوم اينکه سنسور ها توسط باطري عمل مي کنند و داده ذخيره شده هنگام اتمام باطري از بين مي رود سوم اينکه جستجوي داده ها در شبکه اي با تجمع داده هاي پخش شده ( Scattered ) مستلزم صرف هزينه انتقال بالايي است.
روش ديگر يعني ذخيره در Sink مستلزم انتقال تمام داده ها به گره مرکزي ( Sink ) است.

اين يک روش ايده آل براي ذخيره داده ها است. زيرا که ذخيره به صورت دائمي است. با اين حال قابليت انتقال هر گره در شبکه بسيار محدود است و ميزان زيادي داده نمي تواند به صورت کارا از شبکه به سينک انتقال داده شود. بعلاوه انتقال داده مستلزم صرف انرژي زيادي است و در نتيجه خالي شدن باطري سنسور به صورت سريع است به ويژه سنسورهاي اطراف سينک بسيار استفاده مي شود و در نتيجه با از بين رفتن آنها شبکه به سرعت تجزيه مي شود.
مي توان با افزايش کمي در هزينه هاي مالي بعضي گره هاي خاص با حافظه دائمي بيشتر مانند Flash Memory و همچنين با توان باطري بيشتر را در شبکه سنسور استفاده کرد. اين گره ها از داده سنسور هاي نزديک خود پشتيبان تهيه مي کنند و جستجو ها را پاسخ مي دهند.
داده ذخيره شده در هر Storage Node را مي توان به صورت دوره اي و با استفاده از ربوت ها به يک Data Ware House انتقال داد. فرضيات ما درباره ويژگي توليد داده، پخش Query و پاسخ به Query ها به شرح زير است
• براي توليد داده فرض مي کنيم هر گره نرخ rd داده در واحد زماني مي خواند و سايز داده ها در مرحله خواندن به اندازه sd است.

• براي پخش Query ها ، rq جستجو در واحد زماني از طرف کاربران ارائه مي شود و سايز Query ها sq است.
• براي پاسخ به Query ها فرض مي کنيم که اندازه داده ها براي پاسخ به Query نسبت از داده خام است که به آن نرخ کاهش ( Reduction Rate ) مي گوييم. نشانگر پاسخ به Query براي جستجوهايي از نوع تجمعي ( Aggregate ) است که جستجوي غالب در Sensor Network است.

مسائل مطرح شده در اين زمينه عبارتند از :
۱٫ مسئله قرار دهي گره هاي Storage در شبکه
۲٫ نحوه گزينش بهترين گره Storage ( از لحاظ هزينه ) توسط گره هاي ديگر که به آنها Forwarding Node مي گوييم
اين نحوه گزينش با توجه به شرايط پوياي شبکه هاي سنسوري از قبيل خرابي يا اتمام باطري گره ها و يا سرعت توليد داده تاثير مستقيم در ميزان مصرف انرژي و در نتيجه بازه حيات شبکه دارد در اين پروژه الگوريتم ارائه شده در مقاله Adaptive and Decentralized Data Storage Selection In Sensor Network پياده سازي شده است در اين مقاله الگوريتم ADSS ارائه شده است و هر Forwarding Node به صورت پيوسته شرايط محيط را چک مي کند و با توجه به آن بهترين گره Storage را براي خود به صورت Local انتخاب مي کند.

اولين بخش برنامه توليد گراف آغازين ( اوليه ) براي کارگذاري سنسورها در محيط است. محيط به شکل دايره و با مرکزيت گره Sink مي باشد. سنسورها با فرآيند تصادفي پوواسن دوبعدي در محيط قرار داده مي شوند. پس از قرار دادن سنسورها با توجه به انتقال داده سنسورها و يالها بين گره ها رسم مي شوند. بدين ترتيب که ابتدا با مرکزيت هر يک از سنسورها دايره اي با شعاع طول انتقال فرض مي شود گره هايي که درون مساحت يک دايره قرار مي گيرند به هم متصل مي شوند اين فرايند را در شکلهاي زير مشاهده مي کنيد:

شکل ۲: رسم دايره های با شعاع طول انتقال شکل۱: گره های شبکه

شکل ۳: تشکيل گراف اتصال

 

به منظور منطبق شدن با شرايط تغيير ( نرخ داده، تعداد ارسال مجدد در اطراف نودهاي ذخيره ) الگوريتم توزيع شده ما استراتژي شناسايي همسايه را به کار مي برد به اين صورت که ابتدا هزينه انتقال داده به نود فعال را محاسبه مي کند سپس هزينه انتخابهاي جايگزين را تخمين مي زند و بعد هزينه نودهاي فعال و جايگزين را مقاسيه مي کند و در نهايت انتخاب را به نود ذخيره با کمترين هزينه تغيير مي دهد و اين نود به عنوان نود فعال انتخاب مي شود.

استراتژي شناسايي ( Exploration )
اين ايده به اين صورت مي باشد که نود فعال نرخ داده خود را به نودهاي ديگر مي فرستد براي اينکه هزينه ها مقايسه شوند از آنجائيکه يک مجموعه از نودهاي جايگزين به هر ند فعال مربوط مي باشد ما اين نودها را به عنوان tentative node معرفي مي کنيم هزينه درست به همان روشي که براي نودهاي فعال محاسبه مي شود تعيين مي گردد ما نياز داريم که موارد زير را تعريف کنيم :

سياست شناسايي ( Exploration Policy ) براي انتخاب اينکه کدام نودها به عنوان tentative node بايستي انتخاب شوند. پيچيدگي ظريف فضاي راه حل مانع از در نظر گرفتن کسر کم مي شود بنابراين سياست بايستي براي انتخاب tentative node هيوريستکي انتخاب کند که به راه حل بهينه نزديک باشد بر طبق استراتژي شناسايي همسايه نودهاي همسايه نود فعال به عنوان tentative node انتخاب مي شوند.