Hakkında Künye

Kablosuz Sensör Ağları

Merhaba sevgili e-bergi okuyucuları =) Bu ayki sayımızda sizlere Kablosuz sensör ağlarından bahsetmek istiyorum.

Farklı mekanlardaki sıcaklık, nem, ışık, ses, basınç, kirlilik, toprak bileşimi, gürültü seviyesi, titreşim, nesne hareketleri ve gibi fiziksel ya da çevresel koşulları kooperatif bir şekilde izlemek için sensör kullanan ve birbirinden bağımsız çalışan araçlar içeren kablosuz ağlara "Kablosuz Sensör Ağı" denir. Tipik bir Kablosuz Sensör Ağ (Wireless Sensor Network WSN) kablosuz bir ortam aracılığı ile birbirine bağlanmış ve birbirleriyle bilgi alışverişi yapan yüzlerce hatta binlerce sensör düğümününden oluşur. Donanım ve kablosuz sistemlerdeki gelişmeler düşük maliyetli, düşük güç tüketimli, çok işlevli minyatür algılama aygıtlarının üretilmesine olanak sağlamıştır. Bu aygıtlardan yüzlercesi, binlercesi yardımıyla adhoc ağlar (dağıtılmış kablosuz ağ) oluşturulabilmektedir. Örneğin bu aygıtlar geniş bir coğrafyaya dağıtılarak kablosuz, adhoc bir ağ oluşturulmaktadır. Bu dağıtılan ve ağı oluşturan sensörler işbirliği yaparak bir algılama ağ sistemini oluşturmaktadır. Bir sensör ağı bilgiye her an, her yerden kolayca erişilmesini sağlar. Bu işlevi veriyi toplayarak, işleyerek, çözümleyerek ve yayarak yerine getirir. Böylece ağ, etkin bir şekilde zeki bir ortam oluşmasında rol oynamış olur.

Kablosuz Sensör Ağların Özellikleri

Kablosuz sensör ağlarının bir çok yararlı özelliği bulunmaktadır. Güvenilirlik, doğruluk, esneklik, maliyet verimliliği ve kurulum kolaylığı bu özelliklerin başında gelmektedir. WSN'ler insan bakımına gereksinim duymayan fiziksel olarak ayrılmış pek çok düğüm içerebilir. Düğüm bazında bakıldığında tek bir düğümün kapsamı küçük de olsa , yoğun olarak dağıtılmış düğümler eş zamanlı ve iş birliği prensipleriyle çalışabilir, böylece tüm ağın kapsamı genişletilmiş olur. Ayrıca sensör düğümleri yaşam tehlikesinin olduğu alanlara bırakılabilir ve dört mevsim
işlem yapabilir, bu yüzden bu düğümler algılama görevlerini her an yürütebilirler. Bu kazanım WSN düğümlerinin yoğun biçimde yerleştirilmesi sonucu sağlanmıştır. Büyük makrosensörler kullanan ve kullanıcıya kadar kablolamaya ihtiyaç duyan geleneksel sensörlü sistemlerin aksine hem çok daha iyi bir performans gösterirler ve hataya karşı daha fazla tolerans tanırlar. Öyle ki; eğer bir makrosensör düğümü hata verir ya da işlemi durur ise; sistem, fonksiyonunu sensörün bulunduğu alanda tamamen yitirirken, ayın alan içerisinde bulunan WSN'lerde mikrosensör düğümlerinin küçük bir kısmı hata verirse, WSN kabul edilebilir derecede bilgi üretmeye devam edebilir, çünkü çıkarılan veri gereğinden fazladır. Dahası, her sensör düğümü kablosuz iletişim yeteneğine ve sinyal işleme ile veri yaymaya yetecek donanıma sahip olarak üretilir. Sınırlı enerji, işlem gücü ve iletişim kaynaklarına sahip olması geniş bir alanda oldukça yüksek sayıda sensör kullanımını gerektirmektedir. Bu büyük sayı kullanımı sensör ağının hareket eden nesnenin gerçek hızı, yönü, boyutu ve özelliklerini, tek bir sensöre göre daha yüksek bir doğrulukta bildirmesini sağlar. Üstelik WSN’lerin makrosensörlü sistemdeki karşıtlarından küçültülmüş boyutları , düşük fiyatları ve yerleşim/kurulum aşamasındaki kolaylıkları ile daha düşük maliyetli oldukları söylenebilir. Aynı zamanda neredeyse tüm çevre ortamlarında uygulanabilirler, özellikle mevcut kablolu ağların çalışmasının imkansız olduğu yada kullanılamayacağı savaş alanları, atmosferin dışı, derin okyanuslar gibi yerlerde kullanılabilirler.

Kablosuz Sensör Ağların Uygulama Alanları

Kablosuz sensör ağının gelişiminin başlangıcı her ne kadar askeri uygulamalara dayansa da günümüzde, endüstriyel ve sivil uygulama alanlarında da kullanılmaktadır.

  • Askeri uygulama olarak; WSN'ler askeri komuta, kontrol, iletişim ,hesaplama, istihbarat, nezaret,keşif ve hedef tespit sistemlerinin ayrılmaz birer parçasıdırlar.
  • Belirli bir coğrafi alana yayılan yüzlerce yada binlerce , ufak ,ucuz, kendiniayarlayabilir kablosuz sensörler çevre izleme yada çevre kontrolü işlemlerinde geniş yelpazeli uygulamalarda kullanılabilir. Ayrıca zamanında ve etkin sağlık hizmetlerinin sağlanması ile insanlık için daha sağlıklı bir çevrenin oluşturulmasında da oldukça yardımcıdır.

  • WSN’ler belki de acil durumlarda yada felaket durumlarında yerleştirildikleri afet alanlarında etkili olabileceklerdir. Dağıtılmış WSN’ler aracılığı ile yapılan doğru ve zamanında yer tespiti, kurtarma operasyonlarında hayati önem taşır, yer tespitinin yanında ölü sayısı,potansiyel tehlikeler yada acil durumun kaynağı , kimlik tespit işlemleri ve kurtarılmayı bekleyen insanların tespiti de hayati verilerdir.
  • WSN’ler tüm insanlık için daha rahat ve akıllı yaşam alanlarının oluşturulmasında rol alabilir.Bu tür uygulamalara örnek verirsek; Uzaktan ölçüm: WSN’ler gaz,elektrik, oda sıcaklığı gibi verileri kablosuz ağ aracılığı ile istenen noktaya iletebilir.Ya da parkmetrenin süresinin dolmak üzere olduğunu araç sahibine iletebilir. Bununla birlikte teknolojinin gelişmesiyle birlikte çeşitli kablosuz sensörlerin kişisel mobilya yada araçlara iliştirilmesi mümkün kılınmıştır, bu sayede otonom bir ağ oluşturulabilir. Örnek olarak , akıllı bir buzdolabı ailenin doktordan alınan diyet programına göre buzdolabının envanterini tutup, alışveriş listesini tutan kişisel dijital asistana alınacaklar listesini gönderebilir.
  • Bilimsel Araştırmalar : Etkin bir şekilde yerleştirilmiş ve otomatik işlem yapabilen WSN’ler bilimsel araştırmaların daha yüksek,ileri ve derin ortamlara (uzayın ve okyanusun derinlikleri gibi) açılan yeni kapısıdır.
  • Etkileşimli Çevreleme: WSN’ler mayın bilgisini toplama konusunda ümit vaad eden mekanizmalar üretmişlerdir. Ucuz ve ufak kablosuz sensörlerin yayılması ile küçük yaştaki çocukların eğitimi güçlendirmek için “akıllı anaokulları” tasarlanabilir , çocukları izleme ve aktivitelerini yönlendirme işlemleri için WSN’ler kullanılabilir.
  • Gözetim Uygulaması: Anlık ve uzaktan gözetim WSN’lerden esinlenerek geliştirilen önemli uygulamalardan biridir.Örnek olarak ; çok sayıda akustik ağ sensörü ile belirlenen hedeflerin tespiti ve takibi belirli güvenlik kriterlerinin uygulandığı alanlarda kullanılabilir.WSN’ler bu gibi amaçlarla binalara, yerleşim alanlarına, hava alanlarına,tren istasyonlarına vs. yerleştirilerek ziyaretçilerin tanınması ve anlık olarak ana komuta merkezine iletilmesi gibi görevleri yerine getirebilir. Benzer şekilde duman algılayıcıları evlere, otel odalarına, okullara yerleştirilerek olası kaza, yangın ve felaketlerin farkedilerek en hızlı biçimde gerekli müdahelenin yapılmasını mümkün kılarlar.

Kablosuz Sensör Ağların Mimarisi: İşleyiş ve İletişim

Kablosuz sensör ağlarında çok sayıda sensör düğümü ve bu düğümlerin üzerinde bulunan bileşenler bulunur. Bu ağın temel elemanları algılama, veri işleme ve haberleşme özelliğine sahip sensör düğümlerdir. Bilindiği gibi sensör düğümler, herhangi bir kablo olmaksızın, izleyecekleri ortama rastgele saçılmış halde bulunurlar. Sensör düğümünün ana bileşenleri mikro denetleyici, alıcıverici, dışsal bellek, güç kaynağı ve bir veya daha fazla sensördür. İzlemenin yapıldığı ortamda toplanan veri genelde 3 seviyede işlenilir.

  1. İzlenilecek ortamdaki olaylar, sensör düğümler tarafından algılanır. Her bir sensör düğüm elde ettiği veriyi ayrı ayrı işlemektedir.
  2. İkinci seviye de her düğüm algılayıp, işledikleri veriyi komşularına yollamaktadır.
  3. Sensör ağ haberleşmesinde ki en üst katman, işlenmiş verinin baz olarak adlandırılan merkeze yollanılmasıdır.

Baza gönderilen veri eğer başka kıstaslar eşliğinde tekrar analiz edilecekse yada başka amaçlar için kullanılacaksa bu işlemlerin yapılacağı sistemlere yada merkezlere iletimi sağlanır. Bunların haricinde sensör ağ teknolojilerini gerçekleştirmede; donanım tasarımı, iletişim protokolleri ve uygulama tasarımlamada zorluklar çıkmaktadır. Sensör ağlarının topolojisinin çok sık değişmesi, sensörlerin noktadan noktaya iletişime dayanan ağlarda yayım iletişim paradigmasını kullanması, sensörlerin bozulmaya yatkın olmaları ve kısıtlı hesaplama yeteneği, güç ve hafızaya sahip olmaları ile çok fazla sayıda kullanılmaları sonucu oluşabilecek tıkanma ve çarpışmalar kablosuz sensör ağlarında karşılabilecek zorluklardır. Üstelik etkili bir ağa sahip olabilmek için fazla sayıda ucuz maliyetli sensöre, düşük enerji kullanımına, belleğin verimli kullanılmasına, verilerin toplanmasına, ağ özörgütlenmesine (çok sayıda düğüm ve bu düğümlerin erişimi zor ortamlarda ağın kendini örgütleyebilmesi) ve işbirlikçi sinyal işlemeye (birden fazla sensörden gelen veriyi birleştirmek) sahip olunmalıdır.


Kablosuz Sensör Ağlarının Mobil Adhoc Ağlara (Dağıtık Kablosuz Ağlar) Göre Avantajları

  • Binlerce sensörün dağıtılmasıyla çok geniş alanların kapsanmasına olanak sağlarlar.
  • Ağ oluşturmuş olan sensörler, bir sensörün hatası durumunda da doğru bir şekilde çalışmaya devam ederler. Böylece, yüksek seviyeli artıklık (redundancy) geniş ölçüde hata toleransı sağlamış olurlar.
  • Kablosuz sensör ağlar ayrıca sink düğümlerinin başka ağlara (İnternet, Geniş Alan Ağları, vb.) bağlantı sağlamasıyla uzaktan erişim olanağını arttırırlar.
  • Ayrık fenomenini (discrete phenomenon) yerelleştirerek güç tüketimini azaltabilirler.
  • İnsan müdahalesini ve yönetimini azaltabilirler.
  • Gözetimsiz, erişimi zor bölgelere ortamlarda çalışabilirler.
  • Değişen ağ durumlarına devingen olarak tepki gösterebilirler.

Kablosuz Sensör Ağlarda Güvenlik

Güvenlik ve Gizlilik birçok WSN uygulamasında aşırı derecede öneme sahiptir. Bu uygulamalardan bazıları ; savaş alanlarında kullanılan hedef izleme ve takip sistemleri, kanun yaptırımı uygulamaları , otomotiv telemetrik uygulamaları, işyerlerinde odaların izlenmesi, benzin istasyonlarında sıcaklık ve basınç ölçümleri ve orman yangın tespit sistemleridir. Tüm bu uygulamalar çok sayıda yarara sahiptir ve geliştirilme potansiyelleri yüksektir; ancak sensör bilgisi düzgün bir şekilde korunmaz ise bilginin yanlış sonuçlara yol açacak şekilde tahrip edilmesi olasıdır.

Sensör Network çalışmaları en hızlı biçimde askeri uygulamalarda kendini göstermektedir, bu alandaki güvenliğin önemi herkesce bilinmektedir. Savaş alanı hakkında bilgiyi , kimsenin hayatını riske atmadan toplayabilmesine karşın , tatmin edici bir şekilde korunmayan WSN’ler düşmanın eline geçtiğinde güçlü bir silah olarak kullanılabilir.Bu tip uygulamalar için sağlam güvenlik önlemleri alınmalıdır.

WSN’lerin ticari uygulamalarında ise “Gizliliğin Korunumu” meselesi , ağın güvenli ve stabil halde çalışır olması kadar önemle ele alınmalıdır. Kişiler hakkındaki fizyolojik yada psikolojik bilginin güvenliği her kullanıcı tarafından korunması gereken bilgiler içerisindedir. WSN uygulamaları ne kadar yaygınlaşırsa ve karmaşıklaşırsa, bu sistemlerin yetkisiz kullanıcılara karşı korunmasının önemi artacaktır.Sensör Network uygulamaları çok çeşitli fiziksel ortamlarda ve kısıtlamalar altında çalışmaktadır. Sensör network düğümlerinin etkin bir şekilde kullanılması için her uygulama için farklı uyarlamalar ve tasarımlar gerekecektir. Çünkü güvenlik ve gizliliğin sağlanması önemli ölçüde hesaplama ve depolama kaynağının kullanılmasını gerektirir. Güvenliği sağlamak için gerekli mekanizmalar, hedef uygulamanın mimari yapısına ve içinde bulunduğu fiziksel çevreye uygun hale getirilmelidir.

Kablosuz ağın güvenliğini tehlikeye atan düşman saha, kaynakların sınırlılığı, ağ içinde işlem yapma ve uygulamaya özel mimari yapı gibi özelliklerden korunmak için gereksinimler şunlardır:

  • Dışardan gelen saldırılara karşı dayanıklılık
  • İç krizlere karşı direnç (tehlike altındaki düğümleri göz önüne alan mekanizmaların üretilmesi)
  • Güvenliğin gerçekçi seviyesi (sensör ağların uygulamadan uygulamaya güvenlik gereksinimlerinin değişim göstermesi)
  • Veri gizliliği (Bir sensör ağ kesinlikle sensör bilgisini komşu ağlara sızdırmamalıdır.)
  • Veri doğrulama/ Kimlik denetimi (Veri doğrulama, alıcının mesajın gerçekten belirtilen gönderenden gelip gelmediğini kontrol etmesine olanak verir.)
  • Veri bütünlüğü (Haberleşmede veri bütünlüğü, alıcının aldığı verinin art niyetli kişilerce aktarım sırasında değiştirilmediğine karşı garanti verir.)
  • Verinin tazeliği (Sensör ağlar anlık değişen verileri/ölçümleri algılayıp işlediği için her mesajın tazeliğinin de garanti edilmesi gerekir.)
  • Kullanılabilirlik (Kullanılabilirliği sağlamak , sensör ağın ömrü boyunca fonksiyonelliğini yitirmeden çalışması)
  • Hizmet bütünlüğü (Örneğin; senkronlama hizmeti)

Gelebilecek muhtemel saldırılara karşı WSN'lerin "Gizlilik ve Kimlik Doğrulama", "Anahtar Tespiti ve Yönetimi", "Broadcast/Multicast Kimlik Doğrulama" gibi tedbirler alması gerekir.

Kablosuz Sensör Ağların Uygulama Örnekleri

Ortam kirliliklerinin belirlenmesi, uzak yerlerin gözlenmesi ve hatta müşteri davranışlarının izlenmesi, sensör ağlarının uygulamaları arasında sayılabilir.Araştırmacılar sensör ağları teknolojilerini, geleneksel kablosuz ağlarla çözülmesi zor olan problemlere uyarlamaya çalışmaktadır. Aşağıda bu çalışmalardan bazı örnekler incelenebilir:

  • Habitat (bitki, hayvan) izleme ve çevresel gözlem, hava durumu tahminleme sistemleri
  • Sağlık uygulamaları (hasta, doktor takibi, hasta fizyolojik psikolojik durum izleme, vb.)
  • Enerji tedarik ve aktarma sistemleri (üretim, dağıtım, tüketim yapılarında)
  • Ev ve ofis uygulamaları (zeki anaokulu)
  • Uzak yerlerin, konumların çözümlenmesi (tornado hareketi, orman yangın tespiti, vb.)
  • Geniş bir metropol alanındaki taksilere sensörler yerleştirilerek trafiğin gözlenmesi ve bu gözlemlere dayanarak rotaların etkin planlanması
  • Bir park yerindeki boş ve dolu alanların sensör ağlarıyla belirlenmesi
  • Kablosuz gözetim sensör ağlarıyla alışveriş merkezi, araba garajı veya benzeri tesislerde güvenlik sağlama
  • Düşman hareketlerini belirleme, bulmak ve izlemek için askeri sensör ağlar
  • Terörist saldırılara karşı tetikteliği arttıran sensör ağlar vererek eyleme geçmelerini sağlayabilir veya komutanına danışabilir. Karar eylemlerinde (saldırı gibi) sadece ana karargah bilgiye dayanarak bir karar verebilir.
  • Ormanların yangın için gözlenmesi ve nesli tükenmekte olan hayvanların izlenmesi

Sonuç olarak bu ucuz fakat oldukça yetenekli kablosuz sensör ağlar bütün bu özellikleri sayesinde oldukça geniş bir yelpazede rahatlıkla kullanılabilir. Ebergiyle kalın.. :)

Kaynaklar:



Betül Dolay
- 6 -