طراحی و پیاده‌سازی سخت‌افزاری لایه فیزیکی نوری برای کاربرد در شبکه حسگر بی‌سیم

نویسندگان

دانشکده مهندسی - دانشگاه شهید چمران اهواز - اهواز

چکیده

شبکه حسگر بی‌سیم متشکل از گره‌های ارزان، چندکاره و با اندازه کوچک هستند که می‌توانند عملیات حس کردن محیط، جمع‌آوری و پردازش داده و برقراری ارتباط را انجام دهند. امروزه با توسعه ارتباطات بی‌سیم، به نرخ‌داده بالاتری به‌ویژه برای کاربردهای چندرسانه‌ای نیاز است. ارتباطات بی‌سیم نوری (OWC) می‌تواند نرخ داده بالاتر و ارتباطی بسیار امن نسبت به ارتباط رادیوئی فرکانس بالا فراهم کنند و در کاربردهایی مانند ارتباطات نوری زیر آب بسیار مفید می‌باشد. در این مقاله یک شبکه حسگر بی‌سیم با توانایی انتقال داده به‌صورت نوری طراحی و ساخته شده‌است. قسمت‌های مختلف گره حسگر طراحی شده، به‌صورت عملی آزمایش می‌شود و سپس پارامترهای ارتباط نوری اندازه‌گیری خواهد شد. همچنین یک پروتکل دسترسی به رسانه مناسب شبکه حسگر بی‌سیم نوری مناسب ارائه می‌گردد. در شبکه حسگر بی‌سیم نوری طراحی شده، همه بخش‌های گره و سرخوشه ماژولار هستند بدین معنی که می‌توان فرستنده، گیرنده و حسگرها را دوباره طراحی و جایگزین کرد. نتایج آزمایش نشان می‌دهد که بیشینه فاصله انتقال داده با نرخ داده 300 و 600 بیت بر ثانیه برابر 18 متر با نرخ خطای بیتی صفر درصد و 21 متر با نرخ خطای بیتی 10 درصد می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and Hardware Implementing of Optical Physical Layer for Wireless Sensor Network Applications

نویسندگان [English]

  • A. Tahmasi
  • Y. Seifi Kavian
  • H. Kaabi
Faculty of Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Wireless sensor network (WSN) consists of some small and cheap nodes which could communicate together, process gathered data, and sense the environment. Today’s developments in wireless communication systems, causes higher data rate for multimedia applications. The optical wireless communication (OWC) can provide higher data rates and more secured communication links rather that radio frequency (RF) technology for some applications such as underwater communications. In this paper, the optical technology is employed for data transmission in WSNs. An optical wireless sensor network (OWSN) is realized based on sensor nodes and cluster head (CH). Different hardware parts of designed sensor boards are evaluated and the optical communication parameters are measured. An optimized media access control protocol called VMAC is presented. In the proposed OWSN, both nodes and CH are modular. The experimental results show that the maximum transmission distance for 300bps and 600bps baud rates are 18m with 0% BER and 21m with 10% BER, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wireless sensor network
  • optical wireless communication
  • radio frequency
  • media access control
  • bit error rate

مراجع

[1] H. R. Sharif and Y. S. Kavian, Technological Breakthroughs in Modern Wireless Sensor Applications, IGI Global, 2015.
[2] M. Tarhani, Y. S. Kavian, and S. Siavoshi, "SEECH: Scalable energy efficient clustering hierarchy protocol in wireless sensor networks," IEEE Sensors Journal, vol. 14, pp. 3944-3954, 2014.
[3] I. Bekmezci and F. Alagöz, "Energy efficient, delay sensitive, fault tolerant wireless sensor network for military monitoring," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 5, pp. 729-747, 2009.
[4] A. Khosravi and Y. S. Kavian, "Broadcast Gossip Ratio Consensus: Asynchronous Distributed Averaging in Strongly Connected Networks," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 65, pp. 119-129, 2017.
[5] I. F. Akyildiz, T. Melodia, and K. R. Chowdhury, "A survey on wireless multimedia sensor networks," Computer networks, vol. 51, pp. 921-960, 2007.
[6] A. Goldsmith, Wireless communications, Cambridge university press, 2005.
[7] J. M. Kahn and J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, pp. 265-298, 1997.
[8] L. Chevalier, S. Sahuguede, and A. Julien-Vergonjanne, "Optical Wireless Links as an Alternative to Radio-Frequency for Medical Body Area Networks," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 33, pp. 2002-2010, 2015.
[9] Z. Ghassemlooy, W. Popoola, and S. Rajbhandari, Optical wireless communications: system and channel modelling with Matlab®, CRC Press, 2012.
[10] A. C. Boucouvalas, "Challenges in optical wireless communications, " Optics and Photonics news, vol. 16, pp. 36-39, 2005.
[11] M. Kavehrad, "Sustainable energy-efficient wireless applications using light," IEEE Communications Magazine, vol. 48, pp. 66-73, 2010.
[12] H. Elgala, R. Mesleh, and H. Haas, "Indoor optical wireless communication: potential and state-of-the-art," IEEE Communications Magazine, vol. 49, pp. 56-62, 2011.
[13] S. Nakamura, S. Pearton, and G. Fasol, The blue laser diode: the complete story, Springer Science & Business Media, 2013.
[14] N. Agrawal, S. D. Milner, and C. C. Davis, "Design and performance of a directional media access control protocol for optical wireless sensor networks," Journal of Optical Communications and Networking, vol. 6, pp. 215-224, 2014.
[15] R. Xie, W.-H. Yang, and Y.-C. Kim, "Reconfigurable routing protocol for free space optical sensor networks," Sensors, vol. 12, pp. 4824-4845, 2012.
[16] A. Desai and S. Milner, "Autonomous reconfiguration in free-space optical sensor networks," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 23, pp. 1556-1563, 2005.
[17] Y. S. Kavian, Intelligent Systems for Optical Networks Design: Advancing Techniques, IGI Global, 2013.
[18] A. Atmega128, "8-bit Microcontroller datasheet, 2003, USA, California: Atmel Corporation.
[19] D. C. Daly and A. P. Chandrakasan, "An energy-efficient OOK transceiver for wireless sensor networks," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, pp. 1003-1011, 2007.
[20] V. T. Semiconductor, "Photo modules for pcm remote control systemstsop1738," Datasheet from: www. DatasheetCatalog. com, 2001.
[21] C. C. Davis, I. I. Smolyaninov, and S. D. Milner, "Flexible optical wireless links and networks," IEEE Communications Magazine, vol. 41, pp. 51-57, 2003.
[22] H.-k. Lee and S.-L. Kim, "Network coded ALOHA for wireless multihop networks," in 2009 IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2009, pp. 1-5.
[23] Y. S. Kavian and H. Rasouli, "Adaptive IEEE 802.15. 4 MAC Protocol for Wireless Sensor Networks," Technological Breakthroughs in Modern Wireless Sensor Applications, p. 109, 2015.
[24] مهدی سبزواری و محمد نصیری، «روشی توزیع شده برای زمانبندی سلول در شبکه‌های بیسیم مبتنی بر 802.15.4e با هدف کاهش تأثیر پدیده قیفی»، مجله مهندسی برق تبریز، جلد 46، شماره 3، صفحه 232-222، 1395.
[25] معصومه واعظی و محمدعلی جبرئیل جمالی، «پروتکل مسیریابی جدید مبتنی بر کیفیت خدمات در شبکه‌های حسگر بی‌سیم با تحلیل سلسله مراتبی»، مجله مهندسی برق تبریز، جلد 46، شماره 2، صفحه 367-355، 1395.
[26] A. Tahmasi, H. Hematkhah, and Y. S. Kavian, "Visible light communication based optical link for data transmission in Wireless Sensor Networks," in Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP), 2016 10th International Symposium on, 2016, pp. 1-6.
 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار