Πολυ-Κριτηριακή Αξιολόγηση Δικτύων Ασυρμάτων Αισθητήρων Υψηλής Χωρικής Πυκνότητας για Περιβαλλοντικές Εφαρμογές

Abstract

Η τεχνολογία των δικτύων ασυρμάτων αισθητήρων (WSN) έχει εξελιχθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια και αποτελεί πλέον ένα ισχυρό εργαλείο σε θέματα Γεωπληροφορικής. Σημαντικής βαρύτητας εφαρμογή, ανάμεσα σε άλλες, αποτελεί η εποπτεία περιβάλλοντος για διάφορους σκοπούς και τα συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης. Παρόλο που η χρησιμότητα της εφαρμογής διατάξεων δικτύων αισθητήρων στο περιβάλλον ήταν γνωστή εδώ και μερικά χρόνια, μόλις το τελευταίο διάστημα η εξέλιξη της τεχνολογίας τους και το συνεχές μειούμενο κόστος τους αφενός επέτρεψαν και αφετέρου υπέδειξαν την έρευνα σχετικά με την εφαρμογή τους σε ευρεία κλίμακα. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η εκ των προτέρων αξιολόγηση και σχεδίαση διατάξεων ασύρματων δικτύων αισθητήρων υψηλής χωρικής πυκνότητας και ευρείας κλίμακας, τα οποία προορίζονται για λειτουργία σε αφιλόξενα φυσικά περιβάλλοντα. Η ανάπτυξη σε ευρεία κλίμακα ενός αξιόπιστου δικτύου αισθητήρων και μάλιστα σε περιβάλλον μη φιλικό το οποίο δεν μπορεί να περιγραφεί συστηματικά αποτελεί ένα πολυπαραμετρικό πρόβλημα το οποίο χρήζει συντονισμένων προσεγγίσεων, αυτής της καθαρά δικτυακής αλλά και της τοπογραφικής – τοπολογικής διάταξης των αισθητήρων. Όσο αφορά την δικτυακή πτυχή του προβλήματος εξετάστηκαν αρκετοί εξομοιωτές WSN, επελέγη ο πιο κατάλληλος και παρήχθησαν μοντέλα εξομοίωσης σχετικά με την εξασθένιση του σήματος ανά κατηγορία περιοχής. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε λογισμικό για την χωροθέτηση των αισθητήρων στο πεδίο. Παράλληλα αναπτύχθηκε ευριστικός αλγόριθμος ο οποίος μέσω ανατροφοδότησης μεταξύ ενός αρχικού σεναρίου χωροθέτησης των αισθητήρων και προσομοίωσης της αξιοπιστίας του δικτύου (συνδεσιμότητα) καταλήγει στην εύρεση μιας εφικτής λύσης για το πρόβλημα, η οποία θα εξασφαλίζει και τις όποιες σχεδιασμένες εφεδρείες του δικτύου. Έπεται ο ορισμός του προβλήματος και η ανάλυση των δύο βασικών συνιστωσών του, τα αποτελέσματα που παρήχθησαν καθώς και τα θέματα που παραμένουν ανοικτά για μελλοντική ανάπτυξη.

In the past few years, Wireless Sensor Networks (WSN) technology has rapidly evolved and it therefore comprises a powerful tool in the field of Geoinformatics. Area monitoring not only for environment sake but also for a number of purposes and early warning systems, is an in-season application today of high importance. Despite the fact that the significance of large scale WSN deployment for environmental applications has been known for a number of years, only lately was it made possible for researchers to proceed to further investigation, due to technology advances in sensor platforms and their reduced cost. This doctoral dissertation aims to an ex-ante evaluation and design of High Density Wireless Sensor Networks in large areas, which are not systematically described. The deployment of reliable WSNs in hostile environments constitutes a multi-dimensional problem, which calls for two main ways of approach; the mere network approach and the one of topography – topology localization of sensors. As far as the network matter is concerned, various WSN simulators have been examined and the most appropriate of them has been chosen to be put into practice. Various simulation models have been produced with respect to signal attenuation per characteristic area. In the sequel, a piece of software for sensor localization purposes has been developed. What is more, a heuristic algorithm has been proposed which suggests an initial localization scheme for sensors and through network simulation procedures regarding the reliability and connectivity of the network, produces feedback to it. The execution of the heuristic algorithm resolves to a feasible solution of the problem with respect to network redundancy as well. Attending, the problem definition along with its two main components, are referenced. In the sequel, the produced results of the research are analyzed and further challenges regarding large scale area coverage with high density WSNs are discussed.