センサーノード - 百科事典
### センサーノード（北米ではモートと呼ばれることもあります）は、以下のような機能を持つセンサーネットワークの個々のノードです：データを収集、処理、または他のネットワーク上のノードと通信すること。
歴史
無線センサーネットワークは数十年にわたって存在し、地震測定や軍事など多様な応用に使われてきましたが、現代の小さなセンサーノードの開発は1998年のSmartdustプロジェクトとNASAに遡ります。Smartdustプロジェクトの目的の一つは、立方ミリメートルの空間内で自律的なセンシングと通信を創造することでしたが、このプロジェクトは早い段階で終了しましたが、それにより多くの研究プロジェクトや主要な研究センター、例えばバークリーNESTやCENSが生まれました。これらのプロジェクトに関わった研究者たちは、センサーノードを指すために「モート」という用語を創出しました。NASAのセンサーネットワークプロジェクトで物理的なセンサーノードに対応する用語は「ポッド」と呼ばれますが、センサウェブのセンサーノードは他のセンサーウェブ自体でも可能です。物理的なセンサーノードはムーアの法則に従って、効果と能力を高めることができます。
チップの footprintにはより複雑で低消費電力のマイクロコントローラが含まれています。したがって、同じノード footprintに、より多くのシリコン機能を収めることができます。現在、モートは最も長い無線範囲（数十km）、最も低いエネルギー消費（数マイクロアンペア）、ユーザーにとって最も簡単な開発プロセスを提供することに焦点を当てています。
要素
センサーノードの主な要素は、通常マイクロコントローラ、トランスceiver、外部メモリ、電源、および1つまたは複数のセンサーです。
= センサー =
無線センサーノードは、環境からのデータをキャプチャするためにセンサーを使用します。これらは、温度や圧力などの物理条件の変化に対して測定可能な応答を生成するハードウェアデバイスです。センサーは監視するパラメータの物理データを測定し、精度や感度などの特定の特性を持っています。センサーが生成する連続的なアナログ信号は、アナログ・デジタルコンバータによってデジタライズされ、さらに処理するためにコントローラに送信されます。一部のセンサーには、元の信号を読み取れるようにデジタルリンク（例：I2C、SPI）に変換する必要な電子機器が含まれています。多くのセンサーは単位に変換します（例：°C）。ほとんどのセンサーノードは小さいサイズで、エネルギー消費が少なく、高容積密度で、自律的で無人で運用でき、環境に適応できます。無線センサーノードは非常に小さな電子デバイスであり、0.5-2アンペア時間未満の電力源と1.2-3.7ボルトを搭載することができます。
センサーは、無償の通信スペクトルと世界的な利用可能さを持つISMバンドを使用するため、無線センサーノードによく使用されます。無線伝送媒体の選択肢には、ラジオ周波数（RF）、光通信（レーザー）、および赤外線があります。レーザーはエネルギー消費が少なく、通信には視線が必要ですが、大気条件に影響を受けます。赤外線はレーザーと同様にアンテナが必要ありませんが、放送能力に限界があります。周波数に基づく通信は、WSNアプリケーションに最も適しています。WSNは、無許可の通信周波数を使用する傾向があります：173、433、868、および915 MHz；および2.4 GHz。トランスミッターとレシーバーの機能は、トランスceiverという一つのデバイスに統合されています。トランスceiverにはユニークな識別情報がなく、操作状態は送信、受信、待機、睡眠です。現在のトランスceiverには、自動的に操作を実行するための内蔵状態マシンが含まれています。
待機モードでのトランスceiverの消費電力は、受信モードでの消費電力とほぼ同じです。したがって、トランスミッティングまたは受信を行っていない場合には、トランスceiverを待機モードに留めるよりも完全にシャットダウンすることがより良いです。パケットを送信するために、スリープモードから送信モードに切り替えるときには、非常に多くの電力が消費されます。
= コントローラ =
コントローラは、タスクを実行し、データを処理し、センサーノード内の他のコンポーネントの機能を制御します。最も一般的なコントローラはマイクロコントローラですが、コントローラとして使用できる他の選択肢には、汎用デスクトップマイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、FPGA、およびASICがあります。マイクロコントローラは、コストが低く、他のデバイス（またはネットワーク内のノード）に接続する柔軟性、プログラミングの簡単さ、低消費電力のために多くのセンサーノードで使用されます。汎用マイクロプロセッサは、マイクロコントローラよりも高い消費電力を持ち、センサーノードに対して望ましくありません。デジタルシグナルプロセッサは、広帯域無線通信アプリケーションに選択されることがありますが、無線センサーネットワークでは、無線通信は通常控えめです：つまり、よりシンプルで処理が容易なモダリズム、データの実際の検出の信号処理タスクはより複雑ではありません。したがって、DSPの利点は通常、無線センサーノードに対して重要ではありません。FPGAは要件に応じてリプログラムおよびリカンファイグメントができますが、これは期待よりも多くの時間とエネルギーを要します。
トランスceiver
センサーノードは、通常ISMバンドを使用し、無料のラジオ、スペクトル割り当て、および世界的な利用可能さを提供します。無線伝送媒体の選択肢には、ラジオ周波数（RF）、光通信（レーザー）、および赤外線があります。レーザーはエネルギー消費が少なく、通信には視線が必要ですが、大気条件に影響を受けます。赤外線はレーザーと同様にアンテナが必要ありませんが、放送能力に限界があります。周波数に基づく通信は、WSNアプリケーションに最も適しています。WSNは、無許可の通信周波数を使用する傾向があります：173、433、868、および915 MHz；および2.4 GHz。トランスミッターとレシーバーの機能は、トランスceiverという一つのデバイスに統合されています。トランスceiverにはユニークな識別情報がなく、操作状態は送信、受信、待機、睡眠です。現在のトランスceiverには、自動的に操作を実行するための内蔵状態マシンが含まれています。
待機モードでのトランスceiverの消費電力は、受信モードでの消費電力とほぼ同じです。したがって、トランスミッティングまたは受信を行っていない場合には、トランスceiverを待機モードに留めるよりも完全にシャットダウンすることがより良いです。パケットを送信するために、スリープモードから送信モードに切り替えるときには、非常に多くの電力が消費されます。
= 外部メモリ =
エネルギーの観点から最も関連のある種類のメモリは、マイクロコントローラのオンチップメモリとフラッシュメモリです。オフチップRAMはほとんど使用されません。フラッシュメモリは、コストとストレージ容量のために使用されます。メモリ要件は、アプリケーションによって大きく異なります。ストレージの目的に基づいて、以下の2つのカテゴリのメモリがあります：アプリケーションに関連するデータや個人データを保存するユーザーメモリ、およびデバイスをプログラムするために使用されるプログラムメモリ。プログラムメモリには、存在する場合、デバイスの識別データが含まれています。
= 電源 =
無線センサーノードは、電源コードをセンサーノードに引くことが難しい場合や不可能な場合に人気のある解決策です。しかし、無線センサーノードはしばしば至難の場所に配置されるため、バッテリーを定期的に交換することは高価で不便です。無線センサーノードの開発における重要な要素の1つは、システムに常に十分なエネルギーがあることを確実にすることです。
センサーノードは、センシング、通信、データ処理のために電力を消費します。データ通信には他のすべてのプロセスよりも多くのエネルギーが必要です。1キロバイトのデータを100メートル（330フィート）の距離で送信するためのエネルギーコストは、100メガインストラクション毎秒/Wのプロセッサが3000万のインストラクションを実行するためのエネルギーにほぼ同等です。エネルギーはバッテリーやコンデンサーに蓄えられます。リチウムイオンなど、電極に使用される電気化学材料に応じて、充電可能および充電不可能のバッテリーが主な電源です。
現在のセンサーは、太陽エネルギー、無線周波数（RF）、温度差、または振動からエネルギーを再生可能です。使用される2つの電力節約ポリシーは、動的電力管理（DPM）と動的電圧スケーリング（DVS）です。DPMは、現在利用されていないまたはアクティブでないセンサーノードの部分をシャットダウンすることで、エネルギーを節約します。DVSは、非決定論的な負荷に応じてセンサーノード内の電力レベルを変更します。周波数とともに電圧を変更することで、パワーコンsumptionの二乗減少を達成することが可能です。
参考事項
メッシュネットワーク
モバイルアドホックネットワーク（MANETS）
無線センサーノードのリスト
モバイル無線センサーネットワーク