mạng-cảm-biến-báo-cáo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây nơng nghiệp Nhóm Sinh viên thực : Lý Văn Nghiệp : Nguyễn Quang Minh : Nguyễn Hữu Trung : Nguyễn Đắc Chiến : Nguyễn Hoài Nam Lớp : ĐTƯD - K17A Giáo viên giảng dạy : TS Vũ Chiến Thắng Thái Nguyên, ngày tháng 11 năm 2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) kết cấu hạ tầng bao gồm thành phần cảm nhận (đo lường), tính tốn truyền thơng nhằm cung cấp cho người quản trị khả đo đạc, quan sát tác động lại với kiện, tượng môi trường xác định Các ứng dụng điển hình mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập liệu, theo dõi, giám sát y học… Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng Các nút mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường phân bố diện tích rộng, sử dụng nguồn lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) hoạt động mơi trường khắc nghiệt (như môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,…) Các nút cảm biến thường nằm rải rác trường cảm biến minh họa hình 1.1 Mỗi nút cảm biến có khả thu thập định tuyến liệu đến Sink/Gateway người dùng cuối Các nút giao tiếp với qua mạng vô tuyến adhoc truyền liệu Sink kỹ thuật truyền đa chặng Sink truyền thơng với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet vệ tinh hay mạng không dây (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) không cần đến mạng mà Sink kết nối trực tiếp với người dùng cuối Lưu ý rằng, có nhiều Sink/Gateway nhiều người dùng cuối kiến trúc thể hình 1.1 Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với nút cảm biến phân bố rải rác trường cảm biến Trong mạng cảm biến khơng dây, nút cảm biến có hai chức vừa khởi tạo liệu vừa định tuyến liệu Do vậy, việc truyền thơng thực hai chức là: Chức nguồn liệu: Các nút thu thập thông tin kiện thực truyền thông để gửi liệu chúng đến Sink Chức định tuyến: Các nút cảm biến tham gia vào việc chuyển tiếp gói tin nhận từ nút khác tới điểm đến tuyến đường đa chặng đến Sink 1.2 Những thách thức mạng cảm biến không dây 1.2.1 Những thách thức cấp độ nút Trong mạng cảm biến khơng dây, thách thức cấp độ nút cần phải giải công suất tiêu thụ, kích thước vật lý giá thành Cơng suất tiêu thụ yếu tố quan trọng nút mạng cảm biến khơng dây chúng thường sử dụng nguồn lượng pin nguồn lượng thấp bên ngồi Kích thước vật lý quan trọng yếu tố kích thước hình thức định đến ứng dụng tiềm cho mạng cảm biến không dây, nút mạng cảm biến khơng dây phải có kích thước nhỏ gọn Giá thành quan trọng nút mạng cảm biến khơng dây mạng cảm biến không dây thường triển khai với quy mô lớn Với việc triển khai hàng ngàn nút mạng cảm biến việc tiết kiệm giá thành vài đơla cho nút cho phép tiết kiệm khoản tiền đáng kể Hạn chế nghiêm trọng vấn đề tiêu thụ lượng có ảnh hưởng đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng chí kiến trúc mạng Đối với nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn linh kiện phần cứng có cơng suất thấp bố trí để giảm thiểu tối đa dịng rị hỗ trợ chế độ ngủ hiệu mặt lượng Phần mềm chạy nút cảm biến không dây cần phải tắt thành phần phần cứng không sử dụng đặt thành phần phần cứng chế độ ngủ nhiều tốt Nhờ hỗ trợ nhà phát triển phần mềm, nút mạng cảm biến chạy hệ điều hành cung cấp chế hoạt động cơng suất thấp giúp tiết kiệm lượng Vấn đề hiệu lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng việc thiết kế giao thức mạng Bởi q trình truyền thơng tiêu tốn nhiều lượng nên điều quan trọng xác định hướng kiểu truyền thông để chúng sử dụng hiệu tài nguyên sẵn có Để giúp giao thức mạng làm điều này, phần cứng phần mềm cần biết thông tin tiêu hao lượng cung cấp thơng tin đến tầng mạng Ngồi ra, để tiết kiệm lượng, người thiết kế hệ thống cần phải đặt thiết bị phần cứng chế độ ngủ nhiều tốt Tuy nhiên, chế độ ngủ ảnh hưởng đến trễ truyền thông hệ thống Kích thước vật lý giá thành có ảnh hưởng lớn nhà thiết kế phần cứng lẫn phần mềm Đối với nhà thiết kế phần cứng ảnh hưởng phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng linh kiện cần phải ít, linh kiện cần phải có kích thước nhỏ rẻ tiền Những ảnh hưởng nhà thiết kế phần mềm rõ rệt Với chi phí thấp, kích thước vật lý nhỏ, cơng suất tiêu thụ thấp vi xử lý mà phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn hơn, tốc độ tính tốn kích thước nhớ vi xử lý bị giảm bớt Các nhà thiết kế phần mềm cho hệ thống mạng cảm biến không dây thường có vài ngàn Byte nhớ để làm việc so với hàng triệu hàng tỉ Byte nhớ hệ thống máy tính thơng dụng Do đó, phần mềm cho nút mạng cảm biến khơng dây khơng cần hiệu lượng mà cịn phải có khả chạy mơi trường hạn chế nghiêm ngặt tài nguyên (năng lượng, nhớ, khả xử lý hạn chế) 1.2.2 Những thách thức cấp độ mạng Những thách thức cấp độ nút mạng cảm biến không dây cần giải hạn chế nguồn tài nguyên sẵn có, thách thức cấp độ mạng cần giải lại vấn đề quy mô lớn mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây có tiềm lớn quy mơ, số lượng nút tham gia vào hệ thống liệu tạo nút Trong nhiều trường hợp, nút cảm biến không dây thu thập lượng lớn liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn nút cảm biến Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến mạng cảm biến khơng dây Định tuyến q trình mạng xác định tuyến đường tốt để truyền tin qua mạng Định tuyến thực tập trung phân tán Với định tuyến tập trung máy chủ tính tốn đồ định tuyến cho tồn mạng, cịn với định tuyến phân tán nút thực tự định lựa chọn tuyến đường để gửi tin Thiết kế giao thức định tuyến quan trọng ảnh hưởng đến hiệu mạng xét lượng liệu mà mạng trì tốc độ liệu để vận chuyển liệu thành cơng qua mạng hết khoảng thời gian tồn mạng đảm bảo Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền thơng tin địi hỏi lượng Các nút thực truyền thông tin nhiều lượng nhanh so với nút khác thường chế độ ngủ Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn đầy đủ thông tin lập kế hoạch vận chuyển tin qua mạng Đối với nút thực lựa chọn thơng tin định tuyến u cầu thơng tin mạng tồn nút lân cận gần Thơng tin địi hỏi cần phải có nhớ Tuy nhiên, nút có số lượng nhớ hạn chế Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn cách kỹ lưỡng để giữ lại thông tin mạng, nút lân cận cần thiết bỏ qua thông tin không cần thiết khác Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động kênh truyền không đáng tin cậy, điều làm cho vấn đề định tuyến gặp nhiều khó khăn Trong kênh truyền thơng vơ tuyến cơng suất thấp khơng chắn tin gửi nút tin nhận nút đích dự kiến trước mạng Bản tin bị gián đoạn bị chặn hoàn toàn vật lớn kim loại vừa đặt phía gửi phía nhận Ngay tin khơng bị chặn hồn tồn bit bị thay đổi đường truyền Tính chất khơng đáng tin cậy mạng cảm biến không dây gọi "tổn hao" Tổn hao nên coi đặc tính vốn có mạng cảm biến khơng dây Vấn đề tổn hao mạng cảm biến không dây thách thức giao thức định tuyến Các giao thức định tuyến phải tính tốn vấn đề tổn hao định tuyến đường để truyền tin tin cần phải gửi lại Các tin định tuyến cho nguy mát tin thấp Nhưng tin truyền qua tuyến đường xảy việc liệu tin cần gửi lại vài lần trường hợp tin gửi qua mạng lần thử Tổn hao thuộc tính khó xác định, đặc biệt mạng khơng dây Tổn hao bị ảnh hưởng yếu tố môi trường nhiệt độ độ ẩm không khí mơi trường vật lý xung quanh mạng cảm biến khơng dây Ví dụ, lị vi sóng bật lên, trường điện từ mà tạo can thiệp vào băng tần truyền không dây 2.4GHz Tương tự vậy, mạng máy tính WiFi ảnh hưởng tới mạng cảm biến khơng dây, mạng cảm biến không dây thường bị liệu nhiều vào ban ngày, mà người sử dụng mạng WiFi vào ban đêm Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây cần phải chuẩn bị trước cho vấn đề Tính chất quy mơ lớn mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm việc định địa nút Trong mạng quy mô lớn, nút phải có địa riêng để tin gửi tới Các địa cần có độ dài đủ lớn cho nút mạng quy mơ lớn phải có địa riêng biệt Và mạng có quy mơ nhỏ tương tác với nút mạng khác bên Trong trường hợp này, địa nút hai mạng phải Vì số lượng mạng cảm biến khơng dây tương tác với mạng khác bên ngày tăng, nên cần phải chuẩn bị cho quy mô phát triển theo cấp số nhân Do đó, chế định địa cho mạng cảm biến không dây phải xác định vài triệu, chí vài tỷ nút mạng riêng biệt Việc quản lý mạng mạng cảm biến không dây quy mô lớn thách thức vơ khó khăn Với mạng cảm biến khơng dây bao gồm hàng ngàn nút việc thực quản lý mạng theo cách truyền thống áp dụng Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi điều chỉnh sở hạ tầng mạng thủ công quản trị viên hệ thống Với mạng cảm biến không dây dạng Ad-hoc, mạng phải chuẩn bị để tự quản lý mà khơng có điều hành mạng người Ngoài ra, mạng máy tính truyền thống, máy tính kết nối mạng u cầu cấu hình thủ cơng bán thủ cơng Ví dụ người dùng máy tính cần phải nhập mật để truy cập mạng Đối với mạng cảm biến không dây điều khơng khả thi cho người nhập mật vào nút mạng cảm biến thời điểm cần truy cập mạng Một mạng cảm biến không dây phải cung cấp chế truy cập từ bên ngồi Có trường hợp mà mạng cảm biến không dây sử dụng cô lập, thông thường liệu tạo mạng cảm biến không dây cần phải lấy để xử lý lưu trữ nơi khác Ngoài ra, mạng cảm biến khơng dây cần phải cấu hình lại thay đổi trình hoạt động Trong hai trường hợp, mạng cảm biến không dây phải cho phép truy cập từ bên 1.2.3 Sự chuẩn hóa Tiêu chuẩn yếu tố then chốt thành công mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây biết đến không số lượng lớn nút ứng dụng tiềm mà biết đến với việc có nhiều tiêu chuẩn, nhiều nhà sản xuất nhiều cơng ty khác quan tâm đóng góp mặt công nghệ Các công nghệ sản xuất khác có tiêu chuẩn khác Một nhà sản xuất thiết bị cảm biến chuyên cảm biến độ ẩm xác cao khơng quan tâm đến hệ thống công nghệ thông tin Tuy nhiên, hai phải làm việc hệ thống tòa nhà tự động, cảm biến độ ẩm tạo đầu vào cho việc kiểm sốt mơi trường tồ nhà Hệ thống kiểm sốt mơi trường điều khiển hệ thống công nghệ thông tin tiên tiến, chúng tiếp nhận đầu vào từ cảm biến độ ẩm Nếu khơng có chuẩn hóa nhà sản xuất thiết bị nhà tích hợp hệ thống cần phải xây dựng toàn hệ thống hệ thống cài đặt Ngoài ra, nhà sản xuất nhà tích hợp sử dụng công nghệ độc quyền từ nhà cung cấp riêng lẻ Cơng nghệ độc quyền cung cấp lợi ích thời gian ngắn, làm cho nhà sản xuất nhà tích hợp gặp khó khăn việc phát triển hệ thống họ vượt ngồi cơng nghệ độc quyền nhà cung cấp Ngồi ra, cơng nghệ độc quyền nhà cung cấp cơng nghệ điều khiển tương lai công nghệ mà nhà sản xuất nhà tích hợp Với việc chuẩn hóa cơng nghệ cơng nghệ độc lập với nhà cung cấp, nhà sản xuất người dùng Bất kỳ nhà cung cấp lựa chọn để cung cấp hệ thống dựa công nghệ Các nhà sản xuất thiết bị, nhà tích hợp hệ thống lựa chọn để xây dựng hệ thống họ dựa công nghệ từ nhà cung cấp Tiêu chuẩn hóa cơng nghệ có ưu điểm lớn việc chấp nhận điều khoản Khi công nghệ chuẩn hóa nhà cung cấp, nhà sản xuất nhà tích hợp hệ thống dễ dàng chọn cơng nghệ mà khơng có rủi ro từ nhà cung cấp Vấn đề chuẩn hóa cơng nghệ mạng cảm biến khơng dây thách thức không mặt công nghệ mà điều khoản tổ chức Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác công nghệ, từ công nghệ truyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định tuyến, truy cập mức ứng dụng tích hợp hệ thống cơng nghệ thơng tin Mỗi cấp độ có thách thức kỹ thuật riêng quan trọng việc chuẩn hóa cấp quản lý nhóm khác 1.2.4 Khả cộng tác Khả cộng tác khả thiết bị hệ thống nhà cung cấp khác hoạt động Khả cộng tác điều cần thiết nhà sản xuất khác mạng cảm biến không dây với sở hạ tầng mạng có Khi chuẩn hóa, mạng cảm biến khơng dây phải có khả cộng tác nhiều mặt Các nút cảm biến phải tương thích với từ lớp vật lý lớp ứng dụng lớp tích hợp Khả cộng tác lớp vật lý xảy thiết bị từ hãng khác giao tiếp vật lý với Ở cấp độ vật lý, nút cảm biến không dây phải thống vấn đề tần số vô tuyến để thực truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu tốc độ liệu truyền Ở cấp độ mạng, nút phải thống định dạng thông tin gửi nhận kênh vật lý nút mạng đánh địa nào, tin vận chuyển qua mạng cách Ở lớp ứng dụng lớp tích hợp, nút cảm biến phải chia sẻ cách thức để liệu gửi vào lấy từ mạng, làm để nút cảm biến truy cập tới từ hệ thống bên 1.3 Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc ngăn xếp giao thức sử dụng Sink nút cảm biến minh họa hình 1.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức kết hợp vấn đề lượng vấn đề định tuyến có quan tâm đến lượng, giao thức tổng hợp liệu truyền thông hiệu lượng qua môi trường không dây Kiến trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết liệu, lớp mạng, lớp giao vận lớp ứng dụng, mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt phẳng quản lý cấu trúc liên kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di động mặt phẳng quản lý nhiệm vụ Lớp vật lý xác định yêu cầu cần thiết kỹ thuật điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận liệu Bởi mơi trường có nhiễu nút cảm biến di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo việc truyền thông tin cậy nhờ kỹ thuật điều khiển lỗi quản lý truy nhập kênh thông tin thông qua lớp MAC để hạn chế tối đa xung đột với tin quảng bá nút lân cận Tùy thuộc vào nhiệm vụ cảm biến chương trình ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến liệu từ lớp giao vận Lớp giao vận giúp trì dòng liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Thêm vào mặt phẳng quản lý lượng, di động quản lý nhiệm vụ để giám sát lượng tiêu thụ, di chuyển phân phối nhiệm vụ nút cảm biến Những mặt phẳng giúp nút cảm biến phối hợp với việc cảm nhận môi trường giảm tổng lượng tiêu thụ Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây Mặt phẳng quản lý lượng quản lý việc sử dụng lượng nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến tắt thu sau nhận tin từ nút lân cận Điều nhằm tránh việc nhận tin trùng lặp Ngoài ra, mức lượng nút cảm biến xuống thấp nút cảm biến thông báo quảng bá đến nút lân cận để nút lân cận biết lượng mức thấp khơng thể tham gia vào việc định tuyến tin Năng lượng lại để dành riêng cho việc cảm nhận truyền liệu riêng nút Mặt phẳng quản lý di động phát đăng ký di chuyển nút cảm biến, tuyến đường đến người dùng cuối luôn trì nút cảm biến 10