TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã phát triển mạnh mẽ và được triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau Chúng được sử dụng để theo dõi sự thay đổi của môi trường và khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và ngăn chặn các cuộc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học Ngoài ra, công nghệ này còn giúp chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dõi và giám sát bác sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong bệnh viện, và điều khiển giao thông cho các phương tiện xe cộ.
Sự tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực như vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây và công nghệ mạch tích hợp đã dẫn đến việc phát triển các cảm biến nhỏ gọn, đa chức năng với chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng hiệu quả Điều này làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây là hệ thống gồm nhiều nút cảm biến nhỏ, giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít Các nút này giao tiếp qua kết nối không dây, thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc và tính toán để thu thập và tập trung dữ liệu Mục tiêu của mạng là cung cấp thông tin để hỗ trợ các quyết định liên quan đến môi trường mà nó giám sát.
Các nút cảm biến nhỏ bé bao gồm các thành phần như bộ vi xử lý, bộ nhớ hạn chế, cảm biến, bộ thu phát không dây và nguồn nuôi Kích thước của các nút cảm biến này có thể thay đổi từ nano (1 – 100nm) đến macro (vài mm đến mét) tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, thời gian tồn tại của các nút cảm biến là yếu tố quan trọng và then chốt, do chúng có giới hạn về năng lượng Các nút cảm biến yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp, hoạt động có giới hạn và thường không thể thay thế nguồn cung cấp Vì vậy, trong khi mạng truyền thông tập trung vào việc cung cấp dịch vụ chất lượng cao, các giao thức mạng cảm biến cần ưu tiên bảo toàn năng lượng.
Mạng cảm biến có một số đặc đ ểm sau: i
• Có khả năng t tổự ch c, yêu c u ít hoặứ ầ c không có s can thi p c a con ự ệ ủ người
• Truyền thông không tin c y, qu ng bá trong ph m vi h p và định tuy n ậ ả ạ ẹ ế nhiều chặng
• Triển khai dày đặc và kh n ng k t h p gi a các nút c m bi n ả ă ế ợ ữ ả ế
• Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các nút
• Các giới hạn v m t n ăề ặ ng lượng, công su t phát, b nh và công su t tính ấ ộ ớ ấ toán
Chính những đặc tính này ã đưa ra nhữđ ng chi n lược m i và những yêu cầu ế ớ thay đổi trong thiết kế ạ m ng cảm biến.
Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến
Hình 1.1: Cấu trúc chung của mạng cảm biến
Kết nối có dây hoặc không dây
Tập hợp và xử lý dữ liệu
Kết nối không dây Nút tập hợp/ Xử lý dữ liệu tức thì (Clustering
Nút tập hợp/ Xử lý dữ liệu tức thì (Clustering
4 thành phần cơ ả b n tạo nên mạng cảm biến:
• Các sensor (cảm bi n) được phân b theo mô hình tập trung hay rải rác ế ố
• Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến
• Trung tâm tập h p d li u (clustering) ợ ữ ệ
• Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm
Mỗi nút mạng đảm nhận vai trò cảm biến, giám sát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng Chúng cũng theo dõi và định vị các mục tiêu cố định hoặc di động Các nút này giao tiếp không dây và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) thông qua kỹ thuật truyền một chặng hoặc nhiều chặng.
Lưu lượng dữ liệu trong mạng cảm biến không dây (WSN) thường thấp và không liên tục, ngoại trừ trong các ứng dụng theo dõi và định vị Để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường hoạt động ở nhiều trạng thái khác nhau, bao gồm chế độ hoạt động (active mode) và chế độ nghỉ (sleep mode) Thời gian mà một nút ở trạng thái nghỉ thường lớn hơn nhiều so với thời gian ở trạng thái hoạt động.
Để phân biệt giữa mạng có dây và mạng không dây, các đặc trưng cơ bản cần xem xét bao gồm giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian hoạt động (active mode).
Mỗi nút trong mạng cảm biến không dây (WSN) thường bao gồm hai phần chính: phần cảm biến hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến Với số lượng nút lớn và yêu cầu không cần bảo trì, giá thành của mỗi nút mạng thường được yêu cầu ở mức thấp, dao động từ 10 đến 50 USD, và kích thước nhỏ, chỉ từ vài cm² đến vài chục cm².
Hình 1.2: Ví dụ ề v nút cảm biến
Cấu tạo nút cảm biến gồm 4 thành phần cơ bản như ở hình minh họa:
Hình 1.3: Cấu tạo nút cảm biế n
- Đơn vị cảm biến (sensing unit)
- Đơn vị xử lý (processing unit)
- Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
Additionally, there may be other components depending on the specific usage context, including a location finding system, a power generator, and a mobilizer or actuator.
Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức mạng cảm biến, như thể hiện trong hình 1.4, bao gồm các lớp và mặt phẳng quản lý giúp các nút hoạt động hiệu quả Các mặt phẳng quản lý, bao gồm quản lý năng lượng, quản lý di động và quản lý tác vụ, cho phép định tuyến dữ liệu và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến Bên cạnh đó, kiến trúc này còn có các lớp: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp ứng dụng, tạo nên một hệ thống đồng bộ và hiệu quả trong mạng cảm biến.
Mặt phẳng quản lý năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và tối ưu hóa nguồn năng lượng sử dụng Ví dụ, nút cảm biến có khả năng tự động tắt một thiết bị khi nhận được tín hiệu từ hệ thống.
Khi năng lượng của nút cảm biến giảm xuống dưới mức quy định, nó sẽ thông báo cho các nút cảm biến lân cận rằng năng lượng của nó đang thấp và không thể tham gia vào quá trình định tuyến.
Mặt phẳng quản lý di động có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút Các nút này theo dõi và xác định các nút hàng xóm xung quanh chúng.
Mặt phẳng quản lý tác vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cho các nút cảm biến trong từng nhiệm vụ và vùng cảm biến cụ thể Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận cùng một thời điểm.
Lớp vật lý có nhiệm vụ xử lý tín hiệu, tạo ra tín hiệu sóng mang, phát hiện và điều chế, mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHz được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến Hiệu quả năng lượng của các thiết bị cần được xem xét kỹ lưỡng ở lớp vật lý, ví dụ như điều biến M và điều biến nhị phân.
Lớp liên kết dữ liệu là lớp chịu trách nhiệm ghép các luồng dữ liệu, phát hiện lỗi và điều khiển truy cập môi trường Trong môi trường có tạp âm và các nút cảm biến di động, giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC) cần xem xét công suất và có khả năng giảm thiểu va chạm giữa thông tin của các nút lân cận.
Lớp mạng là lớp mạng cảm biến được thiết kế theo nguyên tắc hiệu quả năng lượng, luôn được coi là vấn đề quan trọng Mạng cảm biến chủ yếu tập trung vào việc truyền tải dữ liệu Tích hợp dữ liệu được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác hiệu quả của các nút cảm biến.
Lớp truyền tải : chỉ cần thi t khi h th ng có k ho ch được truy cập thông ế ệ ố ế ạ qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác
Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhi m vụ cảệ m bi n, các lo i ph n mềế ạ ầ m ng d ng ứ ụ khác nhau có thể được xây d ng và s d ng l p ng d ng ự ử ụ ở ớ ứ ụ
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
Cấu trúc hiện tại cho mạng Internet và mạng ad-hoc không dây không phù hợp với mạng cảm biến không dây do một số lý do Đầu tiên, số lượng nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần so với số nút trong mạng ad-hoc Thứ hai, các nút cảm biến thường rất nhỏ gọn và tiêu thụ năng lượng thấp, điều này tạo ra những thách thức riêng trong việc thiết kế và triển khai mạng.
Cấu trúc mạng cảm biến thường xuyên thay đổi, với các nút cảm biến chủ yếu sử dụng phương thức truyền thông kiểu quảng bá Trong khi đó, các mạng ad-hoc thường dựa vào việc truyền điểm-điểm Các nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ Hơn nữa, các nút này có thể không có số nhận dạng toàn cầu do số lượng lớn các nút cảm biến trong mạng.
Do vậy, cấu trúc mạng mớ ẽi s :
• Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
• Tích hợp d li u và giao th c m ng ữ ệ ứ ạ
• Truyền n ng lượng hi u qu qua các phương ti n không dây ă ệ ả ệ
• Chia sẻ nhi m v gi a các nút lân c n ệ ụ ữ ậ
Node
Mạng cảm biến bao gồm nhiều cảm biến phân bố trên một khu vực địa lý, với các nút cảm biến (sensor node) có khả năng liên lạc vô tuyến với các nút lân cận Các nút này thực hiện các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và truyền dữ liệu về trung tâm Chức năng của từng nút trong mạng cảm biến phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của nó, với một số chức năng chính được xác định rõ ràng.
Xácđịnh được giá trị các thông s t i n i l p t: nhiệố ạ ơ ắ đặ t độ, áp su t, cường ấ độ ánh sáng …
Phát hiện sự tồ ạ ủn t i c a các s ki n c n quan tâm và ước lượng thông s của ự ệ ầ ố sự kiện đó là rất quan trọng Ví dụ, trong giám sát giao thông, cảm biến cần phải nhận biết sự di chuyển của xe cộ, đo tốc độ và hướng di chuyển của các phương tiện đang lưu thông để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Phân biệt được các đối tượng Ví dụ như cảm bi n giao thông thì nh n bi t ế ậ ế được loại xe đang lưu thông: xe tải, xe con, xe buýt, …
Trong lĩnh vực quân sự, mạng cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và cập nhật vị trí của các phương tiện đối phương khi chúng xâm nhập vào khu vực bao phủ của mạng.
Các hệ thống có thể đ áp ng thời gian thực hay gần như thếứ , tùy theo yêu c u ầ và mụ đc ích của thông tin cần thu thập
Cảm biến là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hóa học, nhiệt độ, sinh học và quang học, với khả năng hoạt động trong các môi trường và điều kiện khác nhau Công nghệ cảm biến bao gồm nhiều loại như cảm biến sóng radio, cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại, radar, lasers, và cảm biến vị trí Những thiết bị này giúp thu thập và xử lý thông tin từ môi trường xung quanh, góp phần vào sự phát triển của các ứng dụng công nghệ hiện đại.
Các cảm biến nhỏ gọn, giá cả phải chăng, ổn định, nhạy bén và đáng tin cậy là những yếu tố quan trọng để xây dựng mạng cảm biến hoạt động hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
ADC: Analog-to-Digital Converter
Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến - phần cứng
Mỗi nút cảm biến gồm 4 thành phần cơ ả b n như ở hình minh hoạ:
- Đơn vị cảm biến (sensing unit)
- Đơn vị xử lý (processing unit)
- Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
Additionally, there may be other components depending on the specific application, such as a location finding system, a power generator, and a mobilizer or actuator.
Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến – phần mềm
Các đơn vị cảm biến bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Tín hiệu tương tự từ cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu số và đưa vào bộ xử lý, thường kết hợp với bộ lưu trữ để thực hiện các thủ tục liên kết các nút với nhau Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng, trong đó nguồn năng lượng là một phần quan trọng, thường được hỗ trợ bởi các thành phần khác như tế bào năng lượng mặt trời Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và nhiệm vụ cảm biến yêu cầu độ chính xác cao về vị trí.
Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến và các tiêu chuẩn áp dụng
Hai dải tần số thường được sử dụng b i trong mạng cảm biến là: Dải tần ở
ISM và dải tần U-NII chịu ảnh hưởng từ nhiều nguồn nhiễu khác nhau như suy hao, can nhiễu, nhiễu fading và nhiễu từ các thiết bị điện tử khác Công nghệ IEEE PAN/LAN/MAN sử dụng sóng vô tuyến cũng bị tác động bởi những loại nhiễu này, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của các kết nối không dây.
Công nghệ IEEE PAN, LAN và MAN đã xác định các giao thức truyền, quyết định mã hóa tín hiệu tại lớp vật lý và lớp liên kết Trong số nhiều giao thức không dây, một số được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
(1) IEEE 802.15.1 (còn được gọi là Bluetooth);
(2) IEEE 802.11a/b/g/n mạng LAN không dây;
(4) IEEE 802.16 (trong phạm vi MAN- còn gọi là WiMax);
(5) nhận dạng tần số vô tuyến (RFID gắn thẻ)
Hình 2.3: Một số chuẩn truy n d n vô tuy n ề ẫ ế
(*) Tốc độ d liệu lên đến 256Mb/s ữ
(#) Tốc độ d liệu lên đến 108Mb/s ữ
Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 2~54 1~3 0,25
Công suất tiêu thụ Trung bình Thấp Cực thấp
Thời gian sống của pin Phút~ vài giờ Giờ~ vài ngày Ngày~ vài năm
Kích thước Lớn Nhỏ ơ h n Nhỏ nhất
Tỉ số chi phí/độ ph c ứ tạp >6 1 0,2
Bảng 2.1: So sánh mộ ốt s chu n truy n dẩ ề ẫn vô tuyến
Tiếp theo tác giả sẽ trình bày m t s chuẩộ ố n truy n d n không dây thông ề ẫ dụng, đặc biệt sẽ đi sâu vào trình bày về chuẩn IEEE 802.15.4/Zigbee
Bluetooth là một công nghệ kết nối không dây tầm ngắn, chủ yếu sử dụng cho các thiết bị cầm tay cá nhân Nó hoạt động trong phạm vi ngắn, cho phép trao đổi dữ liệu hiệu quả thông qua các giao thức được tối ưu hóa cho các nhiệm vụ nhỏ như đồng bộ hóa, kết nối tai nghe, chuột và bàn phím.
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.1, được xuất bản vào năm 2002, phát triển dựa trên công nghệ Bluetooth v1.1 và nhằm mục đích thiết lập mạng PAN không dây Chuẩn này ban đầu xuất hiện như một tiêu chuẩn không chính thức trong lĩnh vực công nghiệp, nhưng đã nhanh chóng trở thành một phần quan trọng trong việc kết nối các thiết bị không dây.
Công nghệ 37 thông tin cá nhân trong mạng cá nhân là một giải pháp tiết kiệm năng lượng, giao tiếp đơn giản và chi phí thấp Tuy nhiên, hiệu suất thiết kế của công nghệ này có giới hạn, dẫn đến tính năng sử dụng trong mạng cảm biến không dây (WSN) bị hạn chế trong một số trường hợp cụ thể.
IEEE đã xem xét và cung cấp một tiêu chuẩn kiểm soát truy cập media (MAC) (L2CAP, LMP, và baseband) và lớp vật lý (PHY) (radio) cho Bluetooth v1
Có đ ềi u khoản về các đ ểi m truy cập dịch vụ (SAPs), trong đó bao gồm m t giao ộ diện LLC-MAC cho ISO / IEC 8.802-2 LLC
Bluetooth sử dụng sóng radio đẳng hướng (omnidirectional) có khả năng xuyên qua tường và các rào cản phi kim loại khác Công nghệ này hoạt động trong dải tần 2.4 GHz ISM, không cần đăng ký với cơ quan quản lý tần số quốc gia Bluetooth áp dụng kỹ thuật trải phổ, nhảy tần và truyền song công, cho phép kết nối đồng thời lên đến 7 thiết bị Để giảm thiểu nhiễu từ các giao thức khác sử dụng chung tần số, công nghệ Bluetooth thực hiện nhảy tần 1600 lần mỗi giây.
Thiết bị Bluetooth hoạt động theo mô hình "master", có khả năng kết nối với tối đa 7 thiết bị khác đóng vai trò "slave", tạo thành một nhóm được gọi là piconet Hơn nữa, Bluetooth còn hỗ trợ việc kết nối nhiều piconet khác nhau, mở rộng khả năng giao tiếp giữa các thiết bị.
Ngày nay, công nghệ Bluetooth mới ra đời có những đặc tính tốt hơn so với công nghệ ũ c :
- Tốc độ truyền gấp 3 lần
- Công suất tiêu thụ giảm
- Đơn giản trong các ứng dụng đa đường vì băng thông tăng lên
Dự án phát triển mạng nội bộ không dây WLAN (Wireless Local Area Network) được bắt đầu t 1990 M c ích c a d án này là nh m xây d ng m t ừ ụ đ ủ ự ằ ự ộ
Kết nối không dây giữa các thiết bị cố định và di động ngày càng trở nên phổ biến, yêu cầu tốc độ truyền tải nhanh trong các khu vực khác nhau và sử dụng nhiều băng tần khác nhau Vào năm 2001, tiêu chuẩn quốc tế đầu tiên về mạng không dây 802.11 đã được công bố, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ kết nối.
Các chuẩn WLAN hiện tại:
IEEE 802.11 là tiêu chuẩn gốc của mạng không dây WLAN, được biết đến với tốc độ truyền dữ liệu thấp nhất so với hai kỹ thuật sử dụng tần số radio và tần số ánh sáng.
IEEE 802.11b là một chuẩn WiFi với tốc độ truyền dữ liệu lý thuyết đạt 11Mbps, nhưng trong thực tế, tốc độ tối đa có thể đạt được là 6Mbps trong môi trường không vật cản, với phạm vi lên đến 300m Chuẩn này hoạt động trên băng tần 2,4 GHz, cùng băng tần với Bluetooth và lò vi sóng.
IEEE 802.11a cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với 802.11b, với lý thuyết đạt 54Mbps và thực tế có thể lên tới 30Mbps Tuy nhiên, chuẩn này không tương thích ngược và hoạt động trên tần số 5GHz.
IEEE 802.11g: Là chuẩn d a trên chuẩự n 802.11 có t c độ truy n ngang v i ố ề ớ 802.11a, có khả năng tương thích v i 802.11b Chu n này ho t động trên t ng s ớ ẩ ạ ầ ố 2.4GHz
IEEE 802.11n: Chuẩn này tăng tốc độ truyền lên tầm 100Mbps
IEEE 802.11f là chuẩn quy định các giao thức cho phép các Access Point (AP) giao tiếp với nhau, giúp người dùng thực hiện chuyển giao kết nối (roaming) giữa hai AP mà không bị gián đoạn.
IEEE 802.11i: Nhằm tăng cường tính bảo mật của wifi
IEEE 802.11e: Nhằm tăng cường về chất lượng dịch vụ (Quality of Service)
IEEE 802.11u: Nhằm cải tiến việc kết nối với nhiều mạng khác (interworking) và còn nhiều chuẩn khác nữa như 802.11k (radio reource management), 802.11r
(roaming), 802.11h (transmission power control), 802.11p (vehicular network) Mỗi một chu n này nh m c i thi n ho c gi i quy t m t v n đề c th ẩ ằ ả ệ ặ ả ế ộ ấ ụ ể
2.2.3 Chuẩn Zigbee Đặc đ ểi m c a công ngh ZigBee là t c độ truy n tin th p, tiêu hao ít n ng ủ ệ ố ề ấ ă lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng đ ềi u khiển từ xa và tự động hóa Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và t ch c IEEE quy t định ổ ứ ế sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này M c tiêu c a công ngh ụ ủ ệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian ho t động t vài tháng đến vài n m mà ạ ừ ă không yêu cầu cao về tốc độ truy n tin nh Bluetooth M t iềề ư ộ đ u n i b t là ZigBee ổ ậ có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị không dây sử dụng công ngh ZigBee có th dễ ệ ể dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗ ứi ng dụng, Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở ả d i tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dả ầi t n 915MHz (Mỹ+Nh t) và 20kbps ở dải tần ậ868MHz(Châu Âu)
Hình 2.4: Cấu trúc phân lớp giao thức IEEE 802.15.4/Zigbee
Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã hợp tác để xác định toàn bộ các khối giao thức của công nghệ Zigbee, với IEEE 802.15.4 tập trung vào hai tầng thấp nhất của giao thức, bao gồm tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu Zigbee cũng đã thiết lập nền tảng cho các tầng cao hơn trong giao tiếp, từ tầng ứng dụng đến tầng mạng, đồng thời phát triển các tiêu chuẩn và quy định để đảm bảo rằng sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt động tương thích với nhau.
Hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 bao gồm nhiều thành phần, trong đó thiết bị cơ bản nhất là FFD (full-function device), đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một điểm trung tâm trong mạng PAN Ngoài FFD, còn có các thiết bị RFD (reduced-function device) với chức năng hạn chế Một mạng ZigBee tối thiểu yêu cầu phải có ít nhất một thiết bị FFD để hoạt động hiệu quả trong mạng PAN.
Hệ đ ề i u hành cho mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) được sử dụng để giám sát và điều khiển môi trường vật lý trong các điều kiện khó khăn hoặc không khả thi Những thiết bị này tích hợp khả năng cảm nhận thông tin, xử lý và truyền thông không dây, cho phép cảm nhận hiện tượng vật lý, tiền xử lý dữ liệu và chia sẻ thông tin với các nút lân cận Thông tin thường được truyền theo một chiều từ các nút cảm biến đến trạm gốc WSN không chỉ là một mạng hạ tầng thu thập dữ liệu mà còn là một nguồn tài nguyên với nhiều chức năng mạng, thường được áp dụng để giám sát sự kiện và thu thập dữ liệu Mạng WSN là một dạng đặc biệt của hệ thống mạng phân tán trong các hệ thống cơ sở dữ liệu và hệ thống nhúng thời gian thực Các ứng dụng của WSN có sự đa dạng về chức năng cảm biến, tần số vi xử lý, kích thước bộ nhớ và băng thông truyền phát, nhưng các nút cảm biến đều có cấu trúc phần cứng tương tự: cảm biến, xử lý, truyền dẫn và nguồn năng lượng.
Để đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả của các cảm biến, phần cứng cần được sắp xếp hợp lý Mỗi nút cảm biến yêu cầu một hệ điều hành (Operating System - OS) để điều khiển phần cứng, tạo ra sự tương tác giữa phần mềm và phần cứng, đồng thời lấp đầy khoảng trống giữa ứng dụng và phần cứng.
Hệ điều hành truyền thống hoạt động giữa phần mềm ứng dụng và phần cứng, thường được thiết kế cho trạm làm việc và máy tính cá nhân với nguồn tài nguyên hạn chế Các hệ điều hành này bao gồm các chương trình quản lý tài nguyên, điều khiển các thiết bị ngoại vi và cung cấp sự tương tác phần mềm với phần cứng Chức năng chính của hệ điều hành truyền thống là quản lý việc xử lý và bộ nhớ, đảm bảo hiệu suất và ổn định cho hệ thống.
CPU và các file hệ thống trong mạng cảm biến không dây (WSN) cần được tối ưu hóa do tài nguyên hạn chế và ứng dụng đa dạng Việc hiểu rõ cách hoạt động và cấu hình của hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và tính khả thi trong môi trường WSN.
Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây (WSN) cần được thiết kế mới, chú trọng đến các đặc điểm riêng biệt của mạng Việc thiết kế hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây đòi hỏi xem xét nhiều vấn đề quan trọng.
- Hệ đ ề i u hành c n quầ ản lý và lên kế hoạch cho việc xử lý
- Vấn đề quản lý bộ nhớ
- Kiểu chế độ nhân (Kernel)
- Giao tiếp chương trình ứng dụng (API)
- Cập nhật mã và lập trình lại
- Node không có bộ lưu tr ngoài, do ó h i u hành cho WSN không th ữ đ ệ đ ề ể có file hệ thống
H iệ đ ều hành cho cảm biến cần cung cấp các chức năng sau:
- Kích thước nén nhỏ vì nút cảm biến có dung lượng bộ nh nh ớ ỏ
- Cung cấp theo thời gian thực vì có các ứng d ng th i gian th c ụ ờ ự
- Kỹ thuật quản lý tài nguyên hiệu quả để phân thời gian cho vi xử lý và hạn chế bộ nhớ
Phân phối mã tin cậy và hiệu quả là rất quan trọng, vì các chức năng thực thi của các nút cảm biến có thể cần được điều chỉnh sau khi hệ thống được thiết lập.
- Quản lý công suất giúp kéo dài thời gian sống và cải thiện chất lượng hệ thống
Giao diện lập trình chung cho các phần mềm cảm biến và ứng dụng cho phép truy cập và điều khiển phần cứng một cách trực tiếp, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
TinyOS là hệ điều hành được phát triển bởi Trường đại học Berkeley, chuyên dụng cho mạng cảm biến không dây (WSN) Hệ điều hành này sử dụng cơ chế truy cập S-MAC và ngôn ngữ lập trình nesC, cho phép truyền thông đa hop trong mạng Với kích thước nhỏ gọn và mã nguồn mở, TinyOS áp dụng mô hình hướng sự kiện, giúp xử lý nhiều tác vụ song song hiệu quả, đồng thời tiết kiệm tài nguyên tính toán và không gian bộ nhớ Hệ điều hành này cũng hỗ trợ lập trình kiểu FIFO, giúp tối ưu hóa việc giao tiếp giữa các nút mạng TinyOS cung cấp giao diện mạng tiện dụng và sử dụng mô hình truyền thông Active Message (AM), mang lại hiệu suất cao cho tính toán song song, từ đó nâng cao khả năng giao tiếp cho các nút trong WSN.
Các thuận lợi khi sử ụ d ng Hệ đ ề i u hành TinyOS:
- Hệ đ ề i u hành TinyOS òi h i ít mã, lượng d li u nh đ ỏ ữ ệ ỏ
- Các sự kiện truyền một các nhanh chóng, tốc độ thực thi nhanh
- Thiết kế dạng module hiệu quả
- H iệ đ ều hành TinyOS cho phép phần mềm ứng dụng truy cập trực tiếp khi được yêu cầu
Mate được phát triển để hoạt động trên nền tảng TinyOS, là một bộ dịch bytecode giúp lập trình viên không chuyên có thể dễ dàng sử dụng TinyOS Nó cho phép lập trình nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời thực hiện giao thức định tuyến ad-hoc không cần beacon Mate cũng có khả năng thiết lập giao thức định tuyến mới và được sử dụng như một công cụ quản lý và điều khiển mạng cảm biến.
Magnet OS là hệ điều hành phân phối, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng bảo toàn năng lượng Hệ điều hành này cung cấp khả năng thích ứng linh hoạt với mạng lưới rộng lớn, đồng thời tối ưu hóa việc xây dựng và quản lý tài nguyên node một cách hiệu quả.
Magnet OS mang là thích ứng với tài nguyên lớp dưới, hiệu qu bảả o qu n n ng ả ă lượng, cung cấp khả năng mở rộng cho các mạng lớn
Mantis là hệ điều hành nhúng đa luồng với phần cứng single-board, giúp lập trình viên nhanh chóng và dễ dàng thiết lập các ứng dụng MANTIS sử dụng cấu trúc phân lập và ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn, mang lại thuận lợi cho quá trình phát triển phần mềm.
Ngoài ra còn có các hệ iđ ều hành khác cho WSN như OSPM, EYES OS, SenOS,
