TẠP CHÍCÙH6 TiựđHB TỔNG QUAN VÈ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WIRELESS SENSOR NETWORKS) • TRẦN THÀNH vũ LÊ MINH HÀ TRAN GUỐC HÙNG NGUYỄN MINH HÒA TÓM TẮT Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Networks W[.]
TẠP CHÍCÙH6 TiựđHB TỔNG QUAN VÈ MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY (WIRELESS SENSOR NETWORKS) • TRẦN THÀNH vũ - LÊ MINH HÀ - TRAN GUỐC HÙNG - NGUYỄN MINH HÒA TĨM TẮT: Mạng cảm nhận khơng dây (Wireless Sensor Networks - WSN) đời dựa sở ứng dụng thành tựu cao công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử công nghệ thông tin WSN sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, quân sự, dân công nghiệp, với đặc điểm bật không cần thao tác người Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trường đưa thơng báo có ích; điều khiển công nghiệp, điều khiển phản ứng hạt nhân; quan sát, giám sát khu vực quân sự, Việc sâu nghiên cứu WSC tạo ứng đụng khả dụng đòi hỏi cần thiết nhà kỹ thuật nhằm áp dụng thành tựu khoa học phục vụ lợi ích người Từ khóa: mạng cảm nhận không dây, công nghệ cao Khái niệm Ngày nay, vi điều khiển có bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả xử lý mạnh, tiêu thụ nâng lượng giá thành thấp Khi nạp phần mềm nhúng, vi điều khiển hoạt động độc lập loại mơi trường vị trí địa lý khác Mỗi vi điều khiển tích hợp với thu phát sóng vơ tuyến cảm biến tạo thành nút mạng, tập họp nút mạng phạm vi định, gọi mạng cảm nhận không dây (WSN - Wireless Senser Network) Như vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) mạng cấu thành từ thiết bị hoạt động độc lập không gian, thiết bị thu thập truyền trung tâm giám sát thông tin điều kiện môi trường nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, chuyển động, (Hình 1) Trong hệ thống WSN cịn có trạm gốc trung tâm điều khiển Trạm gốc đóng vai trị cổng kết nối nút mạng trung tâm điều khiển, tiếp 21Ó SỐ 14-Tháng 6/2021 nhận thông tin nút mạng chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác Các nút mạng truyền tin theo kiểu nhiều chặng, từ nút mạng sang nút mạng khác trạm gốc Từ trạm gốc gửi thơng tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng internet, qua vệ tinh nhờ người giám sát nhận thông tin dù đâu 1.1 ứng dụng mạng cảm nhận không dây ứng dụng WSN phong phú, ứng dụng dân dụng, thương mại, công nghiệp quân để giám sát gửi liệu mà mạng có dây không thực được, thực với chi phí cao WSN cỏ thể triển khai khu vực rộng lớn, hoang vu, chúng tồn mà không cần người can thiệp vài năm (Hình 2) Cụ thể, sổ ứng dụng WSN gồm theo dõi cảnh báo mức độ môi trường độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi chuyển dịch giám QUẢN TRỊ QN LÝ Hình 1: Mơ hình khái qt mạng cảm nhận không dây sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân, mạng cảm nhận không hỗ trợ thời gian thực TinyOS hệ điều hành thiết kể riêng biệt cho WSN TinyOS có kích thước nhỏ, mã nguồn mở, 1.2 Đặc điểm mạng cảm nhận không dây dùng mô hình hướng kiện, lập dịch đơn giản Các đặc điểm WSN gồm: Các nút mạng cảm cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song song nhận có kích thước nhỏ; Năng lượng nạp với nguồn tài nguyên hạn chế TinyOS sử dụng lưu bị giới hạn; Hoạt động điều kiện lập trình thao tác kiểu FIFO kết nối mềm dẻo môi trường khắc nghiệt không cần can thiệp phần cứng ứng dụng người; Dễ xảy lỗi nút mạng, dễ xảy lỗi Ngơn ngữ lập trình: Lập trình cho nút mạng truyền liệu; Các nút mạng cảm nhận dịch cảm nhận khó so với lập trình hệ thống máy chuyển mà không cần thay đổi cấu hình; Mơ tính thơng thường Sự hạn chế nguồn tài nguyên hình mạng động, linh hoạt; Các nút mạng hỗn hợp, nút mạng dẫn đến phát triển số ngôn ngữ cho phép khả mở rộng cao lập trình cho WSN Tuy vậy, ngơn ngữ phổ 1.3 Nen tảng biến để lập trình cho nút mạng cảm nhận Phần cứng: Thách thức việc sản xuất ngơn ngữ c Một số ngôn ngữ dành cho nút mạng nút mạng cảm nhận có giá thành thấp cảm nhận là: c@t (Computation Language), galsC, kích thước nhỏ Các chuẩn: Trong mạng nesC, Protothreads, SNACK, SQRL máy tính, viễn thơng có nhiều chuẩn với Thuật tốn: WSN hình thành từ số WSN có chuẩn ISO 18000- 7, lowpan lượng lớn nút cảm nhận, đó, thuật tốn cho WirelessHART Một số chuẩn khác WSN hoàn tồn thuật tốn phân phối (distributed nghiên cứu nhà nghiên cứu ZigBee, algorithm) Trong WSN, yếu tố tài nguyên đáng Wibree quan tâm lượng Hệ điều hành: Hệ điều hành cho nút mạng cảm hoạt động tiêu tốn nhiều lượng truyền nhận thường phức tạp hệ điều hành sử dụng liệu Do đó, WSN chủ yếu tập trung vào ứng dụng thông thường nguyên nhân: nghiên cứu thiết kế thuật toán tối ưu sử dụng yêu cầu đặc biệt ứng dụng WSN tài nguyên lượng liệu truyền từ nút mạng hạn chế nút mạng, hệ điều hành dành cho SỐ 14 - Tháng 6/2021 217 TẠPCHÍ CONE THtftfHfi đến trạm gốc Dữ liệu truyền mạng thông thường theo kiểu nhiều chặng (từ nút đến nút, sau chuyển tiếp lên trạm gốc) với mục đích tiết kiệm lượng Hình 3: Kiến trúc giao thức WSN Kiến trủc giao thức hoạt động định tuyến mạng cảm nhận không dây 2.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm nhận không dây Kiến trúc giao thức WSN bao gồm: Lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động phần quản lý nhiệm vụ Lớp vật lý cung cấp kỹ thuật điều chế, phát thu Tại lớp liên kết liệu, giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC) phải tối ưu sử dụng lượng có khả giảm thiểu xung đột nút mạng truy cập môi trường Thiết kế giao thức MAC quan trọng vi định nhiều đến việc tiêu thụ lượng nút mạng Lớp mạng đảm bảo hoạt động định tuyến số liệu cung cấp lớp truyền tải Lớp truyền tải giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Tùy theo nhiệm vụ cảm biến, loại phần mềm khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Ngồi ra, phần quản lý cơng suất, di chuyến nhiệm vụ giám sát việc sử dụng công suất, di chuyển thực nhiệm vụ nút cảm nhận Những phần giúp nút cảm nhận phân 218 SỐ 14-Tháng 6/2021 phối nhiệm vụ cảm biến tiêu thụ lượng tổng thể thấp (Hình 3) Phần quản lý lượng điều khiển việc sử dụng lượng nút mạng Ví dụ, nút mạng tắt khối thu sau thu tin từ nút lân cận, điều giúp tránh việc nhận tin trùng lặp dư thừa không cần thiết Khi mức lượng nút mạng thấp, phát quảng bá tới nút lân cận để thơng báo có mức lượng thấp tham gia vào tin định tuyến Phần lượng lại dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến QUÀN TBỊ qUÀW LÝ Phần quản lý di chuyển phát ghi lại dịch chuyển nút cảm nhận để trì tuyến tới người sử dụng nút lưu vết nút cảm nhận lân cận Nhờ xác định nút lân cận, nút cảm nhận cân cơng suất nhiệm vụ thực Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân lên kế hoạch nhiệm vụ cảm biến vùng xác định Không phải tất nút cảm nhận vùng phải thực nhiệm vụ cảm biến thời điểm Ket quả, số nút cảm nhận thực nhiều nút khác tùy theo mức cơng suất Những phần quản lý cần thiết để nút cảm nhận làm việc nhau, sử dụng hiệu lượng, định tuyến số liệu mạng phân chia tài nguyên nút cảm nhận dụng Các giao thức chia thành loại là: ngang hàng, phân cấp định vị Trong giao thức ngang hàng, tất nút thường có vai trị chức Hoạt động định tuyến dựa chế hỏi đáp, phụ thuộc 2.2 Các loại giao thức định tuyến mạng cảm nhận không dây Định tuyến WSN thách thức lớn có khác biệt khơng nhỏ đặc điểm WSN mạng thông thường Thứ nhất, khó xây dựng chế đánh địa chi toàn cầu cho toàn nút mạng cảm nhận triển khai, việc phân bố nút mạng thường với số lượng lớn, ngầu nhiên, có mở rộng Các giao thức dựa địa IP, khó áp dụng cho WSN Thứ hai, nút mạng dễ xảy lỗi bị ngắt thiếu công suất, hỏng phần cứng bị nhiễu môi trường Trong đó, nút đóng vai trị truyền số liệu chọn đường, số nút cảm biến hoạt động sai chức lỗi nguồn cơng suất gây thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng phải chọn đường lại gỏi phải tổ chức Các yêu cầu hệ thống mạng cảm nhận không dây lại mạng Thứ ba, luồng liệu phát từ nút mạng có số lượng đáng kể tin bị trùng lặp cảm biến thu thập liệu giống truyền trung tâm Do đó, liệu dư thừa cần giao thức định tuyến loại bỏ để tiết kiệm lượng cho nút mạng tăng băng thông Thứ tư, nguyên nhân khiến việc định tuyến WSN thách thức mồi nút mạng cảm nhận có lượng, khả tính tốn nhớ hạn chế Do khó khăn trên, nhiều giao thức định tuyến cho WSN nghiên cứu ứng vào việc đặt tên gói liệu, loại bỏ việc gửi dư thừa liệu mạng Giao thức phân cấp dựa việc chia mạng thành cụm, cụm có nút làm chủ có nhiệm vụ tập họp liệu thành viên loại liệu không cần thiết trước truyền Nút chủ thay đổi bắt đầu chu kỳ làm việc thay nút khác có khả đảm nhận chức Giao thức định vị sử dụng thông tin vị trí nút để truyền liệu cho nút cần thiết, thay truyền cho tất nút mạng 3.1 Yêu cầu chung đoi với mạng cảm nhận không dãy Thời gian sống: Một hạn chế WSN thời gian sống, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống mạng cảm nhận lượng cung cấp Mỗi nút mạng cần thiết kế chế quản lý lượng để tối đa hóa thời gian sống mạng Độ bao phủ: Từ đặc điểm mạng không dây vừa nghiên cứu Kỹ thuật truyền đa chặng (multi-hop) cho phép mở rộng độ bao phủ mạng, mặt lý thuyết, chúng có khả mở rộng vơ hạn, người dùng triển khai mạng nhỏ ban đầu sau tiếp tục thêm nút Tuy nhiên, khoảng cách truyền tãng, giao thức mạng multi-hop làm tăng lượng tiêu thụ nút, đó, làm giảm thời gian sống mạng Hơn nữa, mở rộng mạng làm tàng chi phí triển khai Khả khai: Ưu điểm lớn WSN dễ triển khai Người sử dụng không cần phải hiểu mạng chế truyền thông làm việc với WSN Mạng cảm nhận có khả tự cấu hình, nút đặt vào mơi trường hoạt động Thời gian đáp ứng: Trong ứng dụng cảnh báo cảnh báo điều khiển, thời gian đáp ứng hệ thống thông số quan trọng để đánh giá hệ thống Một thông báo cần tạo nút mạng cảm nhận kiện Yeu tố thời gian đáp ứng nhanh lại xung đột với kỹ thuật SỐ 14-Tháng 6/2021 219 TẠP CHÍ CƠNG T’lWbiO làm tăng thời gian sống mạng, thời gian sống mạng tăng cách để nút hoạt động chế độ truyền nhận radio thời gian ngắn Thời gian đáp ứng cải thiện cách cấp nguồn cho số nút toàn thời gian Tuy nhiên, điều làm giảm tính dễ triển khai hệ thống Độ xác thời gian: Đe đạt độ xác theo thời gian, mạng cần xây dựng trì thời gian sở tồn cục sử dụng để xếp mẫu kiện theo thời gian Trong hệ phân tán, lượng cần mở rộng để trì phân phối tín hiệu đồng hồ Thơng tin đồng thời gian cần liên tục truyền nút Tần số thông điệp đồng phụ thuộc vào yêu cầu độ xác đồng hồ thời gian Tỉnh bảo mật: Trong nhiều trường hợp, thông tin thu nhập qua WSN có ý nghĩa quan trọng cần phải bảo mật Việc sử dụng mã hóa giải mã làm tăng chi phí lượng băng thông, nhiên, số ứng dụng địi hỏi phải đảm bảo u cầu Khi đó, yêu cầu cho nút mạng cao so với mạng khơng có bảo mật 3.1 Các yêu cầu nút mạng cảm nhận không dây Năng lượng: Đe đạt yêu cầu trì lượng hoạt động nhiều năm, nút mạng cần phải tiêu thụ lượng mức thấp Việc tiêu thụ lượng thấp đạt cách sử dụng phần cứng tiêu tốn lượng, điều khiển chu trình hoạt động nút mạng Các thuật tốn giao thức cần phát triển để giảm thời gian vi xử lý mạch thu phát hoạt động, cố gắng đưa chúng trạng thái nghỉ ngủ, tiết kiệm lượng không tham gia truyền nhận Tính mềm dẻo: Các nút mạng phải có khả thích nghi cao để thích hợp với ngữ cảnh khác Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, thời gian đáp ứng xử lý nội dung mạng khác Một kiến trúc WSN cần phải đủ mềm dẻo đế cung cấp dải rộng ứng dụng Thêm vào đó, lý chi phí, thiết bị có phần cứng phần mềm cho ứng dụng cụ thể Kiến trúc cần đơn giản để kết hợp phần cứng phần mềm Vì vậy, thiết bị đòi hỏi mức độ cao tính modul phần cứng phần mềm giữ tính hiệu 220 SỐ 14-Tháng 6/2021 Sức mạnh: Để hỗ trợ cho yêu cầu thời gian sống, nút cần phải mạnh tốt Modul hóa hệ thống cơng cụ mạnh để phát triển hệ thống Bằng cách chia chức hệ thống thành thành phần độc lập, chức kiểm tra đầy đủ trước kết hợp chúng thành ứng dụng hoàn chỉnh Đổ làm điều này, thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có giao tiếp chặt chẽ, nhằm ngăn chặn tương tác không mong đợi Đe tăng sức mạnh hệ thống nút bị lỗi, WSN cần có khả đối phó với nhiễu ngồi từ mạng khơng dây khác Khả tránh tắc nghẽn tần số điều cốt yếu để đảm bảo triển khai mạng thành công Tỉnh bảo mật: Các nút riêng lẻ cần có khả mã hóa xác thực Truyền liệu khơng dây có độ bảo mật thấp, cách bảo mật liệu mã hóa tồn liệu truyền, CPU cần có khả tự thực thao tác mật mã Truyền thông: Một tiêu WSN tốc độ truyền, lượng tiêu thụ khoảng cách Neu nút đặt cách xa nhau, chúng khơng thể tạo kết nối có độ tin cậy cao Tốc độ truyền có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nút mạng Tốc độ truyền cao làm cho khả lấy mẫu hiệu lượng tiêu thụ mạng việc truyền thời gian Khả tỉnh tốn: Tính tốn cho nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý liệu nội mạng quản lý giao thức truyền thơng khơng dây mức thấp Có yêu cầu giới hạn mặt thời gian thực truyền thông cảm biến Khi liệu tới mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio ghi lại - giải mã liệu tới Tốc độ truyền cao địi hỏi tính tốn nhanh Điều tương tự xử lý liệu cảm biến Các cảm biến tương tự, phát hàng ngàn mẫu giây Các thao tác xử lý cảm biến nói chung bao gồm lọc số, trung bình hóa, nhận biết ngưỡng, phân tích phổ Kích thước phí: Kích thước vật lý giá thành nút mạng có ảnh hưởng tới dễ dàng chi phí triển khai WSN Kích thước nhỏ làm nút mạng đặt nhiều vị trí khác nhau, sử dụng nhiều tình hơn, giá thành hạ cho phép triển khai mạng với số lượng nút mạng lớn đó, thu thập nhiều thông tin QUẢN TRỊ QUẢN LÝ Kết luận Mạng cảm nhận không dây ứng dụng phục vụ đa dạng, từ quân đến dân như: thu thập thông tin liệu, điều khiển, giám sát hệ thống, Việc triển khai hệ thống mạng cảm nhận khơng dây với chi phí đầu tư thấp, triển khai điều kiện địa hình, khí hậu phức tạp Đặc biệt, WSN có khả tự tổ chức mạng, khả tự xử lý cộng tác chịu hư hỏng, cố, tạo triển vọng ứng dụng tiềm nhiều lĩnh vực Khi triển khai hệ thống mạng cảm nhận không dây, kỹ thuật thiết kế hệ thống cần giải toán tối ưu lượng, nhân tố tác động bên ngoài, nắm bắt nhược điểm để đưa giải pháp khắc phục, Từ đó, thiết kể hệ thống tối ưu đáp ứng theo yêu cầu đặt rau TÀI LIỆU THAM KHẢO: Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin mảy tinh, Nhà xuất Thế giới, Hà Nội Đàm Thu Phương (2006), Tìm hiểu viết phần mềm nhúng cho nút mạng không dây dạngAd-hoc (Chủ để: Tiết kiệm tiêu thụ lượng), Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Cơng nghệ, Hà Nội Vương Đạo Vy (2006), Mạng truyền số liệu, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà Nội Vương Đạo Vy, Trần Thanh Hải, Phạm Đình Tuân, Trần Anh Tuấn, Hà Quang Dự, Huỳnh Công Phi Khanh, Nguyễn Hồng Sơn (2005), “Mạng càm nhận không dây thu thập liệu môi trường sử dụng vi điều khiển Chipcon CC1010”, Tạp chí Khoa học Đại học Quoc gia Ha Nội, XXI (2PT), tr 92 - 99 Ngày nhận bài: 26/4/2021 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 18/5/2021 Ngày chấp nhận đăng bài: 5/6/2021 Thông tin tác giả: ThS TRẰN THÀNH vũ ThS LÊ MINH HÀ KS TRẦN QUỐC HÙNG ThS NGUYEN MINH HỊA Trường Đào tạo, Bồi dưỡng Cán Cơng Thưong Trung ưomg (VITIS) AN OVERVIEW ABOUT WIRELESS SENSOR NETWORKS • Master TRAN THANH VU’ • Master LE MINH HA1 • Eng TRAN QUOC HUNG1 • Master NGUYEN MINH HOA’ 'Vietnam Institute for Trade and Industry studying ABSTRACT: Information technology has created breakthroughs in socio-economic fields, significantly conThe development of Wireless Sensor Networks (WSN) was based on the application of microelecttonics and information technology Thanks to its outstanding feature of automation, the WSN has been widely used in many sectors including military, civil and industrial fields The main applications of WSN are measuring environmental parameters and sending notifications, controlling industrial activities, controlling nuclear reaction, observing and monitoring military areas, etc It is necessary to fully research the WSN to create more WSN-based applications Keywords: Wtteless Sensor Networks, high technology SỐ14-Tháng Ó/2021 221 ... thức hoạt động định tuyến mạng cảm nhận không dây 2.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm nhận không dây Kiến trúc giao thức WSN bao gồm: Lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp...QUẢN TRỊ QN LÝ Hình 1: Mơ hình khái qt mạng cảm nhận không dây sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân, mạng cảm nhận không hỗ trợ thời gian thực TinyOS hệ điều hành... tuyến mạng cảm nhận không dây Định tuyến WSN thách thức lớn có khác biệt khơng nhỏ đặc điểm WSN mạng thông thường Thứ nhất, khó xây dựng chế đánh địa chi toàn cầu cho toàn nút mạng cảm nhận triển