Tổng quan ông nghệ wsns và kỹ thuật định tuyến tiếp kiệm năng lượng trong wsns

- Một mạng kết nối thông thường, không phải luôn luôn với cơ sở mạng không dây - Một trung tâm tiêu điểm của chùm thông tin - Thiết lập nguồn tại trung tâm điểm hoặc ở trên để xử lý các

B Ộ GIÁO ỤC À ĐÀO ẠO D V T

==== ====

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

HÀ NỘI 10-2008

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204960791000000

B Ộ GIÁO ỤC À ĐÀO ẠO D V T

==== ====

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

M S Ã Ố :

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

Người ướng h dẫn khoa h ọc : PGS.TS NGUY ỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI 10 -2008

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Danh mục các từ viết tắt iii

Danh mục các hình vẽ iv

Mở đầu v

PHẦN I Tổng quan công nghệ WSNs 2

I Giới thiệu và tổng quan của mạng cảm biến không dây(WSN) 2

1.1 Giới thiệu 2

1.1.1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến 2

1.2 Miêu tả cơ bản về kỹ thuật 11

1.2.1 Khái niệm kiến trúc mạng 13

1.2.2 Thử thách và khó khăn 21

1.3 Kết luận 25

2.Ứng dụng của WSN 25

2.1 Giới thiệu 25

2.2 Cơ sở 27

2.3 Phạm vi của các ứng dụng 30

3.Kĩ thuật mạng không dây cơ bản 31

3.1 Giới thiệu 31

3.2 Kỹ thuật node cảm biến 32

3.2.1 T ng qu t ổ á 32

3.2.2 Hardware và Software 33

3.3 Phân loại sensor 35

3.4 Các xu hướng của WN 36

4 Các hệ thống và kỹ thuật truyền không dây 38

4.1 Giới thiệu 38

4.2 Công nghệ rađiô cơ bản 38

4.2.1 Sự lan Truyền và những sự suy giảm lan truyền 39

4.2.2 Điều chế 42

4.3 Kỹ thuật không dây sẵn có 43

4.4 Kết luận 44

5 Giao thức kiểm soát truy nhập trung gian cho WSNs 45

5.1Giới thiệu 45

5.2 Cơ sở 46

5.3 Nền tảng của giao thức Mac 47

5.3.1 Các yêu cầu thực hiện 48

5.3.2 Các giao thức phổ biến 52

5.4 Giao thức Mac cho WSNs 62

PHẦN II Giao thức định tuyến trong WSN 64

6 Giao thức Định tuyến cho các mạng cảm biến không dây 64

6.1 Giới thiệu 64

6.2 Background 65

6.3 Phổ biến và thu thập dữ liệu 66

6.4 Thách thức định tuyến và các vấn đề thiết kế trong mạng WSNs 67

6.4.1 Quy mô và sự thay đổi Thời gian Đặc điểm bất biến- 68

6.4.2 Sự giới hạn resource 68

6.4.3 Mô hình dữ liệu Ứng dụng cảm ứng- 69

6.5 Kế hoạch định tuyến trong mạng cảm biến không dây 69

6.5.1 Kỹ thuật định tuyến WSN 71

6.5.2 Flooding và sự biến đổi 72

6.5.3 Giao thức cảm biến thông tin thông qua đàm phán SPIN 74

6.5.4 Phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (Leach) 80

6.5.5 Thu thập Năng lượng Hiệu quả trong HT thông tin cảm biến- 84

6.5.6 Khuếch tán trực tiếp 88

6.5.7 Định tuyến địa lý 94

6.6 Kết luận 101

PHẦN III Chương trình mô phỏng giao thức chọn đường Leach 102

Kết luận 106

Tài liệu tham khảo 107

Có bốn thành phần cơ bản trong mạng cảm biến :

- Việc lắp ráp của các cảm biến được lắp đặt và phân bố

- Một mạng kết nối (thông thường, không phải luôn luôn với cơ sở mạng không dây)

- Một trung tâm tiêu điểm của chùm thông tin

- Thiết lập nguồn tại trung tâm điểm (hoặc ở trên) để xử lý các tín hiệu liên kết, tiên lượng các biến cố, truy vấn các trạng thái, khai thác những dữ liệu Trong nội dung này, các nút tính và cảm biến được coi như là một phần của mạng cảm biến, trong thực tế một vàì tính tính được thực hiện trong chính hệ thống của nó Bởi vì do số lượng lớn các dữ liệu tiềm năng được thu thập,

1.1.1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến

- Những nhà nghiên cứu xem WSNs(mạng cảm biến không dây) như là một lĩnh vực mới mẻ và thú vị trong những hệ thống mạng lớn của các nút mạng không dây có công suất thấp với một lượng rất ít CPU và bộ nhớ, và những mạng kết hợp lớn mà có độ nhạy cao với môi trường Những cảm biến trong một WSN

được sử dụng với rất nhiều mục đích, chức năng và khả năng khác nhau Lĩnh vực này hiện nay đang rất phát triển dưới sự thúc đẩy của các tiến bộ kỹ thuật trong thời gian gần đây và kéo theo nó là vô vàn các ứng dụng tiềm năng Mạng radar được sử dụng trong việc điều khiển không lưu, mạng điện quốc gia, và các trạm khí tượng quốc gia được phủ khắp mạng các điểm đã được sắp đặt một cách

có hệ thống, tất cả đều là những ví dụ trước đây của việc triển khai mạng cảm biến Tuy nhiên, tất cả những hệ thống này sử dụng các máy tính và giao thức truyền thông chuyên dụng, rất đắt đỏ Hiện nay đang có kế hoạch ứng dụng những WSN tiết kiệm hơn vào an toàn vật lý, chăm sóc sức khoẻ và thương mại Mạng cảm biến mà một lĩnh vực đa diện mà có liên quan tới các ngành khác, trong số đó có thể kể tới, vô tuyến điện và mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo, quản lý dữ liệu, cấu trúc hệ thống cho việc quản lý kết cấu cơ sở thân thiện với với người điều hanh, tối ưu hoá tài nguyên, thuật toán quản lý công suất, và công nghệ nền tảng( phần cứng và phần mềm, chẳng hạn như hệ điều hành)

- Công nghệ cảm biến và điều khiến gồm có các cảm biến từ trường và điện trượng, các cảm biến tần số sóng vô tuyến, cảm biến quang, điện quang và hồng ngoại; rada, lase, cảm biến vị trí/ hướng; cảm biến địa chấn và sóng áp suất; cảm biến liên quan tới các vấn đề về an ninh quốc gia Chúng ta có thể xem cảm biến ngày nay như các thiết bị thông minh, không đắt tiền được lắp đặt kèm trên các thiết bị cảm biến; chúng là các điểm nút đa chức năng, không ràng buộc, công suất thấp, giá thành rẻ và được đặt một cách hợp lý trên một điểm nút chìm chính Một mục tiêu mang tính thương mại là phát triển hoàn thiện những hệ thống cơ học vi điện dựa trên hệ các cảm biến chiếm dung tích là 1mm3 Các - - cảm biến được phát triển chủ yếu theo lối mật độ tập trung cao và số lượng lớn; một WSN gồm có các nút phân bộ dày đặc và có hố trợ cảm biến, xử lý tín hiệu,

hệ thống tính toán nhúng, và các ghép nối; các cảm biến được liên kết theo một cách lô gíc theo kiểu tự tổ chức( các cảm biến được bố trí theo chặng ngắn điểm điểm, sắp xếp theo cặp chủ tớ cũng được chú ý) Kết quả là cần phải có các phương pháp thiết kế mới cùng với một tập các luật đi kèm, nhưng không bị giới hạn, việc truyền thông tin, vấn đề mạng và quản lý điều hành, bảo mật, tích hợp, tính khả dụng và xử trong mạng cục bộ Trong một vài trường hợp, hiện vẫn

đang còn một vài thách thức trong vân đề thu thập dữ liệu từ WNs bởi vì sự kết tới và đi từ WNs có thể bị đứt đoạn vì trạng thái pin yếu (ví dụ, nếu chúng phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời để nạp điện) hoặc các hỏng hóc Wn khác Thông thường, một số rất lớn các đơn vị khách (64k trở lên) cần được hỗ trợ bởi hệ và

bộ máy giải mã

Bề rộng của cảm biến tuân theo độ lớn về kích cỡ vật lý; chúng (hoặc, ít ra là một vài thành phần của nó) có độ rộng từ các thiết bị cỡ nano tới cỡ meoscopic tại một điểm, từ kích cỡ micro tới marco tại một điểm khác Nanoscopic( cũng được gọi là kích cỡ nano) chỉ đối tượng hoặc thiết bị có kích cỡ từ 1 tới 100mm

về đường kính; kích cỡ meoscopic là từ 10 đến 1000µm về đường kính; và kích

cỡ macrcoscopic là trong phạm vi mm tới m Ở mức gần cuối của thang đo tìm được trong các thang đo khác, các cảm biến sinh học, vi cảm biến bị động nhỏ (ví dụ như Smart Dust một hệ thống truyền thông, tính toán và cảm biến độc - lập sử dụng quang phổ nhìn thấy được để truyền dẫn) và tập hợp "lab- -a-chip" on

- Các cảm biến có thể là các thành phần điểm đơn hoặc có thể là các dãy dò đa điểm Các cảm biến có thể là bị động hoặc tự cấp năng lượng; xa hơn là chuỗi tiêu thụ năng lượng, một vài cảm biến có thể yêu cầu năng lượng tương đối thấp

từ pin hoặc đường dẫn Ở điểm cao cuối của chuỗi tiêu thụ năng lượng, một vài cảm biến có thể cần năng lượng rất lớn (ví dụ cho rada)

- Các cảm biến tạo điều kiện cho việc trang bị và điều khiển các nhà máy, văn phòng, nhà, phương tiện, thành phố và môi trường, đặc biệt là làm cho các công nghệ có sẵn trở nên khả dụng Với công nghệ mạng cảm biến (đặc biệt là với mạng cảm bíên nhúng), các con thuyền, máy bay, và các toà nhà có thể tự dò ra được các lỗi về cấu trúc (ví dụ các vết nứt do việc giảm sức chịu lực)

- Chúng ta nhấn mạnh vào sự nổi bật của những tiêu chuẩn mở hỗ trợ cho WSNs; việc tiêu chuẩn hoá đưa tới sự thương mại hoá công nghệ, cuối cùng thì nếu để một phát kiến mới trở thành một công nghệ phổ biến, các tiêu chuẩn mở

ở mức thương mại hoá, chipsets, và các sản phẩm là cần thiết để mà đáp ứng dịch vụ thương mại và các đáp ứng về mức hoạt động theo quan điêm về tính tin cậy, giá cả, tính khả dụng, độ bền, và tính đơn giản Sau đây là mẫu phân loại về

các chủ đề nghiên cứu bằng tần suất công bố dựa trên qui mô của nó về các tiêu

- Hiện tượng khuếch tán 0.91%

simplicity-60 cho tới hệ thống LANs và WLAN/2.5G/3G ngày nay; hoặc ARPAnet ở đầu năm 70 (ví dụ trong số rất nhiều,[1.24]) tới Internet ngày nay(ví dụ [1.25]); hoặc Voice Over Packet giữa thập niên 70(ví dụ [1.26 1.60]) tới công nghệ Voice -Over IP hiện tại(ví dụ [1.31 1.32]); hoặc phương pháp nén video cuối những năm 80 ( ví dụ [1.33]) tới cuộc cách mạng truyền dẫn video kỹ thuật số MPEG-2

và MPEG 4 hiện tại Xem hình 1.1 thể hiện sự chuyển dịch trong trọng tâm ngành kỹ thuật theo thời gian

-H nh 1.1 : Chuy n d ch tr ng tâm ngành k thu t theo th i gian

- Thật ra, ở sự chuyển đổi này, mạng cảm biến đang phát triển rất nhanh; hiện tại lĩnh vực này đang thu hút sự quan tâm rất lớn không chỉ từ giới học viện và chính phủ mà còn từ những nhà phát triển, sản xuất, các công ty, nhà phát minh,

và các nhà sản xuất dụng cụ nguyên gốc Dựa theo các nhà quan sát ngành công nghiệp, thị trường cảm biến không dây giờ đây đang trong tư thế sắn sàng thương mại hoá Báo cáo thị trường hiện tại chỉ ra rằng hơn nửa tỷ điểm nút

mạng đang được kỳ vọng sẽ được chuyển sang sử dụng các ứng dụng mạng không dây vào năm 2010, và ứng vơi nó là hơn 7 tỷ đô la

- Việc thực hiện WSNs cần phải giải quyết giải quyết được các thách thức về mặt kỹ thuật; tuy nhiên vào một khoảng thời gian thích hợp trong tương lai, xu thế tiêu chuẩn hoá sẽ tối giản những thách thức này bằng việc giải quyết các vấn

đề trước đó và điều này sẽ dẫn đến sự ra đời của các linh kiện và chipset có sẵn Một trong những vấn đề của nghiên cứu và phát triển gần đây là việc cải thiện vấn đề truyền thông công suất thấp cùng với việc xử lý tại các nút mạng và các giao thức kết nối tự sắp xếp sao cho chi phí là thấp nhất Một thử thách quan trọng khác là việc cần thiết mở rộng cơ chế hoạt động tạm thời của các nút cảm biến mặc dù bị giới hạn bởi nguồn cấp năng lượng Cấu trúc của sóng vô tuyến rói riêng, bao gồm việc sử dụng các mạch có công suất bé, phải được lựa chọn một cách phù hợp Theo thuật ngữ thực tiễn, nó ám chỉ việc tiêu thụ năng lượng

ít cho công đoạn truyền tín hiệu qua kênh băng thông hẹp và việc tiêu thụ năng lượng ít phù hợp với quá trình tiền xử lý hoặc nén dữ liệu Người ta đang tìm kiếm các hệ thống truyền thông không dây tiết kiệm năng lượng và nó cũng là điển hình cho hệ thống WSNs Tiết kiệm năng lượng là nhân tố quan trọng để đảm bảo cho sự hoạt động lâu dài của các hệ thống không bức xạ (một vài hệ thống có thể được bức xạ hoặc dựa trên các nguồn năng lượng khác)

- Hiệu suất năng lượng trong WSNs nói chung được thực hiện theo 3 cách:

o Hoạt động trong vòng bé

o Xử lý nội mạng/mạng nội bộ để làm giảm dung tích dữ liệu(và

do đó giảm thời gian truyền)

o Mạng có nhiều bước nhảy làm giảm yêu cầu cho việc truyền ở khoảng cách xa vì sự mất mát tín hiệu truyền là hàm nghịch đảo theo cấp số mũ với khoảng cách Mỗi nút trong mạng cảm biến có thể làm việc như một bộ lặp,

do vậy làm giảm vùng phủ sóng yêu cầu của điểm nối và theo đó là công suất truyền

- Mạng không dây thông thường được thiết kế với dải điểm nối theo thứ tự 10,

100 hoặc hàng nghìn dặm Việc giảm dải điểm nối và nén lượng dữ liệu trong WSNs dẫn đến chi phí cho các điểm kết nối khác với khác hệ thống thông

thường khác Tuy nhiên, những giới hạn về mặt công suất cùng với mong muốn giảm giá thành của các điểm nút mạng đã đưa tới một khái niệm mà các nhà phát triển gọi là "những thách thức về mặt thiết kế tinh vi(profound design challenges)" Các chipset CMOS mới(chất bán dẫn meta oxit bù, bổ sung) đã tối

ưu cho WSNs là chìa khoá cho các thành công trong việc thương phẩm hoá và trên thực tế là nó đang được phát triển

- Ta phân loại mạng cảm biến và các hệ thống thành 2 loại:

o Loại 1 WSNs(C1WSNs): hệ thống dựa trên mạch vòng gần như bất biến dựa

trên kết nối radio đa chặng giữa các WNs, điều khiển theo dạng định tuyến động ở cả mạng không dây hay một phần là không dây Điển hình cho dạng này là các hệ thống quân sự

o Loại 2 WSNs (C2WSNs): hệ thống điểm điểm hoặc đa điểm thường dùng

cách kết nối radio đơn chặng với WNs, điều khiển định tuyến tĩnh thông qua mạng không dây; trường hợp tiêu biểu là sẽ chỉ có duy nhất một tuyến đường

đi từ WNs tới các nút khác nằm trên đất liền hoặc các điểm nút ở đường dây phía trước (WNs là các nút treo) Hệ thống điều khiển ở các khu dân cư là ví

dụ điển hình cho dạng này

-C1WSNs hỗ trợ tốt các ứng dụng tổng số node cao phân tán.(Ví dụ: giám sát môi trường, hệ thống an ninh quốc gia); C2WSNs lại hỗ trợ tốt hơn cho các ứng dụng trong không gian phạm vi hẹp đã xác định chẳng hạn như một ngôi nhà, nhà máy, toà nhà hay cơ thể con người; C1WSNs khác ở phạm vi và có thể xây dựng được từ việc phát triển công nghệ không dây , C2WSN cho các ứng dụng không dây mà tỉ lệ dữ liệu thấp trong phạm vi hẹp, chẳng hạn như hệ thống RFID( nhận biết tần số radio) chuyển mạch ánh sáng, máy dò lửa và khói, bộ điều chỉnh nhiệt và các ứng dụng trong gia đình C1WNs có xu hướng làm việc với các hệ thống đa điểm phạm vi rộng cùng các dòng thông tin khổng lồ, ngược lại với nó, C2WNs lại tập trung vào các kết nối điểm điểm trong phạm vi hẹp, các ứng dụng từ điểm đầu tới điểm cuối với dòng dữ liệu dựa trên giao tác đã được xác định

- Trong một số năm, những người bán dạo đã sử dụng kỹ thuật của bản thân cho việc thu thập các dữ liệu về đặc tính của thiết bị Đầu những năm 2000,cã giải

pháp được đưa ra là một chuẩn mới IEEE802.15.4 cùng với Zigbee(cụ thể hơn,

nó gầm các lớp phần mềm ở trên chuẩn IEEE802.15.4 mới được đưa ra và hỗ trợ rất nhiều ứng dụng khác ) C2WSNs có các lớp thấp hơn của ngăn xếp giao thức truyền thông(điều khiển truy cập phương tiện và vật lý) tương tự như mạng khu vực cá nhân(PAN), được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.15 được phát triển gần đây: do đó, sử dụng được các chuẩn IEEE này cho C2WSNs; IEEE802.15.4 hoạt động ở tần số công nghiệp 2.4 GHZ, băng tần radio bệnh viện và khoac học

và hỗ trợ tỉ lệ truyền lên tới 250Kbps ở dải từ 30 tới 200ft Zigbee/IEEE802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như Bluetooth, Wi Fi, và -băng thông siêu rộng(UWB), và nó cũng đang được coi là mục tiêu của các ứng dụng thương mại cho cảm biến kiểu điểm điểm tại những nơi mà sự kết nối là không thể, năng lượng vô cùng thấp và giá thành rẻ

- Với sự xuất hiện của tiêu chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4, các hệ thống được kỳ vọng là đạt được những bước tiến dựa trên chuẩn cơ sở, cho phép các cảm biến truyền thông tin theo cách đã được tiêu chuẩn hoá C2WSNs( và C1WSNs với vấn đề này) làm việc ở bên ngoài toà nhà và trên một khu vực rộng có thể sử dụng bất kỳ một công nghệ radio trong số đã được chuẩn hoá Người ta hi vọng rằng thị trường C2WSN (tỷ lệ dữ liệu thấp) sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai gần: Khối lượng(dung tích) của các thiết bị không dây tỷ lệ dữ liệu thấp được

dự báo là sẽ gấp 3 lần kích thước của Wi Fi vào cuối thập kỷ bởi vì sự phát triển của hệ thống dựa trên chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4(các nhà quan sát ngành công nghiệp hi vọng rằng số lượng các nút phù hợp với ZigBee sẽ tăng từ xấp xỉ 1 triệu vào năm 2005 tới 100 triệu vào năm 2008) Trong phần này sẽ thảo luận về

-cả 2 loại công nghệ, C1WSNs và C2WSNs, nhưng người đọc nên nhớ rằng các vấn đề kỹ thuật sẽ ảnh hưởng tới 2 lĩnh vực này ở các mức độ khác nhau

- Trong một nghiên cứu rất đáng chú ý ở lĩnh vực di động và mạng hoc (MANETs) WSNs tương tự như MANETs ở một vài điểm; ví dụ, cả 2 cùng liên quan tới việc giao tiếp đa bước Tuy nhiên, các ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật cho 2 hệ này lại khác nhau đáng kể ở một vài khía cạnh

- Chế độ điển hình của truyền thông trong WSN là từ các nguồn nhiều dữ liệu tới thiết bị nhận dữ liệu hay bộ nhận(một loại thiết bị như là nghịch đảo của hệ

thống đa điểm) hơn là truyền thông giữa các 1 cặp nút Nói cách khác, các nút cảm biến sử dụng chủ yếu hệ đa điểm hoặc truyền thông phát thanh, đối lập với hầu hết MANETs được dựa trên hệ truyền thông điểm điểm

- Trong hầu hết các ứng dụng, cảm biển không duy chuyển(dù cho các hiện tượng cảm nhận được lại thay đổi); điều này có nghĩa là đặc tính động của 2 dạng mạng là khác nhau

- Bởi vì dữ liệu được thu thập bởi nhiều cảm biến dựa trên cùng một hiện tượng, do vậy có khả năng dư thừa trong dữ liệu được truyền đi bởi rất nhiều nguồn trong WSNs; đây không phải là tình huống thường xảy ra trong MANETs

- Bởi vì dữ liệu được thu thập bởi nhiều cảm biến dựa trên cùng một hiện tượng,

do đó có thể sẽ lệ thuộc vào thế hệ biến cố lưu lượng, chẳng hạn một vài mô hình giao thức truy cập ngẫu nhiên điển hình có thể là không tương xứng với mức chờ phân tích; đây không phải là tình huống thường xảy ra trong MANETs

- Một hạn chế về tài nguyên quan trọng trong WSNs là năng lượng; đây cũng không phải luôn luôn là tình trạng thường gặp ở MANÉTs, nơi mà các thiết bị truyền thông có thể được thay thể hoặc nạp lại tương đối thường xuyên Kích cỡ của WSNs(đặc biệt là C1WSNs) và sự cần thiết của hệ thống vận hành tự động trong khoảng thời gian lên tới hàng tuần hoặc hàng tháng chỉ ra rằng nguồn năng lượng cần phải được quản lý hết sức thận trọng Điều này ngăn ngừa việc truyền

- Cũng có một vài các nghiên cứu khác về mạng mắt lưới không dây(WMNs)dành cho mục đích giảng dạy mở rộng Wi-Fi dựa trên WMNs đang được ứng dụng trong các vùng "hot", bao phủ một khu vực rộng lớn như quận trung tâm của thành phố Mặc dù WMNs có rất nhiều đặc tính mạng giống như

WSNs, về nguyên tăc, các ứng dụng của nó có nhiều hơn Người ta hi vọng rằng

hệ thống C1WSN, loại mạng mà không đòi hỏi sự móc mối, sẽ là một phần tương đối lớn của các mạng WSNs được thương mại hoá trong tương lai gần Giống như WSNs, WMNs có thể sử dụng công nghệ radio có sẵn chẳng hạn như Wi-Fi, WiMax( Tương kết toàn cầu cho truy cập sóng cực ngắn), và điện thoại 3G

1.2 Miêu tả cơ bản về kỹ thuật

Trong Phần 1.1 đã mô tả ở mức cao của các phương pháp tiếp cận, các vấn đề,

và các công nghệ liên kết với WSNs Bổ sung một số chi tiết được cung cấp trong phần này từ triển vọng chung chung, nhiều vấn đề này và khái niệm này sau đó được thảo luận chi tiết trong chương tiếp theo mạng cảm biến đối phó với không gian và thời gian: vị trí, độ bao phủ, và đồng bộ hóa dữ liệu Dữ liệu bản chất là các loại “ tiền tệ” của một mạng cảm biến

Thông thường, sẽ có một số lượng lớn thời gian phụ thuộc dữ liệu Vì vậy, mạng cảm biến thường hỗ trợ trong tính toán toán Một số mạng cảm biến sử dụng tài nguyên node điều chế; những mạng khác sử dụng một kiến trúc phân cấp điều chế Thay vì gửi các dữ liệu thô cho các nodes chịu trách nhiệm về các dữ liệu hợp nhất, nodes thường xuyên sử dụng khả năng của mình xử lý địa phương để thực hiện sự tính toán cơ bản , và sau đó truyền tải chỉ một nhóm các dữ liệu và / hoặc một phần xử lý dữ liệu

Trong kiến trúc xử lý theo quá trình phân cấp, quá trình xử lý liên tiếp xảy ra tại cùng một dãy cho đến khi các thông tin về các sự kiện quan tâm đến các quyết định thích hợp và / hoặc hành chính điểm Sensor nodes hầu như hạn chế nguồn cung cấp năng lượng và các kênh truyền hình băng thông; những khó khăn này, cùng với một hình triển khai các số lượng lớn node cảm biếns, có posed một plethora của những thử thách để thiết kế và quản lý các WSNs Những thách thức này đòi hỏi sự nhận thức về năng lượng tại tất cả các lớp của một giao thức truyền thông stack Một số các công nghệ chủ chốt và yếu tố kỹ thuật có liên quan đến mạng cảm biến là như sau:

Cảm biến

• Chức năng bên trong

• IEEE 802.11a / b / g cùng với các giao thức an ninh phụ thuộc

• IEEE 802.15.1 PAN / Bluetooth

• IEEE 802.15.3 ultrawide

• IEEE 802.15.3 ultrawideband (UWB)

• IEEE 802.15.4/ZigBee (IEEE 802.15.4 là vật chất radio, và ZigBee là hợp

lý thông tin từ một mạng TinyOS cảm ứng)

Phần mềm ứng dụng

• điều hành hệ thống

• Phần m m mề ạng

• Cơ sở ữ ệ d li u k t nố ớế i v i ph n m m ầ ề

• Phần m m Middleware ề

• Phần m m quề ản l d u ý ữ liệ

1.2.1 Khái niệm kiến trúc mạng

Trong phần này đưa sơ sơ và các yếu tố cơ bản thiết kế tập trung của các mạng cảm biến Những yếu tố này và các nguyên tắc thiết kế cần phải được đặt trong bối cảnh của các mạng C1WSN cảm biến môi trường, đó là do nhiều đặc tính của các yếu tố sau: cảm biến lớn dân số (ví dụ như, hoặc nhiều hơn 64.000 khách hàng, đơn vị cần phải được hỗ trợ bởi các hệ thống và địa chỉ của bộ máy), dòng

dữ liệu lớn, không đầy đủ / un, không đủ khả năng liên kết , công suất hạn chế, thiếu kiến thức toàn cầu hóa về mạng , giới hạn sự hỗ trợ cho các mạng

(C2WSNs có nhiều những hạn chế, nhưng không phải tất cả) Cảm biến mạng phát triển dựa trên các tiến sensing, giao tiếp, và máy tính (dữ liệu, xử lý các thuật toán, phần cứng, và phần mềm) Như đã lưu ý, để quản lý WSN giao thức ,định tuyến cho WSNs cần phải được nhận thức về năng lượng Trung tâm dữ liệu-trong-định tuyến và mạng xử lý là khái niệm quan trọng rằng có liên quan bản chất với cảm biến mạng ịch trình data end đã được đề xuất trong tài liệu L - cho mạng ad hoc di động không phải là thích hợp WSNs; trung tâm dữ liệu -công nghệ cần thiết được thực hiện trong mạng của tổng hợp dữ liệu để sản lượng năng lượng hiệu quả phổ biến -

Loại cảm biến và Công nghệ

Một mạng cảm biến là mạng gồm một số lượng lớn nodes cảm biến được triển khai dày đặc Một vài địa điểm như , node cảm biếns có thể được triển khai trong một không gian mở; trên một chiến trường ở phía trước; trong nội thất của máy móc thiết bị công nghiệp; ở dưới cùng của một cơ thể của nước; và trong một khu vực sinh học hay hóa chất; trong một khu xây dựng thương mại; trong một nhà; trong hay trên một cơ thể con người Một node cảm biến thường có khả năng và điều chế nhúng lưu trữ bên trong, các node có thể có một hoặc nhiều cảm ứng hoạt động trong âm thanh, seismic, phát thanh, truyền (radar), hồng

ngoại, quang, từ, hóa học hay sinh học và các tên miền Cảm biến các node cũng thường xuyên có vị trí và định vị những kiến thức đó được thu thập thông qua một vị trí toàn cầu ing hệ thống (GPS), hoặc địa phương, định vị thuật toán] -Sensor nodes đang nằm rải rác trong một tên miền đặc biệt gọi là một sensor field Mỗi phòng trong số phân phối node cảm biếns thường có khả năng, năng lực để thu thập dữ liệu, phân tích cho họ, và họ vào một lộ trình (thiết kế) điểm sink Hình 1,2 miêu tả là một WSN sắp xếp điển hình Mặc dù trong nhiều môi trường WNs đang có tất cả các giả định để có tính năng tương tự, có trường hợp trong thấy một trong môi trường hỗn tạp liên quan đến các tính năng cảm biến

H nh 1.2 : Việc s p xếp m ng cạ ảm biến tiêu bi u

Sau đây là những vấn đề quan trọng liên quan đến WSNs (xem bảng 1.1):

loại cảm biến; vị trí cảm biến; công suất tiêu thụ cảm biến, điều hành, môi trường, máy tính / sensing và khả năng xử lý tín hiệu, kết nối, và phép đo từ xa hoặc kiểm soát của các thiết bị xa quan trọng cần lưu ý rằng trong bối cảnh nàyvị trí của node và thời gian fine grained là cần thiết cho phù hợp hoạt động -của một cảm biến mạng; này là hầu hết các đối với kiến trúc Internet thông dụng,

vị trí là server cho một vô hình tới các mức độ lớn và mức độ tiềm tàng là nơi thường xuyên không phải là một vấn cốt lõi hay là xem xét thiết kế mục tiêu rõ

ràng Trong mạng cảm biến, fine grained đồng bộ hóa thời gian và địa phương là cần thiết để phát hiện các sự kiện của quan tâm đến môi trường theo quan sát Vị trí cần phải được theo dõi ở địa phương, cả không gian ba chiều (ví dụ như, ngày sàn nhà và những gì mà trong đó Quadrant là phát hiện khói? Là gì nhiệt độ của không khí tại khách sạn cao h?) Và trên một rộng lớn hơn về địa hình, để đánh giá mức độ phát hiện trên thiết lập một liên quan mảng của cảm ứng

-TABLE 1.1 Phân loại vấn đề liên quan đến Cảm biến và Kiến trúc Truyền thông / Computing

Sensors Kích thước: nhỏ [ví dụ như, nanoscale điện và hệ thống thông tin

(Mems)], vừa [ví dụ như, microscale điện và hệ thống thông tin (Mems)], và lớn (ví dụ như, radars, vệ tinh): cubic centimét để cubic decimeters

Vận động: tài liệu (ví dụ như, seismic cảm ứng), điện thoại di động (ví dụ, trên xe robot)

Loại hình: thụ (ví dụ như, âm thanh, seismic, video, hồng ngoại, từ) hoặc hoạt động (ví dụ, radar, ladar)

Hoạt động Giám sát yêu cầu: phân phối (ví dụ như, giám sát môi trường, môi

trường), hoặc địa (ví dụ như, mục tiêu theo dõi)

Số trang web: đôi khi nhỏ, nhưng thường là lớn (đặc biệt là cho C1WSNs)

Không gian bảo hiểm: spars: C1WSN: phạm vi thấp multihop hay C2WSN: thấp phạm - vi single-hop (point- -point) to

Triển khai: cố định và kế hoạch (ví dụ, nhà máy mạng) hay mạng

ad hoc (ví dụ như, không khí xuống)-Môi trường: benign (nhà máy) (ví dụ, các mục tiêu quân sự) Tính chất: hợp tác xã (ví dụ như, không khí lưu lượng truy cập kiểm soát) hoặc noncooperative

Thành phần: đồng (cùng một loại hình cảm ứng) hoặc heterogeneous

(các loại hình cảm ứng) Năng lượng có sẵn: chế (ví dụ, trong nhỏ cảm ứng) hoặc unconstrained (ví dụ, trong lớn cảm ứng)

Thông tin Băng thông: cao ặc thấp (chi tiết điển hình)ho

Mạng: không dây, hoặc không dây (hơn) Điều chế Tập trung (tất cả các dữ liệu được gửi đến trung tâm trang web),

phân bố hoặc trong cấu trúc hệ thống mạng (nằm ở cảm biến hoặc các bên), hay lai

- kết nối logical có mục tiêu là hỗ trợ và phối hợp các nhiệm vụ ở mức cao ; kết nối vật lý là kết nối thường được hỗ trợ trên một đài phát thanh không dây liên kết

Sensing ám chỉ sự hiện diện của những khả năng trong một môi trường coupled chặt chẽ,điển hình cho việc đo lường tham số vật lý của thế giới Một số trong các đặc trưng của các tính năng cảm biến của mạng bao gồm :

• Sensor nodes đang triển khai dày đặc

• Sensor nodes đang có khả năng ko thực hiện đc

• The Tô pô mạng cảm biến của một thay đổi rất thường xuyên

• Sensor nodes được giới hạn trong máy điện, máy tính năng lực, và bộ nhớ

• Sensor nodes có thể không có sự xác định bởi vì có một số lượng quá lớn các sensor

Cảm biến sensing hệ thống mạng yêu cầu được thời gian sống lâu và môi trường tốt Hệ thống Unattended, untethrered, self-powered thấp nghĩa vụ chu kỳ là - -điển hình tiêu biểu Hình 1,3 sensing node

H nh 1.3 : Thành phần của m t node cảm biến

Công suất tiêu thụ thường là một vấn đề mà cần phải được đưa vào việc thiết kế như là một khó khăn Trong hầu hết các trường hợp, giao tiếp circuitry và ăng-ten chính là những yếu tố đó rút ra hầu hết các năng lượng Cảm biến là các thiết

H nh 1.4 Giao thức chung cho mạng cảm biến

bị active hoặc là passive Passive sensor trong mẫu bao gồm các yếu tố

seismic-,-âm thanh, căng độ ẩm, và nhiệt độ thiết bị đo lường Passive sensor trong mẫu -,- bao gồm các mảng quang [nhìn, hồng ngoại 1 micron (mm), hồng ngoại 10 mm], -

-và các thiết bị đo lường Chất Sinh học Passive sensor có xu hướng làm cho thiết bị sử dụng năng lượng ít đi Active sensors bao gồm cảm ứng radar và Sonar; này có xu hướng làm tăng cao cao năng lượng hệ thống Là xu hướng về hướng VLSI (tích hợp quy mô rất lớn), tích hợp Ðiện, và Công nghệ nano; là làm việc theo cách trong lĩnh vực chất Sinh học Các thành phần của một node cảm biến bao gồm:

-• A sensing actuation và các đơn vị (một nguyên tố hoặc mảng)

• Một đơn vị điều ch ế

• một đơn vị truyền thông

• Một ứng dụng khác phụ thuộc các đơn vị-

Các Chuẩn cho tầng Giao thức truyền dữ liệu

Đích nhắm tới khi phát triển WSN là phát triển một chuẩn với chi phí thấp, hợp chuẩn mạng không dây, lượng dữ liệu phải truyền ít, tiêu thụ ít năng lượng, bảo mật và tin cậy Không cần xác định trước Vị trí đặt các Cảm biến, cho phép triển khai tùy theo địa hình, ngay cả ở các vị trí khó di chuyển tới Do vậy thuật toán cho Giao thức của mạng cảm biến phải có khả năng tự tổ chức/sắp xếp

Các ứng dụng, thiết bị cảm biến phải có thể triển khai nhanh chóng Việc triển khai có thể làm theo các kế hoạch đã sắp xếp trước đó, và phải đáp ứng được môi trường biến động

Các nhà nghiên cứu đã phát triển rất nhiều Giao thức thiết kế đặc biệt cho WSNs, trong đó rất chú ý tập trung và vấn đề tiêu thụ năng lượng, do vậy các giao thức có thể khác với các mạng truyền thống (Tùy theo ứng dụng và cấu trúc mạng) Mạng, bản thân nó là một cấu phần quan trọng của mạng cảm biến, và đóng vai trò quan trong trong hoàn cảnh này Hình 1.5 miêu tả một cấu trúc giao thức có thể sử dụng để miêu tả các thiết bị truyền thông (Xem bảng 1.2) Bảng

1.3 cho thấy một vài quy tắc cơ bản áp dụng cho giao thức bậc thấp

-Tầng 4 Transport, truyền thông tin, tích lũy, lưu trữ

Tầng 3 Mạng (Networking), bao gồm quản lý thích ứng hình thái và tìm đường

Tầng 2 Kết nối Link layer (xử lý tranh chấp): Chi xẻ kênh (MAC), đến thời

gian, định hướng

Tầng 1 Vật lý (Physical medium): các kênh thông tin, phát tin và xử lý số liệu

B ng 1.3 ả Giao thức WSN bậc thấp

nhìn chung một giao thức gọn nhẹ là cần thiết cho WSNs Các vấn đề liên quan bao gồm:

1 Liên kết vật lý và phạm vi liên kết: Làm thế nào để các Cảm biến phân tán có thể kết nối với nhau tin cậy và hiệu quả.Và với phương tiện nào (e.g., các kênh không dây)?

2 Các đặc tính kết nối, dung lượng, nén dữ liệu

3 Bảo mật cho mạng và tính tin cậy của truyền thông (các nhân tố bao gồm hiện tượng thiên nhiên như suy yếu do nhiễu, và các tấn công như nghe trộm, truyền dữ liệu không được phép

4 Mang kết nối vật lý và giao thức ở transport layer protocols phải quan tâm đến việc truyền tin đáng tin cậy, phát hiện nghẽn mạch, có thế mở rộng và mã hóa chống nhiễu

-5 Cơ chế truyền thông có thể là môi trường liên kết, truyền dữ liệu không phụ thuộc thời gian

Mặc dù phần điện tử cho các cảm biến trở nên rẻ hơn, chúng ta vẫn thấy chưa có một chuẩn chung cho các mạng thương mại được triển khai Bởi vì hiện nay vẫn

có quá nhiều giao thức mạng, với các đặc tính riêng của từng nhà sản xuất, không hoạt động với các thiết bị của các nhà sản xuất khác

Sự thiếu vắng của các chuẩn mở hạn chế sự hợp tác và làm hạn chế sự phát triển Các chuẩn đang phát triển có thể cung cấp một cấu trúc chung mà các ứng dụng

có thể tách rời khỏi phần cứng Mục đích của các chuẩn là cho phép người phát triển ứng dụng có thể thiết kế các giải pháp giảm thiểu chi phí triển khai và bảo trì với nhiều loại cảm biến sử dụng trong công nghiệp, thương mại và đời sống

Các giao thức tìm đường cho WSNs thường ở một trong ba dạng sau: Dữ liệu

trọng tâm, Phân bậc – phân nhánh và theo vị trí Ý tưởng chung của việc tập hợp dữ liệu là kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dọc theo đường truyền Phương pháp này cho phép loại bỏ sự trùng lặp, giảm thiểu các giao tác,

và do vậy giảm tiêu thụ năng lượng Tìm đường sử dụng hướng tiếp cận này quan trọng hơn rất nhiều so với việc sử dụng phương pháp tìm đường truyền thống theo địa chỉ (tìm đường ngắn nhất giữa hai địa chỉ xác định bới các end-node) hay hướng tiếp cận sử dụng tìm đường theo Dữ liệu trọng tâm (tìm đường

từ nhiều điểm đến một điểm – cho phép tăng độ chắc chắn bằng các dữ liệu trùng lặp) Xem bảng 1.4

Để thực hiện phương pháp tìm kiếm Dữ liệu trọng tâm và truyền tin trực tiếp, chúng ta cần phải thực đặt tên cho dữ liệu thay vì đặt trên cho những node mạng cùng với các thuộc tính liên quan như trong bảng sau:

Thông thường, dữ liệu được truyền qua mọi WN trong một vùng, nên làm tăng đáng kể các trùng lặp và giảm hiệu quả tiêu thụ năng lượng

Kết quả là cần phải có một giao thức cho phép chọn một nhóm các cảm biến và tiến hành thu thập

dữ liệu trong khi truyền dữ liệu Chính điều này dẫn đến việc triển khai tìm kiếm dữ liệu trọng tâm

(Trong tìm đường theo địa chỉ truyền thống, các đường dẫn giữa các node mạng được thực hiện ở tầng mạng - network layer mechanism)

Sensor protocols for

information via negotiation (SPIN) Directed diffusion Rumor routing Gradient-based routing (GBR) Constrained anisotropic diffusion routing (CADR) COUGAR ACQUIRE

Phân nhánh Mạng đơn lớp có thể tạo cho node gateway trở nên

quá tải khi mật độ mạng tăng lên, gây ra trễ mạng ngay cả khi truyền thông tin trạng thái

Để loại bỏ vấn đề với mạng WSNs có nhiều WNs, người ta thực hiện việc tạo nhóm cho các node

LEA CH TEEN APTEEN PEGASIS

Mục đích của tìm kiếm phân nhánh là quản lý tiêu thụ năng lượng của các WNs một cách hiệu quả bằng các thực hiện truyền thông theo nhiều bước trong một phân vùng, nhóm cụ thể Và thực hiện thu thập và tổng hợp dữ liệu nhằm giảm số lượng gói dữ liệu cần truyền

Theo vị trí Các thông tin về vị trí của WNs có thể lưu trong

dữ liệu tìm đường theo cách tiết kiệm năng lượng

Thông tin vị trí được dùng để tính khoảng cách giữa hai node mạng cho trước, trong đó tính luôn được năng lượng tiêu thụ (hoặc ước lượng) Ví dụ nếu thông tin về vị trí vùng đã được biết, truy vấn

dữ liệu sẽ chỉ được thực hiện với vùng đó, hạn chế

số lượng tin truyền ra bên ngoài vùng đó Tìm đường theo vị trí hay được ứng dụng trong các mạng điện thoại di động nhưng cũng có thể được ứng dụng trong các mạng WSNs nói chung

(Nhớ rằng các giao thức không tính toán đến năng lượng tiêu thụ được thiết kế cho các mạng không dây như Cartesian hay

trajectory-based routing, không lý tưởng lắm cho các mạng WSNs.)

MECN SMECN GAF GEAR

Theo QoS Giao thức Chất lượng dịch vụ dựa trên độ trễ khi

tìm đường trong mạng cảm biến

Sequential assignment requirements in routing (SAR) for end- -end to delay (SPEED)

1.2.2 Thử thách và khó khăn

Để WSNs c m t kh p mó ặ ở ắ ọi nơi, một số các thách thức và ókh kh n ẳ phải được khắc phục Thách thức và hạn chế của mạng không dây cảm biến này bao gồm những điều sau đây:

• Khả năng chức năng hạn chế

• Nhân tố ề công suấ v t

• Giá à th nh c c Nodes á

• Nhân tố môi trường

• Nhân tố truyền kênh

• quản lý Tô pô phức tạp và phân phối node

• Giải ph p tiá êu chuẩn phân phối độc quy n ề

Phần cứng hạn chế

Một cảm biến có thể cần phải phù hợp với một mô đun - chật cứng trên thứ tự của

2 5 1 cm, hoặc thậm chí như nhỏ như là một 1 1 1 cm Như được hiển thị trong Hình 1.3, một node sensor thường bao gồm bốn thành phần chủ chốt và bốn thành phần tùy chọn Các thành phần chủ chốt bao gồm một đơn vị công suất (pin và / hoặc dùng năng lượng mặt trời tế bào), một đơn vị sensing (cảm ứng và analog- -to kỹ thuật số chuyển đổi), một đơn vị điều chế (cùng với lưu trữ), và là đơn vị thu phát sóng vô tuyến (các node kết nối vào mạng ) Các thành phần tùy chọn bao gồm tìm một hệ thống tìm địa điểm, một Máy phát điện, một actuator -kiểm soát, và các ứng dụng phụ thuộc vào yếu tố khác Trong môi trường đơn thuần là analog-tín hiệu đo bằng những cảm ứng được chuyển đổi sang kỹ thuật

số bởi các tín hiệu analog sang kỹ thuật số chuyển đổi và sau đó được cung cấp cho các đơn vị điều chế Nodes Senor cũng có thể có được một lần, tự trị, và điều khiển thích nghi với môi trường

Công suất tiêu thụ

Khoảng thời gian sống của các node cảm biến thông thường biểu hiện một sự phụ thuộc vào thời gian sống của pin Trong nhiều trường hợp, các node không dây cảm biến có một nguồn lực hạn chế (<500 mAh, 1,2 V), và được bổ sung về nguồn có thể được hạn chế hoặc không thể bổ sung tất cả Pin hoạt động cho cảm ứng được sử dụng trong các ứng dụng thương mại thường dựa trên hai AA kiềm hay một tế bào Li AA tế bào Nó như đã lưu ý, mà khả năng quản lý và bảo tồn -nguồn rất quan trọng cho chức năng cảm biến mạng, và một nhu cầu thiết kế điện biết giao thức và thuật toán Chức năng của một node cảm biến trong một -cảm biến là lĩnh vực để phát hiện các sự kiện, thực hiện các địa phương, xử lý dữ liệu, và truyền tải nguyên liệu và / hoặc xử lý dữ liệu Công suất tiêu thụ do đó

có thể ở ba tên miền chức năng: sensing, giao tiếp, điều chế dữ liệu ở mỗi vùng

mà yêu cầu tối ưu hóa Trong bối cảnh liên lạc, trong một mạng multihop cảm biến đóng vai trò của các việc thu thập dữ liệu , điều chế và thành một điểm trễ

dữ liệu Như có thể dễ dàng hiểu rằng, quá nhiều việc định tuyến lại và / hoặc việc truyền lại sẽ phải yêu cầu bổ sung thêm năng lượng

Chi phí m t đơn v Node

Hầu như định nghĩa, một cảm biến mạng bao gồm một bộ cảm biến lớn nodes

Nó sau đó chi phí của một cá nhân node là quan trọng đối với tổng số liệu tài chính của các mạng cảm biến Rõ ràng, các chi phí của từng node cảm biến để

có được giữ ở mức thấp cho các số liệu toàn cầu để có thể chấp nhận được Cảm biến hiện tại hệ thống dựa trên công nghệ Bluetooth chi phí khoảng $ 10; Tuy nhiên, Bluetooth được giới hạn như một công nghệ truy n ề trong các điều khoản của cả hai băng thông và kho ng c chả á Tuy nhiên, các chi phí của một node cảm biến thường là nhắm mục tiêu vào được ít hơn $ 1, đó là thấp hơn hiện tại trạng thái công nghệ ệ hi n nay

Môi trư ng

Sensor mạng thường xuyên sẽ có thể hoạt động trong một thời trang trong phân tán không mong đợ và / hoặc vị trí địa lý từ xa: Nodes có thể được triển ki hai trong thô, thù địch, hoặc nằm rải rác rộng rãi môi trường Những ảnh hưởng đến môi trường đầy thử thách trong cơ chế quản lý Tại các ểđi m cu i c a tr i ph , ố ủ ả ổthỉnh thoảng có node cảm biếns triển khai ày đặ hoặc ở gần hoặc trực tiếp với d c các môi trường bên trong để quan sát được

Kênh truyền

Sensor mạng thường xuyên hoạt động trong một băng thông và hiệu suất chế multihop không dây truyền thông, phương tiện Những thông tin liên lạc không dây liên kết hoạt động trong các đài phát thanh, hồng ngoại, hoặc phạm vi quang Một số thấp power radio dựa trên các thiết bị cảm biến sử dụng một kênh RF -transceiver hoạt động tại 916 MHz [1,87]; cảm biến một số hệ thống sử dụng Bluetooth-tương-2,4 GHz transcei-ver tích hợp với một tần số synthesizer [1,88],nhưng các hệ thống khác sử dụng 2.4 GHz (IEEE 802.11b công nghệ), 5,0 GHz (IEEE 802.11a công nghệ), hoặc có thể là các ban nhạc (cho IEEE

802.15.4/IEEE 802,16 và / hoặc sử dụng cho quốc tế) Để tiện Glo bal hoạt động của các mạng, các kênh truyền phải được lựa chọn sẵn có trên một cơ sở trên toàn thế giới

-T nh k t í ế nối à topology v

Triển khai và quản lý một số lượng các nodes trong một môi trường tương đối bounded đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt Hàng trăm đến hàng ngàn cảm ứng trong gần (bàn chân) có thể được triển khai trong một lĩnh vực cảm biến Mật độ của các cảm ứng có thể được như cao như 27 nodes/m3 Ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu kỹ thuật ạ m ng ad hoc ; mặc dù nhiều giao thức và thuật toán đã được đề xuất cho truyền thống mạng không dây ad hoc n, ó cũng không ù ợp đượph h c v i c c ớ á

tính năng duy nhất và ứng dụng các yêu cầu của mạng cảm biến Nodes có thể được triển khai à h ng loạt hoặc được ụ ể trong lĩnh vực cảm biến riêng (ví dụ, c th

họ có thể được triển khai trong một helicopter, nằm rải rác bởi một binh bao hay rocket, triển khai hoặc riêng rẽ một con người hoặc do một robot) Bất cứ lúc nào sau khi triển khai, Tô pô thay đổi này có thể xảy ra , do thay đổi trong cảm biến

vị trí node; công suấ sẵn có, ỏ ở, hoặc ết b d y u ngu n mồ ; ất chức năng ; khoảng đạt suy kém; Jamming

Tại một số thời gian tương lai, bổ sung nodes sensor có thể cần phải được triển khai để thay thế nodes ko c chó ức năng; vì vậy, mặc dù một số node cảm biếns

có thể thất bại hoặc bị chặn vì thiếu điện hoặc có thiệt hại vật chất hay môi trường can thiệp, thất bại này nên không ảnh hưởng đến tổng thể sứ mệnh của các mạng cảm biến

Tiêu chuẩn

Như ngụ ý bởi các giao thức stack của Hình 1.4, một loạt các giao thức mở và các tiêu chuẩn cần thiết tại vật chất, liên kết, mạng, giao thông vận tải và lớp; trong Thêm vào đó, các giao thức quản lý và các tiêu chuẩn yêu cầu (tiêu chuẩn lớp vật lý này còn được biết đến như tiêu chuẩn không khí giao diện) Trong quá khứ, mạng cảm biến có sử dụng giao thức mạng-và-ứng dụng cụ thể Điều này

đã ảnh hưởng của chi phí hiệu quả làm chậm triển khai thương mại trên một quy -

mô rộng Tiêu chuẩn đang bắt đầu được tích hợp vào mạng cảm biến Mức độ cao nhất của ệc tiêu chuẩvi n h a ó đã xảy ra tại các lớp thấp hơn Trong WSNs

đang xây dựng hiện nay có xu hướng xem xét để sử dụng ZigBee/IEEE802.15.4; WSNs được mở trong (bên ngoài tòa nhà và trên một địa lý rộng) có thể tìm thấy các công nghệ hữu ích

.Đặc biệt, IEEE dựa trên các tiêu chuẩn mạng LAN không dây đã được xem xét IEEE 802,11 hỗ trợ 1 hoặc 2 Mbps truyền trong 2,4 GHz băng tần số bằng - - -cách sử dụng hoặc hopping-lan-spectrum hoặc ảtr i ph ổ trực tiếp-liên tục IEEE 802.11a là một mở rộng của 802,11 mà cung cấp lên đến 54 Mbps trong băng tần 5 GHz và sử dụng tần số ự- -tr c giao chia kênh mã hóa IEEE 802.11b là một

mở rộng để cung cấp các 802,11 11 Mbps truyền trong 2,4 GHz băng bằng cách -

-sử dụng DSSS IEEE 802.11g cung cấp lên đến 54 Mbps trong 2,4 GHz băng

-Một phương pháp truyền là miễn phí quang không gian hoạt động trong 1- -mm wavelength (hồng ngoại) Hồng ngoại là đường dây miễn phí đăng ký - công nghệ khoảng c ch á hoạt động ở phạm vi ngắn (300 đến 3000 m)

1.3 Kết luận

Chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản về WSNs và các kỹ thuật hỗ trợ Các chương mà theo địa chỉ trong lớn hơn nhiều chi tiết kỹ thuật và chiều sâu các vấn đề đã được nêu bật ở đây

2.Ứng dụng của WSN

2.1 Giới thiệu

Các mạng cảm biến thường được sử dụng trong các ứng dụng đầu trên chẳng hạn như các hệ thống dò bức xạ và hiểm hoạ hạt nhân ác cảm biến vũ khí cho Ctàu, ứng dụng y sinh, cảm biến môi trường sống, và giám sát địa chấn Gần đây, các mối quan tâm tập trung vào các cảm biến mạng sinh học và hoá học dành cho các ứng dụng an ninh quốc gia; hơn nữa, còn có các mối quan tâm khác liên quan trực tiếp tới vấn đề ứng dụng cho người tiêu thụ Các ứng dụng đang có hay có tiềm năng của mạng cảm biến bao gồm, cảm biến quân sự, an ninh vật lý, điều giao thông hàng không, giám sát giao thông, video giám sát, tự động hoá công nghiệp và sản xuất, điều khiển quá trình, quản lý kho hàng, robot phân tán,

cảm ứng thời tiết, giám sát môi trường, giám sát đường biên giới quốc gia, và việc giám sát các toàn nhà và kết cấu Sau đây là một danh sách ngắn các ứng dụng

- Ứng dụng quân sự

- Giám sát các lực lượng thù địch

- Giám sát các lực lượng và thiết bị thân thiện

- Giám sát quân sự hoặc chiến trường

- Dò các cuộc tấn công hoá học, sinh học và hạt nhân

- Điều khiển giám sát dữ liệu sinh lý học

- Theo dõi và giám sát các bác sỹ và bệnh nhân trong một bệnh viện

- kiểm soát à phát các phương tiện giao thông v

- giám sát dòng chảy giao thông

WSNs là những tập hợp compact kích thước, những nút tính toán một cách - tương đối không đắt mà đư c xem x t ợ é những điều kiện ngoại cảnh địa phương hay những tham số khác tới một điểm trung tâm (cho) sự xử lý thích hợp Node WSNs (WNs) c ó thể ả c m bi n ế môi trường, có thể giao tiếp với cá nút lân cậ , c n

và có thể, trong nhiều trường hợp, thực hiện những tính toán cơ bản trên dữ liệu tập hợp đư cợ WSNs hỗ trợ một phạm vi rộng (của) những ứng dụng hữu ích

Trong ph n ầ này chúng tôi xác định một số những ứng dụng không phải được , định nghĩa toàn diện mà ch l cỉ à ác minh họa đơn giản

Loạ 2 WSNs ( C2WSNs): Những hệ thống từ điểm tới điểm hay từ nhiều điểm i tới điểm (trên dạng sao c) c h th ng á ệ ố nói chung với ós ng radio single- hop kết nối tới WNs, dùng lộ trình tĩnh học qua mạng không dây điển hình, sẽ có chỉ có một tuyến đường từ WNs đến node đẩy đến đi m mặ đất/ wireline bên cạể t nh (WNs là những nút không cố đị nh ) Những hệ ốth ng điều khiển cư ngụ điển hình thuộc về ạ nàylo i

C2WSNs Là những mạng trong đó những (cảm biến) những thiết bị kết thúc là một radio hop từ một điểm thuộc về trái đất homed đẩy tới nút ( Nhìn thấy Hình 2.1) Nút tới (gọi nó là một chương trình định tuyến không dây) được nối tới mạng trái đất qua hoặc một đường dây ngầm hoặc một thông tin vô tuyến từ điểm tới điểm Những sự đặc trưng quan trọng là nút cảm biến ( 1) (WNs) không

hỗ trợ truyền thông thay mặt cho mọi nút cảm biến khác, (2) nút tới hỗ trợ chỉ

lộ trình tĩnh học tới mạng quả đất, và hoặc chỉ có một mối liên kết vật lý tới / mạng quả đất là ồ ại ; (3) đường thông tin vô tuyến được đo trong hàng trăm t n tmét (đồng hồ đo); và (4) nú ới không hỗ trợ xử lý dữ liệu hay giảm thay mặt t tcho những nút cảm biến Trên thực tế, đây là những hệ thống không dây một cách tương đối đơn giản

C1WSNs Là những mạng trong đó những thiết bị đầu cuối(cảm biến) được cho phép

để là nhiều bước rađiô nhảy ngắn ra khỏi từ một lộ trình hay nút tới ( Nhìn thấy Hình 2.2) Việc tới nút tới là một định tuyến không dây mà hỗ trợ lộ trình động ( có ngh a ĩ

là, nó có một cơ chế mà được sử dụng để tìm một định tuyến tốt nhât tới nơi đến); định tuyến không dây thường được nối qua những thông tin vô tuyến

H nh 2.1.Loại 2 WSN :Đi m- đi m, HT đơn single chung s dụng đ nh tuyến t nh

H nh 2.2 Loại WSNs: đa đi m - đi m, HT đa đi m s d1 ụng đ nh tuyến đ ng

Một đặc trưng quan trọng r ng node sensor (1) c ằ ó thể hỗ trợ truyền thông thay mặt cho cảm biến khác đồng ý bằng việc đóng vai những bộ chuyển tiếp; (2) nú t

t i h ớ ỗ trợ đị nh tuyến động v c c link v t l t i ph n c n l i c a m ng l cà á ậ ý ớ ầ ò ạ ủ ạ à ác biểu hi n v m t v t l v ệ ề ặ ậ ý à logic; (3) những link thông tin vô tuyến được đo trong hàng nghìn những mét và (4) nút tới có thể hỗ trợ xử lý dữ liệu hay giảm thay mặt cho những nút cảm biến

Đây một cách tương đối là phức tạp và những hệ thống không dây'' meshy”

M t vộ ài đề ập tham chiếu tới hai kiểu hành vi như hợp tác (khi một nút chuyển cthông tin thay mặt cho nút khác) hay không hợp tác (khi một nút xử lý chỉ truyền thông của riêng mình) (nhìn thấy Hình 2.3) Hai loại củaWSNs được dự định

được d ng theo t ng tù ừ ính độc chi m lế ẫn nhau như đã ợc địđư nh ngh a 1 WSNs ĩđiển hình ( Đặc biệt C1WSNs) gồm có hàng trăm (thậm chí những hàng nghìn) của node WNs ” không đắt”

H nh 2.3 Node h p tợ ác và ấ ợp t c b t h á

Tính độc chiếm lẫn nhau có lý tốt nhưng không phải hoàn hảo được mô tả bởi

các định nghĩa được cung cấp cho hai lớp

WNs có sức mạnh tính toán và những khả năng cảm biến và vận hành điển hình trong một kiểu không phục vụ, đó à nguồn pin, điệ áp hay năng lượ l n ng m t tr i ặ ờNhững sự liên quan kỹ thuật của môi trường mạng (multihop/ định tuyến động chống lại singlehop/ định tuyến tĩnh) được bàn luận trong những chương kế tiếp Mặc dù việc phân cấ à ó ể, đặc biệt cho công nghệ ( Nhìn thấy Mục 2.6), p l c thnhững ứng dụng được bàn luận ở đây theo phân hạng chỉ mô tả Tức là, như một vấn đề thực hành Chúng tôi quan sát những ứng dụng được hỗ trợ Bởi C1WSNs được phân biệt rõ ràng từ những ứng dụng được hỗ trợ Bởi C2WSNs.2

Về cơ bản, chúng tôi nhìn thấy hai nhóm của những ứng dụng: nhóm mà điển hình cho những hệ thống từ điểm tới điểm và nhóm mà điển h nh cho multihop ì

hệ thống mắt lưới phức tạp hay động Phạm trù 1 ứng dụng là đa số Thường - được hỗ trợ và cung cấp qua C1WSNs Phạm trù 2 ứng dụng là đa số Thường - được hỗ trợ và cung c p qua C2WSNs ấ

WSNs Phân tán sử dụng cảm biến và công nghệ microsensor sẽ cho phép một sự

dư thừa những ứng dụng cho sự cảm biến và kiểm soát Thế giới vật lý cho những mục đích thương mại cũng như quân đội Phạm vi những ứng dụng từ việc ki m soể át môi trường ( v d í ụ , sự theo dõi làm bẩn sự nhiễm bẩn, theo dõi chỗ ở), trông nhà, kho ,và y tế , tới vi c s d ng ng d ng khệ ử ụ ứ ụ ác trong quân đội

v à trong quân sự

C2WSN-như các ứng dụng có thể được hỗ trợ (nhưng có lẽ không có hiệu quả chi phí) bởi C1WSNs; Tuy nhiên, ứng dụng như C1WSN có thể không được hỗ trợ bởi C2WSNs thông thường , các chi tiết kỹ thuật phát triển trở nên thực dụng hơn trong thực tế, đã đạt điểm chuyển biến rõ đối với WSNs Các tiêu điểm của Internet, thông tin liên lạc không dây, với công nghệ thông tin đã đặt công nghệ cảm biến thông ở ngưỡng của một kỷ nguyên có tiềm năng tăng trưởng đáng kể WSN phần cứng, đặc biệt là với chi phí thấp, xử lý, cảm ứng nhỏ, và công suất mô-đun thấp, radio, và đang trở thành hiện có theo tiêu chuẩn trường, thêm chi phí và cải tiến dung lượng đang có dự kiến trong vài năm tới, bổ sung

và triển khai các ứng dụng Mạng lưới hoạt động thường cảm biến từ 900 MHz (dải 868 -915 MHz); phát triển hệ thống thương mại sẽ hoạt động (thông qua -IEEE 802.11b hoặc IEEE 802.5.4) trong phạm vi 2,4 GHz Trên thị trường phạm -

vi dự kiến cho WSNs mở rộng lớn để xem trong ba đến năm năm; việc mở rộng này không chỉ liên quan đến khoa học và ứng dụng kỹ thuật mà cũng cho một một số lượng lớn, các ứng dụng công nghệ cho người tiêu dùng

2.3 Phạm vi của các ứng dụng

WSNs được ứng dụng từ đo lường môi trường cho tới theo dõi phương tiện giao thông, từ kiểm soát an ninh cho tới quản lý thiết bị, kiểm soát môi trường sống Ví dụ, WSNs có thể được triển khai với số lượng lớn các Sensor để phát

hiện và kiểm soát cháy rừng, phát hiện và theo dõi phương tiện giao thông của đối phương hoặc hỗ trợ theo dõi kiểm soát môi trường, trong đó có cả môi trường canh tác trong nông nghiệp kỹ thuật cao (Precision agriculture)

Các tổ chức hiện nay thường tập trung phát triển các ứng dụng có thể đo đếm trước được hiệu quả kinh tế, mục đích cuối cùng là đem ứng dụng áp dụng vào thực tế Với WSNs, các tổ chức có thể quản lý và điều khiển nhà máy, văn phòng, nhà ở, phương tiện đi lại, môi trường không khí, môi trường Ví dụ, các

tổ chức có thể phát hiện các khuyết tật cấu trúc (e.g., các vết nứt do mỏi) trong tàu, máy bay, tòa nhà Có thể trang bị để phát hiện các chất độc trong công trình công công và tìm ra nguồn gây ô nhiễm Số lượng lớn các cảm biến có thể tích hợp vào hệ thống để tăng hiệu suất và vòng đời, giảm chi phí khi phải thay thế Các mạng thông tin có thể xóa bỏ rào cản về khoảng cách, thời gian cho chuẩn đoán và điều trị bệnh từ xa, giao thông, theo dõi các loài đang sắp tuyệt chủng phát hiện độc tố và kiểm soát an ninh cho các cấu trúc đô thị

Kết luận

Trong chương này chúng tôi cung cấp một mẫu của WSN ứng dụng khả dĩ Người đọc cần phải có khả năng để hình dung hàng tá trong số những ứng dụng tiềm tàng khác, như họ có vẻ là gần nhưkhông bị giới hạn Về cơ bản, bất kỳ nơi nào mà một muốn phối dàn nhạc, quan sát, và phản ứng lại tới những sự kiện và hiện tượng trong một môi trường đặc biệt , một có thể sử dụng WSNs môi trường có thể là thế giới vật lý, một hệ sinh học hay trong môi trường IT

3.K thu t mạng không dây cơ bản

3.1 Giới thiệu

Chương này sẽ đề cập đến công nghệ những hệ thống nút cảm biến cơ bản tại vài mức Ðầu tiên, chúng tôi tập trung vào chính công nghệ nút cảm biến ( Mục 3.2), cung cấp một sự khảo sát (của) công nghệ cảm biến, bao gồm một nguyên tắc phân loại mà phân loại thiết bị thành các nhóm, như những cảm biến lớn ( ví dụ, những cảm biến rađa), microsensors (những cảm biến nhỏ xíu), nanosensors(những cảm biến nano(1 phần tỷ)), tag-reading sensors(những cảm biến đọc nhãn) và những cảm biến khác ( Mục3.3) Như đã được lưu ý, WSNs

được đặc trưng bởi thực tế mà họ cần vận hành trong những môi trường tài nguyên rằng buộc; trong sự quay vòng, thực tế này áp đặt những nguyên tắc thiết

kế chính xác và những sự hạn chế trên WNs; tới kết thúc này, chúng tôi định danh chức năng cảm biến và những thành phần, bao gồm sự thụ cảm và thiết bị thúc đẩy (khởi động), thiết bị xử lý, những thiết bị giao tiếp, thiết bị năng lượng,

và ứng dụng khác những thiết bị phụ thuộc Thứ hai, chúng ta quan sát liên kết - mạng chủ yếu và các vấn đề tôpô Cuối cùng, chúng tôi quan sát một số khuynh hướng nghiên cứu hiện thời trong công nghệ cảm biến

Các quan hệ nút cảm biến, nút không dây(WN), Smart Dust(bụi thông minh), mote(hạt bụi), và COTS (commercial off-the-shelf) mote được sử dụng để thay thế cho nhau một mức nào đó trong ngành công nghiệp; hầu hết các quan hệ chung sử dụng ở đây là nút cảm biến và WN

H nh 3.1 Quá tr nh phát tri n của sensor

3.2 K thu t node cảm biến

3.2.1 T ng quổ át

Như chúng ta đã thấy trong các chương trước, một WSN bao gồm một nhóm các phân tán cảm ứng (motes) có trách nhiệm bao phủ một khu vực địa lý(trường cảm biến) dưới dạng một vài thông số đều đặn(còn được biết đến như là measurand(giá trị đo)); như một sự lựa chọn, một cảm biến hỗ trợ cho một liên kết point- -to point(điểm điểm) trong đó''người đọc''cuối cùng gắn bó với một - mạng wireline (ví dụ, một tài liệu đọc thẻ tiếp thu một thẻ điện thoại di động) Những nút cảm biến có khả năng giao tiếp không dây và một vài logic để xử lí tín hiệu, quản lí cấu trúc(và nếu có thể áp dụng), và xử lý việc truyền thông tin

(bao gồm cả mã hóa kỹ thuật số, và có thể mã hóa và / hoặc chuyển tiếp việc sửa lỗi) Hình 3,1 miêu tả việc xử lí công nghệ cảm biến qua thời gian trong suốt những năm vừa qua WSNs mà kết hợp những tham số cảm biến vật lý như nhiệt

độ, ánh sáng, hoặc các hiện tượng địa chấn với tính toán và khả năng liên kết mạng được mong chờ có thể có mặt ở khắp nơi trong tương lai

WN bao gồm bộ phận cảm ứng và phát động(phần tử đơn lẻ hoặc mảng), bộ phận xử lý, bộ phận giao

tiếp, bộ phận năng lượng, và những bộ phận ứng dụng phụ thuộc khác Hình 3.2 (được xây dựng trên hình 1.3) cho thấy phần cứng và phần mềm của nút cảm ứng đặc trưng

Sau đây là những vấn đề quan trọng về nút cảm biến (tham khảo bảng 1.1): loại cảm biến, năng lượng cảm biến tiêu thụ, hoạt động của môi trường, tính toán và những khả năng cảm ứng, những khả năng xử lý tín hiệu, kết nối, và telemetry(phép do từ xa) và kiểm soát những thiết bị điều khiển Rõ rang, việc xây dựng nút cảm biến, phạm vi, và sự phức tạp phụ thuộc và ứng dụng

Những cảm biến, đặc biệt là Bụi Thông minh và những hạt bụi COTS [3.2], có bốn hệ thống phần cứng phụ cơ bản:

Năng lượng Một cơ sở hạ tầng năng lượng thích hợp hay đáp ứng là cần thiết để

từ vài giờ đến vài tháng hoặc vài năm (tùy thuộc vào ứng dụng)

Tính toán logic và lưu trữ Chúng được sử dụng để kiểm xoát việc xử lí dữ liệu cài trong và kiểm soát dữ liệu bằng tay, tạm thời và lưu trữ ngắn hạn, sự mã hóa, chuyển tiếp

H nh 3.2 Những thành phần cứng và mềm của WNs

lỗi đã chỉnh sửa (FEC), sự điều biến số, và sự truyền số WNs có những đòi hỏi tính toán đặc thù từ microcontroller 8 bit tới bộ vi xử lí 64 bit Những yêu cầu lưu trữ đặc - -thù nằm trong khoảng từ 0.01 đến 100 gigabytes (GB)

Bộ chuyển đổi cảm biến Giao diện giữa môi trường và WN là cảm biến Những cảm biến môi trường cơ bản bao gồm, nhưng không giới hạn, gia tốc, độ ẩm, ánh sang, magnetic flux, nhiệt độ, áp suất và âm thanh

Giao tiếp WNs phải có khả năng giao tiếp hoặc là trong sự sắp xếp của C1WSN (những hệ thống mesh based với kết nối radio multihop ở giữa hoặc nằm giữa các -

WN, sử dụng định tuyến động trong cả những phần không dây và wireline của mạng), và/hoặc trong sự sắp xếp của C2WSN (những hệ thống điểm điểm hoặc multipoint- -to- point thông thường với kết nối single hop radio tới WNs, sử dụng định tuyến tĩnh -trên mạng không dây với chỉ một tuyến từ WNs tới companion terrestrial or wireline forwarding node) Những nhà nghiên cứu đã phát triển ra nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs Phạm vi truyền, những sai sót khi truyền, những kĩ thuật điều biến, định tuyến, và những cấu trúc lien kết mạng là những vấn đề được quan tâm

Những cảm biến tiêu biểu có bốn phần mềm cơ bản phụ:

Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware) Đây là bảng microcode phổ biến được sử dụng bởi tất cả các mo đun phần mềm có nút ngôn ngữ bậc cao để hỗ -trợ nhiều chức năng Như các trường hợp thong thường, mục đích của một hệ điều

-hành là để bảo vệ phần mềm từ các machine level functionality của bộ vi xử lí Đó là mong muốn để có hệ điều hành mã nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho WSNs; những OS này thường sử dụng một kiến trúc cho phép nhanh chóng triển khai thực hiện trong khi giảm thiểu kích cỡ mã TinyOS là một trong những ví dụ của một hệ điều hành thường sử dụng

-Những bộ điều khiển cảm biến Đây là các module phần mềm mà quản lý chức năng

cơ bản của các máy thu phát cảm biến; các cảm biến có thể của thể loại modular / plug-in, và tùy thuộc vào thể loại và sự tinh vi, cấu hình thích hợp và cài đặt phải được tải vào trong cảm biến (bộ điều khiển bảovệ ứng dụng phần mềm từ machine-level functionality của cảm biến hoặc các ngoại vi khác)

Những bộ lí giao tiếp Mã này quản lý các chức năng giao tiếp, bao gồm cả định

tuyến, gói buffering và chuyển tiếp, bảo trì Tô pô, kiểm soát truy cập trung gian (ví dụ như, contention mechanisms, direct-sequence spread-spectrum mechanisms), mã hóa, và FEC, để nêu ra một số (ví dụ, xem Hình 3,3)

Những bộ điều khiển giao tiếp (mã hóa và lớp vật lý) Những mô đun phần mềm quản

-lý liên kết vụn vặt của kênh truyền hình, bao gồm cả clocking và đồng bộ hóa, mã hóa tín hiệu, phục hồi bit, đếm bit, cấp độ tín hiệu, và modulation

Xử lí dữ liệu mini-apps Đây là những tính toán, xử lý dữ liệu, tín hiệu giá trị lưu trữ và manipulations, hoặc các ứng dụng cơ bản mà được hỗ trợ ở cấp độ cho các node mạng trong điều chế

-3.3 Phân loại sensor

Vì sự đa dạng của các loại cảm biến (cảm biến hệ thống) mà tồn tại, một phân loại tư duy là hữu ích Các phân loại tư duy trong Bảng 3.1 là, có hiệu lực, xây dựng một của Bảng 1.1

H nh 3.3 M t vài giao thức mạng được hỗ trợ bởi WNs

phân loại tư duy là một phần daunting kể từ khi có 8 9 7 9 9 10 5 ¼ 2.041.200 trường hợp, hoặc kết hợp

Tuy nhiên, việc phân loại thể là lý do gì, và một lớn, đa số các kết hợp combinatorial đang có, trong thực tế, hợp lệ Để giảm bớt phạm vi hoạt động của phân loại tư duy, chúng tôi đề nghị việc sử dụng các phân loại được sửa đổi hiển thị trong Bảng 3.2; đây nhất chỉ có 4 2 4 3 4 2 ¼ 768 trường hợp, hoặc kết hợp Ví dụ, như (2) m (2) p (3)

cp (2) md (1) cm (1) WN là một hệ thống là nhỏ, tĩnh, pin powered, có nhiều measurands, và hỗ trợ mạng multihop

hệ ra quyết định (nanofabrication, biosystems, massively distributed networks, ubiquitous computing, broadband wireless communications, and information and decision systems)

Phát triển cần thiết cho các mạng WSNs và WNs bao gồm: (1) khả năng phát hiện với các chất hóa học độc hại mới, thuốc nổ và các hợp chất sinh học khác (2) tăng độ nhậy, độ phân biệt, tốc độ, tăng độ vững chắc và ít các thông báo nhầm (3) khả năng

tự hoạt động trong môi trường khắc nghiệt Các yêu cầu này được thực hiện bởi thiết

kế và sử dụng các vật liệu mới trong cảm biến thu tín hiệu, sẽ cho ra đời các thiết bị thuộc thế hệ tiếp theo Vật liệu có thể có nhiều lỗ cảm biến, cho phép phát hiện một hóa chất cụ thể trong hợp hỗn hợp các chất khác

Thu nhỏ kích thước, trong quá trình sản xuất, luôn đồng nghĩa với tăng chi phí Việc tích hợp các cảm biến, bộ xử lý, nguồn nuôi, và các cổng giao tiếp trên một con chip làm đơn giản hóa việc truyền dữ liệu từ cảm biến với thế giới bên ngoài Việc lấy tin

có thể bao gồm phát hiện sự kiện, đánh giá các tham số chính và phản hồi từ con người hoặc các tham số khác nhau

Tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng Giống như tiêu chuẩn về giắc cắm đã làm cho các dịch vụ giao tiếp trên mạng Internet tách biệt khỏi các giao thức bên dưới, phương tiên truyền tin, hệ điều hành, giao diện lớp ứng dụng của WSNs cần phải được trừu tượng hóa và nhận diện bởi bất kỳ mạng cảm biến nào

Các nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào các tri thức cụ thể trong công nghệ mạng cảm biến mới, bao gồm cảm biến cho các chất hóa học độc hại, chất nổ, các hợp chất sinh học, mạng cảm biến trong môi trường phân tán và tích hợp các cảm biến vào sử dụng trong thực tế, đặc biệt là trong các mạng cảm biến ra quyết định

Với tính đa chiều và phức tạp của các mối đe dọa trên thế giới, các nhà nghiên cứu cần xem xét hệ thống tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau Bằng cách sử dụng MEMSs và công nghệ nano, có thể tạo ra được các cảm biến sinh học và hóa học với chi phí thấp, độ tin cậy và chính xác cao Theo cách tiếp cận khác, các nhà nghiên cứu tìm hiểu các cảm biến lai, sử dụng cảm ứng hóa học bề mặt như một công tắc đầu tiên, được sử dụng trong các kỹ thuật yêu cầu nhiều thời gian như kiểm tra DNA Một vài nghiên cứu khác sử dụng phân tích hồng ngoại hay tử ngoại cùng với cảm biến sinh học dựa theo cơ chế tế bào để tạo ra phản ứng Xa hơn nữa, công nghệ MEMS rất hứa hẹn trọng việc tạo cả một phòng thí nghiệm trên chíp Các cảm biến có thể sử - - - -dụng cấu trúc đa phân tử hay vỏ-gel-silicon để thu nhận các chất hóa học cần phát hiện, truyền thông tin qua các kênh dẫn lỏng tới bề mặt phát hiện các sóng âm, tất cả nằm trên chip Thiết bị nhân tin có thể được tích hợp bề mặt thu sóng âm với các kênh dẫn lỏng cùng với tất cả các mạch cần thiết để hoạt động trên một con chip