NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TÌM ĐƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TÌM ĐƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ……… Số hiệu sinh viên: ………

Khoá: ……… Khoa: ……… Ngành: ………

1 Đầu đề đồ án: ………

………

………

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ………

………

………

……….

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:  Tổng quan về mạng cảm biến không dây  Ứng dụng mạng cảm biến không dây  Các giao thức điều khiển truy cập trong mạng cảm biến không dây  Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây  Kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến 4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………

………

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …………

7 Ngày hoàn thành đồ án: ……….

Ngày tháng năm

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

LỜI NÓI ĐẦU

Trước sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin và truyền thông.Nhu cầu trao đổi thông tin, dữ liệu của con người ngày càng cao và đa dạng Chính

vì những nhu cầu và sự phát triển đó mà những mạng bao gồm các cảm biến giáthành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa dạng các chức năng đã nhận được sự chú ýđáng kể Khi mạng cảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và trở thành mộtlựa chọn khả thi, thì mạng cảm biến không dây bắt đầu mang một diện mạo mới Sựphát triển của công nghệ là nhân tố thúc đẩy thế giới cảm biến tìm đến các giải phápthay thế để giảm chi phí, độ phức tạp và tăng mức độ tin cậy

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đãlựa chọn và đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng các giao thức định tuyến trongmạng cảm biến không dây Vì việc đưa ra giao thức định tuyến như thế nào là mộtbài toán rất khó để giải quyết được vấn đề năng lượng cũng như trễ truyền dẫn Do

đó mà em đã quyết định chọn đề tài này làm đồ án tốt nghiệp

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những kiến thứcquý báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trong suốtnăm năm qua Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các côtrong suốt thời gian đó

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Nam Quân đã tận tình chỉ bảo vàgiúp đỡ chỉ dẫn giúp em hoàn thành đề tài này,và em cũng chân thành cảm ơn

TS Hoàng Mạnh Thắng và Kỹ Sư Nguyễn Huy Hoàng thuộc bộ môn Điện Tử TinHọc – Khoa Điện Tử - Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,đã cónhững lời khuyên quý báu trong quá trình làm đồ án Các thầy đã giúp đỡ em vềmọi mặt trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Hà Nội, tháng 5 năm 2010

SV Trần Tuấn Việt

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Sự phát triển của mạng cảm biến không dây mở đầu là các ứng dụng trongquân đội Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngày nay mạngcảm biến không dây còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân dụng bao gồm :giám sát môi trường sống, chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh và điều khiển giaothông

Mạng cảm biến không dây là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án này sẽ giớithiệu một cách khái quát nhất về các đặc điểm của mạng cảm biến không dây Sau

đó phần cuối cùng sẽ là các kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạngcảm biến không dây, sử dụng phần mềm OMNet++

Đồ án này gồm 5 chương :

Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến không dây Chương này trình bàynhững khái niệm chung nhất về mạng cảm biến không dây và đưa ra cấu trúc củamạng cảm biến không dây

Chương 2 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây Chương này trình bàynhững ứng dụng cụ thể của mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực của đờisống

Chương 3 : Giao thức điều khiển truy cập trong mạng cảm biến không dây.Chương này đưa ra các giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến không dây

Chương 4 : Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Chươngnày đưa ra các thuật toán định tuyến chủ yếu dùng trong mạng cảm biến không dây,

ví dụ : LEACH, PEGASIS, Directed Disffusion…

Chương 5 : Kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến LEACH sử dụngOMNet++ Chương này sẽ đưa ra các hình ảnh minh họa về nguyên lý hoạt động củacác giao thức định tuyến

Abstract

The development of Wireless Sensor Network is begun by application forarmy However, The development of Science and technology, Nowadays, WirelessSensor Networks are also applied in many fields of application include :invironmental monitoring, health care, smart home and control traffic

Wireless Sensor Networks are a very broad field This thesis will present thebest overview about the features of wireless sensor networks Then the last part will

be the simulation results of routing protocols in wireless sensor networks, usingsoftware OMNet++

This thesis include 5 chapters :

Chapter 1 : Overview of Wireless Sensor Networks This chapter presentsthe best general concept of wireless sensor networks and give the structure ofwireless sensor networks

Chapter 2 : Applications of Wireless Sensor Networks This chapter presentsthe specific applications of wireless sensor networks in many fields of life

Chapter 3 : Medium Access Control Protocols for Wireless Sensor Network.This chapter offers specific protocols in wireless sensor networks

Chapter 4 : Routing protocols for Wireless Sensor Networks This chapteroffers the routing algorithm is mainly used in wireless sensor networks, for example: LEACH, PEGASIS, Directed Disffusion…

Chapter 5 : The simulation results of routing protocols used OMNet++ Thischapter shows the illustration of the principles of operation of the routing protocols

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 6

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN 9

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 12

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN 13

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 14

1.1 Giới thiệu .14

1.2 Tổng quan về kĩ thuật WSN 18

1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến.19 1.2.2 Các thách thức và trở ngại: 25 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 28

2.1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 28

2.2 Các ví dụ của mạng theo từng mô hình 34

CHƯƠNG 3 : GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 37

3.1 Giới thiệu 37

3.2 Mô hình giao thức cho WSNs .37

3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs 38

3.3.1 Giao thức MAC dựa trên cơ sở kế hoạch (Schedule-Based Protocols) 39 3.3.2 Giao thức MAC truy cập ngẫu nhiên (Random Access-Based Protocols) 40 3.4 Giao thức SENSOR MAC .41

3.4.1 Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep) 41 3.4.2 Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc 42 3.4.3 Đồng bộ khung thời gian 43 3.4.4 Lắng nghe thích ứng 44 3.4.5 Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu 44 3.4.6 Chuyển thông điệp 46 3.5 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs 47

CHƯƠNG 4 : GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 55

4.1 Giới Thiệu 55

4.2 Giao thức định tuyến trong WSNs .57

4.2.1 Flooding và Gossiping 57 4.2.2 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận (SPIN – Sensor Protocols for Information via Negotiation) 60 4.2.3 Phân nhóm phân cấp thích ứng năng lượng thấp (LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 66 4.2.4 PEGASIS (Power – Efficient gathering in Sensor Information System) 70 4.2.5 Directed Disffusion 72 CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH DÙNG OMNeT 77

5.1 Giới thiệu chung về OMNeT++ 77

5.1.1 Tổng quan về OMNeT++ 77 5.1.2 Sử dụng OMNeT++ 80 5.2 mô hình mô phỏng 84

5.2.1 xây dựng các module 84 5.2.2 Mô phỏng đối tượng kẻ đột nhập (object module )87 5.2.3 Mô phỏng một mạng cảm biến với các đối tượng kẻ đột nhập 88 5.3 lý thuyết nền tảng 92

5.3.1 cở sở lý thuyết thu phát không dây 92 5.4 Kết quả mô phỏng 97

5.4.1 Tóm lược các bước mô phỏng 97 5.5 Xây dựng kịch bản 98

5.4.2 Kết quả mô phỏng 99

KẾT LUẬN CHUNG 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN

Hình 1.1 : Mô hình mạng cảm biến thông thường 20

Hình 1.2 : Cấu tạo nút cảm biến 20

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 23

Hình 1.4 : Các giao thức có thể dùng cho Lower-layer WSN 24

Hình 1.5 : Cấu trúc phần cứng hạt Mica 26

Hình 2.1 : Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 29

Hình 2.2 : Mạng WSN cảnh báo lũ lụt 29

Hình 2.3 : Cảnh báo và đo thông số động đất 30

Hình 2.4 : Ứng dụng trong y tế 30

Hình 2.5 : Ứng dụng nhà thông minh 31

Hình 2.6 : Ứng dụng trong quản lý hàng hóa 31

Hình 2.7 : Ứng dụng ở cảng 32

Hình 2.8 : Ứng dụng trong trồng trọt 32

Hình 2.9 : Ứng dụng trong chăn nuôi 33

Hình 2.10 : Ứng dụng trong quân sự 33

Hình 2.11 : Ứng dụng trong giao thông 34

Hinh 2.12 : Máy bay rải các node vào khu 35

Hinh 2.13 : Sự phân bố các nodes 35

Hình 2.14 : Thông tin về nhiệt độ tại khu vực quan sát 35

Hình 2.15 : Các node được chọn làm Cluster 36

Hình 2.16 : Thông tin đươc gửi về máy tính 36

Hình 3.1 : Mô hình tham chiếu OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu 38

Hình 3.2 : Giao thức MAC dựa trên TDMA ứng dụng trong WSN 39

Hình 3.3 : Khung thời gian làm việc của node 42

Hình 3.4 : Sự đồng bộ và lựa chọn lịch làm việc của node biên 43

Hình 3.5 : Đồng bộ giữa máy thu và máy phát 43

Hình 3.6 : Mô hình tránh đụng độ trong S – MAC 45

Hình 3.7 : Quá trình truyền thông điệp trong S – MAC 46

Hình 3.8 : Mô hình tham khảo IEEE 802.15.4 và Zig Bee 47

Hình 3.9 : Mô hình tham khảo ngăn xếp ZigBee 48

Hình 3.10 : Băng tần hoạt đông của lớp PYH IEEE 802.14.5 49

Hình 3.11 : Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.14.5 50

Hình 3.12 : Cấu trúc liên kết mạng 52

Hình 3.13 : Cấu trúc siêu khung 53

Hình 3.14 : Khung dữ liệu và xác nhận AC 53

Hình 4.1 : Các ứng dụng trong mạng WSNs 55

Hình 4.2 : Mô hình truyền dữ liệu đa chặn 56

Hình 4.3 : Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin 58

Hình 4.4 : Bùng nổ lưu lượng do Flooding 59

Hình 4.5 : Vấn đề overlap lưu lượng do Flooding 59

Hình 4.6 : Hoạt động cơ bản của giao thứ SPIN 62

Hình 4.7 : Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN – PP 63

Hình 4.8 : Giao thức SPIN – BC 64

Hình 4.9 : Mô hình mạng LEACH 66

Hình 4.10 Các pha trong LEACH 67

Hình 4.11 : Cấu trúc mạng hình chuỗi 71

Hình 4.12 : Truyền interest 74

Hình 4.13 : Hoạt động cơ bản của giao thức định tuyến Directed Disffusion 74

Hình 4.14 : Pha cài đặt gradient 75

Hình 4.15 : Phân phối dữ liệu theo đường được chọn nâng cao chất lượng 76

Hình 5.1 : Các module đơn giản và kết hợp 79

Hình 5.2 : Các kết nối 80

Hình 5.3 : Lược đồ xây dựng và chạy một chương trình mô phỏng OmNet++ 83

Hình 5.4 cấu trúc một node cảm biến 85

Hình 5.5 cấu trúc của node mô phỏng 87

Hình 5.6 cấu trúc của đối tượng 87

Hình 5.6 cấu trúc mô phỏng của đối tượng đột nhập 88

Hình 5.7 cấu trúc mô phỏng mạng trong omnet++ 89

Hình 5.8 Mạng luới cảm biến trong chế độ mô phỏng 90

Hình 5.9: mô hình năng lượng cho một thiết bị không dây 93

Hình 5.12 Tóm lược các bước mô phỏng 97

Hình 5.13 đồ thị đường đi của các đối tượng 99

Hinh 5.14: mô hình mạng của DC 100

Hinh 5.15: cảm biến các đối tượng và gửi tin về BS của DC 100

Hình 5.16 : Quá trình lựa chọn cluster – head trong LEACH 101

Hình 5.17 : Thiết lập kết nối từ node chính về trạm gốc trong LEACH 101

Hình 5.18: Cluster – heard gửi bản tin INVITATION đến các node lân cận trong LEACH 102

Hình 5.19 : Node chính gửi bản tin IVITATION về trạm gốc trong LEACH 102

Hình 5.20 : Hoàn thành pha thiết lập cluster 103

Hình 5.21 : Sự xuất hiện 4 đối tượng cần cảm biến 104

Hình 5.22 : Các node không tham gia vào cluster chuyển sang chế độ sleep 104

Hình 5.23 : Bản tin SENSING_INFO được gửi đến node cảm biến 105

Hình 5.24 : Bản tin SENSING_DATA được gửi đến các node hàng xóm 105

Hình 5.25 : Node chính forward đến các node thành viên 106

Hình 5.26 : Node chính gửi dữ liệu đến trạm gốc 106

Hình 5.27 : Hình ảnh các đối tượng đi sâu hơn vào mạng cảm biến 107

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 : Các lĩnh vực nghiên cứu về WSNs 16

Bảng 3.1 : Kênh truyền và tần số 50

Bảng 3.2 : Băng tần và tốc độ dữ liệu 50

Bảng 3.3 : Các dạng thiết bị trong mạng ZigBee 51

Bảng 4.1 : Miêu tả interest sử dụng cặp thuộc tính giá trị 73

Bảng 5.1 giả định làm cơ sỏ tính toán 93

Bảng 5.2 tóm tắt các hoạt động và năng lượng tiêu thụ tương ứng của node cảm biến 95

Bảng 5.3 trạng thái của nobe cảm biến trong DC 96

Bảng 5.4: Tóm lược của các quốc gia trong Leach 97

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN

WINS Wireless Integrated Network Sensors Cảm biến mạng tích hợp không

dây CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

Tổng hợp năng lượng trong các

hệ thống thông tin cảm biến

Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của các hệ thống cáccông nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, côngnghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu… đã tạo

ra các con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suấttiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểmquan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sựgiới hạn về năng lượng của chúng Các node cảm biến này yêu cầu tiêu thụ côngsuất thấp Các node cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thểthay thế được nguồn cung cấp Do đó, khi mạng truyền thông tập trung vào mụcđích đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phảitập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phânbiệt một mạng cảm biến và một mạng wireless khác chính là giá thành, mật độnode mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu,năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode)

Mạng cảm biến (Sensor Networks) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khảnăng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát,

phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiên tượng xảy ra trong môi trường cụthể nào đó Có 4 thành phần cơ bản tạo nên một mạng cảm biến :

• Các cảm biến được phân bố theo một mô hình tập trung hay rải rác

• Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến ( có dây hoặc vô tuyến )

• Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)

• Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm

Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý,hay còn gọi là các mote Mạng cảm biến không dây ( WSN ) là mạng cảm biếntrong đó liên kết các node cảm biến bằng sóng vô tuyến.(RF connection) trong đócác node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp … và có sốlượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non – topology) trên mộtdiện tích rộng

Trong mạng cảm biến, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhấtphục vụ cho các ứng dụng Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảmbiến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, cáccảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, và các cảm biến phục

vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa…Ngày nay, cảm biến ngày càng được sử dụngrộng rãi với số lượng lớn

Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấpnăng lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn , chu kì nhiệm vụ ngắn,quan hệ đa điểm - điểm, số lượng lớn các cảm biến…

Cảm biến có thể bao gồm 1 hay dãy cảm biến Kích thước rất đa dạng,từnano (1-100nm), meso (100 - 1000nm), micro (10 - 1000um), macro (vài mm - m),

…

Như chúng ta đã biết thì WSNs, với đặc tính di động và trước đây chủ yếucho các ứng dụng quân sự, chính vì thế đòi hỏi tính bảo mật là khá cao Ngày nay,các ứng dụng WSNs mở rộng cho các ứng dụng dân dụng, môi trường, thương mại,

việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo ra tính thương mại cao cho WSNs đem lại một diện mạomới cho mạng cảm biến không dây Bên cạnh đó, với sự tiến bộ vượt bậc của khoahọc công nghệ mạng cảm biến không dây đã vươn lên một tâm cao mới và khẳngđịnh được vị thế của mình trong lĩnh vực truyền thông Các nghiên cứu về WSNs cóthể chia làm nhiều phần như trong bảng thống kê số liệu dưới đây :

Triển khai

Dò tìm mục tiêuĐịnh vị

Thu thập dữ liệuTập hợp

Bảo mậtGiao thức MacTruy vấn dữ liệuĐồng bộ thời gian

Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các node xử

lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng,giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí:

• Chu kỳ hoạt động ngắn

• Xủ lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền

• Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy haotổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền

WSNs được phân ra làm 2 loại chính, theo mô hình kết nối và định tuyến màcác nodes sử dụng :

♦ Loại 1 ( C1WSNs ) :

• Sử dụng giao thức định tuyến động

• Các node tìm đường đi tốt nhất tới đích.

• Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét)

• Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp

• Vai trò các node sensor này với các node kế tiếp như là các trạm lặp (repeater)

• Mạng khá phức tạp

♦ Loại 2 ( C2WSNs ) :

• Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh

• 1 node không cung cấp thông tin cho các node khác

• Mô hình sử dụng là đa điểm-điểm, kết nối radio đến node trung tâm

• Khoảng cách vài trăm mét

• Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác

• Hệ thống tương đối là đơn giản

Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4 Hoạtđộng tại tần số 2.4 GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM), cung cấpđường truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200feet Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dâynhư bluetooth, wifi, ultrawideband(UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụngthương mại

Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigee/IEEE 802.15.4 , các hệ thống dần pháttriển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênhtruyền được tiêu chuẩn hóa Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile adhoc(MANETs) WSNs tương tự như MANETs theo một vài đặc điểm, cả hai đều làchuẩn mạng wireless, multihop Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật giữa hai hệthống này là khác nhau

• Dạng thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận, kháchẳn điểm - điểm trong MANETs.

• Các node trong WSNs ít di động, trong khi adhoc các là di động

• Trong WSNs, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng, sự kiện ở thếgiới thực Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu

• Nguồn giới hạn, năng lượng trong WSNs được quản lí sử dụng rất chặt chẽ.Trong MANETs có thể không bị giằng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết bịthông tin có thể được thay thế nguồn cung cấp thường xuyên bởi người dùng

• Số lượng node trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn

• Do sự khác biệt giữa hai mô hình giao thức mà các giao thức định tuyến trongMANETs không thể áp dụng hoàn toàn cho WSNs Tuy nhiên WSNs có thể coi nhưmột phần trong MANETs (adhoc)

1.2 Tổng quan về kĩ thuật WSN

Như đã đề cập ở phần trên, một vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lí tạinode nguồn trung tâm, một số dùng giao thức xử lí theo cấu trúc hay gọi là xử lýtrước tại node Thay vì gửi đi dữ liệu đến node chuyển tiếp, node thường dùng khảnăng xử lý của mình để giải quyết trước khi phát đi Với dạng có cấu trúc, dữ liệuđược xử lý đến mức tốt nhất nhờ đó làm giảm được năng lượng cần dùng và băngthông kênh truyền Một vài kĩ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến nhưsau:

 IEEE 802.15.1 Pan/Bluetooth.

 IEEE 802.15.3 Ultrawideband (UWB)

 IEEE 802.15.4/Zigbee (IEEE 802.14.4 là tiêu chuẩn cho vô tuyến)

1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến.

Các thành phần cơ bản và thiết kế trọng tâm của mạng WSNs cần được đặttrong ngữ cảnh của mô hình WSNs dạng 1 (C1WSNs) đã được giới thiệu ở phầntrước Bởi vì là mô hình với số lượng lớn cảm biến trong mạng, chứa dữ liệu nhiều,

dữ liệu không thật hoàn hảo, khả năng hư hỏng các node cao, cũng như khả năng bịnhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin các node trong mạng

Do vậy, C1WSNs tổng quát hơn so với mô hình C2WSNs Sự phát triển mạng cảmbiến, thông tin, và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng và phần mềm)

Hình 1.1 : Mô hình mạng cảm biến thông thường

Hình 1.1 cho thấy mô hình cấu trúc của mạng cảm biến thường dùng Cáccảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khảnăng tốt nhất làm node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử líchính Nhờ vậy, năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quảhơn Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster

và định tuyến cũng trở nên khó khăn hơn

Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình

vẽ trên Các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task manager node)qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu Sink có thể là thực thểbên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng cóthể là một thiết bị thực sự, ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảmbiến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lơn hơn nhưInternet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảmbiến trong mạng

Giới thiệu về node cảm biến :

Hình 1.2 : Cấu tạo nút cảm biến.

Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến như trên hình 1.2:đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn(a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra, có thể có thêm những

thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (locationfinding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer) Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có),bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số Dựa trên những hiện tượng quansát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu bằng bộADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.

Đơn vị xử lí thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết địnhcác thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng

Nguồn cung cấp, một trong những bộ phận quan trọng nhất của một nodecảm biến Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào nănglượng mặt trời Ngoài ra cũng cso những thành phần phục khác phụ thuộc vào từngứng dụng Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đềuyêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Các bộ phân di động đôi lúc cần phải dịchchuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định Tất

cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ

ra các node cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụrất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, vàthích biến với sự biến đổi của môi trường Các node cảm biến không dây, có thể coi

là một thiết bị vi điện tử chỉ có thê được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V)

Software (Operating Systems and Middleware)

Để cung cấp sự hoạt động cho các node, phần quan trọng là các hệ điều hànhnguồn mở được thiết kế đặc biệt cho WSNs Thông thường, các hệ điều hành nhưthế dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóngtrong khi kích thước code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của sensor networks.TinyOS là một ví dụ về dạng này, đây là một chuẩn không chính thức Thành phần

của TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối các node, drivers cho cảm biến và cácứng dụng.

Rất nhều nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng để phát triển và kiểmtra các giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu đang cố gắng kết hợpcác mã để xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tương thích

Tiêu chuẩn giao thức vận chuyển (Standards for Transport Protocols)

Mục đích thiết kế WSN là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêuchuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp - trung bình,tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống Vị trí các nodecảm biến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải

có khả năng tự xây dựng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSN, trong đóvấn dề căn bản là năng lượng tiêu thụ phải thấp nhất đến mức có thể Chủ yếu tậptrung vào giao thức định tuyến bởi vì định tuyến có khác so với các mạng truyềnthống (phụ thuộc vào ứng dụng và kiến trúc mạng)

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Kiến trúc mạng gồm mặt phẳng quản lý :

• Mặt phẳng quản lý năng lượng: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng

lượng của nó Ví dụ : node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bảntin Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang node cảm biếnbên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vàoquá trình định tuyến

• Mặt phẳng quản lý di động : Nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của

các node , các node theo dõi xem ai là hàng xóm của chúng

• Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ : cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ của các node trong

một vùng quan tâm

Và các lớp :

 Layer 1 : Lớp vật lý, các quy ước về điện, kênh truyền, cảm biến, xử lý tín

hiệu Băng tần ISM 915MHz được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến.Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý

 Layer 2 : Lớp liên kết dữ liệu, lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu,phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điềukhiển lỗi Vì môi trường có tạp âm và các node cảm biến có thể di động,giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đềcông suất và phải cso khả năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tinquảng bá của các node lân cận

 Layer 3 : Lớp mạng, được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau :

 Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

 Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác

có hiệu quả của các node cảm biến

 Layer 4 : Lớp chuyển vận, truyền dữ liệu trong mạng, lưu trữ dữ liệu

 Lớp ứng dụng, phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm xử lí ứngdụng, kết hợp dữ liệu, xử lí các yêu cầu từ bên ngoài, cơ sở dữ liệu ngoại

Hình 1.4 : Các giao thức có thể dùng cho Lower-layer WSN

Hình 1.4 nêu ra một số giao thức thấp có thể ứng dụng cho WSNs So sánhgiữa các chuẩn, mục đích của ứng dụng, tiêu chuẩn cho thiết kế, khoảng cách truyền

và băng thông tối đa

Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhưng vẫn còn thiếu các tiêuchuẩn mạng cho WSNs, điều này là một yếu tố gây cản trở sự phát triển mạng cảmbiến cho mục đích thương mại

Giao thức định tuyến cho WSNs rơi vào 3 nhóm: dữ liệu trung tâm, kiến trúcmạng, và căn cứ vào vị trí Các quy ước về tập hợp dữ liệu đến từ các nguồn khácnhau qua đường truyền Điều này cho phéo hạn chế sự dư thừa trong mạng, làmgiảm số đường truyền, giảm năng lượng tiêu thụ Vấn đề quan tâm trong xử lí nộimạng, ngay khi dữ liệu đang được truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượngcủa toàn hệ thống Băng thông bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất các node bịhạn chế hay giá thành cao Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lí tại

nguồn trước khi chuyển qua các node lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắngọn, tổng hợp nhất.

Các vấn đề liên quan đến sự sắp xếp mạng và theo dõi và giám sát bao gồmquản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây dựng phiên làmviệc…

Khi các thiết bị tính toán tăng hiệu quả nhanh chóng, sự tiêu thụ năng lượngcủa mạng cảm biến không dây giống như một nút cổ chai Các sensor có kích cỡnhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn sensor trong mạng, không thểnối dây từ các sensor này đến nguồn năng lượng Đồng thời để có thể tự vận hành,các sensor cần phải có nguồn pin Lượng năng lượng có sẵn trong mỗi sensor bịgiới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ nănglượng cho hoạt động hiệu quả của các sensor này.

Trong mạng cảm biến, năng lượng cho xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so với việctruyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệukhoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việctruyền thông tin giữa các sensor Và nếu không có sự truyền thông tin này thì khôngthể đồng bộ hóa được

Hình 1.5 : Cấu trúc phần cứng hạt Mica

Phần cứng của các nút cảm biến thường bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó.Một nút cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica2 (hình 1.5) có một pin mặttrời nhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10MHz, bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, vàphạm vi truyền dưới 50m Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữđặt ra một thách thức to lớn Đó là ta không thể tăng kích cỡ của nút cảm biến vì chi

phí sẽ tăng và tiêu thụ thêm năng lượng, gây khó khăn trong triển khai hàng nghìnnút trong mạng

 Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục

 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nútnên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết

 Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên

WSNs dùng để giám sát các hiện tượng trong thế giới thực nên việc thiết kếmạng phải thích ứng với các các đặc trưng của môi trường mà nó cảm nhận WSNsphải được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng như kiểm tra trong quân đội, cảnhbáo cháy rừng; dùng loại sensor nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩmtùy từng loại ứng dụng

Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn vàkhông thể nạp lại Hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiệnkhả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong mạngcảm biến, năng lượng được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu, xử lý

dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động Không dừng lại ở đó, người ta cũngmong muốn phát triển quá trình xử lý năng lượng một cách hiệu quả, giảm thiểu tối

đa các yêu cầu về năng lượng qua các mức của protocol stack, các bản tin truyềnqua mạng để điều khiển và phối hợp mạng

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

2.1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây.

Chia ra làm 2 loại ứng dựng theo mô hình: hệ thống điểm - điểm dùng địnhtuyến tĩnh và hệ thống phức tạp dùng giao thức định tuyến động Sự hội tụ củaInternet, thông tin vô tuyến và kĩ thuật thông tin đã tạo cho công nghệ cảm biến sựphát triển đầy tiềm năng Phần cứng WSN, đặc biệt là các vi xử lí giá thành thấp,cảm biến nhỏ gọn, phần thu phát vô tuyến tiêu thụ công suất thấp trở thành các tiêuchuẩn chung Mạng cảm biến thông thường hoạt động ở tần số 900MHz (868-và915-MHz), hệ thống thương mại (IEEE 802.11b hay IEEE 802.5.4) trong dãy tần2.4-GHz

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu về WSNs đã đạt được nhữngbước phát triển mạnh mẽ các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đếncác ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môitrường, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất … Các ứng dụng của mạng WSNthực sự chỉ bị giới hạn bởi sự tưởng tượng của con người

Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSN:

 Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng :

Bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một mạng ad hoc được tạonên một cách tự phát, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báocho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được Hàng triệu các

nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dâyhoặc quang học Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất

có hiệu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàngtháng và hàng năm Mỗi nút cảm biến có thê thu thập nhiều thông tin khác nhau liênquan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được truyền multihop tớinơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớmngăn chặn thảm họa cháy rừng

Hình 2.1 : Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

 Cảnh báo lũ lụt: Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai ở

Mỹ Hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước, cung cấpthông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm

Hình 2.2 : Mạng WSN cảnh báo lũ lụt

 Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: Các cảm biến về độrung đặt rải rác ở mặt đất các cảm biến hay trong lòng đất những khu vực

hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượngđộng đất và núi lửa phun trào.

vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h (hình 1.13).Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bịkhác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán vàđiều trị

Hình 2.4 : Ứng dụng trong y tế

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đonhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đếnthiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

Hình 2.5 : Ứng dụng nhà thông minh

 Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản vàlưu giữ hàng hóa Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tạitrong thời kì lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữdưới dạng bản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ cácđặc điểm của chúng Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻvẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút Cảm biếncòn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vào ban đêm chúng được đặt ở chế

độ chống trộm Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor sẽ hoạt động và ra hiệucho thiết bị cảnh báo Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trongnhững tòa nhà lớn

Hình 2.6 : Ứng dụng trong quản lý hàng hóa.

 Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lýcác container ở cảng Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm biến và

có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách xahơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác.Tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhấtquán Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó vàcontainer thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà khôngcần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database)

Hình 2.7 : Ứng dụng ở cảng

 Ứng dụng trong trồng trọt: Các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ,

độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được

về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phùhợp

Hình 2.10 : Ứng dụng trong quân sự

Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặcđược gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau vàvới đường và các biển báo giúp các phương tiện đi an toàn, tránh tai nạn giao thông,điều khiển luồng tốt hơn.

Hình 2.11 : Ứng dụng trong giao thông

 Giám sát các môi trường tĩnh: môi trường,các hệ sinh thái, cảnh báo cháy…

 Giám sát sự chuyển động của các đối tượng: động vật hoang dã, phương tiện giao thông…

2.2 Các ví dụ của mạng theo từng mô hình.

Do các đặc điểm riêng của từng mô hình mà có những ứng dụng khác nhau:

 Loại I: ứng dụng trong các mạng mà các node không có giám sát, WSN đặcbiệt có hiệu quả trong trong quân sự và dân sự, giám sát các hoạt động ở chiếntrường, anh ninh Do đặc điểm số node rất lớn, phân bố rải, sự quản lí chặt chẽ củacác node rất khó khăn, các node phải có khả năng tự phân bố cấu trúc, dùng giaothức định tuyến động để đưa về dữ liệu về trung tâm theo các đường nối đi tốt nhất

Ví dụ này ta xét về giám sát một khu rừng :

Hinh 2.12 : Máy bay rải các node vào khu

Trước hết các nodes được rải lên vùng địa lý cần nghiên cứu một cách ngẫu nhiên trên hình 4 người ta dùng máy bay để dài các node đó:

Hinh 2.13 : Sự phân bố các nodes

Khi các node đã được phân bố xong các cảm biến trên các node bắt đầu hoạtđộng và có các thông tin như độ ẩm , nhiệt độ ,động vật … v.v…Trên hình 5 ta thấycác tin về nhiêt đô được các node cảm biến xử lí nhiệt độ 50 , 46 , 54 là nhiệt độ códấu hiệu bất thường …

Hình 2.14 : Thông tin về nhiệt độ tại khu vực quan sát

Các node sẽ có thông tin về các node hàng xóm lân cận của nó và nhờ đó

Hình 2.15 : Các node được chọn làm Cluster

Các giao thức sẽ chọn được Cluster và từ đó sẽ tìm con đường thích hợp nhấtgửi thông tin về máy tính của người nghiên cứu

Hình 2.16 : Thông tin đươc gửi về máy tính.

Nguời nghiên cứu sẽ có thông tin về khu rừng và nhờ đó đưa ra được quyếtđịnh cảnh báo về độ cháy rừng …

 Loại 2 : Các ứng dụng dạng này dùng mô hình điểm-điểm (hay mô hình sao),với các liên kết đơn vô tuyến định tuyến tĩnh Thường ứng dụng trong điều khiển tự động các tòa nhà, công nghiệp, y tế, điều khiển nơi cư trú… Các ứng dụng gồm điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, anh ninh, môi trường, cảm biến trong y khoa, điều khiển từ xa trong gia đình hay công nghiệp…

CHƯƠNG 3 : GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY

CẬP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

3.1 Giới thiệu

Những tiến bộ gần đây trong thông tin vô tuyến và điện tử đã cho phép pháttriển các mạng cảm biến giá thành thấp Mạng cảm biến có thể được sử dụng trongcác ứng dụng khác nhau như chăm sóc sức khoẻ, trong quân sự hoặc sử dụng tronggia đình Mạng cảm biến vô tuyến (WSNs) bao gồm các nút nhỏ có khả năng cảmbiến, tính toán và trao đổi thông tin vô tuyến Một số giao thức chọn đường, quản lýcông suất và trao đổi số liệu đã được thiết kế cho WSN với yêu cầu quan trọng nhất

là tiết kiệm được năng lượng Các giao thức chọn đường trong WSN có thể khácnhau tuỳ theo ứng dụng và cấu trúc mạng

Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố

cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng Vị trí của các nút cảmbiến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước Điều này cho phép phân bố ngẫunhiên trong các địa hình phức tạp hoặc các hoạt động trợ giúp thảm hoạ Mặt khác,cũng có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khảnăng tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năngphối hợp giữa các nút cảm biến Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong.Thay vì gửi đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiệncác tính toán đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu

Để đạt được điều này, việc sử dụng giao thức điều khiển truy nhập môitrường MAC (Medium Access Control) là cần thiết Việc lựa chon giao thức sẽ tuỳthuộc và đặc tính mạng

3.2 Mô hình giao thức cho WSNs.

Đặc điểm kênh truyền chỉ cho 1 node phép truyền thông tin tại cùng 1 thờiđiểm, nên chúng ta phải xây dựng giao thức MAC cho việc chia sẻ truy cập kênhtruyền của các node

 Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer - DDL), gồm 2 lớp thấp và cao :

 Lớp cao của DDL được xem như lớp điều khiển logic (LLC)

 Lớp thấp của DDL là lớp MAC, có chức năng :

 Kết hợp dữ liệu vào Frame để gửi đi bằng cách thêm trườngheader gồm thông tin địa chỉ và kiểm soát lỗi

 Tách Frame thu được để khôi phục thông tin và kiểm tra lỗi

 Điều chỉnh truy cập kênh truyền

 Lớp vật lý (PHY) gồm các đặc tính về môi trường truyền và cấu hìnhmạng, định nghĩa các giao thức và chức năng của các thiết bị về mặt điên(mã hoá và khôi phục tin hiệu bít , đồng bộ phát và thu, … )

Hình 3.1 : Mô hình tham chiếu OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu

3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs

Nhu cầu duy trì năng lượng là cấn đề quan trọng nhất khi thiết kế giao thứcMAC cho mạng WSN Các nhân tố gây lãng phí năng lượng như :

 Overhead quá dài làm tăng năng lượng tiêu thụ và giảm lưu lượng quamạng

 Việc phát lại các gói bị đụng độ làm tiêu tốn năng lượng của node

 Trao đổi nhiều thông tin làm tăng công suất node

 Số lần đụng độ nhiều làm giảm chất lượng các gói

Việc nghe gói và địa chỉ đến không phải là của node (overhearing) cũng làmtiêu tốn năng lượng không cần thiết.

Do đó, giao thức MAC chia thành 2 nhóm :

 Giao thức MAC dựa trên cơ sở kế hoạch (schedule-based) : Kênh truyềnđược phân trước cho node tại 1 thời điểm theo lịch trình sắp xếp sẵn

 Giao thức MAC dựa trên cơ sở tranh chấp (contention - based) : Kênhtruyền được trao cho tất cả các node và theo nhu cầu , sao cho tranh chấp

là tối thiểu

3.3.1 Giao thức MAC dựa trên cơ sở kế hoạch (Schedule-Based Protocols)

Giao thức này tạo ra sự sắp đặt trước để tránh xung đột giữa các node Mụctiêu chính của giao thức là hiệu quả sử dụng năng lượng cao để kéo dài thời gianhoạt động của mạng Hầu hết giao thức thuộc nhóm Schedule-Based đều dùng môhình tương tự TDMA (đa truy cập phân chia treo thời gian ), trong đó kênh truyềnđược phân chia thành các khe thời gian như hình 3.2 :

Hình 3.2 : Giao thức MAC dựa trên TDMA ứng dụng trong WSN

Một dãy N các khe nằm kề nhau, N là thông số hệ thống Khung này lặp lạituần hoàn theo thời gian Trong mỗi khung, mỗi node được phân chia 1 số lượngkhe thời gian Các khe này là lịch trình để node hoạt động Dựa trên sự phân chiatrước, mỗi node có 2 trạng thái : tích cực và nghỉ Ở trạng thái tích cực Node dùngcác khe phân cho nó để nhận và gửi các khung dữ liệu Ở trạng thái nghỉ, khi ngoàicác khe thời gian định trước, node tắt các bộ thu phát để tiết kiệm năng lượng