Tìm hiểu nhưng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây có thể ứng dụng trng thực tiễn của nước ta

Xây dựng mô hình và đánh giá cho một ứng dụng cụthểtrong lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản của mạng cảm nhận không dây.

1 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI • Đề tài tìm hiểu và tổng quan được những nét lớn, cơ bản của mạng cảm nhận không dây.Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm nhận không dây cũng như các mục tiêu thực hiện của mạng cảm nhận không dây. • Tìm hiểu tình hình ứng dụng của mạng cảm nhận không dây trên thế giới và trong nuớc ta. Đưa ra được những ưu điểm, nhược đ iểm của mạng cảm nhận không dây. Tìm hiểu nhưng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây có thể ứng dụng trng thực tiễn của nước ta . Xây dựng mô hình và đánh giá cho một ứng dụng cụ thể trong lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản của mạng cảm nhận không dây. 2 NỘI DUNG LUẬN VĂN Trên thế giới, mạng không dây phát triển mạnh và được chuẩn hoá thành các loại khác nhau. Về bản chất chúng đều là mạng truyền thông không dây, nhưng cấu hình, quy mô, mục đích sử dụng khác nhau nên chúng có những điểm giống nhau và những điểm khác nhau. Trong số các mạng không dây, mạng cảm nhận không dây ra đời trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử và sự chín mu ồi trong việc hiểu biết và làm chủ kiến thức phần mềm hệ điều hành mạng. Mỗi nút mạng trong mạng cảm nhận không dây được xem như những hạt bụi (motes) vì kích thước của chúng rất bé, tiêu thụ năng lượng rất ít nhưng chính chúng có thể đảm đương chức năng nút mạng, và hơn thế, chúng còn có chức năng đo các thông số môi trường (chức năng cảm nhận) nơ i chúng có mặt. Lợi ích mà mạng cảm nhận không dây đem lại là to lớn, trên thế giới đang hình thành những trào lưu nghiên cứu, chuẩn hoá, phát triển và khai thác các ứng dụng rất đa dạng của nó. Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận dữ liệu, và điều khiển, tìm được r ất nhiều ứng dụng. Ví như đo các thông số môi trường cho nuôi trồng thuỷ sn, dự báo cháy rừng, dự báo lũ trên các sông, theo dõi sức khỏe…. Với các nhận thức trên cùng với sự khuyến khích động viên, hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn và mong muốn được tìm hiểu, thử nghiệm ứng dụng công nghệ mạng không dây em đã chọn đề tài “Xây dựng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây” Đề tài gồm 2 chương như sau: 3 Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây Chương 2: Những ứng dụng của mạng cảm nhận không dây trên thế giới Chương 3: Những ứng dụng của mạng cảm nhận không dây có thể ứng dụng ở nước ta. Chương 4: Thực nghiệm của mạng cảm nhận không dây Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.s Hòa Quang Dự đã tận tình chỉ bảo, h ướng dẫn và động viên em hoàn thành đề tài này. Em xin chân thànhg cảm ơn các Thầy, Cô trong Trường Đại học Dân lập Hải Phòng đã nhiệt tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức chuyên môn và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài này. Hải Phòng, tháng 4 năm 2007 Nguyễn Xuân Hùng 4 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 1. Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây 1.1. Định nghĩa về mạng cảm nhận không dây Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng không dây mà các nút của nó sử dụng các vi điều khiển, cảm biến, Bộ truyền tín hiệu sóng Radio,… với kích thước rất nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, tự tổ chức, giá thành thấp dùng để đo các dữ liệu và truyền thông không dây giữa các nút trong mạng. Hình 1.1: một mô hình của mạng cảm nhận không dây 1.2. Yêu cầu của WSN 1.2.1. Khả năng tự cấu hình - Ưu điểm mấu chốt của WSN đó là tính dễ triển khai, để triển khai thành công , thì khi đưa ra sử dụng các nút mạng phải có chức năng tự cấu hình . Các nút khi được đặt vào môi trường và có thể hoạt động ngay. Một vài nút vì một số lí do không hoạt động , để mạng tiếp tục hoạ t động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, Nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện cấu hình lại mạng. 5 - Việc mạng phải thực hiện cấu hình có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau như : càn phải thích ứng với sự thay đổi của môi trường, do khoảng cách giữa các nút mạng bị thay đổi… Chính vì vậy việc cấu hình lại là việc cần thiết để duy trì hoạt động của mạng. - Để khắc phục điều này thì giải pháp tốt nhất đó là dùng kiến trúc bó và khẳ năng tự cấu hình củ a bó. Kiến trúc bó là kiến trúc mà các nút mạng theo một tiêu chuẩn nào đó mà thành lập bó ( Vd các nút ở cạnh nhau có thể được tạo thành một bó, trong mỗi bó thì có một nút đầu bó để nhận dữ liệu gửi về từ các nút trong bó sau đó các nút đầu bó có thể gửi dữ liệu cho nhau để chuyền về máy tính…) 1.2.2. Vấn đề tiết kiệm năng lượng Nguồn năng lượng của các nút mạng cảm nhận không dây thường là pin. Chính vì vậy mà ngu ồn năng lượng này là có hạn dẫn đến việc tiết kiệm năng lượng là yêu cầu cần thiết. Theo các nhà nghiên cứu thì mức điện tiêu thụ trung bình của một nút mạng trong mạng cảm nhận không dây là trên dưới 50 MW - Để đảm bảo các nút mạng có thể hoạt động được trong thời gian dài (hàng năm) thì việc cần thiết là phải sử dụng các phần cứng tiêu thụ hết it điện năng. Ngoài nguồn điện năng là pin thì ta có thể dùng các nguồn năng lượng khác để có thể tiết kiệm năng lượng như: Nguồn năng lượng có thể tự tạo ra từ môi trường hoạt động của mạng ( VD: Dùng năng lượng mặt trời, năng lượng được tạo ra từ nhiệt … ). - Việc sử dụng các phần mềm nhúng với các thuật toán nhằm tiết kiệm năng lượng cũng có thể là một giải pháp hữu hiệu đối với việc tiết kiệm năng lượng. 1.2.3. Giá thành thấp 6 Do quy mô của mạng cảm nhận không dây la rất rộng do vậy chi phí cho mỗi nút mạng cũng ảnh hưởng tới việc chiển khai mạng. Tổng chi phí vật tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố chủ chốt dẫn đến việc có thể chấp nhận các công nghệ WSN. Với mộ ngân sách cố định thì việc làm giảm giá thành trên mỗi nút sẽ làm cho khả mua thêm nhiều nút, triển khai một mạng thu thập với m ật độ cao hơn, và thu thập được nhiều dữ liệu hơn. 1.2.4. An toàn bảo mật dữ liệu Mạng cảm nhận không dây thường được dùng ở ngoài môi trường, phạm vi rộng, giao tiếp với nhau dưới dạng sóng ( sóng Radio, sóng vô tuyến ) chính vì vậy mà việc khi dữ liệu gửi đi bị nhiễu là hoàn toán không thể tránh khỏi, hay việc bất kỳ một người nào cũng có thể truy nhập vào để lấy thông tin củ a mạng, yêu cầu đặt ra là phải đảm bảo an toàn và bảo mật. - Việc mã hóa thông tin để đảm bảo tính an toàn trong mạng, cần bảo đảm cho bất kỳ người nhận được thông báo từ người gửi không bị sửa đổi thông tin bên trong bằng bất kỳ cách nào. - Các nút mạng trước khi truyền dữ liệu đi cần phải được mã hóa bằng các thuật toán mã hóa như: mã hóa DES… 1.3. Các ứng dụng của WSN Ngày nay với sự phát triển của công nghệ cao, các mạng cảm nhận không dây không ngừng được phát triển và được ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống. Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây mà chúng ta có thể thấy rõ nhất như là: - Điều khiển và giám sát công nghiệp. - Nhà điều khiển tự động và điều khiển điện tiêu dùng tự động - Thu thập thông tin trong An ninh và Quân đội 7 - Theo dõi tài sản và quản lý dây chuyền cung cấp - Nông nghiệp và cảm nhận môi trường thông minh - Theo dõi sức khỏe . + Thu thập thông tin trong An ninh và Quân đội Việc sử dụng mạng cảm nhận không dây đầu tiên là được ứng dụng trong quân đội. Các nút mạng cảm nhận có thể thay thế các lính gác khi đó có thể đảm bảo an toàn cho họ. Mạng có thể sử dụng để kiểm soát việc đột nhập bất ngờ bằng cách các nút mạng có th ể được gắn các cảm biến đo chấn động, đo thân nhiệt khi đó có thể kiểm soát được việc đột nhập bất hợp pháp trong khi đó các nút mạng trong mạng cảm nhận không dây là rất nhỏ do đó rễ dàng ngụy trang cho các nút mạng này ( có thể dấu vào bụi cây, hòn đá…). Ngoài ra còn có thể dung để thay thế con người trong các công việc nguy hiểm ( như trong hầm mỏ, nơi nhiễm phóng xạ ) + Nông nghiệp và cả m nhận môi trường thông minh Trong các trang trại thì diệm tích thường rất lớn do vậy việc kiểm soát cây trồng cũng như điềm kiện tự nhiên của tường khu vực là khó khăng, nhất là lượng mưa trong từng khu vực vì mỗi khu vực thường có lượng mưa khác nhau khi đó mạng cảm nhận không dây có thể thu thập về lượng mưa của từng khu vực. Mạng cảm nhận không dây có thể thu th ập dữ liệu của môi trường sống của cây trồng, vật nuôi (độ ẩm, nhiệt độ ) để cho con người tìm cách trăm sóc cây trồng, vật nuôi để đạt được năng suất cao. 1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng cảm nhận không dây trên thế giới và trong nước 1.4.1. Trên thế giới 8 Trên thế giới thì việc phát triền của mạng cảm nhận không dây đã ra đời được một thời gian khá lâu do vậy họ đã ứng dụng vào một số lĩnh vực trong đời sống. Không những thế mà còn nghiên cứu để phát triển thêm mạng này kết hợp với việc công nghệ điện tử ngày càng phát triển với giá thành ngày càng thấp. Việc phát triển mạng cảm nhận không dây điược nghi lạ i với những mốc quan trọng nhu sau: • Tương ứng với sự phát triên và mở rộng của hệ thống truyền thông không dây sự phát triển cuả mạng cảm nhận không dây bắt đầu từ 1978 khi DARPA tài trợ cho Sensor Nets Workshop trường đại học Mellon Pittsburgh, Pennsylvania theo yêu cầu cảu hệ thống giám sát quân đội. • Tiếp đó 1990 dự án SensIT. 1998 tiêu điểm về mạng không dây cho hệ thống cảm biến quân đội phân tán tổ ng số 29 dự án nghiên cứu 25 cơ quan được cấp vốn dưới dự án này. • 1993 Trường DDH California Los Angeles hợp tác với trung tâm Rock well đã có một mạng tích hợp cảm biến không dây Wireless Intergate Network Sensor (WINS) và được thương mại hóa thành công ty Sensonia – California 1998. • Jan M. Rabaey DDH California bắt đầu chương trình PicoRadio. Dựa trên những nghiên cứu đó kể từ đây hàng loạt các nghiên cứu , dự án về phát triển mạng cảm nhận không dây ra đời ; • MAMPS là chương trình do Principal Investigator Anantha Chandrakasan –viện công nghệ Massachusetts tập trung vào sự phát triển của một hệ thống đầy đủ mạng cảm biến không dây nhấn mạnh việc tiêt kiệm năng lượng : và giao thức truyền thông cho magnj cảm biến này đó là phân cấp xếp nhóm Adaptive năng lượng thấp LEACH. 9 • Dự án Terminodes và mạng di động đặc biệt MANET của IETF – Intenet Engineering Task Force với mức tiêu thụ điện thấp, vấn đề địa chỉ và lộ trình trong mạng cảm nhận không dây với các nút mạng lưu động. • Mạng không gian sâu và âm thanh dưới nước ,với những đặc tính phạm vi rộng, truyền dữ liệu bằng mạng Radio. Mạng cảm nhận không dây là chìa khóa để thu thập thông tin cần thiết qua những môi tr ường nhạy cảm, cho dù trong những tòa nhà, những nơi công cộng, khu công nghiệp, tàu thuyền, các hệ thống chuyên chở tự động hay bất cứ nơi nào khác. Mạng không dây làm tăng khả năng trao đổi dữ liệu. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ liên quan, các nhà kinh doanh đã đưa ra các bộ cảm ứng sẵn có nhiều loại mà phù hợp cho các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây với các chuẩn được đưa ra: + 802.11 Wireless Local Area Netwrok. + Bluetooth 1. (802.15.1) + Home RF (Radio Frequency) + 802.15.4 WPAN :chuẩn với những cải tiến vượt bậc : sự phức tạp thấp, giá và năng lượng tiêu thụ thấp, ổn định, uyển chuyển. được phê chuẩn tháng 5 năm 2003. Như vậy với nhu cầu trao đổi thông tin của xã hội cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ liên quan mà mà mạng cảm nhận không dây được phát triển mạnh mẽ và đ ang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống. 1.4.2 Ở trong nước 10 Ở nước ta bài toán tự động hoá đang được đặt ra cho mọi lĩnh vực kinh tế, quốc phòng .nhằm nâng cao hiệu quả công việc,tiến kịp trình độ chung của khu vực và thế giới . Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận dữ liệu, và điều khiển, tìm được rất nhiều ứng dụng. Ví như đo các thông số môi trường dự báo thời tiết, cho nuôi trồng thuỷ sản, dự báo cháy rừng, dự báo lũ trên các sông, … Mới bắt đầu nghiên cứu và chưa có ứng dụng cụ thể nào .Do Những điều kiện về vật chất, thiết bị, cũng như đây là một vấn đề rất mới đối với nước ta, nên hiện dang fch ỉ có một vài trung tâm khoa hoc công nghệ lớn dang quá trình nghiên cứu: Trung tâm thông tin KH& CN quốc gia, Hội đồng khoa học trường đại học công nghệ đại hoc Quốc Gia Hà Nội: Nghiên cứu về lý thuyết, truyền thông giữa 2 nút, truyền thông tuyến tính đa bước để đo một số thông số cơ bản: nhiệt độ, độ ẩm, quang .Nhận rõ sức mạng ứng dụng thực tế của WSN , hi vọng trong tương lai gần WSN sẽ không ng ừng được mở rộng nghiên cứu,và ứng dụng rộng rãi trong nước. 1.5. Kiến trúc 1.5.1. Kiến trúc mạng Do việc ứng dụng trong thực tế mà kiến trúc của mạng thường hay dùng là dạng hình cây, dạng tuyến tính và Kiến trúc mạng dạng bó. 1.5.1.1. Kiến trúc mạng dạng tuyến tính Mạng cảm nhận không dây sử dụng kiến trúc dạng tuyến tính thì trong mạng gồm có các thành phần sau: Nút gốc, nút trung gian và nút cảm biến. [...]... trong một thái độ không tiếp cận được với những người đó CHƯƠNG 3 25 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY CÓ THỂ ỨNG DỤNG Ở NƯỚC TA Do những điều kiện về nền kinh tế, kỹ thuật mà việc ứng dụng mạng cảm nhận không dây trong lỹ vực y tế ở nước ta rất khó triển khai Dưới đây là một số ứng dụng của mạng cảm nhận không dây có thể ứng dụng được ở nước ta 3.1 Trong nông nghiệp Do nước ta là nước đang phát... nhận không dây có thể ứng dụng được rất tốt ở đây Mạng cảm nhận không dây có thể được dùng để đo nồng độ ôxy độ PH trong các hồ nuôi trồng hải sản khi đó có thể điều khiển tự động các quạt đạp nước cung cấp ôxy cho đầm nầy và thông báo cho người chăn nuôi biết được tình hình về nguồn nước hiện tại trong các hồ nước này Quạt đạp nước Hồ nuôi 28 Hình 3.4 : Sơ đồ ứng dụng của mạng cảm nhận không dây trong... của khu rừng trong từng khu vực là khó khăn Hình 3.2: Ứng dụng của mạng cảm nhận không day trong cảnh bảo cháy rừng Mạng cảm nhận không dây sẽ giúp cho chúng ta được điều này bằng cách mỗi nút mạng sẽ gắn một cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm của không khí… gửi về cho con người sẽ giúp cho chúng ta biết cách quản sử lý tình trạng cháy rừng ro thiên tai gây ra 3.3 Trong việc cảnh báo lũ Các nút mạng cảm nhận. .. Công suất phát có thể lập trình được (có thể lên tới +10dBm) • Tốc độ thu phát dữ liệu lên tới 76.8 kbit/s 16 Hình 1.5: cấu tạo của một nút mạng dùng CC1010 Hình 1.6: cấu tạo của một bảng mạch để kết nối giữa CC1010 với máy tính 17 CHƯƠNG 2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY TRÊN THẾ GIỚI 2.1 Cấu trúc của mạng wsn Mạng cảm nhận không dây bao gồm các thành phần cơ bản sau: 1 Cảm biến ( sensor... nghiệp lớn Số lượng các trang trại của nước ta nhiều do đó việc theo dõi là rất tốn nhân công Trong khi đó việc đầu tư để phát triển một mạng cảm nhận không dây không phải là cao Mạng có thể được dùng để đo dộ ảm ở từng khu vực trong trang trại, hay lượng mưa ở những khu vực khác nhau Hình 3.1 : Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây sử dụng trong nông nghiệp Các nút mạng được bố trí tại các cánh đồng... toán Xây dựng mạng cảm nhận để đo nhiệt độ ở các diểm khác nhau Đưa ra thông bao khi có nhiệt độ tại một nut lớn hơn mức cho phép 4.2 Mô hình của mạng cảm nhận Nút 1 Nút 2 … Nút n (