Mạng cảm biến không dây và đánh giá giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼHình 1.1: Kích hoạt và dò dữ liệu15 Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây 16 Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trong trường cảm biến 17 Hình 1.7: Các ứng dụng quân

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 15

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15

Hình 1.1: Kích hoạt và dò dữ liệu 21

1.2.2 Mạng cảm biến không dây 21

Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây 23

1.3 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ NGĂN XẾP GIAO THỨC 23

Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trong trường cảm biến 24

Hình 1.4: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến 26

1.3.1 Lớp vật lý 28

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu 28

1.3.3 Lớp mạng 31

1.3.4 Lớp truyền tải 32

1.3.5 Lớp ứng dụng 33

1.4.1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây hỗ trợ định tuyến tĩnh 38 1.4.1.1 Tự động hóa/ điều khiển nhà ở 39

Hình 1.5: Mạng tự động hóa nhà ở sử dụng mạng Zigbee 40

1.4.1.2 Tự động hóa tòa nhà 40

Hình 1.6: Mạng BAS dựa trên mạng mắt lưới không dây 41

1.4.1.3 Tự động hóa trong công nghiệp 43

1.4.2 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây hỗ trợ định tuyến động 44

1.4.2.1 Các ứng dụng quân sự 45

1.4.2.2 Các ứng dụng về môi trường 47

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 51

CHƯƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG 52

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 52

2.1 NỀN TẢNG 53

Hình 2.1: Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 54

2.2 NHỮNG THÁCH THỨC TRONG ĐỊNH TUYẾN VÀ THIẾT KẾ 54

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 54

2.2.1 Đặc tính thay đổi theo thời gian và kích thước mạng 55

2.2.2 Giới hạn về tài nguyên 55

2.2.3 Các mô hình dữ liệu ứng dụng cảm biến 56

2.3 CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN 57

KHÔNG DÂY 57

2.3.1 Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây 60

2.3.2 Flooding và các biến thể 61

Hình 2.2: Flooding trong các mạng giao tiếp dữ liệu 62

Hình 2.3: Vấn đề về bùng nổ lưu lượng với flooding 63

Hình 2.4: Vấn đề về chồng lấn lưu lượng trong flooding 64

2.3.3 Các giao thức cảm biến cho thông tin thông qua thỏa thuận (SPIN).65 Hình 2.5: Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN 68

Hình 2.6: Giao thức bắt tay ba bước SPIN – PP 69

Hình 2.7: Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN – BC 71

2.3.4 Giải pháp định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến 72

Hình 2.8: Kiến trúc mạng cảm biến được phân cấp 73

2.3.4.1 Thuật toán phân nhóm bậc tương thích năng lượng thấp LEACH 76

Hình 2.10: Các pha của LEACH 79

2.3.4.2 Tập trung hiệu suất năng lượng trong các hệ thống thông tin cảm biến (PEGASIS) 81

Hình 2.11: Phương pháp tập hợp và thu thập dữ liệu dựa trên chuỗi 84

2.3.5 Truyền tin trực tiếp (Direct Diffusion) 87

Bảng 2.1: Mô tả bản tin interest sử dụng cặp giá trị và thuộc tính 88

2.3.6 Định tuyến theo vị trí 89

Hình 2.12: Quyết định chuyển tiếp được định vị và toàn cầu hóa 93

Hình 2.15: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến 97

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 98

CHƯƠNG 3 99

GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 99

Hình 3.1: Các thành phần của mạng cảm biến không dây 100

3.1 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 102 TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 102

Bảng 3.1: So sánh giữa các giao thức định tuyến khác nhau 106

3.2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 110 PHÂN CẤP TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 110

Bảng 3.2: So sánh các giao thức định tuyến phân cấp 111

Hình 3.2: Cấu trúc Topo 100 node ngẫu nhiên với mạng 50m x 50m Trạm gốc BS được đặt ở vị trí (25, 150) và cách node gần nhất ít nhất là 100m 113

Hình 3.3: Kết quả hoạt động của mạng 50m x 50m 114

với năng lượng khởi đầu mỗi node là 25J 114

Hình 3.4: Các kết quả thực hiện trong mạng 100m x 100m 114

với năng lượng khởi tạo là 0.5J mỗi node 114

Hình 3.5: So sánh số lượng node sống 115

khi sử dụng các giao thức LEACH, TEEN và APTEEN 115

Hình 3.6: So sánh năng lượng phân tán trung bình 115

của giao thức LEACH, APTEEN và TEEN 115

3.4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 116 MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 116

3.4.1 Mô hình nhận năng lượng 117

3.4.2 Mô hình định tuyến 118

Hình 3.7: Mô hình mạng được sử dụng 120

Hình 3.8: Quá trình xây dựng cụm và gửi dữ liệu trong giao thức ECHERP .124

Hình 3.9: Mã giả của thuật toán khử Gauss được sử dụng trong 124

giao thức ECHERP 124

3.4.3 Ước lượng khả năng hoạt động của giao thức ECHERP 126

Hình 3.10: Năng lượng phân tán trung bình và thời gian sống 128

của mạng theo vòng 128

Hình 3.11: Số lượng node sống và thời gian sống của mạng theo vòng 129

Hình 3.12: Thời gian xóa node cuối cùng và tỷ số Nr 130

(Trạm gốc được đặt ở vị trí cách xa trung tâm trường mạng 130

100m, 150m, 200m, 300m và 400) 130

Hình 3.13: Thời gian xóa node đầu tiên trong vòng và tỷ số Nr với trạm gốc được đặt cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m, 200m, 300m và 400m 131

Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với các giao thức LEACH, PEGASIS và BCDCP theo khoảng cách của trạm gốc từ trung tâm của trường cảm ứng khi năng lượng khởi tạo của node là 2J 131

Bảng 3.4: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt động của mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr khi trạm gốc được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m 132

Bảng 3.5: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt độngcủa mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr khi trạm gốc được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 300m 133

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 133

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 135

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

APTEEN Adaptive Threshold -

sensitive Energy - Efficient sensor Network

Giao thức APTEEN

ARQ Automatic Repeat

Research Center

Trung tâm nghiên cứu

vô tuyến Berkely

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

Cơ quan đặc trách nghiên cứu quốc phòng cao cấp

Agency

Mạng cảm biến được phân phối

ECHERP Equalized Cluster Head

Election Routing Protocol Giao thức lựa chọn cụm đầu não cân bằng

Integrated Microsensor Bộ vi xử lý tích hợp vô tuyến công suất thấp

PEGASIS Power - Efficient

Gathering

in Sensor Information System

Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin

cảm biến

SCADA Supervisor Control

and Data Acquisition

Điều khiển giám sát và dò dữ liệu

Technology

Công nghệ thông tin cảm biến

Information via Negotiation

Giao thức cảm biến cho thông tin thông qua thỏa thuận

Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải

Energy - Efficient sensor Network

Giao thức TEEN

Intergration

Tích hợp phạm vi rất lớn

Actuator Network Mạng kích hoạt và cảm biến vô tuyến

Multidomain Power-aware Sensors

Bộ vi cảm biến nhận biết công suất đa miền tương thích

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Mô tả bản tin interest sử dụng cặp giá trị và thuộc tính.

.69

Bảng 3.1: So sánh giữa các giao thức định tuyến khác nhau 85 Bảng 3.2: So sánh các giao thức định tuyến phân cấp 88 Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với các giao thức LEACH, PEGASIS và BCDCP theo khoảng cách của trạm gốc từ trung tâm của trường cảm ứng khi năng lượng khởi tạo của node là 2J 105

Bảng 3.4: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt động của mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số

Nr khi trạm gốc được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m 105

Bảng 3.5: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt độngcủa mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số

Nr khi trạm gốc được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 300m 106

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kích hoạt và dò dữ liệu15

Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây 16

Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trong trường cảm biến 17

Hình 1.7: Các ứng dụng quân sự của mạng cảm biến không dây (đượcsản xuất với sự cho phép của viện khoa học thông tin USC) 36Hình 1.8: Ứng dụng giám sát môi trường mạng cảm biến không dây

37

Hình 2.1: Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 40

Hình 2.2: Flooding trong các mạng giao tiếp dữ liệu 47

Hình 2.4: Vấn đề về chồng lấn lưu lượng trong flooding48

Hình 2.8: Kiến trúc mạng cảm biến được phân cấp56

Hình 2.9: Mô hình mạng LEACH59

Hình 2.10: Các pha của LEACH 60

Hình 2.11: Phương pháp tập hợp và thu thập dữ liệu dựa trên chuỗi 65Hình 2.12: Quyết định chuyển tiếp được định vị và toàn cầu hóa 72Hình 2.13: Giải pháp chuyển tiếp định tuyến theo vị trí 73

Hình 2.15: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến 76

Hình 3.2: Cấu trúc Topo 100 node ngẫu nhiên với mạng 50m x 50m.Trạm gốc BS được đặt ở vị trí (25, 150) và cách node gần nhất ít

Hình 3.3: Kết quả hoạt động của mạng 50m x 50m với năng lượng

Hình 3.4: Các kết quả thực hiện trong mạng 100m x 100m với nănglượng khởi tạo là 0.5J mỗi node 89

Hình 3.5: So sánh số lượng node sống khi sử dụng các giao thứcLEACH, TEEN và APTEEN90

Hình 3.6: So sánh năng lượng phân tán trung bình của giao thứcLEACH, APTEEN và TEEN90

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet, công nghệ thông tin

và truyền thông, cùng với các kỹ thuật hiện có đã dẫn đến sự ra đờicủa các bộ kích hoạt và cảm biến giá thành thấp, với khả năng đáp ứngđược các yêu cầu cao về độ chính xác, hạn chế ảnh hưởng của nhiệt

độ và môi trường Công nghệ cảm biến và điều khiển gồm có cácmảng cảm biến, các bộ cảm biến trường điện và trường từ, các bộ cảmbiến địa chấn, các bộ cảm biến tần số sóng vô tuyến, các bộ cảm biếnhồng ngoại và quang điện, các rađa laze và các bộ cảm biến định vị và

vị trí

Sự phát triển về mặt lý thuyết, vật liệu chế tạo và thiết kế đã giúpcho các bộ cảm biến giảm thiểu được kích thước, khối lượng cũng nhưgiá thành sản phẩm, đồng thời tăng độ chính xác, hạn chế ảnh hưởngcủa nhiệt độ và môi trường Trong tương lai không xa, các hệ thống cóthể sẽ được tích hợp hàng triệu bộ cảm biến với mục đích nâng caotuổi thọ và khả năng hoạt động Công nghệ cảm biến và điều khiểnhiện nay đang có lợi thế lớn để phát triển không chỉ trong khoa học và

kỹ thuật, mà quan trọng hơn cả là những ứng dụng thực tế của chúng,liên quan đến bảo vệ và đảm bảo an ninh cho các cơ sở hạ tầng, chămsóc sức khỏe, giám sát môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, xử

lý sản phẩm, chất lượng cuộc sống và kể cả trong các lĩnh vực kinh tế.Cùng với việc giảm giá thành và nâng cao hiệu quả của các ngànhkinh doanh và công nghiệp, các mạng cảm biến không dây được hivọng sẽ mang đến cho người tiêu dùng nhiều sự thuận tiện, ví dụ như

điều khiển nhiệt độ và ánh sáng từ xa, giám sát y tế, kiểm tra thựcphẩm tự động, chuẩn đoán sức khỏe, nghiệm thu ô tô tự động và chămsóc trẻ em.

Để thực hiện các nhiệm vụ này một cách hiệu quả đòi hỏi sự pháttriển của giao thức định tuyến với hiệu quả cao về mặt năng lượng, đểthiết lập đường đi giữa các node cảm biến và đích của dữ liệu Việclựa chọn tuyến đường phải đạt được hiệu quả tối ưu về thời gian sốngcủa mạng Tuy nhiên các đặc điểm của môi trường cùng với nhữnggiới hạn về năng lượng và tài nguyên khiến cho quá trình định tuyếngặp phải rất nhiều khó khăn Rất nhiều các thuật toán truyền dữ liệu,quản lý công suất và định tuyến đã được thiết kế riêng cho các mạngcảm biến không dây với mục tiêu nhằm tiết kiệm năng lượng Hiệnnay, các kỹ thuật định tuyến có thể được chia ra thành ba loại chính,dựa trên cấu trúc mạng, gồm có: định tuyến phẳng (flat routing), địnhtuyến phân cấp (hierarchical routing)và định tuyến dựa trên vị trí(location – based routing) Ngoài ra, các giao thức định tuyến còn cóthể được phân chia dựa theo hiệu ứng đa đường, hàng đợi, thỏa thuận,QoS và tương hỗ, tùy thuộc vào quá trình vận hành giao thức

Hầu hết các giao thức định tuyến sử dụng phương pháp địnhtuyến phân cấp đều cung cấp hiệu quả về mặt năng lượng và kéo dàithời gian sống cho mạng Đầu tiên, mỗi cụm sẽ chọn một node để trởthành cụm đầu não và sau đó, các node trong mỗi cụm sẽ gửi dữ liệuđến cụm đầu não trong cụm Tiếp đó, cụm đầu não sẽ gửi dữ liệu đếntrạm gốc Dữ liệu có thể được chuyển tiếp theo hai cách: trực tiếp nếu

cụm đầu não được đặt gần trạm gốc hoặc thông qua cụm đầu nãochuyển tiếp

Từ những yếu tố trên, tôi đã lựa chọn đề tài “Mạng cảm biến

không dây và đánh giá giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng” làm

luận văn cao học Luận văn tìm hiểu về mạng cảm biến không dâyWSN, các giao pháp định tuyến trong mạng cảm biến không dây,trong đó tập trung vào các giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng,

và đề xuất giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng mới góp phầnnâng cao khả năng hiệu quả về mặt năng lượng, cũng như kéo dài thờigian sống cho mạng

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu về mạng cảm biến

không dây, các giải pháp định tuyến trong mạng cảm biến không dây,giải pháp định tuyến phân cấp tiết kiệm năng lượng như LEACH,PEGASIS, TEEN, APTEEN và đề xuất giải pháp định tuyến mớinhằm sử dụng năng lượng một cách hiệu quả trong mạng cảm biếnkhông dây

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các giải pháp

định tuyến trong mạng cảm biến Trong đó tập trung vào các giao thứcđịnh tuyến định tuyến tiết kiệm năng lượng sử dụng phương pháp địnhtuyến phân cấp

Về phương pháp nghiên cứu: trên cơ sở tổng hợp lý thuyết,

phân tích đưa ra đề xuất giải pháp và đánh giá

Luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Các giải pháp định tuyến sử dụng trong mạng cảm biếnkhông dây

Chương 3: Giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng

Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Quý Thầy Cô vàcác bạn để Luận văn được hoàn thiện Tôi cũng xin gửi lời cảm ơnchân thành đến TS Nguyễn Cảnh Minh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp

đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Ngày tháng năm2014

Các bộ cảm biến đã kết nối thế giới vật lý với thế giới số thôngqua quá trình chụp ảnh, phát hiện các hiện tượng của thế giới thực, vàchuyển chúng thành các dạng dữ liệu có thể xử lý, lưu trữ và thực hiệnđược Được tích hợp một số lượng lớn các thiết bị, máy móc và môitrường nên các bộ cảm biến có thể cung cấp những lợi ích lớn về mặt

xã hội Các bộ cảm biến này có thể giúp phát hiện lỗi và sự xuống cấpcủa cơ sở hạ tầng, bảo tồn các nguồn tài nguyên thiên nhiên, nâng caokhả năng sản xuất, an ninh và cho phép các ứng dụng mới như các hệthống nhận thức bối cảnh (context – aware systems) và các công nghệđược sử dụng trong ngôi nhà thông minh Những sự tăng cường vềmặt công nghệ như tích hợp phạm vi rất lớn (VLSI), các hệ thống vi

cơ điện tử (MEMS), và các giao tiếp không dây đã giúp cho các hệthống cảm biến này được sử dụng rộng rãi Ví dụ như sự phát triểncủa các công nghệ bán dẫn đã tiếp tục tạo ra những bộ vi xử lý với khảnăng xử lý ngày càng tăng, đồng thời giảm thiểu về mặt kích thước.Các công nghệ cảm biến và tính toán ngày càng được thu nhỏ đã chophép phát triển các bộ điều khiển, kích hoạt và cảm biến nhỏ gọn, cócông suất và giá thành thấp Trong khi các hệ thống hàng không vũ trụ

và các hệ thống phòng thủ vẫn là thị trường chính, thì các hệ thốnggiám sát và bảo vệ cơ sở hạ tầng dân sự (như cầu, hầm), cơ sở hạ tầngđường ống và mạng lưới điện quốc gia ngày càng thu hút được nhiều

sự quan tâm Các mạng gồm hàng trăm node cảm biến được sử dụng

để giám sát các khu vực địa lý rộng nhằm đưa ra mô hình và dự báo

sự ô nhiễm môi trường và ngập lụt, thu thập những thông tin liên quanđến tình trạng của cầu bằng cách sử dụng các bộ cảm biến rung, và

điều khiển quá trình sử dụng nước, phân bón và thuốc trừ sâu để nângcao chất lượng và sản lượng nông nghiệp.

1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Giống với các công nghệ khác, các ứng dụng quân sự đã mở đầucho sự phát triển của các mạng cảm biến không dây Ví dụ, vào năm

1978, Cơ quan đặc trách nghiên cứu quốc phòng cao cấp (DARPA) đã

tổ chức Hội thảo mạng cảm biến được phân phối (DAR 1978) để tậptrung thảo luận về những thách thức trong quá trình nghiên cứu mạngcảm biến như các công nghệ được sử dụng cho mạng, các kỹ thuật xử

lý tín hiệu và các thuật toán phân bố DARPA cũng tiến hành thựchiện chương trình Mạng cảm biến được phân phối (DSN) vào nhữngnăm đầu 1980, và sau đó là chương trình Công nghệ thông tin cảmbiến (SensIT)

Cộng tác với Trung tâm khoa học Rockwell, Đại học California,Los Angeles đã kiến nghị khái niệm Mạng cảm biến không dây côngsuất thấp hoặc WINS (Pottie 2001) Một kiến nghị khác của chươngtrình WINS là bộ vi xử lý tích hợp vô tuyến công suất thấp (LWIM),được sản xuất năm 1996 Hệ thống cảm biến thông minh này dựa trênchip CMOS, tích hợp nhiều bộ cảm biến, các mạch giao diện, cácmạch xử lý tín hiệu số, tín hiệu vô tuyến và bộ vi điều khiển trên mộtchip đơn Chương trình Bụi Thông Minh (Smart Dust) của Đại họcCaliornia diễn ra ở Berkely tập trung vào quá trình thiết kế các nodecảm biến có kích thước cực nhỏ, gọi là “mote” Mục tiêu của chương

trình này là tập trung hoàn thiện hệ thống cảm biến có thể tích hợpđược vào trong các thiết bị nhỏ, có kích thước của một hạt cát và thậmchí là một hạt bụi Chương trình PicoRadio của Trung tâm nghiên cứu

vô tuyến Berkely (BWRC) lại tập trung vào việc phát triển các thiết bịcảm biến có công suất thấp để giảm công suất tiêu thụ và từ đó cácthiết bị này có thể tự cung cấp năng lượng từ các nguồn năng lượngcủa môi trường bên ngoài, như năng lượng mặt trời hoặc năng lượngdao động Chương trình MIT µAMPS (Bộ vi cảm biến nhận biết côngsuất đa miền tương thích) cũng tập trung vào các thành phần phầncứng và phần mềm của các node cảm biến, gồm có việc sử dụng khảnăng của các bộ vi điều khiển để mở rộng dải điện áp động và các kỹthuật tái cấu trúc các thuật toán xử lý dữ liệu để giảm các yêu cầucông suất ở mức phần cứng

Trong khi các nghiên cứu trước đó hầu hết được thực hiện bởi cácviện nghiên cứu thì sau đó, trải qua một thập kỷ, một lượng lớn cácứng dụng kinh tế cũng bắt đầu xuất hiện (trong đó có rất nhiều ứngdụng dựa trên những thành quả nghiên cứu trước đó), bao gồm cáccông ty như Crossbow (www.xbow.com), Sensoria(www.sensoria.com), Worldsens (http://worldsens.citi.insa-lyon.fr),Dust Networks (http://www.dustnetworks.com), và EmberCorporation (http://www.ember.com) Các công ty này cung cấp cácthiết bị cảm biến, cùng với các thiết bị quản lý chương trình, duy trì vàhiển thị dữ liệu cảm biến

Năm 1997, chuẩn đầu tiên cho giao thức mạng cục bộ không dây(WLAN), giao thức 208.11 được giới thiệu Sau đó, chuẩn này được

nâng cấp thành chuẩn 802.11b với tốc độ dữ liệu cao hơn và cơ chếCSMA/ CA cho điều khiển truy nhập môi trường (MAC) Mặc dùđược thiết kế cho mạng LAN không dây để có thể sử dụng cho laptop

và các thiết bị số hỗ trợ cá nhân (PDA), các giao thức 802.11 cũngđược giả thiết để sử dụng cho mạng cảm biến không dây Tuy nhiên,việc tiêu thụ công suất lớn và tốc độ dữ liệu cao của các giao thức802.11 không phù hợp với các mạng cảm biến không dây Điều này đãthúc đẩy quá trình thiết kế các giao thức MAC hiệu quả về nănglượng Hiện nay, giao thức ZigBee dựa trên chuẩn 802.15 – 4 đượcthiết kế cho các mạng không dây cá nhân tốc độ thấp và phạm vi hẹp.Giao thức này sẽ sớm hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây bằng một

số sản phẩm node cảm biến thương mại, gồm các sản phẩm MicacZ,Telos và Ember

1.2 CÁC KHÁI NIỆM

1.2.1 Chức năng cảm ứng và các bộ cảm biến

Cảm ứng là một kỹ thuật để thu thập thông tin về một quá trình

xử lý hoặc một đối tượng vật lý nào đó, bao gồm cả số lần diễn ra sựkiện (ví dụ như sự thay đổi trạng thái như giảm áp lực hoặc nhiệt độ)

Bộ cảm biến là thiết bị được sử dụng để thực hiện chức năng cảmứng Ví dụ, cơ thể con người được trang bị các bộ cảm biến để có thểthu thập các thông tin quang học từ môi trường (mắt), thông tin về âmthanh (tai), và mùi vị (mũi) Đây là những ví dụ về bộ cảm biến từ xa

và không cần tiếp xúc với đối tượng cần giám sát để thu thập thôngtin.

Từ quan điểm kỹ thuật, bộ cảm biến là một thiết bị có thể chuyểncác tham số hoặc sự kiện trong thế giới vật lý thành tín hiệu để có thể

đo và phân tích Một thiết bị phổ biến khác là bộ chuyển đổi, đểchuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác Bộ cảm biến là mộtloại bộ chuyển đổi có khả năng chuyển năng lượng từ thế giới vật lýthành năng lượng điện để có thể đưa đến các bộ điều khiển hoặc hệthống tính toán

Hình 1.1 là một ví dụ về các bước thực hiện chức năng cảm ứnghoặc dò dữ liệu Các hiện tượng trong thế giới vật lý (thường được đềcập đến như các quá trình xử lý, hệ thống hoặc kế hoạch) được quansát bởi thiết bị cảm biến Các tín hiệu điện không phải lúc nào cũng cósẵn để có thể xử lý ngay lập tức, vì vậy các tín hiệu này phải được đưaqua giai đoạn biến đổi tín hiệu Ở đây, tín hiệu được xử lý để có thểchuẩn bị cho các quá trình sử dụng sau này Ví dụ, các tín hiệu thườngyêu cầu bộ khuếch đại (hoặc bộ suy hao) nhằm thay đổi cường độ tínhiệu để phù hợp với quá trình chuyển đổi tương tự - số diễn ra tiếptheo Ngoài ra, quá trình biến đổi tín hiệu thường sử dụng các bộ lọctín hiệu để loại bỏ nhiễu không mong muốn trong các dải tần chotrước (ví dụ các bộ lọc thông cao có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu

50 hoặc 60 Hz) Sau khi biến đổi, tín hiệu tương tự được chuyển thànhtín hiệu số, sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) Tín hiệu lúcnày có dạng số và sẵn sàng cho các quá trình xử lý, lưu trữ hoặc hiểnthị [1]

Rất nhiều mạng cảm biến cũng sử dụng bộ kích hoạt để cho phépđiều khiển trực tiếp thế giới vật lý Ví dụ, bộ kích hoạt có thể là mộtvan điều tiết nước nóng, một môtơ để đóng, mở cửa ra vào hoặc cửa

sổ, một bơm để điều khiển lượng xăng được bơm vào động cơ Mạngkích hoạt và cảm biến vô tuyến (WSAN) sẽ thực hiện các lệnh từ thiết

bị xử lý (bộ điều khiển) và chuyển các lệnh này thành các tín hiệu đầuvào của bộ kích hoạt, sau đó sẽ tương tác với quá trình xử lý vật lý,tạo thành một vòng lặp kín như hình 1.1

Hình 1.1: Kích hoạt và dò dữ liệu.

1.2.2 Mạng cảm biến không dây

Trong khi rất nhiều bộ cảm biến kết nối trực tiếp đến các bộ điềukhiển và các trạm xử lý (ví dụ như sử dụng các mạng nội bộ) thì sốlượng các bộ cảm biến giao tiếp dữ liệu vô tuyến với một trạm xử lýtập trung ngày càng tăng Điều này rất quan trọng khi rất nhiều ứngdụng yêu cầu hàng trăm hoặc hàng ngàn node cảm biến, thường được

Bộ kích hoạt

Xử lý tín hiệu

thực hiện từ xa và ở những khu vực không thể tiếp cận được Vì vậy,

bộ cảm biến không chỉ có một thành phần cảm ứng, mà còn phải cókhả năng lưu trữ, liên lạc và xử lý on-board Với những tính năng tăngcường này, bộ cảm biến không chỉ thường xuyên chịu trách nhiệm thuthập dữ liệu, mà còn kết hợp, tương quan và phân tích trong mạng dữliệu cảm biến của nó và dữ liệu từ các node khác Khi nhiều bộ cảmbiến cùng giám sát một môi trường vật lý có phạm vi lớn thì các bộcảm biến sẽ tạo thành một mạng cảm biến không dây Các node khôngchỉ liên lạc với node khác, mà còn liên lạc với trạm gốc (BS) sử dụngtín hiệu vô tuyến để cho phép truyền các dữ liệu cảm biến đến các hệthống xử lý từ xa, hiển thị, phân tích và lưu trữ Ví dụ, hình 1.2 biểudiễn hai trường cảm biến giám sát hai khu vực địa lý khác nhau và kếtnối với mạng Internet sử dụng các trạm gốc [1]

Internet

Phân tích

Xử lý

Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây.

Khả năng của các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây

là rất lớn, các node đơn giản có thể giám sát một hiện tượng vật lýđơn, trong khi nhiều thiết bị phức tạp có thể kết hợp các kỹ thuật cảmứng khác nhau (như âm thanh, quang học, từ tính) Các node cũng cókhả năng liên lạc khác nhau, ví dụ như các kỹ thuật tần số tín hiệu,hồng ngoại hoặc siêu thanh với độ trễ và tốc độ dữ liệu thay đổi Cácnode cảm biến đơn giản chỉ có thể thu thập và giao tiếp thông tin vềmôi trường được giám sát, trong khi nhiều thiết bị mạnh (như các thiết

bị có khả năng xử lý, năng lượng và lưu trữ lớn) cũng có thể thực hiệnđầy đủ các chức năng truyền và xử lý Các thiết bị này thường đượcgiả thiết có thể thực hiện đầy đủ các chức năng trong mạng cảm biếnkhông dây, ví dụ như giao tiếp đường trục, được các thiết bị cảm biến

có tài nguyên giới hạn sử dụng để tiếp cận trạm gốc Cuối cùng, một

số thiết bị có thể truy nhập các kỹ thuật hỗ trợ truyền thống như máythu của hệ thống định vị toàn cầu (GPS), cho phép xác định chính xác

vị trí Tuy nhiên, các hệ thống này thường tiêu thụ rất nhiều nănglượng để có thể sử dụng cho các node cảm biến công suất thấp và giáthành thấp

1.3 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ NGĂN XẾP GIAO THỨC

Các node cảm biến thường phân tán trong trường cảm biến nhưhình 1.3 [2].

Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trong trường cảm biến.

Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến dữliệu quay trở lại sink/cổng và đầu cuối người sử dụng Dữ liệu đượcđịnh tuyến trở lại đầu cuối người sử dụng bằng kiến trúc không sửdụng cơ sở hạ tầng đa chặng (multi – hop infrastructurelessarchitecture) thông qua sink như trong hình 1.3 Sink có thể giao tiếpvới node quản lý nhiệm vụ/ đầu cuối người sử dụng thông qua mạngInternet, vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (ví dụ như Wifi, cácmạng mắt lưới, các hệ thống tế bào, Wimax…) hoặc không cần thôngqua bất kỳ mạng nào khi sink được kết nối trực tiếp với các đầu cuốingười sử dụng Chú ý rằng, có thể có nhiều sink/ cổng và nhiều đầucuối người sử dụng trong kiến trúc được biểu diễn ở hình 1.3

Trong các mạng cảm biến không dây, các node cảm biến có chứcnăng kép, vừa là các bộ khởi tạo dữ liệu, vừa là các bộ định tuyến dữliệu Vì vậy, quá trình giao tiếp sẽ được thực hiện với hai lý do sau:

• Chức năng nguồn: các node nguồn với các thông tin sự kiện,thực hiện các chức năng giao tiếp để truyền các gói đếnsink

• Chức năng bộ định tuyến: các node cảm biến cũng tham giavào quá trình chuyển tiếp các gói thu được từ các node khácđến đích kế tiếp theo nhiều chặng để đến sink

Ngăn xếp giao thức được sink và tất cả các node cảm biến sửdụng được biểu diễn trong hình 1.4 [2]

Hình 1.4: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến.

Ngăn xếp giao thức kết hợp công suất và định tuyến, tích hợp dữliệu với các giao thức mạng, giao tiếp công suất một cách hiệu quảthông qua môi trường vô tuyến, và tăng cường khả năng trao đổi giữacác node cảm biến Ngăn xếp giao thức gồm có lớp vật lý, lớp liên kết

dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, cũng như mặt phẳngđồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt phẳng quản lý Topo, mặt phẳng quản

lý công suất, mặt phẳng quản lý tính di động và mặt phẳng quản lýnhiệm vụ Lớp vật lý chỉ ra các nhu cầu đơn giản nhưng mạnh với các

kỹ thuật thu, truyền, điều chế Khi môi trường có nhiễu và các nodecảm biến có thể di động thì lớp liên kết sẽ chịu trách nhiệm đảm bảo

độ tin cậy cho quá trình liên lạc, sử dụng các kỹ thuật điều khiển lỗi vàquản lý quá trình truy nhập kênh thông qua lớp điều khiển truy nhậpMAC để tối thiểu hóa sự xung đột với quá trình quảng bá lân cận Tùythuộc vào từng loại nhiệm vụ cảm biến mà các ứng dụng khác nhau cóthể được xây dựng và được sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp mạngthực hiện quá trình định tuyến dữ liệu được lớp truyền tải cung cấp.Lớp truyền tải giúp duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng của mạng cảmbiến có yêu cầu Ngoài ra, các mặt phẳng quản lý nhiệm vụ, tính diđộng và công suất sẽ giám sát quá trình phân phối công suất, sự dịchchuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến Các mặt phẳng này giúpcác node cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và do đó, tổng côngsuất tiêu thụ sẽ thấp hơn

• Mặt phẳng quản lý công suất: quản lý việc sử dụng công suất

của node cảm biến Ví dụ như, node cảm biến có thể tắt bộ thusau khi nhận được bản tin từ một trong các node lân cận Điềunày giúp tránh việc nhận các bản tin giống nhau Tương tự, khimức công suất của node cảm biến là thấp thì node cảm biến sẽthông báo cho các node lân cận rằng nó đang có công suất thấp

và không thể tham gia vào quá trình định tuyến các bản tin.Công suất duy trì sẽ được sử dụng cho cảm biến

• Mặt phẳng quản lý tính di động: sẽ giám sát và đăng ký sự di

chuyển của các node để duy trì tuyến ngược lại phía người sửdụng, và các node cảm biến có thể giữ liên kết của các node lân

cận Thông qua việc biết trước các node cảm biến lân cận này,các node cảm biến có thể cân bằng giữa việc sử dụng công suất

và nhiệm vụ

• Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ

cảm biến được đưa ra trong một vùng riêng Không phải tất cảcác node cảm biến trong vùng đều được yêu cầu để thực hiệnnhiệm vụ cảm biến ở cùng một thời điểm Do đó, sẽ có một sốnode cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các node khác.Các mặt phẳng quản lý này là cần thiết để các node cảm biến cóthể làm việc cùng nhau một cách hiệu quả về mặt năng lượng, địnhtuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ các tài nguyêngiữa các node cảm biến Nếu không có các mặt phẳng quản lý này, cácnode cảm biến sẽ chỉ hoạt động độc lập Từ quan điểm của toàn bộmạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể kết nốivới nhau nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng cảm biến

1.3.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóngmang, giám sát tín hiệu, điều chế và mật mã hóa dữ liệu Quá trình tạotần số và giám sát tín hiệu phụ thuộc nhiều vào phần cứng và quá trìnhthiết kế bộ thu phát

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm về việc ghép các luồng dữliệu, giám sát khung, truy nhập môi trường và điều khiển lỗi Lớp liênkết dữ liệu đảm bảo độ tin cậy cho các kết nối điểm – điểm và điểm –

đa điểm trong mạng giao tiếp

• Điều khiển truy nhập môi trường MAC:

Giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây tự tổ chức

đa chặng phải thực hiện được hai mục tiêu Mục tiêu đầu tiên làtạo ra cơ sở hạ tầng mạng Sau khi hàng nghìn node cảm biếnđược phân bố với một mật độ dày đặc trong trường cảm biến,phương pháp MAC phải thiết lập các liên kết liên lạc cho quátrình truyền tải dữ liệu Quá trình này tạo ra cơ sở hạ tầng cầnthiết cho quá trình giao tiếp vô tuyến từng chặng (hop – by –hop) và cung cấp khả năng tự tổ chức Mục tiêu thứ hai là chia

sẻ tài nguyên một cách hiệu quả và như nhau giữa các node cảmbiến Các tài nguyên này gồm có thời gian, năng lượng và tần số.Một số giao thức MAC có thể được phát triển cho các mạng cảmbiến không dây để đáp ứng các yêu cầu trong hàng thập kỷ

Nếu không xét phương pháp truy nhập môi trường thì vấn đề

về hiệu quả năng lượng là cực kỳ quan trọng Giao thức MACphải hỗ trợ chế độ tiết kiệm năng lượng cho node cảm biến.Cách đơn giản nhất để duy trì năng lượng là tắt bộ thu phát khikhông có yêu cầu Mặc dù phương pháp tiết kiệm năng lượngnày dường như cung cấp độ lợi năng lượng một cách đáng kể, nócũng có thể cản trở quá trình kết nối của mạng Một khi bộ thuphát được tắt, node cảm biến sẽ không thể nhận bất kỳ gói nào từcác node lân cận và về cơ bản, được xem như là không kết nốivới mạng Ngoài ra, quá trình bật tắt tín hiệu vô tuyến có mộtmào đầu liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng do các thủ tụcbật và tắt yêu cầu cả phần cứng và phần mềm Trên thực tế, nếu

tín hiệu vô tuyến được tắt một cách tùy tiện trong mỗi khe chờ,thì trong một chu kỳ thời gian, bộ cảm biến có thể sẽ tiêu thụnhiều năng lượng hơn khi tín hiệu vô tuyến được bật Kết quả làquá trình hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng chỉ đạt hiệuquả khi thời gian ở chế độ tiết kiệm năng lượng lớn hơn mộtngưỡng cho trước Có thể có một số chế độ hoạt động hữu íchcho node cảm biến vô tuyến, phụ thuộc vào số lượng trạng tháicủa bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và bộ thu phát Mỗichế độ có thể được đặc trưng bằng công suất tiêu thụ và mào đầutrễ với công suất chuyển tiếp đến và đi của chế độ đó.

• Điều khiển lỗi:

Một chức năng khác của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi

dữ liệu truyền Hai chế độ quan trọng của quá trình điều khiểnlỗi trong các mạng giao tiếp là sửa lỗi phía trước (FEC), yêu cầulặp tự động (ARQ) và yêu cầu lặp tự động lai ghép (HARQ) Sựhữu ích của ARQ trong các ứng dụng của mạng cảm biến bị giớihạn bởi mào đầu và chi phí bổ sung của quá trình truyền lại Mặtkhác, mã hóa phức tạp hơn trong FEC, như khả năng sửa lỗi Kếtquả là các mã điều khiển lỗi đơn giản với phương pháp mã hóa

và giải mã có độ phức tạp thấp có thể là giải pháp tốt nhất chocác mạng cảm biến Trong quá trình thiết kế phương pháp này,điểm quan trọng là phải có hiểu biết tốt về các kỹ thuật thực hiện

và đặc điểm của kênh

1.3.3 Lớp mạng

Các node cảm biến được phân bố với mật độ dày đặc trong trườngcảm biến phía bên trong hoặc gần với hiện tượng như trong Hình 1.3.Thông tin thu được liên quan đến hiện tượng phải được truyền đếnsink (sink được đặt cách xa trường cảm biến) Tuy nhiên, khả nănggiao tiếp giới hạn của các node cảm biến ngăn cản quá trình liên lạctrực tiếp giữa mỗi node cảm biến với node sink Do đó, đòi hỏi phải

có các giao thức định tuyến vô tuyến nhiều chặng giữa các node cảmbiến và node sink, sử dụng các node cảm biến trung gian như trễ Các

kỹ thuật định tuyến hiện có được phát triển cho các mạng tùy biếnkhông dây (wireless ad hoc network), không phải lúc nào cũng phùhợp với các yêu cầu của các mạng cảm biến Lớp mạng của các mạngcảm biến thường được thiết kế theo các nguyên lý sau:

• Sự hiệu quả về năng lượng luôn được xem là yếu tố quan trọngnhất

• Hầu hết các mạng cảm biến là data – centric

• Cùng với quá trình định tuyến, các node trễ có thể tập hợp dữliệu từ nhiều node lân cận thông qua quá trình xử lý nội bộ

• Do số lượng các node là rất lớn trong mạng cảm biến không dâynên ID riêng cho mỗi node là không cần thiết và các node có thểđịnh địa chỉ dựa trên dữ liệu hoặc vị trí của chúng

Một vấn đề quan trọng trong quá trình định tuyến của các mạngcảm biến không dây là quá trình định tuyến có thể dựa trên việc truyvấn data – centric Dựa trên thông tin được người sử dụng yêu cầu,giao thức định tuyến nên chỉ tới các node khác nhau để cung cấpthông tin được yêu cầu Nói một cách chính xác, người sử dụng thích

truy vấn một thuộc tính của hiện tượng hơn là truy vấn một node độc

lập Ví dụ như, “những khu vực có nhiệt độ trên 70oF (21oC)” sẽ có

nhiều truy vấn chung hơn “nhiệt độ được ghi bởi node số 47”.

Một chức năng khác của lớp mạng là cung cấp khả năng liên kếtvới các mạng ngoài như các mạng cảm biến khác, các hệ thống điềukhiển và lệnh, và mạng Internet Một mặt, các node sink có thể được

sử dụng như một cổng đến các mạng khác, trong khi mặt khác lại tạo

ra một đường trục bằng cách kết nối các node sink với nhau và tạo rađường trục này để truy nhập các mạng khác thông qua một cổng

1.3.4 Lớp truyền tải

Lớp truyền tải đặc biệt cần thiết khi mạng được thiết lập, để cóthể truy nhập thông qua mạng Internet hoặc các mạng ngoài TCP, vớicác cơ chế cửa sổ truyền dẫn hiện có, không chỉ ra những thách thức

cụ thể được môi trường mạng cảm biến không dây đưa ra Khác vớicác giao thức như TCP, các phương pháp giao tiếp từ đầu cuối – đến –đầu cuối trong các mạng cảm biến không dựa trên địa chỉ toàn cầu.Các phương pháp này phải xét đến địa chỉ dựa trên dữ liệu hoặc vị tríđược sử dụng để chỉ thị đích đến của các gói dữ liệu Các yếu tố nhưcông suất tiêu thụ, khả năng mở rộng và các đặc trưng như định tuyếndata – centric, có nghĩa là các mạng cảm biến cần phải xử lý khácnhau trong lớp truyền tải Vì vậy, các yêu cầu này chỉ ra yêu cầu vềnhững loại giao thức lớp truyền tải mới

Việc phát triển các giao thức lớp truyền tải là một thách thức vìcác node cảm biến bị ảnh hưởng bởi những hạn chế liên quan đếnphần cứng như bộ nhớ và công suất bị giới hạn Kết quả là mỗi node

cảm biến không thể lưu trữ một lượng lớn dữ liệu như một servertrong mạng Internet, và việc xác nhận tốn rất nhiều chi phí cho cácmạng cảm biến Vì vậy, các phương pháp mới tách quá trình giao tiếp

từ đầu cuối – đến – đầu cuối xảy ra ở sink với các giao thức loại UDPđược sử dụng trong mạng cảm biến

Với quá trình giao tiếp bên trong mạng cảm biến không dây, cácgiao thức lớp truyền tải được yêu cầu cho hai chức năng chính: điềukhiển tắc nghẽn và độ tin cậy Các tài nguyên giới hạn và chi phí nănglượng cao đã ngăn cản các cơ chế về độ tin cậy từ đầu cuối – đến –đầu cuối được triển khai trong các mạng cảm biến không dây Thayvào đó, các cơ chế về độ tin cậy của vị trí là cần thiết Ngoài ra, tắcnghẽn có thể xảy ra do lưu lượng cao trong suốt các sự kiện cần phảiđược giảm bớt nhờ các giao thức lớp truyền tải Sau khi các node cảmbiến bị giới hạn trong quá trình xử lý, lưu trữ và tiêu thụ năng lượngthì các giao thức lớp truyền tải sẽ khai thác khả năng kết hợp của cácnode cảm biến và dịch sự thông minh đến sink hơn là các node cảmbiến

1.3.5 Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng gồm có ứng dụng chính cũng như một số chứcnăng quản lý Thêm vào mã ứng dụng được dành riêng cho mỗi ứngdụng, các chức năng quản lý mạng và xử lý truy vấn cũng được thựchiện ở lớp này

Ngăn xếp kiến trúc được phân lớp sẽ được tiếp nhận ngay từ đầutrong quá trình phát triển mạng cảm biến không dây do sự thành côngcủa nó với mạng Internet Tuy nhiên, việc thực hiện với phạm vi lớn

các ứng dụng của mạng cảm biến không dây đã chỉ ra rằng kênh vôtuyến ảnh hưởng rất lớn đến các giao thức lớp cao hơn Ngoài ra,những hạn chế về tài nguyên và các ứng dụng dành riêng của mô hìnhmạng cảm biến không dây sẽ dẫn đến các giải pháp điều phối giao lộgiữa các lớp (cross – layer), được tích hợp chặt chẽ trong ngăn xếpgiao thức được phân lớp Bằng cách loại bỏ sự ngăn cách giữa các lớpcũng như các giao diện có liên quan, sự hiệu quả trong không gian mãđược tăng lên và mào đầu có thể được thực hiện.

Thêm vào các chức năng giao tiếp trong ngăn xếp được phân lớp,các mạng cảm biến không dây cũng được trang bị với một số chứcnăng nhằm hỗ trợ việc thực hiện các giải pháp được kiến nghị Trongmột mạng cảm biến không dây, mỗi thiết bị cảm biến được trang bịvới đồng hồ nội của nó Mỗi sự kiện liên quan đến quá trình hoạt độngcủa thiết bị cảm biến gồm cảm biến, xử lý và giao tiếp liên quan đếnthông tin định thời, sẽ được điều khiển thông qua đồng hồ nội Sau khingười sử dụng muốn có thông tin từ nhiều bộ cảm biến, thông tin địnhthời liên quan đến dữ liệu ở mỗi thiết bị cảm biến cần phải được giữnguyên Ngoài ra, mạng cảm biến không dây phải yêu cầu chính xáccác sự kiện được cảm nhận bởi các bộ cảm biến được phân phối đếnmôi trường vật lý mô hình chính xác Các yêu cầu định thời này sẽdẫn tới sự phát triển của các giao thức đồng bộ thời gian trong cácmạng cảm biến

Sự tương tác gần với hiện tượng vật lý yêu cầu thông tin về vị tríphải liên quan với thời gian Các mạng cảm biến không dây liên quantới hiện tượng vật lý trong các môi trường xung quanh Thông tin thu

được phải có mối liên kết với vị trí của các node cảm biến để đảm bảo

độ chính xác về trường cảm biến được quan sát Ngoài ra, các mạngcảm biến không dây có thể được sử dụng để tìm các đối tượng với cácứng dụng giám sát, yêu cầu thông tin liên quan đến vị trí để sử dụngcác thuật toán tìm kiếm Hơn nữa, các dịch vụ dựa trên vị trí và cácgiao thức giao tiếp đều yêu cầu thông tin về vị trí Vì vậy, các giaothức định vị phải được đưa vào ngăn xếp giao tiếp

Cuối cùng, một số giải pháp quản lý Topo được yêu cầu để duy trìkhả năng kết nối và bao phủ của mạng cảm biến không dây Các thuậttoán quản lý Topo cung cấp các phương thức hiệu quả để triển khaimạng nhằm kéo dài tuổi thọ cho mạng và nâng cao một cách hiệu quả

độ bao phủ thông tin Ngoài ra, các giao thức điều khiển Topo giúpxác định các mức công suất truyền, cũng như khoảng thời gian hoạtđộng của các node cảm biến để tối thiểu hóa công suất tiêu thụ trongkhi vẫn đảm bảo khả năng kết nối của mạng Cuối cùng, các giao thứccụm (clustering protocols) được sử dụng để tổ chức mạng thành cáccụm nhằm nâng cao khả năng mở rộng và tuổi thọ của mạng

Sự tích hợp các phần cứng để hoạt động có hiệu quả sẽ phụ thuộcvào các ứng dụng chạy trên mạng cảm biến không dây Đặc tính phụthuộc vào ứng dụng này của các mạng cảm biến không dây đã đưa racác thuộc tính riêng khác với các giải pháp mạng truyền thống Mặc

dù ban đầu, quá trình nghiên cứu và triển khai mạng cảm biến khôngdây tập trung vào truyền dữ liệu trong các thiết lập không dây, nhưngmột số lĩnh vực ứng dụng theo lý thuyết của mạng cảm biến khôngdây nảy sinh một số vấn đề Những vấn đề này bao gồm các mạng

actor và cảm biến vô tuyến, gồm có các bộ kích hoạt cùng với các bộcảm biến, để chuyển đổi thông tin cảm biến thành hành động để thựchiện trong môi trường, và các mạng cảm biến đa phương tiện vôtuyến, hỗ trợ lưu lượng đa phương tiện với thông tin về âm thanh vàhình ảnh được thêm vào dữ liệu vô hướng Ngoài ra, hiện tượng mạngcảm biến không dây được chấp nhận trong các môi trường bắt buộcnhư các thiết lập dưới nước và dưới lòng đất, để tạo ra các mạng cảmbiến không dây dưới nước và các mạng cảm biến không dây dưới lòngđất Các lĩnh vực nghiên cứu mới này đặt ra những thách thức mới màhiện tại vẫn chưa được xem xét bởi một lượng lớn các giải pháp hiệnđang được phát triển cho các mạng cảm biến không dây truyền thống.Với các đặc điểm như độ linh hoạt, khả năng chấp nhận lỗi, độchính xác cảm biến cao, giá thành thấp và khả năng triển khai nhanhcủa các mạng cảm biến không dây đã tạo ra rất nhiều lĩnh vực ứngdụng mới với khả năng cảm biến từ xa Trong tương lai, lượng ứngdụng này sẽ giúp cho các mạng cảm biến trở thành một phần khôngthể thiếu trong cuộc sống của con người Tuy nhiên, việc thực hiệncác mạng cảm biến cần phải thỏa mãn những sự bắt buộc của các nhân

tố như khả năng chấp nhận lỗi, khả năng mở rộng, giá thành, phầncứng, thay đổi cấu trúc Topo, môi trường và tiêu thụ công suất Saukhi những sự bắt buộc này là rất nghiêm ngặt và đặc trưng cho mạngcảm biến, các kỹ thuật mạng tùy biến không dây mới được yêu cầu.Rất nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển các công nghệ được sử dụngcho các lớp khác nhau trong ngăn xếp giao thức mạng cảm biến Khả

năng kinh tế của các mạng cảm biến không dây cũng được xem xéttrong một vài lĩnh vực.

1.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Phạm vi của các hệ thống và ứng dụng của mạng cảm biến khôngdây đã được phát triển rất rộng trong vài năm gần đây Các ứng dụngtrong mạng cảm biến có thể được phân chia theo các hướng thiết kếhoặc khu vực triển khai

Các hướng thiết kế mạng cảm biến không dây gồm có khả năngtriển khai, tính di động, tài nguyên, chi phí, năng lượng, sự khôngđồng nhất, phương thức, cơ sở hạ tầng, cấu trúc topo mạng, khả năngbao phủ, khả năng kết nối, kích thước, thời gian sống và chất lượngdịch vụ QoS Ví dụ về các ứng dụng này gồm có Great Duck (hệthống giám sát chim trên đảo Great Duck), ZebraNet, giám sát băng,nuôi gia súc, đo độ sâu của biển, giám sát nước biển, giám sát nho,quản lý thời gian lạnh, giải cứu nạn nhân trong các vụ tuyết lở, giámsát dấu hiệu sự sống, giám sát công suất, tập hợp các bộ phận, tìmkiếm các phương tiện quân sự, vị trí bắn tỉa và bãi mìn để tự cứu chữa.Tương ứng với các khu vực triển khai, các ứng dụng của mạngcảm biến có thể được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, quân

sự, xác định vị trí, định hướng an toàn nơi công cộng, định hướng ởsân bay, nông nghiệp, xử lý trường hợp khẩn cấp, y tế và đại dương.Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây triển khai các cảmbiến bụi thông minh trong mạng, như hệ thống giám sát môi trườngtrong nhà/ ngoài trời, hệ thống giám sát rung động và công nghiệp, hệthống đo và kiểm tra, các hệ thống cảm biến hiện có và không dây

nâng cao Các ứng dụng khác được thiết kế với giải pháp cảm biếndựa trên MEMS cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện.

Ban đầu, các ứng dụng của cảm biến không dây được phát triểntrong lĩnh vực quân sự Tuy nhiên, trong một vài năm gần đây, sự đadạng hóa các ứng dụng đã bắt đầu hướng tới các ứng dụng như trongcông nghiệp, lớp học/ nhà, tòa nhà, giám sát môi trường, giám sát môitrường sống, giám sát cấu trúc, giám sát sức khỏe

1.4.1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây hỗ trợ định tuyến tĩnh

Một số ứng dụng điểm – điểm và điểm – đa điểm của mạng cảmbiến không dây được thiết kế cho thị trường thương mại Trong cácứng dụng này, trạm gốc/ cổng thực hiện các đường liên lạc tĩnh để kếtnối các node cảm biến Các ứng dụng định tuyến tĩnh này bao gồm các

hệ thống tự động hóa trong tòa nhà, công nghiệp, hệ thống điều khiển

y tế, các hệ thống điều khiển dân cư, giao thông và các hệ thống giámsát và điều khiển từ xa Các ứng dụng này sử dụng các kỹ thuật cảmbiến không dây (theo chuẩn IEEE 802.15.4) cho quá trình điều khiển

và kết nối thời gian thực với tất cả các loại thiết bị cảm ứng Các ứngdụng này khác với các ứng dụng không dây khác như điều khiển giaothông ở các khu trung tâm (IEEE 802.15.3), mạng LAN không dâycho các doanh nghiệp (802.11/ WiFi) và các mạng không dây cá nhân(IEEE 802.15.1/ Bluetooth) Những đặc trưng của quá trình thực hiệntần số vô tuyến và kết nối hoạt động của kỹ thuật Zigbee chuẩn IEEE802.15.4 đã cung cấp khả năng triển khai các ứng dụng định tuyếntĩnh của mạng cảm biến không dây trên phạm vi rộng

1.4.1.1 Tự động hóa/ điều khiển nhà ở

động hóa/ điều khiển tòa nhà cung cấp khả năng điều khiển, phục vụ,

sự thuận tiện, an toàn và hiệu quả Các mạng cảm biến không dây từvài node đến hàng trăm node có thể được triển khai trong mạng nhà.Hình 1.5 biểu diễn một ví dụ về mạng tự động hóa/ điều khiển tòa nhàvới các cơ chế điều khiển thời gian thực [4]

Tự động hóa/ điều khiển trong nhà

Mạng có dây/ không dây

Hình 1.5: Mạng tự động hóa nhà ở sử dụng mạng Zigbee.

Các node cảm biến có thể điều khiển đèn, cửa sổ và điều khiểnnhiệt độ mà không cần sử dụng dây dẫn Việc ấn nút điều khiển từ xa

có thể kích hoạt một chuỗi phản ứng giữa các thiết bị được điều khiển

Ví dụ, đầu video có thể kích hoạt một số thiết bị khác như giảm ánhsáng, hạ bớt rèm và bật Tivi Nút điều khiển khác có thể thay đổikhông khí trong phòng Ví dụ như, các chế độ điều chỉnh điều hòanhiệt độ tăng lên hoặc giảm xuống, ngoại trừ cửa và tắt đèn Các thiết

bị ngoại vi và máy tính cá nhân, các hệ thống giải trí và các thiết bịkhác trong mạng tự động hóa/ điều khiển tòa nhà có thể được cấu hình

dễ dàng bằng cách sử dụng truy nhập Internet hoặc điều khiển từ xa.Các hệ thống tự động hóa nhà ở sử dụng mạng Zigbee cho phépđiều khiển ánh sáng, rèm cửa sổ, bộ thông gió xe ô tô, điều khiển điềuhòa và nhiệt độ và các hệ thống an ninh Các chức năng riêng gồm cóquản lý các hệ thống rèm, nhiệt độ nóng, lạnh và ánh sáng một cáchlinh hoạt từ bất kỳ vị trí nào trong nhà, tối ưu sự tiêu thụ các tàinguyên thiên nhiên trong nhà, lưu dữ liệu sử dụng ga, nước, điện mộtcách chính xác, thời gian thực, thông báo về việc giám sát các sự kiệnbất thường, nâng cấp và cài đặt phần mềm thông qua kết nối Internet

1.4.1.2 Tự động hóa tòa nhà

Các ứng dụng tự động hóa tòa nhà dựa trên các mạng cảm biếnkhông dây không đồng nhất để cung cấp khả năng điều khiển, phục