MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây (1)

GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks, gọi tắt là WSNs) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến (sensor nodes), được trang bị các nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trường như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến cường độ ánh sáng, và có khả năng giao tiếp không dây (wirelessly) với các nút còn lại tạo thành một mạng cảm biến không dây phủ sóng một vùng vật lý nào đó nhằm giám sát, theo dõi và quản lý vùng đó. Thông tin thu được từ một nút cảm biến sẽ được truyền về một trạm gốc (base station hay gateway) thông qua các nút cảm biến khác, và cuối cùng thông qua Internet truyền về trung tâm dữ liệu để lưu trữ, phân tích và xử lý. Hình 1: Một ví dụ về mạng cảm biến không dây theo dõi lượng nước mưa Một nút cảm biến thông thường bao gồm các thành phần sau: Bộ vi xử lý nhỏ và sử dụng năng lượng ít (low power processor); Bộ nhớ (Memory); Radio để truyền dữ liệu không dây; nguồn điệnpin (power source); và các bộ cảm biến (sensors). Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: giám sát kết cấu của công trình (cầu, tòa nhà...); theo dõi cuộc sống của các loài thú hoang dã; cảnh báo cháy rừng; phát hiện rò rỉ hóa chất trong các nhà máy; giám sát các tòa nhà thông minh…

GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks, gọi tắt WSNs) bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ thu thập thông tin liệu phân tán với quy mô lớn điều kiện vùng địa lý Mạng cảm biến không dây liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua điểm thu phát (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh Các nút cảm biến không dây triển khai cho mục đích chuyên dụng điều khiển giám sát an ninh; kiểm tra môi trường; tạo không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá xác nông nghiệp; lĩnh vực y tế mạng bao gồm nhiều nút cảm biến (sensor nodes), trang bị nút cảm biến có khả cảm biến môi trường cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến cường độ ánh sáng, có khả giao tiếp không dây (wirelessly) với nút lại tạo thành mạng cảm biến không dây phủ sóng vùng vật lý nhằm giám sát, theo dõi quản lý vùng Thông tin thu từ nút cảm biến truyền trạm gốc (base station hay gateway) thông qua nút cảm biến khác, cuối thông qua Internet truyền trung tâm liệu để lưu trữ, phân tích xử lý Hình 1: Một ví dụ mạng cảm biến không dây theo dõi lượng nước mưa Một nút cảm biến thông thường bao gồm thành phần sau: Bộ vi xử lý nhỏ sử dụng lượng (low power processor); Bộ nhớ (Memory); Radio để truyền liệu không dây; nguồn điện/pin (power source); cảm biến (sensors) Mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: giám sát kết cấu công trình (cầu, tòa nhà ); theo dõi sống loài thú hoang dã; cảnh báo cháy rừng; phát rò rỉ hóa chất nhà máy; giám sát tòa nhà thông minh… ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG NÔNG NGHIỆP Theo truyền thống nông nghiệp việc thực nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn trồng thu hoạch, với lịch trình định trước Nhưng cách thu thập liệu thời gian thực thời tiết, đất chất lượng không khí, theo dõi trưởng thành trồng chí trang thiết bị chi phí lao động, phân tích sử dụng để đưa định thông minh Đây gọi nông nghiệp xác (hoặc canh tác xác) Một định nghĩa nông nghiệp xác sau: kỹ thuật áp dụng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu,…) vào vị trí vào thời điểm để tăng cường sản xuất nâng cao chất lượng Hình 2: Cấu trúc nút cảm biến Với nông nghiệp xác, trung tâm kiểm soát thu thập xử lý liệu thời gian thực để giúp nông dân đưa định tốt liên quan đến trồng, bón phân thu hoạch trồng có Các nút cảm biến đặt nơi trồng để đo nhiệt độ độ ẩm đất không khí xung quanh Ứng dụng cảm biến không dây nông nghiệp xác nâng cao hiệu quả, suất lợi nhuận nhiều hệ thống sản xuất nông nghiệp, giảm thiểu tác động không mong muốn đến địa điểm nơi trồng Các thông tin thời gian thực thu từ lĩnh vực cung cấp sở vững cho nông dân để điều chỉnh chiến lược lúc Thay đưa định dựa vào số điều kiện trung bình giả thuyết hay kinh nghiệm chủ quan cá nhân, không tồn nơi thực tế, cách tiếp cận nông nghiệp xác nhận khác biệt điều chỉnh hoạt động quản lý tối ưu Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để quản lý hoạt động nông nghiệp xác làm giảm đáng kể số lượng đầu vào phân bón, nước, thuốc trừ sâu sử dụng tăng sản lượng Nông dân thu lợi nhuận đầu tư cách tiết kiệm chi phí kiểm dịch thực vật phân bón Áp dụng số lượng đầu vào nơi thời điểm đem lại lợi ích cho trồng, tiết kiệm nguồn tài nguyên đất nước ngầm, tối ưu hóa toàn chu kỳ trồng trọt Nông nghiệp bền vững tìm cách để đảm bảo nguồn cung cấp liên tục thực phẩm giới hạn sinh thái, kinh tế xã hội cần thiết để trì sản xuất dài hạn Do độ xác nông nghiệp cách sử dụng mạng cảm biến không dây cho phép theo đuổi mục tiêu Ngoài ra, mạng cảm biến không dây sử dụng để điều khiển nhà kính Một nhà kính cấu trúc bao phủ mặt đất thường sử dụng cho tăng trưởng phát triển Cấu trúc gắn với mục đích bảo vệ trồng cho phép môi trường tốt để phát triển Sự bảo vệ đủ để đảm bảo đem lại chất lượng cao sản xuất trồng Chức nhà kính để cung cấp môi trường thuận lợi so với bên Các yếu tố liên quan đến hệ thống điều khiển nhà kính: nhiệt độ, độ ẩm, khí CO2, nồng độ, xạ, nước chất dinh dưỡng điều khiển mạng cảm biến không dây Hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng mạng cảm biến không dây nghiên cứu quan tâm nhiều lợi việc tiết kiệm nhân lực tiết kiệm nước Cây trồng cần ánh sáng mặt trời, chất dinh dưỡng nước để phát triển Tất nhà sản xuất nông nghiệp có yêu cầu lượng nước tối thiểu hàng năm để tồn yêu cầu lượng nước tối ưu hàng năm cho sản xuất tối đa Do hệ thống tưới tiêu thông minh cần thiết để nâng cao suất trồng CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn nút triển khai dầy đặc bên gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin liệu Vị trí cảm biến không cần định trước cho phép triển khai ngẫu nhiên vùng tiếp cận khu vực nguy hiểm Khả tự tổ chức mạng cộng tác làm việc cảm biến không dây đặc trưng mạng Với số lượng lớn cảm biến không dây triển khai gần truyền thông đa liên kết lựa chọn để công suất tiêu thụ nhỏ (so với truyền thông đơn liên kết) mang lại hiệu truyền tín hiệu tốt so với truyền khoảng cách xa Cấu trúc mạng cảm biến không dây thể hình Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) định tuyến tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến nút cảm biến Số liệu định tuyến phía thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết sở hạ tầng tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần là: cảm biến, xử lý, thu phát không dây nguồn điện Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến có thành phần bổ sung hệ thống tìm vị trí, sinh lượng thiết bị di động Các thành phần nút cảm biến thể Hình 1: Cấu trúc mạng cảm hình Bộ cảm biến thường gồm hai đơn biến không dây vị thành phần đầu đo cảm biến (Sensor) chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự thu nhận từ đầu đo, sau chuyển sang tín hiệu số chuyển đổi ADC, đưa tới xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến quản lý thủ tục cộng tác với nút khác để phối hợp thực nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin nút cảm biến mạng kết nối không dây, vô tuyến, hồng ngoại tín hiệu quang Một thành phần quan trọng nút cảm biến nguồn Bộ nguồn, pin ắcquy, cung cấp lượng cho nút cảm biến không thay nên nguồn lượng nút thường giới hạn Bộ nguồn hỗ trợ thiết bị sinh điện, ví dụ pin mặt trời nhỏ Hầu hết công nghệ định tuyến mạng cảm biến nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có nhận biết vị trí với độ xác cao Do đó, nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động cần thiết để di chuyển nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo nhiệm vụ phân công ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG CẢM Hình 2: Các thành phần nút cảm biến BIẾN KHÔNG Kích thước vật lý nhỏ gọn DÂY Kích thước công suất tiêu thụ chi phối khả xử lý, lưu trữ tương tác thiết bị sở Việc thiết kế phần cứng cho mạng cảm biến phải trọng đến giảm kích cỡ công suất tiêu thụ với yêu cầu định khả hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo hiệu để bù lại hạn chế phần cứng Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Hoạt động thiết bị mạng cảm biến đo lường vận chuyển dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích đáp ứng Vì dung lượng nhớ nhỏ nên cần tính toán kỹ khối lượng công việc cần xử lý kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao lâu khó đáp ứng tính thời gian thực Do đó, nút mạng phải thực nhiều công việc đồng thời cần phải có tập trung xử lý cao độ Khả liên kết vật lý phân cấp điều khiển hạn chế Tính điều khiển nút cảm biến không dây tinh vi liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch mạng cảm biến không dây thấp nhiều hệ thống thông thường Điển hình, cảm biến hay chấp hành (actuator) cung cấp giao diện đơn giản trực tiếp tới vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất) Ngược lại, hệ thống thông thường, với hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với loạt thiết bị nhiều mức điều khiển liên hệ cấu trúc bus phức tạp Tính đa dạng thiết kế sử dụng Các thiết bị cảm biến nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức loại phần cứng hỗ trợ riêng cho ứng dụng Vì có phạm vi ứng dụng cảm biến rộng nên có nhiều kiểu thiết bị vật lý khác Với thiết bị riêng, điều quan trọng phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có ứng dụng từ phần cứng Như vậy, loại thiết bị cần điều chỉnh phần mềm mức độ để có hiệu sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung cần thiết phép ứng dụng riêng xây dựng tập thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, chuyển đổi phạm vi phần cứng với phần mềm khả công nghệ Hoạt động tin cậy Các thiết bị có số lượng lớn, triển khai phạm vi rộng với ứng dụng cụ thể Việc áp dụng kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy đơn vị riêng lẻ bị giới hạn kích thước cảm biến công suất Việc tăng độ tin cậy thiết bị lẻ điều cốt yếu Thêm vào đó, tăng độ tin cậy ứng dụng khả chấp nhận khắc phục hỏng hóc thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động nút đơn mạnh mẽ mà dễ dàng phát triển ứng dụng phân tán tin cậy Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức sử dụng thu nhận (Sink) tất nút cảm biến thể hình Kiến trúc giao thức phối hợp tính toán định tuyến lượng, kết hợp số liệu với giao thức mạng, truyền tin với hiệu lượng thông qua môi trường không dây tăng cường hợp tác nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt quản lý lượng (Power Management Plane), mặt quản lý di động (Mobility Management Plane) mặt quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane) ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Mạng cảm biến không dây với môi trường ngành nông nghiệp Một số ứng dụng môi trường mạng cảm biến không dây bao gồm theo dõi di chuyển loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng vật nuôi; tình trạng nước tưới; công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất phạm vi rộng thám hiểm hành tinh; phát hóa học, sinh học; tính toán nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng mạng cảm biến không dây sử dụng trang trại chăn nuôi Người chăn nuôi sử dụng mạng cảm biến trình định vị trí động vật trang trại với cảm biến gắn theo động vật, xác định yêu cầu cho phương pháp điều trị để phòng chống động vật ký sinh Người chăn nuôi lợn gà có đàn chuồng nuôi mát, thoáng khí Mạng cảm biến không dây sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn KẾT LUẬN Các mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ điện năng, cho phép triển khai nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt khả tự tổ chức mạng, khả xử lý cộng tác chịu hư hỏng cố tạo triển vọng ứng dụng đầy tiềm nhiều lĩnh vực khác Mạng cảm biến không dây phục vụ đa dạng mục tiêu không thu thập thông tin liệu mà điều khiển giám sát hệ thống phạm vi rộng lớn Tuy nhiên để triển khai mạng cảm biến không dây, người thiết kế hệ thống cần phải nắm bắt nhân tố tác động đến mạng, nhược điểm mạng cần phải khắc phục, cần quan tâm đến tham số mạng, … cần có mô đánh giá để từ thiết kế hệ thống theo cách tối ưu nhất.q Tài liệu tham khảo: [1] Edgar H.Callaway Jr., Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, A CRCPressCompany,2004 [2] Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, 2003