Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng (LV thạc sĩ)
Trang 1Pham Van Toan
UNG DUNG MANG CAM BIEN KHONG DAY TRONG CANH BAO CHAY CHO NHA CAO TANG
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC KHOA HQC MAY TINH
Thai Nguyén, thang 06 nam 2015
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này do tôi tự nghiên cứu,
đọc, dịch tải liệu, tông hợp vả thực hiện Trong luận văn tôi có sử dụng một số tải
liệu tham khảo như đã trình bảy trong phần tải liệu tham khảo Người việt luận văn
Phạm Văn Toán
Trang 3LOI CAM ON
Đầu tiên em trân thành xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trường Đại hoc Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ thông tin Việt Nam đã khắc phục mọi khó khăn trong giảng dạy đê chỉ bảo, giúp đỡ và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học của mình
Em cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn PGS TS Lê Bá Dũng — Viện Công nghệ thông tin Việt Nam đã định hướng, tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, chỉ bảo cho em trong thời gian làm luận văn
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp trong đơn vị công tác, gia đình và bạn bè những người đã động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi
trong suôt hai năm học
Trang 4MUC LUC
CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE MANG KHONG DAY ccccecesessessesceceeseseeeeserereeeed
1.1 Giới thiệu chung về mạng không dâyy 2 25+ s22 s2£+zse2 Ï.1.1 Nang) khong dây HH:Ùi :711011000SU0210000DDWSWNGWSGNGStWai
E 1.2; PHAN TU :scocesi11x4007101960168G00N4000 200 ALSGGGANGQIGGVWAGI1209A900QuA%
R1 3.đG t0 Hinh Xiiiiif' KHƠNG: DHV sua taonatianurinuuctticdt 080 0010000030104000063
Co
won
nN
Cha
1.1.4 Cac thiét bi mang khOng day? cecccececseesescssesseeeseseesesseeestesceesseeeaes
1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây . - 22 2552 x5seccszsccszsecszse-> TỔ 1.2.1 Khái quát về các NODE cảm biến .- -<cc-c< JƠ
E27.PTHìn1Eb HE 7ð BHÊN Tri DÑlsoeeraotsoygtoaoisioiatgriobgodsuxetesemET
127:3.PR(Aì108107107 U10 ung test si at2000 6833000030000 2n0xseseasi 1.2.4 Môi trường hoạt động của sensor node (WNs) L5
1.2.5 Xu hướng phát triển của Node cảm biến -. . -c Lổ 1.3 Ứng dụng của mạng cảm biên không dây -s©cs<e=s-se-c HỒ
1.3.1 Các ví dụ về ứng dụng dạng I WSN (C1WSN): l6 1.3.2 Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) : I8 CHUONG 2: CAC GIAO THUC DINH TUYEN CHO MANG CAM BIEN KHONG
bo
2.1 Sự phân phối và tập hợp đữ liệu -2 s2 2 s2 se sx+sesscczseccec.c 22
2.2 Thiết kế trong kỹ thuật định tuyên không đây .- 23 2.2.1 Kích thước mạng và đặc tính thay đôi theo thời gian: 23
09 TA may ety hen Ce -sooausawsgrosgasoiagss9stg0iiasaggagwaaatasesseauiiE
2.3 Giao thire diéu khién truy nhập trong mạng cảm biên không dây 24
25 che LO, TIE QIAO AUG CHO WING secs sscnesscsmsennssncaxsxnsenssevoreawaerncorearmoisene oo
Trang 53.1 XAy dug hal toan eee cece ceeneeceesneeceeseeecaecneeaaeeessseeeeeesteaeeeseeeees BD
3.2T3⁄'THUVSELđG HT say gtonseti0ossoeog4isisgttgsxaff00400590-36g0asasseuoœiÐ B:ƠI.ĐO THỊ VI CHĨ tnrayandgaaissegG004GG00S0IG8S8/8800200gemenseressroilÐ
Si L1UIIE (00k: ĐỊT] TẾ tuuggvaxesxergtroicuiveeintatg4E40190658506008345600486081340048616002EE
3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến .- 2-5 2 cx+sesecesseccsrsecec.- 24 3.3.1 Cluster formehzatin (Định dạng cụm, nút) - «.< DOD
3.3.3 Truyền dữ liệu sử dụng đường dẫn ngắn nhắt . 5Ø
Trang 6MUC LUC HiNH ANH
Hink 1.) Hinkdnhvemotsowuchity lOtcgseernarea wen epee:
HiHiRi1:2 PHBïi1007đG“N6 VÕ tIVỆHucoansensgtsntoditg/G00190330/00989661000899/80800808 HH 111.NIO HH TH N0 IV di 1s TC c2yy¿02i/101520000/6120016300/013310040003306013060618361696506790V810146G3 Hình 1.4 Mô hình mạng [INFRASTRUCTURE - << <<<<<5 Hình 1.5 Sự phát triên công nghệ chế tạo cảm biến . 52 2-52 22 s2 S22 s2 s52 Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WN§) -2 52225252 Hình 1.7 Ung dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp -.- Hin 8 Ung dug cain bien tui QUẦN EỮ:sxosesscstscsintoa40A 50800000103 0000088818 Hình 1.9 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tỐc -. -s‹c-c -c.=sec .- § Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) và ZIigBee Hình 1.11 Các ứng dụng điều khiên - 5-2 2£ 2 2 2 E+E2S#£E+EExE+zszx£xzzzxecce2 Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng trong phòng . 2 + 2+ 2s se £ezseeced Hinh:1-13 Các ứng dụng trong GÓNngG HGHICD +qindctrrtitdodGGGQaUN8G0 10800000 tGN6 HH1, Lá HD H0 cane one y KHCHzxiccvsdittiitcgpiecbii10t000000010350001000009000000000389066 HijúH”H2Z-LCCñc n6 đúng ng TẢ caaaaadagragnaddeauodadratroatuoripiaisksavgsgionasvgerse ca
Hình 2.2 Truyền dữ liệu đa chặng
Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết đữ liệu
Hình 2.4 Khủng thời gián houf Ông Củn HOQ:ssoccttcdcuvitrywctoedostreqi
Hình 2.5 Sự đồng ĐỘ va lia chon hịch trình củi HO QC DI Hagwdsasuădrandtuotgganuaung
Hình 2.6 Đồng bộ giữa máy thu và máy phát - 2 2-2552 s2 2z s2 £zzsecce2 Hình 2.7 Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC :- 2 2552 2 cz+zzzxccs2
Hình 2.§ Q trình trun thơng Điệp trong S-MÁC -Ặc <<
Hình 2.9 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thơng tin - -«- «- << «s2
Hink 2:10 Bing no live lone do NoOdih secre rao eee enna:
Hino 1 Wai te Cholie tani do MOGI 8 eccasccmsnemsnenmenannmecnsmavcareneemcrennesees Hìmh 2.12 Hoat Gong Co bani Cia Gin Mur SPIN svsssevacssnssscsnvannsnnassvennsensoneennsseneaenss
Trang 7Hình 2.13 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP - 2-5 7< cecc«e Hin 2014 CHH0 TH, D E10 LÍ saauasatsdeuioodsdiodsii0486060021416040120618834048970826009114600161613E Hình 3.1 Mô hình mạng cảm biến cho nhà cao tâng - 22 2 s5z+zzsszcs2 Hình 3.2 Cây đường đi ngắn nhất - SPT - 5° 2 2+ ++2s£ z2 s££xzszzxzzxczed
T133 SO C00 AGE TOD raosoertooogrttaogtsoloyGUEGERGRHEOAGGR.USGSNGQYhGiyrosoesi
Hiiifi73:4 BỘ THẾ ni nnyyeggseagngdtni40300991900/001019000000099301056)09000901830199900 200
Hình 3.5 Đồ thị, s- c1 9S 1111353181911 E211 1151111111111 1 1.15111111111511 re rryg Hình 3.6 - 2-5224 S24 3 381352111221 1521E11 151111111101 071E 11.11111171 .1E 1.1 ckecr Hình 3.7 Sơ đồ SPT của . - + 2£ 2£ SE+EE+E+x#E+2S£EE+SEEE+EEEESEx£Es2xe ecx ve xe re Hình 3.8 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) 2-2-2 2s sccs2cecxecrseerseee Hình 3.9 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) [4] . . -s2 < s©cse<ecseee Hình 3.10 Cụm nút được hình thành và cụm chủ được lựa chọn 43 45 47 48 48 49 50 51 53 54 54 oe)
Hinh 3.11 So sanh gitra Leach va Qua trinh dinh tuyén theo đường dan ngắn nhất 59
Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán xây dựng đường định tuyến ngắn nhất „.ÓÏ Hình 3.13 Sơ đồ biêu diễn quá trình truyên dữ liệu
HiũI'3:T34'04 Ti CHẾ betrraaarerrreoszrtraoetiopaotvieY000102089010200031090003200
bana iy Goat cece eee eee
Hinh 3.16 Các Cum Che được Hình CA ess cssisccssccacsscccvesasnccsscerscnesevssreseecsceoveaeaes Hình 3.17 Cac g6i tin dém cum Ch] ooo cceeccecsseseescseeseseeeeseseesesseeesessceesseessneseeeanenen Hình 3.18 Số nút còn sống - 2£ s2 +E+EE+E+ExeE+ESE E38 E1 E7 EE7Xe 2x re re
Trang 8DANH MUC CAC KI HIEU, CHU CAI VIET TAT x 2h
Tà Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
LAN Locanl Area Network Mạng nội bộ
WAN Wide Ara Networks Mạng diện rộng
WPAN | Wireless Personal Area Network Mang khong day ca nhan
WSNs | Wireless Sensor Network Mang cam bién không dây
OS Operating System Hé diéu hanh
Low-Energy Adaptive Clustering Cấu trúc phân bậc tương thích,
LEACH Hierarchy : năng lượng thâp x £
MAC Medium access control Điều khiên truy cập môi trường
PHY Physic Layer Lop vat li
Sensor Protocols for Information via | Giao thức thông tin cảm biến
SPIN Negotiation re thong qua su thoa thuan ` : h
S-MAC | Sensor MAC Giao thức MAC cho cảm biến
Trang 9
TTTM thanh pho Ho Chi Minh TTTM thanh phé Hai Duong (500 ty) Nha máy Diana Bắc Ninh (2 triệu USD) Tiệm bọc yên xe (2 người chết) Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn
Cháy nồ luôn là một nguy cơ tiềm ân nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt
hàng ngày Mặc dù đã có những biện pháp, hệ thống được xây dựng đê phát hiện và
cảnh báo cháy nô nhưng nhiều thảm họa do cháy nỗ gây ra vẫn hoành hành và gây thiệt hại nhiều về người và của
Trong những năm gần đây với sự phát triên mạnh mẽ của công nghệ linh kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đôi to lớn trong cuộc
sông Mô hình mạng cảm biến không dây (WSNs —- Wirless Sensor Networks) ra
Trang 10đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiên và giám sát giao thông, kỹ thuật tự động trong sản xuất công nghiệp, điều khiên quy trình, quản lí kiêm kê, cảm nhận môi trường, giám sát sinh thái, giám sát công trình xây dựng, trong y tế và dân
dụng,[I ],[Š] Tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng cua mang cam biến không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ âm, phòng cháy, hệ thống điều hòa nhiệt
độ, nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ rất mới mẻ ở Việt Nam
Đặc biệt trong cháy việc duy trì nguồn điện cho mạng có dây là cực kỳ khó
khăn, vì khi xảy ra cháy thường xảy ra mat điện cục bộ, do đó việc duy trì hoạt động của mạng có dây là vấn đề rất khó khăn Bên cạnh đó mạng cảm biến không
dây lại sử dụng PIN và có nhiều giao thức định tuyên khác nhau, đặc biệt là giao thức định tuyến theo nhóm Với giao thức này khi xảy ra cháy có thê phá hủy các Note khác nhau nhưng vẫn không ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu trong mạng
Xuất phát từ xu hướng trên, cùng với sự gợi ý của PGS TS Lê Bá Dũng tôi
đã chọn đề tài: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng” với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát
liên tục nguy cơ cháy, giúp hạn ché tối đa hậu quả do cháy gây ra Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến - Công cụ mô phỏng đề xây dựng mạng cảm biến
Phạm vĩ nghiên cứu
- Thu thập các tài liệu liên quan, phân tích các thông tin liên quan đến đề tài - Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biên không dây
- Xây dựng mô hình và mô phỏng bằng chương trình giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất
Trang 11- Nghiên cứu các giao thức định tuyến trên mạng cảm biến không dây - Xây dựng giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất
Những nội dung nghiên cứu chính
Chương 1
Tổng quan về mạng không dây 1.1 Giới thiệu chung về mạng không dây
1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây
1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Chương 2
Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 2.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu
2.2 Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây
2.3 Giao thức điều khiên truy nhập trong mạng cảm biến không dây
2.4 Giao thức, giao vận trong mạng cảm biên không dây
Chương 3
Mô hình và giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất 3.1 Xây dựng bải toán
3.2 Lý thuyết đồ thị
3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến
5 Phương pháp nghiên cứu
a Phuong pháp nghiên cứu tài liệu
- Nghiên cứu các tài liệu về mạng không dây, mạng cảm biến không dây Tổng hợp các tài liệu và các phương pháp đê thu thập dữ liệu từ mạng cảm biên
Trang 12C Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp chính được sử dụng là phương pháp mô phỏng Thay vì
triên khai trên hệ thống thực, tôi tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quả đạt được
thông qua phần mềm mô phỏng - Chương trình mô phỏng 6 Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Tìm hiểu các kiến thức về mạng không dây
- Xây dựng ứng dụng của mạng cảm biến không dây
- Xây dựng hệ thống mô phỏng dé phân tích các tín hiệu về mạng cảm
biến không dây
Trang 13Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả
năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây
* Uu điểm:
- Giá thành giảm nhiều đối với mọi thành phần người sử dụng
- Công nghệ không dây đã được tích hợp rộng rãi trong bộ vi xử lí dành cho may tinh xach tay cua INTEL va AMD
- Mạng Wireless cung cấp tất cả các tính năng của công nghệ mạng LAN
như là Ethernet và Token Ring mà không bị giới hạn về kết nối vật lí (giới hạn về cable)
- Tính linh động: tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải đữ liệu giữa các
thiết bị có hỗ trợ mà không có sự ràng buộc về khoảng cách và không gian như
mạng có dây thông thường
- Mạng WLAN sử dụng sóng hồng ngoại (Infrared Light) và sóng Radio (Radio Frequency) đề truyền nhận dữ liệu
* Nhược điểm:
- Tốc độ mạng Wireless bị phụ thuộc vào băng thông Tốc độ của mạng Wireless thap hon mang có định, vì mang Wireless chuan phai xac nhan can than
những frame đã nhận đê tránh tình trạng mắt dữ liệu
- Trong mạng có định truyền thống thì tín hiệu truyền trong dây dẫn nên có
thê được bảo mật an toàn hơn Còn trên mạng Wireless thì việc “đánh hơi” rất dễ dàng bởi vì mạng Wireless sử dụng sóng Radio thì có thê bị bắt và xử lí được bởi bất kỳ thiết bị nhận nào nằm trong phạm vi cho phép, ngoài ra mạng Wireless thì có
ranh giới không rõ ràng cho nên rất khó quản lý 1.1.2 Phân loại
Có nhiêu cách phân loại:
Trang 14
phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy In, bàn phím, chuột, đĩa
cứng, khóa USB, đồng hồ với điện thoại di động, máy tính Các công nghệ trong nhém nay bao gém: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean Đa phần các công nghệ nay được chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thê là nhóm làm việc
(Working Group) 802.15 Do vậy các chuẩn còn được biết đến với tên như IEEE
802.15.4 hay IEEE 802.15.3
- WLAN : mang v6 tuyến cục bộ Nhóm này bao gồm các công nghệ có vùng phủ tầm vai tram mét Nồi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn mở rộng
khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/1⁄ Công nghệ Wifi đã gặt hái được những
thành công to lớn trong những năm qua Bên cạnh WIFI thì còn một cái tên ít nghe
đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi được chuẩn hóa bởi
ETSI
- WMAN: mạng vô tuyến đô thị Đại diện tiêu biêu của nhóm này chính là
WIMAX Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA 802.20 Vùng phủ sóng của
nó sẽ tằm vài km (tầm 4-5km tối đa)
- WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng: Nhóm này bao gồm các công nghệ mạng thông tin di động như UMTS/GSM/CDMA2000 Vùng phủ của nó cũng tầm
vải km đên tâm chục km
Trang 15khó triên khai các công nghệ khác Bảng 1: So sánh các nhóm mạng ; , Vung phu ` Công nghệ Mạng Chuân Tôc độ : Bang tan sóng UWB (Ultra 110-480 WPAN | 802.15.3a Trén 30 feet 7.5 GHz wideband) Mbps Trén 720 Bluetooth WPAN 802.15.1 Trén 30 feet 2.4 GHz Kbps
Wi-Fi WLAN 802.lla | Trên 54 Mbps | Trên 300 feet 5 GHz
Wi- Fi WLAN 802.11b | Trén 11 Mbps | Trén 300 feet | 2.4 GHz Edge/GPRS Trén 384 (TDMA- WWAN Zo xis 4-5 dam 1900 MHz ps GMS) CDMA Trén 2.4 400-2100 2000/1x EV-| WWAN 3G 1-5 dam Mbps MHz DO WCDMA/ 1800-2100 WWAN 3G Trén 2 Mbps 1-5 dam UMTS MHz Tát cả các công nghệ này đêu giống nhau ở chỗ chúng nhận và chuyên tin bằng cách sử dụng sóng điện từ (EM)
B Dua trên các công nghệ mạng, mạng không dáy được chia thành 3 loại: * Kêt nôi sử dụng tia hông ngoại
° Sử dụng công nghệ Bluetooth
- Kết nối bằng chuân Wi-fi[I].[5]
Trang 16- Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây - Tuong tu m6 hinh peer to peer trong mang co day
- Các máy tính có vai trò ngang nhau - Khoảng cách liên lạc 30-100m - Su dung thuat toan Spokesman Election Algorithm(SEA) b Mô hình vật lí: Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC 2 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE a Khai niém:
- Là mạng gồm một hay nhiều AP để mở rộng phạm vi hoạt động của các
Station có thê kết nối với nhau với một phạm vi gấp đôi
- AP đóng vai trò là điểm truy cập cho các Client(Station) trao đôi dữ liệuvới nhau và truy xuất tài nguyên của Server
- Mỗi AP có thê làm điêm truy cập cho 10-15 client (tùy sản phâm và hãng sản
xuất) đồng thời tại một thời điêm.[ I].[5]
Trang 17T1Mdes Wireless USB Adapter
for notebook PC
Hinh 1.4 Mo hinh mang INFRASTRUCTURE 1.1.4 Các thiết bị mạng không dây:
1 Access Point:
Access Point (AP) co vai tro trong tu nhu Hub hay Switch \L
Điêm truy cập cho các Station (Node) trong mang khéng dây
cho phép các Station trao đôi dữ liệu với nhau (như HUB trong
mạng có dây) và với cac Station trong mang co day 2 Wireless Adapter :
Bộ điều hợp mạng không dây (Wireless NIC) có nhiều kiêu giao tiếp nhu PCMCIA, USB hay PCI card
3 Wireless card:
La thiét bi gan trên PC hay thiết bị cầm tay như Laptop,
PDA, d6ng vai tro la card mang có dây, nhưng sử dụng môi
trường là sóng điện từ , cho phép PC hay Laptop trao đổi dữ liệu được với nhau thông qua sóng vô tuyến
4 Cầu noi Wi-Fi:
Thêm cầu nối Wi-Ei là ta có thê kết nói hầu như bất cứ
thiết bị ndo cé giao tiép cong Ethernet, chang han một may in mạng, vào mạng không dây Ta dùng cáp nối thiết bị vào công Ethernet của câu nôi, và câu nôi sẽ truyên dữ liệu từ
thiết bị này đến thiết bị không dây Lúc nảy, bản thân thiết bị
Trang 18hoạt động chăng khác gì với khi lắp vào mạng có dây Chúng ta nên mua cầu nối và router của cùng nhà sản xuất, nhất là khi muốn tận dụng các chế độ như Super G,
Afterburner, và nhớ chọn loại có hỗ trợ mã hóa WPA
3 Camera không dây
6 Thiết bị nghe nhạc và xem phim
7 Router du lịch
1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây
1.2.1 Khái quát về các WODE cảm biến
Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lí Cac node (sensor nodes hay con goi la WSNs) co kha nang lién lạc vô tuyén VỚI Các
node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lí tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận đề truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm Chức năng cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính:
- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt Như có thê trả về nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tại nơi khảo sát
- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông
số của sự kiện đó Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải
nhận biết được sự di chuyên của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyên của các
phương tiện đang lưu thông,
- Phân biệt các đối tượng Ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận biết được là xe gì: xe con, xe tải, hay xe buýt,
- Theo dấu các đối tượng Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyên trong vùng bao phủ của mạng,
Các hệ thống có thê đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo yêu
cầu và mục đích của thông tin cần thu thập
Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt điện, từ, sinh học, quang, chât lỏng, sóng siêu âm, cảm biên khôi, Cảm biên có thê được đưa ra bên
Trang 19ngồi mơi trường nguy hại, môi trường có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn,
môi trường hóa chất độc hại; có thê lắp đặt trong hệ thống robo tự động hay trong hệ thống nhà xưởng sản xuất Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm trường
điện và từ, cảm biến sóng radio; cảm biến quang, hồng ngoại, radars, lasers; cảm
bién vi tri hay dinh vi; cam bién hướng mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa,
- Các thông số vật lí
- Các thông số hóa học, sinh học - Các sự kiện
Cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ôn định, độ nhạy cao và đáng tin
cậy là yêu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tê
Speck MEMS/NEMS
— => Time
1999 2001 2003
Hình 1.5 Sự phát triên công nghệ chế tạo cảm ¬
Cơng nghệ cảm biến phát triên giai đoạn gần đây như trên hình Node kết
hợp cảm biến và xử lí giai đoạn 1999 có kích thước lớn hơn một đồng xu, các IC tích hợp cảm biến Các năm tiếp theo, kích thước node giảm đi rất nhiều Với sự
phát triên của các công nghệ nano, MEMS kích thước giảm đi đáng kê, kèm theo giảm năng lượng tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng, khả năng xử lí, độ ôn định cao hơn, Những năm đầu 2000, thê tích trung bình node cỡ 16.387mmm', đến 2007
là I-mmỶ.[1].[5]
1.2.2 Phần cứng va phan mém
Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSN&s, các chức năng cần phải có:
chức năng cơ bản của node; chức năng xử lí tín hiệu, gồm xử lí số tín hiệu, nén,
phát hiện và sửa lỗi, điều khiên và thừa hành; phân nhóm và tính tốn trong mạng: thơng tin; tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối Đê có các chức năng này, phần cứng của node phải có cảm biên và bộ phận thực thị, bộ xử lí, nguôn, và các phân
Trang 20phục vụ cho chức năng khác Hình 1.6 chỉ ra các phần cấu tạo nên node cảm biến
thông thường gồm phần cứng và phần mềm
Rõ ràng, cấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng dụng Phần cứng gồm 4 nhóm chính:
- Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong vài giờ, vai thang hay vai nam
- Lưu trữ và tính toán: phục vụ cho các chức năng xử lí, điều chế số, định
tuyến, vụ
- Cảm biến: biến đôi các thông số môi trường thành thông tin
- Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm Phần mềm gồm 5 nhóm chính:
- Hệ điều hành (OS) microcode (còn được gọi là middleware): liên kết phần
mềm và chức năng bộ xử lí Các nghiên cứu hướng đến thiết kê mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs
- Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến
- Bộ xử lí thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyên các gói, duy tri giao thirc, ma hoa, sửa lỗi,
- Bộ phận xử lí dữ liệu: xử lí tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lí
trong mạng
Trang 21
Hardware Antenna Senging una #2 Senaing unt et joptional} Procesaing unit grevenees = Sensor |ADC| ; Senaor: ADG : : Storage = Tra@Ctvef “han nh 7 Power uni ci 2-60 22gx 7285682610 BRA xassooal
Locaton-tinging syatem rower | | Moolizer/Actuator
basil loptonal) :! |2ptonE) | | |9PEOAI,
ADC = Angiog-o-Digita! Converter Software Sensor [Driver bem
<*>
Antenna ti { 3 pryonth Ñ tnding system es Communication:
: — Tản Driver: Menu Neworang’ —ằ Ko sa appécations a S9S0o52ãeh2)j4aadg2aweab dss ata > Mobitizer! ° : munication’ ; — ‘Driver! Com O° lover " ” on = = = Operating System (OS) <-> Ì { ' Processor Pa Memory f*-*] Storage Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm cua node (WNs)
1.2.3 Phân loại cảm biến
Bởi vì sự đa dạng của cảm biên, cân thiệt phải có sự phân loại, đánh giá theo
kích thước, công suất, khả năng xử lí, chế độ hoạt động, giao thức định tuyến, aa Bang 2: Phan loai cam bién
Kha Côn Khả nă G thức
Trang 22cao biến thông số | 10! - 10’m; | déng vật lí IEEEMAC Di Tự nạp |Bộ xử lí, | Đa chức | Da Dinh Lon động lại lưu trữ | năng, cảm | đường/lưới; | tuyến (10mm) trung bình | biến thông số | I0” - 10m; | động
hóa — sinh IEEEMAC
Trung Di Pin 10'| Bo xu li | Đa chức nang Da Dinh
binh động giờ mức thâp, | cam biên | đường/lưới; | tuyên a lưu trữ mức | thông sé vat | >10’m; IEEE | động
(10 mm) cao lí, hóa sinh _¬ MAC
[it di|[Pinl0|Bộ xử lí | Đa chức | Đa Định
Nhỏ động | giờ mức cao, |năng cảm |đườnglưới | tuyến
(10°mm) lưu trữ | biến thông số | 10' — 10°m; | dong
trungbình | vat li IEEE MAC
ft di|/Pin10°|Bo xi lí, | Đa chức | Da Dinh
Rat nho |động | giờ lưu trữ |năng cảm | đường/lưới; | tuyến
(10mm) trungbình | biến thông số | 10” - 10m; | nh
hóa sinh IEEE MAC
it di|Pinl0ft|Bộ xử lí|Đa chức | Đa
Cực nhỏ động giờ mức thấp, năng, cảm đường lưới, Số S9 lưu trữ | biên thông sô | >lÚm; IEEE (1؈mmr) trung binh : vat se lí, : hóa | MAC ;
sinh
Không | Pin 10°} Bo xt lí |Một chức | Một
Cỡ micro | di động | giờ mức cao,| nang, cam | đường/lưới;
(103mm) lưu trữ mức | biến thông số | 10) - 10 m;
thấp vật lí IEEE MAC
zs Không Bộ xử lí | Một chức |Một_ đường;
Cỡ nano ee Š ` : 4
4 | diddng trung bình, | năng, cảm | >10°m; IEEE
ae lưu trữ mức | biến thông số | MAC
ro) thấp hóa sinh
Không Bộ xử lí! Một chức |Một_ đường; di động trung bình, | năng, cam | >10'm; IEEE
Trang 231.2.4 Môi trường hoạt động của sensor node (WNS)
Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yêu to:
- Nguồn cung cấp: các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng WSN:
- Liên lạc: mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh
truyền Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cận, chất lượng dịch vụ và độ bảo mật của hệ thống
- Tính tốn: các node có cơng suất tính toán và bộ nhớ giới hạn Điều này
ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lí dữ liệu hoạt động tại node
- Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu tập có thê kèm theo
nhiễu từ môi trường Sự hư hỏng các node có thê làm sai dữ liệu Sự sắp đặt các node gay sai lệch hoạt động node.{ I],[2]
1.2.5 Xu hướng phát triển của Node cảm biến
Đề mạng WSNs có thê được triên khai rộng rãi với quy mô lớn, kích thước, giá thành và công suất tiêu thụ của node phải giảm đáng kê và sự thông minh của
node phải tăng lên Cần có hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên tiên như
công nghệ nano, mạng phân bố, thông tin vô tuyến băng rộng,
Sự thu nhỏ kích thước, giá thành là vấn đề quan trọng hàng đầu Sự tích hợp cảm biến, vi xử lí, nguồn năng lượng và giao tiếp mạng thông tin trên một chip sẽ làm việc trao đổi đữ liệu giữa cảm biến và môi trường bên ngoài trở nên dễ dàng hơn
Việc tiêu chuân hóa cũng rất quan trọng Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, có khả năng giao tiếp với các mạng khác, giao điện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn Các nghiên cứu đang hướng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân
bó, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trợ hiệu quả cho các quá trình ra quyết dinh.[1,3]
Trang 24
1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
WSNs là sự tập hợp các kích thước nhỏ gọn (compact-size), cụ thê là các
node cảm biến với giá thành thấp, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường
tự nhiên hoặc đo đạc các thông số khác và đưa những thông tin đến trung tâm cho các xử lí phù hợp Cac node trong mạng WSNs có thê liên lạc với các node xung
quanh nó, và còn có thê có các xử lí đữ liệu thu đượuc trước khi gol đến các node
khác WSNs cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích
1.3.1 Các ví dụ về ứng dụng dạng I WSN (CIWSN) :
CIWSN ứng dụng trong các mạng mà các node không có giám sát (unattended), WSNs dac biét co hiéu qua trong quân sự và dân sự, giám sát các hoạt động ở chiến trường, an ninh và ứng phó với dịch bệnh Do đặc điêm số node rất lớn, phân bố rải, sự quản lý chặt chẽ các node rất khó khăn, các node phải có khả năng tự phân bồ cấu trúc, dùng giao thức định tuyến động đề đưa dữ liệu về trung tâm theo các đường đi tốt nhất
1.3.1.1 Ứng dụng quân sự, an ninh và thiên nhiên:
Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lượng lớn các cảm biên
được thả từ trên không, mạng lưới các cảm biến sẽ cho biết vị trí người sống sót,
vùng nguy hiểm, giúp cho người giám sát có các thông tin chính xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiếm
Sử dụng mạng WSNs hạn chế sự có mặt trực tiếp của con người trong môi
trường nguy hiêm Ứng dụng an ninh bao gồm phát hiện xâm nhập và truy bắt tội phạm
- Mạng cảm biên quân sự phát hiện và có được thông tin về sự di chuyên của
đối phương, chất nô và các thông tin khác
- Phát hiện và phân loại các chất hóa chất, sinh hóa, sóng vô tuyến, phóng xạ
hạt nhân, chất nô
- Giám sát sự thay đôi khí hậu, rừng, biên
- Giám sát xe cộ trên đường
- Giám sát an ninh trong các khu vực dân cư, thương mại
Trang 25- Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tỉnh Location Tracking Center s“ Hình 1.7 Ứng dụng WSN&s trong an ninh quốc gia và luật pháp ae oo
Hinh 1.8 Ung dung cam bién trong quân sự
Hinh 1.8 dua ra cac vi dụ về ứng dụng cảm biến trong quân sự Các cảm biến
trang bị trên các phương tiện kỹ thuật phục vụ cho việc giám sát các hoạt động
chiên trường
Trang 261.3.1.2 Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan:
Mục tiêu của các hệ thống này là thu thập thông tin thông qua các mạng cảm
biên, xử lí và lưu trữ dữ liệu tại trung tâm, sử dụng dữ liệu đó cho các ứng
dụng cần thiết
Hệ thống được lắp đặt dọc theo các đường chính, mạng cảm biến số tập hợp
dữ liệu về tốc độ lưu thông, mật độ xe, số lượng xe trên đường Dữ liệu sau đó được
truyền đến trung tâm dữ liệu đề xử lí Mạng theo dõi liên tục, cung cấp thông tin cập nhật thường xuyên theo thời gian thực Các thông tin thu được dùng đề giám sát lưu lượng , điều phối giao thông hoặc cho các mục đích khác
Hình 1.9 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc 1.3.2 Các ví du vé ting dung dang 2 WSN (C2WSN) :
Các ứng dụng dạng này dùng mô hình diém-diém (hay mô hình sao), với các liên kết đơn vô tuyên định tuyến tĩnh C2WSN ứng dụng trong điều khiên tự động các tòa nhà, công nghiệp, y tế, điều khiên ở nơi cư trú Các ứng dụng gồm điều
Trang 27khiên ánh sáng, nhiệt độ, an ninh, môi trường, cảm biến trong y khoa, điều khiên từ
xa trong gia đình hay công nghiệp Nhiều ứng dụng được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 (ZigBee) ZigBee cung cap tu tuong tac va dap ứng được các đặc
điểm của liên lạc vô tuyến (RF)
ZigBee có thê được xây dựng trong nhiều mạng không dây với giá thành thấp, tiêu thụ ít công suất nguồn với số lượng lớn các node Vấn đề quan tâm là chuẩn này chứa nhiều giao thức , tốc độ dữ liệu và các tần số thích hợp áp dụng rộng rãi Giữa ZigBee và Bluetooth về căn bản có nhiều điểm khác nhau và dùng
cho các mục đích ứng dụng khác nhau ZigBee được thiết kế cho môi trường chu kỳ nhiệm vụ thấp, định tuyến tính hoặc động, nhiều node cùng hoạt động Trong khi
Bluetooth được thiết kế cho ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao (QoS), chu kỳ nhiệm
vụ thay đồi, tốc độ dữ liệu vừa phải, số node giới hạn
Mỗi cảm biến có một bộ dao động đáng thức bộ xử lí chính sau một khoảng thời gian nhất định đề sang chế độ làm việc + + + cs * cs "- + 0o 4 whe [<9 whe g1 02: hi .k&« .k« « whe 652 ‘ : ; Ta A * ' w + ' v5 n1 TP ai os BC 473 ; › ` Bete ‡ obe : c. leesssessEsee 343 ‘ ý * \ ‘ ' + , w ’ + J" ,« * p.« _ 249 ' ' ' pe) W '»X — ~ +- “or 780 * w + w w w ' 5° mm UY Ra $s [| ý: | bon < = 94 + teeelseedree= ‡ss‡rese Ereetreeeres * w ; : ; ; , , + 3“ ẻẽ ố sa an = 69 P6 cee eh eee ad in n nh nan ị 50 4 OO ee hee eee beeen eee be ee dae eabe SN 2 5ã ec a ae ‘ w ý w w + ’ ' * 36 Pe i oe a gee a Se eee ee 26 eo TÔ ee ae ee OS ge eon 4 7 1y ` ` _ * + + + w + * , + tạ sư " l6 đì 0x/60 L7 oer meee nh ổằhnhằẰẶÑằ.a .ẽ.ẽhẽ nen hẽv | ý 4 ; * w ‹ * ' 4 * ’ * ’ ’ ' 7 4 eheosdeoccbocedoooss Es «« ZigBee 10 ee ee a 1 0 3 4 868 4 8 9 10
Battery Life (Years)
Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) va ZigBee
Trang 28So sánh thời gian hoạt động pin trong 2 chuân Bluetooth va ZigBee Hinh 1.10 cho thấy thời gian hoạt động pin của chuân ZigBee cao hon so voi Bluetooth
1.4.2.1 Điều khiến các thiết bị trong nhà:
Ứng dụng WSN cung cấp điều khiên, bảo quản, tiện nghi và an ninh Carrier Node or aie! ; # Ea Phone Cable Operator Node _-" m = KH Bo ae Sansot PDA ị ‘ok ~ Meters ‘Os Field Service Hinh 1.11 Cac tmg dung diéu khién 1.3.2.2 Các tòa nhà tự động: Ứng dụng cung cấp khả năng điều khiên, quản lý, tạo sự tiện lợi trong kiêm soát, an ninh Lighting controllers
Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng trong phòng
Trang 291.3.2.3 Quản lý quả trình tự động trong công nghiệp: : Gateway ee Temperature = [ Sensor ~<a eu 4 Materials * Se g ia _N Security Sensor ' ` `
Carrier Node or Process Cable Operator Node = Field Service Control
and/or Mobile Worker
BS
Hình 1.13 Các ứng dụng trong công nghiệp
Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp gồm điều khiến, quản lý, hiệu suất và an toàn
1.3.2.4 Các ứng dụng trong y học:
Một số bệnh viện và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WSNs vao tiền chân đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với các dịch bệnh và phục hồi chức năng
cho người bệnh.[ 1,3]
Motes attached to patients =>
® .,
collect vital signs (pulse ox, heart rate, etc.)
Ambulance system makes
triage decisions, relays to EMTs g
PDAs carried by EMTs
receive vital signs and enter into field report
Correlate with patient records at hospital
Hình I.14 Các ứng dụng trong y khoa
Trang 30CHU ONG 2: CAC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM
BIEN KHONG DAY
2.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu
Mạng WSNs có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiên như hình 2.1 Các dữ liệu được thông tin giữa các trạm trung tâm và các node phân bồ là
một khía cạnh quan trọng và cơ bản của WSN ‘in
Hinh 2.1 Cac tng dung mang WSN
Cách đơn giản đề thực hiện liên lạc là trao đồi trực tiếp từ từ các node đến base
station Tuy nhiên, liên kết dựa trên truyền một chặng (single-hop) gặp vấn đề suy giảm năng lượng nhanh chóng của các node nếu các node ở cách xa trạm trung tâm, do đó làm giới hạn thời gian sống của mạng Đây là vấn đề quan trọng đối với các mạng cảm biến không dây được xây dựng phân bố trên phạm vi rộng hay các node di động và có thê di chuyên ra xa trạm trung tâm
Đề giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đôi giữa các cảm biến và base station được truyền đa chặng (multihop) Các liên kết đa chặng có thê kéo dài
khoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt hơn Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kê can nhiễu giữa các node đang tranh chấp truy cập kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSNs có mật độ cao Mô hình truyền dữ
Trang 31gói trả lời hoặc đáp ứng các sự kiện xảy ra, dữ liệu thu thập từ các node cảm biến phải đi qua nhiều chặng đê đến trạm trung tâm
Trong truyền multihop, các node trung gian phải tham gia vào việc chuyên các gói dữ liệu giữa nguồn và đích Xác định các node trung gian cần phải đi qua là nhiệm vụ của giải thuật định tuyến Định tuyến trong mạng cỡ lớn gặp nhiều khó
khăn, thiết kế phải đảm bảo sự chính xác, tính ôn định và khả năng tối ưu Cùng với
các đặc tính của mạng WSN như tiết kiệm năng lượng và băng thông hạn chế tạo ra
nhiều thách thức cho giải thuật định tuyến đê thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéo
dai thời gian sống của mạng.[ I].[2] Remote User ä ——> Query —— Response O Sensor Node
2 Base Station Wireless Sensor Network
Hinh 2.2 Truyén dir liéu da chang
2.2 Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây
Mạng WSNs có nhiều điêm chung với mạng có dây và mạng ad hoc Tuy
nhiên WSNs có một số đặc điêm riêng, do đó đòi hỏi phải có thiết kế giao thức định tuyến riêng cho mạng WSNs.[2]
2.2.1 Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian:
Node cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữ và thông tin hạn chế do giới hạn nguồn năng lượng cung cấp Mật độ cảm biến có thê rất ít cũng có thê rất dầy đặc Trong mạng WSNs, node ở trạng thái động và khả năng thích ứng cao
Trang 32để đáp ứng với sự thất thường và không thê đoán trước của kết nối không dây gây
ra bởi mức nhiễu cao vả can nhiễu tần số vô tuyên làm giảm chất lượng ứng dụng 2.2.2 Tài nguyên hạn chế
Các node cảm biến được thiết kế với độ phức tạp ít nhất và giá thành thấp
đề đáp ứng cho các mạng cỡ lớn Năng lượng là vấn đề quan tâm nhiều nhất trong
mạng WSN&s, phải tạo ra hoạt động lâu dài trong điều kiện nguồn pin han chế
Truyền đa đường qua mạng không dây chính là nguồn gây tiêu tốn công suất nhiều nhất Vấn đề quản lý nguồn năng lượng trở thành một thách thức với mạng WSN trong nhiều ứng dụng quan trọng
Các kiêu dữ liệu trao đổi giữa các node phụ thuộc vào đặc điêm riêng của từng ứng dụng cụ thê Có những ứng dụng yêu cầu thu thập dữ liệu theo chu kỳ hay khi có sự xuất hiện của một sự kiện nào đó Trường hợp khác dữ liệu lại được tập
hợp, lưu trữ, xử lí bởi một một node sau đó được chuyên tiếp cho các node khác
Đối với mạng qui mô lớn, sỐ lượng lớn node cảm biến phân bố trên khu vực rộng,
các kiêu dữ liệu phức tạp cần có các giao thức định tuyến tối ưu đê đảm bảo chất lượng thông tin và thời gian sử dụng của mạng Do đó thiết kế giải thuật định tuyến
hiệu quả là yêu cầu quan trọng đảm bảo khả năng mở rộng qui mô và tính ôn định
của mạng WSNs cũng như sự phát triên mạnh mẽ các ứng dụng trong tương lai I] 2.3 Giao thức điều khiến truy nhập trong mạng cảm biến không dây
Mạng WSNs được xây dựng với số lượng lớn cảm biến, phân bố trên một
vùng địa lí Các thiết bị cảm biến (node) này bị hạn chế về nguồn cung cấp và do đó bị giới hạn khả năng xử lí và thông tin
Việc khai thác để sử dụng hiệu quả các lợi ích tiêm năng của mạng WSNs đòi hỏi khả năng tự tô chức và kết hợp ở mức độ cao của các node cảm biến Do đó,
Trang 33sóng Việc đổi xử với các node trong mạng phải ngang nhau Đê đạt được các mục
tiêu nảy, việc sử dụng giao thức điều khiên truy nhập môi tường MAC (Medium Access Control) la cần thiết
Một số giao thức MAC đã được dé nghị cho mạng WSNs, lựa chọn giao thức
do đặc tính của mạng quyết định
2.3.1 Mô hình giao thức cho WSNs
Đặc điêm kênh truyền chỉ cho phép một node truyền thông điệp tại một thời điêm xác định Việc chia sẻ truy cập kênh truyền cần phải xây dựng giao thức MAC cho các node trong mạng Từ mô hình tham khảo OSI (Open Systes Interconnection
Refrence Model _OSIRM) Lớp cao của DDL được xem như lớp điều khiên logic (LLC) Sự tồn tại của lớp LLUC cho phép nhiều lựa chọn cho lớp MAC, phụ thuộc
vào cấu trúc và giao thức của mạng, đặc tính kênh truyền, và chất lượng cung cấp cho ứng dụng
Lớp vật lí (PHY) gồm các đặc tính về môi trường truyền và cấu hình mạng
Nó định nghĩa giao thức và chức năng các thiết bị vật lí, giao diện về mặt điện để đạt được việc thu nhận bit Chức năng chủ yêu lớp PHY bao gồm các quy ước về điện, mã hóa và khôi phục tín hiệu, đồng bộ phát và thu, quy ước về chuỗi bít,
Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lí Cung cấp chức năng sau:
- Kết hợp dữ liệu vào frame để gởi đi bằng cách thêm vào trường header gồm thông tin về địa chỉ và trường kiêm soát lỗi
- Tach frame thu duge dé lay ra dia chi va thông tin kiêm tra lỗi khôi phục lại thong diép
- Điều chỉnh truy cập đối với kênh truyền chia sẻ theo cách phù hợp đòi hỏi
Trang 34Application Presentation Upper Layers Session LLC Subiayer Transport Ỏ tl Network MAC Sublayer Data Link _ Physical Physical Layer
Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu
Lớp LLC của DDL cung cấp giao diện trực tiếp cho lớp cao hơn Mục đích chính là đê ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn phía dưới, do đó tạo ra khả năng hoạt động giữa các dạng khác nhau của mạng
2.3.2 Giao thức M.AC
2.3.2.1 Các thông số
Có rất nhiều thông số cần quan tâm khi thiết kế giao thức MAC Một số vấn
đề quan trọng như độ trễ, khả năng lưu thông, tính chắc chắn, khả năng mở rộng, tính ồn định và sự công bằng trong đối sử với các node được quan tâm nhất trong giao thc MAC
* D6 tré (Delay)
* Luu luong (Throughput):
* D6 chac chan (Robustness):
* Kha nang mo rong (Scalability):
* Tinh 6n dinh (Stability):
* Sự công bằng (Fairness):
* Hiệu suất sử dụng năng lượng:
Trang 35- Su dung do (Collision): xay ra khi co 2 hay nhiéu node cùng phát tại một
thoi diém Phat lai gói bị hư sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ - Trạng thái lắng nghe (idle listening)
- Overhearing: khi node nhận được các gói dành riêng cho các node khác - Overhead điều khiên gói
- Chuyên đổi (frequent switching): thay đổi các trạng thái hoạt động khác nhau có thê gây hao phí năng lượng Hạn chế số lần chuyên đổi giữa chế độ hoạt động - ngủ của node có thê tiết kiệm năng lượng hiệu quả
Giao thức lớp liên kết dữ liệu sử dụng năng lượng hiệu quả khi loại bỏ hay ít
nhất là làm giảm hao phí năng lượng từ các nguồn nên trên Hơn nữa hiệu quả có
thê nâng lên bằng cách dùng các sơ đồ quản lý năng lượng thông minh tập trung không chỉ tại các node mả còn ở các nguôn tiêu thụ năng lượng khác
2.3.2.2 Các giao thức chung:
Lựa chọn phương thức MAC chủ yêu dựa trên đặc điểm của mạng WSNs
Nhiều giải thuật được nêu lên đề giải quyết vấn đề chia sẻ truy cập Các giải thuật
hướng đến sự cân bằng giữa chất lượng cao nhất của việc ra quyết định và overhead để có được các quyết định này
* Giao thức phân chia có định (Fixed-Assignment Protocols):
Mỗi node được chia một lượng có định xác định trước tải nguyên kênh
truyền Dùng tài nguyên nảy một cách riêng biệt mà không bị tranh chấp với các node khác Các giao thức thường dùng là đa truy cập chia theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập chia theo mã (CDMA)
* Giao thức phân chia theo nhu cầu (Demand Assignment Protocols):
Mục tiêu chính của các giao thức phân chia theo nhu cầu là cải thiện việc sử
Trang 36trạng thái nghỉ và chỉ xem xét các node sẵn sàng phát Kênh truyền được chia thành những lượng thời gian riêng biệt theo từng node
- Hỏi vòng (Polling)
- Đặt khe thời gian (Reservation)
* Giao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols):
Trong giao thức phân chia có định, mỗi node thông tin được chia một băng
tan trong FDMA hay khe thời gian trong TDMA Sự phân chia này là tĩnh, không quan tâm đến node có hay không có dữ liệu đê phát Do đó không hiệu quả nếu có
nhiều thiết bị trong mạng Khi không có dữ liệu đề truyền, node ở trạng thái nghỉ, băng thông được chia bị lãng phí Giải thuật phân chia ngẫu nhiên cố gắng đê loại
bỏ sự phân chia trước băng thông cho các node liên lạc
Giao thức phân chia ngẫu nhiên không thực hiện bất cứ diéu khién nao dé xác định node nảo có thê truy cập kế tiếp Hơn nữa, giao thức này không chia trước thời gian cho các node đề phát dữ liệu Tất cả các node trong mạng phải tranh chấp dé truy cập đường truyền Sự đụng độ xảy ra khi có nhiều hơn một node phát đồng
thời Đê đối phó với đụng độ, giao thức phải bao gồm các kỹ thuật để phát hiện đụng độ và lập ké hoạch cho việc phát lại các gói dữ liệu bị đụng độ
Giao thức truy xuất ngẫu nhiên ban đầu được phát triển cho vô tuyên đường dải và thông tin vệ tin ALOHA là giao thức đầu tiên thuộc dạng này, còn gọi là pure ALOHA.Giao thức ALOHA cho phép các node truyền bất kỳ khi nào chúng có
dữ liệu để phát đi Từ ALOHA phát triên thành nhiều giao thức khác như CSMA,
CSMA/CD, CSMA/CA
2.3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNS:
Trang 37Việc phát lại các gói bị đụng độ tiêu ton lượng lớn năng lượng của node Số đụng
độ xảy ra nhiều làm giảm chất lượng của giao thức MAC Tương tự, việc nghe gói
mà địa chỉ đến không phải là của node (gọi là nghe lén) cũng làm tiêu tốn năng
lượng không cần thiết
Đối tượng chính của giao thức MAC là giảm năng lượng hao phí do đụng độ, lắng nghe, nghe lén, và overhead quá dài Các giao thức này được phân ra làm 2
nhóm: giao thức mớp MAC dựa trên cở sở có kế hoạch (schedule-based) và dựa
trên tranh chap (contention-based)
Schedule-based là lớp giao thức MAC truy cập kênh truyền dựa trên lịch
trình sắp xếp sẵn Kênh truyền được giới hạn cho một node tại một thời điêm bang
cách phân trước tài nguyên hệ thống cho riêng node đó
Contention-based tránh phân trước tài nguyên cho node Thay vào đó, kênh truyền radio được chia sẻ cho tất cả các node và theo nhu cầu Nhưng nhiều node cùng có nhu cầu sử dụng kênh truyền, kết quả là đụng độ xảy ra
Chức năng chính của giao thức lớp MAC dựa trên tranh chấp là tối thiêu
hoặc tránh hoàn toàn đụng độ Việc giải quyết đụng độ thường đạt được bằng cách dùng giải thuật phân tán, ngẫu nhiên đề sắp xếp lại truy cập kênh truyền đối với các
node đang tranh chấp Ý tưởng căn bản đề giảm đi overhead là buộc các node phải vào trạng thái ngủ khi nó không hoạt động Tuy nhiên, trạng thái ngủ của các node
mà không có sự phối hợp có thê làm việc thông tin giữa các node lân cận trở nên
khó khăn
2.3.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC:
Giao thức sensor-MAC (S-MAC) được thiết kế đê giảm hao phí năng lượng
do đụng độ, lắng nghe, overhead điều khiên, và overhearing Mục tiêu là tăng hiệu suất năng lượng trong khi vẫn đạt được sự ồn định và khả năng mở rộng
2.3.4.1 Tổng quát
Thiết kê giao thức đáp ứng cho số lượng lớn node, khả năng lưu trữ liên lạc
và xử lí hạn chế Các node sắp xếp thành mô hình mạng ad hoc (được giới thiệu ở
Trang 38dưới dạng lưu trữ và gởi đi Mạng chuyên đối luân phiên giữa khoảng thời gian rỗi không có sự kiện gì xảy ra, và khoảng tích cực khi có luồng dữ liệu qua kênh truyền Hơn nữa, các ứng dụng có thê phải chịu tăng thời gian trễ do sự mở rộng thời gian sống của mạng Ứng dụng thường thuộc các dạng giám sát, the dõi môi trường tự nhiên và bảo vệ các công trình trọng yếu
S-MAC tạo chu kỳ nhiệm vụ thấp trên các node qua mạng đa đường, tiết kiệm năng lượng đáng kê Trong suốt khoảng thời gian không có sự kiện gì xảy ra, node S-MAC theo chu kỳ sẽ luân phiên giữa chế độ lắng nghe và ngủ Mỗi node
ngủ và thức dậy sau những khoảng thời gian đặt trước, trong khi tắt chế độ thu phát
radio Khi hết thời gian này, node chuyên sang chế độ tích cực Đề giảm overhead điều khiên mà vẫn đảm bảo được độ trễ gói thấp, giao thức dùng chế độ ngủ có phối hợp giữa các node lân cận Việc ngủ theo chu kỳ giúp tiết kiệm năng lượng
tiêu thụ
Tầm quan trọng của trễ gói phụ thuộc nhiều vào đòi hỏi cảu ứng dụng S- MAC tập trung vào các ứng dụng chịu độ trễ cỡ vài giây Tuy nhiên, khi node theo
lịch trình bị hạn chế, độ trễ có thê rất đáng kê S-MAC dùng kỹ thuật lắng nghe
thích ứng (adaptive listening)
Do đặc điểm của các ứng dụng, tại mỗi thời điểm nhất định một node cam
biến có thê có lượng lớn thông tin cần trao đôi với các node xung quanh nó Đê đáp ứng các yêu cầu nảy trong khi phải giảm overhead, S-MAC hy sinh sự công bằng truy cập kênh truyền, một node được phép gởi một thông điệp dài dưới dạng chùm Kỹ thuật này cải thiện điều khiên overhead và tránh overhearing
2.3.4.2 Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep):
Một trong các tiêu chí khi thiết kết S-MAC là giảm năng lượng tiêu thụ do
lắng nghe, phương pháp thường dùng là xây dựng chu kỳ làm việc ngắn cho các node Theo chu kỳ, các node chuyên sang trạng thái ngủ, tắt các bộ thu phát vô tuyến Node chuyên sang tích cực khi có lưu lượng qua mạng Hình 2.4 mô tả chu kỳ làm việc của node với thời gian lắng nghe và thời gian ngủ tạo thành khung
Trang 39trong khoảng thời gian nhất định Khi hết timer, node thức dậy và lắng nghe đê xác định xem có nhu cầu thông tin với các node khác hay không
Mặc dù chiều dải khoảng lắng nghe có thê được chọn tùy mỗi node cảm
biên, nhưng đê đơn giản giá trị nên tương tự ở tât cả các node Listen Sleep Listen Sleep Listen a Vv Frame
Hình 2.4 Khung thời gian hoạt động cua node
Việc lập khoảng thời gian lắng nghe và ngủ của các node lân cận phải được
phối hợp đề giảm overhead điều khiên Khác với các giao thức khác, sự phối hợp có
được thông qua node master như là cluster head điều hành quá trình hoạt động trong cluster S-MAC node tạo ra các cluster ảo, liên lạc trực tiếp với các node xung quanh đê trao đôi và đồng bộ lịch trinh listen & sleep
2.3.4.3 Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc
Các node lân cận phối hợp lịch trình lắng nghe và ngủ để tất cả các node cùng lắng nghe và cùng ngủ ở cùng thời điêm Đê phối hợp lịch làm việc của mình, mỗi node chọn thời gian biêu và trao đôi với các node xung quanh trong suốt quá
trình đồng bộ Mỗi node xây dựng bảng thời gian, bao gồm lịch làm việc của tất cả các node lân cận mà nó biết
Đề chọn được lịch trình, đầu tiên node lắng nghe kênh truyền trong khoảng
thời gian có định, ít nhất cũng bằng thời gian đồng bộ Khi hết thời gian này, néu
node không nghe thấy bảng thời gian từ bất kỳ node nảo, node sẽ chọn lịch làm việc của nó lập ra Node thông báo lịch này đến tất cả node xung quanh bằng cách phát quảng bá gói SYNC Nhưng trước đó, node cảm nhận sóng mang để giảm nguy cơ
đụng độ các gói SYNC Nếu trong suốt thời gian đồng bộ node nhận được lịch làm việc từ node nào đó trước khi chọn và thông báo lịch của mình, node sẽ đặt lịch
Trang 40Schedule A @ Schedule B eel#® | ® 'e@đ eđ@ Fee âel' | eđ â | 9%e Hinh 2.5 Su đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node biên
Một node có thê nhận một bảng thời gian khác sau khi nó chọn và thông báo lịch của chính nó Điều này sẽ xảy ra nêu gói SYNC bị sai do đụng độ hay can nhiễu kênh truyền Nếu node không có node xung quanh, node sẽ bỏ lịch của mình
và thích ứng với lịch thừ node khác Mặt khác, néu node đã có nhóm node lân cận đồng bộ lịch với nó nhưng vẫn nhận được lịch mới từ node khác chưa đồng bộ thì
node sẽ thích ứng với cả hai lịch Khi đó node cần được đánh thức phù hợp với cả hai lịch làm việc trên Lợi ích của phương pháp tạo lịch làm việc đa sóng mang là cdc node ở biên chỉ cần phát một gói đồng bộ SYNC Nhưng bất lợi của phương pháp này là các node biên tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, bởi vì chúng ở chế độ ngủ ít hơn
Các node lân cận có thê không phát hiện được các node khác, vì trễ hay mắt
gói SYNC Đề giải quyết nhược điêm này, S-MAC node yêu cầu thực thi việc phát
hiện node thường xuyên, theo chu kỳ một node lắng nghe trong khoảng thời gian đồng bộ Các node không có bất kỳ node lân cận nảo phải thực hiện phát hiện node xung quanh thường xuyên hơn
2.3.4.4 Đông bộ khung thời gian
Cac node gan nhau cần đồng bộ lịch làm việc theo chu kỳ đề ngăn lệch nhịp Cập nhật lịch trình được thực hiện bằng cach goi goi SYNC Dé mot node nhận ca