WSN mạng cảm biến không dây và ứng dụng

1 Mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây là mạng gồm các node cảm biến độc lập được bố trí trong không gian, thường xuyên tương tác với nhau, với môi trường t

WSN – MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG

Hµ Néi - 2009

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

M∙ Sè:

NGUYỄN THỊ VIỆT PHƯƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VĂN KHANG

LUËN V¡N TH¹C Sü KHOA HäC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “WSN –

Mạng cảm biến không dây và ứng dụng” được viết dựa trên kết quả nghiên

cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Khang

Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và

sử dụng đúng luật bản quyền quy định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Học viên

Nguyễn Thị Việt Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 11

1.1.1 Tổng quan về môi trường thông minh – Hệ thống nhúng và WSN 11 1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến không dây 15

1.1.3 Đặc điểm chung cơ bản cấu trúc mạng cảm biến: 16

1.2 Các yêu cầu cơ bản của mạng cảm biến không dây 17

Chương 2 CẤU TRÚC NODE CẢM BIẾN 20

2.1 Phần cứng 21

2.1.1 Bộ điều khiển: 23

2.1.2 Memory 23

2.1.3 Thiết bị truyền thông 24

2.1.4 Cảm biến và bộ dẫn động 26

2.1.5 Nguồn cung cấp năng lượng cho các node cảm biến 27

2.2 Phần mềm - Hệ điều hành và midleware 29

2.3 Tiêu chuẩn cho các giao thức truyền thông 29

2.4 Định tuyến và phân phối dữ liệu 31

Chương 3: CẤU TRÚC MẠNG 33

3.1 Các kịch bản mạng cảm biến 33

3.1.1 Các loại nguồn và sink 33

3.1.2 Mạng single hop và multihop 34

3.1.3 Nhiều sink và nhiều nguồn 36

3.2 Mục tiêu tối ưu và hệ số phẩm chất 39

3.2.1 Chất lượng dịch vụ 39

3.2.2 Hiệu suất năng lượng 41

3.2.4 Độ ổn định 44

3.3 Nguyên lý thiết kế WSN 44

3.3.1 Phân bố tổ chức 44

3.3.2 Xử lý trong mạng 45

3.3.3 Tính tương thích và độ tin cậy 49

3.3.4 Trung tâm dữ liệu 49

3.4 Phân loại trúc mạng cảm biến không dây 53

3.4.1 Loại 1(C1WSN): 53

3.4.2 Loại 2(C2WSN): 54

Chương 4: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY 57

4.1 Quá trình truyền sóng : 57

4.2 Điều chế tín hiệu: 59

4.3 Các công nghệ không dây: 60

4.3.1 Bluetooth: 61

4.3.2 WLAN: 62

4.3.3 ZigBee: 64

Chương 5: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 67

5.1 Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN): 67

5.1.1 Ứng dụng quân sự, an ninh và thiên nhiên: 68

5.1.2 Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan: 69

5.2 Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN: 70

5.2.1 Điều khiển các thiết bị trong nhà: 71

5.2.2 Các tòa nhà tự động: 72

5.2.3 Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp: 73

5.2.4 Các ứng dụng trong y học: 74

5.3 Ứng dụng điều khiển hệ thống HVAC 75

KẾT LUẬN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

TÓM TẮT 85

SUMMARY 86

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng APS Application Support Sublayer Lớp phụ cung cấp ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền bất đồng bộ

BE Back-off Exponent Thời gian chờ để được truy cập BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát cơ sở

CAP Contention Access Period Thời gian tranh chấp truy

cập CCA Clear Channel Assessment Ước định kênh truyền trống CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CFP Contention Free Period Thời gian tranh chấp tự do CID Cluster Identity Mã xác nhận Cluster

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang CSMA/C

D

Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

Đa truy nhập cảm biến sóng mang và phát hiện đụng độ

CW Congestion Window Cửa sổ tranh chấp

DCE Data Circuit-Terminating Equipment Thiết bị kết cuối kênh số liệu

DSSS Direct-Sequence Spread

DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

DTMC Discrete-Time Markov Chain Chuỗi Markov thời gian rời rạc

FDMA Frequency Division Multiple

IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử

IrisNet Internet-Scale Resource-Intensive Sensor Networks

Services

Dịch vụ mạng cảm biến tài nguyên liên mạng

ITU International

Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Cấu trúc phân bậc tương thích, năng lượng thấp LQI Link Quality Indicator Bộ chỉ thị chất lượng liên kếtLR-

WPAN Low Rate Wireless Personal Area Networks Mạng WPAN tốc độ thấp MAC Medium access control Điều khiển truy cập môi

trường MANET

s Mobile ad hoc Network Mạng ad hoc di động

MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lý MiLAN Middleware Linking Application

and Network

Phần mềm liên kết ứng dụng

và mạng NAV Network Allocation Vector Vector phân phối mạng

NB Number of Back-off Số lần back-off

NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng

PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

PEGASI Power-efficient Gathering in Tập trung hiệu suất trong

ế

PSDU PHY Service Data Unit Đơn vị dữ liệu lớp vật lý RED Receiver Energy Detection Phát hiện năng lượng máy

RFD Reduced-Function Device Thiết bị chức năng hạn chế RFICs Radio Frequency Intergrated Mạch tích hợp tần số vô

ếRFID Radio Frequency Identify Device Thiết bị nhận dạng bằng

sóng vô tuyến

RVF Routing Vector Field Trường vector định tuyến SAP Service access point Điểm truy cập dịch vụ

ếSMACS Self-Organizing Medium Access

UDP User Datagram Protocol Giao thức cho dịch vụ truyền

datagram WAN Wide Area Networks Mạng diện rộng

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây ZDO ZigBee Device Object Đối tượng thiết bị ZigBee

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Tương quan giữa các loại ăc quy chính và ăc quy dự phòng 28

Bảng 2 2 Các giao thức có thể sử dụng cho WSN lớp thấp hơn 31

Bảng 3 1 Truy vấn cảm biến bằng SQL 53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ  Hình 1 1 Mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây 14

Hình 2 1 Phân bố các node trong trường cảm biến 20

Hình 2 2 Các thành phần trong một node 21

Hình 2 3 Cấu trúc các thành phần node cảm biến 22

Hình 2 4 Giao thức chung cho mạng cảm biến 30

Hình 3 1 Mô hình nguồn và sink trong mạng cảm biến 34

Hình 3 2 Mạng multihop 34

Hình 3 3 Các tình huống nhiều nguồn và nhiều sink 36

Hình 3 4 Sink di động trong mạng cảm biến 38

Hình 3 5 Vùng các node cảm biến dò sự kiện di chuyển của voi 39

Hình 3 6 Ví dụ về kết hợp trong WSN 46

Hình 3 7 Mô hình 1WSN liên kết muiltipoit to point, định tuyến động 54

Hình 3 8 Mô hình 2 WSN point to point, star định tuyến tĩnh 55

Hình 4 1 Mô hình truyền sóng 57

Hình 4 2 Minh họa quá trình truyền sóng 59

Hình 4 3 Sơ đồ đánh giá hiệu quả các kỹ thuật điều chế số 60

Hình 4 4 Đồ thì so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến 61

Hình 4 5 Mô hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống 63

Hình 4 6 Băng tần IEEE 802.11 b/g 64

Hình 4 7 Mô hình giao thức ZingBee 65

Hình 5 1 Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng 69

Hình 5 2 Ứng dụng trong quân sự 69

Hình 5 3 Hệ thống cảm biến trên đường cao tốc 70

Hình 5 4 Thời gian hoạt động của pin trong BT và ZigBee 71

Hình 5 5 Các ứng dụng điều khiển 72

Hình 5 6 Điều khiển ánh sáng trong phòng 73

Hình 5 7 Các ứng dụng trong công nghiệp 73

Hình 5 8 Ứng dụng trong y học 74

Hình 5 9 Sơ đồ bố trí các vùng trong tòa nhà 76

Hình 5 10 Tmote cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ quang và bức xạ phân cực 78

Hình 5 11 NSLU2 mặt trước và sau với 02 cổng USB và 1 cổng Ethernet 78

Hình 5 12 Giao tiếp giữa bộ dẫn động HVAC và bộ ổn nhiệt 79

Hình 5 13 Thiết kế cửa thông gió Tmode điều khiển motor 80

Hình 5 14 Cấu trúc server và client nhúng không dây 80

Hình 5 15 Cấu trúc phần mềm hệ thống server – client 81

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm cảm biến dãy, cảm biến trường điện

từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến quang điện và hồng ngoại, laser radar

và cảm biến định vị dẫn đường

Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả năng hoạt động và độ chính xác Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ

có thể tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và thời gian sống

Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên quan đến bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất, nâng cao chất lượng cuộc sống và kinh tế…Với mục tiêu giảm giá thành và tăng hiệu quả trong công nghiệp và thương mại, mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người

Trên xu hướng phát triển chung đó, đồ án giới thiệu về mạng cảm biến không dây, cấu trúc và ứng dụng của mạng trong cuộc sống hiện nay

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – Tiến sỹ Nguyễn Văn Khang đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Sự phát triển của khoa học, công nghệ không nằm ngoài mục đích tạo

ra các sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu cải thiện đời sống con người Do

đó, xu hướng công nghệ thường được hình thành và phát triển dựa trên nhu cầu thực tế của các ứng dụng… và mạng cảm biến không dây (WSN) cũng không nằm ngoài quy luật đó

Sự hội tụ của các công nghệ vi điện tử, mạch tích hợp, xử lý tín hiệu…

đã cho phép tạo ra các cảm biến có kích thước nhỏ đáng kể, thực hiện nhiều chức năng khác nhau với năng lượng tiêu hao thấp… tạo điều kiện cho việc triển khai các ứng dụng về mạng cảm biến không dây: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát, cảnh báo các hiện tượng thiên tai, lũ lụt, hỏa hoạn, theo dõi người bệnh…

Thông qua việc phân tích các ứng dụng cụ thể của WSN và khái quát hóa trên nền tảng công nghệ hiện nay cũng như nhu cầu về mặt kỹ thuật, ta

có thể đưa ra các giải pháp cả phần cứng lẫn giải mạng cho mạng cảm biến không dây

1.1.1 Tổng quan về môi trường thông minh – Hệ thống nhúng và WSN

Ngày nay, quá trình xử lý thông tin được thực hiện trong hầu hết các hệ thống thiết bị đa năng, từ các hệ thống mainframe thế hệ cũ cho đến các hệ thống máy tính hiện đại Thực chất của quá trình này là thực hiện các thao tác điện toán xử lý thông tin trong mạng lõi để thực hiện các yêu cầu của một số lượng lớn người dùng một cách gián tiếp thông qua việc sử dụng hệ thống nhúng, đó là việc tích hợp việc điều khiển với các thao tác điện toán thông qua môi trường vật lý

Hệ thống nhúng (Embedded system): là một thuật ngữ để chỉ một hệ

thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần phềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin

Từ định nghĩa trên, ta có thể thấy, hệ thống nhúng có những đặc tính chung đó là:

Thứ nhất, các hệ thống nhúng được nối với môi trường vật lý qua các cảm biến để thu thập thông tin từ môi trường và qua các bộ điều khiển/tác động để điều khiển môi trường

Thứ hai, các hệ thống nhúng phải tin cậy được, nghĩa là phải đảm bảo

về độ tin cậy, tính bảo trì, tính khả dụng, an toàn và bảo mật

Thứ ba, các hệ thống nhúng phải có hiệu suất cao, việc đánh giá hiệu suất của hệ thống nhúng được thể hiện qua các tiêu chí như : năng lượng,kích thước mã chương trình/ tài nguyên sử dụng, hiệu suất lúc chạy thất, khối lượng và giá Cuối cùng, hệ thống nhúng phải thỏa mãn các ràng buộc về thời gian thực, dành riêng cho các ứng dụng cụ thể và tương tác với môi trường…

Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc

và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung, hệ thống nhúng chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất Chúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn, đa dạng, phong phú về chủng loại…, có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn

như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân Xét về độ phức tạp, hệ thống nhúng có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn

Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm tương tự với hệ thống nhúng như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển chúng nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng

là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều thiết bị ngoại vi

Ngày nay, các hệ thống nhúng trở nên hết sức phổ biến, nó không chỉ được trang bị trong các thiết bị có kích thước lớn như máy giặt để thực hiện các thao tác tính toán và điều khiển mà còn xuất hiện trong các thiết bị nhỏ hơn, thậm chí là không cần thiết như hàng tạp phẩm… Bằng việc ứng dụng hệ thống nhúng, tích hợp chức năng điều khiển và tính toán trong môi trường vật

lý, dần dần hình thành khái niệm môi trường thông minh, trong đó các thiết bị kết hợp với nhau và xử lý thông tin từ nhiều nguồn khác nhau để điều khiển các quá trình vật lý và tương thích với người dùng Mối quan hệ người – người, người – máy được thay thế bằng mối quan hệ giữa người và môi trường vật lý, thay thế hoàn toàn việc thao tác dữ liệu bằng tay

Quá trình này được thực hiện thông qua việc thu thập thông tin từ nhiều nguồn khác nhau, tập trung lại và được xử lý thông qua các thao tác điện toán kết hợp với các chức năng điều khiển… để đem lại thông tin chính xác về thế giới thực như mong muốn Ban đầu, điều này được thực hiện trong mạng có dây, tuy nhiên, cùng với nhu cầu phát triển của ứng dụng thì việc giá thành của dây dẫn, kích thước của thiết bị… trở thành vấn đề cản trở sự phát triển của hệ thống Mô hình mạng truyền thông không dây giữa các thiết bị là một

lựa chọn phát triển tất yếu Điều này dẫn đến sự hình thành của một lớp mạng mới: mạng cảm biến không dây (WSN)

Hình 1 1 Mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là mạng gồm các node cảm biến độc lập

được bố trí trong không gian, thường xuyên tương tác với nhau, với môi trường thông qua chức năng cảm biến hoặc các tham số vật lý điều khiển và phương thức truyền thông không dây để phối hợp, hỗ trợ lẫn nhau thực hiện các chức năng nhất định

Mặc dù vấn đề công nghệ đóng vai trò quyết định, tuy nhiên, nhu cầu triển khai các hệ thống dễ lập trình, tồn tại lâu dài… là nhân tố quyết định và quan trọng nhất đối với các ứng dụng thông thường Bằng việc sử dụng các công nghệ cảm biến phù hợp, các node được tích hợp các thông số cảm biến

cơ bản như: nhiệt độ, độ ẩm, thị giác, âm thanh, sự giao động, cảm biến hóa học, cảm biến từ… được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến không dây

Với việc tích hợp các thông số cơ bản trên, WSN thường được sử dụng trong các trường hợp sau:

Các ứng dụng giảm nhẹ thiên tai: đây là ứng dụng được quan tâm

nhất trong WSN Các cảm biến được trang bị nhiệt kế và có thể tự định vị (thông qua quan hệ với các node khác hoặc trong tọa độ tuyệt đối) được bố trí tại các khu vực dễ cháy như trong rừng, trên máy bay, tại nhà máy hóa chất… chúng sẽ cung cấp sơ đồ nhiệt độ chung của khu vực cần xác định và phạm vi vùng nhiệt độ cao thông qua các thiết bị truy cập bên ngoài (ví dụ thiết bị cứu hỏa được trang bị PGA) Đối với các ứng dụng này, WSN có thể được coi như sử dụng một lần với số lượng lớn, vì vậy yêu cầu giá thành thấp và không đòi hỏi nhiều về thời gian sống

Đối với các ứng dụng giám sát môi trường, kiểm tra thành phần đất,

các quá trình xói mòn, hay giám sát số lượng, loài động thực vật trong một môi trường sống (bản đồ sinh thái)…thì mạng cảm biến không dây sử dụng ở đây có đặc điểm là số lượng lớn, kích thước nhỏ để không nhìn thấy được và không ảnh hưởng đến các động thực vật bị giám sát

Tòa nhà thông minh để hạn chế việc lãng phí năng lượng do sử dụng

không hiệu quả hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí , WSN được sử dụng để giám sát nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác trong tòa nhà Điều này làm tăng độ an toàn cho những người sống trong tòa nhà và giảm năng lượng tiêu thụ Cảm biến cũng được sử dụng trong tòa nhà để giám sát mức ứng suất của máy móc thiết bị trong các vùng địa chấn Bằng việc sử dụng các cảm biến không dây đo các thông số cơ học như mức độ tải uốn cong của các gầm cầu có thể xác định được mức độ an toàn để làm việc khi có động đất hoặc sắp sập để có biện pháp ưu tiên khi giải cứu Cũng có thể sử

dụng các cảm biến để tìm kiếm người bị nạn trong tòa nhà bị sập và cung cấp thông tin cho đội cứu nạn Ưu điểm chính ở đây là sự phối hợp của các thông

số vật lý, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các cảm biến có thể được trang bị thêm vào các tòa nhà (kiểu ứng dụng HVAC) hay tích hợp vào cấu trúc của tòa nhà Đối với ứng dụng này, do không có nguồn cung cấp nên đòi hỏi cảm biến có vòng đời lên tới vài chục năm và số lượng và giá vừa phải vì liên quan đến giá của toàn bộ tòa nhà

Ngoài ra, hệ thống cảm biến không dây còn được sử dụng để quản lý các chức năng tiện ích trong tòa nhà như dùng thẻ để giám sát người ra vào cửa và các khu vực, theo dõi phương tiện, kiểm tra rò rỉ hóa chất trong nhà máy, trong nông nghiệp, y học, viễn tin…

1.1.3 Đặc điểm chung cơ bản cấu trúc mạng cảm biến:

Thông qua khái niệm và ứng dụng cơ bản, ta có thể thấy được một số đặc điểm chung của WSN là:

- Các node cảm biến phân bố dày đặc: do đặc tính của mạng, các node được phân bố dày đặc để đảm bảo việc giám sát, theo dõi các sự kiện được chính xác, không để bỏ sót thông tin

- Các node dễ bị hư hỏng: Các node được đặt trong phạm vi rộng lớn, trong các môi trường khác nhau và chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố môi trường tác động nên dễ bị hư hỏng

- Giao thức mạng thay đổi thưởng xuyên: do một mạng có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, mỗi nhiệm vụ đòi hỏi một số giao thức thích hợp, đồng thời, sự biến đổi của sự kiện… đòi hỏi giao thức mạng phải thay đổi đáp ứng yêu cầu của ứng dụng

- Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ: Đây chính là điểm hạn chế nhất đối với WSN, các node cảm biến được phân bố

rộng rãi trong một phạm vi nhất định, liên lạc với nhau và với thiết bị bên ngoài thông qua truyền thông không dây nên bị hạn chế về nguồn cung cấp, đồng thời kích thước của node phải đủ nhỏ để không bị phát hiện…

- Các node không đồng nhất vì số lượng node là lớn, và được phân bố không đồng đều dựa trên nhu cầu giám sát, theo dõi thực tế, hơn nữa, do hạn chế về năng lượng và hỏng hóc… nên mật độ node cảm biến trong mạng sẽ không đồng nhất

Do đó, sự phát triển mạng cảm biến phải được thực hiện dựa trên cải tiến về cảm biến, thông tin và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu , phần cứng

và phần mềm) để đáp ứng yêu cầu cơ bản của các ứng dụng

1.2 Các yêu cầu cơ bản của mạng cảm biến không dây

Do các yếu tố trên ảnh hưởng đến tính chất, đặc trưng của mạng cảm biến không dây Vì vậy, để mạng thực sự đáp ứng yêu cầu của ứng dụng cụ thể, cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản về chất lượng dịch vụ, thời gian

sống, mật độ…

Loại hình dịch vụ: loại hình dịch vụ được quy ước trong mạng truyền

thông là việc di chuyển một bit từ vị trí này tới vị trí khác Đối với mạng cảm biến không dây, khái niệm này không mang ý nghĩa cụ thể WSN được tạo ra

để cung cấp các thông tin có nghĩa và thực hiện các nhiệm vụ, hơn nữa các khái niệm như mục đích của các tương tác trong một không gian và thời gian xác định là rất quan trọng Do đó mô hình mạng mới đòi hỏi các giao diện mới và cách nhìn mới về các loại hình dịch vụ

Chất lượng dịch vụ có quan hệ chặt chẽ với loại hình dịch vụ Các yêu

cầu về giới hạn trễ hay băng thông tối thiểu trong các dịch vụ đa phương tiện truyền thống không có ý nghĩa đối với các ứng dụng có giới hạn trễ hay băng thông ban đầu rất bé Trong một số trường hợp khi phân chia các gói nhiều

hơn cần thiết hoặc yêu cầu rất cao về độ tin cậy hay khi cơ cấu truyền được điều khiển trực tiếp theo thời gian thực thông qua mạng cảm biến thì thông số trễ là quan trọng…

Ngoài ra, khối lượng và chất lượng thông tin tại một không gian xác định có thể xác định được tại sink, vì vậy các khái niệm chất lượng dịch vụ trong WSN sẽ phụ thuộc vào độ tin cậy của việc dò sự kiện, khả năng gần đúng của bản đồ nhiệt độ…

Chịu lỗi: các node có thể hết năng lượng hay bị hư hỏng do việc truyền

thông không dây giữa chúng thường xuyên bị gián đoạn Nếu các node cảm biến được triển khai nhiều hơn cần thiết thì việc node lỗi không ảnh hưởng nhiều đến mạng nhưng nếu với các ứng dụng đòi hỏi tất cả các node đều phải hoạt động thì yêu cầu về khả năng chịu lỗi của WSN là thông số quan trọng nhất

Thời gian sống là thời gian hoạt động của mạng cho đến khi node đầu

tiên trong mạng bị lỗi (hoặc hết năng lượng); thời gian hoạt động đến khi mạng không kết nối trong một vài phân đoạn hoặc khi một điểm trong vùng giám sát không được bao phủ bởi một node cảm biến nào Việc thay thế nguồn năng lượng là không khả thi, hơn nữa WSN cần phải thực hiện được một lần nhiệm vụ của mình hoặc lâu hơn nếu có thể Do đó, yếu tố thời gian sống cần được quan tâm hơn khi xem xét chất lượng của WSN Ngoài ra, thời gian sống của mạng cũng ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, cung cấp nhiều năng lượng có thể tăng chất lượng dịch vụ nhưng lại làm giảm thời gian sống

Mật độ node trong mạng có thể thay đổi, giá trị này phụ thuộc vào

từng ứng dụng, thậm chí trong một ứng dụng mật độ thay đổi theo thời gian

và không gian bởi node bị lỗi hoặc di chuyển và mạng phải đáp ứng được điều này

Tính khả trình các node không chỉ xử lý thông tin mà còn phải phản

ứng linh hoạt với sự thay đổi của nhiệm vụ, có thể lập trình và chương trình của chúng có thể thay đổi lúc vận hành để đáp ứng các yêu cầu nhiệm vụ mới phức tạp hơn

Khả năng duy trì là khả năng thích nghi với sự thay đổi của môi

trường và chính nó (pin yếu, node hỏng…), điều này được thể hiện thông qua việc mạng tự điều khiển trạng thái để thay đổi các thông số hoặc chuyển sang trạng thái cân bằng khác Trong trường hợp này, mạng có thể tự mình hoặc tương tác với các thiết bị bên ngoài để duy trì trạng thái hoạt động, đảm bảo yêu cầu về chất lượng

Như vậy, so với các mạng không dây truyền thống, mạng cảm

biếnkhông dây có nhiều điểm khác biệt Để hiểu rõ hơn về mạng, trước hết ta

sẽ tìm hiểu cấu trúc của mạng cảm biến không dây bắt đầu từ thành phần cơ bản nhất, đó là node cảm biến

Chương 2 CẤU TRÚC NODE CẢM BIẾN

Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến như

hình 2 1 Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để

chuyển số liệu tới nút trung tâm (sink) Việc chọn đường tới sink theo đa bước nhảy được minh hoạ trong hình 2.1, trong đó sink có thể liên lạc với nút

quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh Việc thiết kế mạng cảm

biến như mô tả trong hình vẽ dưới đây phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất

Hình 2 1 Phân bố các node trong trường cảm biến

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc mạng cảm biến, trong phần này sẽ bắt đầu từ việc tìm hiểu thành phần cơ bản nhất trong một mạng cảm biến, đó là node cảm biến

Khi xây dựng WSN, yêu cầu đầu tiên là phải thiết lập các node đảm bảo khả năng mở rộng và tiện dụng Các node phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản của ứng dụng như: kích thước, giá thành, hiệu suất năng lượng, bộ nhớ…

và trang bị đầy đủ các tính năng truyền thông khác

Ở đây, sẽ tập trung mô tả thành phần phần cứng và chức năng của

node, sự tiêu hao và trao đổi năng lượng … của một node độc lập

Hình 2 2 Các thành phần trong một node

Cấu tạo của một node cảm biến bao gồm: cảm biến và đơn vị thực thi nếu có, đơn vị xử lý,thiết bị thu phát, khối xử lý, nguồn cung cấp và các thành phần ứng dụng khác…

2.1 Phần cứng

Khi lựa chọn các thành phần phần cứng của node cảm biến không dây, yêu cầu về ứng dụng đóng vai trò quyết định đối với hầu hết các yếu tố như kích thước, giá thành, năng lượng tiêu hao của node, khả năng truyền thông… Không có một tiêu chuẩn chung cho tất cả các ứng dụng, nhưng về cơ bản cấu tạo của một node cảm biến gồm 5 thành phần chính:

- Bộ điều khiển: xử lý tất cả vấn đề liên quan đến dữ liệu, cần thiết

cho việc thực hiện một mã lệnh bất kỳ

- Bộ nhớ: được dùng để lưu trữ chương trình hoặc dữ liệu trung gian, thông thường các loại bộ nhớ khác nhau được dùng cho chương trình và dữ liệu

- Cảm biến và phần tử dẫn động: giao diện kết nối với môi trường vật

lý, các thiêt bị có giám sát và điều khiển được thông số vật lý của môi trường

- Thiết bị truyền thông: các node tham gia vào mạng cần phải có thiết

bị gửi và nhận thông tin thông qua kênh không dây

Hình 2 3 Cấu trúc các thành phần node cảm biến

- Nguồn cung cấp: không hạn chế nguồn cung cấp, có thể dùng pin thay thế hoặc tái tạo lại năng lượng từ môi trường có sẵn (pin năng lượng mặt trời)

Các thành phần của node hoạt động trong trạng thái cân bằng, hạn chế năng lượng tiêu hao để đảm bảo hoàn thành nhiệm vụ Theo đó, thiết bị truyền thông và điều khiển cần được duy trì càng lâu càng tốt Có thể lập trình

để các thành phần ngắt ứng dụng và dùng bộ định thời để khởi động lại

Đối với các chức năng cảnh báo cần có sự phối hợp giữa các thành phần, ngoài ra thông tin điều khiển và dữ liệu được trao đổi qua các kết nối

trong node, nó có thể gửi giá trị tương tự tới bộ điều khiển hoặc tự nó có thể

xử lý thông tin và chỉ kích thích bộ điều khiển nếu xảy ra sự kiện (ví dụ cảm biến nhiệt), điều này cải thiện hiệu suất năng lượng

2.1.1 Bộ điều khiển: là khối xử lý trung tâm CPU của node cảm biến

Dữ liệu thu nhận được tại mỗi node được xử lý và gửi đi thông qua bộ điều khiển, ngoài ra, bộ điều khiển nhận dữ liệu từ các node cảm biến khác thông qua actuator, để thực hiện các chương trình khác nhau từ xử lý tín hiệu thời gian thực, các giao thức truyền thông đến các chương trình ứng dụng

Mặc dù các nhiệm vụ khác nhau có thể thực hiện trên các cấu trúc điều khiển khác nhau nhưng để đảm bảo cân bằng giữa tính linh động, hiệu năng

và giá thành của node thì giải pháp tối ưu là sử dụng bộ xử lý đa năng

Bằng việc ứng dụng công nghệ nhúng, các vi xử lý đa năng được sử dụng trong bộ điều khiển của node cảm biến góp phần vào việc giảm kích thước, giá thành, tiêu hao năng lượng… và tăng khả năng ứng dụng của các node cảm biến

Hiện nay, một số vi xử lý sử dụng công nghệ nhúng cơ bản đó là: DSP, FPGA, ASIC Tuy nhiên, với các ứng dụng WSN, nhiệm vụ của một node cảm biến không thay đổi trong suốt thời gian tòn tại và số lượng node lớn thì việc sử dụng ASIC là một giải pháp tốt Các kỹ thuật WSN thường bị hạn chế

và ứng dụng chỉ ở mức đơn giản Tuy nhiên với khả năng phân tách nhiệm vụ

xử lý của các chức năng cố định ở mức thấp của ASIC tạo sự ổn định, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và độ linh động của mạng thì ASIC là lựa chọn thích hợp trong nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây

Các vi xử lý dùng trong node cảm biến của WSN gồm: vi xử lý Atmel, MSP 430 của Texas Instrument, Strong ARM của Intel

2.1.2 Memory gồm hai thành phần là ROM và RAM, trong đó RAM

lưu trữ các chỉ số trung gian, các gói từ node khác được gửi đến Nó có ưu điểm là tốc độ xử lý nhanh nhưng sẽ mất nội dung khi nguồn cấp bị ngắt Bộ nhớ ROM dùng dẻ lưu mã chương trình, hiện nay, có thể dùng các bộ nhớ ROM có thể xóa và lập trình được như EEPROM hay bộ nhớ flash để lưu dữ liệu trung gian khi thiếu RAM hoặc nguồn cung cấp của RAM bị ngắt một thời gian Kích thước của bộ nhớ, đặc biệt là Ram ảnh hưởng quyết định đến giá thành sản xuất và năng lượng tiêu hao còn yêu cầu về dung lượng bộ nhớ lại phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng

2.1.3 Thiết bị truyền thông

Thiết bị truyền thông được dùng để trao đổi thông tin giữa các node Truyền thông có dây được sử dụng trong các mạng cảm biến như hệ thống như profibus, LON, CAN… hoặc theo yêu cầu của khách hàng Vấn đề chính của thiết bị truyền thông trong WSN chính là môi trường truyền, thiết bị thu phát…

Môi trường truyền đối với truyền thông không dây có thể là sóng vô

tuyến, đường truyền quang, sóng siêu ấm, trường điện từ… Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu về tốc độ dữ liệu, lỗi, hao phí năng lượng hay yêu cầu truyền thẳng… trong WSN thì phương thức truyền dựa trên sóng âm tần RF là lựa chọn thích hợp nhất Trên thực tế việc lựa chọn tần số sóng mang sử dụng trong mạng cảm biến không dây là vấn đề rất quan trọng và nó thường nằm trong khoảng từ 433 MHz đến 2.4 GHz

Thiết bị thu phát: tại mỗi node cảm biến cần có chức năng thu và phát để

chuyển các luồng bit (byte hoặc frame) tới một vi điều khiển và chuyển thành sóng RF Thực tế, hai chức năng này được kết hợp với nhau trong một thiết bị là máy thu phát thực hiện đầy đủ các chức năng truyền, nhận, điều chế, giải điều chế, khuyếch đại, trộn… Các đặc tính quan trọng cần lưu ý khi lựa chọn thiết bị thu phát là:

- Dịch vụ cho lớp trên: máy thu phải cung cấp một số dịch vụ cho lớp trên, đặc biệt là lớp MAC như định tuyến gói, cung cấp giao diện bit, byte cho vi điều khiển… Trong một số trường hợp, máy thu đảm bảo cho phép lớp MAC khởi tạo khung truyền và chuyển giao các gói từ bộ nhớ chính của node cảm biến tới máy thu phát, đồng thời các gói tới phải được phân luồng vào các

bộ nhớ đệm sử dụng giao thức lớp MAC

- Công suất tiêu thụ và hiệu suất năng lượng: Hiệu suất là năng lượng cần để truyền và nhận 1 bit Trong WSN, máy thu phát được thiết lập ở hai chế độ: hoạt động và nghỉ Năng lượng tiêu hao vô ích trong mỗi trạng thái và quá trình chuyển đổi trạng thái là vấn đề cần quan tâm

- Tần số sóng mang và đa kênh: mỗi máy thu phát có tần số sóng mang khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và giới hạn điều chỉnh Thông thường mỗi máy cung cấp một số tần số sóng mang (kênh) khác nhau hỗ trợ trong việc hạn chế nghẽn mạng, điều này được hỗ trợ trong giao thức lớp MAC (sử dụng công nghệ FDMA hay CSMA/ALOHA)

- Tốc độ dữ liệu: được xác định thông qua tần số sóng mang, dải tần sử dụng cũng như phương thức điều chế và mã hóa, Trong WSN, tốc độ dữ liệu thường khoảng vài chục kb/s, giá trị này

có thể thay đổi bằng việc sử dụng các khối điều chế khác nhau hoặc thay đổi tốc độ tín hiệu

- Các khối điều chế và mã hóa: thông thường, máy thu phát

hỗ trợ các kiểu điều chế on/off-keying, ASK, FSK và các kiểu mã hóa khác nhau

Và các yếu tố khác như đồ thị nhiễu, độ tăng ích hay độ nhạy máy thu,

độ ổn định tần số…

2.1.4 Cảm biến và bộ dẫn động

Có thể nói, không có các node cảm biến và bộ dẫn động, WSN sẽ giống như một điểm thông thường Để hiểu hơn về vai trò của node cảm biến và bộ dẫn động, ở đây sẽ trình bày tổng quát về khái niệm này trong mạng cảm biến không dây

Cảm biến có thể được chia thành 03 loại:

- Cảm biến thụ động đa hướng: các cảm biến này có thể xác định được các thông số vật lýt ại một node cảm biến mà không tác động, làm ảnh hưởng đến môi trường Trong trường hợp này chúng thụ động Hơn nữa, một số cảm biến có thể tự cung cấp năng lượng bằng việc lấy năng lượng cần thiết từ môi trường, năng lượng này rất bé, đủ để khuếch đại tín hiệu tương tự Có thể kể

ra các ví dụ về cảm biến này như: nhiệt kế, cảm biến quang, cảm biến đo độ

ẩm, ứng suất máy móc hay sức căng vật liệu…

- Cảm biến thụ động, chùm hẹp: là các cảm biến thụ động nhưng có khả năng định hướng rõ ràng Ví dụ như các cảm biến trong camera, nó có thể thực hiện phép đo theo một hướng nhất định nhưng cũng có thể thay đổi hướng nếu cần thiết

- Cảm biến tích cực: nó có thể chủ động tìm kiếm trong môi trường Được ứng dụng trang siêu âm, rađa hay các loại cảm biến địa chấn… chúng tạo ra các sóng bằng các kích thích nỏ Đối với các ứng dụng này, cần quan tâm đặc biệt đến các tác động tạo sóng

Trong WSN, thông thường chỉ dùng cảm biến thụ động và cảm biến thụ động chùm hẹp, trong đó đối với cảm biến thụ động, chùm hẹp, như camera, thường không được quan tâm, nghiên cứu một cách có hệ thống về các cách thức điều khiển, sơ đồ di chuyển…

Khi đề cập đến cảm biến, cần lưu ý đến khái niệm vùng bao phủ, đó là

phạm vi trong đó cảm biến có thể giám sát tương đối chính xác các chi tiết nó quan sát Trong vùng này, các thông số vật lý (nhiệt độ, áp suất…) thay đổi không đáng kể

Bộ dẫn động: Trong mạng cảm biến không dây, bộ dẫn động đơn giản

hơn một bộ đếm Nó hoạt động theo nguyên lý tất cả các node cảm biến có thể hoạt mở/ đóng như một chuyển mạch, rơ le hoặc thiết lập một giá trị …

Bộ dẫn động được sử dụng để điều khiển các động cơ, chiếu sáng… mà không quan tâm đến thiết kế của hệ thống cũng như các giao thức truyền thông Do đó, ở đây chỉ trình bày khái quát về bộ dẫn động Thực tế triển khai, các đặc tính của bộ dẫn động có thể khác nhau, chúng được tích hợp trong hệ thống nhúng

2.1.5 Nguồn cung cấp năng lượng cho các node cảm biến

Là yếu tố quan trọng, quyết định sự tồn tại của các node cảm biến Khi

đề cập đến nguồn của node cảm biến, có 02 vấn đề cơ bản là: năng lượng dự trữ - cấp nguồn theo yêu cầu và khả năng bổ sung năng lượng từ các node khác ngoài mạng

Năng lượng lưu trữ của node cảm biến thường là pin, một cặp pin thông thường có năng lượng dự trữ khoảng 2,2 – 2,5 Ah tại điện áp 1,5V Pin được cấu tạo khoa học, đảm bảo tiêu chuẩn và tái tạo năng lượng được khá nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Trong phạm vi chương này, ta chỉ đề cập một vài khái niệm cơ bản về vấn đề này

Năng lượng dự trữ - ắc quy

Nguồn cung cấp cho một node cảm biến là ắc quy, có thể là không nạp lại được (bộ pin) hoặc có thiết bị làm sạch năng lượng trong node thì có thể nạp lại (ắc quy dự phòng)

Nguồn cấp chính Năng lượng hóa

Năng lượng hóa

Bảng 2 1 Tương quan giữa các loại ăc quy chính và ăc quy dự phòng

Một số hình thức khác như như ắc quy lưu trữ năng lượng điện hóa trong đó hóa chất là thành phần đóng vai trò quyết định đối với kỹ thuật của

ăc quy Đối với các ăc quy trên, các yêu cầu cơ bản phải có là:

Công suất: chúng phải có dung lượng cao với khối lượng nhỏ, kích

thước nhỏ và giá thành rẻ Thứ nguyên là J/cm3 Bảng 2.1 cho ta biết một vài giá trị tiêu biểu về mật độ năng lượng, sử dụng các công nghệ ăc quy truyền thống, quy mô lớn Thêm nữa các nghiên cứu về ăc quy quy mô lớn gắn trực tiếp trên chip hiện đang được triển khai

Công suất tải: chúng có thể được sử dụng dưới các hình thức khác

nhau như node cảm biến có thể tiêu thụ năng lượng ở các mức độ khác nhau theo thời gian và có thể kéo dòng lên cao trong một số chế độ hoạt động Chỉ số dòng trong nguồn tiêu thụ của các node WSN thay đổi vì vậy khó có thể cung cấp các nguyên lý cụ thể Nhưng đối với hầu hết các công nghệ, ăc quy càng lớn thì càng nhiều năng lượng có thể cung cấp một cách tức thời Ngoài ra, mức dung lượng của ăc quy theo lý thuyết được đưa ra bởi nhà sản xuất chỉ có giá trị khi không vượt qua dòng phóng lớn nhất, việc giảm

dung lượng tránh được các sự cố không mong muốn

Khả năng nạp lại: việc nạp lại có thể được thực hiện ở mức thấp và

không liên tục, do đó, ăc quy không thể hiện bất cứ khả năng ghi nhớ nào Công nghệ ắc quy trong WSN hiện nay về cơ bản không nạp lại được

Khă năng phục hồi: là khả năng pin tự tái tạo lại năng lượng bằng các

quá trình phản ứng hóa học bên trong Thời gian sống của ăcquy và hiệu ứng phục hồi, giống như tự nạp từ trạng thái trống hoặc hầu như hoàn toàn trống khi không có dòng chạy trong nó, dựa trên các quá trình phản ứng hóa học trong pin, thời gian sống của ắc quy và điện dung tiêu thụ của nó có thể tăng đáng kể nếu hiệu ứng này được kích thích Có thể dùng nhiều ắc quy song song và sắp xếp để chúng được dùng lần lượt, dựa vào các đặc tính phục hồi

và năng lượng cần để hỗ trợ việc vận hành

2.2 Phần mềm - Hệ điều hành và midleware

Để cung cấp sự hoạt động cho các node, phần quan trọng là các hệ điều hành nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho các mạng cảm biến không dây Thông thường, các hệ điều hành như thế dùng kiến trúc dựa trên thành phần

để có thể thiết lập một cách nhanh chóng trong khi kích thước code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của mạng cảm biến, TinyOS là một ví dụ về dạng này Đây là một chuẩn không chính thức, thành phần của TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối các node, drivers cho cảm biến và các ứng dụng Rất nhiều nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng để phát triển và kiểm tra các giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu đang cố gắng kết hợp các mã để xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tương thích

2.3 Tiêu chuẩn cho các giao thức truyền thông

Mục đích thiết kế các mạng cảm biến không dây là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu chuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các

yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp-trung bình, tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo

độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống Vị trí các node cảm biến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải có khả năng tự xây dựng

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

Giao thức mạng cảm biến gồm liên lạc trong mạng và quản lý Giao thức liên kết trong mạng gồm các lớp như mô hình OSI

Layer 1 : lớp vật lý: các qui ước về điện, kênh truyền , cảm biến, xử lý tín hiệu

Layer 2 : lớp liên kết dữ liệu : các cấu trúc khung, định thời

Layer 3 : lớp mạng : định tuyến

Hình 2 4 Giao thức chung cho mạng cảm biến

Layer 4 : lớp chuyển vận : truyền dữ liệu trong mạng, lưu giữ dữ liệu

Upper Layers : phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm xử lý ứng dụng, kết hợp dữ liệu, xử lý các yêu cầu từ bên ngoài, cơ sở dữ liệu ngoại

Bảng 2 2 Các giao thức có thể sử dụng cho WSN lớp thấp hơn

Bảng 2.2 nêu ra một số giao thức lớp thấp có thể ứng dụng cho WSN

So sánh giữa các chuẩn, mục đích của ứng dụng, tiêu chuẩn cho thiết kế, khoảng cách truyền và băng thông tối đa

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

2.4 Định tuyến và phân phối dữ liệu

Giao thức định tuyến cho WSN rơi vào 3 nhóm: dữ liệu trung tâm, kiến trúc mạng và căn cứ vào vị trí Các quy ước về tập hợp dữ liệu để kết hợp dữ liệu đến từ các nguồn khác nhau qua đường truyền Điều này cho phép hạn chế sự dư thừa trong mạng, làm giảm số đường truyền, giảm năng lượng tiêu thụ Vấn đề quan tâm trong xử lý nội mạng, ngay khi dữ liệu đang được truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn hệ thống Băng thông

bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất tại các node bị hạn chế hay giá thành cao Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lý trước tại nguồn trước khi chuyển qua các node lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất

Tổ chức mạng và giám sát các vấn đề liên quan sự sắp xếp mạng và sự

theo dõi và giám sát bao gồm quản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm , xây dựng phiên làm việc…

Tính toán liên quan đến tập hợp dữ liệu, dung hợp, phân tích, tính toán

cấu trúc, và xử lý tín hiệu

Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lý cơ sở dữ liệu,

kỹ thuật truy vấn và lưu trữ dữ liệu.Trong môi trường mạng truyền thống, dữ liệu được thu thập đến trung tâm để lưu trữ khi có yêu cầu được gởi đi Trong các mạng phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật được xây dựng dùng cho các mô hình lưu trữ dữ liệu phân bố Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc kiểm tra (theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn

Bảo mật là một phần quan trọng trong WSN đảm bảo sự chắc chắn, nhất quán và sự sẵn sàng của thông tin

Chương 3: CẤU TRÚC MẠNG

Trong chương này sẽ giới thiệu nguyên lý cơ bản khi một node cảm biến

cụ thể (đã nghiên cứu ở chương 2) tham gia vào mạng cảm biến không dây Thông qua việc phân tích các tình huống ứng dụng tại chương 1 để có cái nhìn cụ thể hơn về WSN cũng như kết quả của việc tối ưu các chức năng mạng Trên cơ sở các tình huống, một số nguyên lý về thiết kế các giao thức mạng cảm biến không dây được hình thành, các nguyên lý, giao thức, công nghệ… tạo nên khác nhau cơ bản của mạng cảm biến không dây so với các mạng khác cũng như giao diện truyền thông giữa WSN với một môi trường mạng rộng lớn hơn

3.1 Các kịch bản mạng cảm biến

3.1.1 Các loại nguồn và sink

Mục 1.3 đã giới thiệu một số ứng dụng trong mạng cảm biến không dây như: dòsự kiện, đo theo chu kỳ, chức năng gần đúng và dò cạnh hay tracking… cũng như khái quát các khái niệm nguồn và sink

Nguồn là một thực thể trong mạng có thể cung cấp thông tin, điển hình

là một node cảm biến, nó cũng có thể là node truyền động, phản hồi thông tin

về một hoạt động nào đó Còn sink là thực thể yêu cầu thông tin, nó đóng vai trò cơ bản như: là một phần của mạng cảm biến nó có thể là một node hoặc một node truyền động, cũng có thể là một thực thể nằm ngoài mạng cảm biến

Khi là một thực thể nằm ngoài mạng cảm biến, sink là một thiết bị cụ thể, một thiết bị cầm tay, PDA… dùng để tương tác với mạng cảm biến Lúc này, nó đóng vai trò như một cổng kết nối với mạng lớn hơn như Internet để kết nối mạng cảm biến với các yêu cầu thông tin từ các node ở xa và chỉ kết nối gián tiếp với node cảm biến Hình 3.1 mô tả các nguồn và sink cơ bản trong truyền thông trực tiếp

Hình 3 1 Mô hình nguồn và sink trong mạng cảm biến 3.1.2 Mạng single hop và multihop

Trong truyền thông vô tuyến, do vấn đề năng lượng truyền, khoảng cách giữa bên gửi và bên nhận bị hạn chế Đối với mạng cảm biến không dây, việc truyền trực tiếp giữa nguồn và sink cũng gặp nhiều khó khăn do cần một lượng năng lượng đủ lớn để bao phủ một diện tích rộng (trong các ứng dụng

về môi trường, nông nghiệp) hay môi trường hoạt động có suy hao lớn, khó vận hành (như trong các toà nhà…)

Hình 3 2 Mạng multihop

Để khắc phục hạn chế về khoảng cách ta sử dụng phương pháp nhiều điểm tiếp sóng Các gói dữ liệu được truyền qua nhiều tiếp điểm để đi từ

nguồn tới sink Truyền thông đa tiếp điểm (multihop) là vấn đề then chốt trong mạng cảm biến không dây (được mô tả tại hình 3.2), các node cảm biến đóng vai trò các tiếp điểm có thể được gắn thêm thiết bị nếu cần

Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể nhưng thực tế, khả năng xuất hiện các node trung gian tại ví trí thích hợp là khá lớn như trường hợp một vùng không được bố trí các node cảm biến đồng nhất Nhưng điều đó không đảm bảo cho

sự tồn tại định tuyến từ nguồn tới sink, nếu tồn tại thì không chắc chắn là đường đó ngắn và dễ dàng nhất

Đối với mạng cảm biến không dây, việc sử dụng phương pháp multihop không những giải quyết được vấn đề khoảng cách hay chướng ngại vật, nó còn cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng truyền Thông thường, năng lượng suy hao trên đường truyền tỉ lệ với bình phương khoảng cách truyền (thường lớn hơn), khi dùng node trung gian, năng lượng suy hao sẽ giảm đáng kể Có thể thấy rõ điều này qua ví dụ sau:

Giả thiết tỉ lệ lỗi bít SNR không đổi tại các đầu thu, năng lượng phân tán cần để truyền trực tiếp qua khoảng cách d là cdα (trong đó c là hằng số, α≥2 là hệ số suy hao đường truyền) Nếu ta dùng node trung gian tại khoảng cách d/2, năng lượng cần sẽ là 2c(d/2)α

Ví dụ trên chỉ đề cập đến năng lượng phân tán, không phải là năng lượng tiêu thụ thực tế, đó là năng lượng tiêu thụ trong các node trung gian Với giả thiết các node trung gian là một phần trong mạng cảm biến không dây, khi tính tổng năng lượng yêu cầu của toàn mạng, việc sử dụng các node trung gian chỉ chiếm ưu thế về năng lượng cố định tiêu hao trong linh kiện điện tử khi khoảng cách d là lớn, nếu khoảng cách này không đáng kể thì việc

sử dụng node trung gian là không hiệu quả Khoảng cách cụ thể giữa truyền thông trực tiếp và truyền đa điểm trong trạng thái ổn định phụ thuộc nhiều

vào thiết bị và các thông số của môi trường Vấn đề này không được quan tâm nhiều trong WSN

Trong chương này, ta chỉ xem xét các mạng multihop hoạt động theo

mô hình lưu trữ và chuyển tiếp (store and forward) Một node nhận đầy đủ một gói tin mới chuyển tiếp tới vị trí khác, tuy nhiên khi một node gửi các gói

đi, có thể có một vài đường truyền không nhận được gói, vì vậy các node phải được bổ sung chức năng để cấu trúc lại gói hoàn thiện

3.1.3 Nhiều sink và nhiều nguồn

Từ đầu, chúng ta chỉ minh họa các mạng với một nguồn và một sink Nhiều trường hợp có nhiều nguồn và/hoặc nhiều sink cùng tồn tại trong mạng hoặc tình huống phức tạp nhất là nhiều nguồn cùng gửi thông tin tới nhiều sink trong đó thông tin từ tất cả/một số nguồn tới tất cả hoặc một số sink (minh họa trong hình 3.3)

Hình 3 3 Các tình huống nhiều nguồn và nhiều sink 3.1.4 Ba loại di động

Trong các tình huống đã trình bày ở trên, tất cả các thành phần là cố định, tuy nhiên, một trong những ưu điểm chính của truyền thông không dây chính là khả năng hỗ trợ các thành phần di động Đối với mạng cảm biến không dây, tính di động được thể hiện dưới 3 hình thức chính sau:

Node di động: các node cảm biến không dây đều có thể di động, điều

này đóng vai trò quan trọng đối với các ứng dụng Ví dụ khi giám sát môi trường có thể không xảy ra sự di chuyển của node cảm biến nhưng trong các ứng dụng giám sát vật nuôi (node cảm biến gắn vào gia súc) thì là nguyên tắc

cơ bản

Đối với việc di chuyển của node, mạng phải tổ chức lại để đảm bảo hoạt động đúng chức năng Điều này nhằm cân bằng giữa tần số và tốc độ di chuyển của node, mặt khác để đáp ứng yêu cầu về năng lượng để duy trì hoạt động mong muốn trong mạng

Sink di động: các sink thông tín có thể di chuyển (hình 3.4), đây có thể

coi là trường hợp đặc biệt của node di chuyển, vấn đề quan trọng là sự di chuyển của các sink thông tin không phải là một phần của mạng cảm biến Ví

dụ một người dùng yêu cầu thông tin qua PDA khi đang di chuyển trong một tòa nhà thông minh

Trong trường hợp đơn giản, người dùng có thể tương tác với WSN tại một điểm và hoàn thành phiên tương tác đó trước khi di chuyển Trong nhiều trường hợp, các tương tác liên tiếp có thể được coi là riêng rẽ, không liên quan đến các yêu cầu Dù người yêu cầu được phép tương tác với bất kỳ node nào hoặc chỉ với các node riêng được thiết kế các lớp giao thức thích hợp

Hình 3 4 Sink di động trong mạng cảm biến

Người yêu cầu di chuyển được quan tâm đặc biệt, tuy nhiên, nếu dữ liệu yêu cầu không sẵn sàng thì phải được cung cấp bởi các thành phần ở xa mạng để đáp ứng yêu cầu Do đó, trong khi người yêu cầu chỉ truyền thông được với các node lân cận thì họ vẫn có thể di chuyển sang các vùng khác Để

hỗ trợ các yêu cầu di chuyển, mạng phải đáp ứng cung cấp dữ liệu được yêu cầu đến tận người yêu cầu bất kể nó di chuyển

Sự kiện di động trong các ứng dụng như dò sự kiện, đặc biệt là trong

các ứng dụng theo dõi và đối với các ứng dụng tracking, nguyên nhân của các

sự kiện hoặc vật thể được theo dõi có thể di động

Trong các kịch bản này, quanh vật thể cần quan sát luôn tồn tại một lượng thích hợp các node cảm biến, khi xuất hiện vật thể nó trở nên linh hoạt hơn, sau đó trở lại trạng thái nghỉ Khi một nguồn sự kiện di chuyển qua mạng, nó được hỗ trợ trong một phạm vi nhất định, đây được gọi là chế độ frisbee Khái niệm này được mô tả trong hình 3.5, ở đây nhiệm vụ của mạng

là dò sự di chuyển của con voi và giám sát khi nó di chuyển xung quanh Các node không thực hiện việc dò thông được thiết lập ở trạng thái ngủ nếu chúng không được yêu cầu truyền tin cho một vài sink từ các vùng xa (không được thể hiện trong hình vẽ)

Hình 3 5 Vùng các node cảm biến dò sự kiện di chuyển của voi

Các giao thức truyền thông trong phải hỗ trợ phù hợp cho từng hình thức di động Thực tế, sự kiện di chuyển ít xuất hiện trong các dạng di động hay mạng không dây xuất hiện trước

3.2 Mục tiêu tối ưu và hệ số phẩm chất

Trong tất cả các kịch bản và loại ứng dụng, đã tìm thấy giải pháp mạng cho các hình thức khác nhau Vấn đề đặt ra là làm thế nào để tối ưu mạng, làm sao để so sánh các giải pháp, cách lựa chọn phương pháp hỗ trợ tốt hơn cho một ứng dụng và cách tối ưu hóa tương đối chính xác các mục tiêu thành các hệ số phẩm chất có thể đo được Trong khi câu trả lời phổ biến là không thể xem xét toàn bộ các ứng dụng, nhưng với một vài khía cạnh thì hoàn toàn

có thể

3.2.1 Chất lượng dịch vụ

Sự khác nhau cơ bản giữa mạng cảm biến không dây và các mạng truyền thông khác đó chính là loại dịch vụ do chúng cung cấp Về cơ bản, các mạng chỉ di chuyển các bit từ vị trí này sang ví trí khác Ngoài ra, có thể yêu cầu thêm về chất lượng dịch vụ (QoS), đặc biệt là trong nội dung các ứng dụng đa truyền thông Các thông số QoS được quan tâm ở mức độ vừa phải,