Nghiên cứu kiến trúc mạng cảm biến không dây và ứng dụng

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử đã, đang và sẽ hiện diện nhiều hơn trong cuộc sống của con ngƣời với những lợi ích to lớn mà nó mang lại trong cuộc sống. Trong bối cảnh nhân loại đang bƣớc vào những năm đầu của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 với những yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AIArtificial Intelligence), Internet vạn vật (IoT Internet of Things) và dữ liệu lớn (big data), với xu hƣớng là tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong công nghệ sản xuất, do vậy việc tự động thu thập, xử lý thông tin là yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất quyết định đến sự thành công của cuộc cách mạng. Có nhiều phƣơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin, trong đó phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử dụng trên thế giới và Việt Nam là sử dụng mạng cảm biến không dây, lợi ích nổi bật của mạng cảm biến không dây là nó có thể đƣợc triển khai và thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kì điều kiện và ở bất kì vị trí địa lý nào kể cả trong những môi trƣờng nguy hiểm mà mạng có dây truyền thống không thể thực hiện. Do đó mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiều mục đích nhƣ: kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, trong lĩnh vực y tế, khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, trong an ninh và các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm biến có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, và hơn hết là phải có sẵn nguồn năng lƣợng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đƣa ra các thông số về môi trƣờng mà mạng quan sát. Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc bố trí một cách biệt lập, trong phạm vi rộng, môi trƣờng khắc nghiệt và sử dụng trong thời gian dài để thực hiện nhiệm vụ cảm biến, ngoài việc đảm bảo độ tin cậy khi hoạt động, duy trì năng lƣợng cho 2 mạng hoạt động, thì quản lý kiến trúc của mạng cảm biến không dây cũng rất quan trọng. Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về các kiến trúc thƣờng dùng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất sử dụng kiến trúc phù hợp áp dụng vào bài toán phục vụ trong nông nghiệp chính xác để thu thập, giám sát các thông số môi trƣờng biến đổi chậm nhằm thu thập thông số môi trƣờng mà vẫn kéo dài thời gian hoạt động của mạng trong điều kiện năng lƣợng của các node là hữu hạn. Cấu trúc của luận văn gồm: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Nội dung cơ bản của chƣơng này là đƣa ra các khái niệm cơ bản về mạng cảm biến không dây, một số chuẩn truyền thông của mạng cảm biến không dây và những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế. Chƣơng 2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây Chƣơng 2 nghiên cứu và phân tích các kiến trúc thƣờng gặp của mạng cảm biến không dây, đi sâu nghiên cứu một vài kiến trúc mạng cảm biến có sự linh hoạt trong việc tùy biến, mở rộng mạng và phù hợp với nhiệm vụ thu thập các thông số môi trƣờng biến đổi chậm sử dụng trong nông nghiệp chính xác Chƣơng 3: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp. Chƣơng 3 đề xuất giải pháp áp dụng mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp chính xác, nghiên cứu, thiết kế mạng cảm biến không dây nhằm giám sát độ ẩm đất và thực hiện việc điều khiển van tƣới nƣớc cho vƣờn cây có diện tích nhỏ. Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm Chƣơng này đƣa ra mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng giám sát lƣợng nƣớc cho một khu vƣờn diện tích 360m2, với cấu trúc cụ thể của các node cảm biến và trạm trung tâm mà tác giả đã xây dựng, đồng thời trình bày kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến mà tác giả đã tiến hành. Trong luận văn này tác giả đã xây dựng, đề xuất một giải pháp để ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp, giải pháp này tác giả cho rằng nó có nhiều điểm thuận lợi và có khả năng đƣa vào ứng dụng trong thực tế.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn:

“Nghiên cứu kiến trúc mạng cảm biến không dây và ứng dụng”

Là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Lê Quang Thảo Các số liệu,

kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Lưu Hoàng Long

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng

dẫn của tôi, TS Lê Quang Thảo Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy đã

tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập

và nghiên cứu

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã

số QG.17.09 Tôi xin trân trọng cảm ơn sự tài trợ quý báu đó

Tôi xin cảm ơn đến các cán bộ quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục thiết bị bảng A được trang bị tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Các thiết bị được sử dụng gồm:

“Dao động ký số điện tử DL1720E, Keithly 2000…”

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người

đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn

Hà Nội, tháng 12 năm 2017

Lưu Hoàng Long

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3

1.1. Khái niệm 3

1.2. Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến không dây 4

1.2.1.Kích thước vật lý, năng lượng tiêu thụ 4

1.2.2.Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi 5

1.2.3.Đa dạng trong thiết kế 6

1.2.4.Chi phí sản xuất thấp 6

1.3. Chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee trong mạng cảm biến không dây 6

1.3.1.IEEE 802.15.4 [19] 7

1.3.2.ZigBee [4,19] 8

1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 9

1.4.1 Ứng dụng trong quân sự 10

1.4.2 Ứng dụng vào môi trường 11

1.4.3 Ứng dụng vào dịch vụ y tế 13

1.4.4 Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà 14

1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp 15

1.4.6 Ứng dụng trong nông nghiệp 15

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 17

2.1 Các kiểu mạng [1] 17

2.1.1 Cấu trúc phẳng 18

2.1.2 Cấu trúc phân tầng 19

2.2 Kiến trúc phần cứng 21

2.2.1 Node UWASA 22

2.2.2 SurfNet 26

2.3 Kiến trúc phần mềm 29

2.3.1 Lớp giao vận [12] 30

2.3.2 Lớp mạng [1] 30

2.3.3 Lớp liên kết dữ liệu [1] 31

2.3.4 Lớp vật lý [12] 31

2.3.5 Lớp ứng dụng [1] 32

2.3.6 Các mặt phẳng chéo [2] 33

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 34

TRONG NÔNG NGHIỆP 34

3.1 Kiến trúc tổng thể hệ thống 35

3.1.1 Node cảm biến 36

3.1.2 Bộ điều khiển tưới nước 37

3.2 Vi điều khiển họ AVR của Atmel [11,14] 39

3.3 Bộ thu phát vô tuyến nRF24L01 [17,19] 41

3.4 Kiến trúc phần mềm 45

3.4.1 Kiến trúc giao tiếp thông tin [19] 45

3.4.2 Kỹ thuật MultiCeiverTM của hãng Nordic [19] 46

3.4.3 Thuật toán hoạt động trong kiến trúc phần mềm [19] 48

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN 52

ĐIỀU KHIẾN VAN TƯỚI NƯỚC THEO ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT 52

4.1 Bản thiết kế sơ đồ mạng 52

4.2 Phần cứng trong node cảm biến 54

4.3 Phần cứng trong trạm trung tâm 57

4.4 Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến đo độ ẩm đất 59

4.4.1 Giới thiệu cảm biến độ ẩm đất 59

4.4.2 Xác định độ ẩm đất [10] 62

4.4.3 Kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến độ ẩm MS10 63

4.5 Thông số lập trình chuyển đổi tín hiệu số và độ ẩm đất 65

KẾT LUẬN CHUNG 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ACK Acknowledgement Tín hiệu sử dụng trong truyền thông

số để đảm bảo dữ liệu được nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Viện điện, điện tử quốc tế ISM Industrial, Scientific and

Medical

Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế

LCD Liquid Crystal Display Màn hiển thị tinh thể lỏng

LR-WPANs low-rate wireless personal

area networks Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đường truyền MCU Microcontroller unit Bộ vi xử lý trung tâm

NACK Negative acknowledgement Tín hiệu xác thực phủ định

nRF24L01 Tên riêng bộ thu phát nRF24L01

RF Radio frequency Tần số vô tuyến

RISC Reduced Instruction Set

Computer Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn

SM Soil Moisture Độ ẩm đất

SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

SurfNet Tên riêng kiến trúc SurfNet

TX Transmitter Máy phát sóng

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

ZigBee Tên riêng giao thức mạng không dây

ZigBee

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các tính năng chính của bộ điều khiển nRF24L1D ……….28

Bảng 3.1 Chức năng của các chân của nRF24L01… ……… … 44

Bảng 4.1 Độ ẩm các mẫu đất đo đƣợc theo TCVN 4048:2011 và điện áp đầu ra

đƣợc đo bằng cảm biến MS10… ……… ……… 64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến 3

Hình 1.2 Các kiểu topo mạng IEEE 802.15.4 8

Hình 1.3 Giao thức cơ bản theo chuẩn ZigBee 9

Hình 2.1 Mạng dạng hình sao 17

Hình 2.2 Mạng dạng vòng 18

Hình 2.3 Mạng dạng truc tuyến 18

Hình 2.4 Cấu trúc phẳng 19

Hình 2.5 Cấu trúc tầng 20

Hình 2.6 Kiến trúc phần cứng của node UWASA 22

Hình 2.7 Cấu trúc ngăn xếp của node UWASA 25

Hình 2.8 Cấu trúc phần mềm của node UWASA 25

Hình 2.9 Một node cảm biến theo kiến trúc node UWASA 26

Hình 2.10 Node cảm biến sử dụng kiến trúc SurfNet (Palomäki 2010a) 27

Hình 2.11 Cầu nối USB với UWASA và SurfNet 29

Hình 3.1 Kiến trúc tổng thể của hệ thống giám sát nước trong nông nghiệp 35

Hình 3.2 Cấu trúc node theo kiến trúc phần cứng UWASA 37

Hình 3.3 Kiến trúc bộ điều khiển máy bơm theo UWASA và SurfNet 38

Hình 3.4 Cấu trúc tập lệnh rút gọn của vi điều khiển Atmega 40

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối nRF24L01 với vi điều khiển 43

Hình 3.6 Sơ đồ chân nRF24L01 43

Hình 3.7 Chế độ hoạt động của các node UWASA và SurfNet 46

Hình 3.8 Kĩ thuật MultiCeiverTM trong node SurfNet 47

Hình 3.9 Cơ chế tránh va chạm theo kĩ thuật MultiCeiverTM 48

Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán của node cảm biến theo kiến trúc UWASA 49

Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán của trạm trung tâm theo kiến trúc UWASA và SurfNet 50

Hình 4.1 Sơ đồ bản thiết kế mạng cảm biến giám sát độ ẩm đất 53

Hình 4.2 Sơ đồ mạch điện khối thu thập dữ liệu 55

Hình 4.3 Node thu thập dữ liệu 56

Hình 4.4 Sơ đồ mạch điện khối xử lý trung tâm 57

Hình 4.5 Khối xử lý trung tâm 58

Hình 4.6 Cảm biến độ ẩm trong đất 59

Hình 4.7 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm HS1101 60

Hình 4.8 Cảm biến độ ẩm đất MS10 61

Hình 4.9 Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến MS10 62

Hình 4.10 Đồ thị liên hệ giữa điện áp ra và độ ẩm tương ứng 65

1

MỞ ĐẦU

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử đã, đang và sẽ hiện diện nhiều hơn trong cuộc sống của con người với những lợi ích to lớn mà nó mang lại trong cuộc sống

Trong bối cảnh nhân loại đang bước vào những năm đầu của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 với những yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AI-Artificial Intelligence), Internet vạn vật (IoT- Internet of Things) và dữ liệu lớn (big data), với

xu hướng là tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong công nghệ sản xuất, do vậy việc

tự động thu thập, xử lý thông tin là yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất quyết định đến sự thành công của cuộc cách mạng

Có nhiều phương pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin, trong

đó phương pháp phổ biến được sử dụng trên thế giới và Việt Nam là sử dụng mạng cảm biến không dây, lợi ích nổi bật của mạng cảm biến không dây là nó có thể được triển khai và thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất

kì điều kiện và ở bất kì vị trí địa lý nào kể cả trong những môi trường nguy hiểm mà mạng có dây truyền thống không thể thực hiện Do đó mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiều mục đích như: kiểm tra giám sát

hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, trong lĩnh vực y tế, khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, trong an ninh và các ứng dụng trong đời sống hàng ngày

Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, và hơn hết là phải có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các thông số về môi trường mà mạng quan sát

Mạng cảm biến không dây thường được bố trí một cách biệt lập, trong phạm

vi rộng, môi trường khắc nghiệt và sử dụng trong thời gian dài để thực hiện nhiệm

vụ cảm biến, ngoài việc đảm bảo độ tin cậy khi hoạt động, duy trì năng lượng cho

2

mạng hoạt động, thì quản lý kiến trúc của mạng cảm biến không dây cũng rất quan

trọng

Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về các kiến trúc thường

dùng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất sử dụng kiến trúc phù hợp áp dụng

vào bài toán phục vụ trong nông nghiệp chính xác để thu thập, giám sát các thông

số môi trường biến đổi chậm nhằm thu thập thông số môi trường mà vẫn kéo dài

thời gian hoạt động của mạng trong điều kiện năng lượng của các node là hữu hạn

Cấu trúc của luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Nội dung cơ bản của chương này là đưa ra các khái niệm cơ bản về mạng

cảm biến không dây, một số chuẩn truyền thông của mạng cảm biến không dây và

những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế

Chương 2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Chương 2 nghiên cứu và phân tích các kiến trúc thường gặp của mạng cảm

biến không dây, đi sâu nghiên cứu một vài kiến trúc mạng cảm biến có sự linh hoạt

trong việc tùy biến, mở rộng mạng và phù hợp với nhiệm vụ thu thập các thông số

môi trường biến đổi chậm sử dụng trong nông nghiệp chính xác

Chương 3: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp

Chương 3 đề xuất giải pháp áp dụng mạng cảm biến không dây vào nông

nghiệp chính xác, nghiên cứu, thiết kế mạng cảm biến không dây nhằm giám sát độ

ẩm đất và thực hiện việc điều khiển van tưới nước cho vườn cây có diện tích nhỏ

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương này đưa ra mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng giám sát

lượng nước cho một khu vườn diện tích 360m2

, với cấu trúc cụ thể của các node cảm biến và trạm trung tâm mà tác giả đã xây dựng, đồng thời trình bày kết quả

thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến mà tác giả đã tiến hành

Trong luận văn này tác giả đã xây dựng, đề xuất một giải pháp để ứng dụng

mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp, giải pháp này tác giả cho rằng nó có

nhiều điểm thuận lợi và có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tế

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trong thời gian gần đây, với sự tiến bộ của vi điện tử, máy tính và công nghệ truyền thông không dây đã tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây, các node cảm biến thông minh có kích thước nhỏ, đa chức năng cho phép thu thập, xử lý dữ liệu truyền thông không dây trong các môi trường vật lý khác nhau

1.1 Khái niệm

Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống bao gồm các node cảm biến liên kết với nhau thành một mạng và sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông với nhau Lý do sử dụng kết nối không dây bởi vì thông thường các mạng cảm biến được xây dựng từ nhiều cảm biến lên đến hàng trục, hàng trăm, thậm chí hàng ngàn cảm biến do vậy việc sử dụng dây kết nối các cảm biến sẽ gặp nhiều khó khăn cho quá trình thiết kế, lắp đặt và vận hành

Trong khu vực giám sát, các node cảm biến có thể thu thập và truyền dữ liệu tới bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng cách gửi trực tiếp hoặc đa hướng Bộ thu nhận dữ liệu trung gian đóng vai trò như một cổng mạng giao tiếp với thiết bị người dùng thông qua một số kiến trúc truyền thông khác như Internet hay truyền thông vệ tinh

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

4

Hiện nay, mạng cảm biến không được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đồng thời mạng cảm biến không dây đang dần được cải tiến nâng cao hơn về chất lượng và phạm vi ứng dụng và được kì vọng có tiềm năng

to lớn cho nhiều lĩnh vực ứng dụng như y tế, môi trường, nông nghiệp, giao thông vận tải, quân sự, quốc phòng, giải trí và thực tế nó đang dần trở thành một phần không thể tách rời trong cuộc sống

1.2 Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến không dây

1.2.1 Kích thước vật lý, năng lượng tiêu thụ

Phần lớn các mạng cảm biến không dây được triển khai ngoài môi trường tự nhiên với số lượng node cảm biến lớn được phân bố dày đặc trên phạm vi rộng do vậy kích thước và năng lượng tiêu thụ của mỗi node đóng vai trò quyết định đến sự tồn tại lâu dài của chúng cũng như khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác giữa các node cảm biến trong mạng

Nhiều ứng dụng đòi hỏi các node mạng có kích thước rất nhỏ đảm bảo sự an toàn cho các node mạng, ví dụ như với mạng cảm biến triển khai trên chiến trường thì yêu cầu an toàn cho node mạng và cho toàn bộ mạng là rất cần thiết do mạng cảm biến có thể bị kẻ địch phá hoại, hoặc đơn giản hơn là có thể bị tác động bởi các yếu tố của môi trường tự nhiên

Năng lượng trong mạng cảm biến không dây được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như thu nhận tín hiệu, tính toán, truyền thông, lưu trữ, trong đó năng lượng tiêu thụ ở mỗi node cảm biến là nhiều nhất Mà một mạng cảm biến không dây chứa rất nhiều node mạng tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng vì vậy năng lượng tiêu hao bởi các node mạng không hề nhỏ chưa kể các thành phần khác của mạng và sự thất thoát trong quá trình hoạt động Hơn nữa, nguồn năng lượng cung cấp cho mạng cảm biến chủ yếu lấy từ pin trang bị sẵn và việc thay thế pin cho mạng cảm biến là không khả thi Chính vì vậy, cần hạn chế thấp nhất sự tiêu thụ năng lượng ở các node mạng và duy trì năng lượng ở các node mạng để đảm bảo thời gian hoạt động cho toàn bộ mạng cảm biến Ví dụ như có thể sử dụng pin sạc

5

được hoặc pin điện thoại là nguồn cấp năng lượng cho các node như vậy có thể sử dụng nhiều hơn một lần pin này, một giải pháp thường được áp dụng là sử dụng pin mặt trời để cung cấp năng lượng cho node Bên cạnh đó giải pháp đưa ra để sử dụng năng luợng mạng sao cho hiệu quả như giảm công suất đường truyền dữ liệu, thiết

kế phần cứng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể tránh thực hiện nhiều ứng dụng trên một mạng, cho phép các node mạng tạm ngừng hoạt động khi không truyền dữ liệu, khi không truyền thông tin sẽ dừng phát sóng vô tuyến

Hiện nay công nghệ chế tạo vật liệu hệ vi cơ điện tử (MEMS- Micro Electro Mechanical Systems) với sự kết hợp của công nghệ vi điện tử, vi cơ khí và công nghệ đóng gói đã đưa được kích thước của các cảm biến và bộ chấp hành tới kích thước rất nhỏ cỡ micro thậm chí nanomet, phần nào đáp ứng được yêu cầu về sự giới hạn kích thước cũng như tiêu thụ năng lượng của node cảm biến và toàn mạng cảm biến đồng thời giảm giá thành cho phép chúng ta có điều kiện triển khai mạng cảm biến không dây trên diện rộng [8,9]

1.2.2 Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi

Khả năng chịu lỗi của mạng cảm biến không dây thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node cảm biến, hoặc trạm con trong mạng không hoạt động

Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mạng mà chúng ta thiết kế, bố trí các node cảm biến phù hợp Thông thường các node sẽ được phân bố dày đặc trong phạm vi khảo sát, thường là những khu vực dễ bị tác động từ bên ngoài do có sự va chạm hoặc ảnh hưởng của môi trường tự nhiên nên các node mạng có thể bị hư hỏng, bị lỗi, khả năng bị lỗi cũng có thể xảy ra ngay trong quá trình truyền dữ liệu

từ node về bộ thu nhận dữ liệu, quá trình trao đổi thông tin giữa các node hoặc do node hết năng lượng, đặc biệt là với các mạng yêu cầu các node hoạt động liên tục trong thời gian dài, ở môi trường tự nhiên thì sự hư hỏng, bị lỗi của các node trong mạng là điều không tránh khỏi, bên cạnh đó khi một hoặc một số node cảm biến trong mạng bị lỗi hoặc bị hết năng lượng thì cấu trúc mạng sẽ bị thay đổi Do đó khi

6

thiết kế mạng cần phải có giải pháp để nâng cao khả năng chịu lỗi của mạng nhằm duy trì trạng thái hoạt động, đảm bảo chất lượng của mạng, ngoài ra mạng cũng cần

có sự tùy biến về cấu hình để đảm bảo thông tin trong mạng[8,9]

1.2.3 Đa dạng trong thiết kế

Phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây là đa dạng trong rất nhiều lĩnh vực, đối với mỗi lĩnh vực mạng cảm biến không dây thường được thiết kế nhằm phục vụ cho một ứng dụng cụ thể với những đòi hỏi khác nhau về mục đích

sử dụng, điều kiện ứng dụng nên yêu cầu về thiết bị vật lý, cấu trúc của mạng là khác nhau, do đó mạng cảm biến có thiết kế rất đa dạng

1.2.4 Chi phí sản xuất thấp

Chi phí mạng cảm biến thường được yêu cầu thấp hơn chi phí mạng truyền thống, trong mạng cảm biến không dây có rất nhiều node cảm biến do vậy giá thành của mạng cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào giá thành của một node, có nhiều giải pháp đã được đưa ra, chẳng hạn như giải pháp sử dụng công nghệ chế tạo MEMS như đã trình bày ở trên là một trong số đó

Ngoài những đặc điểm về thiết kế phần cứng của mạng cảm biến không dây điều quan trọng nhất đối với riêng mỗi thiết bị là phải dễ dàng tập hợp phần mềm phù hợp với kiến trúc phần cứng sao cho hiệu quả sử dụng là cao nhất Cần thiết phải phát triển phần cứng có thể dùng chung cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng

có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng và phần mềm trong khả năng của công nghệ[9]

1.3 Chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee trong mạng cảm biến không dây

WSN có thể sử dụng một số công nghệ truyền dẫn không dây được thiết kế sẵn như Bluetooth, ZigBee, IEEE 802.15.4, Internet/GPRS , trong đó IEEE 802.15.4 và Zigbee là hai công nghệ không dây thông dụng được áp dụng nhiều trong các hệ thống WSN, đặc biệt là các hệ thống giám sát trong nông nghiệp chính

dữ liệu, sau đó IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp Trong đó:

Lớp vật lý có hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu và dịch vụ quản lý Dịch vụ dữ liệu tập trung vào việc truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức lớp vật lý qua kênh truyền phát vô tuyến

Lớp MAC cũng cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu cho phép truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức MAC Dịch vụ quản lý kết nối với MAC với lớp quản lý điểm truy cập dịch vụ trên dịch vụ dữ liệu của lớp vật lý

Về mặt truyền dẫn, topo mạng trong IEEE 802.15.4 được xây dựng dưới dạng sao hoặc dạng ngang hàng Các node cảm biến có thể tạo thành một topo hình sao khi phạm vi truyền dẫn đủ lớn để chúng có thể truyền dữ liệu trực tiếp đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian Tuy nhiên, một truyền thông đa hướng là một trường hợp phổ biến hơn của truyền dẫn mạng cảm biến Trong topo dạng lưới, các node cảm biến vừa phải đo lường, xử lý và truyền dữ liệu riêng của chúng, vừa hoạt động như là cầu nối trễ tín hiệu chuyển tiếp cho các node cảm biến khác

8

Hình 1.2 Các kiểu topo mạng IEEE 802.15.4

1.3.2 ZigBee [4,19]

Chuẩn ZigBee được phát triển bởi ZigBee Alliance là một tổ chức các công

ty viễn thông độc lập không phụ thuộc vào IEEE Trên nền tảng của chuẩn IEEE 802.15.4, Zigbee xây dựng thêm lớp mạng và lớp ứng dụng đồng thời bổ sung thêm thông tin vào 2 lớp đã có của IEEE 802.15.4 tạo thành một công nghệ mạng LR -WPANs của riêng mình

ZigBee có đầy đủ các đặc điểm của một hệ thống LR-WPANs đó là: dễ dàng triển khai, độ tin cậy cao, hoạt động tiêu thụ năng lượng thấp giúp kéo dài thời lượng pin Đồng thời bộ giao thức hoạt động đơn giản và linh hoạt giúp dễ dàng kết hợp với các ứng dụng ở tầng trên Lớp mạng ZigBee thường hỗ trợ mạng sao và mạng nhánh, cũng như mạng lưới chung Trong một mạng không dây ZigBee, địa chỉ liên kết có thể là địa chỉ ngắn (16 bit) hoặc địa chỉ dài (64 bit) và mạng có thể chứa được rất nhiều thiết bị

ZigBee dùng đa truy cập sử dụng sóng mang để tránh xung đột giữa các sóng

vô tuyến Ngoài ra, để đảm bảo độ tin cậy truyền dữ liệu, ZigBee cũng thiết lập một giao thức truyền thông

Nhằm mục đích đảm bảo sự an toàn truyền thông dữ liệu giữa các thiết bị ZigBee, ZigBee sử dụng thuật toán chuẩn mã hóa tiên tiến với độ rộng khóa 128 bit,

để xử lý mã hóa truyền thông tin dữ liệu

9

Hình 1.3 Giao thức cơ bản theo chuẩn ZigBee

ZigBee là một kỹ thuật tiên tiến và hiện nay được công nhận là một giao thức mạng phổ biến nhất được sử dụng trong mạng cảm biến không dây

IEEE 802.15.4 và ZigBee quy định truyền thông trên sóng radio trong phạm

vi 10 mét đến khoảng 100 mét và hoạt động ở ba dải tần chính:

Dải từ 868 MHz đến 868,8 MHz ở châu Âu: dải này chỉ có một kênh tín hiệu

và tốc độ truyền là 20kb/s

Dải từ 902 MHz đến 928 MHz ở Mỹ, Canada, Úc: dải này có 10 kênh tín

hiệu và tốc độ truyền thường là 40kb/s

Dải từ 2,4 GHz đến 2,4835 GHz: có tính toàn cầu ở hầu hết các nước trên thế

giới: dải này có 16 kênh tín hiệu và tốc độ truyền 250kb/s[7]

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Sự xuất hiện của mô hình mạng cảm biến không dây đã mở ra các nghiên cứu sâu rộng về nhiều khía cạnh của nó Trong phần này, luận văn sẽ trình bày tổng

10

quan về ứng dụng được phát triển dựa trên mô hình mạng cảm biến không dây Với khả năng thu thập được nhiều loại dữ liệu, tại nhiều vị trí, trong những điều kiện khác nhau mạng cảm biến không dây có rất nhiều ứng dụng trên nhiều lĩnh vực bao gồm an ninh quốc gia, thu thập thông tin về quốc phòng, theo dõi và giám sát chiến trường, giám sát môi trường ở thành thị, theo dõi thời tiết, phân tích, và dự báo thời tiết, theo dõi tăng tốc địa chấn, nhiệt độ, tốc độ gió, từ giám sát các thông số của môi trường ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng, vật nuôi, theo dõi tập quán sinh hoạt của động vật hoang dã, đến giám sát các yếu tố ảnh hưởng đến con người,

vi tiếp cận quân địch trong điều kiện có thể gây nguy hiểm cho con người hay hệ thống, thậm chí các hạt hạt bụi thông minh còn được cấy vào cơ hay não nhằm giám sát đối tượng Một số ứng dụng cụ thể trong lĩnh vực quân sự như:

- Giám sát lực lượng, vũ khí [2,3]: Lực lượng quân đội số lượng trang thiết

bị, vũ khí, đạn dược trong kho sẽ được theo dõi một cách dễ dàng, liên tục nhờ

- Giám sát chiến trường [2,3]: Trong công tác chiến đấu ngoài mặt trận, lực

lượng quân đội không thể tránh khỏi những khó khăn về điều kiện địa hình hiểm trở với những con đường mòn khó di chuyển, những tuyến đường hay xảy ra lở đất hay những khu vực nguy hiểm con người khó có thể tiếp cận Tuy nhiên sử dụng mạng cảm biến không dây việc triển khai giám sát địa hình trở nên thuận lợi hơn, dễ dàng biết được hoạt động của kẻ địch từ đó có phương án tác chiến cho phù hợp Với khả năng thu nhận tín hiệu nhạy bén, cùng khả năng tính toán xử lý thông tin với độ chính xác cao, dữ liệu thu được từ mạng cảm biến không dây sẽ giúp người chỉ huy đánh giá được tính chất nguy hiểm của chiến trường, từ đó đưa ra những quyết định đúng đắn trong tác chiến để hạn chế thiệt hại từ sự tấn công của quân địch, đồng thời mang lại ưu thế cho quân bên mình Bên cạnh đó, dữ liệu thu được còn giúp phát hiện sớm các cuộc tấn công bằng chất độc hóa học, sinh học

1.4.2 Ứng dụng vào môi trường

Điểm mạnh về khả năng tự điều phối của mạng cảm biến không dây được sử dụng rất rộng rãi và rất nhiều trong các ứng dụng có liên quan đến môi trường như: theo dõi sự di chuyển của chim, động vật, côn trùng…, giám sát các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến cây trồng và vật nuôi, ứng dụng vào nông nghiệp chính xác, giám sát môi trường, phát hiện cháy rừng; giám sát theo dõi các hiện tượng tự nhiên, khí tượng, thời tiết Cụ thể có thể kể đến như:

- Theo dõi tập quán của động vật, côn trùng [2,9]: Tập quán sinh hoạt của

các động vật trong rừng đặc biệt là các loài quý hiếm luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học Hiện nay có rất nhiều động vật quý hiếm đang có nguy

cơ bị tuyệt chủng cần được bảo vệ Một mạng cảm biến không dây với các cảm biến

12

theo dõi chuyển động cùng thiết bị định vị có thể giúp các nhà khoa học khám phá tập quán của chúng, qua đó đưa ra giải pháp bảo vệ như tạo môi trường sống cho chúng bằng cách bổ sung nguồn thức ăn, trồng thêm cây xanh Bên cạnh đó, việc sử dụng mạng cảm biến không dây cũng có thể phát hiện các hoạt động săn bắt trái phép Ngoài ra khi theo dõi sự di chuyển của chim, động vật, côn trùng ta còn có thể nghiên cứu được tập quán sinh hoạt của chúng từ đó đưa ra các giải pháp quản lý, chẳng hạn như sự di chuyển của côn trùng với lượng lớn có thể phá hoại mùa màng, hay sự di cư của động vật hoang dã sẽ ảnh hưởng đến canh tác, mùa màng của người dân

- Phát hiện cháy rừng [2,8,9]: Cháy rừng là một trong những nguyên nhân

gây suy giảm tài nguyên rừng, có thể xảy ra do hoạt động canh tác của con người hoặc do điều kiện thời tiết nắng nóng hanh khô kéo dài Trước đây, khi cháy rừng

đã xảy ra rồi con người mới phát hiện và khi dập tắt được ngọn lửa thì diện tích cháy đã lan rất rộng, điều này đã gây ra những thiệt hại lớn cho tài nguyên rừng thậm chí là cả tính mạng con người Hiện nay, việc phân bố và sử dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây trên các cánh rừng có nguy cơ cháy đã phần nào giải quyết được vấn đề này Các node cảm biến sẽ phối hợp, tương tác với nhau đưa ra cảnh báo khi rừng có nguy cơ bị cháy hoặc phát hiện sớm khi rừng bị cháy thông báo đến người dân và cơ quan quản lý để có biện pháp khắc phục kịp thời

- Cảnh báo lũ lụt [2,8]: Lũ lụt là hiện tượng thiên tai gây ra những thiệt hại

to lớn cho con người mà chúng ta phải đối mặt hàng năm Chính vì vậy việc phát hiện, cảnh báo sớm nguy cơ lũ lụt là rất cần thiết Ứng dụng mạng cảm biến không dây có thể thực hiện nhiệm vụ này, hệ thống cảnh báo lũ khi sử dụng các node mạng cảm biến sẽ đo được mức nước trên sông thông qua cảm biến khoảng cách kết hợp với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, thu thập dữ liệu theo thời gian thực Dữ liệu được gửi liên tục về khối xử lý trung tâm so sánh với ngưỡng đã được thiết lập trước đó, khi các thông số vượt ngưỡng cho phép hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo tại chỗ qua loa phát thanh và gửi tin nhắn cho cấp quản lý thông báo người dân sơ tán kịp thời tránh những thiệt hại đáng tiếc

13

- Dự báo thời tiết [6]: Mạng cảm biến không dây là thành phần không thể

thiếu trong công tác dự báo thời tiết, các trạm được gắn các cảm biến như nhiệt độ,

độ ẩm, cảm biến lượng mưa, cảm biến ánh sáng , để thu thập dữ liệu, sau đó chuyển dữ liệu về trạm thu nhận thông qua các giao thức truyền nhận chẳng hạn như qua Internet

Các số liệu quan trắc và cảnh báo được lưu trữ định kỳ hàng tháng, hàng năm trong máy chủ, sau đó xử lý, phân tích, khai thác số liệu, kết hợp, kết nối, bổ sung giữa mạng địa phương với mạng lưới quan trắc, dự báo rộng của Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia để dự báo thời tiết khu vực một cách chính xác

Việc quan trắc, thu thập và cảnh báo sớm với các diễn biến bất thường của thời tiết tiểu vùng, cảnh báo - dự tính - dự báo sớm tới người sử dụng mang lại lợi ích cho cộng đồng như: tính toán lịch gieo cấy, thu hoạch, cảnh báo sớm sâu bệnh cho cây trồng và gia súc, cảnh báo thiên tai như hạn, mưa úng, sương muối, rét đậm rét hại, nóng lạnh cực đoan, sương mù, gió mạnh, lũ quét, nước biển dâng, xâm nhập mặn…, dự báo năng suất, thời điểm thu hoạch thuận lợi

1.4.3 Ứng dụng vào dịch vụ y tế

Sự phát triển của các thiết bị y tế hiện đại, tích hợp các cảm biến thông minh làm cho việc sử dụng mạng cảm biến trong y học trở nên phổ biến và mang lại hiệu quả cao Một số ứng dụng của mạng cảm biến trong y tế như hỗ trợ người khuyết tật, giám sát, theo dõi chuẩn đoán bệnh, quản lý thuốc

- Theo dõi bác sĩ, bệnh nhân [8,9]: Đối với bệnh nhân trong bệnh viện đôi

khi cần sự hỗ trợ của bác sĩ đúng chuyên môn, tuy nhiên do bệnh viện có nhiều phòng, nhiều khu vực làm việc và nhiều bác sĩ nên khi cần sự trợ giúp của bác sĩ thì việc tìm kiếm là có khó khăn, để khắc phục khó khăn này có thể gắn cho các bệnh nhân và bác sĩ các cảm biến theo dõi vị trí khi đó sẽ thuận tiện hơn khi tìm kiếm sự trợ giúp Đối với tình trạng sức khỏe của bệnh nhân có thể lắp các cảm biến vào cơ thể để chuyển các dạng kích thích khác nhau thành tín hiệu điện để thu nhận, theo dõi, phân tích, chuẩn đoán chẳng hạn như cảm biến áp suất được dùng trong thiết bị

14

gây mê, máy lọc thận, phân tích máu, theo dõi hô hấp, huyết áp, hay cảm biến nhiệt

độ được dùng trong lò ấp, bộ gia nhiệt, thiết bị theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ, theo dõi nhiệt độ bệnh nhân Cảm biến gia tốc được sử dụng trong máy điều hòa nhịp tim, máy khử rung, thiết bị theo dõi bệnh nhân, máy theo dõi huyết áp Các thiết bị cảm biến cũng giúp việc theo dõi điều trị linh hoạt, bệnh nhân có thể vẫn sinh hoạt tại gia đình nhưng dữ liệu về sức khỏe bệnh nhân sẽ được theo dõi tại phòng quản

lý qua máy chủ và khi có dấu hiệu bất thường sẽ nhanh chóng phát hiện ra, có biện pháp xử lý kịp thời

- Quản lý chất lượng thuốc, dụng cụ y tế trong kho [8,9]: Thuốc và dụng cụ y

tế là những hàng hóa có tính chất đặc biệt, là phương tiện không thể thiếu trong công tác chăm sóc và bảo vệ sức khỏe cho con người Chất lượng của thuốc và các dụng cụ y tế sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng người bệnh trong khi đó thuốc được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau rất dễ bị hư hỏng, giảm chất lượng và chịu sự chi phối của điều kiện môi trường nhất là trong điều kiện nhiệt đới

ẩm gió mùa như nước ta Do đó, bảo quản, đảm bảo chất lượng thuốc còn giữ nguyên khi đến tay người tiêu dùng rất khó khăn Hiện nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật cùng phạm vi phủ sóng rộng rãi của mạng cảm biến không dây, việc quản lý chất lượng thuốc trở nên dễ dàng hơn Các kho thuốc được tích hợp các node cảm biến theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng từ đó đưa ra giải pháp điều chỉnh các thông số này sao cho phù hợp điều kiện bảo quản của từng loại thuốc để chất lượng thuốc được đảm bảo

1.4.4 Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà

Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ mạng không dây đã được tích hợp ứng dụng vào các thiết bị trong nhà để xây dựng nhà thông minh Về cơ bản, hệ thống nhà thông minh cho phép điều khiển các thiết bị trong nhà như thiết bị chiếu sáng, điều hòa, chống trộm, các tiện ích khác một cách tự động và tập trung, nhằm tạo ra sự tiện nghi, thoải mái, tiết kiệm năng lượng và an ninh Nhà thông minh bắt nguồn từ hệ thống tự động hóa tòa nhà, được biến đổi để áp dụng vào quy mô nhỏ

15

hơn của một ngôi nhà hoặc một căn hộ Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, các hệ thống nhà thông minh còn cho phép kết nối đến các thiết bị như điện thoại thông minh hay máy tính bảng để tăng tính tiện dụng, kiểm soát từ xa Tương lai không xa khi cơ sở hạ tầng phát triển có thể kết nối mạng cảm biến trong diện rộng

để hình thành nên khu dân cư thông minh, thành phố thông minh[5]

1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp

Mạng cảm biến từ lâu đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như ứng dụng điều khiển, tự động hóa các dây chuyền sản xuất Mặc dù các hệ thống dựa trên cảm biến phải chịu chi phí triển khai cao nhưng nó mang lại độ chính xác

và hạn chế sử dụng sức lao động của con người Mạng cảm biến không dây là giải pháp đầy hứa hẹn cho các công việc như quản lý hàng tồn kho, giám sát chất lượng sản phẩm, kiểm soát và hướng dẫn robot trong môi trường sản xuất tự động

1.4.6 Ứng dụng trong nông nghiệp

Với những ưu điểm và hiệu quả vượt trội mà mạng cảm biến có thể mang lại khi áp dụng vào sản xuất nông nghiệp đặc biệt khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển thì mạng cảm biến không dây đã và đang được áp dụng rộng rãi trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp như theo dõi sự sinh trưởng của cây trồng, vật nuôi,

tự động chăm sóc, thu hoạch các sản phẩm nông nghiệp

Với đất nước nông nghiệp thuần túy như Việt Nam chúng ta đều biết sản xuất nông nghiệp là việc thực hiện một lịch trình định trước đối với một đối tượng cây trồng từ trồng trọt, chăm sóc đến thu hoạch, trước đây sản phẩm thu hoạch được thường phụ thuộc khá nhiều vào điều kiện thời tiết, nhưng hiện nay bằng cách thu thập dữ liệu thời gian thực về thời tiết, môi trường đất và chất lượng không khí, theo dõi sự trưởng thành của cây trồng từ đó áp dụng đúng kĩ thuật, đưa đúng lượng dinh dưỡng đầu vào như nước, phân bón, thuốc trừ sâu…, đúng vị trí, đúng thời điểm để tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng và thậm chí thu thập thông tin

cả về trang thiết bị, chi phí lao động, các phân tích sau đó có thể được sử dụng để đưa ra quyết định thông minh hơn nhằm nâng cao năng suất, chất lượng cây trồng

Kết luận chương 1: Trong chương 1, luận văn đã trình bày tổng quan về

mạng cảm biến không dây, các chuẩn thường được sử dụng trong WSN và một số ứng dụng tiêu biểu trong cuộc sống Để xây dựng được ứng dụng của mạng cảm biến không dây áp dụng trong nông nghiệp, nôi dung chương tiếp theo sẽ tìm hiểu

về các kiểu mạng, kiến trúc phần cứng và kiến trúc phần mềm trong mạng cảm biến không dây

17

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trong chương này luận văn sẽ nghiên cứu về các kiểu mạng, kiến trúc mạng cảm biến không dây bao gồm kiến trúc phần cứng trên các node và kiến trúc phần mềm điều khiển trên cơ sở đó đề xuất xây dựng mô hình kiến trúc truyền nhận đơn giản, giá thành rẻ mà vẫn đảm bảo yêu cầu dịch vụ của ứng dụng được triển khai

2.1 Các kiểu mạng [1]

Có ba kiểu mạng cơ bản là kiểu mạng hình sao, kiểu mạng dạng vòng và kiểu mạng dạng tuyến

Mạng dạng hình sao: gồm một trạm trung tâm và các trạm là trạm thông tin

có thể là các máy tính hay các thiết bị Các hoạt động trong mạng cho phép truyền nhận, thông tin giữa đến các thiết bị, theo dõi và xử lý thông tin, giám sát trạng thái của mạng sẽ được điều hành bởi trạm trung tâm Ưu điểm của kiểu mạng hình sao

là tốc độ xử lý và truyền thông tin nhanh, các thiết bị mạng hoạt động độc lập với nhau, có thể mở rộng mạng theo yêu cầu Tuy nhiên do công suất truyền bị giới hạn

và phụ thuộc vào pin nên kiểu mạng hình sao sẽ phụ thuộc rất nhiều vào bộ nhớ và khả năng xử lý của trạm trung tâm Khi trạm trung tâm gặp lỗi hay bị hư hỏng thì toàn bộ mạng sẽ bị dừng hoạt động

Hình 2.1 Mạng dạng hình sao

Mạng dạng vòng: các dây cáp được kết nối thành một vòng khép kín, thông

tin sẽ được truyền đến từng node mạng một và chỉ theo một chiều Do đó dễ dàng

18

mở rộng tiết kiệm dây cáp hơn so với kiểu dạng hình sao tuy nhiên tốc độ của mạng vẫn bị chậm và khi có sự cố xảy ra là toàn bộ mạng sẽ bị ngừng lại và rất khó để kiểm tra phát hiện lỗi

Hình 2.2 Mạng dạng vòng

Mạng dạng trục tuyến: là cách bố trí sao cho tất cả các node đều được nối

với nhau trên một trục dây cáp Loại hình mạng này dễ dàng lắp đặt, tiết kiệm dây cáp nhưng sẽ gây nghẽn đường truyền khi truyền một lượng thông tin lớn, một node mạng bị hỏng sẽ ảnh hưởng đến cả hệ thống

Hình 2.3 Mạng dạng trục tuyến

2.1.1 Cấu trúc phẳng

Cấu trúc phẳng: là một mạng gồm các node vai trò tương đương chúng có

chức năng tương đồng, ngang hàng với nhau Các node có thể giao tiếp với bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng cách trực tiếp qua kiến trúc đa đường, chúng sử dụng chính các node hàng ngang làm bộ tiếp sóng, với giả thiết là tất cả các node dùng cùng tần số truyền dữ liệu, khi đó các node gần bộ thu nhận dữ liệu trung gian hơn

Trong cấu trúc tầng: Mạng cảm biến gồm có nhiều cụm, mỗi cụm gồm các

node, các node này chuyển tín hiệu theo dạng gửi trực tiếp hoặc đa hướng tùy thuộc

và kích cỡ của cụm và dữ liệu cần truyền đến một node định sẵn thường gọi là node chủ, node chủ này sẽ nhận tín hiệu, tính toán và truyền đến trạm bậc cao hơn, đồng thời node chủ cũng nhận lệnh từ các trạm cao hơn để truyền đến các node trong cụm thuộc phạm vi quản lý, nghĩa là các node tạo thành một hệ thống cấp bậc mà mỗi node chỉ ở một mức xác định và thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn Theo đó chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các node

mà phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận đại lượng được lập trình sẵn sau đó gửi tới cấp giữa, cấp gữa thực hiện nhiệm vụ tính toán, cấp cao nhất thực hiện phân phối dữ liệu

20

Hình 2.5 Cấu trúc tầng

Nhận xét chung về hai kiểu cấu trúc

- Đối với cấu trúc phẳng: Có kiến trúc đơn giản hơn, việc bị hỏng một vài

node có khi cũng không ảnh hưởng tới hoạt động của mạng vì các node có khả năng truyền trực tiếp đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian, tuy nhiên nếu tất cả hoặc một số lượng lớn các node cùng gửi dữ liệu thì sẽ dẫn đến quá tải, do vậy thường được thực hiện để giám sát các đại lượng đơn lẻ ít có sự biến đổi như thời gian, tần số và với

số lượng node không quá nhiều, và vì các node gần bộ thụ nhận dữ liệu trung gian lại đóng vai trò trung gian truyền tín hiệu nên các node phải cố định Cấu trúc này phù hợp với giám sát các thông số có tính ổn định biến đổi chậm trong nông nghiệp như nhiệt độ, độ ẩm và do không hoạt động liên tục nên cần ít năng lượng

- Đối với cấu trúc tầng: Khi quy mô mạng cảm biến tăng lên nhiều thì thông

lượng bị chia sẻ, có thể có những node thông lượng giảm nhanh về 0, nếu dùng kiến trúc phẳng thì hệ thống có thể bị quá tải, với cấu trúc tầng sẽ mang lại giải pháp khắc phục vấn đề này, khi đó các node ở cấp thấp tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc, mỗi trạm gốc sẽ làm cầu nối với cấp cao hơn đảm bảo việc giao tiếp trong cụm, trong mạng

Trong một mạng gồm nhiều yếu tố, cần thu thập và xử lý thông tin nhiều thì mạng cấu trúc tầng sẽ hiệu quả hơn vì có cấp đóng vai trò là chuyên xử lý và tính

21

toán, có cấp đóng vai trò cảm biến chuyên thu thập thông tin Tuy nhiên với mạng không quá nhiều node và chỉ thu nhận thông tin biến đổi chậm như độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng trong sản xuất nông nghiệp thì mạng cấu trúc phẳng vẫn đáp ứng được yêu cầu mà lại đơn giản hơn trong thiết kế, lắp đặt và vận hành

Cấu trúc tầng thường đước sử dụng đối với mạng cảm biến mà các đối tượng cần giám sát có sự biến đổi nhanh, gồm nhiều thông số và có thể di chuyển, chẳng hạn như dùng giám sát đối tượng trong quân sự, giám sát giao thông

Trong phần này, tác giả giới thiệu một nền tảng cảm biến không dây đáp ứng được yêu cầu về sử dụng năng lượng thấp, linh hoạt trong thiết kế mạng đó là node

bộ vi xử lý xếp chồng lên nhau, cung cấp các giao diện thích ứng và mở rộng cho cả phần mềm và phần cứng để cho phép tái sử dụng cùng một nền tảng trong các triển khai khác nhau

Kiến trúc phần cứng của Node UWASA đƣợc thể hiện trong hình 2.6

Hình 2.6 Kiến trúc phần cứng của node UWASA [18]

Kiến trúc này cho phép dễ dàng điều chỉnh phần cứng cho các ứng dụng khác nhau bằng các mô-đun slave, đồng thời cung cấp mức điện và bộ nhớ tính toán trung bình, và phần cứng giao tiếp không dây bên trong bản chính Việc phân phối

và quản lý năng lƣợng trong node đƣợc duy trì bằng các mô-đun nguồn

Node đƣợc thiết kế để có ít nhất đun nguồn cung cấp năng lƣợng và đun chính, hai mô-đun này chứa tất cả các thuộc tính bên trong nhƣ phần cứng giao

mô-23

tiếp không dây, hỗ trợ nhiều giao diện ngoại vi, xử lý cơ bản và bộ nhớ, quản lý năng lượng và các giao diện phân phối Phần cứng chứa có một số mô-đun slave đơn giản Bất kể các loại và số lượng các mô-đun trong ngăn xếp phần cứng, tín hiệu và các nguồn cung cấp điện được chuyển giữa các mô-đun bằng bộ kết nối ngăn xếp phần cứng

- Mô-đun chính: chứa hai bộ xử lý để cho phép truyền thông không dây trong khi

cung cấp các phương tiện cần thiết cho kiến trúc phần cứng có thể xếp chồng lên nhau, mô-đun chính chịu trách nhiệm truyền thông không dây, quản lý trao đổi dữ liệu trong node, xử lý dữ liệu và ra quyết định, trong khi giám sát các giao diện nguồn và quản lý chế độ nguồn trong node Các tính năng chính có thể được tóm tắt như sau:

+ Bộ điều khiển RF và Bộ điều khiển chính đều là những vi điều khiển có thể lập trình Bộ điều khiển RF có bộ xử lý 8-bit chạy ở tần số 16 MHz hoặc 32 MHz, trong khi bộ điều khiển chính có bộ xử lý 32-bit có thể hoạt động ở tốc độ 72 MHz

+ Bộ điều khiển RF đã tích hợp chuẩn không dây IEEE 802.15.4, tích hợp công cụ định vị Trong khi bộ điều khiển chính đã tích hợp Ethernet MAC, và thiết bị USB2.0 luôn sẵn sàng hoạt động, cũng như nhiều giao diện nối tiếp tiêu chuẩn

+ Bộ điều khiển RF có thể tắt nguồn của bộ điều khiển chính khi không cần đến quá trình xử lý, trong khi đó bộ điều khiển chính có thể điều khiển các trạng thái và cấp điện áp của các nguồn điện thông qua các giao diện được cung cấp bởi mô-đun nguồn

+ Có thể tắt các thiết bị ngoại vi riêng lẻ của bộ điều khiển chính và đầu cuối RF của bộ điều khiển RF

+ Điều chỉnh tần số hoạt động của bộ điều khiển RF và bộ điều khiển chính

+ Đồng bộ hóa thời gian được giải quyết bằng các phương tiện tín hiệu do bộ điều khiển RF hoặc bộ điều khiển chính cung cấp Đồng bộ hóa thời gian mạng được đảm bảo bởi bộ điều khiển RF

24

- Môđun nguồn: Mô-đun có trách nhiệm cung cấp năng lượng cho tất cả các mô-đun

trong node Các tính năng chính của mô-đun nguồn có thể được tóm tắt như sau: + Node hỗ trợ kết nối pin Mô-đun nguồn được thiết kế để vận hành trong giới hạn

an toàn của pin

+ Bộ nguồn có bộ sạc pin cho phép sạc trực tuyến pin khi nguồn khác được nối với nguồn cung cấp

+ Hai lựa chọn cung cấp độc lập được cung cấp thông qua mô-đun nguồn, toàn bộ node hỗ trợ quản lý đường dẫn linh hoạt khi node được cung cấp thông qua pin và các nguồn khác

+ Có thể theo dõi tình trạng pin tại mỗi thời điểm

+ Mức điện áp trên đường dây chính của node có thể được giám sát

- Mô-đun slave: Là loại mô-đun không thể chủ động kết nối bằng vi điều khiển mà

cần các thiết bị ngoại vi khác để kết nối, có ba loại mô-đun slave được xác định tùy thuộc vào mục đích là:

+ Slave hoạt động: Loại mô-đun này có đơn vị xử lý riêng, nó xử lý dữ liệu và các vấn đề liên quan đến trình điều khiển

+ Slave thụ động: Loại mô-đun này không chứa bộ xử lý riêng của nó, nhưng có phần cứng liên quan đến phần mềm điều hành của cảm biến, van tự động, được kết nối với một trong các giao diện của mô-đun chính trên bộ kết nối phần cứng

+ Slave mở rộng: Loại đun này là phần mở rộng cho đun chính Các đun slave được dự định là sự triển khai phần cứng của các ứng dụng

mô-25

Hình 2.7 Cấu trúc ngăn xếp của node UWASA [18]

Kiến trúc phần cứng có thể xếp chồng lên nhau yêu cầu mức độ phần cứng cao hơn trong phần mềm để tiếp cận phần mềm tái sử dụng trong các triển khai khác nhau Với mục đích này, phần mềm node UWASA đƣợc thiết kế để có nhiều cấp để đạt đƣợc các mức độ phần cứng theo yêu cầu Phần mềm node UWASA dựa trên các mô-đun đƣợc mô tả trong hình 2.8

Hình 2.8 Cấu trúc phần mềm của node UWASA [18]

Mức độ yêu cầu đạt đƣợc trong ba lớp Lớp đầu tiên là phần mềm thấp cấp kết hợp với mục tiêu phần cứng cơ bản Nó bao gồm các trình điều khiển thiết bị ngoại

26

vi và hệ điều hành thời gian thực mà cả hai đều chứa các thành phần liên quan đến phần cứng Lớp thứ hai bao gồm daemon (chương trình chạy nền, có thể tắt mở tự động mà không ảnh hưởng đến giao diện người dùng) và middleware (phần mềm tương hỗ kết nối các phần mềm, các ứng dụng với nhau) tự động để đạt được sự nhạy cảm từ cả hệ điều hành thời gian thực (RTOS- Real-time Operating System)

và các thiết bị ngoại vi Lớp cuối cùng là lớp ứng dụng chỉ chứa phần mềm ứng dụng

Hình 2.9 là ví dụ 1 node UWASA được tích hợp các mô-đun khác với mô-đun chính thông qua các cổng kết nối như mô-đun wifi, do đó node UWASA có cấu trúc

cơ bản và dễ dàng hỗ trợ các ứng dụng tự động hóa không dây, triển khai trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Hình 2.9 Một node cảm biến theo kiến trúc node UWASA [19]

2.2.2 SurfNet

SurfNet [18,19] là một kiến trúc mạng cảm biến bao gồm hai nền tảng phần cứng khác nhau, giao thức mạng và một môi trường lập trình cho các node cảm biến không dây công suất thấp, được phát triển bởi Đại học Khoa học Ứng dụng Seinäjoki, và tiếp tục được cải thiện trong dự án GENSEN (Generic Sensor Network Architecture for Wireless Automation- dự án về kiến trúc mạng cảm biến chung cho tự động hóa không dây)

27

Hình 2.10 Node cảm biến sử dụng kiến trúc SurfNet (Palomäki 2010a) [19]

SurfNet bao gồm các nền tảng phần cứng - node SurfNet, giao thức mạng và môi trường phát triển ứng dụng tương ứng Node SurfNet có kích thước nhỏ và được trang bị một vi điều khiển nRF24LE1D là một chip được phát triển bởi hãng Nordic Semiconductors, có thể đồng thời gắn kết một số bộ phận như bộ cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm và bộ cảm biến gia tốc ba chiều (3D) Node được cung cấp năng lượng bởi pin thường là khoảng 3V Node SurfNet cũng khá đơn giản và

dễ triển khai trong nhiều môi trường Vì vậy, tác giả lựa chọn node SurfNet cho nghiên cứu của luận văn

Như đã đề cập trước đó, nRF24LE1D được sử dụng làm bộ điều khiển chính của node SurfNet, nó là một dòng sản phẩm của bộ thu tín hiệu RF 2.4 GHz thông minh với bộ vi xử lý siêu nhỏ thông minh Cụ thể, nó chủ yếu chứa một bộ điều khiển là bộ vi xử lý 8.051 tăng cường và bộ thu phát RF nRF24L01 2.4GHz Hai phần này giao tiếp với nhau qua giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI), bên cạnh bộ xử lý

và bộ nhớ, các tính năng chính của nRF24LE1D được trình bày trong bảng 2.1

Bộ nhớ Flash 16 KB với các tính năng bảo mật;

1 KB bộ nhớ RAM trên chip;

1 KB bộ nhớ dữ liệu không dễ xóa

Giao diện và Thiết bị ngoại vi

29

độ ngủ, chế độ chờ, và chế độ ngủ sâu Tức là các thuộc tính này có thể đƣợc sử dụng để giảm tiêu thụ năng lƣợng bằng cách kết hợp nhiều chế độ làm việc dựa trên yêu cầu của hệ thống ứng dụng Theo Palomäki, tuổi thọ của node cảm biến có thể đƣợc mở rộng hơn nữa bằng cách tận dụng các chế độ chuyển đổi và đồng bộ hóa các node

Điều quan trọng ở đây là khi kết nối SurfNet và UWASA đã tạo ra một đun hoạt động nhƣ một node chìm trong mạng không dây, nó thu thập dữ liệu đo đƣợc từ mạng thông qua định tuyến nhƣ tất cả các node khác, và đặc biệt nó dễ dàng kế nối với các thiết bị khác thông qua USB

mô-Hình 2.11 Cầu nối USB với UWASA và SurfNet.[18]

Nhƣ vậy kiến trúc phần cứng UWASA và SurfNet giúp chúng ta linh hoạt trong kết nối với các mô-đun khác, có khả năng phát triển các thuật toán và mở rộng mạng WSN điều khiển các thiết bị

2.3 Kiến trúc phần mềm

Độ tin cậy và khả năng tiết kiệm năng lƣợng là quan trọng với sự phát triển của một giao thức mạng để hỗ trợ các ứng dụng khác nhau của mạng cảm biến không dây Kiến trúc phần mềm phổ biến nhất cho mạng cảm biến không dây là theo mô hình OSI 7 lớp Tuy nhiên một mạng cảm biến không dây cơ bản cần năm lớp là lớp giao vận, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu, lớp vật lý, lớp ứng dụng và ba tác vụ quản lý (quản lý công suất, quản lý di chuyển, quản lý nhiệm vụ) gọi là các mặt phẳng chéo

30

2.3.1 Lớp giao vận [12]

Lớp giao vận đảm bảo độ tin cậy và chất lượng dữ liệu tại nguồn và bộ thu thập dữ liệu Giao thức lớp vận chuyển trong mạng cảm biến không dây hỗ trợ nhiều ứng dụng, độ tin cậy có thể biến đổi, gói tin bị mất được phục hồi và cơ chế kiểm soát tắc nghẽn Trong quá trình truyền, gói tin có thể bị mất do tín hiệu đường truyền lỗi, tắc nghẽn, xung đột gói tin, bộ nhớ đầy, và node ngừng hoạt động Việc mất gói tin có thể dẫn đến lãng phí năng lượng và chất lượng truyền tin do đó phát hiện mất gói tin và khôi phục chính xác các gói tin bị mất có thể cải thiện năng suất

và năng lượng hao phí

Khi gói tin được truyền, node nguồn phải gửi một tín hiệu xác thực đến trạm

cơ sở để đảm bảo giao tiếp giữa node nguồn và node cơ sở được kết nối Node cảm biến phải đợi xác nhận từ trạm cơ sở trước khi truyền dữ liệu Đối với luồng dữ liệu liên tục, trạm cơ sở ước tính thời gian đến của mỗi gói từ mỗi node nguồn Mỗi gói tin được truyền trong một khoảng thời gian nhất định, nếu hết thời gian node nguồn vẫn không nhận được gói tin nó sẽ gửi tín hiệu NACK yêu cầu truyền lại Gói tin truyền đến node nguồn sẽ được lưu vào bộ đệm và bộ đệm này bị xóa khi có gói tin tiếp theo được nhận

Mục tiêu chính của lớp giao vận trong một mạng cảm biến không dây là để đạt được vận chuyển dữ liệu đáng tin cậy bằng cách kiểm tra trạng thái mạng có tắc nghẽn hay không và mức độ tin cậy

2.3.2 Lớp mạng [1]

Lớp mạng xử lý định tuyến dữ liệu qua mạng từ nguồn đến đích Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây khác với các giao thức định tuyến truyền thống bằng nhiều cách Đối với một node cảm biến không có địa chỉ giao thức Internet (IP), nên các giao thức định tuyến dựa trên IP không thể sử dụng trong mạng cảm biến không dây Việc thiết kế các giao thức mạng trong mạng cảm biến không dây cần phải có khả năng mở rộng Nó sẽ dễ dàng quản lý truyền thông giữa nhiều node và truyền thông tin dữ liệu đến trạm cơ sở Giao thức cần đáp ứng các

Thiết kế của giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây phải tuân theo các ràng buộc khác nhau như năng lượng, topo, và thay đổi mạng Giảm thiểu năng lượng để kéo dài tuổi thọ mạng là mục tiêu chính Thiết kế của giao thức MAC cần phải tránh lãng phí năng lượng do xung đột gói tin, truyền đi truyền lại nhiều lần

Nó cũng cần có sự thích ứng với các thay đổi topo mạng một cách hiệu quả Một loạt các giao thức MAC đã được đề xuất để đạt được những yêu cầu trên, mặc dù trong tương lai có thể tối ưu năng lượng cho các hệ thống tuy nhiên tối ưu hóa các mặt phẳng vẫn là một lĩnh vực cần được nghiên cứu sâu hơn Khả năng tương tác giữa các mặt phẳng giúp giảm tiêu thụ năng lượng Tương tác với MAC lớp có thể cung cấp các lớp khác với sự kiểm soát tắc nghẽn thông tin và tăng cường lựa chọn đường truyền

2.3.4 Lớp vật lý [12]

Lớp vật lý cung cấp giao diện truyền bit trên môi trường truyền thông vật lý

Nó chịu trách nhiệm tương tác với lớp MAC, thực hiện truyền nhận và điều chế tín hiệu Sự tương tác giữa lớp vật lý và lớp MAC là một vấn đề quan trọng Lỗi tại lớp vật lý cao và thời gian thay đổi nhiều trong một môi trường không dây Lớp MAC tương tác với lớp vật lý để phát hiện và sửa lỗi Các tương tác khác bao gồm chia sẻ thông tin truyền dẫn và kênh với lớp MAC để đạt được hiệu quả cao hơn và tận dụng được tài nguyên

Đối với mạng cảm biến không dây, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tối đa hóa tuổi thọ mạng bắt đầu ở lớp vật lý Tại lớp vật lý, năng lượng được sử dụng trong hoạt động mạch vô tuyến điện và truyền dòng bit Năng lượng được sử dụng

32

để chạy mạch vô tuyến được cố định trong khi năng lượng để truyền tải dữ liệu có thể thay đổi Có một sự cân bằng giữa truyền tải và lỗi Lựa chọn đúng công suất truyền tải là cần thiết để giảm thiểu tổn thất năng lượng và để mạng vận hành hiệu quả hơn

Các lớp vật lý trong một mạng cảm biến không dây phải có năng lượng hiệu quả Thiết kế lớp vật lý bắt đầu với việc thiết kế bộ thu phát vô tuyến Việc thiết kế hoặc lựa chọn một bộ thu phát vô tuyến là rất quan trọng vì chúng có thể tác động đến hiệu năng của lớp giao thức Bộ thu phát vô tuyến là thành phần tiêu tốn năng lượng nhất trong node cảm biến nên cần giảm thiểu năng lượng chỉ đủ để thực hiện chức năng của nó và giao tiếp Giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng ở lớp vật lý đòi hỏi phải có mạch năng lượng và tối ưu được năng lượng truyền tải Mạch năng lượng có thể được giảm thiểu với giảm thời gian thức và thời gian khởi động Thời gian khởi động ngắn hơn sẽ tiết kiệm lượng năng lượng tiêu thụ Ngoài ra, một số giải pháp khắc phục nhược điểm của lớp vật lý cũng được đề xuất như lựa chọn băng thông hay các sơ đồ điều chế phù hợp để tiết kiểm điện năng tiêu thụ Trong tương lai, để nâng cao hiệu quả làm việc của lớp vật lý đòi hỏi các bộ thu phát vô tuyến với công suất thấp, các kĩ thuật siêu băng rộng, các sơ đồ điều chế đơn giản nhằm giảm sự đồng bộ hóa và sự tiêu hao năng lượng

2.3.5 Lớp ứng dụng [1]

Lớp ứng dụng là ranh giới giữa môi trường kết nối các hệ thống mở với các tiến trình ứng dụng, một ứng dụng của hệ thống mở nào đó muốn trao đổi thông tin phải thông qua lớp ứng dụng, lớp ứng dụng cung cấp các phương tiện cần thiết để các ứng dụng có thể truy nhập vào môi trường OSI

Mặc dù ứng dụng của mạng cảm biến không dây là đa dạng tuy nhiên các giao thức lớp ứng dụng tiềm năng cho các mạng cảm biến vẫn còn là một thách thức cần được khám phá Có thể áp dụng ba giao thức lớp ứng dụng trong phần này, chúng là giao thức quản lý bộ cảm biến và phân công nhiệm vụ, giao thức quảng cáo dữ liệu

và truy vấn và giao thức truyền dữ liệu

33

2.3.6 Các mặt phẳng chéo [2]

Mặt phẳng quản lý công suất: Điều khiển việc sử dụng công suất của node

cảm biến Ví dụ: node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nó nhận một bản tin để tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức công suất của node cảm biến thấp, nó

sẽ phát tín hiệu sang các node cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến Công suất còn lại được giành cho nhiệm vụ cảm biến

Mặt phẳng quản lý di chuyển: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển

động của các node Từ đó có thể xác định được các node lân cận

Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ

cảm biến giữa các node trong vùng đó đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm

Tiếp cận kiến trúc giao thức theo các mặt phẳng chéo trong mạng cảm biến không dây dẫn đến việc quản lý năng lượng hiệu quả hơn trong cách tiếp cận lớp truyền thống Trong khi phương pháp tiếp cận lớp truyền thống kéo dài chi phí đầu vào, phương pháp tiếp cận chéo giảm thiểu những chi phí này bằng cách chia sẻ dữ liệu giữa các lớp Trong cách tiếp cận lớp chéo, ngăn xếp giao thức được coi là một

hệ thống chứ không phải các lớp riêng lẻ, độc lập với nhau

Kết luận chương 2 Chương 2 đã nghiên cứu về kiến trúc phần cứng và phần

mềm trong mạng cảm biến, cụ thể là kiến trúc phần cứng kiểu ngăn xếp UWASA và SurfNet bởi vì tính linh hoạt của nó trong việc quản lý các ứng dụng, dễ thích nghi với các phần mềm, với các kiến trúc mạng, phù hợp nhu cầu mở rộng quy mô mạng, phát triển thêm ứng dụng trong thực tế Từ kết quả nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các kiểu mạng và các kiến trúc mạng luận văn sẽ đưa ra đề xuất xây dựng ứng dụng mạng cảm biến không dây áp dụng cho cây trồng trong nông nghiệp Nội dung phần này sẽ được trình bày cụ thể ở chương 3