Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network | WSN) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với node quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng xử lý tốc độ cao, triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.
PHẦN I: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không 1.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây .5 1.4 Ứng dụng CHƯƠNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY 2.1 Kỹ thuật cảm biến 2.1.1 Khái niện NODE cảm biến 2.1.2 Phần cứng phần mềm 2.1.3 Phân loại cảm biến .10 2.2 Kỹ thuật truyền dẫn .11 2.2.1 Quá trình truyền sóng 11 2.2.2 Điều chế tín hiệu 12 2.2.3 Các công nghệ không dây 14 CHƯƠNG GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP 19 3.1 Mơ hình giao thức chi WSNs 19 3.2 Giao thức MAC .20 3.3 Giao thức MAC cho mạng WSN 29 3.4 Sensor-MAC 37 3.4.1 Tổng quan 37 3.4.2 Lắng nghe nghỉ theo chu kỳ 38 3.4.3 Sự phối hợp lựa chọn lịch làm việc .38 3.4.4 Đồng khung thời gian 40 3.4.5 Lắng nghe thích ứng 41 3.4.6.Điều khiển truy cập trao đổi liệu 42 3.4.7 Chuyển thông điệp 43 3.5 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs 44 CHƯƠNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 47 4.1 Sự phân phối tập hợp liệu 47 4.2 Gia thức định tuyến 48 4.2.1 Các kỹ thuật định tuyến 50 4.2.2 Flooding biến thể .51 4.2.3 Giao thức định tuyến thông qua thỏa thuận 54 4.2.4 Phân nhóm phân bậc tương thích .59 4.2.5 Trung tâm hiệu cồn suất hệ thống tin cảm biến 64 4.2.6 Truyền tin trực tiếp .66 4.2.7 Định tuyến theo vị trí 69 CHƯƠNG HỆ ĐIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 75 5.1 Thiết kế hệ điều hành .75 5.2 Một số HDH cho mạng WSN 77 5.2.1 TinyOS .77 5.2.2 MagentOS 78 5.2.3 MANTIS 78 5.2.4 Mate 79 PHẦN I: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WIRELESS SENSOR NETWORK) CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến khơng dây (Wireless Sensor Network | WSN) bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ thu thập thông tin liệu phân tán với quy mô lớn điều kiện vùng địa lý Mạng cảm biến khơng dây liên kết trực tiếp với node quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua điểm thu phát (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh Lợi chủ yếu chúng khả xử lý tốc độ cao, triển khai loại hình địa lý kể môi trường nguy hiểm sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn node triển khai dầy đặc bên gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thơng tin liệu Vị trí cảm biến khơng cần định trước cho phép triển khai ngẫu nhiên vùng tiếp cận khu vực nguy hiểm Khả tự tổ chức mạng cộng tác làm việc cảm biến không dây đặc trưng mạng Với số lượng lớn cảm biến không dây triển khai gần truyền thơng đa liên kết lựa chọn để công suất tiêu thụ nhỏ (so với truyền thông đơn liên kết) mang lại hiệu truyền tín hiệu tốt so với truyền khoảng cách xa Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập số liệu, định tuyến số liệu thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) định tuyến tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến nút cảm biến Số liệu định tuyến phía thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết khơng có sở hạ tầng tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức khơng có trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần là: cảm biến, xử lý, thu phát không dây nguồn điện Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến có thành phần bổ sung hệ thống tìm vị trí, sinh lượng thiết bị di động Các thành phần nút cảm biến thể hình 1.2 Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần đầu đo cảm biến (Sensor) chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự thu nhận từ đầu đo, sau chuyển sang tín hiệu số chuyển đổi ADC, đưa tới xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với nhớ nhỏ, phân tích thơng tin cảm biến quản lý thủ tục cộng tác với nút khác để phối hợp thực nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin nút cảm biến mạng kết nối khơng dây, vơ tuyến, hồng ngoại tín hiệu quang Một thành phần quan trọng nút cảm biến nguồn Bộ nguồn, pin ắcquy, cung cấp lượng cho nút cảm biến không thay nên nguồn lượng nút thường giới hạn Bộ nguồn hỗ trợ thiết bị sinh điện, ví dụ pin mặt trời nhỏ Hầu hết công nghệ định tuyến mạng cảm biến nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có nhận biết vị trí với độ xác cao Do đó, nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đơi cần thiết để di chuyển nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo nhiệm vụ phân công 1.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây o Kích thước vật lý nhỏ gọn o Kích thước công suất tiêu thụ chi phối khả xử lý, lưu trữ tương tác thiết bị sở o Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao o Khả liên kết vật lý phân cấp điều khiển hạn chế o Tính đa dạng thiết kế sử dụng o Hoạt động tin cậy o Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.4 Ứng dụng Giám sát điều khiển công nghiệp Phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động hệ thống, trạng thái van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ áp suất nguyên liệu lưu trữ; hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo Tự động hố gia đình điện dân dụng Mục đích lớn mạng cảm biến khơng dây gia đình mong chờ mức tiêu thụ điện thấp Ứng dụng khác gia đình việc hỗ trợ dịch vụ gia đình ơtơ: ổ khố khơng dây, cảm biến cửa vào cửa sổ, điều khiển bóng đèn khơng dây, chủ nhà có thiết bị tương tự key-fob với nút bấm Khi bấm nút, thiết bị khoá tất cửa vào cửa sổ nhà, tắt hầu hết bóng đèn nhà (trừ vài bóng đèn ngủ), bật bóng đèn an toàn nhà, thiết lập hệ thống HVAC đến chế độ ngủ Người sử dụng nhận tiếng beep đáp thể tất thực thành cơng, nghỉ ngơi hồn tồn, ngơi nhà an tồn Khi cánh cửa hỏng mở, vấn đề tồn tại, hình hiển thị thiết bị thị nơi bị hỏng Triển vọng mạng cảm biến không dây quân Vì mạng cảm biến dựa sở triển khai dày đặc với nút giá rẻ dùng lần, việc bị địch phá huỷ số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt Một số ứng dụng mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát phát vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân Mạng cảm biến không dây y tế giám sát sức khoẻ Một số ứng dụng y tế mạng cảm biến không dây cung cấp khả giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm bệnh viện; kiểm tra di chuyển chế sinh học bên côn trùng loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa số liệu sinh lý người; giám sát, kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bên bệnh viện Mạng cảm biến không dây với môi trường ngành nông nghiệp Theo dõi di chuyển lồi chim, lồi thú nhỏ, trùng; kiểm tra điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng vật ni; tình trạng nước tưới; cơng cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất phạm vi rộng thám hiểm hành tinh; phát hóa học, sinh học; tính tốn nơng nghiệp; kiểm tra mơi trường khơng khí, đất trồng, biển; phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng mạng cảm biến không dây sử dụng trang trại chăn ni Người chăn ni sử dụng mạng cảm biến q trình định vị trí động vật trang trại với cảm biến gắn theo động vật, xác định yêu cầu cho phương pháp điều trị để phòng chống động vật ký sinh Người chăn nuôi lợn gà có đàn chuồng ni mát, thống khí Mạng cảm biến khơng dây sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn CHƯƠNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY 2.1 Kỹ thuật cảm biến 2.1.1 Khái niện NODE cảm biến Mạng WSN gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ vùng địa lý Các Node (sensor nodes) có khả liên lạc vô tuyến với node lân cận chức xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng bắt tay với node lân cận để truyền liệu từ nguồn đến trung tâm Chức cở node mạng WSN phụ thuộc vào ứng dụng nó, số chức chính: Xác định giá trị ác thông số nơi lắp đặt, trả nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng… nơi khảo sát Phát tồn kiện cấn quan tâm ước lượng thơng số kiện Như mạng WSN dùng giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết đước di chuyển xe cộ, đo tốc độ hướng di chuyển phương tiện Phân biệt đối tượng, ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận biết xe con, xe máy… Theo dấu đối tượng, ví dụ mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải cấp nhật vị trí phương tiện địch thủ chúng di chuyển vùng giám sát Các hệ thống đáp ứng thời gian thực hay gần thế, tùy theo yêu cầu mục đích thông tin cần thu thập Cảm biến gồm nhiều nhóm chức cơ, hóa, nhiệt, từ , điện, sinh … Cảm biến đưa bên ngồi mơi trường nguy hại, mơi trường có nhiệt độ cao, mức dao động nhiễu lớn, mơi trường hóa chất động hại lắp đặt hệ thống robot tự động hay hệ thống nhà xưởng sản xuất Cộng nghệ cảm biến điều khiển bao gồm trường điện từ, cảm biến sóng radio, cảm biến quang, hồng ngoại, lasers, cảm biến vị trí hay định vị 2.1.2 Phần cứng phần mềm Với kích thước nhỏ, mà khối lượng cơng việc sử lý node nhiều xử lý tín hiệu, nén, phát sửa lối, điều khiển, phân nhóm tính tốn mạng, tự kết hợp, định tuyến, quản lý kết nối… Để có chức phần cứng node phải có phân như: phận cảm biến, phân xử lý nguồn Bên cạnh phần mềm (hay OS) cho node phải tối ưu với kích thướng nhỏ node số lượng cơng việc làm node Phần cứng: nhóm Nguồn cung cấp: Đảm bảo lượng cho node hoạt động tối ưu thời gian yêu cầu Lưu trữ tính tốn: phục vụ cho chức xử lý, điều chế số định tuyến… Cảm biến: biến đổi thông số môi trường thành thông tin Liên lạc: trao đổi liệu node với trung tâm Phần mềm: nhóm Hệ điều hành: liên kết phần mềm chức xử lý Sensor Driver: module quản lý chức phần tử cảm biến Bộ xử lý thông tin: quản lý chức thông tin, gồm định tuyến, chuyển gói tin, trì giao thức, mã hóa sửa lỗi Bộ xử lý liệu: xử lý tín hiệu lưu trữ, thường node xử lý mạng 2.1.3 Phân loại cảm biến Bởi đa dạng cảm biến, nên có tiêu chí để phân loại loại cảm biến: Kích Khả Công Khả Chế độ Giao thức Giao Các kết mô cho thấy cấu trúc mở rộng PEGASIS giao thức LEACH cải thiện đáng kể nhược điểm giao thức định tuyến truyền thống 4.2.6 Truyền tin trực tiếp Truyền tin trực tiếp (Directed diffusion) giao thức định tuyến liệu trung tâm cho mạng WSNs Chức giao thức tiết kiệm lượng cho mạng cách tạo tương tác node qua trao đổi thông điệp phạm vi lân cận Thành phần giao thức gồm thơng điệp interests, data messages, gradients reinforcements (sự nâng cao) Thông điệp interests xem lời hỏi hay lời yêu cầu mà node cần liệu gởi đến node khác Node đáp ứng cho yêu cầu trả lời liệu tương ứng Trạm gốc phát quảng bá theo chu kỳ gói interests đến node mạng xung quanh để xác định xem có node phát liệu mà cần hay khơng Mỗi node cảm biến có interest cache xem nhớ bao gồm trường ti mestamp chứa timestamp gói interest phù hợp trước đó, trường multiple gradient chứa tốc độ hướng liệu nhận được, trường duration thời gian sống thơng điệp interest Hình 66 miêu tả trình truyền interest mạng WSN Sự truyền thông điệp interest qua mạng kết hợp xây dựng gradient (có thể xem hướng tốc độ truyền) node mạng hình thành liên kết trạm gốc node có liệu Một node nhận thơng điệp, kiểm tra thơng điệp có trùng với liệu có tronh interest cache khơng Nếu có, node tính tốc độ cao số đường gradient liên kết với node lân cận Sau node gởi mơ tả kiện cho node có liên kết Nếu khơng có interest trùng, node bỏ qua thơng điệp Hình cho thấy trình cài đặt gradient (tốc độ hướng liên kết có thể) Trong suốt pha cài đặt gradient trạm gốc tạo nhiều tuyến Trạm gốc tăng chất lượng đường truyền cách tăng tốc độ liệu cho hay nhiều số đường vừa tạo Đường có chất lượng tốt giữ lại bỏ đường lại Sau xây dựng xong tuyến liên lạc từ trạm gốc đến node có liệu, trình truyền liệu bắt đầu Nếu đường truyền bị hỏng tác động kênh truyền hay node khơng đủ lượng để hoạt động phát dựa vào tốc độ liệu bị giảm hay liệu Lúc đường có tốc độ liệu thấp dùng thay cho đường bị hỏng Kỹ thuật truyền tin trực tiếp có hiệu suất sử dụng lượng cao, ổn định với mơi trường mạng có đặc tính động 4.2.7 Định tuyến theo vị trí Mục tiêu giao thức định tuyến theo vị trí dùng thơng tin vị trí để tìm tuyến liên lạc hiệu từ nguồn đến đích Định tuyến theo vị trí thích hợp cho mạng cảm biến, tập hợp liệu loại bớt thông điệp dư thừa làm giảm lượng tiêu thụ Trong giao thức truyền thống, tương tác thiết bị quan tâm đến nội dung liệu đồng node mạng Mục tiêu tìm đường liên kết thiết bị, khơng thích hợp để điều khiển truy vấn đa chiều theo vị trí Trong giao thức này, thiết bị phát yêu cầu tượng xảy khu vực Thơng tin cục đưa đến đích kèm theo vị trí thiết bị địa Giao thức định tuyến theo vị trí cần lượng overhead chi phí cho tính tốn thơng tin Mặc khác, u cầu thơng tin đường truyền cấu hình single-hop (một bước) vị trí node lân cận tốt để có định xác Do vậy, giao thức phù hợp với mạng có nguồn lượng hạn chế khả mở rộng cao Chiến lược định tuyến Định tuyến theo vị trí node mạng dùng thơng tin vị trí để tìm đường tốt từ nguồn đến đích, khơng u cầu phải phát flooding gói request Một gói liệu gởi đến nhóm node phân bố vùng định trước, kỹ thuật gọi geocasting Vùng giới hạn node nguồn định hay node trung gian để loại trừ khả gói bị chuyển lòng vòng mạng Các node trung gian có hiểu biết tốt đích đến giới hạn vùng chuyển tiếp để tìm hướng trực tiếp đến đích Ý tưởng giống với đặc tính liệu-trung tâm mạng cảm biến, quan tâm đến liệu node cảm biến cung cấp liệu Một loại khác giao thức định tuyến vị trí gọi position-based routing, yêu cầu node biết thông tin node lân cận trực tiếp Giao thức giảm đáng kể overhead lượng tiêu thụ trình truyền chặng Tuy nhiên, hiệu phụ thuộc vào mật độ mạng, vị trí xác node, quan trọng qui ước chuyển gói đến đích Các kỹ thuật forwarding (chuyển tiếp gói) Phần quan trọng định tuyến theo vị trí qui ước để chuyển gói đến đích cuối Trong giao thức position-based routing node định bước dựa vào vị trí nó, vị trí node lân cận node đích Do chất lượng giao thức phụ thuộc vào hiểu biết node cấu hình tồn mạng Sự hiểu biết cấu trúc nội tạo đường khơng tối ưu Hình 6.15 minh họa cho trường hợp này, gói liệu chuyển tiếp qua node biết thông tin nội trường hợp node biết thơng tin tồn mạng lưới Tuy nhiên, hiểu biết cấu hình tồn hệ thống khơng thích hợp mạng WSN lượng hoạt động bị giới hạn Để giải vấn đề nhiều giải thuật đề nghị Xem xét mô hình 6.16, node có liệu cần chuyển MH Quá trình chọn lựa node trung gian nguyên tắc node nằm gần đích đến MH (tức nằm MH đích) chọn Chiến thuật most-forward-within-R (MFR) chọn node nằm xa số node nằm vùng bao phủ R Theo đó, bước chọn MH để chuyển tiếp liệu node MFR Một chiến thuật khác, nearest-forward-progress, lựa chọn node gần Node NFP chọn để nhận liệu từ node MH node gần tính từ MH Mơ hình compassing routing chọn node có góc nhỏ tạo đường thẳng nối MH-đích đường thẳng nối MH node chọn Theo đó, node CMP chọn Mơ hình low-energy forward chọn node tối thiểu lượng yêu cầu Node LEF chọn để chuyển tiếp gói từ MH đến đích Mặc dù tính đơn giản, định tuyến theo vị trí node khơng tìm tuyến hay định tuyến khơng hiệu Hình 6.17 minh họa trường hợp Node S1 cần chuyển gói liệu cho D Theo đó, node S1 phải chọn node lân cận gần đến đích bước Tuy nhiên S2 S3 nằm cách xa node đích node S1 Trong môi trường mạng WSN, cảm biến thường nhúng vào vùng khó khơng thể tiếp cận được, lập xảy Để phá vỡ lập, mơ hình gọi right-hand rule đưa Một gói xuất phát từ node N i muốn truyền gói đến node Nj, xung quanh có nhiều node lận cận tuyến chọn tuyến theo qui tắc ngược chiều kim đồng hồ tính từ đường thẳng nối NiNj Tuy nhiên giản đồ gặp phải trường hợp tuyến cắt ngang đường thẳng nối nguồn đích Một giải thuật gọi face traversal nhằm tránh đường cắt ngang Nếu tuyến chọn theo qui tắc right-hand giao với đường thẳng nối NiNj tuyến chọn tuyến theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Minh họa cho trình cải thiện chất lượng định tuyến áp dụng qui tắc right-hand face traversal Giả sử node S1 cần chuyển liệu đến đích node S8 Tuyến (1) từ S1 đến S2 Kế qui tắc right-hand chọn tuyến (2) đến S3 Tuy nhiên, tuyến giao với đường thẳng nối nguồn đích Nếu giữ nguyên làm giảm hiệu việc định tuyến Vì tuyến cần thay tuyến (4) tuyến sau tuyến (2) theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Quá trình định tuyến tiếp tục tìm đường đến đích Định tuyến theo vị trí phù hợp cho mạng WSN u cầu thơng tin cho điều khiển tương tác cục node Tuy nhiên, liên kết bất đối xứng đường giao làm tăng độ phức tạp giao thức CHƯƠNG HỆ ĐIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 5.1 Thiết kế hệ điều hành Mạng WSN dùng để giám sát, điều khiển môi trường vật lý điều kiện mà việc điều hành gặp khó khăn hay khơng khả thi Với tích hợp cảm nhận thơng tin, tính tốn liên lạc khơng dây, thiết bị cảm nhận tượng vật lý, tiền xử lý thông tin chia sẻ thông tin xử lý với node lân cận Thơng tin thường dòng đơn hướng từ node cảm biến trạm gốc Tại thời điểm, mạng WSN không hệ sở liệu mà mạng hạn chế tài nguyên với hầu hết chức mạng, chúng thường dùng để giám sát kiện thu thập liệu Do đó, mơi trường hướng kiện liệu trung tâm Mạng WSN dạng đặc biệt hệ thống mạng phân bố tương tự hệ thống sở liệu, thời gian thực hệ thống nhúng Các khác loại ứng dụng mạng WSN chức cảm biến, tần số vi xử lý, kích thước nhớ băng thông thu phát Mặc dù node cảm biến có nhiều điểm khác nhau, phần cứng chúng giống nhau: cảm biến vật lý, vi xử lý hay vi điều khiển, nhớ, thu phát vô tuyến pin Do đó, phần cứng cảm biến phải xếp cho hệ thống hoạt động xác hiệu Mỗi node cảm biến cần hệ điều hành (OS) để điều khiển phần cứng, cung cấp tác động đến phần mềm ứng dụng lấp đầy lỗ trống ứng dụng phần cứng phía Hệ điều hành truyền thống hoạt động phần mềm ứng dụng phần cứng thường thiết kế cho trạm làm việc máy tính cá nhân với lượng lớn tài nguyên Các hệ điều hành truyền thống phần mềm hệ thống, gồm chương trình quản lý tài nguyên, điều khiển thiết bị ngoại vi cung cấp tác động phần mềm đến phần mềm ứng dụng Các chức hệ điều hành truyền thống quản lý việc xử lý, nhớ, CPU, file hệ thống thiết bị Các hệ điều hành truyền thống khơng phù hợp cho mạng WSN WSN có tài nguyên hạn chế ứng dụng rộng, cấu hình đa dạng WSN cần dạng hệ điều hành mới, xem xét đến đặc điểm riêng mạng Có nhiều vấ đề để xem xét thiết kế hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây Hệ điều hành cần quản lý lên kế hoạch cho việc xử lý Vấn đề quản lý nhớ Kiểu chế độ nhân (kernel) Giao tiếp chương trình ứng dụng (API) Cập nhật mã lập trình lại Node khơng có lưu trữ ngồi, hệ điều hành cho WSN khơng thể có file hệ thống Hệ điều hành cho cảm biến nên cung cấp chức sau: Kích thước nén nhỏ node cảm biến có dung lượng nhớ nhỏ Cung cấp theo thời gian thực ứng dụng thời gian thực Kỹ thuật quản lý tài nguyên hiệu để phân thời gian cho vi xử lý hạn chế nhớ Phân phối mã tin cậy hiệu chức thực thi node cảm biến phải thay đổi sau thiết lập hệ thống Quản lý công suất giúp kéo dài thời gian sống cải thiện chất lượng hệ thống Cung cấp giao diện lập trình chung cho phần mềm cảm biến hay phần mềm ứng dụng Điều cho phép truy cập điều khiển phần cứng trực tiếp để tối ưu thực thi hệ thống 5.2 Một số HDH cho mạng WSN 5.2.1 TinyOS Thiết kế TinyOS cho phép phần mềm ứng dụng truy cập phần mềm trực tiếp yêu cầu TinyOS hai vấn đề: cách để bảo đảm dòng liệu đồng thời số thiết bị phần, cách cung cấp thành phần lắp đặt với overhead nhỏ dành cho xử lý lưu trữ Các vấn đề quan trọng TinyOS yêu cầu quản lý phần cứng tài nguyên cách hiệu TinyOS dùng kiểu dựa kiện để cung cấp mức cao ứng dụng đồng thời với lượng nhớ nhỏ So sánh với cách tiếp cận dựa vùng stack, yêu cầu khoảng stack phải dành riêng cho ngữ cảnh thực thi tốc độ chuyển đổi ngữ cảnh thực thi chậm phương pháp dựa kiện, TinyOS có lưu lượng cao Nó tạo tác vụ liên kết với kiện cách nhanh chóng, mà khơng gây nghẽn hay lặp vòng Khi CPU nghỉ, việc xử lý vào trạng thái ngủ để bảo toàn lượng TinyOS gồm lập lịch nhỏ (scheduler) dãy phận cấu thành Bộ lập lịch lập kế hoạch hoạt động cho thành phần Mỗi thành phần gồm phần: điều khiển lệnh, điều khiển kiện, khung kích thước cố định nén nhóm tác vụ Các lệnh tác vụ thực thi ngữ cảnh khung hoạt động theo trạng thái Mỗi thành phần khai báo lệnh kiện phép tính module tương tác dễ dàng với thành phần khác Hệ điều hành WSN định nghĩa ba dạng thành phần: mô tả phần cứng, phần cứng tổng hợp thành phần phần mềm mức cao Thành phần mô tả phần cứng thành phần mức thấp Chúng ánh xạ phần cứng vật lý thiết bị I/O, thu phát vô tuyến, cảm biến Mỗi thành phần ánh xạ trạng thái làm việc phần cứng thường thành phần mô tả phần cứng Một đánh giá TinyOS có số lợi ích sau: TinyOS đòi hỏi mã lượng liệu nhỏ Các kiện truyền cách nhanh chóng tốc độ thực thi tác vụ chuyển đổi ngữ cảnh tương ứng diễn cao TinyOS có tính module hiệu 5.2.2 MagentOS MagnetOS hệ điều hành thích nghi phân bố thiết kế đặc biệt cho ứng dụng bảo tồn lượng Các hệ điều hành khác khơng cung cấp kỹ thuật thích ứng mạng rộng hay cách thức cho ứng dụng để xây dựng tài nguyên node hiệu Mục đích MagnetOS thích ứng với tài nguyên lớp dưới, hiệu bảo quản lượng, cung cấp rút tổng quát cho ứng dụng, khả mở rộng cho mạng lớn 5.2.3 MANTIS MANTIS hệ điều hành nhúng đa luồng với phần cứng single-board cho phép thiết lập ứng dụng nhánh chóng dễ dàng Mục đích chìa khóa dễ dàng cho người lập trình, MANTIS dùng cấu trúc đa luồng phân lớp cổ điển ngơn ngữ lập trình tiêu chuẩn Cấn trúc phân lớp chứa đa luồng, lập lịch ưu tiên với việc phân hỏ thời gian, đồng I/O theo ngăn chặn qua lại, vùng stack giao thức mạng, driver thiết bị Lõi (kernel) MANTIS phân biệt chức 500 bytes RAM MANTIS dùng C để thiết lập lõi API Một số hệ điều hành khác dùng cho mạng WSN OSPM, EYES OS, SenOS, EMERALDS, PicOS,… Vấn đề việc thiết kế hệ điều hành cho WSN kích thước (yêu cầu nhớ), hiệu sử dụng lượng lập kế hoạch cho tác vụ, cập nhật phân phối mã hiệu quả, giao diện lập trình ứng dụng chung 5.2.4 Mate Mate thiết kế để làm việc phía TinyOS thành phần Nó dịch byte-code nhằm tạo cho TinyOS dùng với người lập trình khơng thành thạo cho phép lập trình nhanh chóng hiệu cho mạng Trong Mate mã chương trình làm theo bao gói (capsules) Mỗi gói có 24 chương trình, chiều dài chương trình byte Các gói chứa dạng thông tin, làm cho ánh xạ mã dễ dàng Mate capsules tự thiết đặt chúng vào mạng Mate thực thi giao thức định tuyến ad hoc dạng khơng có phát mốc báo hiệu (beaconless) có khả để cài đặt giao thức định tuyến Các gói phân loại thành nhóm: thơng điệp gởi, thơng điệp nhận, định thời chương trình Một kiện kích cho Mate hoạt động Mate dùng máy ảo cho phát triển ứng dụng, mà cơng cụ để quản lý điều khiển mạng cảm biến ... PHẦN I: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WIRELESS SENSOR NETWORK) CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network | WSN) bao gồm tập hợp thiết... truyền tín hiệu tốt so với truyền khoảng cách xa Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập số liệu, định tuyến số liệu thu nhận... thành phần nút cảm biến thể hình 1.2 Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần đầu đo cảm biến (Sensor) chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự thu nhận từ đầu đo, sau chuyển sang tín