Mạng cảm biến(Sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Tổng quan mạng cảm biến không dây Báo cáo thí nghiệm Page Tổng quan mạng cảm biến khơng dây Mục Lục Báo cáo thí nghiệm Page Giới thiệu chung Sự phát triển internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với tiến khoa học kỹ thuật tạo điều kiện cho hệ cảm biến mới, với giá thành thấp, khả triển khai quy mô lớn với độ xác cao Cơng nghệ điều kiển cảm biến gồm: Cảm biến dây, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến quang điện hồng ngoại, laser rada cảm biến định vị dẫn đường Các tiến lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép làm giảm kích thước, trọng lượng chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả hoạt động độ xác Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng thời gian sống Cơng nghệ điều khiển cảm biến có tiềm lớn, không khoa học nghiên cứu, mà quan trọng chúng sử dụng rỗng rãi ứng dụng liên quan đến bảo vệ cơng trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ mơi trường, lượng, an tồn thực phẩm, sản xuất, nâng cao chất lượng sống kinh tế… Với mục tiêu giảm giá thành tăng hiệu công nghiệp thương mại, mạng cảm biến không dây mang đến tiện nghi ứng dụng thiết thực, nâng cao chất lượng sống cho người Trong nội dung tài liệu này, trình bày kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây, cách thức thiết kế từ đơn giản đến phức tạp Bên cạnh ứng dụng phổ biến, có nhiều tiềm năng, ứng dụng thực tế Một nhìn tổng qt mạng cảm biến khơng dây Chúng em xin chân thành cảm ơn hưỡng dẫn nhiệt tình thầy Dương Trọng Lượng Sự gợi ý mở góp ý thầy hỗ trợ nhiều để chúng em hồn thành đề tài Báo cáo thí nghiệm Page Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến(Sensor network) cấu trúc, kết hợp khả cảm biến, xử lý thông tin thành phần liên lạc để tạo khả quan sát, phân tích phản ứng lại với kiện tượng xảy môi trường cụ thể Mơi trường giới vật lý, hệ thống sinh học Các ứng dụng mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập liệu, quan sát, theo dõi ứng dụng y học Tuy nhiên ứng dụng mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng địi hỏi đa dạng khơng bị giới hạn Các thành phần cấu tạo nên mạng cảm biến: • • • • Các cảm biến phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố dải Mạng lưới liên kết cảm biến (có dây không dây) Điểm trung tâm, tập hợp liệu (Clus Tering) Bộ phận xử lý liệu trung tam Một node cảm biến định nghĩa kết hợp cảm biến phận xử lý, hay cịn gọi mote Mạng cảm biến khơng dây( WSN ) mạng cảm biến kết nối node cảm biến sóng vơ tuyến 1.1.1 Công nghệ Sensor NetWork Trong mạng Sensor Network, cảm biến xem thành phần quan trọng phục vụ cho ứng dụng Công nghệ cảm biến điều khiển bao gồm cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, lasers, radar, cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc thông số môi trường, cảm biến phục vụ lĩnh vực an ninh, sinh hóa… Ngày nay, cảm biến sử dụng với số lượng lớn Mạng WSNs có đặc điểm riêng, cơng suất bị giới hạn, thời gian cung cấp lượng nguồn(chủ yếu pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ đa điểm – điểm, số lượng lớn node cảm biến Cảm biến gồm dãy Báo cáo thí nghiệm Page cảm biến kích thước đa dạng, từ nano(1 – 100 nm), meso(100 – 10000 nm), micro(10 – 1000um), macro(vài mm - m)… Do đặc tính mạng WSNs di động trước chủ yếu phục vụ cho ứng dụng qn nên địi hỏi tính bảo mật cao Ngày nay, ứng dụng WSNs mở rộng cho ứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo nên tính thương mại cao cho mạng WSNs Các nghiên cứu gần phát triển thông tin công suất thấp với node xử lý giá thành thấp có khả tự phân bố, xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải toán quan trọng mạng WSNs khả cung cấp lượng cho node bị giới hạn Các mơ hình khơng dây, có mạch tiêu thụ lượng thấp ưu tiên phát triển Hiệu sử dụng công suất WSNs tổng qt dựa tiêu chí: • Chu kỳ vận động ngắn • Xử lý liệu nội node để giảm chiều dài liệu, thời gian truyền • Mơ hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua làm giảm suy hao tổng cộng, giảm công suất cho đường truyền WSNs chia làm loại, theo mơ hình kết nối định tuyến mà node sử dụng: Loại (C1WSNs): • Sử dụng giao thức định tuyến động • Các node tìm đường tốt đến đích • Vai trò node sensor với node sensor trạm lặp (repeater) • Khoảng cách lớn (hàng trăm mét) • Khả xử lý liệu node chuyển tiếp • Mạng phức tạp Loại (C2WSNs): • Mô hình đa điểm – điểm, hay điểm – điểm, kết nối radio đến node trung • • • • • tâm Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh Một node không cung cấp thông tin đến node khác Một khoảng cách vài trăm mét Node chuyển tiếp khả xử lý liệu cho node khác Hệ thống tương đối đơn giản Báo cáo thí nghiệm Page Tiêu chuẩn tần số áp dụng cho WSNs IEEE 802.15.4 Hoạt động tần số 2.4GHz công nghiệp, khoa học y học(ISM), cung cấp đường truyền liệu lên đến 250kbps khoảng cách từ 30 đến 200feet Zigbee/IEEE802.15.4 thiết kế để bổ xung cho công nghệ không dây Bluetooth, Wifi, Ultrawideband(UWB), mục đích phục vụ cho ứng dụng thương mại Với đời của Zigbee/IEEE802.15.4, hệ thống dần phát triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép cảm biến truyền thông tin qua kênh tiêu chuẩn hóa Nhiều nghiên cứu lĩnh vực mạng mobile ad hoc (MANETs) WSNs tương tự MANETs theo vài đặc điểm Cả hai chuẩn mạng wireless, multihop Tuy nhiên, ứng dụng kỹ thuật hai hệ thống có khác • Dạng thông tin thường WSNs đa nguồn liệu truyền đến nơi nhận, khác hẳn điểm – điểm MANETs • Các node WSNs di động, ad hoc node di động • Trong WSNs, liệu từ cảm biến chủ yếu tượng, kiện giới thực Ở MANETs chủ yếu liệu • Nguồn giới hạn, lượng WSNs quản lý, sử dụng chặt chẽ Trong MANETs khơng bị buộc nguồn cung cấp thiết bị thông tin thay nguồn cung cấp thường xuyên người dùng • Số lượng node WSNs lớn, MANETs Do khác biệt mơ hình giao thức mà giao thức định tuyến MANETs khơng thể áp dụng hồn tồn cho WSNs Tuy nhiên WSNs, phần MANETs( ad hoc) 1.1.2 Ứng dụng mạng cảm biến • Quân sự: theo dõi mục tiêu, chiến trường, nguy cơng ngun tử, sinh hóa… • Mơi trường: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lút… • Y tế, sức khỏe: giám sát bệnh nhân bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển từ xa… • Gia đình: ngơi nhà thơng minh, điều khiển thiết bị điện, hệ thống sưởi ấm… Báo cáo thí nghiệm Page • Thương mại: điều khiển mơi trường cơng nghiệp, văn phịng, giám sát xe cộ, giao thông… 1.2 Tổng quan kỹ thuật WSNs Như đề cập trên, vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lý node nguồn trung tâm, số dùng giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi xử lý trước node Thay gửi liệu đến node chuyển tiếp, node thường dùng khả xử lý liệu để giải trước phát Với dạng có cấu trúc, liệu xử lý đến mức tốt nhờ làm giảm lượng cần dùng băng thông kênh truyền Một vài kỹ thuật tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến sau: Cảm biến: • Chức • Xử lý tín hiệu • Nén giao thức phát hiện, sửa lỗi • Phân chia Cluster • Tự phân nhóm Kỹ thuật truyền vơ tuyến: • Dãy truyền sóng • Sự hư hại đường truyền • Kỹ thuật điều chế • Giao thức mạng Tiêu chuẩn: • IEEE802.11a/b/g • IEEE802.15.1 PAN/Bluetooth • IEEE802.15.3 Ultrawideband(UWB) • IEEE802.15.4/Zigbee(IEEE802.15.4 tiêu chuẩn cho vô tuyến, Zigbee phần mềm ứng dụng mạng logic) • IEEE802.16 Wimax • IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group) • Mobile IP Phần mềm ứng dụng: • Hệ điều hành • Phần mềm mạng • Phần mềm kết nối sở liệu trực tiếp • Phần mềm Middleware • Phần mềm quản lý liệu Báo cáo thí nghiệm Page 1.2.1 Các thành phần cấu trúc mạng cảm biến Các thành phần thiết kế trọng tâm mạng WSNs cần đặt ngữ cảnh mô hình WSNs dạng 1(C1WSNs) đẵ giới thiệu phần trước Bởi mơ hình với số lượng cảm biến lớn mạng, chuỗi liệu nhiều, liệu khơng hồn hảo, khả hỏng node cao, khả bị nhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin node mạng Do vây, C1WSNs tổng quát so với C2WSNs Sự phát triển mạng cảm biến dựa cải tiến cảm biến, thơng tin tính toán( giải thuật trao đổi liệu, phần cứng phần mềm) Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến thơng thường Hình 1.1: cho thấy cấu trúc mạng cảm biến thông thường Các cảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn node có khả tốt làm node trung tâm, tất node loại truyền node xử lý Nhờ vậy, lượng băng thông kênh truyền sử dụng hiệu Tuy nhiên, thấy cấu trúc mạng phức tạp giao thức phân chia Cluster định tuyến trở nên khó khăn Một vài đặc điểm mạng cảm biến: • • • • • Các node phân bố dày đặc Các node dễ bị hỏng Giao thức mạng thường xuyên thay đổi Node bị giới hạn công suất, khả tính tốn nhớ Các node khơng đồng tồn hệ thống số lượng lớn node Báo cáo thí nghiệm Page Các thành phần cấu tạo nên node mạng cảm biến • • • • • Một cảm biến( hay dãy cảm biến) đơn vị thực thi( có) Đơn vị xử lý Đơn vị liên lạc vô tuyến Nguồn cung cấp Các ứng dụng khác… Để cung cấp hoạt động cho node, phần quan trọng hệ điều hành mã nguồn mở thiết kế đặc biệt cho WSNs Thông thường, hệ điều hành dùng kiến trúc dựa thành phần để thiết lập cách nhanh chóng kích thước code nhỏ phù hợp với nhớ có giới hạn Sensor Networks TinyOS ví dụ dạng này, chuẩn khơng thức Thành phần TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối node, drivers cho cảm biến ứng dụng Rất nhiều nghiên cứu sử dụng TinyOS mô để phát triển kiểm tra giao thức giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu cố gắng kết hợp mã để xây dựng tiêu chuẩn cho dịch vụ mạng tương ứng Tiêu chuẩn phương thức truyền nhận Mục đích thiết kế WSNs để phát triển giải pháp mạng khơng dây dựa tiêu chuẩn hao phí thấp nhất, đáp ứng yêu cầu tốc độ liệu thấp – trung bình, tiêu thụ cơng suất thấp, đảm bảo độ bảo mật tin cậy cho hệ thống Vị trí node cảm biến khơng xác định trước, có nghĩa giao thức giải thuật mạng phải có khả tự xây dựng Các nhà nghiên cứu phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, vấn đề lượng tiêu thụ phải thấp đến mức Chủ yếu tập trung vào giao thức định tuyến, định tuyến có khác so với mạng truyền thống( phụ thuộc vào ứng dụng kiến trúc mạng) Báo cáo thí nghiệm Page Hình 1.2: Giao thức truyền nhận mạng cảm biến Giao thức mạng cảm biến gồm liên lạc mạng quản lý Giao thức liên kết mạng gồm lớp mơ hình OSI • • • • • Layer - lớp vật lý: Các quy ước điện, kênh truyền, cảm biến, xử lý tín hiệu Layer – lớp liên kết liệu: Các cấu trúc khung, định thời Layer – lớp mạng: Định tuyến Layer – lớp vận chuyển: Truyền liệu mạng, lưu trữ liệu Upper Layers: Phục vụ ứng dụng mạng, bao gồm: xử lý ứng dụng, kết hợp liệu, xử lý yêu cầu từ bên ngoài, sở liệu ngoại Mặc dù cảm biến có giá thành ngày thấp, vấn cịn thiếu tiêu chuẩn mạng cho WSNs, điều yếu tố gây cản trở phát triển mạng cảm biến cho mục đích thương mại Định tuyến phân tán tín hiệu: Giao thức định tuyến cho WSNs rơi vào ba nhóm: Dữ liệu trung tâm, kiến trúc mạng vào vị trí Các quy ước tập hợp liệu để kết hợp liệu từ nguồn khác qua đường truyền Điều cho phép hạn chế dư thừa mạng, làm giảm số đường truyền, giảm lượng tiêu thụ Vấn đề quan tâm xử lý nội mạng, liệu truyền nhằm tăng hiệu sử dụng lượng tồn hệ thống Băng thơng không bị giới hạn, khả cung cấp công suất node bị hạn chế hay giá thành cao Để giải vấn đề này, cần có q trình xử lý trước nguồn trước chuyển qua node lân cận, truyền thơng tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp Báo cáo thí nghiệm Page 10 dụng rộng rãi lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, mơi trường, an tồn thực phẩm sản xuất,… Các ứng dụng mạng WSNs thực bị giới hạn tưởng tượng người Sau ứng dụng phổ biến WSNs: Ứng dụng quân an ninh quốc gia: • • • • • • • • Giám sát chiến trường Bảo vệ anh ninh cho cơng trình trọng yếu Ứng dụng qn đội Thông tin, giám sát, điều khiển Theo dõi mục tiêu Phát phóng xạ hạt nhân Giám sát nước, không Hệ thống radar Ứng dụng bảo vệ mơi trường: • • • • • Phát hoạt động núi lửa Giám sát cháy rừng Giám sát dịch bệnh Sử dụng hiệu tài nguyên thiên nhiên Phát động đất Ứng dụng thương mại: • • • • • • • • • • Điều khiển không lưu Quản lý cầu đường Quản lý kiên trúc xây dựng Điều khiển nhiệt độ Quản lý tải tiêu thụ điện Hệ thống tự động Cảm biến chất hóa học, sinh học, nguyên tử Thu thập liệu thời gian thực Các hệ thống nhận dạng sóng radio Quản lý sản xuất Ứng dụng y học: • Cảm biến gắn trực tiếp lên thể người • Chăm sóc sức khỏe Báo cáo thí nghiệm Page 13 • • • • • Phản ứng với dịch bệnh Phân tích sức khỏe cá nhân An tồn thực phẩm Phân tích nồng độ chất Giám sát bệnh nhân, nhân viên y tế Ứng dụng gia đình: • Điều khiển từ xa thiết bị điện nhà • Hệ thống tự động gia đình, cảnh báo an ninh… • Giám sát an ninh Chương 3: Kỹ thuật truyền dẫn không dây Mạng WSNs sử dụng số cơng nghệ truyền dẫn không dây thiết kế sẵn(Wireless COTS) Bluetooth/Personal Area Network (PÁN), Zigbee, Wireless LANs(WLAN)/hotpots, broadband wireless access(BWA)/Wimax 3G 3.1 Q trình truyền sóng Truyền sóng radio dung WSNs thường dạng trực tiếp hay khơng gian tự Sóng phát từ nguồn, theo tất hướng theo đường thẳng, lượng thay đổi tỉ lệ nghịch với khoảng cách[1/(distance)2]; suy hao môi trường không gian tự do( cáp đồng trục, vật liệu xây dựng, vật cản…) Có thể chia làm thơng số ảnh hưởng đến q trình truyền sóng: • Phản xạ(Reflection): sóng có bước sóng đủ lớn so sánh với vật thể, bề mặt nhẵn Sự phản xạ xảy từ bề mặt trái đất, tịa nhà hay tường… • Nhiễu xạ(Diffraction): đường truyền radio từ máy phát đến máy thu bị cản trở bề mặt vật thể có nhiều đỉnh, góc nhon • Sự phân bó dải (Scattering): vật thể có kích thước nhỏ bước sóng nằm đường truyền sóng Các bề mặt nhám, gồ ghề, nhỏ gây tượng Những tượng gây méo dạng giảm công suất tín hiệu Sự dao động lượng tín hiệu gây tín hiệu thu kết hợp sóng phản xạ từ hướng khác thành phần nhiễu xạ, phân bố rải với tín hiệu hướng trực tiếp Báo cáo thí nghiệm Page 14 Gọi nhiễu đa đường(multipath) Điều ảnh hưởng đến máy thu di động lẫn cố định, máy thu đặt nhà hay trời Sự suy hao đặc tính sóng điện từ suy hao theo khoảng cách gọi large-scale, suy giảm di chuyển máy thu, phản xạ, tán xạ hay phân bố dải gọi small-scale Đặc tính kênh truyền thay đổi theo khơng gian thời gian Tất tượng nói ảnh hướng lớn đến công suất máy thu nhận được, dù thiết bị cố định, tín hiệu thu bị suy giảm, chuyển vật thể xung quanh Máy thu nhận nhiều tín hiệu lúc: Tín hiệu gốc, phản xạ, tán xạ Đo khơng phân biệt tín hiệu cần thu Tuy nhiên, dời antena máy phát máy thu khỏi vị trí vài inch cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu Vấn đề đa đường cao tần bớt ảnh hưởng cách nâng cao chất lượng thiết kế sau: • • • • 3.2 Hệ thống vô tuyến Hệ thống antena Dùng dạng tín hiệu điều chế tích hợp Mơi trường, tịa nhà ảnh hưởng lớn đến q trình truyền sóng Điều chế tín hiệu Ứng dụng baseband ứng dụng mà tín hiệu mã hóa phát trực tiếp qua kênh truyền mà không thay đổi sóng mang Non-Baseband dùng kỹ thuật điều chế, Baseband khơng Hệ thống baseband thường bị giới hạn khả truyền thông tin khoảng cách đến vài dặm Dạng điều chế thường dùng AM, Điều chế tần số FM, điều chế pha PM Một số dạng điều chế số tương ứng ASK( Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), PSK(Phase Shift Keying) kết hợp PSK ASK tạo thành QAM( Quadrature Amplitude Modulation) Đối với kênh truyền số, dung lượng kênh truyền tối đa C hệ thống đơn sóng mang có băng phổ thông W, định nghĩa công thức Shannon: Báo cáo thí nghiệm Page 15 Trong đó: S cơng suất tín hiệu thu N cơng suất nhiễu( kênh truyền giả sử có tác động nhiễu Gaussian) Hình 3.1: Sơ đồ đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế số Hình 3.1 so sánh hiệu đạt sử dụng kỹ thuật điều chế số khác Tỷ số tín hiệu nhiễu với tốc độ bít định Đối với tốc độ thấp, kỹ thuật BDPSK cho tỷ số SNR tốt Vì tốc độ bít lớn QAM hay PSK cho SNR tốt Ngoài kỹ thuật trải phổ cho hiệu SNR cao kỹ thuật băng hẹp khác lại địi hỏi băng thơng kênh truyền rộng Một số loại kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS( direct sequence spread spectrum) trải phổ nhảy tần số FHSS( frequency hopping spread spectrum) So với DSSS, FHSS cần phần cứng phức tạp hơn, kỹ thuật đồng đơn giản Dùng FHSS cải thiện tượng đa đường mạng WSNs, nhiên yêu cầu công suất thấp băng thông dẫn đến vấn đề kỹ thuật cho việc thiết kế mạch WSNs Như vậy, tùy theo ứng dụng, độ phức tạp, tốc độ bít mà ta chọn kỹ thuật điều chế phù hợp để đạt chất lượng mong muốn 3.3 Các công nghệ không dây Báo cáo thí nghiệm Page 16 Có nhiều giao thức khơng dây sử dụng rộng rãi IEEE 802.15.1( Bluetooth), IEEE 802.11a/b/g/n wireless LANs, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Man-scopy IEEE 802.16( WiMax ) kỹ thuật nhận dạng sóng vơ tuyến( RFID ) Một tiêu chuẩn có ưu điểm hạn chế riêng Hình 4.4 mơ tả vài giao thức truyền dẫn khơng dây Hình 3.2: So sách giao thức truyền dẫn không dây Để tăng khả ứng dụng rộng rãi WSNs phạm vi lớn, dự án tận dụng chuẩn thông tin vơ tuyến xây dựng trước phát triển kỹ thuật hoàn toàn Mạng WSNs dùng số cơng nghệ phát triển thành chuẩn sẵn có Bluetooth, ZigBee, WLAN… Báo cáo thí nghiệm Page 17 Chương 4: Ứng dụng WSN đo huyết áp 4.1 Giới thiệu chung Huyết áp áp lực đẩy tuần hoàn máu mạch máu, dấu hiệu cho biết thể cịn sống hay chết Khi tim đập, huyết áp thay đổi tử cực đại( áp lực tâm thu) đến cực tiểu( áp lực tâm trương) Ngày có nhiều bệnh liên quan đến huyết áp, điển hình bệnh huyết áp cao huyết áp thấp Các bệnh không phát sớm để lại hậu nghiêm trọng Chính cần phải đo đạc chuẩn đoán, chữa trị bệnh kịp thời Có nhiều phương pháp sử dụng để đo huyết áp, nhiều loại máy móc sử dụng, phổ biến loại máy cầm tay Loại phổ biến gọn nhẹ, nhiên áp dụng cho số lượng bệnh nhân khó lưu trữ kết thu nhiều lần đo Để giải vấn đề này, nhà khoa học nghiên cứu phát triển máy đo huyết áp sử dụng mạng cảm biến không dây Đây phương pháp mới, đại phát triển nhiều quốc gia giới 4.2 Đo huyết áp sử dụng Wireless Sensor Network Hình 4.1: Hệ thống giám sát đo huyết áp từ Báo cáo thí nghiệm Page 18 Từ hình ta thấy, Cảm biến gắn vào cánh tay bệnh nhân, node cảm biến, tín hiệu thu từ cảm biến truyền thông qua wireless đến router r1, r2… cuối đến nhận tín hiệu rùi chuyển vào máy tính, máy tính xử lý tín hiệu thu hiển thị chúng hình Ta nhận thấy, hệ thống áp dụng rộng rãi, số lượng bệnh nhân lớn, khoảng cách làm việc xa Dữ liệu từ nhiều vị trí truyền đến hình tập trung, liệu đước xử lý, hiển thị vào lưu trữ Kết thu có độ xác cao, cơng suất tiêu thụ hình hạn chế tới mức tối thiểu, hình chuyến sang chế độ ngủ khơng sử dụng 4.2.1 Giới thiệu Với phát triển mạnh mẽ mạng cảm biến khơng dây, có nhiều ứng dụng nghiên cứu phát triển y học Đặc biệt, khả điều khiển hình bệnh nhân thời gian thực từ trung tâm phát triển WSNs quan tâm phát triển, node WSNs hiệu giá thành, gọn nhẹ lượng tiêu thụ Khác với Wifi Bluetooth, WSNs không yêu cầu độ rộng băng thông Các điểm Wifi Bluetooch sử dụng hai phương thức kết nối thường đắt tốn nhiều lượng Trong Bluetooth, cho phép giới hạn node thời điểm Những trường hợp tạo không phù hợp cho mở rộng liệu hình bệnh nhân Thêm vào đó, u cầu hệ thống dây dẫn đắt tiền Bài báo mô tả hệ thống sử dụng Crossbow 2.4Hz MICAz, hệ thống đo huyết áp thương mại giao diện người đồ họa(GUI) để thiết kế hệ thống hoạt động với lượng lớn bệnh nhân 4.2.2 Miêu tả hệ thống Một hệ thống biểu diễn hình Mỗi bệnh nhân kết nối tới hình điều khiển, cho phép lấy tín hiệu từ bệnh nhân cách dễ ràng Tín hiệu truyền dẫn khơng dây từ bệnh nhân qua hệ thống nút router Phụ thuộc vào khoảng cách từ bệnh nhân đến nhận trung tâm xác định số lượng router Tín hiệu truyền qua nhiều router đến trung tâm xử lý Trung tâm kết nối tới máy tính qua GUI viết Java hiển thị liệu Báo cáo thí nghiệm Page 19 Có ba vùng giao diện hệ thống, thảo luận chi tiết phía dưới: Cảm biến đế BPM, Từ trạm trung tâm đến máy chủ từ giao diện người tới máy chủ thông qua GUI Một bảng diễn tả tóm tắt cảm biến mạng không dây bao gồm: a Cảm biến đến giao diện hình huyết áp Một thương mại A&D UA-767PC BPM sử dụng hỗ trợ đọc cảm biến cho hệ thống BPM đo đồng thời huyết áp tốc độ xung Nó bao gồm cống kết nối nối tiếp để truyền dẫn hai chiều với tốc độ 9600kbps Một điểm đặt cảm biến kết nối với BPM để truyền huyết áp nhịp tim Khi lần đọc liệu, cảm biến kết nối mạng truyển liệu đến trạm sở Hình 4.2: Đồ thị kết nối BPM Báo cáo thí nghiệm Page 20 Quá trình đọc liệu biểu diễn hình Để bắt đầu kết nối với BPM, nút gửi tín hiệu bắt đầu đến BPM để chuyển kiểu node kết nối Một lần BPM kết nối, có kiểu kết nối, nút cảm biến gửi lệnh để mở cổng kết nối Khi cổng kết nối mở, BPM sẵn sàng để nhận lệnh Một lệnh đo lường xác định Đây ngun nhân BPM bơm căng vịng bít cánh tay đo lường huyết áp nhịp tim Khi đọc xong, gửi phản hồi đến nút cảm biến Giới hạn xử lý thực nút cảm biến việc đọc liệu trước truyền qua mạng trạm sở Hình 4.3: Ví dụ cổng nối tiếp BPM Từ hình ta thấy tất cá kết nối với BPM mã hóa ASCII Ví dụ, số 60 cần gửi, gửi byte 0x36 0x30 Với ) mã ASCII Mộ lệnh mở ký hiệu byte Nó làm cho BPM sẵn sàng nhận lệnh Lệnh mở cổng có cấu trúc: 02 nhận dạng tin nhắn tin nhắn lệnh Byte 43 thiết lập hiển thị C mã ASCII Hai byte (50 43) miêu tả thiết bị gửi liệu, trường hợp nút cảm biến PC mã ASCII Hai Báo cáo thí nghiệm Page 21 bít (30 35) lệnh mở kết nối (05) Byte cuối byte dấu, kiểm tra tổng liệu Tin nhắn báo nhận cần thiết chứa byte 01 tín hiệu nhận dạng Hai byte chống lại gửi liệu, từ thơng điệp gửi BPM, có giá trị 70 mã ASCII Theo hai byte này, xác định người nhận Và ví dụ PC để miêu tả node cảm biến Byte cuối cùng(06) nhận dạng kiểu tin nhắn báo nhận Thông điệp đọc liệu đo đạc có định dạng giống với thơng điệp mở cổng kết nối mã ASCII gửi byte lệnh Byte thông điệp liệu đặt cố định giá trị 80 Hai byte biểu thị giá trị hệ 16 đọc giá trị tâm thu tâm trương mã ASCII Từ hình 3, đặt giá trị 3C Tiếp đến byte hệ số 16 áp suất tâm trương Giá trị 3C mã ASCII Theo đó, trường hợp này, áp suât tâm thu đọc bệnh nhân 120 áp suất tâm trương 60 Hai byte biểu diễn giá trị hệ hexa cho tốc độ xung ví dụ 60 nhịp/phút Trong mơ hình đầu tiên, xử lý đo đạc bắt đầu node cảm biến bật Trong tương lai, nhiều thiết bị theo dõi y học ứng dụng, BPM, máy đo bình oxy, đo điện tim tích hợp với node cảm biến việc đọc liệu ghi chương trình b Trạm sở đến giao diện máy chủ Ngôn ngữ Java sử dụng để viết giao diện trạm sở máy chủ Tất kết nối trạm sở PC thông qua UART Một chuỗi cặp từ GUI sử dụng để tri hình giám sát cổng nối tiếp Khi nhận báo hiêu được, xác định kiểu tin nhắn Nếu liệu từ node cảm biến, liệu phân tích lưu trữ theo theo IC node cảm biến Nếu tin nhắn điều khiển, thông tin truyền trực tiếp đến GUI Tin nhắn điều khiển chứa thông tin mạng sử dụng để tạo mạng cho người sử dụng Một tin nhắn điều khiển từ mạng cảm biến bao gồm ID nút cảm biến ID node router sử dụng điểm trung gian mạng Một tin nhắn điều khiển tạo node trung gian chứa ID router Báo cáo thí nghiệm Page 22 gửi router nhận Thông tin chứa tin nhắn điều khiển sử dụng để tạo đồ mạng Trong nguồn dòng đại, đồ cấu trúc hình c Giao diện người sử dụng (GUI) Hình 4.4: Giao diện GUI GUI viết Java chạy máy chủ Cửa sổ GUI hình Người sử dụng thêm bệnh nhân mới: Tên, ID node sensor Nếu tên giống với tên bệnh nhân khác sở liệu hiển thị danh sách cho phép người sử dụng lựa chọn tên từ sở liệu Một lần truy cập vào hệ thống, tất liệu gửi từ cảm biến máy chủ Tại máy chủ lưu thông tin bệnh nhân Tất liệu đọc xem lựa chọn tên bệnh nhân danh sách Khi lựa chọn “View” mở sổ hình 4.5 Nhìn cửa sổ ta xem chỉnh sưa thông tin bệnh nhân Các phiên cho phép đọc giá trị đo dạng chữ, tương lai, phiên cho phép đọc giá trị dạng đồ thị Khi đọc liệu, giá trị kiểm tra lần để xem có bị vượt q giới hạn khơng Nếu vượt q có tin nhắn cảnh báo xuất Việc đọc liệu không chấp nhận từ cá node chưa đăng ký tạo cảnh báo cho người sử dụng Trong tương lai, việc thêm bệnh nhân kích hoạt vào sở liệu Báo cáo thí nghiệm Page 23 Hình 4.5: Mở cửa sổ view GUI d Mơ hình mạng Cấu trúc liên kết mạng không dây cấu trúc tĩnh với node cảm biến di động Năng lượng sử dụng node định tuyến để kết nối tới nguồn cung cấp lượng khác không cần thiết Việc loại trừ cần thiết pin để theo dõi thay Năng lượng từ ánh sáng nhà phương pháp hiệu giới hạn số lượng nguồn lượng đến node định tuyến Để bù vào, node định tuyến đồng cặp nửa chu kỳ Điều làm đủ thời gian chu kỳ tắt node để có đủ lượng cho chu kỳ Trong trình kết hợp mạng, điểm định tuyến tìm đường ngắn tới trạm sở Khi thực xong điều này, tìm kiếm node khác để tạo thành cặp Lưu đồ hiển thị xử lý node định tuyến xuyên qua mạng Mỗi lần cấu trúc thiết lập, node cảm biến dễ ràng truy cập vào mạng Node cảm biến lựa chọn đường ngắn tới trạm sở việc gửi liệu đến node định tuyến gần gửi liệu đọc đến trạm sở hình mô tả chi tiết việc xử lý node thơng qua q trình đọc liệu Node cảm biến thiết kế di động cho phép bệnh nhân di chuyển Vậy, lần yêu cầu đọc liệu khác với lần đọc trước phải kết nối lại đến mạng vị trí khác Điều cho phép node cảm biến không hoạt động lần đọc, theo tăng tuổi thọ pin Báo cáo thí nghiệm Page 24 Hình 4.6 : Đồ thị node định tuyến Báo cáo thí nghiệm Page 25 Hình 4.7: đồ thị node cảm biến 4.2.3 Kế sơ Mộ hệ thống thử nghiệm chứa tất giao diện thực kiểm tra Sử dụng node cảm biến liên kết với BPM, thành công khởi tạo đọc giá trị, lấy liệu gửi đến trạm sở Các phép đo đạc xúc tiến thơng qua cổng nối tiếp đến máy tính chủ hiển thị xác liệu GUI Báo cáo thí nghiệm Page 26 Chúng ta lập trình liên kết nhiều node cảm biến để đo đạc nhiều bệnh nhân thời điểm giao diện với BPM Việc đo cho bệnh nhân thực thành công việc truyền đến trạm sở sau tiến hành GUI Việc đọc xác giá trị liệu trì bệnh nhân Mỗi giá trị tìm xác giá trị hiển thị LCD BPM 4.2.4 Hướng phát triển tương lai Trong tương lai, hệ thống bao gồm: - Hiển thị đồ họa liệu thay dạng chữ Cảnh báo đọc liệu vùng giới hạn Áp dụng vào số máy khác như: đo oxy, EEG Hỗ trợ đọc kết lưu trữ từ PDA hay máy tính Xây dựng hệ thống định tuyến, bệnh nhân di chuyển Mã hóa liệu để truyền liệu hiệu Tích hợp với hệ thống sở liệu bệnh viện 4.2.5 Kết luận Một hệ thống dùng thử BPM sử dụng WSNs thiết kế, phát triển kiểm tra Hệ thống cho phép kiểm tra huyết áp hay nhịp tim mà khơng cần đo đạc trực tiếp Nó sử dụng cho định tuyến tới khu vực trung tâm bệnh viện bệnh nhân khơng cần tới trực tiếp bệnh viện mà ngồi nhà, bác sĩ theo dõi giá trị đo đạc thông qua hình máy tính Những kiểm tra sơ cho thấy huyết áp nhịp tim đo với bệnh nhân có độ xác tốt kết đo hiển thị hình LCD Nhũng nghiên cứu xa tập trung tích hợp cảm biến nhỏ làm hệ thống ứng dụng rộng rãi Báo cáo thí nghiệm Page 27 ... triển máy đo huyết áp sử dụng mạng cảm biến không dây Đây phương pháp mới, đại phát triển nhiều quốc gia giới 4.2 Đo huyết áp sử dụng Wireless Sensor Network Hình 4.1: Hệ thống giám sát đo huyết áp. .. node cảm biến định nghĩa kết hợp cảm biến phận xử lý, hay gọi mote Mạng cảm biến không dây( WSN ) mạng cảm biến kết nối node cảm biến sóng vơ tuyến 1.1.1 Cơng nghệ Sensor NetWork Trong mạng Sensor... kiển cảm biến gồm: Cảm biến dây, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến quang điện hồng ngoại, laser rada cảm biến định vị dẫn đường Các tiến lĩnh vực thiết kế cảm biến,