Cấu trúc 1 node của mạng WSN

Mục Lục Trang Lời nói đầu 2 Tổng quan về mạng cảm biến 3 A.Khái quát 3 B.Nội dung 3 I.Giới thiệu 3 II.Cấu trúc mạng WSN 4 1/Cấu trúc 1 node của mạng WSN 4 2/Cấu trúc của toàn mạng WSN 6 III.Kiến thức giao thức mạng 17 IV.Ứng dụng mạng cảm biến không dây 21 V.Những khó khăn gặp phải 27 C.Tổng kết 30 Lời kết 31 1 Lời nói đầu Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến vào những năm gần đây, sự phát triển của những mạng gồm các sensor giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm ứng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên hiện nay mạng cảm ứng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm ứng sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người, nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm ứng. 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN WSN A.Khái quát Nội dung sau đây em xin trình bày các khái niệm chung nhất về mạng cảm ứng, cũng như các thành phần của mạng,cấu trúc của 1 nút mạng và của toàn mạng, các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng, và các ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng cảm ứng. Bên cạnh đó cũng đề cập đến các thách thức mà mạng đang phải đối mặt để có thể phục vụ tốt hơn cho cuộc sống con người. B.Nội dung I. Giới thiệu Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đã tạo ra rất nhiều ứng dụng phục vụ cho cuộc sống của con người, cũng như phục vụ cho những mục đích nghiên cứu khoa học. Cũng nhờ sự tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến mà các mạng sử dụng sensor giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng và có thể thực hiện đa chức năng đã được chú ý nghiên cứu và phát triển. Những sensor này có kích cỡ nhỏ và thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu thông qua kênh vô tuyến. Dựa trên cơ sở đó, người ta thiết kế ra mạng cảm ứng nhằm phát hiện ra những sự kiện hoặc hiện tượng, thu thập và truyền dữ liệu, và truyền những thông tin cảm nhận được đến người dùng. 3 Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến không dây. Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng mà có thể cảm nhận, tính toán và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm mục đích tập trung, xử lý thông tin cục bộ để đưa ra những phương án giải quyết phù hợp với từng ứng dụng của mạng cảm biến Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:  Có khả năng tự tổ chức.  Truyền thông quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop  Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm ứng  Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các nút.  Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán. II. Cấu trúc mạng WSN. 1. Cấu trúc của 1 node mạng WSN. 4 Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng- nút cảm biến.Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2, bộ cảm nhận (a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm ứng. • Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC). • Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. 5 • Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. • Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink. • Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin.Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sang mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị.Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường. 2. Cấu trúc của toàn mạng WSN. 2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây. Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng,và khắc phục được những nhược điểm trên, kéo dài thời gian sống của mạng.Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng phải cần phải dùng một số cơ chế ,kĩ thuật đặc thù sau: 6 • Giao tiếp không dây multihop:Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính,thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản.Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop. • Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng,hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây. • Tự động cấu hình :Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động.Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị). • Cộng tác,xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu:Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng.Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng. Chẳng hạn như khi xác định nhiệt độ trung bình ,hay cao nhất của một vùng. Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ: • Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến. • Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng. • Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây. • Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.3. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu 7 được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .2.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây. a. Cấu trúc phẳng (flat architecture) Hình 1.4 Cấu trúc phẳng 8 Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số… b. Cấu trúc tầng (tiered architecture) Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. Hình 1.5 Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp 9 thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6) Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Hoặc các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này, các sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức năng của các mạng cảm ứng có thể phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút, hoặc có thể gọi đơn giản là sự phân biệt theo logic. Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.7). 10 [...]... định vị hoặc đồng bộ thời gian Do vậy, không có gì là ngẫu nhiên khi rất nhiều các mạng cảm ứng hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp 11 Hình 1. 8 Cấu trúc mạng phân cấp logic Mạng cảm ứng xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau: - Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm ứng bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả... Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong  W  , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ Do đó   n  mạng có n nút là   khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0 Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc. .. trong mạng cấu trúc tầng 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây Thiết kế mạng cảm biến không dây chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố: năng chịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, môi trường hoạt động, những ràng buộc về phần cứng, cấu hình mạng cảm ứng, phương tiện truyền dẫn, sự tiêu thụ năng lượng.Những nhân tố này rất quan trọng vì chúng như là hướng dẫn để thiết kế cấu trúc. .. liệu (data processing) III Kiến trúc giao thức mạng Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến được trình bày trong hình 1. 9: 17 Hình 1. 9 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa... phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm ứng phải giữ ở mức thấp • Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Như đã trình bày ở phần 1. 2 .1 về cấu trúc một nút cảm biến, có nhiều ràng buộc về phần cứng : phải... lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng. .. Hình 1. 18 Ứng dụng trong giao thông Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây được phân loại thành : -Giám sát các môi trường tĩnh: giám sát môi trường,các hệ sinh thái,cảnh báo cháy… -Giám sát sự chuyển động của các đối tượng: như là giám sát các động vật trong cuộc sống hoang dã,giám sát sự chuyển động của các phương tiện giao thông… V Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN Vì mạng cảm... phần cứng của hạt Mica 28 Phần cứng của các nút cảm ứng thường bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó Một nút cảm ứng tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica2 (hình 1. 19) có một pin mặt trời nhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10 MHz, bộ nhớ từ 12 8KB đến 1MB, và phạm vi truyền dưới 50m Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đặt ra một thách thức to lớn Đó là ta không thể tăng kích cỡ của nút cảm...Hình 1. 7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý Nói cách khác, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic khi chúng thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác Những chức năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút Những qui tắc logic này tạo nên mạng phân cấp logic (hình 1. 8) Những quy... vô tuyến và kết nối không liên tục  Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nút nên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết  Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên WSNs dùng để giám sát các hiện tượng trong thế giới thực nên việc thiết kế mạng phải thích ứng với các các đặc trưng của môi trường mà nó cảm nhận WSNs được dùng cho các ứng dụng khác . II. Cấu trúc mạng WSN. 1. Cấu trúc của 1 node mạng WSN. 4 Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu . chung nhất về mạng cảm ứng, cũng như các thành phần của mạng ,cấu trúc của 1 nút mạng và của toàn mạng, các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng, và các