Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong giám sát môi trường sống

Mô hình hoá mô phỏng

Trong kịch bản mô phỏng, một tập các node mạng không dây trang bị các kiểu cảm biến khác nhau được triển khai trong một vùng xác định (trường cảm biến) để thực hiện các nhiệm vụ cảm biến môi trường. Các kết quả cảm biến được xử lý trong mạng và các báo cáo được chuyển đến các node Gateway hay điểm thu thập dữ liệu thông qua các kết nối không dây. Kết quả này có thể chuyển đến trực tiếp người sử dụng hay đưa qua mạng Internet. Kịch bản này được mô tả trên hình 3.5. Trong môi trường mô phỏng này, một kịch bản mạng cảm biến điển hình bao gồm ba kiểu node : 1) Các node cảm biến, quan sát trực tiếp môi trường; 2) Các node đích (target node) tạo ra các kích thích cảm biến tác động đến các cảm biến bằng các kênh cảm biến thông qua sự biến thiên của các đại lượng vật lý như các chấn động, âm thanh, hồng ngoại, ..Ví dụ, xe cộ đang di chuyển tạo ra các chấn động mặt kích thích các cảm biến địa chấn hay âm thanh kích thích các cảm biến thính giác; 3) Các node người sử dụng (User node) đưa ra kết quả của mạng cảm biến cho người sử dụng. Trong việc nghiên cứu hoạt động của một mạng cảm biến không dây, yếu tố cốt yếu là kịch bản triển khai toàn bộ bao gồm hình trạng mạng, phạm vi vô tuyến, phạm vi cảm biến, quỹ đạo của các mục tiêu cảm biến và các lưu lượng sự kiện kết quả, quỹ đạo của các node User và các lưu lượng truy vấn. Các công cụ này có thể được phát triển trên nền phần mềm mô phỏng mạng NS (Network Simulator) vì phần mềm này đã có sẵn cơ sở để mô phỏng các mạng IP nói chung (cả mạng có dây và không dây) và có tính mở rất cao. Việc Tổ chức node cảm biến phụ thuộc vào nhiệm vụ của mạng. Ví dụ, để theo dừi cỏc loài thỳ hoang dó trong một khu rừng, cỏc cảm biến cú thể được triển khai đồng đều trong khu rừng. Tuy nhiên, với mạng cảm biến được triển khai cho nhiệm vụ phòng thủ đường biên thì các cảm biến phải được triển khai theo đường được xỏc định rừ. Trong một số trường hợp khỏc, cỏc cảm biến cú thể được triển khai tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng. Trong môi trường mô phỏng, người sử dụng có thể tổ chức node theo các đồ hình khác nhau tuỳ theo yêu cầu nhiệm vụ của mạng. Ngoài việc tổ chức node, các yêu cầu lưu lượng cũng có nhiều loại khác nhau.Lưu lượng mạng cảm biến được phân thành ba kiểu chính: 1) Lưu lượng Người sử dụng đến node cảm biến: được hình thành từ các lệnh và truy vấn từ người sử dụng đến mạng. 2) Lưu lượng node cảm biến đến người sử dụng: gồm các báo cáo từ cảm biến đến người sử dụng. 3) Lưu lượng node cảm biến đến node cảm biến: hình thành do nhu cầu cộng tác xử lý các sự kiện cảm biến trong mạng trước khi thông báo đến người sử dụng.

Tín hiệu này được phát trong các môi trường khác nhau (mặt đất, không khí, nước,.v.v.), nơi mà các mục tiêu di chuyển. Hình 3.8 chỉ ra dạng tín hiệu thực tế nhận được từ một cảm biến địa chấn và dạng tín hiệu mô phỏng của các chấn động mặt đất do sự di chuyển của xe cộ. a) Tín hiệu địa chấn thực tế, b) Tín hiệu địa chấn mô phỏng.

Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây

Môi trường NS - 2 là công cụ hết sức linh hoạt trong việc nghiên cứu các đặc tính của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) vì nó có sẵn các mô hình cho mạng Ad hoc không dây, có ràng buộc về năng lượng. Ví dụ, cảm biến có thể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục phát hiện thấy hiện tượng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn như công tác với các cảm biến lân cận để có được thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tượng trước khi cảnh báo người giám sát về một hiện tượng giả định. Các node cảm biến sử dụng một tác nhân cảm biến liên kết đến kênh Phenomenon để tiếp nhận các gói tin Phenom và sử dụng một tác nhân TCP hay UDP để liên kết đến kênh của mạng vô tuyến để tạo các gói tin được gửi đi từ ứng dụng cảm biến.

- Sensornets-NRL/Sensorapp.cc, h : ứng dụng cảm biến được định nghĩa trong file này tận dụng màu node và tạo ra các thông báo cảm biến để chỉ ra node tương ứng phát hiện ra hiện tượng (4 biến môi trường có thể được sử dụng là:. SILENT_PHENOMENON, DISABLE_COLORS, MESG_SIZE và TRANSMIT_FREQ).

Mô tả mã lập trình mô phỏng

Sử dụng node-config giống như cỏc node di động nhưng chỉ rừ giao thức định tuyến Phenom, các hiện tượng được phát đi theo các phương thức được định nghĩa trong Phenom/Phenom.cc. - Pattern: kiểu hiện tượng, phải là một trong các từ khoá sau: CO, HEAVE-GEO, LIGHT-GEO, SOUND, TEST-PHENOMENON tương ứng với oxit carbon CO, động đất nặng, động đất nhẹ, tiếng động và một số kiểu hiện tượng chung khác. - Tuỳ chọn này được sử dụng chủ yếu cho việc mô phỏng các hiện tượng bội node (nhiều node hiện tượng kết hợp) nên dễ dàng phân biệt việc node cảm biến đang cảm biến hiện tượng nào bằng việc nhìn vào trace file.

Các node không phải cảm biến hay Phenomenon node không được định hình với một kênh Phenom Channel vì chúng chỉ có giao diện duy nhất đến mạng MANET (Mobile Ad hoc Network - mạng di động sử dụng giao thức định tuyến Ad hoc) được thực hiện với thuộc tính - Phenom Channel "off".

Thực hiện mô phỏng

Sau khi đã có tập mã đầu vào lưu trong file wsnet.tcl , có thể bắt đầu chạy mô phỏng bằng lệnh: ns wsnet.tcl trong cửa sổ công tác. Trong đó, các sự kiện trong trường sự kiện gồm r (nhận gói), s (gửi gói), D (mất gói), f (chuyển tiếp gói); trường thời gian chỉ ra thời điểm xảy ra sự kiện;. Với yêu cầu tính toán trong trường hợp này, ta chỉ cần quan tâm tới 7 trường đầu tiên này, các trường sau có định dạng tuỳ theo mức Trace và kiểu gói.

Ví dụ với mức Trace MAC và kiểu gói PHENOM (tín hiệu hiện tượng) thì các trường tiếp theo là [thời gian chuyển] [địa chỉ MAC] [Kiểu hiện tượng].

Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng

Như vậy, với một diện tích là 1km2, khi triển khai các node cảm biến để đánh giá một số tham số chất lượng dịch vụ QoS theo mật độ, ta thấy với mật độ khoảng từ 40 đến 120node/km2 thì thông tin có độ chính xác là cao nhất. Để đánh giá chính xác số liệu ta phải thực hiện mô phỏng nhiều hơn với các tham số đầu vào (như công suất truyền phát, dải cảm biến, v.v…), vào phải dựa vào nhiều mô hình mô phỏng, các kinh nghiệm thực tế khác.