6. Phương pháp nghiên cứ u
1.3.3. Chi phí và dễ triển khai
Ưu điểm chủ yếu của WSNs là khả năng dễ triển khai, người sử dụng không cần phải hiểu về mạng và cơ chế truyền thông khi làm việc với WSNs. Để triển khai hệ thống thành công, WSNs cần có cơ chế tựđịnh cấu hình. Các nút cảm biến được đặt vào môi trường và có thể hoạt động ngay. Thêm vào đó, hệ thống cần thích nghi đối với sự thay đổi điều kiện môi trường. Trong suốt thời gian sống, sẽ có thể thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn có thể gây nhiễu tới sự truyền thông giữa hai nút. Mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này. Việc tạo ra thông tin chẩn đoán và tái cấu hình sẽ làm giảm thời gian sống của mạng, đồng thời cũng làm giảm tốc độ lấy mẫu.
1.3.4. Thời gian đáp ứng
Trong các ứng dụng cảnh báo, thời gian đáp ứng hệ thống là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống. Cảnh báo cần được phát ra ngay lập tức khi nhận thấy có một sự vi phạm. Dù hoạt động năng lượng thấp, các nút cần có khả năng truyền tức thời các thông điệp qua mạng càng nhanh càng tốt. Trong khi những sự kiện như vậy là không thường xuyên, chúng có thể xảy ra tại bất cứ thời điểm nào mà không được báo trước. Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong toàn bộ thời gian. Những nút này có thể nghe các thông điệp cảnh báo và chuyển tiếp chúng theo đường khi cần. Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm tính dễ triển khai hệ thống.
1.3.5. Độ chính xác về thời gian
Trong ứng dụng theo dõi đối tượng và giám sát môi trường, các mẫu từ nhiều nút có liên quan theo thời gian để xác định các hiện tượng khác thường được theo dõi. Trong trường hợp xác định nhiệt độ trung bình của một toà nhà, các mẫu chỉ được liên quan với nhau trong vòng cỡ hàng giây. Tuy nhiên, để xác định phản ứng của toà nhà đối với một trận động đất thì đòi hỏi độ chính xác cỡ mili giây. Để đạt được độ chính xác theo thời gian, một mạng cần xây dựng và duy trì một thời gian cơ sở toàn cục có thể được sử dụng để sắp xếp các mẫu và các sự kiện theo thời
gian. Trong một hệ phân tán, năng lượng cần được mở rộng để duy trì và phát thời gian đồng bộ. Thông tin đồng bộ thời gian cần liên tục được truyền giữa các nút.
1.3.6. Bảo mật
WSNs cần có khả năng giữ bí mật các thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ liệu bảo mật trở nên rất quan trọng. Không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền. Việc sử dụng mã hoá và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông. Dữ liệu mã hoá và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống.
1.3.7. Tốc độ lấy mẫu hiệu quả
Trong một mạng thu thập dữ liệu, tốc độ thu thập thông tin hiệu quả là tham số đánh giá hiệu suất của hệ thống, được tính bằng số mẫu lấy được từ mỗi nút riêng lẻ truyền về trung tâm trong một đơn vị thời gian. Thông thường, các ứng dụng thu thập dữ liệu chỉ có tốc độ lấy mẫu là 1-2 mẫu trong 1 phút. Trong một cây thu thập dữ liệu, một nút cần điều khiển dữ liệu của tất cả các nút thuộc quản lý của mình. Tốc độ và kích thước mạng ảnh hưởng tới tốc độ lấy mẫu hiệu quả. Một cơ chếđể tăng tốc độ lấy thông tin là truyền dữ liệu thô và xử lý dữ liệu nội mạng. Các dạng nén không gian và thời gian có thể được sử dụng để giảm yêu cầu về băng thông trong khi vẫn duy trì được tốc độ lấy mẫu hiệu quả. Dữ liệu sau đó được truyền qua mạng multi-hop khi băng thông cho phép.
Chương 1 đã giới thiệu qua về lịch sử phát triển, phân loại, các ứng dụng và các yêu cầu đối với mạng WSNs. Các kỹ thuật truyền dẫn không dây, các giao thức điều khiển mạng và phần mềm quản lý mạng sẽ được trình bày và phân tích cụ thể trong chương 2.
CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. Kỹ thuật truyền dẫn không dây
2.1.1. Các thành phần của mạng cảm biến
Hình 2.1: Thành phần của mạng cảm biến
2.1.1.1. Các nút cảm biến
Trong mạng WSNs, cảm biến là thành phần quan trọng nhất có nhiệm vụ thu thập dữ liệu truyền về trung tâm. Cảm biến bao gồm các cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radar, laser, các cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường và các cảm biến phục vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa …
a. Phần cứng
Thông thường, phần cứng một nút cảm biến có cấu tạo như sau:
- Cảm biến: Biến đổi thông số cần đo về dạng có thể nhận biết được qua thông số điện nhưđiện trở, điện cảm, điện dung, điện áp, dòng điện, xung…Đây là thành phần quan trọng trong đảm bảo tính chính xác của kết quảđo.
- Bộ ADC: Biến đổi thông sốđầu ra của cảm biến dạng tín hiệu tương tự thành tín hiệu sốđưa vào vi xử lý.
- Vi xử lý và bộ nhớ: Nơi thực hiện tất cả các thuật toán xử lý của nút mạng bao gồm định tuyến, truyền nhận dữ liệu…
- Bộ thu phát RF:Điều chế và thu phát tín hiệu ra không gian, thực hiện kết nối giữa nút mạng với trung tâm hoặc với các nút mạng khác.
- Bộ nguồn: Cấp nguồn cho toàn bộ nút mạng, có thể là pin, pin năng lượng mặt trời.
- Hệ thống dò tìm vị trí: Dùng để xác định vị trí của nút mạng khi được lắp đặt.
- Hệ thống dẫn động: Dùng trong các ứng dụng giám sát điều khiển, có thể là đầu ra rơ-le hoặc transistor đểđóng cắt tải.
b. Phần mềm
Phần mềm trong nút mạng gồm các thành phần:
- Hệđiều hành (OS): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý.
- Bộđiều khiển: quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến.
- Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi…
- Bộ điều khiển truyền thông: bao gồm bộ mã hóa và lớp vật lý. Quản lý kênh truyền vô tuyến bao gồm xung nhịp và đồng bộ, mã hóa tín hiệu, khôi phục bit, đếm bit, các mức tín hiệu và điều chế.
- Bộ phận xử lý dữ liệu và ứng dụng: xử lý tín hiệu đã lưu trữở dạng số học và các ứng dụng cơ bản được hỗ trợở mức nút mạng để xử lý thông tin nội mạng.
2.1.1.2. Trường cảm biến
Các cảm biến trao đổi thông tin với nhau và với trung tâm bằng tín hiệu vô tuyến. Tín hiệu truyền qua môi trường chịu ảnh hưởng của nhiễu, phân tập đa đường, fa-đinh, trễđường truyền làm cho tín hiệu phía nhận có thể bị suy hao hoặc mất hoàn toàn. Do đó, cần dùng kỹ thuật điều chế thích hợp để hạn chế nhược điểm này.
2.1.1.3. Bộ tập hợp dữ liệu
Một mạng WSNs có thể có một hoặc nhiều bộ tập hợp dữ liệu, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến gửi về trung tâm, đôi khi nó còn làm nhiệm vụ đồng bộ, phân chia thời gian truy xuất dữ liệu cho các nút gốc.
2.1.1.4. Trung tâm xử lý dữ liệu
Trung tâm xử lý dữ liệu thường là máy tính. Dữ liệu sau khi được chuyển về sẽ được xử lý thành định dạng phù hợp để phục vụ cho cảnh báo, lưu trữ và thống kê. Ngoài ra, dữ liệu sau xử lý có thể được truyền qua mạng internet, vệ tinh để phục vụ cho quá trình kiểm tra, giám sát thuận lợi hơn.
2.1.2. Điều chế tín hiệu
Điều chế tín hiệu là kết hợp tín hiệu đó với sóng mang để truyền đi trong không gian. Các ứng dụng băng tần cơ sở truyền tín hiệu được mã hóa trực tiếp ra môi trường mà không cần sử dụng sóng mang. Trong các môi trường truyền thống cho phép truyền tín hiệu qua một khoảng cách lớn (hàng chục đến hàng trăm dặm), hệ thống băng tần cơ sở thường bị giới hạn về khả năng truyền thông tin ở khoảng cách đến vài dặm.
Dạng điều chế thường được dùng là điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha (PM). Một số dạng điều chế số tương ứng là ASK (Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying) và sự kết hợp PSK-ASK tạo thành QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Đối với kênh truyền số, dung lượng kênh truyền tối đa C của hệ thống đơn sóng mang có băng thông phổ W được tính bởi công thức Shannon:
C = Wlog2(1+S/N) (2.1) S: công suất thu tín hiệu
N: Công suất nhiễu.
Ở môi trường thông thường, giá trị C nằm trong dải 1-10 tùy thuộc vào phương pháp điều chế. Tỷ số S/N nằm trong dải -1 đến 20.
Hình 2.4 so sánh hiệu quả đạt được khi sử dụng các kỹ thuật điều chế khác nhau. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ứng với một tốc độ bit nhất định. Đối với tốc độ thấp, kỹ thuật BDPSK cho tỷ số SNR tốt hơn, với tốc độ bit lớn thì M-ary QAM hay M-ary PSK cho SNR tốt hơn. Ngoài ra, kỹ thuật trải phổ có thể cho hiệu quả SNR cao hơn các kỹ thuật băng hẹp khác nhưng lại đòi hỏi băng thông kênh truyền rộng hơn. Trải phổ trực tiếp là một trong hai kỹ thuật trải phổ thông dụng được sử dụng trong chuẩn WLAN và Zigbee. Trong kỹ thuật này, dòng dữ liệu tới được băm nhỏ bởi chuỗi giả ngẫu nhiên để tạo ra chuỗi tín hiệu bit hoặc chip đầu ra được phân bốđều trên kênh băng rộng. So với DSSS, FHSS cần phần cứng ít phức tạp hơn, kỹ thuật đồng bộ cũng đơn giản hơn. Dùng FHSS có thể cải thiện hiện tượng đa đường trong mạng WSNs, tuy nhiên yêu cầu về công suất thấp và băng thông dẫn đến vấn đề kỹ thuật cho việc thiết kế mạng WSNs. Tùy theo ứng dụng, độ phức tạp, tốc độ bit mà lựa chọn kỹ thuật điều chế phù hợp đểđạt được chất lượng mong muốn.
2.1.3. Quá trình truyền sóng
Tín hiệu WSNs được phát từ anten phát đến anten thu qua môi trường không gian, do vậy chịu tác động của tất cả các yếu tố trên kênh vô tuyến: phân tập đa đường, fading, nhiễu bởi các máy phát khác…
Hình 2.5: Mô hình truyền sóng
Phân tập đa đường là hiện tượng tại anten nhận thu được nhiều bản sao của tín hiệu phát do tín hiệu đi theo nhiều đường khác nhau. Tín hiệu truyền theo hướng
thẳng cho công suất và biên độ thu lớn nhất. Hiện tượng phản xạ gây ra khi tín hiệu đập vào vật thể có bề mặt nhẵn kích thước lớn hơn bước sóng rồi đi đến anten thu. Nếu tín hiệu đập vào vật thể có kích thước nhỏ hơn bước sóng, bề mặt nhám, gồ ghề thì gây hiện tượng tán xạ. Nhiễu xạ xảy ra đường truyền radio từ máy phát đến máy thu bị cản trở bởi bề mặt vật thể có nhiều đỉnh, góc nhọn. Do đặc thù là phát công suất thấp và yêu cầu tiết kiệm năng lượng nên các máy thu WSNs cũng bị ảnh hưởng lớn từ các máy phát vô tuyến ở cùng tần số. Tất cả các hiện tượng trên ảnh hưởng khá lớn đến tín hiệu máy thu, dù là thiết bị cốđịnh, tín hiệu thu được vẫn có thể bị suy giảm bởi sự di chuyển của các vật thể xung quanh.
2.1.4. Các công nghệ truyền dẫn không dây
Có nhiều giao thức không dây, được sử dụng khá rộng rãi là IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.11a/b/g/n Wireless LANs, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Man- scope IEEE 802.16 (WiMax) và kỹ thuật nhận dạng bằng sóng vô tuyến (RFID). Mỗi tiêu chuẩn có các ưu điểm và hạn chế riêng.
IEEE
Đặc tính 802.11 802.15/Bluetooth 802.15.4/ZigBee
Khoảng cách ~100m ~10 - 100m ~10m
Tốc độ dữ liệu ~2 - 54Mbps ~1 - 3Mbps ~0.25Mbps Công suất tiêu thụ Trung bình Thấp Cực thấp Thời gian sống của pin Phút - vài giờ Giờ - vài ngày Ngày - vài năm Kích thước Lớn Nhỏ hơn Nhỏ nhất
Tỉ số chi phí/độ phức tạp >6 1 0.2
Bảng 2.1: Các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến
2.1.4.1. Bluetooth
Bluetooth là chuẩn dùng cho kết nối RF tầm ngắn cho các thiết bị di động cá nhân. Chuẩn này bắt đầu như là một chuẩn không chính thức dùng trong công nghiệp. Bluetooth dùng trong các thiết bị thông tin cá nhân nhưđiện thoại, máy in, headset, bàn phím máy tính và chuột. Kỹ thuật này có một sốđặc tính hạn chế, do đó khả năng ứng dụng cho mạng WSNs bị giới hạn. Đặc điểm Bluetooth là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, cung cấp cho ứng dụng không dây giữa các thiết bị di động và làm đơn giản kết nối giữa các thiết bị. Hệ thống dùng sóng radio phát đẳng hướng, có thể xuyên qua tường và các vật cản phi kim loại khác. Sóng radio dùng trong Bluetooth hoạt động ở tần số 2.4GHz ISM, phổ biến trên toàn thế giới. Bluetooth dùng kỹ thuật trải phổ, song công hoàn toàn. Khi kết nối điểm điểm, cho phép cùng lúc kết nối với 7 thiết bị đồng thời. Đáng chú ý, công nghệ Bluetooth mới ra đời v2.0+EDR có khác đặc tính tốt hơn: tốc độ truyền nhanh gấp 3 lần các công nghệ Bluetooth trước đó, công suất tiêu thụ giảm xuống do giảm chu kỳ hoạt động, đơn giản trong các ứng dụng đa đường vì băng thông tăng lên và cải thiện tỉ lệ lỗi bit.
2.1.4.2. WLAN
WLAN là mạng LAN không dây với tốc độ cao hơn, cung cấp cho số lượng lớn người dùng với mật độ cao. Cung cấp chất lượng dịch vụ cao qua giao tiếp không dây.
Hình 2.7: Mô hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống
Phân chia tần số hoạt động trong mô hình mạng WLAN như trên hình 2.7. Các thiết bị di động kết nối mạng WLAN, thông qua các thiết bị giao tiếp có thể kết nối với mạng LAN có dây thông qua Ethernet Switch. WLAN có nhiều chuẩn theo IEEE, mỗi chuẩn đáp ứng được các yêu cầu khác nhau, mỗi chuẩn được phân chia một vùng tần số nhất định.
2.1.4.3. ZigBee
ZigBee là một công nghệ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn của IEEE, đáp ứng cho sự phát triển rộng khắp của mạng WSNs giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp dùng cho các ứng dụng điều khiển từ xa, điều khiển thiết bị trong nhà, ứng dụng trong các tòa nhà tựđộng trong công nghiệp và thương mại. Các chuẩn mạng không dây được giới thiệu ở các phần trước dùng cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao tiêu thụ công suất lớn, phức tạp và giá thành cao. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mạng không dây trong giám sát và điều khiển trong công nghiệp và thương mại đòi hỏi thời gian sử dụng pin dài hơn, tốc độ dữ liệu thấp và độ phức tạp ít hơn các chuẩn không dây khác. Đểđáp ứng cho sự phát triển theo hướng thương mại, cần có
một chuẩn thỏa các yêu cầu vềđộ tin cậy, an ninh, công suất thấp và giá thành thấp. Chuẩn IEEE 802.15.4/Zigbee cung cấp chuẩn tốc độ dữ liệu thấp với thời gian sử dụng pin nhiều tháng đến nhiều năm và ít phức tạp.
Tiêu chuẩn hướng đến hoạt động ở một băng tần quốc tế. Chuẩn này qui định về lớp vật lý (PHY) và điều khiển truy nhập (MAC). Các chức năng được định nghĩa bởi ZigBee Alliance được dùng ở các lớp cao hơn.
Hình 2.8: Mô hình giao thức ZigBee
Ưu điểm của ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1:
- Zigbee đơn giản hơn, có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiểm năng lượng hơn. Một nút mạng trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ