6. Phương pháp nghiên cứ u
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.