Để mềm dẻo cho việc trải rộng, các thiết bị WSN có khả năng là các pin năng lượng ( ví dụ: sử dụng các loại pin LiMH AA). Trong khi một vài nút có thể được nối dây với các nguồn năng lượng ở một vài ứng dụng, và năng lượng thu được trong kỹ thuật này có thể cung cấp một phần năng lượng tái sinh để hoạt động. Năng lượng pin hạn chế có khả năng trở thành nguồn giới hạn nhất
trong các ứng dụng WSN.
Phụ thuộc vào các ứng dụng, các thiết bị WSN có thể kết nối mạng với
nhau theo một số con đường. Trong các ứng dụng mà dữ liệu cơ sở tụ lại, ví dụ, có một nút được coi như một sink mà tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn
đều định hướng tới. Topo logic đơn giản nhất cho giao tiếp dữ liệu tụ lại là một
cầu đơn topo sao, ở đó, tất cả các nút đều gửi dữ liệu trực tiếp đến vũng (sink).
Trong mạng với chế độ truyền năng lượng thấp, hoặc ở đó, các nút truyền triển khai qua một vùng rộng, một cấu trúc cây đa cầu có thể được sử dụng để tụ dữ liệu. Trong trường hợp này, một vài nút có thể hoạt động chung nguồn, các
Một đặc điểm thú vị của mạng cảm nhận không dây là nó thường xuyên cho phép khả năng xử lý mạng thông minh. Các nút trung gian dọc theo đường
truyền không chỉ đơn thuần hoạt động chuyển các gói dữ liệu, mà còn có thể kiểm tra và xử lý nội dung của gói dữ liệu truyền qua chúng. Nó thường được dùng để nén dữ liệu hoặc xử lý tín hiệu để cải thiện chất lượng của thông tin thu được.
1.3. ứng dụng của mạng cảm nhận không dây
Các ứng dụng riêng của WSN vẫn còn rất nhiều tiềm năng để nghiên cứu và phát triển, cả trong nghiên cứu và công nghiệp. Ta có thể miêu tả một vài ứng dụng từ phạm vi khác một cách ngắn gọn để đưa ra một cảm biến ở vùng lớn trong trường này.
1.3.1. Quan sát môi trường sinh thái
Khoa học nghiên cứu môi trường sinh thái (động vật, cây cối, tế bào) thường đưa ta đến việc kiểm tra các hoạt động với người điều tra. Một mối quan
tâm thực sự theo cách nghiên cứu này là đôi khi những hiệu ứng quan sát – sự
xuất hiện và các hoạt động có khả năng xâm phạm trường quan sát có thể ảnh hưởng tới hoạt động của các tổ chức trong môi trường quan sát và ảnh hưởng tới
hiệu quả quan sát. Mạng cảm nhận không dây không cần quan sát, với một máy
làm sạch, quan sát từ xa, tiệm cận với môi trường quan sát. Xa hơn, mạng cảm nhận với khả năng trượt lớn trong một khung không gian thời gian dày rộng, có thể cung cấp dữ liệu phong phú chưa từng thấy.
1.3.2. Theo dõi trong quân sự và tìm kiếm mục tiêu
Cũng như rất nhiều kỹ thuật về thông tin khác, mạng cảm nhận không dây
bắt nguồn trước tiên từ những nghiên cứu về quân sự. Mạng cảm nhận không dây không cần có người quan sát cho ta hình dung được công thức chính để tiến tới
gần các hệ thống mạng xung đột trung tâm. Nó có thể triển khai nhanh chóng
cho việc theo dõi và sử dụng để cung cấp các thông tin chiến trường thông minh về vị trí, số lượng, chuyển động, và nhận dạng người hay xe cộ và dò tìm các loại
vũ khí hoá học, sinh học, hay nguyên tử.
Ơ một lớp khác của ứng dụng cho mạng cảm nhận gắn liền với việc giám
sát các điều kiện của cấu trúc. Cấu trúc có thể là các toà nhà, cầu đường, thậm chí là cả máy bay. Hiện tại độ bền của cấu trúc được giám sát trước hết là thủ công và kiểm tra bằng mắt thường, đôi khi là khá đắt tiền, còn kỹ thuật thì tiêu tốn thời gian, như tia X và siêu âm. Kỹ thuật mạng cảm nhận không cần theo dõi có thể tự động trong quá trình xử lý, cung cấp thông tin kịp thời và phong phú về
những vết nứt gẫy mới xuất hiện hay các tổn hại về cấu trúc. Các nhà nghiên cứu đã hình dung việc triển khai các cảm biến nhúng trong một cấu trúc cụ thể là gắn vào loại vật chất làm nên vật liệu của toà nhà hay trên bề mặt. Các mạng cảm
nhận này sẽ có giới hạn độ bền lớn đến mức các sự việc gây huỷhoại sau đó, như
nổ hay động đất không làm hỏng. Một cái nhìn đặc biệt thuyết phục trong tương
lai của việc sử dụng mạng cảm nhận bao gồm sự phát triển của cấu trúc điều khiển chứa động cơ, sẽ phản ứng lại thông tin cảm biến thời gian thực để thi
hành “việc xoá bỏ phản chấn” trong các sóng điạ chấn và có thể làm cho cấu trúc không bị tác động bởi bất kể một xáo trộn bên ngoài nào.
1.3.4. Công nghiệp và thương mại mạng cảm nhận
Trong các nhà máy công nghiệp, các cảm biến và động cơ được sử dụng để
xử lý giám sát và kiểm tra. Ví dụ trong một kế hoạch xử lý hoá học nhiều giai
đoạn, có thể gắn rất nhiều các cảm biến ở những vị trí khác nhau trong bộ xử lý
theo một thứ tự để có thể giám sát được nhiệt độ, kết hợp hoá học, áp suất…
Thông tin giám sát thời gian thực có thể được dùng để thay đổi khối điều khiển bộ xử lý, như thêm vào các lượng thành phần đặc biệt hoặc thay đổi các cài đặt
về nhiệt. Chìa khoá thuận lợi của việc tạo ra các mạng không dây của các cảm
biến trong điều kiện này là chúng có thể cải thiện có hiệu quả về giá thành cũng như các liên kết mềm dẻo với việc lắp đặt, duy trì và nâng cấp các hệ thống dây nối. Một chỉ số thương mại hứa hẹn cho mạng không dây khi đã có các công ty
cá nhân phát triển và thương mại hoá sản phẩm này, và cũng có các xu thế phát
triển sạch tìm ra các kỹ thuật chuẩn liên quan, như chuẩn IEEE 802.15.4, và các nỗ lực liên kết trong công nghiệp như Zigbee Alliance.
1.4. Thách thức thiết kế chính
1.4.1. Thời gian sống mở rộng
Như đã đề cập ở trên, các nút WSN sẽ trở thành nguồn năng lượng bắt buộc
cho giới hạn của các loại pin. Một loại pin kiềm, ví dụ, cung cấp 50Wh năng
lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút trong chế độ tích cực gần một tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng rộng,
thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tiễn, rất cần thiết trong rất nhiều
ứng dụng để bảo đảm rằng mạng tự động cảm biến không dây có thể sử dụng
không cần sự thay thế nào cho vài năm sử dụng. Sự cải thiện của phần cứng trong
thiết kế pin và kỹ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong các giải pháp.
Đây cũng là lý do mà các giao thức thiết kế tốt nhất của mạng cảm nhận không dây được thiết kế rõ ràng với năng lượng đạt hiệu quả như một thành công đầu tiên. Đương nhiên, thành công này phải cân bằng lại một số quan tâm khác.
1.4.2. Đáp ứng
Một giải pháp đơn giản nhất để mở rộng thời gian sống của mạng là tác động vào nút trong chu trình nhiệm vụ với một khoá tuần hoàn giữa chế độ ngủ và thức. Trong khi đồng bộ quá trình ngủ đó thì kích thích vào chính nó, một mối quan tâm lớn là giai đoạn ngủ kéo dài một cách tuỳ ý có thể làm giảm đáp ứng và hiệu lực của các cảm biến. Trong các ứng dụng mà ở đó điều then chốt là các sự kiện tự nhiên phải được dò ra và thông báo nhanh chóng , những khả năng
tiềm ẩn gây ra bởi quá trình ngủ phải được giữ trong một giới hạn sít sao, thậm
chí có thể là sự xuất hiện của tắc nghẽn mạng.
1.4.3. Sức mạnh
Cái nhìn của mạng cảm nhận không dây được cung cấp ở phạm vi rộng lớn, các thông tin đưa ra chưa mịn, điều này thúc đẩy việc sử dụng một số lượng lớn
các thiết bị rẻ. Tuy nhiên các thiết bị có thể không đáng tin cậy và dễ hỏng. Tốc độ của thiết bị gây lỗi cũng có thể trở nên cao bất cứ khi nào các thiết bị cảm nhận được triển khai thô trong các điều kiện khắc nghiệt. Vì vậy các thiết kế
giao thức phải gắn liền với cơ khí để cung ứng về sức mạnh. Cần thiết để đảm
bảo rằng hiệu suất toàn cầu của hệ thống không bị hỏng khi một cá thể riêng bị
lỗi. Xa hơn nữa, nó cũng rất cần thiết để hiệu suất hệ thống suy thoái chậm nhất
có thể với sự lưu tâm đến các thiết bị lỗi.
Luật Moore đưa ra một kỹ thuật đảm bảo rằng khả năng của thiết bị trong giới hạn của năng lượng xử lý, bộ nhớ, lưu trư, hiệu suất truyền bức xạ radio, thậm chí là cải thiện nhanh chóng độ chính xác của cảm biến. Tuy nhiên nếu xét
về kinh tế thì giá của mỗi nút sẽ được giảm mạnh từ 100$ xuống vài cent, rất có thể khả năng của mỗi nút riêng biệt sẽ còn phải xét đến ở một vài phạm vi. Vì vậy, thách thức đặt ra là thiết kế các giao thức bổ trợ, nó đảm bảo hệ thống hoạt động không lỗi hơn là chỉ kết hợp khả năng của các thành phần đơn lẻ. Giao thức này cũng đòi hỏi kết hợp hiệu quả việc sử dụng bộ lưu trữ, tính toán và các
nguồn giao tiếp.
1.4.5. Mở rộng phạm vi
Trong rất nhiều các ứng dụng cảm nhận được, các tổ hợp của cảm biến có
nhân và ở một vùng rộng lớn bao gồm các mạng cảm nhận không dây có khả
năng hoạt động ở một vùng cực rộng (10 ngàn, thậm chí 1triệu nút trong một giới hạn về độ dài). Giao thức này vốn phải được phân bố, bao gồm các giao tiếp
khoanh vùng, và các mạng cảm biến phải được sử dụng theo cấu trúc thứ bậc để
cung cấp cho mở rộng này. Tuy nhiên, nhìn nhận ở số lượng lớn các nút vẫn chưa thực hiện được trên thực tiễn cho đến khi một vài vấn đề cơ bản, như vận hành lỗi hay tái lập trình, được thực hiện một cách trơn tru trong những cài đặt
nhỏ, bao gồm 10 đến hàng trăm nút. Cũng có một vài giới hạn chủ yếu về lượng số liệu đưa vào và dung lượng tác động tới hoạt động của mạng mở rộng (cấp
bậc).
1.4.6. Tính không đồng nhất
Có một sự không đồng nhất giữa năng lượng của các thiết bị ( chú ý đến
việc tính toán, giao tiếp và cảm biến) trong những cài đặt thực tế. Tính không đồng nhất này có thể có một số kết quả thiết kế quan trọng. Ví dụ: Việc xuất hiện một số ít các thiết bị có khả năng tính toán lớn với một số lượng lớn các
thiết bị khả năng thấp có thể làm chúng hợp lại thành một kiến trúc mạng và sự xuất hiện của rất nhiều phương thức cảm nhận đòi hỏi kỹ thuật cảm nhận dung hoà một cách thích hợp. Chìa khoá của bài toán thường xác định bởi tổ hợp chính xác của các dung lượng thiết bị không đồng nhất cho các ứng dụng đưa ra.
Do sự phân chia và bản chất của các ứng dụng, mạng cảm nhận không dây vốn đã là một hệ thống phân bố không cần theo dõi. Vì vậy hoạt động độc lập là thách thức để thiết kế chính. Đầu tiên, các nút trong mạng cảm nhận có thể được
cấu hình trong mạng topo riêng; định vị, đồng bộ, định cỡ cho bản thân; xử lý
các giao tiếp trong nút và xác định các thông số hoạt động quan trọng khác.
1.4.8. Tự đánh giá và thích nghi
Thông thường các hệ thống kiến trúc được đánh giá là điều ưu tiên để hoạt
động hiệu quả trong một điều kiện chuẩn. Trong mạng cảm nhận không dây, có
thể không chắc chắn về các điều kiện hoạt động bề mặt để triển khai. Dưới
những điều kiện như vậy, cần thiết phải có một loại thiết bị nội có khả năng tự học từ các cảm biến và thông số mà mạng thu được theo thời gian và sử dụng chúng để tiếp tục cải thiện hiệu suất. Ngoài ra, bên cạnh các điều kiện ưu tiên không chắc chắn, thì môi trường mà các mạng cảm nhận hoạt động có thể thay
đổi mạnh theo thời gian. Các giao thức WSN còn có thể thích ứng trong những
môi trường tích cực như vậy trong phương thức trực tuyến.
1.4.9. Thiết kế hệ thống
Như ta đã thấy, các mạng cảm nhận không dây có thể là các ứng dụng phức tạp cụ thể. Đó là bài toán cân bằng các yếu tố chưa biết trước, có thể áp dụng sâu, tiệm cận với việc khai thác các đặc tính của các ứng dụng cụ thể để thu được
hiệu suất và tính mềm dẻo, dễ dàng thực hiện phương thức thiết kế. Trong khi
việc đánh giá là rất quan trọng đưa ra một tài nguyên khắt khe với mạng cảm nhận không dây, phương thức thiết kế hệ thống, cho phép dừng, điều chỉnh, đáp ứng theo thời gian là cần thiết cho các điều kiện thực tế.
1.4.10 An ninh và bảo mật
Ơ một bề mặt rộng, thông thường và nhạy cảm của thông tin thu đuợc bởi WSN làm tăng lên số lượng các chìa khoá cuối cùng của bài toán để bảo đảm an ninh và bảo mật.
Chương 2.
TRIỂN KHAI MẠNG
2.1. Tổng quan
Vấn đề triển khai của mạng cảm nhận không dây có thể được khái quát như sau: Với mỗi ứng dụng cụ thể, một miền hoạt động và một bộ thiết bị cảm nhận không dây, đặt các nút như thế nào và ở đâu?
Mạng triển khai phải giữ được hai phần khách quan: truyền tin và kết nối.
Truyền tin gắn liền với bản chất của ứng dụng cụ thể của thông tin thu nhận được từ môi trường bởi các thiết bị cảm nhận mạng. Kết nối gắn liền với topo mạng qua đó lộ trình của thông tin được sắp xếp. Các phát sinh khác, như giá vật liệu
thiết bị, giới hạn năng lượng, và nhu cầu về sức mạnh cũng có thể kể đến.
Một số câu hỏi cơ bản khi xem xét việc triển khai mạng cảm nhận không dây:
- Triển khai kết cấu hay ngẫu nhiên: Mạng bao gồm sắp xếp cấu trúc nhân tạo hay thông qua các nút robot tự động hay triển khai ngẫu nhiên một cách rời rạc?
- Triển khai toàn cục hay triển khai dần: Để có thể chống lại các nút gây
lỗi và suy yếu năng lượng, mạng cảm nhận được triển khai ưu tiên với các nút dư thừa hoặc có thể thêm hoặc thay thế dần khi cần thiết. Trong
dạng này, chu trình ngủ đòi hỏi mở rộng thời gian sống của mạng.
- Topo mạng: Topo mạng có thể là topo dạng sao đơn giản, hoặc dạng
lưới hoặc mạng lưới bước nhảy tuỳ ý hay cụm thứ bậc 2 mức. Cách kết nối nào được chọn lựa?
- Triển khai đồng bộ với không đồng bộ: Tất cả các nút cảm biến đều cùng thuộc một loại hay có sự trộn lẫn giữa các thiết bị dung lượng lớn và nhỏ? Trong trường hợp không đồng bộ có thể là các thiết bị gateway/sink phức tạp. (Các nodes mà sensor của nó truyền thông tin thông qua người sử dụng bên ngoài có thể truy cập vào mạng cảm
- Kiểu dáng hình học: Đâu là loại thông tin cảm biến lấy từ môi trường và đo chúng ra sao? Có thể là nền tảng của việc dò tìm và khả năng cảnh báo lỗi hoặc cũng có thể mỗi sự kiện có thể được cảm nhận bởi nodes K
xác định…
2.2. Triển khai một cách có cấu trúc hay triển khai ngẫu nhiên
Việc triển khai ngẫu nhiên tiến gần tới những ứng dụng cho tương lai cho một vùng rộng lớn, tại đó các nodes được rải từ trên không hoặc cố định trên bề mặt trước khi được nhúng vào một hệ thống thông minh. Tuy nhiên rất nhiều WSN nhỏ và trung bình cần được triển khai theo cách có cấu trúc thông qua việc