Island
COA (The college of the Atlantic) là trường kiểm tra các mạng cảm biến tại chỗ cho giám sát môi trường sống. COA trang bị đến chương trình kiểm tra trường trên các hòn đảo từ xa với hạ tầng on-site bền vững và hỗ trợ hậu cần. GDI (Great Duck Island) (44.09 N, 68.15 W) là một hòn đảo rộng 237 acre cách 15km về phía nam đảo Mount Desert Island, Maine. Nature Conservancy, State of Maine, và COA nắm giữ nhiều hòn đảo theo thời gian thoả thuận thuê mượn.
Mainwaring et al. (2002) được quân tâm chính trong 3 câu hỏi trong việc giám sát đàn chim hải âu của Leach tại GDI:
(1) Mô hình sử dụng gì của các hang làm tổ thông qua chu kỳ 24-72h khi một hoặc cả hai thành viên của một cặp sinh sản có thể làm nhiệm vụ
luân phiên ấp trứng với quá trình chăm sóc tại bờ biển?
(2) Những thay đổi gì có thể được theo dõi trong hang và các tham số môi trường trong suốt tiến trình trong mùa sinh sản khoảng 7 tháng (tháng 4
đến tháng 10)?
(3) Những sự khác biệt nào trong những môi trường vi nhỏ với và không cần số lượng lớn của tổ chim hải âu?
Mỗi câu hỏi trong ba câu có các yêu cầu về dữ liệu đơn nhất và các tốc độ dữ
liệu thu được phù hợp. Dữ liệu hiện có/hoặc chưa có phù hợp nhất để có được thông qua phát hiện thời gian chiếm đóng và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các hang với những chú chim đã trưởng thành và các hang chứa đựng trứng, chim non hoặc rỗng. Chim hải âu không thể về hoặc rời tổ trong suốt ban ngày trong
thời gian 24h, nhưng khoảng chừng 5-10 phút trong suốt thời gian buổi tối hoặc sáng sớm là cần thiết để có thời gian trở về hoặc rời tổ. Nhiều sự sự khác biệt hơn của môi trường chung giữa hang và các điều kiện giao diện trong suốt mùa sinh sản mở rộng có thể được nắm bắt bởi việc ghi lại trong 2-4h, trong khi có sự khác biệt về vị trí phổ biến và không phổ biến từ các mẫu liên tục, đặc biệt tại
đầu mùa sinh sản.
Thật không thể rằng một tham sốđược ghi lại bởi các cảm biến không dây có thể quyết định tại đàn chim hải âu chọn một vị trí tổđặc biệt. Tuy nhiên, nhờ tạo ra nhiều phép đo các mô hình dự báo trước có khả năng thay đổi có thể được triển khai. Các mô hình này có tương quan với những điều kiện của các loài chim biển.
2.2.1 Các yêu cầu cho giám sát môi trường sống trên đảo GDI
- Truy cập Internet: Các mạng cảm biến tại GDI phải có thểđược truy cập thông qua Internet. Một khía cạnh chủ yếu của các ứng dụng giám sát môi trường sống là có khả năng hỗ trợ các tương tác từ xa với các mạng in- situ.
- Mạng lưới: Trạm quan sát tại GDI yêu cầu yêu cầu tài nguyên phải đầy
đủ từ các kết nối host Internet và các hệ thống cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, môi trường sống của sự quan tâm về kỹ thuật được định vị xa hơn vài km. Tầng thứ hai của mạng không dây cung cấp các kết nối đến nhiều mảng của mạng cảm biến được triển khai tại mỗi mảng trong vùng đã quan tâm. Ba đến bốn mảng của 100 node cảm biến (không phải di động) có đủ khả
năng để bắt đầu.
- Tuổi thọ mạng cảm biến: Các mạng cảm biến thực thi khoảng 9 tháng từ
các nguồn năng lượng không cần nạp lại được sử dụng. Thông qua việc nghiên cứu trạng thái sinh học tại GDI kéo dài nhiều vùng mùa, các vùng mùa riêng rẽ điển hình thay đổi từ 9 đến 12 tháng. Sự thay đổi mùa phù hợp với động vật và thực vật trong mối quan tâm quyết định rõ thời gian tồn tại của chúng.
- Quản lý qua khoảng cách at-a-distance (tại một khoảng cách): Cơ sở hạ
tầng giám sát môi trường sống phải được giữ kín đáo. Nó sẽ không phá vỡ các khối xử lý tự nhiên hoặc cách thức dưới dạng nghiên cứu. Di chuyển sự có mặt của con người từ các vùng nghiên cứu cho cả việc loại bỏ nguồn lỗi và sự thay đổi trong tập dữ liệu, thích hợp như một nguồn quan trọng của tập âm khí quyển.
- Phân lịch hệ thống: Từ cả hai, một là hệ thống và phối cảnh người sử
dụng đầu cuối, thực sự tới hạn mà các mạng cảm biến thể hiện trạng thái
ổn định, để dự báo trước, và công việc được phân lại bất cứ khi nào có thể. Một hệ thống không thể dự báo trước là rất khó để gỡ rối và bảo trì. Quan trọng hơn, việc dự báo là vấn đề cốt yếu trong quá trình phát triển với sự tin cậy vào các kỹ thuật mới này cho các life scientists.
- Các tương tác tại chỗ in-situ: Mặc dù đa phần tương tác với các mạng cảm biến được mong chờ thông qua mạng Internet, các tương tác nội hạt
được yêu cầu trong việc phát triển ban đầu và trong các tác vụ bảo trì. Các PDA cung cấp một vai trò quan trọng trong quá trình trợ giúp với các tác vụ này. Chúng có thể truy vấn một cảm biến trực tiếp, căn chỉnh các tham số vận hành, hoặc trợ giúp đơn giản trong quá trình sắp đặt các thiết bị. - Các cảm biến và quá trình lấy mẫu: Với các ứng dụng cụ thể đó, khả
năng cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, hồng ngoại, độẩm tương đối, và áp lực không khí cung cấp một tập cốt yếu các đo lường hữu ích. Khả năng cảm biến hiện tượng bổ xung, ví dụ như gia tốc/vận tốc, cân nặng, hơi hoá học, sự tập trung hơi ga, nồng độ pH, và mức nhiễu cũng được sử dụng.
- Lưu trữ dữ liệu: cảm biến lưu trữ đọc ra từ bộ lưu trữ dữ liệu offline và phân tích dữ liệu này là cần thiết. Quá trình tải xuống tin cậy của cảm biến đăng nhập đến các cơ sở dữ liệu trong thiết bị nguồn hữu tuyến là một khả năng cần thiết. Muốn để rải xuống và thăm rò các cảm biến riêng rẽ tương tác lẫn nhau, hoặc một tập con các cảm biến, trong các nghiên cứu dựa trên đăng nhậpthành phần thời gian thực gần nhất. Trong chế độ
vận hành này, thời gian phát tán của dữ liệu cảm biến là trọng tâm. Cưối cùng, các tổng hợp dữ liệu node và giám sát thể trạng theo chu kỳ yêu cầu thời gian phát tán.
Một kiến trúc xếp tầng được chỉ ra tại hình 2.1. Mức thấp nhất bao gồm các node cảm biến để thi hành mục đích chung tính toán và liên mạng trong bổ xung
đến cảm biến chỉđịnh ứng dụng. Các node cảm biến có thểđược triển khai trong các mảng đông đúc nằm riêng rẽ rộng. Các node cảm biến truyền dẫn dữ liệu thông qua mạng cảm biến đến gateway mạng cảm biến. Gateway chịu trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu cảm biến từ mảng cảm biến, thông qua một mạng truyền dẫn nội hạt, đến trạm gốc từ xa được cung cấp kiểu kết nối WAN và đăng nhập dữ liệu. Trạm gốc kết nối đến các bản sao cơ sở dữ liệu xuyên qua mạng Internet. Dữ liệu được hiển thị đến các nhà khoa học thông qua một giao diện người sử dụng. Các thiết bị di động, xem như là “gizmo”, có thể tương tác với
nhiều thiết bị của mạng dù có được sử dụng trong các trường hoặc thông qua các kết nối với thế giới bên ngoài đến một hệ thống cơ sở dữ liệu.
Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống cho giám sát môi trường sống
Mức thấp nhất của ứng dụng cảm biến được cung cấp bởi các node cảm biến tự trị. Loại nhỏ này, các thiết bị nguồn mức thấp được đặt trong các vùng quan tâm và mỗi một vùng tập hợp thành dữ liệu môi trường, chủ yếu là gần vùng lân cận của nó. Bởi vì nó được đặt kín trong hiện tượng cần quan tâm, một cảm biến thường có thể được xây dựng nhờ sử dụng các cảm biến riêng biệt nhỏ và rẻ. Giải pháp không gian mức cao có thể được hoàn tất bởi sự phát triển đông đúc của các node cảm biến. So sánh với các phương pháp truyền thống, sử dụng một vài cảm biến chất lượng cao với quá trình sử lý tín hiệu tinh vi, kiến trúc này cung cấp sức mạnh cao hơn để chống lại tắc nghẽn và các lõi thành phần.
Modul máy tính là một đơn vị có thể lập trình cung cấp máy tính, bộ lưu trữ, truyền thông hai chiều với các node khác trong hệ thống. Modul máy tính giao diện với các cảm biến tương tự và số trên module cảm biến, thực hiện quá trình xử lý tín hiệu cơ bản, phát tán dữ liệu theo các yêu cầu của ứng dụng. So sánh với các hệ thống đăng nhập dữ liệu truyền thống, các cảm biến mạng đề nghị hai cải tiến lớn: chúng có thểđược nhận lại nhiệm vụ trong các trường và chúng có thể dẽ dàng truyền thông với khi hệ thống nghỉ. In-situ Retasking cho phép các
nhà khoa học tập trung lại các quan sát dựa trên việc phân tích các kết quả ban
đầu. Giảđịnh rằng ban đầu chúng ta muốn tập hợp các số liệu ghi nhiệt độ tuyệt
đối, tuy nhiên sau khi làm sáng tỏ dữ liệu ban đầu chúng ta có thể thấy rõ được rằng những thay đổi nhiệt độ quan trọng vượt quá một ngưỡng được định nghĩa mà được quan tâm nhất.
Các node cảm biến riêng lẻ truyền thông và kết hợp cộng tác với một node khác. Các cảm biến điển hình hình thành một mạng multihop nhờ gửi đi các bản tin của mỗi node khác, với các lựa chọn kết nối mở rộng rất lớn. Nếu thích hợp, mạng có thể thực thi hội tụ trong mạng (ví dụ báo cáo nhiệt độ trung bình qua một vùng). Cấu trúc truyền thông mềm dẻo này cho phép chúng ta cung cấp một mạng để phát tán dữ liệu yêu cầu trong khi hội nghị các yêu cầu năng lượng.
Cuối cùng, dữ liệu từ mỗi node cảm biến yêu cầu được quảng bá đến mạng Internet. Dữ liệu quảng bá có thể có thể là thô, đã được lọc, hoặc được xử lý. Trên hướng đi, kết nối diện rộng đến mỗi đường dẫn cảm biến không thể thực hiện được, thiết bị quá đắt, nó yêu cầu quá nhiều năng lượng và phải cài đặt tất cả thiết bị yêu cầu là sự thâm nhập tương đối đến môi trường sống. Thay vì, kết nối diện rộng được chuyển đến một trạm gốc, nguồn tương ứng và bộ lưu trữ
cho yêu cầu được cung cấp. Trạm gốc có thể truyền thông với mảng cảm biến sử
dụng mạng WLAN. Các mạng vô tuyến là những thuận lợi đặc biệt do đó mỗi môi trường sống bao gồm giám sát một vài vùng quan tâm đặc biệt, mỗi vùng với một mảng cảm biến riêng rẽ một mình của nó.
Mỗi mảng cảm biến được trang bị một gateway để có thể truyền thông với mạng cảm biến cung cấp kết nối đến mạng truyền dẫn. Mạng truyền dẫn có thể
bao gồm một liên kết hop đơn hoặc một chuỗi các node không dây mạng, có thể
nằm trong một đường từ gateway đến trạm gốc. Mỗi thiết kế mạng truyền dẫn có những đặc trưng khác nhau đối với tình trạng sức khoẻ được mong đợi, băng tần, hiệu quả năng lượng, giá, khả năng quản lý.
Để cung cấp dữ liệu đến các đầu cuối từ xa, trạm gốc bao gồm kết nối WAN và bộ lưu trữ dữ liệu liên tục cho tập các mảng cảm biến. Khi nhiều môi trường sống được quan tâm nằm tương đối xa, kết nối WAN có thể là vô tuyến (ví dụ
hai chièu vệ tinh). Với các thành phần tin cậy, đã khép kín trong các vùng bảo vệ về mặt môi trường và được cung cấp với nguồn tương ứng. Trong nhiều môi trường khi các điều kiện có thể được cung cấp tương đối dễ dàng tại một trạm miền.
Kiến trúc đềđịa chỉ khả năng phân tách tại mọi mức. Mỗi lớp (các node cmả
biến, các gateway, các trạm gốc) có nhiều bộ lưu trữ liên tục để bảo vệ dữ liệu chống lại việc tổn thất dữ liệu trong trường hợp thiếu nguồn. Mỗi lớp cũng cung cấp các dịch vụ quản lý dữ liệu. Tại mức cảm biến, chúng mang theo một dạng
đăng nhập dữ liệu. Trạm gốc đưa ra một dịch vụ cơ sở dữ liệu kiểu quan hệđầy
đủ. Quản lý dữ liệu tại các gateway chuyển xuống một nơi bất kỳ nào đó giữa chúng, chúng cho phép nhiều dịch vụ cơ sở dữ liệu, nhưng thông qua cửa sổ giới hạn dữ liệu. Trong khi có nhiều kiểu truyền thông có thể không tin cậy, khi nó đi
đến tập dữ liệu, long-latency thích hợp hơn với kiểu tổn thất dữ liệu. Với loại truyền thông này, một mẫu truyền dẫn giam cầm, tương tự như những bản tin SMTP hoặc bó, có thểđược sử dụng. Người sử dụng tương tác với dữ liệu mạng cảm biến trong chếđộ hai chiều. Người sử dụng từ xa có thể truy cập bản sao cơ
sở dữ liệu trạm gốc (trong trường hợp thoái hoá chúng tương tác trực tiếp với cơ
sở dữ liệu). Phương pháp tiếp cận này cho phép dễ dàng tích hợp phương phân tích dữ liệu và các công cụ nhỏ, trong khi tạo mặt nạ với những phân tách diện rộng tiềm ẩn với các trạm gốc. Điều khiển từ xa trong mạng cũng được cung cấp thông qua giao điện cơ sở dữ liệu. Mặc dù giao diện điều khiển này đầy đủ cho người sử dụng từ xa, người sử dụng on-site thường yêu cầu một tương tác trực tiếp hơn với mạng. Với một thiết bị nhỏ, thiết bị cỡ PDA, quy vào giống như
một gizmo, cho phép tương tác như vật. Gizmo có thể truyền thông trực tiếp với các mảng cảm biến, cung cấp tương tác của người sử dụng điều khiển các tham số mạng nhờ điều chỉnh các tốc độ lấy mẫu, các tham số quản lý nguồn, và các tham số mạng khác. Kết nối giữa nhiều node cảm biến và gizmo không phải tin cậy vào hoạt động định tuyến mạng cảm biến multi-hop, thay vì người sử dụng truyền thông trực tiếp với mạng mote, tin cậy vào gần hop đơn.
2.2.2 Các kế hoạch thi hành
a/ Node mạng cảm biến
Các hạt bụi được sử dụng như là các node cảm biến. Thành viên trong họ bụi
được gọi là Mica, sử dụng một kênh đơn, tần số vô tuyến 916 MHz từ khối RF cung cấp truyền thông hai chiều tại 40kps, một vi điều khiển Atmel Atmega 103 chạy tại tần số 4 MHz, và có thể quan tâm đến giá trị bộ nhớ không bay hơi (512kb), Một đôi nguồn pin AA thông thường và một bộ chuyển đổi tăng thế
DC cung cấp một nguồn điện áp ổn định, thông qua các nguồn năng lượng có khả năng hồi phục khác có thể được sử dụng một cách dễ dàng. Node có kích thước nhỏ và vào khoảng 2.0× 1.5×0.5 inches.
b/ Board cảm biến
Một board cảm biến giám sát môi trường được sử dụng để cung cấp các phép
đo lường. Mica Weather Board cung cấp các cảm biến để giám sát giám sát sự
thay đổi các điều kiện môi trường với các chức năng giống nhau như một trạm dự báo thời thiết truyền thống. Mica Weather Board bao gồm các cảm biến nhiệt
độ, quang trở, áp suất khí áp, độẩm, hồng ngoại thụ động (nhiệt điện). Module áp suất khí áp là một cảm biến số được sản xuất bởi hãng Intersema. Cảm biến có độ nhạy từ 0.1 mbar áp suất và có một dải áp suất tuyệt đối từ 300 đến 1100mbar. Module được định chỉnh trong suốt quá trình sản suất và các hệ số định chỉnh được lưu trữ trong bộ nhớ cố định EEPROM. Module áp suất bao gồm một cảm biến nhiệt độ định chỉnh để bù lại các xác nhận áp xuất khí áp chưa xử lý.
Cảm biến độẩm được sản xuất bởi General Eastern. Nó là một cảm biến điện dung polymer sản xuất với điện dung trong khoảng 1pF (sai số ± 3%). Phần tử
cảm biến bao gồm một lớp vỏ kim loại phân cực bao lấy lớp polimer cảm biến
độ ẩm. Cảm biến được module bởi bộ định thời 555 CMOS để cảm biến tích