7. Ngày hoàn thành đồ án:
1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân, các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện.
Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện : mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ
cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh viện.
Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tựđộng hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
1.4.Kết luận
Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường... Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến.
Chương 2. Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến
2.1.Giới thiệu về giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến
Trong chương trước chúng ta đã xem xét về các khái niệm tổng quan nhất về
mạng cảm biến. Chương này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến. Đó là hai giao thức đồng bộ thời gian và giao thức vị trí. Hai giao thức này có ý nghĩa rất quan trọng trong mạng cảm biến.
2.2.Giao thức đồng bộ thời gian
Vấn đề thời gian rất quan trọng trong nhiều ứng dụng và giao thức trong mạng cảm biến. Các nút có thể đo thời gian bằng cách dùng các xung đồng hồ cục bộ lấy từ
các bộ dao động. Bởi vì các pha ngẫu nhiên làm dịch chuyển và làm trôi tốc độ của bộ
dao động, do vậy thời gian cục bộ của các nút sẽ bắt đầu sai khác đi làm cho mạng mất
đi sựđồng bộ. Do vậy việc đồng bộ thời gian có vai trò rất quan trọng trong hoạt động của mạng cảm biến.
Đồng bộ thời gian là phương thức cho phép các thực thể riêng biệt trong một nhóm đồng bộ xung đồng hồ của chúng hoặc đồng bộ với thời gian toàn cầu phối hợp (UTC). Phần này sẽ giải thích tại sao cần đồng bộ thời gian và đưa ra một số giao thức
đồng bộ khác nhau.
Tại sao cần đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến:
¾ Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào một hiện tượng xảy ra.
¾ Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu. Do
đó cần đồng bộ giữa các nút để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến Sink
¾ Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: quản lý cấu hình mạng.
¾ Các nút cảm biến thường nhỏ, giá thành thấp nên bộ dao động thường không chính xác, hơn nữa chúng bị giới hạn về năng lượng nên thường có chếđộ sleep để tiết kiệm năng lượng.
Sau đây, ta xét ví dụ đơn giản minh hoạ sự cần thiết của độ chính xác về thời gian như sau (hình 2.1)
Hình 2.1 Xác định góc đến của âm thanh ở xa bởi một dãy sensor
Một sóng âm phát ra từ một nguồn âm ở khoảng cách xa tác động đến một dãy các sensor và ta có thểước đoán góc tới trong trường hợp này. Mỗi một sensor đều biết vị trí của chúng và lưu lại thời gian đến của âm thanh. Trong trường hợp cụ thể như
hình vẽ, góc θ có thể được xác định khi d và x đã biết, dùng công thức lượng giác θ sin × =d x do đó θ = arcsin d x . Khoảng cách giữa các sensor có thể xác định từ các vị
trí đã biết của các sensor và x có thể thu được từđộ lệch thời gian Δt giữa các lần cảm nhận của sensor và vận tốc của âm thanh c≈330m/s, sử dụng công thức x=c×Δt. Cho d = 1m và Δt= 0.001s thì θ ≈0.336 (radians). Nếu đồng hồ của các sensor chính xác đến 500μs, sự sai lệch về thời gian thực có thểở khoảng giữa 500 và 1500 μs, và vì thế giá trị của góc θ có thể thay đổi trong khoảng θ ≈0.166 và θ ≈0.518. Vì thế, một sai số nhỏ trong khi đồng bộ thời gian có thể dẫn tới độ lệch đáng kể khi ước đoán.
Cần phải chú ý rằng thời gian dùng trong mạng cảm biến phải là thời gian tự
nhiên (physical time), đó là hai nút cảm biến phải có sự cảm nhận như nhau về 1s và 1s của một nút cảm biến càng gần với 1s trong thời gian thực (real time) hoặc thời gian toàn cầu phối hợp (coordinated universal time – UTC) càng tốt. Thời gian tự nhiên phải được phân biệt với khái niệm về thời gian logic (logical time) là thời gian mà cho phép quyết định việc sắp xếp các sự kiện trong hệ thống phân bố nhưng không cần thiết phải chỉ ra bất kì sự liên quan nào đến thời gian thực.
2.2.1. Đồng hồ các nút cảm biến và sự chính xác
Hầu hết các thiết bị đồng hồ của các nút cảm biến và máy tính đều có cấu tạo giống nhau. Mỗi nút có một bộ dao động ở một tần số xác định và một máy đếm xung dao động. Phần mềm của các nút chỉ truy nhập tới giá trị của bộđếm này và thời gian giữa hai lần tăng này quyết định cách giải quyết vấn đề thời gian: các sự kiện xảy ra giữa hai lần tăng này không thểđược phận biệt từ các nhãn thời gian của chúng.
Bộ dao động thường có độ trôi, đó là sự dịch ngẫu nhiên so với tần số trên danh nghĩa, hay còn gọi là độ lệch đồng hồ. Điều này phụ thuộc vào sự không trong suốt của tinh thể, hay các điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ… do vậy việc triển khai mạng cảm biến trên thực tế khác nhiều so với trong phòng thí nghiệm. Độ lệch đồng hồ được đo bằng ppm (parts per million), nó đưa ra con số về số dao động thêm vào hoặc số dao động bị mất mà đồng hồ tạo ra trong lượng thời gian cần cho 1 triệu dao động ở
tốc độ danh nghĩa.
Tần số dao động thay đổi theo thời gian. Có 2 kiểu thay đổi:
¾ Thay đổi ngắn hạn: do thay đổi nhiệt độ, do thay đổi trong điện áp nguồn cung cấp, áp suất không khí…
¾ Thay đổi dài hạn: do sự lão hóa của các bộ dao động
Người ta thường giả định tần số các bộ dao động là ổn định vừa phải trong phạm vi từ vài phút đến vài chục phút. Điều này cũng nói lên rằng các thuật toán đồng
bộ thời gian phải đồng bộ lại vài phút một lần để theo kịp sự thay đổi của tần số. Vì thế
giao thức đồng bộ thời gian là rất cần thiết.
Một điều cần quan tâm nữa là bao lâu thì giao thức đồng bộ thời gian chạy một lần? Giả sử một nút chỉđiều chỉnh độ dịch pha Φi và tốc độ trôi của dao động là x ppm
cố định, độ chính xác yêu cầu là δ s, thì sau khoảng thời gian khoảng 6 10 8 − × x s cần thiết phải đồng bộ lại. Với x = 20ppm, độ chính xác là 1s thì sau 50s phải đồng bộ lại. Các mô hình hiện đại ngày nay đều cố gắng ước lượng chính xác không chỉ Φi mà còn
i
θ để kéo dài chu kì trước khi phải đồng bộ lại. Một lần nữa phải nhấn mạnh rằng quá trình đồng bộ một lần không có hiệu quả vì tốc độ trôi thay đổi, và thường thì ta giới hạn được tốc độ trôi lớn nhất ρi >0mà thỏa mãn i i i t H dt d ρ ρ ≤ ≤ + + ( ) 1 1 1 (2.1) Công thức này còn dùng để xác định tần sốđồng bộ lại.
2.2.2. Đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
Trong mạng cảm biến có một số đặc điểm mà ảnh hưởng đến yêu cầu thiết kế
của các thuật toán đồng bộ thời gian:
¾ Thuật toán phải phù hợp với phạm vi mạng mutilhop rộng lớn, các nút bị ràng buộc về mặt năng lượng. Yêu cầu về phạm vi bao hàm cả số
lượng các nút trong mạng và mật độ các nút.
¾ Yêu cầu về độ chính xác có thể thay đổi khác nhau từ mili giây cho đến hàng giây.
¾ Không sử dụng thêm phần cứng chỉ giành cho mục đích đồng bộ
vì tốn chi phí và năng lượng thêm vào cho phần phụđó. ¾ Mức độ di động là rất thấp.
¾ Hầu như không có giới hạn trên cố định về trễ truyền gói vì phụ
thuộc lớp MAC, lỗi các gói, và truyền lại.
¾ Trễ truyền giữa hai nút hàng xóm là không đáng kể. Một khoảng cách 30m cần 10-7s vì vận tốc ánh sang là c =3.108m/s.
Có rất nhiều giao thức đồng bộ thời gian truyền thống cố gắng giữ việc đồng bộ
giữa các nút ở mọi thời điểm nhưng lại không quan tâm đến năng lượng và cấu hình mạng cho nên không thể áp dụng vào mạng cảm biến. Vì đặc điểm của mạng cảm biến cho nên giao thức đồng bộ thời gian cần chú ý về các vấn đề về độ chính xác, chi phí năng lượng và các yêu cầu về bộ nhớ.
Phương pháp cơ bản đểđồng bộ thời gian trong mạng cảm biến là cộng tác giữa các nút trong toàn mạng. Thiết lập mối liên hệ cặp dây (pair-wise) giữa các nút trong mạng sau đó mở rộng ra toàn mạng.
Có hai cách thiết lập sự cộng tác giữa hai nút trong mạng đó là đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận (Sender-Receiver) và giữa bên nhận và bên nhận (Receiver-Receiver).
Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận yêu cầu liên kết hai chiều giữa hai nút lân cận. Trong phương pháp đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận, nhiều nút nhận của các gói có nhãn thời gian như nhau đồng bộ với nhau mà không yêu cầu đồng bộ với bên gửi ( mốc gửi gói tin broadcast đến hai nút A và B, sau đó A và B tự đồng bộ với nhau không cần đến mốc). Hai phương pháp này được miêu tả như hình (2.2).
2.2.2.1.Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên phát
Trong giao thức này, một nút gọi là bên nhận, trao đổi gói dữ liệu với nút khác gọi là bên phát, làm cho bên nhận đồng bộ với đồng hồ của bên phát. Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên phát nói chung là đòi hỏi đường nối 2 chiều giữa các nút lân cận.
Điển hình của giao thức đồng bộ giữa bên phát và bên nhận là Lightweight time synchronization protocol (LTS). Giao thức này đưa ra bởi VAN GREUNEN và RABAEY để đồng bộ đồng hồ của mạng với đồng hồ của các nút tham chiếu, ví dụ
như có thể có bộ nhận GPS. Trong khi hoạt động nó điều khiển các nút để sử dụng năng lượng hiệu quả và đạt được độ chính xác cao, và đưa ra những giới hạn tương đối chính xác về các phần cứng cơ sở và các hệ thống. LTS không yêu cầu phải update
đồng hồ cục bộ và nó cũng không ước lượng tốc độ trôi thực sự. LTS chia quá trình đồng bộ làm 2 giai đoạn:
- Giao thức đồng bộ 2 chiều đểđồng bộ 2 nút lân cận.
- Để giữ các nút hoặc một tập hợp các nút cần quan tâm đồng bộ theo một tham chiếu chung, LTS xây dựng một cây phân tán từ các nút tham chiếu đến tất cả các nút. Nếu các lỗi khi đồng bộ single-hop là độc lập, phân phối y hệt nhau và có trung bình là
O thì các nút lá của cây cũng được đồng bộ với lỗi bằng O nhưng sự thay đổi là tổng các thay đổi dọc theo đường truyền từ nút tham chiếu đến nút lá. Vì vậy sự thay đổi này có thể tối thiểu hoá bằng việc tìm ra cây phân tán có chiều cao nhỏ nhất.
Đồng bộ 2 chiều
Đầu tiên chúng ta sẽ nghiên cứu vềđồng bộ hai chiều (hình 2.4)
Sau khi quá trình đồng bộ lại được khởi động ở nút i, gói dữ liệu yêu cầu đồng bộđược định dạng tại thời điểm t1 với thời gian Li(t1). Nút i điều khiển các gói qua hệ
thống hoạt động và các ngăn xếp. Trễđường truyền có thể biến thiên rất nhiều. Khi nút i gửi bit đầu tiên tại thời điểm t2, nút j nhận bit cuối cùng của gói tại t3 =t2 +τ +tP,
trong đó τ là trễđường truyền và tP là thời gian truyền gói (chiều dài của gói tính theo bit).
Hình 2.3 Hoạt động của việc đồng bộ bên phát/bên nhận
Sau đó một thời gian, tại thời điểm t4, gói dữ liệu đến được báo hiệu đến ứng dụng hoặc hệ thống hoạt động của nút j qua một quá trình ngắt, sau đó được đánh dấu
tại thời điểm t5 với thời gian Lj(t5). Tại t6, nút j định dạng gói phúc đáp với thời gian
Lj(t6), và điều khiển gói đó đến hệ thống hoạt động của nó và ngăn xếp mạng. Gói này bao gồm cả thời gian trước đó là Lj(t5) và Li(t1). Nút i ngừng nhận gói vào thời điểm t7
(t6 cộng với mào đầu của mạng hoặc hệ thống hoạt động) và đánh dấu tại thời điểm t8
với thời gian Li(t8). Bây giờ ta sẽ phân tích vì sao nút i lại nhận ra sự hiệu chỉnh của nó.
Để có O=Δ(t1):=Li(t1)−Lj(t1), chúng ta giả sử không có bất kì sự trôi nào giữa các
đồng hồ trong khoảng thời gian từ t1 đến t8, do đó O=Δ(t*) với các nút t*∈[ ]t1,t8 , và trên thực tế nút i ước đoán O bằng việc ước đoán Δ(t5).
Từ hình vẽ ta thấy nhãn thời gian Lj(t5) đánh dấu sự quay lại của nút i, có thể
xảy ra bất kì lúc nào trong khoảng từ t1 đến t8. Tuy nhiên chúng ta có thể làm giảm sự
không xác định này bằng các nhận xét sau:
¾ Chỉ có một độ trễđường truyền τ cộng với thời gian truyền gói tP
giữa t1 và t5
¾ Chỉ có thêm một khoảng τ +tP giữa t5 và t8 đối với gói phúc đáp. Với các nút tĩnh chúng ta có thể giả thiết rằng trễ đường truyền là như nhau theo cả hai hướng.
Thời gian giữa t5 và t6 cũng được tính bởi hiệu Lj(t6)−Lj(t5).
Do vậy, có thể giảm sự không chính xác của t5 đến khoảng
[L(t1) t ,L (t8) t (L (t6) L (t5))]
I = i +τ + P i −τ − P − j − j . Nếu chúng ta giả sử thời gian sử
dụng trong hệ thống hoạt động và ngăn xếp mạng, khoảng ngắt cũng như là trễ đường truyền là như nhau theo hai hướng, thì từ nút i sẽ suy ra nút j sẽ có Lj(t5) tại thời điểm (xét so với nút i) 2 )) ( ) ( ( ) ( ) ( ) (t5 L t1 t L t8 t L t6 L t5 Li i + + P + i − − p − j − j = τ τ (2.2) Vì thế,
2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (t5 L t5 L t5 L t8 L t1 L t6 L t5 O i j i + i − j − j = − = Δ = (2.3) Bây giờ nút i có thể điều chỉnh đồng hồ cục bộ bằng việc gắn thêm độ lệch O
vào. Bằng cách này nút i sẽ đồng bộ với thời gian cục bộ của nút j. Khi mục đích của việc gắn thêm này là để cho nút j về O thì phải cần thêm gói thứ 3, gửi từ i đến j và bao gồm cả O. Trong trường hợp này thì toàn bộ quá trình đồng bộ cần 3 gói.
Sai sốđồng bộ cao nhất của mô hình này là 2
I
nếu τ và tP có độ chính xác cao.
Sai sốđồng bộ thực sự có thể do các khoảng ngắt khác nhau ở i và j, đến các thời điểm