6. Cấu trúc luận văn
1.2. CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng cảm biến không dây [6, 7] có thể nói rằng đây chính là hệ thống mạng với hai chức năng chính: Mạng và cảm nhận thông tin từ sự thay đổi của môi
trường.
WSNs với đặc điểm các node Sensors liên kết với nhau thông qua sóng vô tuyến, trong đó các nodes mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp,... Mạng loại này có thể triển khai với số lượng lớn các nodes được phân bố một cách không có hệ thống trên một diện rộng, sử dụng một nguồn năng lượng hạn chế và khó có thể nạp lại.
Tóm lại có thể nói, WSNs bao gồm số lượng lớn các node Sensors phân bố ngẫu nhiên nhằm thu thập thông tin về những sự thay đổi của môi trường. Mỗi node Sensor chính là một thiết bị nhỏ bé và được duy trì hoạt động trên một nguồn năng lượng hạn chế. Một node Sensor có thể thay đổi kích thước tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của mỗi ứng dụng [8]. Vì vậy, chi phí các node Sensors có thể thay đổi từ hàng trăm đô la đến một vài xu, tùy thuộc vào kích thước triển khai của WSNs. Với những hạn chế về kích thước và chi phí, dẫn đến các node Sensors cũng hạn chế tương ứng về các mặt tài nguyên như pin, bộ nhớ, tốc độ tính toán và băng thông [9]. Tuy nhiên, mỗi node Sensor được cấu thành bao gồm một số thành phần cơ bản như sau.
Nguồn năng lượng Sensors
Thu phát vô tuyến
GPS Bộ nhớ Bộ vi xử
lý
Hình 1.6. Thành phần của node Sensor
Trong đó, các Sensors chính là các cảm biến nhằm thực hiện chức năng cảm nhận về sự thay đổi của môi trường phân bố. Còn đối với bộ xử lý, thì thành phần này nó sẽ thực hiện nhiệm vụ xử lý các dữ liệu sau khi các Sensors đã cảm nhận được. Đồng thời, đối với thành phần tiếp theo trong cấu tạo của một node mạng chính là thu phát vô tuyến hay tức là thiết bị trao đổi thông tin liên lạc giữa các
nodes cụ thể chẳng hạn sự liên lạc từ node chủ của mỗi cụm đến trung tâm dữ liệu (node Sink) và có thể hình dung qua sơ đồ sau:
Sink Internet/ vệ tinh Node quản lý tác vụ Node quản lý tác vụ User CH CH CH TV TV TV
Hình 1.7. Cấu trúc hoạt động của phân cụm trong WSN
Cuối cùng, GPS [10] chính là thiết bị định vị nhằm xác định vị trí chính xác của các node Sensors phân bố trong hệ thống mạng.
Các node Sensors trong hệ thống thường được cài đặt với các chức năng như cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh chẳng hạn nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,... hay thâm chí có thể theo dõi hoặc định vị các mục tiêu cố định hoặc di động,... Các node này giao tiếp với nhau và sau đó truyền dữ liệu về trung tâm (Base Station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng (multi - hop).
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nodes được triển khai dày đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò nhằm thu thập thông tin dữ liệu. Tuy nhiên, vị trí các cảm biến không dây được định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc thậm chí các khu vực nguy hiểm. Với khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây đây chính là những đặc trưng rất cơ bản của hệ thống loại mạng này.
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, và đồng thời kéo dài thời gian sống của các nodes trong mạng. Vì vậy, thiết kế cấu trúc và kiến trúc của loại mạng này cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:
không dây giao tiếp với nhau thông qua kênh vô tuyến, đây cũng chính là kỹ thuật chính. Tuy nhiên, giữa hai node Sensors giao tiếp trực tiếp với nhau sẽ có nhiều hạn chế chẳng hạn do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt khi node phát và node thu ở xa nhau thì cần công suất phát lớn. Vì vậy cần các node trung gian làm node chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy, các nodes cảm biến không dây cần phải giao tiếp đa chặng với nhau.
- Sử dụng hiệu quả năng lượng: Nhằm hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biến không dây.
- Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Chẳng hạn như các nodes có thể xác định vị trí của nó thông qua các nodes khác gọi là tự định vị.
- Cộng tác, xử lý các nodes trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng, một node Sensor không thể thu thập đầy đủ dữ liệu mà cần phải có sự cộng tác của nhiều nodes hoạt động với nhau thì mới có thể thu thập đủ dữ liệu trong khu vực, trong khi đó từng node thu thập dữ liệu và ngay lập tức gửi đến trạm gốc thì lúc này những nodes đó sẽ tốn băng thông và năng lượng. Một giải pháp đưa ra chính là cần phải kết hợp dữ liệu của nhiều nodes trong một vùng rồi mới gửi đến trạm gốc, thì có thể nói rằng sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng đồng nghĩa với thời gian sống của mạng sẽ kéo dài hơn.
Vệ tinh/ Internet Thiết bị thu phát (Sink) Node quản lý tác vụ Các node Sensors Trường cảm biến Users
Hình 1.8. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện như hình 1.8. Trong đó, các nút cảm biến được triển khai trong môi trường cảm biến (Sensor field). Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng và có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển đến người dùng (Users), và đồng thời định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện. Tùy theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một nút cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát phải đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng kết nối với nhau bằng không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút cảm biến đó là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắc-quy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và nó khó thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân
công.