Giỏm sỏt lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: Cỏc lónh đạo, sĩ quan s theo ẽ dừi liờn tục trạng thỏi lực lượng quõn đội, đ ềi u kiện và sự sẵn sàng c a cỏc thi t b , ủ ế ị đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng m ng c m bi n. Cỏc trang thi t b ạ ả ế ế ị và đạn dược được gắn thiết bị cảm bi n nh để cú thểế ỏ thụng bỏo v tr ng thỏi c a ề ạ ủ chỳng. Những bản bỏo cỏo này được tập hợp lại tại cỏc nỳt sink để gửi tới trung tõm quan sỏt, đ ềi u hành.
27
Giỏm sỏt chiến trường: địa hỡnh hiểm trở, cỏc tuyến đường , đường mũn và cỏc chỗ eo hẹp cú th nhanh chúng được bao ph b i m ng c m bi n và g n nh cú ể ủ ở ạ ả ế ầ ư thể theo dừi cỏc hoạt động c a quõn địch. Khi cỏc hoạt động này được mở rộng và ủ kế hoạch hoạt động được chuẩn bị một mạng m i cú th được tri n khai b t c th i ớ ể ể ấ ứ ờ gian nào khi theo dừi chiến trường.
Giỏm sỏt địa hỡnh và lực lượng quõn ch: mạđị ng c m bi n cú th được triển ả ế ể khai ở những địa hỡnh then chốt và một vài nơi quan trọng, cỏc nỳt cảm biến cần nhanh chúng cảm nhận cỏc dữ liệu và tập trung dữ liệu gử ề trong vài phỳt trước i v khi quõn địch phỏt hiện và cú th ch n l i chỳng. ể ặ ạ
Đỏnh giỏ s nguy hi m c a chi n trường: trước và sau khi tấự ể ủ ế n cụng m ng ạ cảm biến cú thể được triển khai nh ng vựng m c tiờu để nắở ữ ụ m được m c độ nguy ứ hiểm của chiến trường.
Phỏt hiện và thăm dũ cỏc vụ tấn cụng b ng húa h c, sinh h c và h t nhõn: ằ ọ ọ ạ Trong cỏc cuộc chiến tranh húa h c và sinh h c ang g n k , m t i u r t quan ọ ọ đ ầ ề ộ đ ề ấ trọng là sự phỏt hiện đỳng lỳc và chớnh xỏc cỏc tỏc nhõn đú. Mạng c m bi n tri n ả ế ể khai ở những vựng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh bỏo sinh h c và húa h c ọ ọ cú thể cung cấp cỏc thụng tin mang ý nghĩa quan trọng đỳng lỳc nhằm trỏnh thương vong nghiờm trọng.
1.3.2. Ứng dụng trong mụi trường.
Một vài ứng dụng mụi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dừi sự di cư của cỏc loài chim, cỏc động vật nhỏ, cỏc loại cụn trựng, theo dừi đ ều kiện mụi i trường mà ảnh hưởng đến mựa màng và vật nuụi; việc tưới tiờu, cỏc thiế ị đt b o đạc lớn đối với việc quan sỏt diện tớch lớn trờn trỏi đất, sự thăm dũ cỏc hành tinh, phỏt hiện sinh-húa, nụng nghiệp chớnh xỏc, quan sỏt mụi trường, trỏi đất, mụi trường vựng biển và bầu khớ quyển, phỏt hiện chỏy rừng, nghiờn cứu khớ tượng học và địa lý, phỏt hiện lũ ụ l t, sắp đặt sự phức tạp về sinh học của mụi trường và nghiờn cứu sự ụ nhiễm.
28
Hỡnh 1.9: Theo dừi cỏc điều kiện mụi trường
Phỏt hiện chỏy rừng: Vỡ cỏc nỳt cảm bi n cú th được tri n khai m t cỏch ế ể ể ộ ngẫu nhiờn, cú chiến lược với mật độ cao trong rừng, cỏc nỳt cảm biến sẽ dũ tỡm nguồn gốc của lửa để thụng bỏo cho người sử dụng bi t trước khi l a lan rộng ế ử khụng kiểm soỏt được. Hàng triệu cỏc nỳt cảm biến cú thể được triển khai và tớch hợp sử dụng h thống tần số khụng dõy hoặc quang học. Cũng vậy, chỳng cú thể ệ được trang bị cỏch th c sử ụứ d ng cụng su t cú hiểu quả như là pin mặt trời bởi vỡ cỏc ấ nỳt cảm biến bị bỏ lại khụng cú ch hàng thỏng và hàng n m. Cỏc nỳt c m bi n s ủ ă ả ế ẽ cộng tỏc với nhau để thực hiện cảm biến phõn bố và khắc phục khú khăn, như cỏc cõy và đỏ mà ngăn trở ầ t m nhỡn thẳng của cảm biến cú dõy.
29
Hỡnh 1.10: Theo dừi và cảnh bỏo chỏy r ng ừ
Phỏt hiện lũ lụt: một vớ dụ đ ú là h th ng bỏo động được tri n khai t i M . ệ ố ể ạ ỹ Một vài loại cảm biến được tri n khai trong hệ thống cể ảm biến lượng mưa, mức nước, thời tiết. Những con cảm biến này cung cấp thụng tin để tập trung h th ng ệ ố cơ sở dữ liệu đó đượ định nghĩa trước. c
1.3.3. Ứng dụng trong thương mại. i
Đ ều khiển khụng lưu Quản lý c u đường ầ
Quản lý kiến trỳc và xõy dựng i
Đ ều khiển cỏc hệ thống tự động trong cụng nghiờp i
Đ ều khiển nhiệt độ, ỏp suất và cỏc yếu tố khỏc
Hệ thống giao thụng thụng minh: giao tiếp giữa biển bỏo và phương tiện giao thụng, hệ thống i u tiết lưu thụng cụng cộng, hệ thống bỏo hiệu tai nạn, kẹt xe... hệ đ ề thống định vị, trợ giỳp đ ềi u khiển tự động phương tiện tiện giao thụng ...
30
1.3.4. Ứng dụng trong chăm súc sức khỏe.
Một vài ứng dụng về sức kh e đối v i m ng c m bi n là giỏm sỏt b nh nhõn, ỏ ớ ạ ả ế ệ cỏc triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giỏm sỏt sự chuyển động và xử lý bờn trong của cụn trựng hoặc cỏc động vật nhỏ khỏc, theo dừi và ki m tra bỏc s và ể ĩ bệnh nhõn trong bệnh viện.
Hỡnh 1.11: Ứng d ng m ng c m bi n trong y t ụ ạ ả ế ế
Theo dừi bỏc sĩ và bệnh nhõn trong bệnh viện : mỗ ệi b nh nhõn được gắn cỏc nỳt cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nỳt cảm biến này cú nhiệm vụ riờng, vớ dụ cú nỳt cảm biến xỏc định nhịp tim trong khi con cảm biến khỏc phỏt hiện ỏp suất mỏu, cỏc nỳt cảm biến này truyền tớn hiệu về một nỳt trung tõm (c ng g n trờn người b nh ũ ắ ệ nhõn), dữ liệu từ nỳt trung tõm này được truyền về trung tõm xử lý. Qua đú, cỏc nhõn viờn y tế cú thể theo dừi liờn tục tỡnh trạng bệnh nhõn mặc dự cú thể họ khụng ở gần nhau. Bỏc s cũĩ ng cú th mang nỳt c m bi n để cho cỏc bỏc sĩ khỏc xỏc định ể ả ế được vị trớ c a h trong b nh vi n… ủ ọ ệ ệ
1.3.5. Ứng dụng trong gia đỡnh.
Trong lĩnh vực tự động húa gia đỡnh, cỏc nỳt cảm biến được đặt cỏc phũng, ở khu vực cần thiết để đo nhiệt độ, độ ẩm, ỏnh sỏng… Khụng những thế, chỳng cũn được dựng để phỏt hiện nh ng s dịữ ự ch chuy n trong phũng và thụng bỏo l i thụng ể ạ tin này đến thiết bị bỏo động trong trường hợp khụng cú ai ở nhà.
31
32
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CƠ BẢN M NG C M BI N KHễNG DÂYẠ Ả Ế
2.1. Node.
Mạng cảm biến gồm nhiều cảm biến phõn bố bao phủ một vựng địa lý. Cỏc nỳt (Sensor node) cú khả năng liờn l c vụ tuy n v i cỏc nỳt lõn c n và cỏc ch c ạ ế ớ ậ ứ năng cơ bản nh xửư lý tớn hi u, qu n lý giao thức mạng và bắt tay với cỏc nỳt lõn ệ ả cận để truyền dữ liệu về trung tõm. Chức năng cơ bản c a cỏc nỳt trong mạủ ng c m ả biến phụ thuộc vào ứng dụng của nú, m t s chức năng chớnh: ộ ố
Xỏcđịnh được giỏ trị cỏc thụng s t i n i l p t: nhiệố ạ ơ ắ đặ t độ, ỏp su t, cường ấ độ ỏnh sỏng …
Phỏt hiện sự tồ ạ ủn t i c a cỏc s ki n c n quan tõm và ước lượng thụng s của ự ệ ầ ố sự kiện đú. Vớ dụ như đối với m ng c m bi n dựng trong giỏm sỏt giao thụng, c m ạ ả ế ả biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ đ, o được tốc độ và hướng di chuyển của cỏc phương tiện đang lưu thụng …
Phõn biệt được cỏc đối tượng. Vớ dụ như cảm bi n giao thụng thỡ nh n bi t ế ậ ế được loại xe đang lưu thụng: xe tải, xe con, xe buýt, …
Theo dấu cỏc đối tượng. Vớ dụ như trong quõn sự, mạng cảm biến phải cập nhật được vị trớ cỏc phương tiện của đối phương khi chỳng vào vựng bao phủ của mạng …
Cỏc hệ thống cú thể đ ỏp ng thời gian thực hay gần như thếứ , tựy theo yờu c u ầ và mụ đc ớch của thụng tin cần thu thập.
Cảm bi n g m nhi u nhúm ch c n ng nh cơế ồ ề ứ ă ư , húa, nhi t, i n, t , sinh h c, ệ đ ệ ừ ọ quang, chất lỏng, súng siờu õm, cảm biến khối, … Cảm biến cú thể sử dụng trong nhiều mụi trường khỏc nhau, trong cỏc đ ềi u kiện khỏc nhau. Cụng nghệ cảm biến và đ ềi u khi n bao g m trường i n và t ; c m bi n súng radio; c m bi n quang, h ng ể ồ đ ệ ừ ả ế ả ế ồ ngoại; radar, lasers; cảm biến vị trớ, định vị …
Cỏc cảm biến kớch thước nhỏ, giỏ thành thấ ổp, n định, độ nhạy cao và đỏng tin cậy là yếu tố quan tr ng tọ ạo nờn cỏc mạng cảm biến hoạt động hiệu quả và kinh tế.
33 ADC: Analog-to-Digital Converter
Hỡnh 2.1: Cấu tạo cơ bản của một nỳt cảm biến - phần cứng Mỗi nỳt cảm biến gồm 4 thành phần cơ ả b n như ở hỡnh minh hoạ:
- Đơn vị cảm biến (sensing unit) - Đơn vị xử lý (processing unit) - Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit) - Bộ nguồn (power unit)
Ngoài ra cú thể cú thờm nh ng thành ph n khỏc tựy thu c vào t ng ng d ng nh : ữ ầ ộ ừ ứ ụ ư hệ thống định vị (location finding system), bộ phỏt nguồn (power generator) và b ộ phận di động (mobilizer/actuator).
34 <*> Phần mềm
Hỡnh 2.2: Cấu tạo cơ bản của một nỳt cảm biến – phần mềm
Cỏc đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến(sensor) và bộ chuyển đổi tương tự ố-s (ADC). D a trờn những hiện tượng quan sỏt được, tớn hiệu tương tự ự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tớn hiệu số bằng b ADC, sau ú được đưa vào ộ đ bộ xử lý. Đơn v xửị lý thường được k t h p v i b l u tr nh (storage unit), quy t ế ợ ớ ộ ư ữ ỏ ế định cỏc thủ tục làm cho cỏc nỳt kế ợt h p v i nhau để th c hi n cỏc nhi m v định ớ ự ệ ệ ụ sẵn. Phần thu phỏt vụ tuyến kết nối cỏc nỳt vào mạng. Một trong số cỏc phần quan trọng nhất của một nỳt m ng c m bi n là b ngu n. Cỏc b ngu n thường được h ạ ả ế ộ ồ ộ ồ ỗ trợ bởi cỏc b ph n l c như tếộ ậ ọ bào n ng lượng m t tr i. Ngoài ra cũng cú những ă ặ ờ thành phần phụ khỏc phụ thuộc vào từng ng dụng. Hầu hết cỏc kĩ thuật định tuyến ứ và cỏc nhiệm vụ cảm bi n c a m ng đều yờu c u cú độ chớnh xỏc cao v vị trớ. Cỏc ế ủ ạ ầ ề bộ phận di động đụi lỳc cần phải dịch chuyển cỏc nỳt cảm biến khi cần thiết để thực hiện cỏc nhiệm vụ đ ó ấn định. Tất cả những thành phần này cần phải phự hợp với kớch cỡ từng module. Ngoài kớch c ra cỏc nỳt c m bi n cũn m t s ràng bu c ỡ ả ế ộ ố ộ nghiờm ngặt khỏc, như là phải tiờu th rấụ t ớt n ng lượng, ho t động mật độ cao, cú ă ạ ở giỏ thành thấp, cú th t hoạt động, và thớch ứng với sự biếể ự n đổi c a mụi trường. ủ 2.2. Cỏc kỹ thuật truyền dẫn vụ tuyến và cỏc tiờu chuẩn ỏp dụng.
35
ISM và dải tần U-NII. Khi sử dụng súng vụ tuy n, luụn luụn cú nhi u t ngu n ế ễ ừ ồ khỏc nhau (như: suy hao, can nhiễu, nhiễu fading, nhiễ đu a đường…), nhiễu từ cỏc thiết bị đ ệ ử i n t khỏc. Cụng ngh IEEE PAN/LAN/MAN s dụệ ử ng súng vụ tuy n đều ế b ịảnh hưởng bởi nhiễu này.
Cụng nghệ IEEE PAN/LAN/MAN đó xỏc định được cỏc giao thức truyền. Những giao thức này quyết định việc mó húa tớn hiệu truyền tại lớp vật lý và lớp liờn kết. Cú nhiều giao thức khụng dõy nhưng được sử ụ d ng rộng rói nhất là:
(1) IEEE 802.15.1 (cũn được gọi là Bluetooth); (2) IEEE 802.11a/b/g/n mạng LAN khụng dõy; (3) IEEE 802.15.4 (ZigBee);
(4) IEEE 802.16 (trong phạm vi MAN- cũn gọi là WiMax); (5) nhận dạng tần số vụ tuyến (RFID gắn thẻ).
36 (*) Tốc độ d liệu lờn đến 256Mb/s ữ (#) Tốc độ d liệu lờn đến 108Mb/s ữ Chuẩn IEEE Chỉ tiờu 802.11 802.15/Bluetooth 802.15.4/Zigbee Khoảng cỏch (m) 100 10~100 10~100 Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 2~54 1~3 0,25 Cụng suất tiờu thụ Trung bỡnh Thấp Cực thấp Thời gian sống của pin Phỳt~ vài giờ Giờ~ vài ngày Ngày~ vài năm Kớch thước Lớn Nhỏ ơ h n Nhỏ nhất Tỉ số chi phớ/độ ph c ứ
tạp >6 1 0,2
Bảng 2.1: So sỏnh mộ ốt s chu n truy n dẩ ề ẫn vụ tuyến
Tiếp theo tỏc giả sẽ trỡnh bày m t s chuẩộ ố n truy n d n khụng dõy thụng ề ẫ dụng, đặc biệt sẽ đi sõu vào trỡnh bày về chuẩn IEEE 802.15.4/Zigbee
2.2.1. Chuẩn Bluetooth.
Bluetooth là một đặc tả khụng dõy tầm ngắn dựa trờn kết nối cho cỏc thiết bị cầm tay cỏ nhõn. Nú hoạt động vụ tuyến trong một phạm vi ngắn, trao đổi dữ liệu với giao thức được thiết kế cho cỏc nhiệm vụ nhỏ, chẳng hạn như đồng bộ húa, tai nghe, chuột và bàn phớm.
Chuẩn này bắt đầu như là một chu n khụng chớnh th c dựng trong cụng ẩ ứ nghiệp; gần đõy hơn, IEEE 802.15.1 phỏt triển dự ỏn PAN khụng dõy dựa trờn tiờu chuẩn kỹ thuật Bluetooth v1.1 Foundation. Tiờu chuẩn IEEE 802.15.1 đó được xuất bản vào năm 2002, hướng chủ yếu vào cỏc k t n i khụng dõy trong cỏc thi t bị ế ố ế
37
thụng tinh cỏ nhõn trong một mạng cỏ nhõn. Đõy là một cụng nghệ ớt tốn năng lượng, giao tiếp đơn giản và rẻ. Cụng nghệ này cú đặc tớnh bị giới hạn bởi hiệu suất thiết kế, vỡ v y, tớnh ng d ng cho WSN là khỏ h n ch trong ph n l n trường h p. ậ ứ ụ ạ ế ầ ớ ợ
IEEE đó xem xột và cung cấp một tiờu chuẩn kiểm soỏt truy cập media (MAC) (L2CAP, LMP, và baseband) và lớp vật lý (PHY) (radio) cho Bluetooth v1. Cú đ ềi u khoản về cỏc đ ểi m truy cập dịch vụ (SAPs), trong đú bao gồm m t giao ộ diện LLC-MAC cho ISO / IEC 8.802-2 LLC.
Bluetooth phỏt súng radio đẳng hướng (omni direction) cú thể xuyờn qua bức tường và rào cản phi kim khỏc. Súng vụ tuyến sử dụng trong cụng nghệ Bluetooth hoạt động trong dải tần 2.4 GHz ISM (dải tần số khụng cần phải đăng ký với cơ quan quản lý t n sầ ố khụng gian của Quốc gia). Bluetooth sử dụng k thuật trải phổ, ỹ nhẩy tần, truy n song cụng. Khi kề ết nối đ ểi m- đ ểi m, cho phộp cựng lỳc kế ố ớt n i v i 7 thiết bị đồng th i. Để gi m t i thi u nhi u đối v i cỏc giao thứờ ả ố ể ễ ớ c khỏc s d ng chung ử ụ tần số, cụng nghệ Bluetooth sử dụng t n s bước nhảầ ố y ng n, thay đổi t n s 1600 ắ ầ ố lần/giõy.
Thiết bị Bluetooth cú th úng vai trũ “master”, liờn lạc đến 7 thiết bị cú vai ể đ trũ slave (nhúm nhiều hơn 8 thiế ịtb gọi là piconet). Bluetooth cú th kế ốể t n i 2 hay nhiều piconet.
Ngày nay, cụng nghệ Bluetooth mới ra đời cú những đặc tớnh tốt hơn so với cụng nghệ ũ c :
- Tốc độ truyền gấp 3 lần - Cụng suất tiờu thụ giảm
- Đơn giản trong cỏc ứng dụng đa đường vỡ băng thụng tăng lờn - Cải thiện tỉ ệ ỗ l l i bit
2.2.2. Chuẩn WLAN
Dự ỏn phỏt triển mạng nội bộ khụng dõy WLAN (Wireless Local Area Network) được bắt đầu t 1990. M c ớch c a d ỏn này là nh m xõy d ng m t ừ ụ đ ủ ự ằ ự ộ
38
cỏch thức kết nối khụng dõy giữa những thiết bị (station) cố định hoặc di động mà đũi h i m t s thi t l p m ng nhanh chúng trong m t khu v c c c b bằỏ ộ ự ế ậ ạ ộ ự ụ ộ ng cỏch s ử dụng những băng tầng khỏc nhau. Và năm 2001, chuẩn quốc tế đầu tiờn về mạng 802.11 đó được cụng bố.
Cỏc chuẩn WLAN hiện tại:
IEEE 802.11: là chuẩn gốc của WLAN và là chuẩn cú t c độ truy n thấp nhất trong ố ề cả 2 kỹ thuật dựa trờn tần số radio và dựa trờn tần số ỏnh sỏng.
IEEE 802.11b: Cú tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, chu n này cẩ ũng được gọi là WiFi bởi tổ chức Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Tốc độ dữ liệu lý thuyết là 11Mbps (megabit per second). Trờn thự ếc t tốc độ lớn nh t cú th ấ ể đạt được là 6Mbps với vựng ph súng t m 300m trong mụi trường khụng vật cản ủ ầ (outdoor). Băng tầng sử dụng là 2,4 GHz (cựng b ng t ng v i bluetooth và ă ầ ớ