CHƢƠNG 3 TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG
3.5. xuất mô hình giám sát theo vùng
Cơ chế giám sát theo vùng dựa trên kết quả dự đoán đường đi của đối tượng theo thuật toán tìm vết sẽ tiến hành bật một vùng với số lượng nút cảm biến tối thiểu để có thể theo dõi đối tượng, do đó, phương pháp này giúp ta giảm bớt sự tiêu tốn năng lượng trên toàn mạng cũng như thời gian sống của mạng cảm biến do không cần bật toàn bộ các nút cảm biến. Thuật toán tìm vết có thể sử dụng là Kalman, Kalman mở rộng hay Particle Filter như đã trình bày ở trên.
106
Trong ứng dụng này, luận án sử dụng thuật toán bộ lọc chất điểm Particle Filter để dự đoán đường đi của đối tượng. Giao thức sử dụng để tập trung dữ liệu các nút cảm biến là giao thức LEACH-C đã trình bày trong [2]. Dữ liệu được truyền từ các nút cảm biến theo đa chặng về trạm điều khiển sử dụng các giao thức định tuyến không dây đa chặng đã đề xuất ở phần trên. Các bước hoạt động của cơ chế giám sát theo vùng như sau:
Bƣớc 1: Tại thời điểm bắt đầu hoạt động, tất cả các nút cảm biến đều ở trạng thái nghỉ (idle status). Sau khi nhận được bản tin ADV bao gồm thông tin về vị trí vùng cần bật để theo dõi đối tượng từ trạm gốc (Base Stationn – BS), các nút sẽ kiểm tra vị trí hiện tại của mình và vị trí vùng cần giám sát, nếu thuộc vùng giám sát, nút sẽ tiến hành chuyển sang trạng thái bật (alive status), ngược lại, nếu không thuộc vùng giám sát, nút sẽ giữ nguyên trạng thái nghỉ (idle status). Sau khi chuyển trạng thái, nút sẽ gửi bản tin STATUS về BS với các thông tin về vị trí, năng lượng hiện tại và tỉ số năng lượng trên khoảng cách đến BS.
Bƣớc 2: BS sau khi nhận đủ số lượng bản tin STATUS tương ứng với số nút trong vùng giám sát sẽ tiến hành việc chia nhỏ vùng giám sát thành các cụm nhỏ hơn (cluster), chọn nút chủ (cluster head) cho từng cụm. Tiêu chí chọn cụm chủ sẽ dựa vào tỉ sốnăng lượng nút trên khoảng cách đến BS, nút có tỉ số lớn nhất trong cụm sẽ được chọn làm nút chủ của cụm tương ứng. Sau khi tiến hành chia cụm và bầu chọn nút chủ tương ứng, BS gửi broadcast bản tin CLUSTERHEAD cho toàn bộ các nút trong vùng giám sát bao gồm các thông tin về số thứ tự cụm (Cluster ID), thông tin về nút chủ (Cluster Head ID) và số lượng các nút trong cụm.
Bƣớc 3: Sau khi nhận được bản tin CLUSTERHEAD do BS gửi tới, các nút sẽ kiểm tra thông tin của chính nó với thông tin tương ứng của bản tin CLUSTERHEADMESSAGE và đưa ra các xử lí phù hợp, có 2 trường hợp xảy ra như sau:
- Nếu nút là nút chủ của cụm, nút sẽ gửi broadcast bản tin TDMA cho tất cả các nút trong
cụm tương ứng. Bản tin TDMA sẽ chứa thông tin về các khe thời gian tương ứng cho từng nút trong cụm để các nút trong cụm có thể gửi dữ liệu về nút chủ theo đúng khe thời gian của mình với mục đích tránh đụng độ trên mạng.
- Nếu nút không phải nút chủ của cụm, tức là nút thành viên, lúc này nút sẽ đợi nút chủ trong
cụm gửi bản tin TDMA cho mình. Sau khi nhận được bản tin TDMA, nút sẽ tìm thông tin về khe thời gian tương ứng của mình và tiến hành gửi bản tin DATA2CH bao gồm dữ liệu
107
thực cảm biến được về nút chủ theo đúng khe thời gian của mình.
Bƣớc 4: Sau khi các nút chủ nhận được đủ số lượng bản tin DATA2CH tương ứng với số lượng nút trong cụm tương ứng, nút chủ sẽ tiến hành tổng hợp dữ liệu từ các bản tin DATA2CH nhận được thành 1 bản tin DATA2BS bao gồm toàn bộ thông tin cảm biến của tất cả các nút trong cụm, có thể gọi đây chính là bản tin chứa dữ liệu cảm biến của một cụm. Sau đó, nút chủ sẽ gửi bản tin DATA2BS tới BS.
Bƣớc 5: BS sau khi nhận đủ số lượng bản tin DATA2BS tương ứng với số cụm đã chia trong bước 2 sẽ tiến hành tính toán dự đoán hướng đi tiếp theo của đối tượng theo thuật toán dự đoán, và sẽ đưa ra quyết định về vị trí của vùng giám sát cho vòng tiếp theo. Sau khi tính toán xong, BS gửi broadcast bản tin ADV cho toàn bộ các nút trong mạng để thông báo về vị trí vùng giám sát mới. Lúc này, hoạt động mạng đã kết thúc một vòng, các bước hoạt động lặp lại từ bước 1 sẽ bắt đầu một vòng mới.
108
Hình 3.22 là ví dụ ứng dụng giám sát theo vùng.Mô hình này gồm các nút cảm biến, đối tượng di chuyển và một nút trạm. Đối tượng được biểu diễn bởi hình ngôi sao trong hình vẽ. Đối tượng di chuyển từ bên trái vào và di chuyển trong vùng cảm biến theo chiều mũi tên. Các vòng tròn là các vùng cảm biến giám sát. Trong mô hình này, khi đối tượng di chuyển đến đâu, các nút cảm biến trong vùng giám sát xung quanh đối tượng sẽ được bất để thu thập thông tin về đối tượng, chúng tập trung dữ liệu và gửi về trạm điều khiển. Từ các thông tin nhận được, trạm điều khiển chạy thuật toán dự đoán, dự đoán vị trí tiếp theo của đối tượng sau đó điều khiển bật các nút cảm biến xung quanh vùng vừa dự đoán, tắt các nút còn lại. Trong ví dụ này, tại một thời điểm chỉ có các nút trong vùng giám sát hoạt động thu thập thông tin, còn các nút khác ở trạng thái nghỉ, chỉ tham gia chuyển tiếp bản tin đến đích thông qua các giao thức định tuyến đa chặng. Từ hình 3.22 ta thấy số lượng nút cảm biến hoạt động là rất nhỏ so với toàn mạng. Do đó giảm thiểu được năng lượng tiêu thụ trên toàn mạng, giúp kéo dài thời gian sống của mạng. Ngoài ra, khi thu thập thông tin về đối tượng, chỉ các nút trong vùng giám sát cảm biến và gửi thông tin cho trạm điều khiển, do đó giúp giảm thiểu số lượng bản tin gửi về trạm trong khi vẫn cung cấp đủ thông tin về đối tượng. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp khách quan, đối tượng đi vào vùng không có nút cảm biến, hoặc thông tin về đối tượng bị sai, dẫn đến việc dự đoán đối tượng bị sai. Lúc này trạm điểu khiển sẽ điều khiển bật vùng giám sát không chính xác, làm mất thông tin của đối tượng trong thời gian ngắn. Khi gặp những trường hợp mất dấu đối tượng, trạm điều khiển buộc phải điều khiển bật toàn bộ nút cảm biến để lấy lại thông tin đối tượng, sau đó mới lại tiếp tục điều khiển giám sát theo vùng như đã định.