Tổng quan về cảm biến và phương thức truyền dữ liệu giữa cảm biến và máy phát pot

I. Tổng quan về cảm biến và phương thức truyền dữ
liệu giữa cảm biến và máy phát.
1.1 Tổng quan
Một mạng lưới cảm biến không dây (WSN) bao gồm các bộ cảm biến tự trị không
gian phân phối để theo dõi các điều kiện vật chất hay môi trường , chẳng hạn như nhiệt
độ, âm thanh, rung động, áp lực chuyển động, hoặc các chất ô nhiễm và hợp tác truyền dữ
liệu của họ thông qua mạng đến một vị trí chính. Các mạng hiện đại hơn là hai chiều,
cũng cho phép kiểm soát hoạt động của cảm biến. Sự phát triển của các mạng cảm biến
không dây đã được thúc đẩy bởi các ứng dụng quân sự như giám sát chiến trường, các
mạng ngày nay được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và người tiêu dùng,
chẳng hạn như giám sát và kiểm soát quá trình công nghiệp, máy theo dõi sức khỏe, và
như vậy.
WSN được xây dựng "nút" - từ một vài đến vài trăm hoặc thậm chí hàng ngàn, nơi mà
mỗi nút được kết nối với một (hoặc đôi khi một vài) cảm biến. Mỗi nút cảm biến mạng
lưới như vậy thường một số bộ phận: một đài phát thanh thu phát với một ăng- ten nội bộ
hoặc kết nối với một ăng-ten bên ngoài , một vi điều khiển, một mạch điện tử để giao tiếp
với các cảm biến và nguồn năng lượng, thường là một pin hoặc hình thức nhúng thu năng
lượng . Một nút cảm biến có thể thay đổi kích thước của một chiếc hộp đựng giày kích
thước của một hạt bụi, mặc dù chức năng "motes "(demo video ) của chính hãng kích
thước hiển vi có thể được tạo ra . Các chi phí của các nút cảm biến tương tự như biến,
khác nhau từ một vài đến hàng trăm đô la, tùy thuộc vào sự phức tạp của các nút cảm
biến cá nhân. Kích thước và hạn chế chi phí trên kết quả các nút cảm biến trong các hạn
chế tương ứng trên tài nguyên như năng lượng, bộ nhớ, tốc độ tính toán và băng thông
truyền thông. Cấu trúc liên kết của WSNs có thể khác nhau từ một mạng hình sao đơn
giản để nâng cao mạng lưới không dây multip-hop . Kỹ thuật tuyên truyền giữa các bước
nhảy của mạng có thể được định tuyến hoặc lũ lụt.
Trong khoa học máy tính và viễn thông , các mạng cảm biến không dây là một khu vực
nghiên cứu hoạt động với nhiều cuộc hội thảo và hội nghị sắp xếp mỗi năm.
Hình 1.1 Kiến trúc mạng không dây multip-hop tiêu biểu
Hình 1.2 Truy cập WSNs thông quan Internet.
1.2 Cơ cấu và tổ chức của hệ thống cảm biến

1.2.1 Phần cứng.
Một trong những thách thức lớn trong WSN một là để sản xuất chi phí thấp và các nút
cảm biến rất nhỏ. Có một số lượng ngày càng tăng của các công ty nhỏ sản xuất phần
cứng WSN và tình hình thương mại có thể được so sánh với máy tính gia đình vào
những năm 1970. Nhiều người trong số các nút vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu
và phát triển, đặc biệt là phần mềm của họ. Ngoài ra vốn có để thông qua mạng lưới
cảm biến là sử dụng phương pháp điện năng rất thấp để thu thập dữ liệu.
1.2.2 Phần mềm
Năng lượng là tài nguyên scarcest của các nút WSN, và nó xác định tuổi thọ của WSNs.
WSNs có nghĩa là để được triển khai với số lượng lớn trong các môi trường khác nhau,
bao gồm cả vùng sâu vùng xa và thù địch, đặc biệt thông tin liên lạc là một thành phần
quan trọng. Vì lý do này, các thuật toán và các giao thức cần phải giải quyết các vấn đề
sau đây:
• Tối đa hóa thời gian tồn tại
• Mạnh mẽ và khả năng chịu lỗi
• Tự cấu hình
Một số trong những chủ đề quan trọng trong nghiên cứu phần mềm WSN là:
1 Hệ điều hành
2 An ninh
3 Di động
4 - Giao diện con người khả năng sử dụng kiểm soát triển khai và quản lý, gỡ lỗi và
người dùng cuối
5 Middleware - thiết kế trung cấp giữa phần mềm cấp cao và các hệ thống
1.2.3. Các hệ điều hành
Các hệ điều hành cho các nút mạng cảm biến không dây thường ít phức tạp hơn so
với các hệ điều hành có mục đích chung. Họ mạnh mẽ hơn nữa giống như các hệ thống
nhúng, vì hai lý do. Đầu tiên, các mạng cảm biến không dây thường được triển khai với
một ứng dụng đặc biệt trong tâm trí, chứ không phải là một nền tảng chung. Thứ hai, một
nhu cầu chi phí thấp và năng lượng thấp dẫn đến các nút cảm biến không dây có vi điều
khiển năng lượng thấp đảm bảo rằng các cơ chế, chẳng hạn như bộ nhớ ảo hoặc không

cần thiết hoặc quá đắt để thực hiện.
Do đó, có thể sử dụng các hệ thống nhúng hoạt động như ECOS hoặc UC / hệ điều
hành cho các mạng cảm biến . Tuy nhiên, hệ điều hành như vậy thường được thiết kế với
thời gian thực.
TinyOS
[8]
có lẽ là người đầu tiên
[9]
hệ điều hành được thiết kế đặc biệt cho các mạng
cảm biến không dây. TinyOS là dựa trên một lập trình hướng sự kiện mô hình thay vì xử
lý đa luồng . TinyOS chương trình bao gồm xử lý sự kiện và nhiệm vụ ngữ nghĩa với chạy
hoàn thành. Khi một sự kiện bên ngoài xảy ra, chẳng hạn như một gói dữ liệu đến hoặc
đọc một cảm biến, TinyOS tín hiệu xử lý sự kiện thích hợp để xử lý các sự kiện. Xử lý sự
kiện có thể gửi các nhiệm vụ được lên kế hoạch hạt nhân TinyOS một thời gian sau đó.
LiteOS là một hệ điều hành mới được phát triển cho các mạng cảm biến không dây,
cung cấp UNIX-như trừu tượng và hỗ trợ cho các ngôn ngữ lập trình C . Contiki là một
hệ điều hành mà sử dụng một phong cách lập trình đơn giản trong C trong khi cung cấp
những tiến bộ như 6LoWPAN và proto-chủ đề.
1.3 Mô phỏng của WSNs
Nói chung, có hai cách để phát triển các mô phỏng của WSNs. Hoặc sử dụng một nền
tảng tùy chỉnh để phát triển các mô phỏng. Và tùy chọn thứ hai là để phát triển mô phỏng
của mình:
1.3.1 Simulators
Như vậy, hiện nay đại lý dựa trên mô hình hóa và mô phỏng các mô hình chỉ cho
phép mô phỏng hành vi thậm chí phức tạp trong môi trường của các cảm biến không dây
Mô phỏng mạng như QualNet , NetSim , và NS2 có thể được sử dụng để mô
phỏng mạng cảm biến không dây. .
1.3.2 Đại lý dựa trên mô phỏng của WSN
Đại lý dựa trên mô phỏng các bộ cảm biến không dây và mạng ad-hoc là một mô
hình mới tương đối dựa trên mô hình đại lý ban đầu được dựa trên mô phỏng xã hội. Một

bài báo gần đây dựa trên mô phỏng đại lý được công bố trên tạp chí IEEE Truyền thông
đưa ra ví dụ và hướng dẫn về làm thế nào để phát triển các mô hình mô phỏng dựa trên
tùy chỉnh đại lý cho các bộ cảm biến không dây, robot di động và các mạng P2P trong
một khoảng thời gian ngắn (vài giờ). Một đại lý chính thức mô phỏng khuôn khổ sử dụng
đặc tả hình thức sử dụng ký hiệu Z thể hiện việc sử dụng các mô hình đại lý để đại diện
cho mô phỏng các hành vi phức tạp trong môi trường của các bộ cảm biến được đưa ra.
Đại lý-dựa trên mô phỏng cũng đã được chứng minh là hữu ích cho mô hình hóa và mô
phỏng để xác định số lượng hành vi mới xuất hiện trong vùng lân cận của các nút WSN .
1.3.3 Mạng lưới phân phối cảm biến
Nếu một kiến trúc tập trung được sử dụng trong một mạng lưới cảm biến và nút trung
tâm không thành công, sau đó toàn bộ mạng sẽ sụp đổ, tuy nhiên độ tin cậy của mạng
cảm biến có thể được tăng lên bằng cách sử dụng một kiến trúc điều khiển phân tán.
Điều khiển phân tán được sử dụng trong WSNs vì những lý do sau đây:
1. Các nút cảm biến dễ bị thất bại,
2. Trong bộ sưu tập dữ liệu
3. Để cung cấp các nút sao lưu trong trường hợp thất bại của các nút trung tâm
Ngoài ra còn có không có cơ thể tập trung để phân bổ các nguồn lực và họ phải tự tổ
chức.
1.3.4 Bố trí mạng sensor
Các mạng cảm biến bao gồm các nút cảm biến nhiều trao đổi dữ liệu cho mỗi kết
nối có dây hoặc không dây. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập, xử lý và chuyển giao thông
tin môi trường địa phương. Điều này sẽ mở ra một loạt các ứng dụng, không chỉ trong
lĩnh vực quân sự, mà còn trong môi trường và giám sát môi trường sống, hệ thống y tế, tự
động hóa nhà, điều khiển giao thông, và phát hiện thiên tai sớm. Các nút cảm biến phụ
thuộc vào năng lượng pin tốt.
Hình 1.3 Mô hình bố trí cảm biến.
Các mạng cảm biến khác nhau từ các mạng máy tính truyền thống về năng lực,
nguồn năng lượng trên mỗi nút. Hơn nữa, cách tiếp cận trung tâm dữ liệu là rất quan
trọng cho các mạng cảm biến. Vì lý do này, các thuật toán phân phối truyền thống là
không khả thi trong lĩnh vực này. Mạng lưới cảm biến nhằm mục đích cho sự phát triển

của các thuật toán cụ thể hơn.
Hình 1.4 Sử dụng năng lượng cho cảm biến
1.3.4.1 Năng lượng hiệu quả
Trong hầu hết các ứng dụng thay thế pin không khả thi vì số lượng lớn các nút
cảm biến hoặc địa điểm không rõ hoặc unaccessible. Hãy tưởng tượng một kịch bản mà
các nút cảm biến được lan truyền từ máy bay. Để đạt được một cuộc đời dài của mạng
lưới cảm biến và ứng dụng, điều quan trọng là tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu của
chúng tôi trong chủ đề này tập trung vào sự phát triển của MAC năng lượng hiệu quả
giao thức và định tuyến.
1.3.4.2 An ninh Kiến trúc
Trong những năm gần đây, phạm vi tiềm năng của các ứng dụng cho các mạng
cảm biến đang mở rộng. Sử dụng của họ đã được xem xét cho các khu vực an toàn quan
trọng như: bệnh viện hoặc nhà máy điện. An ninh đi kèm trở nên nổi bật. Một khái niệm
bảo mật theo yêu cầu cơ bản như bảo mật, xác thực, tính toàn vẹn, khả năng tiếp cận kịp
thời, khả năng mở rộng, tính sẵn có, và,. Quan tâm nghiên cứu của chúng tôi trong lĩnh
vực này là sự phát triển của một kiến trúc an ninh cho các mạng cảm biến. Tập trung
chính nằm trên giao thức định tuyến mạnh mẽ và an toàn và bảo vệ chống lại thao tác dữ
liệu.
1.3.4.3 Mobile Agents
Phát triển dịch vụ trên cơ sở của các nút cảm biến và các thiết bị hạn chế là một
nhiệm vụ khó khăn. Một chương trình đang chạy trên thiết bị như vậy là tĩnh và hạn chế
đến một dịch vụ duy nhất. Nếu một dịch vụ mới cần phải được thực hiện, các thiết bị đã
cơ bản được lập trình lại và nạp lại. Đối với dịch vụ phân phối năng động, một hệ thống
Mobile Agents được nghĩ ra và dịch vụ được phân phối bởi các Mobile Agents. Các
đại lý nói chung có thể được định nghĩa là đơn vị phần mềm với quyền tự chủ nhất định.
Họ thực hiện các dịch vụ theo lệnh của người dùng hoặc các đại lý khác Mobile
Agents có tài sản bổ sung: họ tự chủ có thể di chuyển, tức là chúng có thể chuyển mã
chương trình, dữ liệu và con trỏ tiếp tục với một máy tính từ xa và tiếp tục với việc thực
hiện chương trình. Bên cạnh đó động vật lý, đại lý điện thoại di động có khả năng giao
tiếp với nhau để trao đổi thông tin.

Hình 1.5