Bài giảng mạng cảm biến không dây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
-----  -----

BÀI GIẢNG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Biên soạn: TS. Nguyễn Duy Thông
Bộ môn: Điện tử - Viễn thông

Tài liệu lưu hành nội bộ



GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHƠNG DÂY (WSN)
Trình bày: TS. Nguyễn Duy Thông


NỘI DUNG HỌC PHẦN

Giới thiệu mạng cảm biến không dây

Các công nghệ trong mạng cảm biến
Một số ứng dụng cơ bản
Đặc điểm của mạng cảm biến

1/15/2024

2

1. Giới thiệu WSN
 Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng
cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát,
phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong mơi trường
cụ thể nào đó. Mơi trường có thể là thế giới vật lý ,hệ thống sinh học.
 Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, giám
sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm
biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và không bị giới hạn.

1/15/2024

3


1. Giới thiệu WSN (tt)
 Có mặt ở khắp mọi nơi
 Có thể là các cảm biến riêng
lẽ hoặc tập các cảm biến
được kết nối với nhau
 Kết nối với mạng bên ngồi
thơng qua internet

1/15/2024

Một số giao tiếp khơng dây trong mạng cảm biến

4

1. Giới thiệu WSN (tt)
 Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:
o Các cảm biến được phân bố theo mơ hình tập trung hay phân tán
o Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hay vơ tuyến)
o Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)
o Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm
 Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý
dữ liệu, hay cịn gọi là mote. Mạng cảm biến khơng dây(WSN) là mạng cảm
biến kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vơ tuyến.

1/15/2024

5


2. Công nghệ cho mạng cảm biến
 WSN là một mạng với các node không dây công suất thấp chứa các CPU nhỏ với
bộ nhớ rất thấp. Cảm biến trong WSN là khác nhau về mục đích, chức năng và
khả năng
 Một số mạng WSN như:
oMạng lưới điện quốc gia
oĐài thời tiết quốc gia
oHệ thống nông nghiệp thông minh
oNhà máy thông minh
 Mạng cảm biến là một lĩnh vực đa ngành bao gồm mạng vơ tuyến, xử lý tín hiệu,
trí tuệ nhân tạo, quản lý cơ sở dữ liệu, tối ưu hóa tài ngun, thuật tốn quản lý
năng lượng và công nghệ nền tảng (phần cứng và phần mềm, chẳng hạn như
như hệ điều hành)
1/15/2024

6


2. Công nghệ cho mạng cảm biến (tt)
 Các công nghệ cảm biến bao gồm các
cảm biến trường điện từ; cảm biến tần
số vô tuyến; quang ,hồng ngoại;
radars; lasers; các cảm biến định vị,
dẫn đường; đo đạc các thông số môi
trường; và các cảm biến phục vụ trong
ứng dụng an ninh, sinh hóa …..
 Đặc điểm cơng suất bị giới hạn, thời
gian cung cấp năng lượng của nguồn
(chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu
kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ đa điểmđiểm, số lượng lớn các node cảm
biến…
1/15/2024

7


2. Công nghệ cho mạng cảm biến (tt)
 Các mô hình khơng dây, có mạch tiêu thụ năng lượng thấp được ưu tiên phát
triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSN về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí:
o Chu kỳ hoạt động ngắn
o Xử lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm kích thước dữ liệu, thời gian truyền
o Mơ hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy
hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền.

1/15/2024

8


2. Công nghệ cho mạng cảm biến (tt)
 WSNs được phân ra làm 2 loại, theo mơ hình kết nối và định tuyến mà các
nodes sử dụng

LOẠI 1
• Sử dụng giao thức định tuyến động
• Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích
• Vai trị của các sensor node này với các
node kế tiếp như là các trạm lặp (repeater)
• Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét)
• Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển
tiếp
• Mạng phức tạp

1/15/2024

LOẠI 2
• Mơ hình đa điểm-điểm hay điểm-điểm, 1 kết
nối radio đến node trung tâm
• Sử dụng gia thức định tuyến tĩnh
• 1 node khơng cung cấp thơng tin cho các
node khác
• Khoảng cách vài trăm mét
• Node chuyển tiếp khơng có khả năng xử lý
dữ liệu cho các node khác
• Hệ thống tương đối đơn giản

9


2. Công nghệ cho mạng cảm biến (tt)
 Các tiêu chuẩn của WSN sử dụng tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, hoạt động ở tần số
2.4GHz, tốc độ lên đến 250 kbps, khoảng cách lên đến 60m.
 Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây
như là Bluetooth, Wifi ,Ultrawideband(UWB), mục đích phục vụ cho các ứng
dụng thương mại.

 WSNs tương tự như MANETs (Mobile Ad hoc Network) theo một vài đặc điểm
.Cả hai đều là chuẩn mạng wireless ,multihop. Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ
thuật giữa hai hệ thống có khác nhau.

1/15/2024

10


2. Cơng nghệ cho mạng cảm biến (tt)
WSN
• Dạng thơng thường của WSN là truyền
nhận đa điểm
• Các node ít di động
• Dữ liệu lấy được từ các thơng số mơi
trường thực tế, trong thời gian thực
• Nguồn năng lượng bị giới hạn và được
quản lý chặt chẽ
• Số lượng node lớn

MANETs
• Truyền nhận điểm – điểm
• Các node di động
• Chủ yếu là trao đổi dữ liệu

• Nguồn năng lượng chủ động và được
thường xuyên thay thế
• Số lượng node ít

 Do sự khác biệt giữa 2 mơ hình mà các giao thức định tuyến trong MANETs
không thể áp dụng hồn tồn cho WSNs. Tuy nhiên, WSNs có thể coi như một
phần trong MANETs.
1/15/2024

11


3. Ứng dụng của WSN
 Các ứng dụng về môi trường: Cảnh báo lũ lụt, Cảnh báo cháy rừng, Nông
nghiệp chính xác, Dự báo thời tiết….
 Trong lĩnh vực sức khỏe: Giám sát từ xa dữ liệu sinh lý, Theo dõi, giám sát bác
sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện, Trợ giúp người cao tuổi, …..

 Trong nhà: Tự động hóa, Đo lường các thơng số trong nhà (nhiệt độ, độ ẩm,
các chỉ số điện, nước, …)
 Các ứng dụng thương mại: Kiểm sốt mơi trường trong các tịa nhà cơng
nghiệp và văn phịng, Kiểm sốt hàng tồn kho, Theo dõi và phát hiện phương
tiện, Giám sát luồng giao thông, …

1/15/2024

12


4. Cơ bản về mạng cảm biến khơng dây
Sensor
•
•
•
•

Chức năng
Xử lý tín hiệu
Nén, sửa lỗi, mã hóa
Clustering

1/15/2024

Các cơng nghệ vơ
tuyến
•
•
•
•

Khoảng cách truyền
Suy hao
Kỹ thuật điều chế
Mơ hình mạng

Tiêu chuẩn
• IEEE 802.11a/b/g
• IEEE 802.15.1
PAN/Bluetooth
• IEEE 802.15.3
ultrawideband (UWB)
• IEEE 802.15.4/Zigbee
• IEEE 802.16 Wimax
• IEEE 1451.5 (Wireless
Sensor Working Group)
• Mobile IP

Phần mềm
• Hệ điều hành
• Phần mềm mạng
• Phần mềm kết nối cơ sở
dữ liệu trực tiếp
• Phần mềm middleware
• Phần mềm quản lý dữ
liệu

13


5. Một vài đặc điểm của WSN
 Các cảm biến liên kết theo giao
thức Multihop, phân chia Cluster.
 Chọn ra node có khả năng tốt nhất
làm node trung tâm băng thơng

kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả
hơn.
 Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc
mạng phức tạp và giao thức phân
chia Cluster và định tuyến cũng
trở nên khó khăn hơn
Mơ hình WSN thông thường
1/15/2024

14


5. Một vài đặc điểm của WSN (tt)
 Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
o
o
o
o
o

Các node phân bố dày đặc.
Các node dễ bị hư hỏng.
Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.
Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính tốn, và bộ nhớ.
Các node có thể khơng được đồng nhất tồn hệ thống vì số lượng lớn các
node.

 Sự phát triển mạng cảm biến dựa trên các cải tiến về cảm biến,
thơng tin và tính tốn (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng và phần
mềm).

1/15/2024

15


5. Một vài đặc điểm của WSN (tt)
 Các thành phần cấu tạo nên
một node trong mạng cảm
biến:
o Một cảm biến (có thể là một
hay dãy cảm biến) và đơn
vị thực thi (nếu có)
o Đơn vị xử lý
o Đơn vị liên lạc bằng vô
tuyến
o Nguồn cung cấp
o Các phần ứng dụng khác…

1/15/2024

16


5. Một vài đặc điểm của WSN (tt)
 Software (Operating Systems and Middleware)

Hệ điều hành dùng cho WSN được thiết kế để có thể thiết lập một cách nhanh
chóng các thơng số của cảm biến, trong khi kích thước code nhỏ phù hợp với bộ
nhớ có giới hạn của sensor networks.
 Standards for Transport Protocols

Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu
chuẩn về chi phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp-trung
bình, tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống.
 Phát triển các giao thức cho WSN là tập trung chủ yếu vào phát triển các giao
thức định tuyến  Nhằm giảm năng lượng tiêu thụ

1/15/2024

17


5. Một vài đặc điểm của WSN (tt)
 Các tầng giao thức bao gồm các lớp như mơ
hình OSI.
o Layer 1 : lớp vật lý: các qui ước về điện, kênh
truyền , cảm biến, xử lý tín hiệu
o Layer 2 : lớp liên kết dữ liệu : các cấu trúc khung,
định thời
o Layer 3 : lớp mạng : định tuyến
o Layer 4 : lớp chuyển vận : truyền dữ liệu trong
mạng, lưu giữ dữ liệu
o Upper Layers : phục vụ các ứng dụng trong
mạng, bao gồm xử lý ứng dụng, kết hợp dữ liệu,
xử lý các yêu cầu từ bên ngoài, cơ sở dữ liệu
ngoại

1/15/2024

18