Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.15 MB, 122 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PHAN QUỐC THẮNG
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƢỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
Hà Nội – Năm 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PHAN QUỐC THẮNG
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƢỜNG
Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TRIỂN
Hà Nội – Năm 2015
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả
Phan Quốc Thắng
2
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đƣợc luận văn này, em đã đƣợc học hỏi những kiến thức vô cùng
quý báu từ các thầy, cô giáo trong trƣờng Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà
Nội trong hai năm qua. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy,
các cô trong thời gian học tập cao học tại trƣờng.
Em đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS.Phạm Minh Triển – Khoa Điện Tử
Viễn Thông – Trƣờng Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và
định hƣớng cho em nghiên cứu đề tài này. Thầy đã cho em những lời khuyên bổ ích và
quý báu trong suốt quá trình hoàn thành luận văn.
Do hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ bản thân, bài luận văn của em
không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý và củng cố đề bài
luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 2
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 9
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ 10
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 12
CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG
DỤNG ............................................................................................................................ 13
1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây ............................................................... 13
1.1.
Mạng cảm biến không dây là gì? ..................................................................... 13
1.2.
Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây ........................... 13
1.2.1.
Cấu trúc mạng cảm biến. ........................................................................... 14
1.2.2.
Cấu trúc một nút mạng [6] ........................................................................ 15
1.3.
Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây............................................. 16
1.4.
Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống .............................................. 17
2. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] ............................................................... 17
2.1.
Mạng cảm biến trong môi trƣờng .................................................................... 18
2.2.
Ứng dụng trong y tế ......................................................................................... 19
2.3.
Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng ..................................................... 19
2.4.
Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp ...................................... 20
2.5.
WSN trong nông nghiệp .................................................................................. 20
2.6.
WSN trong quân sự .......................................................................................... 21
3. Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây [4] . 22
3.1.
Những khó khăn thƣờng thấy .......................................................................... 22
3.2.
Hạn chế trong việc xây dựng WSN ................................................................. 23
4. Kết luận ................................................................................................................... 24
CHƢƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............ 25
4
1. Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8] ..................... 25
1.1.
Tính động của mạng......................................................................................... 25
1.2.
Trật tự sắp xếp của mạng ................................................................................. 25
1.3.
Khả năng của các nút mạng ............................................................................. 25
1.4.
Vấn đề năng lƣợng ........................................................................................... 26
1.5.
Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu.................................................................... 26
2. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến .............................................................. 27
3. Các định tuyến chính hay đƣợc dùng trong mạng WSN[5],[11] ............................ 28
3.1.
Định tuyến trung tâm dữ liệu ........................................................................... 28
3.1.1.
Giao thức Flooding và gossiping .............................................................. 28
3.1.2.
Giao thức SPIN ......................................................................................... 29
3.2.
Truyền tin trực tiếp .......................................................................................... 31
3.3.
Định tuyến phân cấp ........................................................................................ 32
3.3.1.
Giao thức LEACH ..................................................................................... 32
3.3.2.
Giao thức PEGASIS .................................................................................. 34
3.4.
Định tuyến dựa vào vị trí ................................................................................. 34
3.4.1.
Giao thức GAF .......................................................................................... 34
3.4.2.
Giao thức GEAR ....................................................................................... 36
4. Kết luận ................................................................................................................... 36
CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 . 37
1. Tổng quan về chuẩn Zigbee[1] ............................................................................... 37
2. Mô mình mạng Zigbee[10] ..................................................................................... 38
2.1.
Mạng hình sao (Star Network) ......................................................................... 38
2.2.
Mạng hình lƣới (Mesh Network) ..................................................................... 38
2.3.
Mạng hình cây (Cluster Tree Topology) ......................................................... 39
3. Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2] ...................................................................... 39
4. Tầng vật lý (PHY)[10] ............................................................................................ 40
4.1.
Điều chế tín hiệu của tầng vật lý. ..................................................................... 42
4.2.
Thông số kỹ thuật ............................................................................................. 44
4.3.
Định dạng khung tin PPDU. ............................................................................ 45
5
5. Tầng điều khiển dữ liệu (MAC) [5] ........................................................................ 45
5.1.
Cấu trúc siêu khung. ........................................................................................ 45
5.2.
Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-
CA. 48
5.3.
Các mô hình truyền dữ liệu. ............................................................................. 50
5.4.
Phát thông tin báo hiệu beacon ........................................................................ 54
5.5.
Định dạng khung tin MAC. ............................................................................. 54
6. Tầng mạng của Zigbee [5] ...................................................................................... 54
6.1.
Dịch vụ mạng ................................................................................................... 54
6.2.
Dịch vụ bảo mật ............................................................................................... 55
7. Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] ...................................................... 55
8. Kết luận ................................................................................................................... 56
CHƢƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG
....................................................................................................................................... 57
1. Bài toán đặt ra ......................................................................................................... 57
1.1.
Mô hình bài toán cần xây dựng........................................................................ 57
1.2.
Bài toán mô phỏng đặt ra ................................................................................. 57
2. Sơ đồ khối chung của mạch .................................................................................... 58
3. Chi tiết phần cứng cho mạch .................................................................................. 58
3.1.
Vi điều khiển ATmega[13] .............................................................................. 58
3.2.
Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm[14],[15]......................................................... 60
3.3.
Mạch thu phát sóng radio ở tần số 2.4Ghz[16] ................................................ 64
3.4.
Phần mềm giám sát .......................................................................................... 66
3.4.1.
Hoạt động chung ....................................................................................... 66
3.4.2.
Hoạt động truyền dữ liệu của các nút mạng .............................................. 67
3.4.3.
Hoạt động giao tiếp giữa nút chủ và máy tính .......................................... 69
4. Kết quả của bài toán................................................................................................ 70
4.1.
Mạch thực tế..................................................................................................... 70
4.2.
Màn hình giám sát ............................................................................................ 72
5. Kết luận ................................................................................................................... 74
6
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ĐỀ TÀI .................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 77
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 79
1. Chƣơng trình code cho vi điều khiển .................................................................. 79
1.1.
Chƣơng trình cho từng nút con thực hiện đo, thu và phát tín hiệu ............... 79
1.2.
Chƣơng trình cho nút chủ đo, phát và thu tín hiệu ....................................... 92
2. Chƣơng trình code phần mềm ...........................................................................114
2.1.
Hàm chính đọc giá trị từ nút chủ và vẽ đồ thị ............................................114
2.2.
Giao diện chính ...........................................................................................118
7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Nghĩa tiếng Anh
Từ viết tắt
Nghĩa tiếng việt
ACK
Acknowledge
Báo nhận đƣợc
ADC
Analog to Digital converter
Bộ chuyển tín hiệu điện sang số
BE
Backoff Exponent
Chỉ số Backoff
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Điều chế pha nhị phân
CAP
Contention Access Period
Thời gian tranh chấp truy cập
CCA
Clear Channel Assessment
Ƣớc lƣợng kênh truyền
CFP
Contention Free Period
Thời gian tranh chấp tự do
CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang phát
with Collision Detection
hiện đụng độ
CW
Congestion Window
Cửa sổ tranh chấp
FFD
Full Function Device
Thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức năng theo
chuẩn Zigbee
GAF
Global
Assessment
of Giải thuật chính xác theo địa lý
Functioning
GEAR
Geographic
Energy- Định tuyến nhận biết năng lƣợng và
and
Aware Routing
phƣơng pháp báo thong tin qua địa lý
GTS
Guaranteed Time Slots
Quản lý khe thời gian
IEEE
Institute of Electrical and
Viện kỹ thuật điện và điện tử
Electronics Engineers
LCD
Liquid Crystal Display
LEACH
Low
Engergy
Màn hình tinh thể lỏng
Adaptive Phân cấp cụm thích ứng với năng lƣợng
Clustering Hierachy
thấp
MAC
Medium access control
Điều khiển truy nhập
MCU
Microprocessor Control Unit
Vi điều khiển
MSK
Minimun Shift Keying
Khóa dich tối thiểu đồng bộ
NB
Number of Backoff
Số lần back off
O-QPSK
Offset-Quadrature Phase Shift
Khóa dịch pha góc 1/4 có góc lệch pha
Keying
ban đầu
8
Mạng cá nhân
PAN
Personal Area Networks
PEGASIS
Power-efficient Gathering in Giao thức định tuyến và tập trung hiệu
Sensor Information Systems
suất trong mạng cảm biến
PHY
Physical layer
Tầng vật lý
PPDU
Presentation
Protocol
Data Khối dữ liệu của giao thức trình diễn
Unit
REQ
Request
Yêu cầu
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RFD
Reduced Function Device
Những thiết bị giới hạn chức năng của
chuẩn Zigbee
SPIN
Sensor
Protocol
for Giao thức định tuyến thông tin dựa vào
Information via Negotiation
sự dàn sếp dữ liệu
WLAN
Wireless local area network
Mạng vô tuyến cục bộ
WSN
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không đây
ZC
Zigbee Coordinator
Thiết bị điều phối Zigbee
ZDO
Zigbee Device Object
Đối tƣợng thiết bị Zigbee
9
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống ........................................... 17
Bảng 3- 1 Ƣu và nhƣợc điểm của Zigbee ...................................................................... 37
Bảng 3- 2 So sánh Zigbee và Bluetooh ......................................................................... 38
Bảng 3- 3 Băng tần và tốc độ dữ liệu. ........................................................................... 41
Bảng 3- 4 Kênh truyền và tần số ................................................................................... 41
Bảng 3- 5 Biến đổi bit to chip ....................................................................................... 44
Bảng 3- 6 Định dạng khung PPDU ............................................................................... 45
Bảng 3- 7 Định dạng khung MAC ................................................................................ 54
10
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây .................................................. 13
Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN .............................................................................. 14
Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN ................................................................................. 15
Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến .......................................................... 16
Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng ................................................................... 18
Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt. .......................................................................... 18
Hình 1- 7 Cảnh báo và đo thông số động đất ................................................................ 19
Hình 1- 8 Ứng dụng ngôi nhà thông minh .................................................................... 20
Hình 1- 9 Ứng dụng ở cảng ........................................................................................... 20
Hình 1- 10 Ứng dụng trong trồng trọt ........................................................................... 21
Hình 1- 11 Ứng dụng trong quân đội ............................................................................ 21
Hình 1- 12 Cấu trúc phần cứng hạt Mica ...................................................................... 22
Hình 2- 1 Mô hình truyền dữ liệu giữa Sink và các nút cảm biến ................................ 28
Hình 2- 2 Truyền gói trong Flooding ............................................................................ 28
Hình 2- 3 Hiện tƣợng bản tin kép .................................................................................. 29
Hình 2- 4 Hiện tƣợng chồng chéo ................................................................................. 29
Hình 2- 5 Hoạt động của SPIN ...................................................................................... 30
Hình 2- 6 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN ......................................................................... 30
Hình 2- 7 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp .................................................... 32
Hình 2- 8 Tạo lƣới ảo trong mạng ................................................................................. 35
Hình 2- 9 Sự chuyển trạng thái trong GAF ................................................................... 35
Hình 3- 1 Mô hình mạng Zigbee ................................................................................... 39
Hình 3- 2 Cấu trúc của giao thức Zigbee ...................................................................... 40
Hình 3- 3 Băng tần hệ thống của ZigBee ...................................................................... 41
Hình 3- 4 Sơ đồ điều chế ............................................................................................... 42
Hình 3- 5 Pha của sóng mang ........................................................................................ 43
Hình 3- 6 Cấu trúc siêu khung ...................................................................................... 46
Hình 3- 7 Khoảng cách khung ....................................................................................... 48
Hình 3- 8 Lƣu đồ thuật toán .......................................................................................... 49
Hình 3- 9 Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon .................................................... 51
Hình 3- 10 Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon. ........................................................ 52
11
Hình 3- 11 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon ............................................................... 53
Hình 3- 12 Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon ............................................ 53
Hình 4- 1 Sơ đồ tổng quát ............................................................................................ 57
Hình 4- 2 Sơ đồ khối chung của mạch ......................................................................... 58
Hình 4- 3 Vi điều khiển ATmega 8 .............................................................................. 59
Hình 4- 4 Mạch nguyên lý chung ................................................................................. 59
Hình 4- 5 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [14] ....................................................... 61
Hình 4- 6 Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm [15] ................................................ 61
Hình 4- 7 Mạch nguyên lý kết nối với Atmega8 ........................................................... 61
Hình 4- 8 Gửi tín hiệu start [15] ................................................................................... 62
Hình 4Hình 4Hình 4Hình 4Hình 4-
9 Giao tiếp bit 0 [15] ....................................................................................... 63
10 Giao tiếp bit 1 [15] .................................................................................... 63
11 Sơ đồ khối module nRF24L01 [16] ........................................................... 64
12 Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và module RF nRF24L01 [16] ............... 65
13 Mạch kết nối chân với vi điều khiển của RF nRF24L01 ........................... 65
Hình 4- 14 Sơ đồ hoạt động chung của hệ thống ......................................................... 66
Hình 4- 15 Sơ đồ thuật toán truyền nhận dữ liệu giữa các node mạng qua module thu
phát RF nRF24L01 ........................................................................................................ 68
Hình 4- 16 Sơ đồ truyền dữ liệu và hiển thị trên phần mềm giám sát ......................... 70
Hình 4- 17 Ba mạch node con và một mạch node chính .............................................. 71
Hình 4- 18 Các node đo nhiệt độ độ ẩm ....................................................................... 72
Hình 4- 19 Đồ thị giám sát kết quả đo đạc trên máy tính............................................ 73
Hình 4- 20 Kết quả giám sát lƣu ra file text ................................................................. 74
12
MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu đo đạc, theo dõi từ xa và không cần dây dẫn, có thể giám sát
những điều mong muốn khi không có mặt tại nơi cần giám sát là rất phổ biến, có thể
thấy các ứng dụng nhƣ: giám sát bệnh nhân, giám sát phòng máy và giám sát vùng
biên giới… Mạng cảm biến không dây ra đời đã giải quyết những bài toán đó. Những
nút mạng cảm biến tự kết nối thành một mạng và phát các tín hiệu truyền cho nhau và
truyền tới máy tính giám sát của ngƣời dùng. Mạng cảm biến không dây có thể đƣợc
mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của ngƣời dùng với việc thêm vào các thiết
bị và link kiện mà không cần thao tác phức tạp.
Trƣớc xu thế mạng cảm biến không dây ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong
cuộc sống cũng nhƣ an ninh quốc phòng, căn cứ vào tình hình thực tế của nƣớc ta đang
cần hệ thống cảnh báo và giám sát các thông số môi trƣờng để phục vụ nhiều ngành,
nhiều lĩnh vực, em đã chọn hƣớng nghiên cứu là: “Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm
biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trƣờng”.
Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến, một số phƣơng pháp định
tuyến, chuẩn truyền thông phổ biến đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến và cuối cùng
là đề xuất chế tạo mô hình mạng cảm biến không dây với số lƣợng node mạng cảm
biến.
Luận văn sẽ có kết cấu nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng
Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Chƣơng 3: Chuẩn truyền thông không dây Zigbee/IEEE 802.15.4
Chƣơng 4: Mô hình ứng dụng giám sát các thông số môi trƣờng
13
CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
ỨNG DỤNG
Trong chƣơng này, trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây với đặc
điểm và cấu trúc, đồng thời giới thiệu những ứng dụng mà mạng cảm biến không dây
mang lại.
1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1. Mạng cảm biến không dây là gì?
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là các thiết bị
cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) hay
còn gọi là các node cảm biến tập trung lại theo một cách không có hệ thống và tạo
thành một mạng. Các node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhƣ thu thập thông tin dữ liệu
phân tán với quy mô nhất định theo yêu cầu trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng
địa lý nào. Các node mạng thƣờng là thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử
dụng nguồn năng lƣợng hạn chế và có thể hoạt động ở điều kiện, môi trƣờng khắc
nghiệt (chất độc, ô nhiễm,…)[6]
Internet,
Vệ tinh
Sink
Nút quản lý
nhiện vụ
E
D
C
B
A
Người sử dụng
Trường cảm biến
Nút cảm biến
Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây
1.2. Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến WSN sẽ bao gồm nhiều nút cảm biến đƣợc sắp theo ý của
ngƣời thiết kế mạng. Trong đó, mỗi nút cảm biến đƣợc cấu tạo bởi bốn thành phần cơ
bản: Bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng
lƣợng.
14
1.2.1. Cấu trúc mạng cảm biến.
Về cơ bản, một mạng cảm biến có cấu trúc nhƣ hình 1-1. Các nút cảm biến
đƣợc triển khai trong một trƣờng cảm biến (sensor field). Mỗi nút cảm biến đƣợc phát
tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận
(Sink) để chuyển tới ngƣời dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu
từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu đƣợc 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 các 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 ngƣời
dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). [6]
1.2.1.1.
Cấu trúc phẳng
Với cấu trúc này, các nút mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng
và chức năng hình 1-2. Các nút giao tiếp với sink qua multihop và sử dụng nút mạng
ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Nếu trong phạm vi truyền cố định, các nút mạng gần
sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lƣợng nguồn lớn. Khi đó,
các node mạng có thể chia sẻ thời gian khi giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng
một tần số để truyền dữ liệu. Nhƣng cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có
nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ nhƣ thời gian, tần số… [7],[9]
Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN
1.2.1.2.
Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (hình 1-3), các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong
cùng một cụm gửi dữ liệu single hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến một
nút mạng định sẵn, thƣờng gọi là nút chủ (Cluster Head). Trong cấu trúc này, các nút
mạng tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút mạng ở một mức xác định thực
hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
15
Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN
Cấu trúc tầng thì chức năng cảm biến, tính toán và phân phối dữ liệu không
đồng nhất giữa các nút cảm biến. Những chắc năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, cấp trên cùng thực
hiện phân phối. [7],[9]
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng, do các lý do:
-
Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vụ các tài
-
nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động tốt nhất.
Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng. Khi cần phải tính
toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu
thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong
thời gian dài, các nút cảm biến tiêu thụ ít năng lƣợng phù hợp với yêu cầu xử lý
tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.Với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng
phân chia giữa các phần cứng đã đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng, sẽ làm
tăng tuổi thọ của mạng.
1.2.2. Cấu trúc một nút mạng [6]
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. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể
có các thành phần bổ sung nhƣ hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lƣợng và thiết bị di
động.
16
Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến
-
-
-
Bộ phận cảm biến: thƣờng bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận
chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số. Tín hiệu tƣơng tự đƣợc sản sinh
bởi những thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tƣợng đƣợc chuyển đổi
tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó đƣợc chuyển tới bộ phận xử lý.
Bộ phận xử lý: thƣờng liên quan đến một bộ phận lƣu trữ nhỏ, quản lý những
thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến
đƣợc định trƣớc.
Bộ phận thu phát: để kết nối nút với mạng. Nó làm nhiệm vụ gửi và nhận dữ
liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.
Bộ nguồn: Một trongnhững thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ
phận cung cấp quản lý năng lƣợng. Bộ phận này có thể đƣợc hỗ trợ bởi một bộ
phận tiếp thu năng lƣợng nhƣ pin mặt trời.
Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ
thể. Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏi
kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy, các nút cảm biến thƣờng có hệ
thống định vị vị trí.
Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến có thể đƣợc trang bị một bộ
phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó đƣợc yêu cầu để thực hiện nhiệm
vụ định trƣớc.
-
1.3. Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con ngƣời.
Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
multihop.
17
-
Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến.
Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading và hƣ hỏng ở các
nút.
- Các giới hạn về mặt năng lƣợng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
WSN đã kế thừa những ƣu điểm của mạng vô tuyến cùng với những đặc điểm
riêng của mạng cảm biến nó có thể đƣợc ứng dụng vào mạng gồm một số lƣợng lớn
các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lƣợng có khả năng xử lý, tính toán
và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.
1.4. Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống
Dựa vào những trình bày ở trên, ta dễ dàng nhận thấy sự khác nhau giữa WSN
và mạng truyền thống. Sự khác nhau này đƣợc trình bày ở Bảng 1-1.
Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống
WSN
Mạng truyền thống
Số lƣợng node lớn
Số lƣợng node ít hơn
Mật độ triển khai node dầy
Mật độ triển khai node không dầy bằng
WSN
Cấu trúc mạng có thể thay đổi
Cấu trúc mạng thƣờng cố định
Truyền dữ liệu theo kiểu quảng bá
Truyền dữ liệu theo kiểu điểm–điểm
Các node cảm biến thƣờng bị giới hạn Các node mạng truyền thống không bị
về năng lƣợng, khả năng tính toán và bộ giới hạn về năng nƣợng, khả năng tính
nhớ
toán và bộ nhớ
Các node cảm biến có thể chia sẻ nhiệm Các node mạng truyền thống khó chia
vụ với các node lân cận
sẻ nhiệm vụ với các node lân cận
Các node cảm biến có thể có hoặc không Các node mạng truyền thống thƣờng có
có số định dạng toàn cầu (Global số ID
Indentification –ID)
2. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3]
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con ngƣời. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ
gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thƣớc rất nhỏ, tiết kiệm về không
gian. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
nhƣ nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm
tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong
18
công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong
đời sống hàng ngày.
2.1. Mạng cảm biến trong môi trƣờng
Các mạng cảm biến không dây đƣợc dùng để theo dõi sự chuyển động của chim
muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm…
Một số ứng dụng quan trọng đối với việc giám sát môi trƣờng nhƣ:
Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng
-
Phát hiện cháy rừng: Các nút cảm biến sắp xếp theo kiểu phân tán trong rừng
tạo thành một mạng tự phát. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin
khác nhau liên quan đến cháy nhƣ nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập đƣợc
-
truyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện
và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.
Cảnh báo lũ lụt: Các nút cảm biến sẽ đo các chỉ tiêu lƣợng mƣa, mực nƣớc,
cung cấp thông tin cho trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm.
Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt.
19
Hình 1- 7Cảnh báo và đo thông số động đất
-
Giám sát và cảnh báo các hiện tƣợng địa chấn: Với phần giám sát này, các cảm
biến đƣợc thiết kế để đo độ rung và đặt ở mặt đất hay trong lòng đất những khu
vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện
tƣợng động đất và núi lửa phun trào.
2.2. Ứng dụng trong y tế
Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng
giao tiếp cho ngƣời khuyết tật; kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chuẩn đoán; quản lý
dƣợc phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong
của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác….
2.3. Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến đƣợc đặt ở các phòng để đo
nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến
thiết bị báo động trong trƣờng hợp không có ai ở nhà.
20
Hình 1- 8 Ứng dụng ngôi nhà thông minh
2.4. Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: mạng cảm biến có thể đƣợc thiết kế để đo
nhiệt độ, độ ẩm của các kiện hang, phục vụ cho việc bảo quản và lƣu trữ hàng hóa.
Ngoài ra, hàng hóa còn có thể đƣợc theo dõi bảo vệ bằng việc đặt các nút cảm
biến chống trộm. Các nút cảm biến này sẽ đo về độ dịch chuyển của các kiện hàng
muốn theo dõi.
Hình 1- 9 Ứng dụng ở cảng
2.5.
WSN trong nông nghiệp
21
Hình 1- 10 Ứng dụng trong trồng trọt
Ứng dụng trong nông nghiệp của mạng cảm biến đƣợc phát huy mạnh nhất là
trong trồng trọt và chăn nuôi. Các cảm biến đƣợc dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng
ở nhiều điểm trên thửa ruộng hay trang trại gia súc, gia cầm và truyền dữ liệu mà
chúng thu đƣợc về trung tâm để ngƣời nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều
chỉnh cho phù hợp.
2.6.
WSN trong quân sự
Hình 1- 11Ứng dụng trong quân đội
-
Giám sát lực lƣợng, trang thiết bị và đạn dƣợc.
Giám sát chiến trƣờng.
Giám sát địa hình và lực lƣợng quân địch.
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trƣờng.
Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan
trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai
ở những vùng mà đƣợc sử dụng nhƣ là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể
cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thƣơng vong
nghiêm trọng.
22
3. Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không
dây [4]
Xác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặp
phải khi triển khai giúp ta tận dụng triệt để những thuận lợi cũng nhƣ tiện ích từ những
ứng dụng vô cùng to lớn của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống.
-
3.1. Những khó khăn thƣờng thấy
Năng lƣợng hạn chế:
Khi các thiết bị tăng hiệu suất, khả năng tính toán năng lƣợng tiêu thụ càng
tăng, sự tiêu thụ năng lƣợng của mạng cảm biến không dây giống nhƣ một nút cổ
chai. Các sensor có kích cỡ nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn
sensor trong mạng, không thể nối dây từ các sensor này đến nguồn năng lƣợng.
Đồng thời để có thể tự vận hành, các sensor cần phải có nguồn pin. Lƣợng năng
lƣợng có sẵn trong mỗi sensor bị giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa
chỉ nhận đƣợc khi duy trì đủ năng lƣợng cho hoạt động hiệu quả của các sensor
này.
1kps-1Mbps, 1-100m
khả năng truyền giảm
Bộ thu phát
128K-1M
Phạm vi bộ nhớ
Bộ nhớ
66% tổng chi phí yêu
cầu giám sát
Bộ vi xử lý
8 bit, 10MHz
Tính toán chậm
Pin
Thời gian sống bị
giới hạn
Cảm biến
Hình 1- 12 Cấu trúc phần cứng hạt Mica
Dải thông giới hạn:
Trong mạng cảm biến, năng lƣợng cho xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so với việc
truyền nó đi. Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu
khoảng 10-100 Kbits/s. Sự giới hạn về băng thông này ảnh hƣởng trực tiếp đến việc
-
truyền thông tin giữa các sensor. Và nếu không có sự truyền thông tin này thì không
thể đồng bộ hóa đƣợc.
-
Phần cứng giới hạn:
23
Phần cứng của các nút cảm biến thƣờng bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó. Một
nút cảm biến tiêu biểu nhƣ hạt bụi Berkeley Mica2 có một pin mặt trời nhỏ, CPU 8
bit hoạt động ở tốc độ 10MHz, bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, và phạm vi truyền dƣới
50m. Sự hạn chế về năng lƣợng tính toán và không gian lƣu trữ đặt ra một thách
thức to lớn. Đó là ta không thể tăng kích cỡ của nút cảm biến vì chi phí sẽ tăng và
tiêu thụ thêm năng lƣợng, gây khó khăn trong triển khai hàng nghìn nút trong
mạng.
-
Kết nối mạng không ổn định
3.2. Hạn chế trong việc xây dựng WSN
Ƣu điểm của mạng cảm biến là tính di động, nhƣng vẫn tồn tại những nhƣợc
điểm sau:
-
-
Giới hạn trong phạm vi truyền của các sensor di động (khoảng 10-100m), dẫn
đến việc truyền thông tin giữa các nút cảm biến trở nên khó khăn. Các phƣơng
tiện truyền không dây không đƣợc bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoài nên có thể dẫn
đến mất mát một lƣợng lớn thông tin. Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và
kết nối không liên tục. Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào sự
di động của các nút nên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết.
Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trƣờng tự nhiên. WSNs dùng để giám
sát các hiện tƣợng trong thế giới thực nên việc thiết kế mạng phải thích ứng với
các đặc trƣng của môi trƣờng mà nó cảm nhận. WSNs phải đƣợc thiết kế phù
hợp với từng ứng dụng nhƣ kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng, dùng
loại sensor nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm tùy từng loại ứng
dụng.
-
Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lƣợng bị giới hạn và
không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải
thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong từng lĩnh vực khác nhau.
Trong mạng cảm biến, năng lƣợng đƣợc sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích:
truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động. Không dừng
lại ở đó, ngƣời ta cũng mong muốn phát triển quá trình xử lý năng lƣợng một
cách hiệu quả, giảm thiểu tối đa các yêu cầu về năng lƣợng qua các mức của
protocol stack, các bản tin truyền qua mạng để điều khiển và phối hợp mạng.
