Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.91 MB, 80 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
DƯ MINH SÁNG
NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG
DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
HÀ NỘI – 2017
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
DƯ MINH SÁNG
NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG
DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA
CHUYÊN NGÀNH :
MÃ SỐ:
KHOA HỌC MÁY TÍNH
60.48.01.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Vũ Văn Thỏa
HÀ NỘI – 2017
i
LỜI CÁM ƠN
Để luận văn này đạt kết quả tốt đẹp, tôi đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của nhiều
cơ quan, tổ chức, cá nhân. Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép tôi được bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các cá nhân và cơ quan đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá
trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Trước hết tôi xin gởi tới các thầy cô khoa Công nghệ Thông tin - Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc.
Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay tôi đã có thể hoàn
thành luận văn, đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập
dữ liệu từ xa”.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo– TS. Vũ Văn Thỏa đã
quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông, Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau Đại học, các Phòng ban chức năng đã trực tiếp và
gián tiếp giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài luận văn.
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, luận
văn này không thể tránh được những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng
góp ý kiến của các thầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, hoàn thiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2017
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân
tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những vấn
đề được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất
cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật cho lời cảm đoan của mình.
Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2017
Học viên
Dư Minh Sáng
ii
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... xi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ xii
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.................................1
1.1 Mạng cảm biến không dây và các vấn đề liên quan.....................................................1
1.1.1Nền tảng công nghệ của mạng không dây ..............................................................1
1.1.2 Các thành phần chính trong mạng WSN ...............................................................3
1.1.3. Công nghệ cảm biến .............................................................................................4
1.2. Mô hình giao thức của mạng WSN ............................................................................5
1.2.1. Các lớp chức năng ................................................................................................5
1.2.2. Các thành phần quản lý.........................................................................................6
1.3. Các ứng dụng của mạng WSN ....................................................................................6
1.3.1. Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng ...................................................................6
1.3.2. Ứng dụng trong giám sát môi trường ...................................................................7
1.3.3. Ứng dụng trong y tế ..............................................................................................8
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình .......................................................................................9
1.3.5. Ứng dụng trong ngành công nghiệp .....................................................................9
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế mạng WSN .........................................................10
1.4.1. Hạn chế về phần cứng .........................................................................................10
1.4.2. Khả năng chống chịu lỗi .....................................................................................11
1.4.3. Khả năng mở rộng ..............................................................................................11
1.4.4. Chi phí sản xuất ..................................................................................................11
1.4.5. Kiến trúc mạng WSN ..........................................................................................12
1.4.6. Môi trường truyền dữ liệu...................................................................................12
1.4.7. Công suất tiêu thụ năng lượng ............................................................................12
1.5. Kết luận chương 1 .....................................................................................................12
CHƯƠNG 2. CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY.....................................................................................................................................13
iii
2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................13
2.1.1 Những khó khăn và các vấn đề trong thiết kế giao thức định tuyến ...................13
2.1.2 Phân loại các giao thức định tuyến ......................................................................14
2.2. Các giao thức kiến trúc phẳng và tập trung dữ liệu ..................................................16
2.2.1. Giao thức Flooding .............................................................................................16
2.2.2. Giao thức Gossiping ...........................................................................................18
2.2.3. Giao thức SPIN ...................................................................................................18
2.2.4. Directed Difusion (Khuếch tán trực tiếp) ...........................................................21
2.2.5. Đánh giá chất lượng các giao thức phẳng và tập trung dữ liệu ..........................24
2.3. Các giao thức phân bậc .............................................................................................24
2.3.1. Giao thức LEACH ..............................................................................................25
2.3.2. Static-cluster (Phân nhóm tĩnh) ..........................................................................27
2.3.3. Giao thức PEGASIS ...........................................................................................28
2.3.4. Giao thức TEEN và APTEEN ............................................................................30
2.3.5. Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến phân bậc ....................................32
2.4. Các giao thức định tuyến theo địa lý .........................................................................32
2.4.1. Giao thức MECN và Small MECN ....................................................................33
2.4.2. Các giao thức chuyển tiếp theo địa lý (Geographical Forwarding) ....................34
2.4.3. Giao thức PRADA ..............................................................................................36
2.4.4. Giao thức GAF....................................................................................................38
2.4.5. Giao thức GEAR .................................................................................................39
2.4.6. Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến theo địa lý .................................40
2.5. Các giao thức dựa trên chất lượng dịch vụ ...............................................................40
2.5.1. Giao thức SAR ....................................................................................................41
2.5.2. Giao thức MCPF .................................................................................................41
2.5.3. Giao thức SPEED ...............................................................................................43
2.5.4. Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến theo chất lượngdịch vụ .............45
2.6 Kết luận chương 2 ......................................................................................................45
CHƯƠNG III -ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG THU THẬP
SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG NƯỚC SỬ DỤNG CHIP LORA SX1278................................46
3.1. Đặt bài toán ...............................................................................................................46
3.2. Thiết kế hệ thống .......................................................................................................47
3.3. Thiết kế phần cứng và phần mềm cho các Nodes Giám sát dữ liệu .........................48
iv
3.4. Thiết kế phần cứng cho các Node Giám sát dữ liệu .................................................49
3.4.1. Thiết kế của mô đun thu thập số liệu ..................................................................49
3.4.2. Thiết kế module xử lý .........................................................................................50
3.4.3. Thiết kế mô đun nguồn .......................................................................................51
3.5. Module LORA ..........................................................................................................51
3.5.1. Độ nhạy thu .........................................................................................................52
3.5.2. SNR và các yếu tố phổ rộng ...............................................................................52
3.5.3.BW và chip Rate ..................................................................................................53
3.6. Nâng cao thông số thiết kế Lora ...............................................................................54
3.6.1. Sửa lỗi truyền ......................................................................................................54
3.6.2. Thực hiện phần cứng ..........................................................................................55
3.6.3. chế độ tối ưu hóa thấp Data Rate & chế độ ban đầu...........................................56
3.6.4. Định dạng gói tin LORA và thời gian truyền .....................................................56
3.6.5.Tính toán Lora .....................................................................................................57
3.6.6. Năng lượng tiêu thụ ...........................................................................................58
3.6.7 Thiết kế mạch thu phát LORA.............................................................................60
3.7. Đánh giá ....................................................................................................................61
3.8. Kết luận chương 3 .....................................................................................................61
KẾT LUẬN .........................................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................63
Tiếng Việt .........................................................................................................................63
Tiếng Anh .........................................................................................................................63
v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tiếng anh
Tiếng việt
ACK
Acknownlegment
Tin báo nhận
ADC
Analog to Digital Converter
Chuyển đổi tương tự
sang số
APTEEN
Adaptive Threshold-sensitive
Energy-Efficient sensor Network
Giới hạn điều chỉnh
nhạy cảm Năng lượnghiệu quả Mạng cảm
biến
CCIR
Consultive Committee for
Internationnal Radio
Uỷ ban tư vấn cho Đài
phát thanh quốc tế
CDMA
Code Division Multiple Access
Mã hóa đa truy cập
GFSLL
Geographical Forwarding Schemes
for Lossy Link
phương án chuyển tiếp
địa lý cho liên kết lossy
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị địa
cầu
GUI
Graphical User Interface
Giao diện người dùng
đồ họa
H-PEGASIS
Hierarchical - PEGASIS
Cấu trúc PEGASIS
I/O
In/Out
Vào /Ra
ID
Identification
Định danh
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện nghiên cứu kỹ
thuật điện tử
KR
Knowledge Range
Phạm vi kiến thức
LEACH
Low-Energy Adaptive Clustering
Hierarchy
Thích ứng hệ thống
phân cấp phân nhóm
năng lượng thấp
MAC
Medium Access Control
Kiểm soát truy cập
vi
trung bình
MANET
Mobile Ad hoc NETwork
Mạng ad-hoc di động
MCPF
Minimum Cost Path Forwarding
Giá trị tối thiểu đường
phản hồi
MECN
Minimum Energy Communication
Network
Mạng liên lạc năng
lượng thấp
MEMS
MicroElectro-Mechanical Systems
Vi điện hệ thống cơ khí
NEMS
NanoElectro-Mechanical Systems
Nano điện hệ thống cơ
khí
NFL
Neighborhood Feedback Loop
Lặp phản hồi vùng lân
cận
NS2
Network Simulator Version 2
Mạng giả lập phiên bản
2
OS
Operating System
Hệ điều hành
PEGASIS
Power-Efficient Gathering in
Sensor Information Systems
Thu thập năng lượnghiệu quả trong hệ thống
thông tin cảm biến
PRADA
PRobe-based Accuracy Distribute
protocol for knowledge range
Adjustment
Thăm dò dựa trên
chính xác Phân phối
giao thức cho các phạm
vi kiến thức điều chỉnh
PRR
Packet Reception Rate
Tỷ lệ nhận gói
PTKF
Partial Topology Knowledge
Forwarding
Cấu trúc liên kết từng
phần
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
Request
Yêu cầu
RX
Receiver
Bộ nhận
SAR
Sequential Assignment Routing
Định tuyến chuyển lần
lượt
SMECN
Small Minimum Energy
Mạng liên lạc năng
REQ
vii
Communication Network
lượng thấp nhất
SNGF
Stateless Non-deterministic
Geographic Forwarding
Chuyển tiếp vùng địa
lý không xác định trạng
thái
SPIN
Sensor Protocols for Information
via Negotiation
Giao thức cảm biến
cho thông tin qua đàm
phán
SPIN-BC
SPIN for Broadcast Network
SPIN cho mạng băng
rộng
SPIN-EC
SPIN with Energy Consumption
awareness
SPIN với nhận thức
năng lượng tiêu thụ
SPIN-PP
SPIN for Point to Point Network
SPIN cho mạng điểm
điểm
SPIN-RL
SPIN with Reliability
SPIN với độ khả dụng
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia
theo thời gian
TEEN
Threshold-sensitive EnergyEfficient sensor Network
Ngưỡng nhạy hiệu quả
mạng cảm biến
TTL
Time To Live
Thời gian cập nhật lại
TX
Transmitter
Bộ truyền
UWB
Ultra-Wide Band
Băng thông siêu rộng
Wi-Fi
Wireless Fidelity
Mạng không dây
Cảm biến không dây
Wireless Sensor Networks
Mạng cảm biến không
dây
XML
EXtensible Markup Language
Ngôn ngữ đánh dấu mở
rộng
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
Cấu trúc mạng cảm biến .......................................................................................3
Sự tiến triển của công nghệ cảm biến theo thời gian............................................4
Mô hình giao thức của mạng WSN ......................................................................5
Ứng dụng của mạng WSN trong an ninh, quốc phòng.........................................6
Ứng dụng của mạng WSN theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã ...........7
Ứng dụng của mạng WSN trong cảnh báo cháy rừng ..........................................8
Ứng dụng của WSN trong theo dõi sức khỏe con người. .....................................8
Ứng dụng của mạng WSN trong gia đình. ...........................................................9
Ứng dụng của mạng WSN trong công nghiệp....................................................10
Cấu tạo của nút cảm biến ................................................................................10
Tổng quan về các giao thức định tuyến của mạng WSN. ...............................15
Flooding ..........................................................................................................16
Các vấn đề chính trong Flooding ....................................................................17
Gossiping .........................................................................................................18
Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN ......................................................19
Các hoạt động chính của SPIN-BC .................................................................20
Hoạt động của giao thức Khuếch tán trực tiếp ................................................21
Từ chối củng cố đường đi trong khếch tán trực tiếp .......................................23
Kiến trúc mạng phân bậc trong mạng WSN ...................................................24
Cấu trúc chuỗi của PEGASIS .........................................................................28
Xây dựng chuỗi trong H-PEGASIS ................................................................29
Truyền dữ liệu dư thừa trong PEGASIS .........................................................30
C-PEGASIS (PEGASIS phân nhóm theo vòng tròn đồng tâm) .....................30
Kiến trúc phân cấp của TEEN và APTEEN ...................................................31
Hình thành đồ thị con trong MECN ................................................................33
Khái niệm vùng chuyển tiếp trong MECN .....................................................33
Vùng khả thi trong định tuyến theo địa lý.......................................................34
Các thuật toán chuyển tiếp theo địa lý ............................................................35
Ảnh hưởng của phạm vi kiến thức trong định tuyến địa .................................36
Ví dụ về mạng lưới ảo trong GAF ..................................................................39
Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR ..........................................................40
Thủ tục thiết lập trường chi phí của MSPF .....................................................42
Hoạt động của SNGF ......................................................................................44
Mô hình hệ thống giám sát quan trắc môi trường nước ..................................47
Hệ thống kiến trúc của một nút theo dõi dữ liệu .............................................48
Mô đung thu thập số liệu .................................................................................49
Mô đun xử lý ...................................................................................................50
Mô đun nguồn .................................................................................................51
Băng thông SX1272 ........................................................................................53
ix
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
40.
41.
42.
43.
44.
45.
Tỷ lệ mã hóa ....................................................................................................55
Sơ đồ thiết kế anten thu phát ...........................................................................55
Cấu trúc gói tin LORA ....................................................................................56
Tính toán thông số cho module LORA ...........................................................57
Quá trình truyền tin .........................................................................................60
Sơ đồ thiết kế module LORA ..........................................................................60
x
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.
Phân loại cảm biến ..................................................................................... 4
Bảng 2.
Tỷ lệ tối thiểu của công suất theo loại Module ....................................... 52
Bảng 3.
Độ nhạy và thời gian truyền theo số lượng chip LORA.......................... 53
Bảng 4.
Độ nhạy và thời gian truyền .................................................................... 54
Bảng 5.
Sự gia tăng mã hóa theo thời gian ........................................................... 55
xi
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin di động được
phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến không dây WSN (Wireless
Sensor Networks) đã và đang thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, viện
nghiên cứu, tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh và kinh tế khác nhau trên thế giới. Trong
các mô hình mạng đã tồn tại, mạng MANET và WSN có nhiều đặc điểm giống nhau. Ví
dụ như kiến trúc mạng là không cố định, các nút trong mạng được kết nối với nút khác
bằng các liên kết không dây và năng lượng là một vấn đề quan trọng. Tuy nhiên các giao
thức và kỹ thuật được phát triển cho mạng MANET không thể ứng dụng trực tiếp cho
mạng cảm biến do hai mạng này còn nhiều khía cạnh khác nhau.
Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây đã trở nên rất quan
trọng trong đời sống hàng ngày. Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong
quân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hay
điều khiển giao thông... Với sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công
nghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… đã tạo ra những
thiết bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả
năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Hiện nay mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rất rộng rãi các quốc gia
có nền khoa học phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu... Mạng cảm biến không dây là một
công nghệ mới, đã được các nước có nền khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng
rãi và đã thu được nhiều thành tựu. Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này chỉ đang được
nghiên cứu và triển khai trong những lĩnh vực và quy mô nhỏ, song với những ưu điểm và
khả năng tương thích cao nên trong tương lai, công nghệ mạng cảm biến không dây sẽ
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.
Vì vậy, Với mục đích đưa những tiến bộ công nghệ vào phục vụ cho cuộc sống,
học viên chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng
thu thập dữ liệu từ xa”.
Mục đích của luận văn là nghiên cứu công nghệ LORA kết hợp với việc đưa ra các
kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả làm việc của chúng, so sánh chúng và đưa ra các
khuyến nghị về sử dụng.Các mục tiêu cụ thể của luận văn bao gồm:
• Nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây.
• Trình bày tầm quan trọng của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
và khảo sát một số giao thức định tuyến phổ biến đã được áp dụng.
• Nghiên cứu và đánh giá công nghệ LORA
• Thiết lập kịch bản mô phỏng và mô phỏng.
xii
Để thực hiện được các mục tiêu trên, bố cục luận văn được tổ chức thành 3 chương
chính:
• Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây: sẽ giới thiệu một cách tổng
quan về mạng WSN, nền tảng công nghệ của mạng WSN, các ứng dụng của mạng
WSN và các yếu tố cần quan tâm khi thiết kế, xây dựng mạng WSN.
• Chương 2: Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây: Giới thiệu về
định tuyến trong mạng WSN, đồng thời nêu ra các khó khăn và các vấn đề trong
định tuyến mạng WSN.
• Chương 3:Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong thu thập số liệu môi trường
nước sử dụng chip lora sx1278.
xiii
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trong chương này luận văn sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây và
các vấn đề liên quan:
Khái niệm mạng cảm biến không dây
Mô hình giao thức của mạng cảm biến không dây
Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.1 Mạng cảm biến không dây và các vấn đề liên quan
Các nội dung trình bày trong mục này được tham khảo từ các tài liệu [3], [4].
1.1.1Nền tảng công nghệ của mạng không dây [3, tr.2 – 4]
Mạng cảm biến là một lĩnh vực liên ngành, nó liên quan tới nhiều khía cạnh như:
sóng vô tuyến và kết nối mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo, quản lý cơ sở dữ liệu, tối
ưu hóa nguồn tài nguyên, các thuật toán quản lý năng lượng, nền tảng công nghệ phần
cứng, phần mềm hay các hệ điều hành. Các ứng dụng, các nguyên tắc kết nối mạng, và các
giao thức cho các hệ thống này chỉ mới bắt đầu được phát triển. Các cảm biến được kết
nối với nhau thông qua một chuỗi các liên kết không dây (multi-hop) năng lượng thấp
trong khoảng cách ngắn. Chúng thường sử dụng Internet thay một số mạng khác để
chuyển tiếp dữ liệu trên các tuyến đường dài tới điểm tập hợp và phân tích dữ liệu cuối
cùng. Nhìn chung, trong lĩnh vực cảm biến, mạng cảm biến không dây sử dụng các kỹ
thuật truyền và kỹ thuật chia sẻ kênh truy cập ngẫu nhiên hướng kết nối đã được mô tả
trong họ chuẩn IEEE 802. Trên thực tế, những kỹ thuật này đã bắt đầu được phát triển vào
cuối những năm 1960, 1970 cho môi trường không dây với tập lớn những nút mạng phân
tán bị hạn chế về khả năng quản lý kênh. Bên cạnh đó, nhiều kỹ thuật quản lý kênh khác
cũng đã ra đời và được sử dụng.
Hiện tại, việc triển khai mạng WSN vẫn đang phải đối mặt với một loạt các thách
thức lớn. Tuy nhiên, công việc này đang dần được chuẩn hóa và nó sẽ trở nên đơn giản
hơn khi các thách thức trên chỉ phải giải quyết một lần và sau đó kết quả của nó sẽ được
thiết lập cố định trên các thành phần tương ứng. Một trong những thách thức lớn đó là xây
dựng phương thức truyền thông năng lượng thấp với khả năng xử lý ngay trên nút để giảm
thiểu chi phí và khả năng tự thiết lập kết nối, tự cấu hình giao thức phù hợp. Một thách
thức quan trọng khác đó là làm sao có thể kéo dài được thời gian hoạt động của các nút
cảm biến trong khi năng lượng của nó bị hạn chế hay bị phụ thuộc vào tuổi thọ của pin.
Các mạng không dây nói chung thường được thiết kế cho phạm vi liên kết từ hàng
chục, hàng trăm tới hàng nghìn dặm. Tuy nhiên, giới hạn về năng lượng cùng với mong
muốn giảm giá thành của nút mạng lại làm phát sinh thêm vấn đề trong mạng cảm biến
không dây. Việc xử lý các tín hiệu hợp tác giữa các nút mạng kề nhau có thể làm tăng tính
1
nhạy cảm và đặc hiệu khi dò tìm các sự kiện bất thường trong môi trường. Hiện nay, các
chipset CMOS đang mang lại sự tối ưu hóa cho mạng WSN và nó được coi là chìa khóa
thành công trong lĩnh vực thương mại.
Những năm đầu tiên, các nhà cung cấp linh kiện đã sử dụng các công nghệ độc
quyền để tập hợp dữ liệu thu được từ các thiết bị. Nhưng từ đầu năm 2000 đến nay,các nhà
cung cấp thiết bị cảm biến đang tìm cách chuẩn hóa công nghệ này. Các nhà thiết kế đã
loại trừ việc áp dụng các chuẩn của Wi-Fi (IEEE 802.11b) và Bluetooth (IEEE 802.15.1)
cho các cảm biến bởi nó quá phức tạp và đòi hỏi nhiều băng thông hơn thực tế cần thiết
cho các bộ cảm biến thông thường. Điều này đã mở ra cánh cửa cho một chuẩn mới đó là
ZigBee (IEEE 802.15.4). ZigBee bao gồm các lớp phần mềm mới và hỗ trợ một loạt các
ứng dụng. ZigBee hoạt động ở dải tần 2,4GHz và hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên tới
250kbps ở phạm vi 30 đến 200 ft (khoảng 9,144 métđến 60.96 mét). ZigBee được thiết kế
để bổ sung cho các công nghệ không dây đang tồn tại như Bluetooth, Wi-Fi và UWB với
mục đích là áp dụng cho các ứng dụng cảm biến điểm-điểm mà ở đó không thể kết nối
cáp, năng lượng cực thấp và chi phí bị hạn chế.
Các nghiên cứu đã chỉ ra nhiều điểm tương đồng giữa mạng WSN và mạng
MANET. Ví dụ như kiến trúc mạng là không cố định, năng lượng là một vấn đề đáng
quan tâm, các nút trong mạng được kết nối với nút khác bằng môi trường liên kết không
dây hay cả hai đều liên quan đến truyền thông multi-hop. Tuy nhiên các giao thức và kỹ
thuật được phát triển cho mạng MANET không thể ứng dụng trực tiếp cho mạng cảm
biến. Bởi vì hai mạng này có nhiều khía cạnh khác nhau sau đây:
-
-
Mạng cảm biến được sử dụng chủ yếu để thu thập thông tin trong khi đó mạng
MANET được thiết kế để tính toán phân tán nhiều hơn là việc thu thập thông tin.
Thông thường, một mạng lưới cảm biến được triển khai bởi 1 chủ sở hữu, trong khi
MANETs có thể được điều hành bởi 1 số đơn vị không liên quan.
Không giống như các nút trong mạng MANET, một nút trong mạng cảm biến
không có định danh duy nhất.
Các nút trong mạng cảm biến thường rẻ hơn nhiều so với các nút trong mạng
MANET và thường được triển khai lên tới hàng nghìn nút.
Nguồn năng lượng của các nút cảm biến có thể rất hạn chế, tuy nhiên các nút trong
mạng MANET lại có thể được nạp bằng cách nào đó.
Thông thường, dữ liệu trong mạng cảm biến bị ràng buộc bởi luồng dữ liệu tải
xuống các nút khác từ sink hoặc luồng dữ liệu tải lên sink từ các nút khác, trong khi
ở mạng MANET, luồng dữ liệu này là không tuân theo quy tắc.
Thông thường, các mạng cảm biến được triển khai 1 lần trong vòng đời của chúng,
trong khi các nút trong mạng MANET thực sự có thể tái dùng lại.
Các nút mạng cảm biến bị giới hạn khả năng tính toán và khả năng giao tiếp hơn
mạng MANET do chi phí tương ứng thấp.
2
Dựa trên nền tảng công nghệ và các mạng đã tồn tại, mạng WSN được triển khai sẽ hỗ trợ
và bổ sung nhằm làm phong phú hơn cho lĩnh vực kết nối mạng. Đồng thời mở ra nhiều
hướng phát triển và ứng dụng mới.
1.1.2 Các thành phần chính trong mạng WSN[4, tr.15 – 16]
Các nút cảm biến được phân bố phân tán trong trường cảm biến. Mỗi nút cảm biến
có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để gửi dữ liệu tới sink. Việc chọn đường để
tới sink theo kiểu multi-hop như được minh họa trên Hình 1. Nút Sink có thể liên lạc với
người dùng qua các mạng khác như Internet hay vệ tinh.
Hình 1.
Cấu trúc mạng cảm biến
Như vậy có thể thấy rằng, một mạng WSN bao gồm 4 thành phần chính:
-
-
Tập các nút cảm biến, được trang bị cảm biến cho một hoặc một vài ứng dụng cụ
thể.
Mạng kết nối, thường là mạng vô tuyến
Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hay ngoài mạng (như
một máy tính tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng cóthể là một gateway cho
một mạng khác lớn hơn như Internet). Sink chính là nơi đưa ra các yêu cầu đối với
các thông tin lấy từ các nút cảm biến trong mạng.
Tập các tài nguyên để xử lý dữ liệu nhằm đưa ra các cảnh báo, các định hướng hay
các kết quả thống kê mà người dùng mong muốn.
Ngoài ra, chúng ta có thể thấy rằng, mạng WSN gồm 2 thành phần đặc trưng khác
đó là người dùng và trường cảm biến. Trong đó, người dùng có thể là một cơ quan an
ninh, một tổ chức xã hội hay một cá nhân người dùng đơn lẻ sở hữu nó… Còn trường cảm
biến có thể là thế giới vật lý, một hệ thống sinh học hay hóa học… mà ở đó chứa dữ liệu
cần thu thập.
3
1.1.3. Công nghệ cảm biến [2, tr.3][3, tr.75 – 91]
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã thể hiện sự quan tâm lớn tới mạng WSN và đã tập
trung vào các vấn đề quan trọng trong việc phát triển mạng WSN như sử dụng hiệu quả,
chi phí thấp, an toàn và khả năng chống chịu lỗi. Cùng với đó, công nghệ chế tạo các nút
cảm biến cũng không ngừng được cải thiện cả về chất liệu, kích thước của như tính năng.
Hình 2.
Sự tiến triển của công nghệ cảm biến theo thời gian
WeC là một trong những loại cảm biến đầu tiên, nó hoạt động ở tần số 916 MHz và
tốc độ truyền dữ liệu 10kbps. Theo thời gian, nhiều loại cảm biến ra đời, trong đó từ năm
2005 đến nay các cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện MEMS có kích
thước chỉ bằng hạt bụi có đường kính từ 1-100nm nhưng lại có thể hoạt động ở tần số
2,4GHz và tốc độ truyền lên tới 250kbps.Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến khác nhau,
và để dể sử dụng, người ta phân loại chúng theo kích cỡ của cảm biến như sau:
Bảng 1.
Phân loại cảm biến
Kích cỡ của
cảm biến
Tính di
động
Năng lượng
Khả năng
lưu trữ và
tính toán
logic
Lớn
Di động
Có thể tự
bổ sung
Lớn
Đa phương
thức, vật lý
Trung bình
Đa phương
thức, hóa
học, sinh
học
Thấp
Chức năng
duy nhất,
vật lý
Nhỏ
Kích cỡ
Micrô
Kích thước
Nanô
Cố định
Sử dụng
pin, tuổi thọ
từ vài giờ
đến vài
ngày
Sử dụng
pin, tuổi thọ
từ vài tuần
đến vài
tháng
Sử dụng
pin, tuổi thọ
lên đến vài
năm
Chế độ cảm
biến
Chức năng
duy nhất,
hóa học và
sinh học
4
Các giao
thức, thiết
bị truyền
thông
Multi –
Hop, cấu
trúc lưới và
định tuyến
động
Single –
hop với
định tuyến
tĩnh
Cách phân loại như Bảng 1.1 chỉ mang tính tổng quát. Trên thực tế, chúng ta có thể
kết hợp tổ hợp các tiêu chí trên để đa dạng hóa các loại cảm biến nhằm đáp ứng linh động
với các điều kiện và ứng dụng cụ thể.
1.2. Mô hình giao thức của mạng WSN
Các nút mạng và sink sử dụng mô hình giao thức như được mô tả trong Hình 3
dưới đây. Mô hình này kết hợp năng lượng với định tuyến, kết hợp dữ liệu với các giao
thức mạng, sử dụng năng lượng hiệu quả với môi trường vô tuyến và thúc đẩy sự hợp tác
giữa các nút cảm biến.
Hình 3.
Mô hình giao thức của mạng WSN
Mô hình giao thức của mạng WSN được phân chia theo 2 hướng nhìn. Hướng thứ
nhất theo các lớp chức năng và hướng nhìn còn lại phân chia theo các thành phần quản lý.
1.2.1. Các lớp chức năng
Theo các lớp chức năng, mô hình giao thức của mạng WSN được chia làm 5 lớp: lớp vật
lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải và lớp ứng dụng. Trong đó mỗi lớp sẽ đảm
nhiệm những chức năng cụ thể:
-
Lớp vật lý: thực hiện chức năng cảm biến, cung cấp các kênh truyền thông, các kỹ
thuật điều chế, truyền, phát và xử lý tín hiệu.
Lớp liên kết số liệu: đảm bảo khả năng truy cập và chia sẻ kênh truyền cho các nút
cảm biến, giảm thiểu đụng độ dữ liệu và kiểm soát lỗi.
5
-
-
Lớp mạng: thực hiện kết nối mạng, quản lý sự tương thích của định tuyến với tô-pô
mạng.
Lớp truyền tải: thực hiện giao tiếp khi mạng WSN cần kết nối với mạng khác như
Internet, đảm bảo độ tin cậy và điều khiển tắc nghẽn trong quá trình truyền thông
nội bộ trong mạng WSN.
Lớp ứng dụng: cung cấp các ứng dụng trên mạng, bao gồm xử lý ứng dụng, tập hợp
dữ liệu, xử lý các truy vấn với cơ sở dữ liệu bên ngoài.
1.2.2. Các thành phần quản lý
Theo các thành phần quản lý, mô hình giao thức của mạng WSN được chia làm 3 phần:
phần quản lý năng lượng, phần quản lý di chuyển và phần quản lý nhiệm vụ.Các thành
phần này sẽ kết hợp với nhau nhằm đảm bảo cho các nút cảm biến có thể hỗ trợ hoạt động
cho nhau, tiết kiệm năng lượng cũng như kéo dài thời gian sống của toàn mạng.
-
-
-
Phần quản lý năng lượng: điều khiển quá trình sử dụng năng lượng của nút cảm
biến. Ví dụ, khi nút cảm biến bị suy hao và mức năng lượng còn lại thấp, nó sẽ phát
quảng bá tới các nút lân cận để thông báo rằng nó không thể tham gia quá trình
định tuyến trung gian khác.
Phần quản lý di chuyển: phát hiện và ghi lại sự chuyển tiếp từ các nút cảm biến do
đó dễ dàng xác định được con đường quay trở lại. Nhờ xác định được các nút cảm
biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa năng lượng của nó và nhiệm vụ
thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ: lập kế hoạch và cân bằng nhiệm vụ giữa các nút cảm biến
trong một vùng xác định.
1.3. Các ứng dụng của mạng WSN [2, 3]
Sự xuất hiện của mạng WSN hứa hẹn một phạm vi rộng lớn các ứng dụng tiềm năng như:
an ninh quốc phòng, môi trường, y tế, thương mại và công nghiệp…Có thể dự đoán trong
tương lai, các mạng cảm biến không dây sẽ gắn liền với cuộc sống của con người giống
như các máy tính điện tử hiện nay.
1.3.1. Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng
Dựa vào các đặc tính: triển khai nhanh, khả năng tự tổ chức và sự hư hỏng một vài nút
cảm biến không ảnh hưởng nhiều tới hệ thống …Vì vậy mà mạng WSN được sử dụng phổ
biến trong nhiều hoạt động an ninh, quốc phòng. Hình 4 dưới đây là một ví dụ cụ thể, các
cảm biến có thể thu thập hình ảnh, âm thanh và xác định vị trí của các đối tượng khả nghi
trong một phạm vi nhất định.
Hình 4.
Ứng dụng của mạng WSN trong an ninh, quốc phòng
6
Một số ứng dụng chính của mạng WSN trong an ninh, quốc phòng là:
• Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: các binh lính, xe cộ, trang thiết bị,
đạn dược sẽ được gắn các cảm biến nhỏ để theo dõi tình trạng và vị trí hiện tại. Các
trạng thái này sẽ được gửi tới sink và được tổng hợp thành các báo cáo có ý nghĩa
đối với người chỉ huy.
• Giám sát chiến trường, kẻ địch: các tuyến đường, các địa điểm nhạy cảm sẽ dễ
dàng được bao phủ bởi các nút cảm biến siêu nhỏ. Vì vậy, kẻ địch khó có thể phát
hiện được. Khi kẻ địch di chuyển hay xâm phạm địa hình, các nút cảm biến này sẽ
cảm nhận được và nhanh chóng đưa ra các cảnh báo.
• Thăm dò và phát hiện các cuộc tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân: vấn đề
sử dụng vũ khí hóa học, sinh học và hạt nhân trong các cuộc chiến tranh mang đến
nhiều hiểm họa lớn cho loài người. Vì vậy, cần thiết phải có các hệ thống dự đoán
được điều này để có thể phòng, tránh và giảm thiểu thương vong, thiệt hại.
1.3.2. Ứng dụng trong giám sát môi trường
Khả năng cảm nhận nhạy bén, đo đạc chính xác và có thể hoạt động trong các môi trường
khác nhau của nút cảm biến mà mạng WSN được ứng dụng để theo dõi sự di chuyển,
nghiên cứu môi trường sống của các loài động vật hoang dã (Hình 5) cũng như đưa ra các
cảnh báo về môi trường hay các hiện tượng tự nhiên như: động đất, lũ lụt, cháy rừng (Hình
6),…
Hình 5.
Ứng dụng của mạng WSN theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã
7
Hình 6.
Ứng dụng của mạng WSN trong cảnh báo cháy rừng
1.3.3. Ứng dụng trong y tế
Trong lĩnh vực y tế, mạng WSN hỗ trợ theo dõi bệnh nhân, quản trị thuốc trong
bệnh viện, theo dõi từ xa dữ liệu vật lý của con người, kiểm tra, theo dõi bác sĩ và bệnh
nhân trong bệnh viện. Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút cảm biến nhỏ và nhẹ,
mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm biến xác định nhịp tim, trong khi
nút khác sẽ xác định huyết áp …
Hình 7.
Ứng dụng của WSN trong theo dõi sức khỏe con người.
8
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình
Ngôi nhà thông minh là một trong những ứng dụng đặc trưng. Ở đó các nút cảm
biến dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo cho chủ nhà hoặc
các cơ quan an ninh. Đặc biệt, những nút cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong
những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh.Những nút cảm biến này
tương tác với nhau và với bên ngoài qua Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý
từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn.
Hình 8.
Ứng dụng của mạng WSN trong gia đình.
1.3.5. Ứng dụng trong ngành công nghiệp
Trong lĩnh vực công nghiệp, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo dõi
chất lượng sản phẩm, điều khiển môi trường trong những tòa nhà và công xưởng, điều
khiển tự động hóa, thiết bị chống mất cắp ô tô…
9
