Giải pháp giám sát và cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.37 MB, 73 trang )
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học bách khoa Hà nội
-----------------------DNG KIM THANH
GII PHP GIM ST V CNH BO
HOT NG CA TRM VIN THễNG
DNG MNG CM BIN KHễNG DY
Luận Văn Thạc sỹ khoa học
NGNH: K THUT MY TNH V TRUYN THễNG
NGI HNG DN KHOA HC
TS. NGUYN KIM KHNH
H NI 2011
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................. 1
Danh mục hình vẽ...................................................................................................... 4
Danh mục bảng biểu ................................................................................................. 5
Danh sách thuật ngữ và viết tắt ............................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1................................................................................................................ 9
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 9
CHƯƠNG 2.............................................................................................................. 12
TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................................. 12
2.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây ................................................. 12
2.1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây ........................................................ 12
2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây ............................................................... 13
2.2. Cấu trúc node cảm biến không dây.................................................................... 14
2.2.1 Phần cứng........................................................................................................ 14
2.2.2 Phần mềm........................................................................................................ 17
2.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây................................................................... 18
2.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây........................................................... 19
CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 21
CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4 .......................................................................... 21
3.1 Mạng không dây WPAN ...................................................................................... 21
3.1.1 Khái niệm mạng WPAN ................................................................................. 21
3.1.2 Phân loại các chuẩn mạng WPAN ................................................................... 21
3.2. Các công nghệ cảm biến không dây................................................................... 22
3.2.1 Chuẩn Bluetooth............................................................................................... 22
3.2.2 Chuẩn ZIGBEE ................................................................................................ 22
3.2.3. Đánh giá và lựa chọn công nghệ ..................................................................... 23
3.3 Chuẩn ZigBee...................................................................................................... 25
1
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
3.3.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4 ................................................ 25
3.3.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4.................................................................. 26
3.3.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE802.15.4 MAC..................................... 27
3.3.4 Tầng mạng và bảo mật của ZigBee/IEEE 802.15.4......................................... 35
3.3.5 Tầng ứng dụng ................................................................................................. 39
3.3.6 Phân loại thiết bị theo ZigBee.......................................................................... 39
3.3.7 Cấu hình mạng trong ZigBee ........................................................................... 40
CHƯƠNG 4.............................................................................................................. 42
GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO CHO TRẠM VIỄN THÔNG DÙNG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY....................................................................... 42
4.1. Khảo sát thực tế ................................................................................................. 43
4.1.1 Giới thiệu chung về trạm viễn thông................................................................ 43
4.1.2. Các thông số cần giám sát trong trạm viễn thông ........................................... 43
4.1.3. Tình hình hiện nay. ......................................................................................... 44
4.2. Đề xuất mô hình giải pháp mới.......................................................................... 46
4.3. Phân tích và thiết kế hệ thống ............................................................................ 49
4.3.1. Biểu đồ phân cấp chức năng: .......................................................................... 49
4.3.2. Các quá trình thu thập và xử lý thông tin........................................................ 50
4.3.2.1. Quá trình đăng nhập mạng của một node: ...................................................50
4.3.2.2. Quá trình cập nhật thông tin của một node ..................................................51
4.3.2.3. Quá trình lấy thông tin từ một node .............................................................52
4.3.2.4. Thay đổi cầu hình cài đặt của một node mạng.............................................53
4.3.2.5. Điều khiển hệ thống .....................................................................................53
4.3.2.6. Hiển thị thông tin .........................................................................................54
4.3.3. Kết luận ........................................................................................................... 55
CHƯƠNG 5.............................................................................................................. 56
PHẦN MỀM VÀ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG......................................................... 56
5.1. Giới thiệu các phần mềm mô phỏng .................................................................. 56
* NS-2 ....................................................................................................................... 56
2
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
* OPNET .................................................................................................................. 57
* WSNET ................................................................................................................. 57
* Đánh giá và lựa chọn phần mềm .......................................................................... 58
5.2. Phần mềm WSNET ............................................................................................. 59
5.3. Lập trình mô phỏng bài toán.............................................................................. 62
5.3.1. Lập file cấu hình: ............................................................................................ 62
5.3.2. Các module phát triển thêm: ........................................................................... 63
5.3.3. Kịch bản thử nghiệm:...................................................................................... 64
5.4 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 69
CHƯƠNG 6.............................................................................................................. 70
KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 70
6.1. Kết quả, đánh giá kết quả đã đạt được .............................................................. 70
6.2. Hướng phát triển................................................................................................ 71
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 72
3
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
Danh mục hình vẽ
Hình 1: Mô hình mạng cảm biến không dây............................................................13
Hình 2: Cấu trúc phần cứng của một node cảm biến không dây ............................14
Hình 3: Cấu trúc phần cứng và phần mềm của một node cảm biến không dây .....17
Hình 4: Cấu trúc một mạng cảm biến thông thường ...............................................18
Hình 5: Mô hình giao thức của ZigBee....................................................................25
Hình 6 : Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 ...............................27
Hình 7: Tần số và các kênh truyền theo chuẩn ZigBee ...........................................27
Hình 8: Định dạng siêu khung .................................................................................28
Hình 9: Liên lạc đến thiết bị điều phối trong mạng không hỗ trợ beacon..............30
Hình 10: Liên lạc đến thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ beacon..................31
Hình 11: Liên lạc từ thiết bị điều phối trong mạng không hỗ trợ beacon ...............32
Hình 12: Liên lạc từ thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ beacon ....................33
Hình 13: Định dạng khung tầng MAC .....................................................................35
Hình 14: Định dạng khung tầng mạng.....................................................................35
Hình 15: Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV.......................................36
Hình 16: Các loại topo trong mạng ZigBee.............................................................40
Hình 17: Mô hình cảnh báo và giám sát của tập hợp các trạm viễn thông.............47
Hình 18: Mô hình cụ thể mạng cảm biến tại một trạm ............................................47
Hình 19: Biểu đồ phân cấp chức năng.....................................................................49
Hình 20: Quá trình đăng nhập mạng của 1 Node....................................................50
Hình 21: Quá trình cập nhật thông tin của 1 node..................................................51
Hình 22: Quá trình lấy thông tin từ 1 node .............................................................52
Hình 23: Quá trình thay đổi cấu hình cài đặt của 1 Node ......................................53
Hình 24: Quá trình điều khiển cơ cấu chấp hành của 1 node .................................54
Hình 25: Quá trình hiển thị thông tin ......................................................................55
Hình 26: Cấu trúc Node cảm biến trong mô phỏng WSNET...................................59
Hình 27: Giao diện phần mềm WsnetStudio............................................................61
Hình 28: Biểu đồ thống kê số gói tin của giao thức ZigBee ứng với 50 node ........64
Hình 29: Biểu đồ thống kê số gói tin của giao thức ZigBee ứng với 25 node .........65
Hình 30: Biểu đồ thống kê số gói tin của giao thức flooding ứng với 50 node ......66
Hình 31: Sơ đồ lắp đặt cảm biến trong một trạm (số node là 25 và 50) .................68
4
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
Danh mục bảng biểu
Bảng 1. So sánh các công nghệ................................................................................24
Bảng 2. Băng tần và tốc độ dữ liệu..........................................................................26
Bảng 3. Kênh truyền và tần số .................................................................................26
Bảng 4. Các thư viện được hỗ trợ bởi WSNET ........................................................60
5
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
Danh sách thuật ngữ và viết tắt
Từ viết tắt
Viết đầy đủ
Ý nghĩa
ACK
Acknowledgment
Sự xác nhận
AES
Advance Encryption Standard
Chuẩn mã hóa nâng cao
AODV
Ad-hoc On Demand Distance Định tuyến vectơ khoảng cách
Vector
dựa trên yêu cầu trong mạng
ad-hoc
API
Application
Programming Giao diện lập trình ứng dụng
Interface
BI
Beacon interval
Khoảng thời gian giữa 2 mốc
beacon
BTS
Base transceiver station
Trạm thu phát gốc
CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access Điều khiển đa truy nhập tránh
Collision Avoidance
đụng độ
CAP
Contention access period
Giai đoạn tranh chấp truy cập
CFP
Contention free period
Giai đoạn gian tranh chấp tự do
ED
Energy Detection
Phát hiện năng lượng
FCS
Frame Check Sequence
Chuỗi kiểm tra khung
GTS
Guaranteed Time Slot
Khe thời gian đảm bảo
LQI
Link Quality Indication
Chỉ số chất lượng liên kết
FFD
Full Funtion Device
Thiết bị có đầy đủ chức năng
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập đường
truyền
MFR
MAC Footer
Phần cuối tầng MAC
MHR
MAC Header
Phần đầu tầng MAC
NWK
Network Layer
Tầng mạng
PHR
Physical Header
Phần đầu tầng vật lý
PHY
Physical Layer
Tầng vật lý
6
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
PPDU
Physical Protocol Data
Đơn vị dữ liệu giao thức tầng vật
Unit
lý
RREP
Route Reply Packet
Gói tin trả lời đường đi
RREQ
Route Request
Yêu cầu đường đi
RFD
Reduced Function Device
Thiết bị có chức năng rút gọn
WPAN
Wireless Personal Area
Network
Mạng cá nhân không dây
ZDO
Zigbee Device Objects
Đối tượng thiết bị Zigbee
7
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với
những tiến bộ kỹ thuật đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giá thành
thấp, khả năng triển khai quy mô lớn với độ chính xác cao ngày càng phát triển.
Trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống, nhu cầu về việc sử dụng các bộ cảm
biến để phục vụ cảnh báo, giám sát hay các thu thập số liệu là rất lớn. Những hệ
thống này giúp ích cho con người rất nhiều trong cuộc sống, nâng cao năng suất,
giải phóng sức lao động, thậm chí giúp con người khỏi những nhiệm vụ nguy hiểm
và có hại.
Để thực hiện một nhiệm vụ giám sát và bảo vệ, có nhiều cách để thiết lập
mạng. Có thể dùng mạng cảm biến có dây, tuy nhiên mạng có dây có nhược điểm là
phải đi dây gây mất mỹ quan và khó triển khai trong các nhà trạm có sẵn. Một
nhược điểm lớn nữa của mạng có dây là tiêu tốn nhiều năng lượng. Giải pháp đưa ra
là sử dụng mạng cảm biến không dây.
Trong phạm luận văn của mình, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Kim
Khánh, tôi đã chọn nghiên cứu đề tài “Giải pháp giám sát và cảnh báo hoạt động
của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây”
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh, người đã
tận tâm hướng dẫn, định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin và Viện Đào tạo sau
đại học đã giảng dạy và truyền thụ kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tất cả người thân và bạn bè đã động viên và
giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này
Học viên
Dương Kim Thanh
8
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
CHƯƠNG 1
PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các cảm biến không dây
ngày càng phát triển và phục vụ nhu cầu của con người. Trong công nghiệp cũng
như trong cuộc sống, nhu cầu về việc sử dụng các bộ cảm biến để phục vụ cảnh báo,
giám sát hay thu thập các số liệu là rất lớn. Những hệ thống này giúp ích cho con
người rất nhiều trong cuộc sống, giải phóng sức lao động, thậm chí giúp con người
khỏi những nhiệm vụ nguy hiểm và có hại. Một số hệ thống dùng các bộ cảm biến
như: Hệ thống giám sát và điều khiển và cảnh báo trong các tòa nhà, nhà máy công
nghiệp; Hệ thống giám sát giao thông; Hệ thống giám sát môi trường; Hệ thống
theo dõi sức khỏe…
Trên thế giới nói chung và đặc biệt là ở Việt Nam, hệ thống giám sát và điều
khiển được dùng phổ biến nhất hiện nay là sử dụng các mạng cảm biến có dây.
Nhưng trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã bắt đầu được sử
dụng phổ biến, và có nhiều tổ chức đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn dùng
chung. Trong mạng có dây, dữ liệu quan sát và thu nhận được nối mạng với nhau và
nối với trung tâm để xử lý. Các cảm biến được kết nối có dây thông qua các giao
diện RS232/485/USB/COM. Giải pháp sử dụng mạng có dây có độ ổn định, đã
được phát triển, sử dụng và kiểm nghiệm trong thời gian dài. Tuy nhiên, công nghệ
này cũng có những nhược điểm nhất định. Việc dùng cảm biến có dây làm tiêu tốn
một lượng lớn công suất, do thường phải dùng nguồn điện lưới. Các node cảm biến
có dây thường có kích thước lớn, gây mất mỹ quan. Bên cạnh đó, việc triển khai lắp
đặt trong những địa hình phức tạp hoặc trong các khu nhà đã được xây dựng sẵn, ví
dụ như các đài trạm viễn thông, nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện, trường học … có
khó khăn. Đối với những mạng có số lượng node lớn, dùng mạng có dây không linh
họat, yêu cầu khả năng tính toán và tài nguyên của node mạng tương đối lớn.
9
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
Để khắc phục những nhược điểm đó, mạng cảm biến không dây (Wireless
Sensor Network) đang được xem xét như là một lựa chọn tốt với các ưu điểm:
-
Tiêu tốn ít năng lượng hơn, có thể dùng nguồn pin hay ắc-quy.
-
Dễ dàng triển khai và lắp đặt.
-
Hoạt động độc lập với hạ tầng mạng
-
Phạm vi hoạt động rộng
-
Có tính linh hoạt
-
Phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, từ trong các nhà máy công nghiệp
đến đời sống hàng ngày.
Với sự tiến bộ công nghệ điện tử, thông tin, công nghệ mạch tích hợp, vi
mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu...đã tạo ra những cảm biến có kích
thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng
ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Chính điều này, việc sử dụng mạng cảm biến không dây là một giải pháp có
tính khả thi rất cao với các ứng dụng thu thập số liệu để giám sát và điều khiển.
Trong phạm vi luận văn của mình, tôi chọn đề tài “Mạng cảm biến không dây và
giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông”.
Với các yêu cầu trên, tôi sẽ thực hiện những nhiệm vụ sau trong luận văn:
-
Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây. Xem xét các yếu tố và các chỉ tiêu
cần đạt được khi thiết kế mạng cảm biến không dây.
-
Các công nghệ dùng trong mạng cảm biến không dây.
-
Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu, chọn được các giải pháp tối ưu để giám sát
và cảnh báo hoạt động của các trạm viễn thông .
-
Đề xuất mô hình và giải pháp mới
-
Phân tích đánh giá và lựa chọn phần mềm mô phỏng hoạt động của mạng
cảm biến không dây.
-
Đánh giá kết quả đã đạt được và hướng phát triển.
10
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
Bố cục của luận văn bao gồm các phần như sau:
• Chương 1: Tổng quan về nhiệm vụ của luận văn
- Trình bày lý do chọn đề tài,
-
Mục đích nghiên cứu
-
Giới hạn nội dung nghiên cứu.
-
Nhiệm vụ nghiên cứu
• Chương 2: Mạng cảm biến không dây
- Trình bày tổng quan chung về mạng cảm biến không dây
• Chương 3: Một số công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến không dây
& Chuẩn Zigbee/ IEEE 802.15.4
- Mạng cá nhân không dây WPAN
-
Các công nghệ cảm biến không dây,
-
Đánh giá và lựa chọn công nghệ.
-
Công nghệ Zigbee/802.15.4
• Chương 4: Giải pháp cảnh báo và giám sát cho trạm viễn thông dùng
cảm biến không dây
- Tìm hiểu, khảo sát thực tế trạm viễn thông:
-
Giới thiệu về trạm viễn thông
Các thông số cần giám sát và cảnh báo
Giải pháp hiện nay, những bất cập và khó khăn
Đề xuất mô hình giải pháp mới dùng cảm biến không dây
Mô hình
Thực thi
• Chương 5: Mô phỏng giải pháp giám sát và cảnh báo trạm viễn thông
- Giới thiệu các phần mềm mô phỏng.
-
Đánh giá và lựa chọn phần mềm mô phỏng
-
Lập trình mô phỏng bài toán giám sát và cảnh báo
• Chương 6: Kết quả, đánh giá và hướng phát triển
- Kết quả, đánh giá kết quả đã đạt được
-
Hướng phát triển
-
Kết luận.
11
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang
được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự
thay đổi của môi trường, khí hậu, trong các ứng dụng an ninh, quân đội, chuẩn đoán
sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bệnh nhân cũng như
theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, điều khiển tự động trong
các nhà máy xí nghiệp... Đặc biệt ngày nay mạng cảm biến không dây ứng dụng rất
nhiều trong nhà thông minh và điều khiển tự động trong các nhà máy xí nghiệp.
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ điện tử, thông tin, công nghệ mạch tích
hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu...đã tạo ra những con cảm
biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm
tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các
nút mạng với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, có khả năng cảm biến, tính toán và
gửi, nhận dữ liệu. Trong đó các nút mạng mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ
gọn, giá thành thấp ... và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ
thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian
hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường
khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).
Mô hình chung của mạng cảm biến không dây là:
12
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
Hình 1: Mô hình mạng cảm biến không dây
2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm chính khác với các mạng
khác như sau:
-
Các node mạng có kích thước nhỏ (để phù hợp với nhiều mục đích), do đó
node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
-
Các nút mạng bị giới hạn về nguồn năng lượng (thường sử dụng pin). Bởi
vậy, nó cần có cơ chế rất chặt chẽ trong việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả
năng lượng.
-
Các nút mạng bị giới hạn về băng thông.
-
Các node cảm biến có thể có số lượng lớn với nhiều hình thức triển khai nên
yêu cầu độ linh hoạt rất cao. Có những hệ thống các node mạng được triển
khai một cách ngẫu nhiên như hệ thống cảnh báo cháy rừng. Tuy nhiên, có
những hệ thống các node mạng được đặt cố định như hệ thống cảnh báo và
giám sát toà nhà và ngoài ra còn có các hệ thống kết hợp cả hai phương pháp
trên với một số nút mạng cố định và một số nút di động. Thêm vào đó, do
các node mạng sử dụng nguồn điện tạm thời (thường sử dụng pin) nên trong
13
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
quá trình hoạt động sẽ có những node mạng dừng hoạt động vì hết năng
lượng và ngắt khỏi mạng. Bởi vậy việc quản lý các nút mạng cần thực sự
linh hoạt.
-
Kiến trúc của một mạng cảm biến không dây phụ thuộc rất nhiều vào đặc
trưng của ứng dụng cụ thể.
-
Thông tin thu thập trong mạng cảm biến không dây thường là các thông tin
cùng kiểu (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm…), nếu định tuyến không tốt sẽ gây ra tình
trạng dư thừa dữ liệu.
2.2. CẤU TRÚC NODE CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Thông thường, mỗi nút mạng bao gồm các thành phần chính với chức năng
tương ứng như sau:
Khối nguồn
Hình 2: Cấu trúc phần cứng của một node cảm biến không dây
2.2.1 Phần cứng
Khi lựa chọn các thành phần phần cứng của node cảm biến không dây, yêu
cầu về ứng dụng đóng vai trò quyết định đối với hầu hết các yếu tố như kích thước,
giá thành, năng lượng tiêu hao của node, khả năng truyền thông… Không có một
tiêu chuẩn chung cho tất cả các ứng dụng, nhưng về cơ bản cấu tạo của một node
cảm biến gồm 5 thành phần chính:
14
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
* Khối cảm biến (hoặc cơ cấu chấp hành) (sensors – actuators):
Node cảm biến có thể gồm 2 phần: phần cảm biến và phần cơ cấu chấp hành.
Cảm biến: đo đạc các thông số của môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm, áp
suất…) và biến đổi chúng thành tín hiệu. Cơ cấu chấp hành: thiết bị tác động trở lại
môi trường, ví dụ: rơle, động cơ. Các đặc tính của cơ cấu chấp hành có thể khác
nhau, chúng được tích hợp trong hệ thống nhúng.
* Khối xử lý (processing)
Tính toán và xử lý thông tin thu nhận được, định tuyến…. Dữ liệu thu nhận
được tại mỗi node được xử lý và gửi đi thông qua khối xử lý, ngoài ra, khối xử lý
nhận dữ liệu từ các node cảm biến khác và xử lý thông tin.
Bằng việc ứng dụng công nghệ nhúng, các vi xử lý đa năng được sử dụng
trong bộ điều khiển của node cảm biến góp phần vào việc giảm kích thước, giá
thành, tiêu hao năng lượng… và tăng khả năng ứng dụng của các node cảm biến.
Hiện nay có một số hãng chuyên sản xuất các bộ vi xử lý dùng cho mạng
cảm biến không dây. Ví dụ như các hãng Texas Instrument (ví xử lý dùng CC2530),
hãng Microchip (XVL dòng PIC kết hợp với giao tiếp không dây MRF24J40).
Thông thường, ngoài bộ vi xử lý, các node còn có thành phần bộ nhớ, gồm
ROM và RAM. RAM lưu trữ các chỉ số trung gian, các gói từ node khác được gửi
đến. RAM có ưu điểm là tốc độ xử lý nhanh nhưng sẽ mất nội dung khi nguồn cấp
bị ngắt. Bộ nhớ ROM dùng để lưu mã chương trình, hiện nay, thường dùng các bộ
nhớ EEPROM hay bộ nhớ flash để lưu dữ liệu trung gian. Kích thước của bộ nhớ
quyết định đến giá thành sản xuất và năng lượng tiêu hao. Dung lượng bộ nhớ lại
phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng.
* Khối truyền, nhận tín hiệu (transceiver): truyền, nhận tín hiệu sử dụng đường
truyền không dây dùng sóng radio
- Môi trường truyền: Đối với mạng WSN, thường sử sụng đường truyền
sóng RF. Trên thực tế việc lựa chọn tần số sóng mang sử dụng trong mạng cảm biến
15
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
không dây là vấn đề rất quan trọng và nó thường nằm trong khoảng từ 433 MHz
đến 2.4 GHz (dải băng tần không cần cấp phát)
- Thiết bị thu phát: tại mỗi node cảm biến cần có chức năng thu và phát để
chuyển các luồng bit (byte hoặc frame) tới một vi điều khiển và truyền dẫn bằng
sóng RF. Thực tế, hai chức năng này được kết hợp với nhau trong một thiết bị là
máy thu phát thực hiện đầy đủ các chức năng truyền, nhận, điều chế, giải điều chế,
khuyếch đại, trộn… Các đặc tính quan trọng cần lưu ý khi lựa chọn thiết bị thu phát
là: các dịch vụ lớp trên và công suât tiêu thụ năng lượng. Thông thường mỗi máy
cung cấp một số tần số sóng mang (kênh) khác nhau hỗ trợ trong việc hạn chế
nghẽn mạng, điều này được hỗ trợ trong giao thức lớp MAC (sử dụng công nghệ
FDMA hay CSMA/ALOHA)
* Khối nguồn (power units): cấp nguồn điện hoạt động cho nút mạng. có thể dùng
pin thay thế hoặc pin năng lượng mặt trời. Là yếu tố quan trọng, quyết định sự tồn
tại của các node cảm biến. Khi đề cập đến nguồn của node cảm biến, có 02 vấn đề
cơ bản là: năng lượng dự trữ - cấp nguồn theo yêu cầu và khả năng bổ sung năng
lượng từ các node khác ngoài mạng.
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là: Cơ cấu dịch chuyển (mobilizer): cho phép di chuyển nút mạng và Hệ
thống định vị (location finding system): cho phép xác định vị trí của nút mạng.
16
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
2.2.2 Phần mềm
Operating System (OS)
Hình 3: Cấu trúc phần cứng và phần mềm của một node cảm biến không dây
* Hệ điều hành (OS - còn gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ
xử lý. Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho các hệ điều hành dành
riêng cho mạng cảm biến không dây. Các hệ điều hành có kích thước nhỏ, phù hợp
với bộ nhớ giới hạn của node cảm biến. (Ví dụ như TinyOS).
* Sensor driver: là module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến
* Bộ xử lý thông tin (communication: networking/topology): quản lý chức năng
thông tin, bao gồm định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa
lỗi…(tương đương với tầng mạng trong mô hình chuẩn OSI)
* Bộ xử lý thông tin tầng vật lý (communication: radio): Có chức năng điều
khiển việc truy nhập lớp vật lý, bao gồm cả đồng bộ hóa, mã hóa tín hiệu, phục hồi
bit, và điều chế (tương đương với tầng vật lý trong mô hình chuẩn OSI)
* Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý trong
mạng
17
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
2.3. CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Hoạt động của một mạng cảm biến không dây được mô tả tổng quát như sau:
-
Mỗi node mạng thu nhận thông tin về môi trường xung quanh thông qua các
cảm biến được gắn trên nó.
-
Sau mỗi khoảng thời gian xác định hoặc khi có yêu cầu từ node mạng trung
tâm, các số liệu này có thể được trao đổi với các node mạng lân cận, tính toán
và gửi về node mạng trung tâm. Tại đây, số liệu sẽ được tổng hợp, phân tích và
đưa ra các thông tin hữu ích phục vụ cho mỗi ứng dụng cụ thể (cảnh báo giám
sát, cảnh báo thiên tai, …).
-
Node mạng trung tâm có thể gửi các thông tin điều khiển xuống các node
mạng cảm biến hoặc các cơ cấu chấp hành để thực thi một công việc cụ thể.
-
Node mạng trung tâm có thể kết nối với các máy tính khác sử dụng đường
truyền Internet hoặc vệ tinh để trao đổi thông tin.
Hình 4: Cấu trúc một mạng cảm biến thông thường
Cấu trúc mạng cảm biến thường dùng được cho trên sơ đồ trên. Mạng cảm
biến có thế được xây dựng theo mô hình multi-hop hoặc single-hop.
Mô hình single-hop: dữ liệu được truyền từ nguồn đến đích (có thể thông qua
một node nào đó) mà không có xử lý tại các node trung gian..
Mô hình multiple-hop: dữ liệu được truyền từ nguồn đến đích, trong đó dữ
liệu có thể được xử lý khi đi qua các node trung gian.
18
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
2.4 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trên thế giới, mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong mọi
lĩnh vực. Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSN:
* Điều khiển các thiết bị trong nhà:
Các ứng dụng dạng này dùng mô hình điểm-điểm (hay mô hình sao), với
định tuyến tĩnh. Các ứng dụng gồm điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, an ninh, môi
trường, điều khiển từ xa trong gia đình hay công nghiệp,… Nhiều ứng dụng được
xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 (ZigBee). ZigBee cung cấp tụ tương tác và đáp
ứng được các đặc điểm của liên lạc vô tuyến (RF).
* Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp:
Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất
và an toàn. Các cảm biến đặt trong môi trường làm việc giám sát quá trình sản xuất,
chất lượng sản phẩm, kiểm soát môi trường làm việc, quản lý nhân viên,…dữ liệu
được đưa về trung tâm để người quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời.
Trong lĩnh vực này, thường sử dụng giao thức định tuyến tĩnh.
* Ứng dụng trong quân sự, an ninh và thiên tai:
Trong an ninh bao gồm phát hiện xâm nhập và truy bắt tội phạm.
Mạng cảm biến quân sự phát hiện và thu nhập thông tin về sự di chuyển của
đối phương, chất nổ và các thông tin khác.
Giám sát sự thay đổi khí hậu, rừng, biển….
Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lượng lớn các cảm biến
được thả từ trên không, mạng lưới các cảm biến sẽ cho biết vị trí người sống sót,
vùng nguy hiểm, giúp cho người giám sát có các thông tin chính xác đảm bảo hiệu
quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiếm.
19
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
* Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan:
Mục tiêu của các hệ thống này là thu thập thông tin thông qua các mạng cảm
biến, xử lý và lưu trữ dữ liệu tại trung tâm, sử dụng dữ liệu đó cho các ứng dụng cần
thiết. Hệ thống được lắp đặt dọc theo các đường chính, mạng cảm biến số tập hợp
dữ liệu về tốc độ lưu thông, mật độ xe, số lượng xe trên đường. Dữ liệu sau đó được
truyền đến trung tâm dữ liệu để xử lý. Mạng theo dõi liên tục, cung cấp thông tin
cập nhật thường xuyên theo thời gian thực. Các thông tin thu được dùng để giám sát
lưu lượng, điều phối giao thông hoặc cho các mục đích khác.
* Các ứng dụng trong y học:
Một số bệnh viện và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WSN vào tiền
chẩn đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với các dịch bệnh và phục hồi chức năng
cho người bệnh. WSN cho phép theo dõi tình trạng của các bệnh nhân kinh niên
ngay tại nhà, làm cho việc phân tích và điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian
điều trị tại bệnh viện. WSN còn cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian dài
thành các cơ sở dữ liệu quan trọng, các biện pháp can thiệp hiệu quả.
Trên thế giới, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh
vực của cuộc sống (như cảnh báo cháy rừng, tự động hóa trong nhà máy xí nghiệp,
nhà thông minh…). Tuy nhiên, tại Việt Nam, mạng cảm biến không dây chưa được
phát triển rộng rãi. Tại Việt Nam, mạng cảm biến không dây chủ yếu dùng trong
ứng dụng dùng nhà thông minh.
20
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
CHƯƠNG 3
CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4
3.1 MẠNG KHÔNG DÂY WPAN
3.1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)
Mạng WPAN (mạng cá nhân không dây) được sử dụng để phục vụ truyền
thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn, mạng WPAN có thể liên lạc
hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng.
Trong thời gian giữa những năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ
cho mạng WLAN (wireless local area network). Trong khi IEEE 802.11 đề cập đến
tốc độ truyền tin trong Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng
cách tương đối xa (khoảng 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề về điều
khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn (bán kính 30m).
Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít
năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé. Chính vì thế mà
nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là giải
quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay. Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra
đời để phục vụ cho chuẩn WPAN.
3.1.2 Phân loại các chuẩn mạng WPAN
Tổ chức IEEE đã phát triển chuẩn 802.15 cho mạng không dây cá nhân.
Trong đó, có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt thông qua
tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lựơng và chất lượng dịch vụ QoS
-
WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3)
-
WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1/Bluetooth)
-
WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4/LR-WPAN)
21
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
3.2. CÁC CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
3.2.1 Chuẩn Bluetooth
Bluetooth là chuẩn dùng cho kết nối RF tầm ngắn cho các thiết bị di động cá
nhân. Chuẩn này bắt đầu như là một chuẩn không chính thức dùng trong công
nghiệp. Gần đây, dự án IEEE 802.15.1 phát triển mạng các nhân không dây dựa trên
Bluetooth v1.1. IEEE 802.15.1 được đưa ra năm 2002. Bluetooth dùng trong các
thiết bị thông tin cá nhân như điện thoại, máy in, headset, bàn phím máy tính và
chuột. Kỹ thuật này có một số đặc tính hạn chế do đó khả năng ứng dụng cho mạng
WSN bị giới hạn.
Đặc điểm Bluetooth là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, cung cấp cho
ứng dụng không dây giữa các thiết bị di động và làm đơn giản kết nối giữa các thiết
bị. Hệ thống dùng sóng radio phát đẳng hướng, có thể xuyên qua tường và các vật
cản phi kim loại khác. Sóng radio dùng trong Bluetooth hoạt động ở tần số 2.4GHz
ISM, phổ biến trên toàn thế giới. Bluetooth dùng kỹ thuật trải phổ, song công hoàn
toàn. Khi kết nối điểm điểm, cho phép cùng lúc kết nối với 7 thiết bị đồng thời.
Thiết bị Bluetooth đóng vai trò như “master” có thể liên lạc đến 7 thiết bị vai
trò “slave”.
3.2.2 Chuẩn ZIGBEE
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng
lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều
khiển từ xa và tự động hóa. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc
độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định
sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này.
Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao
năng lượng nhỏ và có công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài
tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và băng thông rộng.
22
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (Mesh
Network) (đây là điểm nổi bật hơn so với công nghệ Bluetooth).
Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin
trong khoảng cách 10 - 100m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất
phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng.
Tổ chức ZigBee Alliance đưa ra các thông số ZigBee đầu tiên vào năm 2004,
tạo tiền đề cho sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của mạng WSN. ZigBee/IEEE
802.15.4 được chờ đợi trở thành công nghệ dẫn đầu cho các ứng dụng thương mại
từ công nghiệp cho đến các ứng dụng tại nhà
Tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee
-
250kbps ở dải tần 2.4GHz (trên toàn cầu)
-
40kbps ở dải tần 915MHz (tại Mỹ và Nhật)
-
20kbps ở dải tần 868MHz (ở châu Âu)
3.2.3. Đánh giá và lựa chọn công nghệ
Để có thể chọn một chuẩn kết nối không dây phù hợp cho mạng cảnh báo và
giám sát, tôi so sánh 2 chuẩn chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4 và Bluetooth. Các tiêu
chí so sánh gồm: năng lượng tiêu thụ, phạm vi hoạt động, tốc độ truyền và thời gian
truyền dữ liệu, cấu hình mạng. Việc so sánh chuẩn ZigBee với Bluetooth giúp
chúng ta hiểu được tại sao chuẩn ZigBee rất khác biệt
- Năng lượng: Zigbee tiết kiệm năng lượng hơn Bluetooth. Một nốt mạng
trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là
hai pin AA.
- Phạm vi hoạt động: Phạm vi hoạt động của ZigBee là 10-100m trong khi
của Bluetooth chỉ là 10m (trong trường hợp không có khuyếch đại).
- Tốc độ truyền dữ liệu: Tốc độ truyền của ZigBee là 250kbps tại 2.4GHz,
40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ này của Bluetooth là
23
Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây.
1Mbps. ZigBee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu. Đối với các ứng dụng
giám sát và cảnh báo, không cần tốc độ cao, do đó dùng ZigBee là hợp lý.
- Thời gian truyền dữ liệu: Nút mạng sử dụng ZigBee vận hành tốn ít năng
lượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị
Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong 3sec.
- Cấu hình mạng: ZigBee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với
mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin
nhỏ. Loại mạng này cho phép tối đa tới 254 nút mạng. Giao thức Bluetooth phức
tạp hơn bởi loại giao thức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng
ad hoc (ad hoc là một loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó
là bị hạn chế về không gian và thời gian). Các thiết bị Bluetooth chỉ cho phép tối đa
là 8 nút slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản.
So sánh một số chỉ tiêu của các công nghệ
Bảng 1. So sánh các công nghệ
Chỉ tiêu
Chuẩn IEEE
Zigbee
Wifi
Bluetooth
Chuẩn
802.15.4
802.11 a,b,g
802.15.1
Tần số
868/915MHz;
2,4GHz
2,4GHz; 5GHz
~100m
~ 100m
~10m
~ 0,25Mp/s
~ 2 ÷ 54Mb/s
~ 1 ÷ 3Mb/s
Rất thấp (10mA)
Trung bình
Thấp (100mA)
Ngày–vài năm
Phút – vài giờ
Giờ - vài ngày
Nhỏ nhất
Lớn
Nhỏ hơn
0,2
>6
1
Lớn (65.536 nút)
Lớn (32)
Nhỏ (7 nút)
2,4GHz
Khoảng cách
Tốc độ dữ liệu
Công suất tiêu thụ
Thời gian sống của pin
Kích thước
Tỉ số chi phí/độ phức
tạp
Kích thước mạng
24
