Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.52 MB, 98 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
V NHƢ
NH
C I TI N TH I GI N SỐNG C
H NG D Y D NG PH N C
TR
THU PH T DI
LUẬN VĂN TH C SĨ
NG C
BI N
TH P
NG
Ỹ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
TP.HỒ CHÍ MINH – 2017
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
V NHƢ
NH
C I TI N TH I GI N SỐNG C
H NG D Y D NG PH N C
TR
THU PH T DI
NG C
BI N
TH P
NG
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60.48.01.04
LUẬN VĂN TH C SĨ
Ỹ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƢ I HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TRẦN CÔNG HÙNG
TP.HỒ CHÍ MINH – 2017
i
L IC
O N
Tôi 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.
TP.HCM, ngày 07 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn
V N ƣ
n
ii
L IC
ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ,
ngoài những cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ
quý báu của quý thầy cô, cùng với sự động viên khích lệ và ủng hộ của đồng
nghiệp, bạn bè và gia đình. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được gửi
lời cảm ơn chân thành tới:
Ban Giám Hiệu và tất cả các thầy cô giáo của Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông cơ sở TP.HCM đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá
trình học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới PGS.TS Trần Công Hùng, người đã
trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, chia sẻ kiến thức, tài liệu, tạo mọi điều kiện
thuận lợi và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Bên cạnh đó, em cũng đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ tận tình từ TS. Tân
Hạnh, TS. Bùi Xuân Lộc, ThS. Phan Thị Th và các đồng nghiệp tại Đài truyền
hình TP.HCM. Xin gửi lời tri ân đến tất cả các thầy và các anh chị.
Tuy nhiên, do thời gian hạn hẹp, mặc dù đã nỗ lực hết sức mình, nhưng chắc
rằng luận văn khó tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ
bảo tận tình của quý thầy cô và các anh chị.
Em xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày 07 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn
V N ƣ
n
iii
M CL C
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH M C C C K HI U, C C CH
VI T T T ............................................ vi
DANH M C C C BẢNG...................................................................................... viii
DANH M C C C H NH V , ĐỒ TH ................................................................... ix
ẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1:T NG QU N V
NG C
BI N
H NG D Y ..................5
1.1 Giới thiệu ............................................................................................................5
1.2
ng d ng của mạng cảm biến không dây ..........................................................7
1.2.1
....................................................................8
1.2.2 Tự độ
óa
a đì
Đ n tử tiêu dùng .......................................................9
1.2.3
ự ...........................................................................................10
1.2.4
.....................................................11
1.2.5
...............................................13
1.2.6
............................................................................................15
1.3 Một số vấn đề thiết kế mạng cảm biến không dây ...........................................16
1.3.1
.............................................................................................16
ở rộng ............................................................................................17
1.3.2 Kh
1.3.3 Chi phí s n xuất ................................................................................................17
1.3.4 Hạn chế của phần c ng ....................................................................................17
1.3.5 Cấ
ì
1.3.6 S
ạng c m biến ..................................................................................17
động ......................................................................................................18
1.3.7 Tiêu th
1.3.8 Độ
.........................................................................................18
.........................................................................................................18
1.3.9 Độ trễ ................................................................................................................19
1.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây ................................................................19
1.4.1 ấ
1.4.2 ấ
ủa ộ
a
ế
ủa ạ
ây .......................................................19
ế
..........................................21
iv
1.4.3 ấ
ế ủa ạ
ế
S topologies) ................22
1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................27
CHƢƠNG 2:C C C NG TR NH I N QU N .................................................28
2.1 Định tuyến trong WSN .....................................................................................28
2.2 Các thông số định tuyến ...................................................................................31
......................................................................32
2.2.2
2.2.3
.......................................................................................................32
ấ
Quality of Service)...........................................................35
2.3 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) .............................................35
2.4 Giao thức LEACH ............................................................................................39
2.5 Logic mờ Fuzzy logic ....................................................................................42
2.5.1
...........................................................................43
2.5.2 Biến ngôn ngữ...................................................................................................45
2.5.3
.............................................................................................................45
2.5.4
S .............................................................................46
2.6 Giao thức CHEF Cluster Head Election mechanism using Fuzzy logic .......48
2.7 Mô hình trạm thu phát di động trong WSN .....................................................51
2.7.1
độ
ủa ạ
2.7.2
động có th dự đ
2.7.3
độ
ó
.....................................................52
c c đ nh .......................................................53
m soát.................................................................................53
2.8 Thuật toán MECA ............................................................................................54
2.8.1
ì
độ
đ
2.8.2
..................................................................54
ế
..............................................................56
2.9 Thuật toán MSA ...............................................................................................57
2.9.1
2.9.2
ì
độ
S ......................................................................58
t toán MSA ......................................................................................58
2.10 Kết luận chương 2 ............................................................................................60
CHƢƠNG 3:GI I PH P
XU T ....................................................................61
3.1 Giới thiệu ..........................................................................................................61
v
3.2 Đề xuất 1: Phân c m kết hợp với sink di dộng ................................................62
3.2.1
ì
3.2.2
ì
............................................................................63
độ
........................................................................................63
3.3 Đề xuất 2: Phân c m mờ kết hợp sink di động ................................................67
3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................................72
CHƢƠNG 4:
PHỎNG V
NH GI HIỆU SU T C
GI I PH P
XU T........................................................................................................................73
4.1 Giới thiệu ..........................................................................................................73
4.2 Các tiêu ch đánh giá hiệu suất .........................................................................74
4.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá .........................................................................74
4.3.1 Đ
đ
ấ
..............................................................................................74
4.3.2 Đ
đ
ấ
..............................................................................................77
4.4 Kết luận chương 4 ............................................................................................80
K T LUẬN V HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................81
T I IỆU TH
H O ......................................................................................83
vi
D NH
T
VI T TẮT
C C C THUẬT NGỮ, CHỮ VI T TẮT
TI NG NH
TI NG VIỆT
Analog-To-Digital
Bộ chuy n đổi tương tự
Converter
sang số.
ACO
Ant Colony Optimization
Phương pháp tối ưu đàn kiến
BS
Base Station (sink)
Trạm gốc trạm thu phát .
Code Division Multiple
Đa truy nhập phân chia
Access
theo mã.
Cluster Head
Trưởng c m
Carrier Sense Multiple
Đa truy nhập cảm nhận
Access
sóng mang
Carrier Sense Multiple
Đa truy cập cảm nhận sóng
Access With Collision
mang với phát hiện đ ng
Detection
độ
Cluster Head Election
Cơ chế lựa chọn trưởng c m sử
mechanism using Fuzzy logic
d ng logic mờ
ADC
CDMA
CH
CSMA
CSMA/CD
CHEF
Một định dạng lưu trữ đĩa
DVD
Digital Video Disc
FIS
Fuzzy Inference System
Hệ thống suy luận mờ
FLC
Fuzzy Logic Control
Điều khi n mờ
GA
Genetic algorithms
Giải thuật di truyền
Heating, Ventilation, and Air
Hệ thống sưởi ấm , thông gió ,
Conditioning
và điều hòa không khí
Low-Energy Adaptive
Phân c m th ch ứng
Clustering Hierarchy
năng lượng thấp.
HVAC
LEACH
MAC
Media Access Control
quang phổ biến
Điều khi n truy nhập đường
truyền
vii
MECA
MEMS
MSA
PDA
Mobile sink based Energyefficient Clustering Algorithm
Micro Electro Mechanical
Systems
Mobile Sink Assisted Energy
Efficient Routing Algorithm
Personal Digital Assistant
Thuật toán phân c m hiệu quả
năng lượng dựa trên trạm thu
phát di động
Hệ thống vi cơ điện tử
Thuật toán định tuyến hiệu quả
năng lượng hỗ trợ trạm thu
phát di động
Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá
nhân
Time Division Multiple
Đa truy cập phân chia theo
Access
thời gian.
WSN
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng c c bộ không dây
TDMA
viii
DANH SÁCH B NG
Bảng 1.1. So sánh hiệu suất giữa các cấu trúc trong WSN .......................................27
Bảng 2.1. 9 qui tắc mờ if-then của thuật toán CHEF ................................................50
Bảng 3.1. 9 qui tắc mờ if-then trong thuật toán đề xuất 2.........................................71
Bảng 4.1. Bảng tham số mô phỏng ...........................................................................73
Bảng 4.2. Bảng so sánh tuổi thọ mạng giữa các đề xuất 1 với LEACH ...................75
Bảng 4.3. Bảng so sánh tuổi thọ mạng giữa đề xuất 2 với LEACH, CHEF, đề xuất 1
...................................................................................................................................78
ix
DANH SÁCH H NH V
Hình 1.1. Một mạng cảm biến không dây đi n hình ...................................................6
Hình 1.2.
ng d ng trong công nghiệp ......................................................................9
Hình 1.3.
ng d ng trong gia đình ...........................................................................10
Hình 1.4.
ng d ng trong quân sự ............................................................................11
Hình 1.5.
ng d ng theo d i tài sản và quản l chuỗi cung ứng ..............................12
Hình 1.6.
ng d ng trong nông nghiệp ....................................................................13
Hình 1.7.
ng d ng trong môi trường ......................................................................14
Hình 1.8.
ng d ng trong giám sát sức khỏe ...........................................................15
Hình 1.9. Cấu tạo của một nút cảm biến không dây .................................................20
Hình 1.10. Cấu trúc giao thức của WSN ...................................................................21
Hình 1.11. Cấu trúc Bus ............................................................................................22
Hình 1.12. Cấu trúc Tree ...........................................................................................23
Hình 1.13. Cấu trúc Star ............................................................................................24
Hình 1.14. Cấu trúc Ring ..........................................................................................24
Hình 1.15. Cấu trúc Mesh .........................................................................................25
Hình 1.16. Cấu trúc Circular .....................................................................................25
Hình 1.17. Cấu trúc Grid ...........................................................................................26
Hình 2.1. Mô hình định tuyến đơn hop bên trái và mô hình định tuyến đa hop bên
phải ...........................................................................................................................29
Hình 2.2. Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN ........................................29
Hình 2.3. So sánh các lựa chọn định tuyến sử d ng các chỉ số năng lượng khác
nhau. ..........................................................................................................................33
Hình 2.4. Phân c m với truy n thông đơn chặng single hop tới sink bên trái và
phân c m với truyền thông đa chặng multi hop đến sink bên phải). ....................36
Hình 2.5. Định nghĩa mốc bên trái và định tuyến bằng cách sử d ng một mốc quan
trọng (bên phải) .........................................................................................................37
Hình 2.6. Mô hình mạng sử d ng LEACH ...............................................................39
Hình 2.7. Hai pha trong một vòng của giao thức LEACH........................................41
x
Hình 2.8. Đồ thị của hàm thuộc tam giác ..................................................................44
Hình 2.9. Đồ thị của hàm thuộc hình thang ..............................................................45
Hình 2.10. Cấu trúc của hệ thống suy luận mờ FIS ...............................................46
Hình 2.11. Sơ đồ hoạt động của FIS .........................................................................47
Hình 2.12. Mô hình mạng WSN sử d ng CHEF ......................................................48
Hình 2.13. Mô tả khoảng cách giữa nút Sj và các nút khác trong phạm vi bán k nh R
...................................................................................................................................49
Hình 2.14.Mô hình mạng trong thuật toán MECA ...................................................55
Hình 2.15. Mô hình sink di động trong thuật toán MECA .......................................55
Hình 3.1. Mô hình sink di động của thuật toán đề xuất ............................................64
Hình 3.2. Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất 1 ...............................................65
Hình 3.3. Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất 2 ...............................................68
Hình 3.4. Sơ đồ lựa chọn trưởng c m dựa trên hệ thống suy luận mờ .....................69
Hình 3.5. Hàm thuộc của biến năng lượng đầu vào ..................................................70
Hình 3.6.Hàm thuộc của biến khoảng cách c c bộ đầu vào .....................................70
Hình 3.7. Hàm thuộc của cơ hội đầu ra .....................................................................71
Hình 4.1. Đồ thị so sánh số nút c n sống giữa đề xuất 1 với LEACH .....................75
Hình 4.2. Đồ thị so sánh năng lượng trung bình của mạng giữa đề xuất 1 với
LEACH......................................................................................................................76
Hình 4.3. Đồ thị so sánh năng lượng c n lại trong mạng giữa đề xuất 1 với LEACH
...................................................................................................................................76
Hình 4.4. Đồ thị so sánh số nút c n sống giữa đề xuất 2 với LEACH, CHEF, đề xuất
1 .................................................................................................................................78
Hình 4.5. Đồ thị so sánh Năng lượng trung bình của mạng giữa đề xuất 2 với
LEACH, CHEF, đề xuất 1.........................................................................................79
Hình 4.6. Đồ thị so sánh năng lượng c n lại trong mạng giữa đề xuất 2 với LEACH,
CHEF, đề xuất 1 ........................................................................................................79
1
ẦU
Trong những năm gần đây, Wireless Sensor Networks WSN thu hút ngày càng
nhiều các nhà nghiên cứu chú
vì những tiềm năng lợi ch to lớn mà chúng có th
cung cấp cho các lĩnh vực công nghiệp và kinh tế-xã hội. Ngày càng có nhiều ứng
d ng WSN được phát tri n cho nhiều lĩnh vực m c tiêu chiến lược, quan trọng và
tiện d ng. Mạng cảm biến không dây WSN đã và đang là lĩnh vực nghiên cứu thu
hút được nhiều sự quan tâm. WSN với những tiềm năng nổi trội đã mang lại những
ứng d ng thiết thực trong cuộc sống con người. Sự nổi lên của các mạng cảm biến
không dây là kết quả của sự tiến hóa mới giữa sự phát tri n của điện tử số, vi điện
tử, hệ thống cơ học vi mô và tiến bộ trong công nghệ truyền thông không dây, đã
cho phép tri n khai nhiều ứng d ng WSN trong lĩnh vực quân sự, giao thông, y tế,
môi trường, sức khỏe, công nông nghiệp... và trong hệ sinh thái thì cảm biến không
dây là thành phần thiết yếu. WSN là một tập hợp bao gồm các thiết bị cảm biến sử
d ng các liên kết không dây đ phối hợp thực hiện nhiệm v nhằm thu thập thông
tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện cũng như bất kỳ địa hình
nào. Tất cả các nút được theo d i và ki m soát bởi một trạm gốc BS . Hiệu suất sử
d ng năng lượng là thách thức ch nh mà các nhà thiết kế phải đối mặt trong WSN.
Nói chung, nguồn năng lượng trong một nút cảm biến về cơ bản được cung cấp từ
một pin có nguồn năng lượng hạn chế. Nguồn năng lượng này không dễ dàng đ
thay thế hoặc nạp lại khi các nút cảm biến tri n khai trong một vùng rộng lớn, các
nút cảm biến bị giới hạn bởi sức mạnh tính toán và khả năng truyền thông mà chúng
có th cung cấp. Nếu các cảm biến được nối mạng và lập trình chính xác, tất cả các
tác v xử lý tín hiệu có th được thực hiện hợp l đ thu thập thông tin từ các vùng
xa cũng như các khu vực nguy hi m. Tối ưu hóa thời gian sống của mạng là một bài
toán phức tạp.
Truyền tải dữ liệu là công việc tiêu hao năng lượng chủ yếu trong WSNs. Điều
cần thiết là làm sao đ ki m soát mức tiêu th năng lượng trong giai đoạn thu thập
dữ liệu. Điều này được thực hiện bằng cách cho phép số lượng nút tối thi u liên lạc
trực tiếp với trạm gốc hay trạm thu phát sink , nơi tập hợp dữ liệu ứng d ng trong
2
WSN. Có nhiều thuật toán đã phát tri n cho việc phân c m trong WSN nhằm giảm
thi u số nút giao tiếp với trạm gốc. Điều này được thực hiện bằng cách nhóm các
nút được tri n khai thành các c m hoặc các khu vực. Mỗi c m được điều khi n bởi
một nút Trưởng C m gọi là cluster-head CH , các nút khác trong c m trở thành nút
thành viên của c m đó. Các nút thành viên chỉ liên lạc với nút Trưởng C m trong
một phạm vi hạn chế và do đó giảm tiêu th năng lượng. Nút Trưởng C m s tổng
hợp dữ liệu thu thập được từ các nút thành viên thành một gói và chuy n tiếp tới
Trạm gốc. Cần lưu
rằng chỉ có các nút Trưởng C m có trách nhiệm gửi dữ liệu
trong c m đã thu thập đến trạm thu phát, nơi xử lý và ra quyết định. Việc tri n khai
trạm thu phát trong một WSN là một mối quan tâm lớn. Do đó, các vấn đề liên quan
đến năng lượng tiêu th , thời gian sống của WSN đang được nghiên cứu. Nói chung
giả sử các trạm thu phát là tĩnh cố định trong tự nhiên, tuy nhiên chúng có khả
năng di động trong một số tình huống đ thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến [1].
Đ đạt được kết quả tiết kiệm năng lượng cao hơn, t nh di động của trạm thu phát
nhằm tăng thời gian sống của WSN được xem xét trong luận văn này.
Mục tiêu của luận văn:
M c tiêu của luận văn là cải tiến thời gian sống của mạng WSN. Do đó s tìm hi u
về giao thức phân c m LEACH và giải thuật phân c m dựa trên logic mờ CHEF,
với hướng tiếp cận mới là trạm thu phát di động mobile sink . Qua đó s sử d ng
thuật toán phân c m mờ kết hợp với trạm thu phát di động mobile sink đ cải tiến
thời gian sống của mạng cảm biến không dây.
Vấn đề cần giải quyết của luận văn
Hãy xem xét một mạng lưới cảm biến tri n khai một cách ngẫu nhiên. Một nút cảm
biến có giao diện truyền thông không dây có th giao tiếp với các nút khác trong
vùng lân cận của nó. Bởi vì hạn chế của các nguồn năng lượng và do thực tế rằng
giao tiếp làm tiêu hao điện năng đáng k trong một nút cảm biến, phạm vi truyền
dẫn của các nút này được giới hạn cho m c đ ch năng lượng hiệu quả, các nút cảm
biến xa sink s sử d ng chuy n tiếp đa chặng multi hop đ truyền dữ liệu đến sink.
Kết quả truyền thông đa chặng cho thấy tiêu hao năng lượng không cân bằng trong
3
các phần khác nhau trong mạng, các nút xung quanh sink thì cạn kiệt năng lượng
nhanh hơn nhiều so với các nút ở xa. Điều này không chỉ gây ra những cảm biến
gần sink ngưng hoạt động, mà c n làm cho sink không th truy cập bởi các nút cảm
biến khác. Trong trường hợp này, các dữ liệu cảm biến không th gửi thành công
đến sink, dữ liệu chuy n tiếp đến các bộ cảm biến gần sink bị tắc ngh n theo dạng
thắt nút cổ chai có th làm cho mạng ngưng hoạt động, đây là một kết quả trực tiếp
của việc có một sink tĩnh cố định . Do đó, đ đạt được kết quả tiết kiệm năng
lượng cao hơn, t nh di động của trạm thu phát nhằm tăng tuổi thọ WSN được xem
xét trong luận văn này.
ối tƣợng nghiên cứu
Tìm hi u các ưu và nhược đi m của mạng cảm biến không dây, thuật toán phân
c m LEACH, thuật toán phân c m dựa trên logic mờ CHEF, mô hình trạm thu phát
di động mobile sink .
Ph m vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các kiến trúc mạng WSN
- Tìm hi u về giao thức phân c m LEACH, thuật toán phân c m dựa trên logic mờ
CHEF, mô hình trạm thu phát di động.
- Tập trung nghiên cứu kết hợp thuật toán phân c m mờ với trạm thu phát di động
đ cải tiến thời gian sống của WSN.
P ƣơng p áp ng iên cứu
- Tài liệu: tìm hi u các đối tượng cần nghiên cứu từ các bài báo khoa học đã được
xuất bản và đăng trên các tạp chí uy tín trên thế giới.
- Tiến hành thiết kế, đề xuất thuật toán, ki m chứng bằng mô phỏng.
Các đóng góp của luận văn
- Đề xuất 1 cải tiến thời gian sống của WSN bằng phương pháp tiếp cận giao thức
định tuyến phân c m LEACH kết hợp sink di động theo đường dẫn cố định.
- Đề xuất 2 cải tiến thời gian sống của WSN bằng phương pháp tiếp cận thuật toán
phân c m mờ CHEF kết hợp sink di động theo đường dẫn cố định.
4
Đ cải tiến thời gian sống của mạng WSN, các phương pháp tiếp cận thiết kế dựa
trên sink di động là một giải pháp tri n vọng.
Cấu trúc luận văn
Nội dung của luận văn gồm 4 chương:
C ƣơng 1: Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây. Trong chương này
mô tả về cấu trúc mạng cảm biến không dây, đặc đi m và cấu trúc của nút cảm biến.
Những vấn đề gặp phải của mạng cảm biến không dây như năng lượng, điều khi n
truy nhập đường truyền. Đồng thời chương này cũng chỉ ra các ứng d ng phong phú
trong đời sống của mạng cảm biến như các ứng d ng trong y tế, ứng d ng trong
quân đội, ứng d ng trong gia đình và trong môi trường.
C ƣơng 2: Các công trình liên quan. Trong chương này giới thiệu về định tuyến,
các loại chính của các giao thức định tuyến, giao thức định tuyến kinh đi n
LEACH. Tiếp theo là giới thiệu logic mờ, thuật toán phân c m dựa trên logic mờ
CHEF. Cuối cùng tìm hi u các mô hình sink di động, thuật toán dựa trên sink di
động MECA, MSA.
C ƣơng 3: Chương này em trình bày giải pháp đề xuất kết hợp phân c m mờ với
sink di động đ cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây.
C ƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá hiệu suất của giải pháp đề xuất.
ết
ận v
ƣ ng p át t iển
5
CHƢƠNG 1
T NG QU N V
1.1
NG C
BI N
H NG D Y
Gi i t iệ
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN) là tập
nhiều nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trường như cảm biến nhiệt độ, cảm
biến độ ẩm, cảm biến cường độ ánh sáng, âm thanh... , có khả năng xử lý dữ liệu,
truyền thông không dây với nhau, phủ sóng trên một vùng vật l nào đó nhằm giám
sát và quản lý vùng vật l đó. Mạng cảm biến (WSN) là hệ thống ít tốn chi phí,
không đ i hỏi năng lượng cao, đa chức năng và các node cảm biến k ch thước nhỏ
có th kết hợp với nhau đ cảm biến môi trường, xử lý dữ liệu và giao tiếp không
dây qua một khoảng cách ngắn. Các cảm biến thường được sử d ng đ giám sát vật
lý hoặc các yếu tố môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp lực, sự chuy n
động hoặc ô nhiễm tại các khu vực khảo sát. Một trạm thu phát hoặc trạm cơ sở
hoạt động như một giao diện giữa người sử d ng và mạng. Người ta có th lấy
thông tin từ mạng bằng cách chèn các truy vấn và thu thập các kết quả từ trạm thu
phát. Thông thường một mạng cảm biến không dây có chứa hàng trăm nghìn nút
cảm biến. Các nút cảm biến có th giao tiếp với nhau bằng cách sử d ng các tín
hiệu radio. Một nút cảm biến không dây được trang bị các thiết bị cảm biến và tính
toán, các máy thu phát vô tuyến và các bộ phận nguồn. Một số các nút cảm biến có
th di chuy n, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động, như đã đạt
được trong dự án Robomote. Ngày nay với sự phát tri n nhanh chóng của khoa học
kĩ thuật nói chung và sự phát tri n của mạch kĩ thuật số, hệ thống vi cơ điện tử
MEMS, truyền thông không dây nói riêng thì việc thiết kế và phát tri n các nút cảm
biến (sensor node) với k ch thước nhỏ, thực hiện được nhiều chức năng, giá thành
rẻ, tiêu th
t năng lượng, có th truyền thông không dây, các nút cảm biến rất nhỏ
có th thực hiện nhiều chức năng, bao gồm cảm nhận, xử lý dữ liệu, có th phân
tích tính toán trên các dữ liệu thu thập được sau đó truyền trực tiếp hoặc đa chặng
(multihop) về trạm điều khi n đ tiếp t c phân t ch và đưa ra các quyết định toàn
6
c c về môi trường xung quanh. Tuy nhiên, các nút cảm biến này có nguồn lực hạn
chế về: năng lượng giới hạn, khả năng xử lý, dung lượng lưu trữ và băng thông
truyền thông thấp. Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập
thông tin, định tuyến thông tin về trạm thu phát Sink đ chuy n tới người dùng
thông qua mạng internet và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ Sink đến
các nút cảm biến. Thông tin được định tuyến về ph a sink, sau đó sink có th liên
lạc trực tiếp hoặc gián tiếp với người dùng thông qua mạng Internet hay vệ tinh.
Trạm thu phát Sink hoặc trạm gốc (BS hay Base Station) với bộ xử l , năng lượng
và khả năng lưu trữ lớn đảm nhận chức năng như nhận dữ liệu từ các nút cảm biến
và xử lí...
H n 1 1:
t
ng cả
iến
ng
điển
n
Mạng cảm biến không dây (WSNs) cho phép nhiều ứng d ng mới, và do yêu cầu về
độ phức tạp của thiết bị thấp cùng với tiêu th năng lượng thấp, kéo dài thời gian
sống của mạng, cần phải có sự cân bằng giữa khả năng truyền thông và khả năng xử
lý tín hiệu, dữ liệu. Điều này thúc đẩy một nỗ lực rất lớn trong các hoạt động nghiên
cứu, quá trình chuẩn hóa và đầu tư công nghiệp trong nhiều năm gần đây. Mạng
cảm biến không dây thông thường có một số đặc đi m sau:
-
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người.
-
Truyền thông không tin cậy và quảng bá trong phạm vi hẹp, sử d ng định tuyến
đơn chặng hoặc đa chặng.
7
-
Tri n khai dày đặc và có khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến.
-
Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi ph thuộc vào sự di chuy n, hao mòn và
hư hỏng ở các nút cảm biến.
-
Bị giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
Chính những đặc đi m này đã đưa ra những yêu cầu đặc biệt trong thiết kế mạng
cảm biến không dây. Một trong những hạn chế ch nh của WSNs có liên quan trực
tiếp đến hiệu suất phần cứng, ch ng hạn như khả năng xử l và pin, mà kết quả là
lượng năng lượng tiêu th cao hơn và giảm thời gian sống của mạng. Tuy nhiên, có
rất nhiều ứng d ng sử d ng WSN như các hoạt động cứu hộ thảm họa, ph ng chống
cháy rừng, các khu vực chiến tranh, kỹ thuật, y tế và nông nghiệp, ... nơi mà sự can
thiệp trực tiếp của con người là tương đối có nguy hi m cao hoặc đôi khi không th
thực hiện được. Trong nhiều trường hợp thay thế pin cũng không khả thi vì số
lượng lớn nút cảm biến của WSN cũng như các hạn chế của khu vực tri n khai. Nếu
một nút tắt nguồn và mất kết nối có th bị ảnh hưởng làm cho m c tiêu của mạng
trở nên vô ch. Do t nh chất hạn chế nguồn lực, khả năng sao lưu năng lượng rất hạn
chế và cách duy nhất đ duy trì kết nối mạng là sử d ng năng lượng có hiệu quả đ
kéo dài tuổi thọ của toàn bộ mạng. Các ứng d ng sử d ng mạng cảm biến không
dây s phải có kết nối liên t c với khu vực mà chúng được tri n khai mà không có
bất kỳ sự cố nào nếu không sự tham gia của việc tri n khai cảm biến s không có
hiệu quả. Đ duy trì tuổi thọ của mạng, lựa chọn duy nhất là sử d ng hiệu quả năng
lượng có sẵn ở mức tối đa.
1.2
ng ụng củ
ng cả
iến
ng
Trong những năm gần đây, mong muốn kết nối đã gây ra một sự gia tăng
theo cấp số trong truyền thông không dây. Các mạng dữ liệu không dây, đặc biệt đã
dẫn tới xu hướng này do sự gia tăng trao đổi dữ liệu trong các dịch v Internet như
World Wide Web, e-mail, và truyền dữ liệu. Các khả năng cần thiết đ cung cấp các
dịch v như vậy được đặc trưng bởi nhu cầu thông tin dữ liệu trong mạng ngày càng
tăng; các ứng d ng hiện đang được phát tri n, ch ng hạn như phân phối đa phương
tiện không dây trong nhà, chỉ ra rằng xu hướng này s tiếp t c phát tri n. Mạng
8
WLAN không dây cung cấp một ví d về hiện tượng này. Các ứng d ng mạng cảm
biến không dây tiềm năng khác đang tồn tại như: ki m soát và giám sát công
nghiệp; tự động hóa gia đình và điện tử tiêu dùng; an ninh và cảm biến quân sự;
theo dõi tài sản và quản lý chuỗi cung ứng; nông nghiệp thông minh và cảm biến
môi trường; giám sát sức khoẻ [2 ... Một khái quát các ứng d ng cho mạng cảm
biến không dây như sau:
1.2.1
so t v
s t
n n h p
Công nghệ mạng không dây đã chứng tỏ tiềm năng lớn cho các ứng d ng
công nghiệp, đặc biệt trong việc giám sát các dữ liệu như áp suất, độ ẩm, nhiệt độ,
dòng chảy, mức độ, độ nhớt, mật độ và độ rung. Các phép đo có th được thu thập
thông qua các đơn vị cảm biến và truyền không dây tới một hệ thống ch nh đ vận
hành và quản lý. Thông qua WSN đ theo dõi quy trình cung cấp những lợi ích lớn
so với hệ thống có dây truyền thống. Một cơ sở công nghiệp lớn, đi n hình có
ph ng điều khi n tương đối nhỏ, được bao quanh bởi một nhà máy quy mô lớn.
Ph ng điều khi n có các chỉ số và hi n thị mô tả trạng thái của nhà máy (trạng thái
van, điều kiện của thiết bị, nhiệt độ và áp suất của vật liệu lưu trữ, vv , cũng như
các thiết bị đầu vào ki m soát các bộ truyền động trong nhà máy van, l sưởi, vv)
có ảnh hưởng đến trạng thái quan sát của nhà máy [3]. Các cảm biến mô tả trạng
thái của nhà máy vật l , các màn hình trong ph ng điều khi n, các thiết bị đầu vào
điều khi n và các bộ truyền động trong nhà máy thường là t tốn kém khi so sánh
với chi phí của cáp bọc kim loại sử d ng đ liên lạc giữa chúng trong một cài đặt có
dây. Tiết kiệm chi ph đáng k có th đạt được nếu có phương tiện không dây rẻ tiền
đ cung cấp thông tin liên lạc này. Bởi vì thông tin được truyền đạt là thông tin
trạng thái, nó thường thay đổi chậm. Do đó, trong hoạt động bình thường, lượng dữ
liệu cần thiết của mạng là tương đối thấp, nhưng độ tin cậy yêu cầu của mạng là rất
cao. Một mạng cảm biến không dây của nhiều nút, cung cấp nhiều đường dẫn định
tuyến tin nhắn của giao tiếp đa chặng, có th đáp ứng các yêu cầu này.
9
H n 1 2:
ng ụng t ng c ng ng iệp
Một ví d nữa là việc sử d ng các mạng cảm biến không dây cho các ứng d ng an
toàn công nghiệp. Các mạng cảm biến không dây có th sử d ng các cảm biến đ
phát hiện các vật liệu độc hại hoặc nguy hi m, phát hiện sớm và xác định các rò rỉ
hoặc sự đổ tràn các hóa chất hoặc các tác nhân sinh học trước khi có th gây ra thiệt
hại nghiêm trọng và trước khi vật liệu có th tiếp cận con người . Bởi vì các mạng
không dây có th sử d ng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường dẫn
định tuyến, và có th tự ph c hồi và tự duy trì, chúng có th chịu đựng được khi bị
nổ hoặc các thiệt hại khác trong nhà máy công nghiệp, cung cấp cho các cơ quan
chức năng các thông tin quan trọng về tình trạng nhà máy trong điều kiện rất khó
khăn.
1.2.2 Tự độn hóa
a đình v Đ n tử tiêu dùng
Gia đình là không gian ứng d ng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây.
SmartHome là thuật ngữ đ chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng d ng toàn diện
của các thiết bị cảm biến không dây [4]. Một ứng d ng được điều khi n từ xa, một
thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân PDA có th điếu khi n TV, máy nghe DVD, dàn
âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các cánh cửa,
và các ổ khoá cũng được trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây. Với điều
khi n từ xa, trên chiếc ghế bành người ta có th ki m soát ngôi nhà với sự thoải
mái. Tuy nhiên tiềm năng hấp dẫn nhất của nó là sự kết hợp của nhiều dịch v ,
ch ng hạn như rèm cửa đóng tự động khi bật tivi, hoặc có th tự động tắt tiếng hệ
10
thống giải tr gia đình khi nhận cuộc gọi qua điện thoại. Với quy mô và máy tính cá
nhân cả hai kết nối thông qua mạng cảm biến không dây.
H n 1 3:
ng ụng t ng gi đ n
Một ứng d ng chủ yếu khác của gia đình là mở rộng t nh năng Remote Keyless
Entry (RKE) trên nhiều xe ô tô. Với mạng cảm biến không dây, khóa không dây,
cảm biến cửa và cửa sổ, và điều khi n ánh sáng không dây, chủ sở hữu nhà có th
có một thiết bị tương tự như ph m tắt với một nút. Khi nút này được nhấn, thiết bị s
khóa tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các đèn trong nhà tiết
kiệm vài đèn ban đêm , bật đèn an ninh ngoài trời, và cài đặt hệ thống điều h a
không kh HVAC trong nhà vào chế độ ngủ đêm. Người sử d ng nhận được một
tiếng bíp trấn an và ngủ ngon khi điều này được thực hiện thành công, biết rằng nhà
an toàn. Nếu một cánh cửa được mở ra, hoặc một số vấn đề khác tồn tại, một màn
hình nhỏ trên thiết bị cho thấy nguồn gốc của sự cố. Mạng WSN thậm chí có th sử
d ng một hệ thống an ninh gia đình đầy đủ đ phát hiện ra một cửa sổ bị hỏng hoặc
các rắc rối khác.
1.2.3
n n nh v qu n sự
Hệ thống an ninh không dây được mô tả cho ngôi nhà có th được tăng
cường đ sử d ng trong các ứng d ng bảo mật công nghiệp. Các hệ thống như vậy,
sử d ng các giao thức truyền thông độc quyền, đã tồn tại trong nhiều năm [5 .
Chúng có th hỗ trợ nhiều cảm biến liên quan đến an ninh công nghiệp, bao gồm
hồng ngoại, mở cửa từ, khói, và kính vỡ, và các cảm biến cho sự can thiệp trực tiếp
của con người nút báo động yêu cầu trợ giúp ngay lập tức).
11
Giống như nhiều công nghệ, một số ứng d ng được đề xuất sớm nhất của các mạng
cảm biến không dây là cho các ứng d ng quân sự [6]. Một trong những lợi ích tuyệt
vời của việc sử d ng các mạng cảm biến không dây là chúng có th được sử d ng
đ thay thế các vệ sĩ và bảo vệ xung quanh chu vi phòng thủ, giữ cho binh sĩ khỏi
nguy hi m. Bằng cách này, chúng có th ph c v cùng chức năng như các mìn sát
thương, mà không gây thiệt hại cho nhân viên liên minh trong trận chiến (hoặc dân
thường sau đó .
H n 1 4:
ng ụng t ng
n ự
Ngoài các ứng d ng phòng thủ như vậy, các mạng cảm biến không dây được tri n
khai có th được sử d ng đ định vị và xác định các m c tiêu tấn công tiềm năng và
đ hỗ trợ tấn công bằng cách tìm quân đội liên minh và xe không người lái. Chúng
có th được trang bị micrô âm thanh, cảm biến rung động địa chấn, cảm biến từ
trường, radar băng thông cực đại và các cảm biến khác [7].
1.2.4 Theo
t
s n v qu n
hu
un ứn
Theo dõi tài sản có th có nhiều hình thức. Một ví d là theo dõi các
container vận chuy n trong một cảng lớn. Các cơ sở cảng đó có th có hàng ch c
ngàn container, một số trong đó trống và xếp trong kho, trong khi các container
khác lại bị ràng buộc cho nhiều đi m đến khác nhau. Các container được xếp chồng
lên nhau, cả trên đất liền và trên tàu. Một yếu tố quan trọng trong năng suất (và lợi
nhuận) của người gửi hàng là làm thế nào hiệu quả các container có th được tổ
12
chức đ chúng có th được xử lý số lần ít nhất và với ít lỗi nhất. Ví d , điều quan
trọng là các container tiếp theo cần thiết được trên đầu của một ngăn xếp gần đó
thay vì ở dưới cùng của một ngăn xếp dài 1 km. Lỗi trong bản ghi vị trí của bất kỳ
container nào có th là thảm họa; một container bị mất có th chỉ được tìm thấy
bằng một tìm kiếm toàn diện quy mô rất lớn. Mạng cảm biến không dây có th được
sử d ng đ có lợi trong tình huống như vậy; bằng cách đặt cảm biến trên mỗi
container, vị trí của nó luôn có th được xác định.
H n 1 5:
ng ụng t
i t i ản v
ản
c
i c ng ứng
Một ứng d ng có liên quan là quản lý chuỗi cung ứng. Một mặt hàng trong một kho
hàng lớn, nhưng với vị tr ch nh xác chưa biết, thực tế bị mất vì không có sẵn đ sử
d ng hoặc bán. Điều này cho thấy sự ki m kê thiếu sót, mặc dù mặt hàng đó có mặt
trên cơ sở và làm tăng chi ph kinh doanh. Theo cách tương tự như ứng d ng theo
dõi tài sản được mô tả trước đây, mạng cảm biến không dây có th được sử d ng đ
giảm chi phí này; tuy nhiên, có th thu được lợi ích bổ sung. Trong một chuỗi phân
phối lớn, một trong những vấn đề gây khó chịu nhất đối với nhà phân phối là xác
định nhanh và chính xác vị trí của vật liệu s được bán, biết được trạng thái của toàn
bộ chuỗi cung ứng - từ nguyên liệu thông qua các thành phần đến sản phẩm cuối
cùng - có th giúp doanh nghiệp hoạt động hiệu quả hơn. V d , chuy n sản phẩm
thừa từ Ph ng X nơi bán chậm đến Ph ng Y nơi bán nhanh có th giúp một công
ty tránh mua bộ phận linh kiện đ sản xuất nhiều sản phẩm hơn cho Ph ng Y. Các
mạng cảm biến không dây được đặt dọc theo chuỗi cung ứng cho phép tất cả mọi
người trong doanh nghiệp đưa ra các quyết định tốt hơn vì có sẵn nhiều thông tin về
sản phẩm trong chuỗi cung ứng.
13
1.2.5
n
ụn n n n h p v
s t
trư n
Nông nghiệp chính xác nằm trong các lĩnh vực ứng d ng hứa hẹn nhất mà
WSN có th cung cấp một giải pháp khả thi hoặc thậm chí tối ưu đ theo d i độ ẩm,
độ ẩm, nhiệt độ v.v.. Trong nông nghiệp chính xác, nhiều thông số cần được ki m
soát. Chúng ngày càng tăng dần do sự phát tri n của công nghệ nông nghiệp. Trong
trường hợp này, mạng cảm biến không dây với phần cứng và phần mềm bổ sung là
một giải pháp hiệu quả.
H n 1 6:
ng ụng t ng n ng ng iệp
Việc sử d ng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp như là đo mưa. các
trang trại trồng trọt có quy mô diện t ch lớn, và có th nhận được mưa chỉ rải rác và
chỉ trên một số phần của trang trại. Việc tưới tiêu tốn kém chi ph , vì vậy điều quan
trọng là phải biết được những cánh đồng nào đã nhận được đủ lượng nước, do đó
việc tưới tiêu có th bỏ qua với những cánh đồng nào đã nhận đủ mưa.
ng d ng
như vậy là l tưởng cho các mạng cảm biến không dây. Số lượng dữ liệu được gửi
qua mạng có th rất thấp (ít nhất là một bit - có hoặc không - đáp ứng với câu hỏi đã
có mưa ngày hôm nay chưa? Và độ trễ tin nhắn có th theo thứ tự phút . Tuy nhiên,
chi phí phải thấp, và tiêu th điện năng phải đủ thấp đ toàn bộ mạng kéo dài suốt
mùa trồng trọt. Hệ thống cảm biến không dây có khả năng đo lường độ ẩm đất vì
mạng lưới này có th được trang bị một bộ cảm biến hóa học và sinh học. Dữ liệu
được cung cấp bởi một mạng lưới như vậy có khả năng cung cấp cho người nông
dân một cái nhìn tổng quát về độ ẩm của đất, nhiệt độ, nhu cầu về thuốc trừ sâu,
thuốc diệt cỏ và phân bón, nhận được đủ ánh nắng mặt trời và nhiều đo lường khác.
Loại ứng d ng này đặc biệt quan trọng đối với vườn nho nơi những thay đổi môi
