Đề tài tốt nghiệp Xây dựng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây

Đề tài tốt nghiệp

Xây dựng ứng dụng của
mạng cảm nhận không
dây

1




MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• Đề tài tìm hiểu và tổng quan được những nét lớn, cơ bản của mạng cảm nhận
không dây.Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm nhận không dây cũng như các
mục tiêu thực hiện của mạng cảm nhận không dây.
• Tìm hiểu tình hình ứng dụng của mạng cảm nhận không dây trên thế giới và
trong nuớc ta. Đưa ra được những ưu điểm, nhược đ
iểm của mạng cảm nhận
không dây. Tìm hiểu nhưng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây có thể
ứng dụng trng thực tiễn của nước ta . Xây dựng mô hình và đánh giá cho một
ứng dụng cụ thể trong lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản của mạng cảm nhận
không dây.

2


NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trên thế giới, mạng không dây phát triển mạnh và được chuẩn hoá thành
các loại khác nhau. Về bản chất chúng đều là mạng truyền thông không dây,
nhưng cấu hình, quy mô, mục đích sử dụng khác nhau nên chúng có những
điểm giống nhau và những điểm khác nhau. Trong số các mạng không dây,
mạng cảm nhận không dây ra đời trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao
của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử và sự chín mu
ồi trong việc hiểu biết
và làm chủ kiến thức phần mềm hệ điều hành mạng. Mỗi nút mạng trong
mạng cảm nhận không dây được xem như những hạt bụi (motes) vì kích thước
của chúng rất bé, tiêu thụ năng lượng rất ít nhưng chính chúng có thể đảm
đương chức năng nút mạng, và hơn thế, chúng còn có chức năng đo các thông
số môi trường (chức năng cảm nhận) nơ
i chúng có mặt. Lợi ích mà mạng cảm
nhận không dây đem lại là to lớn, trên thế giới đang hình thành những trào
lưu nghiên cứu, chuẩn hoá, phát triển và khai thác các ứng dụng rất đa dạng
của nó.
Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công
nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận dữ liệu, và điều khiển, tìm được
r
ất nhiều ứng dụng. Ví như đo các thông số môi trường cho nuôi trồng thuỷ
sn, dự báo cháy rừng, dự báo lũ trên các sông, theo dõi sức khỏe….
Với các nhận thức trên cùng với sự khuyến khích động viên, hướng dẫn
của Thầy giáo hướng dẫn và mong muốn được tìm hiểu, thử nghiệm ứng dụng
công nghệ mạng không dây em đã chọn đề tài “Xây dựng ứng dụng của mạng

cảm nhận không dây”
Đề tài gồm 2 chương như sau:






3
Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
Chương 2: Những ứng dụng của mạng cảm nhận không dây trên thế giới
Chương 3: Những ứng dụng của mạng cảm nhận không dây có thể ứng
dụng ở nước ta.
Chương 4: Thực nghiệm của mạng cảm nhận không dây
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.s Hòa Quang Dự đã
tận tình chỉ bảo, h
ướng dẫn và động viên em hoàn thành đề tài này. Em xin
chân thànhg cảm ơn các Thầy, Cô trong Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
đã nhiệt tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức chuyên môn và tạo điều kiện thuận
lợi để em hoàn thành đề tài này.

Hải Phòng, tháng 4 năm 2007

Nguyễn Xuân Hùng

4

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
1. Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
1.1. Định nghĩa về mạng cảm nhận không dây
Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một
mạng không dây mà các nút của nó sử dụng các vi điều khiển, cảm biến, Bộ
truyền tín hiệu sóng Radio,… với kích thước rất nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít,
tự tổ chức, giá thành thấp dùng để đo các dữ liệu và truyền thông không dây
giữa các nút trong mạng.

Hình 1.1: một mô hình của mạng cảm nhận không dây
1.2. Yêu cầu của WSN
1.2.1. Khả năng tự cấu hình
- Ưu điểm mấu chốt của WSN đó là tính dễ triển khai, để triển khai
thành công , thì khi đưa ra sử dụng các nút mạng phải có chức năng tự cấu
hình . Các nút khi được đặt vào môi trường và có thể hoạt động ngay. Một
vài nút vì một số lí do không hoạt động , để mạng tiếp tục hoạ
t động nó phải
có khả năng tự cấu hình lại, Nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc

định kỳ thực hiện cấu hình lại mạng.






5
- Việc mạng phải thực hiện cấu hình có thể do nhiều nguyên nhân khác
nhau như : càn phải thích ứng với sự thay đổi của môi trường, do khoảng cách
giữa các nút mạng bị thay đổi… Chính vì vậy việc cấu hình lại là việc cần
thiết để duy trì hoạt động của mạng.
- Để khắc phục điều này thì giải pháp tốt nhất đó là dùng kiến trúc bó
và khẳ năng tự cấu hình củ
a bó. Kiến trúc bó là kiến trúc mà các nút mạng
theo một tiêu chuẩn nào đó mà thành lập bó ( Vd các nút ở cạnh nhau có thể
được tạo thành một bó, trong mỗi bó thì có một nút đầu bó để nhận dữ liệu
gửi về từ các nút trong bó sau đó các nút đầu bó có thể gửi dữ liệu cho nhau
để chuyền về máy tính…)
1.2.2. Vấn đề tiết kiệm năng lượng
Nguồn năng lượng của các nút mạng cảm nhận không dây thường là
pin. Chính vì vậy mà ngu
ồn năng lượng này là có hạn dẫn đến việc tiết kiệm
năng lượng là yêu cầu cần thiết. Theo các nhà nghiên cứu thì mức điện tiêu
thụ trung bình của một nút mạng trong mạng cảm nhận không dây là trên dưới
50 MW
- Để đảm bảo các nút mạng có thể hoạt động được trong thời gian dài
(hàng năm) thì việc cần thiết là phải sử dụng các phần cứng tiêu thụ hết it điện
năng. Ngoài nguồn điện năng là pin thì ta có thể dùng các nguồn năng lượng
khác để có thể tiết kiệm năng lượng như: Nguồn năng lượng có thể tự tạo ra

từ môi trường hoạt động của mạng ( VD: Dùng năng lượng mặt trời, năng
lượng được tạo ra từ nhiệt … ).
- Việc sử dụng các phần mềm nhúng với các thuật toán nhằm tiết kiệm
năng lượng cũng có thể là một giải pháp hữu hiệu đối với việc tiết kiệm năng
lượng.


1.2.3. Giá thành thấp






6
Do quy mô của mạng cảm nhận không dây la rất rộng do vậy chi phí
cho mỗi nút mạng cũng ảnh hưởng tới việc chiển khai mạng. Tổng chi phí vật
tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố chủ chốt dẫn đến việc có thể chấp
nhận các công nghệ WSN. Với mộ ngân sách cố định thì việc làm giảm giá
thành trên mỗi nút sẽ làm cho khả mua thêm nhiều nút, triển khai một mạng
thu thập với m
ật độ cao hơn, và thu thập được nhiều dữ liệu hơn.
1.2.4. An toàn bảo mật dữ liệu
Mạng cảm nhận không dây thường được dùng ở ngoài môi trường,
phạm vi rộng, giao tiếp với nhau dưới dạng sóng ( sóng Radio, sóng vô
tuyến.. ) chính vì vậy mà việc khi dữ liệu gửi đi bị nhiễu là hoàn toán không
thể tránh khỏi, hay việc bất kỳ một người nào cũng có thể truy nhập vào để
lấy thông tin củ
a mạng, yêu cầu đặt ra là phải đảm bảo an toàn và bảo mật.
- Việc mã hóa thông tin để đảm bảo tính an toàn trong mạng, cần bảo đảm

cho bất kỳ người nhận được thông báo từ người gửi không bị sửa đổi thông
tin bên trong bằng bất kỳ cách nào.
- Các nút mạng trước khi truyền dữ liệu đi cần phải được mã hóa bằng các
thuật toán mã hóa như: mã hóa DES…
1.3. Các ứng dụng của WSN
Ngày nay với sự
phát triển của công nghệ cao, các mạng cảm nhận
không dây không ngừng được phát triển và được ứng dụng rất nhiều vào cuộc
sống. Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây mà chúng ta có thể thấy
rõ nhất như là:
- Điều khiển và giám sát công nghiệp.
- Nhà điều khiển tự động và điều khiển điện tiêu dùng tự động
- Thu thập thông tin trong An ninh và Quân đội






7
- Theo dõi tài sản và quản lý dây chuyền cung cấp
- Nông nghiệp và cảm nhận môi trường thông minh
- Theo dõi sức khỏe...
+ Thu thập thông tin trong An ninh và Quân đội
Việc sử dụng mạng cảm nhận không dây đầu tiên là được ứng
dụng trong quân đội. Các nút mạng cảm nhận có thể thay thế các lính gác
khi đó có thể đảm bảo an toàn cho họ. Mạng có thể sử dụng để kiểm soát
việc đột nhập bất ngờ bằng cách các nút mạng có th
ể được gắn các cảm
biến đo chấn động, đo thân nhiệt .. khi đó có thể kiểm soát được việc đột

nhập bất hợp pháp trong khi đó các nút mạng trong mạng cảm nhận không
dây là rất nhỏ do đó rễ dàng ngụy trang cho các nút mạng này ( có thể dấu
vào bụi cây, hòn đá…). Ngoài ra còn có thể dung để thay thế con người
trong các công việc nguy hiểm ( như trong hầm mỏ, nơi nhiễm phóng xạ..)
+ Nông nghiệp và cả
m nhận môi trường thông minh
Trong các trang trại thì diệm tích thường rất lớn do vậy việc
kiểm soát cây trồng cũng như điềm kiện tự nhiên của tường khu vực là khó
khăng, nhất là lượng mưa trong từng khu vực vì mỗi khu vực thường có lượng
mưa khác nhau khi đó mạng cảm nhận không dây có thể thu thập về lượng
mưa của từng khu vực.
Mạng cảm nhận không dây có thể thu th
ập dữ liệu của môi
trường sống của cây trồng, vật nuôi (độ ẩm, nhiệt độ.. ) để cho con người tìm
cách trăm sóc cây trồng, vật nuôi để đạt được năng suất cao.
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng cảm nhận không dây trên
thế giới và trong nước
1.4.1. Trên thế giới






8
Trên thế giới thì việc phát triền của mạng cảm nhận không dây đã ra
đời được một thời gian khá lâu do vậy họ đã ứng dụng vào một số lĩnh vực
trong đời sống. Không những thế mà còn nghiên cứu để phát triển thêm mạng
này kết hợp với việc công nghệ điện tử ngày càng phát triển với giá thành
ngày càng thấp. Việc phát triển mạng cảm nhận không dây điược nghi lạ

i với
những mốc quan trọng nhu sau:
• Tương ứng với sự phát triên và mở rộng của hệ thống truyền thông
không dây sự phát triển cuả mạng cảm nhận không dây bắt đầu từ 1978 khi
DARPA tài trợ cho Sensor Nets Workshop trường đại học Mellon Pittsburgh,
Pennsylvania theo yêu cầu cảu hệ thống giám sát quân đội.
• Tiếp đó 1990 dự án SensIT. 1998 tiêu điểm về mạng không dây cho hệ
thống cảm biến quân đội phân tán tổ
ng số 29 dự án nghiên cứu 25 cơ quan
được cấp vốn dưới dự án này.
• 1993 Trường DDH California Los Angeles hợp tác với trung tâm
Rock well đã có một mạng tích hợp cảm biến không dây Wireless Intergate
Network Sensor (WINS) và được thương mại hóa thành công ty Sensonia –
California 1998.
• Jan M. Rabaey DDH California bắt đầu chương trình PicoRadio.
Dựa trên những nghiên cứu đó kể từ đây hàng loạt các nghiên cứu , dự án về
phát triển mạng cảm nhận không dây ra đời ;
• MAMPS là chương trình do Principal Investigator Anantha
Chandrakasan –viện công nghệ
Massachusetts tập trung vào sự phát triển
của một hệ thống đầy đủ mạng cảm biến không dây nhấn mạnh việc tiêt kiệm
năng lượng : và giao thức truyền thông cho magnj cảm biến này đó là phân
cấp xếp nhóm Adaptive năng lượng thấp LEACH.






9

• Dự án Terminodes và mạng di động đặc biệt MANET của IETF –
Intenet Engineering Task Force với mức tiêu thụ điện thấp, vấn đề địa chỉ và
lộ trình trong mạng cảm nhận không dây với các nút mạng lưu động.
• Mạng không gian sâu và âm thanh dưới nước ,với những đặc tính
phạm vi rộng, truyền dữ liệu bằng mạng Radio.
Mạng cảm nhận không dây là chìa khóa để thu thập thông tin cần thiết qua
những môi tr
ường nhạy cảm, cho dù trong những tòa nhà, những nơi công
cộng, khu công nghiệp, tàu thuyền, các hệ thống chuyên chở tự động hay bất
cứ nơi nào khác. Mạng không dây làm tăng khả năng trao đổi dữ liệu. Sự phát
triển mạnh mẽ của công nghệ liên quan, các nhà kinh doanh đã đưa ra các bộ
cảm ứng sẵn có nhiều loại mà phù hợp cho các ứng dụng của mạng cảm nhận
không dây với các chuẩn được
đưa ra:
+ 802.11 Wireless Local Area Netwrok.
+ Bluetooth 1. (802.15.1)
+ Home RF (Radio Frequency)
+ 802.15.4 WPAN :chuẩn với những cải tiến vượt bậc : sự phức tạp
thấp, giá và năng lượng tiêu thụ thấp, ổn định, uyển chuyển. được phê chuẩn
tháng 5 năm 2003.
Như vậy với nhu cầu trao đổi thông tin của xã hội cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của các công nghệ liên quan mà mà mạng cảm nhận không dây
được phát triển mạnh mẽ và đ
ang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống.



1.4.2 Ở trong nước

10
Ở nước ta bài toán tự động hoá đang được đặt ra cho mọi lĩnh vực kinh
tế, quốc phòng...nhằm nâng cao hiệu quả công việc,tiến kịp trình độ chung
của khu vực và thế giới .
Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công
nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận dữ liệu, và điều khiển, tìm được
rất nhiều ứng dụng. Ví như đo các thông số môi trường dự báo thời tiết, cho
nuôi trồng thuỷ sản, dự báo cháy rừng, dự báo lũ trên các sông, …
Mới bắt đầu nghiên cứu và chưa có ứng dụng cụ thể nào .Do Những điều
kiện về vật chất, thiết bị, cũng như đây là một vấn đề rất mới đối với nước ta,
nên hiện dang fch
ỉ có một vài trung tâm khoa hoc công nghệ lớn dang quá
trình nghiên cứu: Trung tâm thông tin KH& CN quốc gia, Hội đồng khoa học
trường đại học công nghệ đại hoc Quốc Gia Hà Nội: Nghiên cứu về lý thuyết,
truyền thông giữa 2 nút, truyền thông tuyến tính đa bước để đo một số thông
số cơ bản: nhiệt độ, độ ẩm, quang...Nhận rõ sức mạng ứng dụng thực tế của
WSN , hi vọng trong tương lai gần WSN sẽ không ng
ừng được mở rộng
nghiên cứu,và ứng dụng rộng rãi trong nước.
1.5. Kiến trúc
1.5.1. Kiến trúc mạng
Do việc ứng dụng trong thực tế mà kiến trúc của mạng thường hay
dùng là dạng hình cây, dạng tuyến tính và Kiến trúc mạng dạng bó.
1.5.1.1. Kiến trúc mạng dạng tuyến tính
Mạng cảm nhận không dây sử dụng kiến trúc dạng tuyến tính thì trong
mạng gồm có các thành phần sau: Nút gốc, nút trung gian và nút cảm biến.

11

Hình 1.2: Kiến trúc mạng dạng tuyến tính
- Ưu điểm của
+ Lập trình hoạt động cho các nút mạng đơn giản ( Dễ dàng
trong việc tìm đường đi ).
+ Dễ kiểm soát các nút trong mạng
+ Mạng có thể phát triển theo chiều dài tốt
- Nhược điểm
+ Phạm vi của mạng không lớn.
+ Việc phát triển mạng theo chiều rộng là khó.
1.5.1.2. Kiến trúc mạng dạng hình cây
Trong mạng này gồm có các thành phần: Nút gố
c là nới tiếp nhận toàn
bộ dữ liệu thu thập được trong mạng để chuyển đến người dùng, nút cảm
nhận là nơi thu thập thông tin( nhiệt độ, độ ẩm… ) .
: Nút gốc

: Nút trung gían

: Nút cảm ứng

12

Hình 1.3: Kiến trúc mạng dạng hình cây
- Ưu điểm
+ Quy mô của mạng rộng
- Nhược điểm
+ Việc lập trình cho các nút mạng này là khó khăn ( do việc phân
bố cảu cà nút là rộng do vậy thì các nút cần phải thay nhau làm nút gốc của
nhánh để tiết kiếm năng lượng.
+ Số lượng nút là lớn và ở trên diện rộng do vậy việc kiểm soát
các nút mạng là khó khăn.
Trong trường hợp nếu muốn m
ở rộng mạng này theo chiều dày thì có
thể kết hợp cả kiến trúc mạng hình cây và kiến trúc mạng dạng tuyến tính.
Trong trường hợp này thì các nút cảm ứng không truyền dữ liệu trực tiếp về
nút gốc mà phải truyền qua các nút trung gian.



: Nút Gốc

: Nút cảm nhận

13






Hình 1.4: Kiến trúc mạng dạng kết hợp
1.5.1.3. Kiến trúc mạng dạng bó (linked cluster architecture_LCA)
Nhóm các nút vào trong các bó, tập hợp dữ liệu và đánh dấu một nút
giữ vai trò truyền thông với trạm gốc

Hình 1.5 : Kiến trúc mạng dạng bó
Trong mạng tổ chức thành một tập hợp của những bó các nút, mỗi nút
thuộc về ít nhất một bó. Mỗi bó có tiều đề bó hành động như một đ
iều khiển
cục bộ cho những nút bên trong bó. Những cổng vào của các nút cung cấp
truyền thông giữa các bó.
- Ưu điểm: Quy mô của mạng rộng nhất. năng lượng tiêu thụ của các
nút mạng là ít nhất trừ nút đầu bó ( do các nút trong bó chỉ phải gửi dữ liệu
đến các nút đầu bó không phải gửi dữ liệu đi xa )






14
- Nhược điểm: Nếu nút đầu bó ngưng hoạt động thì các nút trong bó

cũng sẽ bị ngưng hoạt động trừ khi các nút có sử dụng giải thuật chọn lại nút
đầu bó. Việc lập trình cho kiến trúc dạng bó là hết sức phức tạp nhất là trong
trường hợp chọn lại nút đầu bó.
1.5.2. Kiến trúc một nút mạng ( nút mạng CC1010 )
Ứng dụng của mỗi nút mạng là thu thập thông tin dữ liệu, các thông tin
có thể là nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất độ PH,…trong văn phòng, nhà
xưởng, hầm mỏ, viện bảo tàng, trong nông nghiệp, trong y tế, trong công
nghiệp, …WSN còn có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn môi
trường hoặc định vị sự di chuyển của các đối tượng trong phạm vi của nó
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại vi điều khiển,có thể chia thành 3 họ vi
điều khiển chính như sau:
• Họ
vi điều khiển MSP430
• Họ vi điều khiển ATMEGA
• Họ vi điều khiển CC1010
Nhưng dựa trên các tiêu chí :
-Tiêu thụ năng lượng thấp
-Giá thành rẻ
-Tích hợp ADC có khả năng ghép nối với cảm biến
-Kích thước vật lý nhỏ
-Hỗ trợ lập trình các ngôn ngữ bậc cao,bậc trung,gỡ lỗi…
Vi điều khiển CC1010 được lựa chọn làm nút mạng vì đ
áp ứng được gần
như đầy đủ các tiêu chí 1 vi điều khiển của mạng cảm nhận không dây.
CC1010 được tích hợp nhiều các tính năng phục vụ cho các ứng dụng
không dây như bộ truyền - nhận vô vuyến, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ lập trình
Flash, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp... Vì vậy CC1010 chỉ cần đến
ít các thành phần phụ trợ khác để có thể trở
thành một nút mạng của mạng

15
cảm nhận không dây. Do đó chip CC1010 là một bộ vi xử lí thích hợp cho các
ứng dụng truyền nhận không dây. Sau đây là các đặc điểm nổi bật của
CC1010, các chế độ hoạt động và cách thức xây dựng mô hình mạng cảm
nhận không dây sử dụng CC1010.
1.5.1.1. Đặc điểm chung của CC1010
Vi điều khiển CC1010 chứa nhân CPU 8051, được tích hợp với
bộ thu phát sóng vô tuyến, cùng các thành phần phụ trợ khác và có mức tiêu
thụ
năng lượng thấp, đã được lựa chọn để xây dựng nút mạng. Các thành phần
trong CC1010 và đặc tính của chúng như sau:
• Lõi là vi điều khiển 8051.
• Tốc độ xử lý bằng 2.5 lần vi điều khiển 8051 chuẩn.
• 32 kB flash, 2048 + 128 Byte SRAM.
• 3 kênh ADC 10 bit.
• 4 bộ định thời.
• 2 cổng UART, RTC.
• Watchdog.
• Giao diện lập trình SPI.
• Bộ mã hóa DES tích hợp bên trong.
• 26 chân vào ra chung.
•
Nguồn cung cấp 2.7 - 3.6 V.
• Bộ thu phát sóng vô tuyến 300-1000MHz.
• Tiêu thụ dòng thấp (9.1 mA trong chế độ thu).

• Công suất phát có thể lập trình được (có thể lên tới +10dBm).
• Tốc độ thu phát dữ liệu lên tới 76.8 kbit/s.







16

Hình 1.5: cấu tạo của một nút mạng dùng CC1010


Hình 1.6: cấu tạo của một bảng mạch để kết nối giữa CC1010 với máy tính










17
CHƯƠNG 2
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM NHẬN
KHÔNG DÂY TRÊN THẾ GIỚI
2.1. Cấu trúc của mạng wsn

Mạng cảm nhận không dây bao gồm các thành phần cơ bản sau:
1. Cảm biến ( sensor ) : Là thiết bị vật lý để đo các thông số của môi
trường được truyền thông qua sóng vô tuyến. Nó gồm 5 thành phần: Phần
cứng cảm nhận, bộ nhớ, nguồn pin, vi sử lý được lập trình nhúng, thiết bị thu.
2. Người dùng: Là người cuối cùng nhận được thông tin của mạng cảm
nhận gử
i lại, Người dùng là người yêu cầu mạng thu thập thông tin gì và nhận
đựơc kết quả của những thông tin đó. Trong một mạng cảm nhận thì có thể có
nhiều nguời dùng cuối.
2.2. Một số ứng dụng mạng cảm nhận không dây ở nứớc ngoài.
Trong các ứng dụng sau đây chúng ta sẽ sử dụng những cảm biến thông
minh. Chúng không phải là những cảm biến bình thường mà là nhữn cảm biến
r
ất nhỏ ( Được chế tạo bàng công nghê nano ) được kết hợp với các mạnh
điện. Được sử dụng trong ứng dụng đo lượng gluco và để khôi phục hình
võng mạc. Những thiết bị yêu cầu trong các ứng dụng này là : Máy tính được
dùng để nhận dữ liệu qua mạn không dây. Và các cảm biến thông minh.
2.2.1. Võng mạc nhân tạo
Trong phần này chúng tôi muốn nói đến các ứng dụng của mạn cảm
nhận không dây cũng nh
ư các cảm biến thông minh dùng trong lĩnh vực y tế
đó là võng mạc nhân tạo. Trong các cảm biến này cần phải có các đầu cảm
nhận ánh sáng. Trong đây chúng tôi sử dụng các cảm biến thông minh được
đặt trong võng mạc và những dự án vimo của trường đại học Wayne và viện
mắt Kresge . Mục đích của ứng dụng này để tạo ra các võng mạc nhân tạo

18
giúp nhữn người mất khả năng quan sát hay những người khiếm thị có thể
nhìn thấy với một mức độ cho phép.
Trong dây sử dụng các cảm biến thông minh được đặt vào mắt 100
cảm biến rất nhỏ. Chún tôi đã xây dựng được một hệ thồn bên ngoài để
thử võng mạc ( Hình 2.1 đã miêu tả được cấu tạo cơ bản của một mảng )
Cảm biến thông minh gồ
m có 2 thành phần: Một mạc tổ hợp
và một mảng các cảm biến. Mạch tổ hợp bao gồm một bộ chíp đa hợp.
với nhiều đường truyền thông tin giữa các chíp, dòn kện, dữ liệu được
truyền giữa nhau trên tầm số 40 KHz, với những sữ chuyển đổi và những
mạch chíp để hỗ trợ 10x10 lưới liên kết. Mạch có 2 khă năng truyền và
nhận dữ
liệu. Mạch được chế tạo bằng nhôm trên bề mặt được gắn các
cảm biến. Ở đây đã sử dụng song một kỹ thuật gọi là kỹ thuật liên kết
dính, đặt một chất dính lên chíp cho phép những cảm biến được gắn chặt
với chíp. Với mỗi cảm biến dược định vị trên một bề mặt đầu dò. Bên trên
bề mặt trừ nh
ữn vùng đầu dõ được phủ lên một chất hoat tính sinh học.
Các cảm biến tạo lên 10x10 mảng điện cực. Khoảng các giữa các cảm
biến là 70 micrômet. Các cảm biến một đầu là hình chữ nhật và một đầu
là hình thoi với kết thúc là một điểm để cho phép sự tiếp súc giữa mạng
cảm biến và võng mã không xẩy ra được việ bị dục võng mạc.

19

Hình 2.1: sự Minh họa (của) Mảng cảm biến thông minh

Các cảm biến và các mạch được đặt trong mắt như Hình 2. Không
giống một số hệ thống khác mà đã được đề xướng, những cảm biến khôn
khéo này được đặt ở trên võng mạc và đủ nhỏ và đủ nhẹ để được giữ đúng
chỗ với một cách tương đối lực nhỏ. Những cảm biế
n này sản xuất những
tín hiệu điện mà được chuyển đổi bởi màng mỏng nằm bên dưới và bên
trong một sự đáp lại hóa học, tương tự nhữn hành vi vận dụng bình
thường võng mạc từ những kích thích nhẹ. Sự đáp lại số thực chất sản
xuất truyền thông tuần tự số học. Một thiết kế tương tự là hiện thân được
dùng một mô cấy vỏ não. Mặc dù để cách giữa hai khoảng cách lớn hơn
để phù hợp với để cách đang gia tăng giữa hạch trong vỏ trực quan. Như
khi đưa vào Hình 2.2, chính diện của võng mạc trong sự tiếp xúc với
mảng cảm biến nhỏ. Cạnh sau của võng mạc bị kích thích điện (qua một
phục hình võng mạc nhân tạo) bởi những cảm biến trên chíp cảm biến
thông minh. Nh
ững tín hiệu điện này được chuyển đổi vào trong hóa chất






20
những tín hiệu bởi hạch và khác nằm ở dưới những cấu trúc vải mỏng và
sự đáp lại được mang qua thần kinh thị giác tới não.
Sự truyền Tín hiệu từ những cảm biến thông minh ghi khắc trong

mắt những hình ảnh đồng dạng với hướng ngược. Kết quả thần kinh nhận
những tín hiệu từ những kích thích được nhặt lên bởi cảm biế
n ,tín hiệu và
cường độ tương đối có thể được truyền ra khỏi cảm biến thông minh. Dần
dần. mảng cảm biến sẽ được sử dụng cho cả sự tiếp nhận lẫn sự truyền ở
một sự phản hồi hệ thống và kinh niên cấy bên trong mắt. Dù mảng cảm
biến và điện tử có liên hệ đã được phát triển, thách thức tại
điểm này là
kết nối mạng không dây của cảm biến này với một bộ phận xử lý ngoài để
xử lý những tín hiệu phức tạp để gửi tới mảng.
Từ những lý do để cho thông tin phát ra khỏi võng mạc có lẽ ít hiển
nhiên hơn. Mục đích của điều đảo ngược luồng dữ liệu sẽ xác định ánh xạ
giữa những ảnh đầu vào và tín hi
ệu thần kinh kết quả mà cho phép chúng
ta nhìn thấy hình. Hiện thời, ánh xạ thực tế từ đầu vào ảnh đến não thì
chưa được hiểu cẩn thận.

Hình 2.2: Định vị của Cảm biến thông minh bên trong Mắt







21
Những cảm biến với một hệ thống xử lý ngoài là một khía cạnh cơ sở
của việc thực thi tiềm năng của một võng mạc nhân tạo. Trong chẩn đoán và
những thao tác cứu chữa cũng sẽ yêu cầu sự truyền của dữ liệu từ mảng cảm
biến đến một máy tính chủ đặt bên ngoài. Những yêu cầu này ngoài chức

năng bình thường (ủa thi
ết bị, mà truyền thông không dây sử dụng từ một
camêra nhúng trong một kính đeo mắt vào trong cảm biến thông minh.
Hình 3.3 miêu tả những bước xử lý từ sự tiếp nhận ảnh ngoài đến sự truyền
tới võng mạc. Một camêra được lên trên Một khung kính đeo mắt đã có thể
định hướng sự gửi ra tới một thời gian thực làm cho sự giảm dữ liệu và xử lý
nó ( Chẳng hạn., Sự
nhận dạng cạnh ). Camêra được kết hợp với một con trỏ
laze tự động lập mã ảnh kết quả vào trong một khuôn dạng gọn rồi truyền
theo sóng vô tuyến vào trong để giải mã bởi những chíp. Cài đặt trong Hình
3 cho thấy một thiết bị thu phát không dây mà bên trong thân thể, nhưng
không phải bên trong võng mạc. Ngoài mục đích nghiên cứu cuối cùng sẽ
hỗ trợ một mảng 1600 chíp cảm biến thông minh, từng cái với m
ột 25 x 25
lưới điện cực. Theo chức năng, những mảng điện cực bên trong trung tâm
của điểm võng mạc sẽ phải khuyến khích võng mạc khác nhau so với ngoại
biên được đặt những mảng điện cực, mỗi cảm biến thông minh được sẽ có
được kết hợp với những cảm biến thông minh khác dựa vào một giải thuật
xử lý ảnh được thiế
t kế để kiểm soát một sự chết của cảm biên thông minh
những mảng, mỗi bản in rời gửi đầu vào cho những vùng võng mạc theo
chức năng khác nhau.Tại màn hình sử dụng thị giác ngoại vi, từ đó võng
mạc ngoại vi có quyết định thời gian tốt hơn hơn.
2.2.1.1. Mạng và xử lý những yêu cầu cảu mạng
Trong mục này, những yêu cầu chức năng của hệ
thống được mô tả
cùng với một số tùy chọn thiết kế. Đề xuất những giải pháp được thúc đẩy
bởi những yêu cầu này. Trong mệnh lệnh để đạt được khi hình dung chức
năng, thông tin hai chiều sẽ được cần giữa một máy tính ngoài và xác định

22
phải chăng ảnh mong muốn được " nhìn thấy " bằng cách cấy vào nhữn cảm
biến trong vỏ não xẽ cho chúng ta thấy được bệnh nhân đã thấy nhữ gì.
'Chúng tôi cũng cần thông tin hai chiều với mô cấy thuộc võng mạc sao cho
Chúng tôi có thể xác định mà những cảm biến trong võng mạc là sự vận dụng
như được chờ đợi. Không kể đầu vào từ camêra, chúng tôi cũng cần khả năng
cung cấp
đầu vào trực tiếp tới mô cấy võng mạc để xác định nếu bệnh nhân
nhìn thấy cái gì được chờ đợi từ mẫu đầu vào đó. Kế hoạch sẽ dùng tới một
mảng 25 x 25 cảm biến khôn khéo trên một chíp đơn cho sự cấy ghép võng
mạc con người. Như sự khảo sát tiến triển, nhiều những chíp này sẽ được
chèn cho một hệ thống cuối cùng 1000 x 1000 mảng cảm biến ( 40 x 40
m
ảng của những chíp, nơi mỗi chíp có một 25 x 25 mảng cảm biến).Tạo
một đoạn xấp xỉ 200 250 ms. Bởi vậy, sự xử lý sẽ được thực hiện định kỳ
xử lý vào một vòng là 200- 250 ms. Từ đây, dữ liệu sẽ đưựơc truyền bốn
hay năm lần trên giây.

Hinh 2.3: những bước xử lý dự án phục hình võng mạc
Sau khi xem xét tất cả các nhân tố , thì ứng dụ
ng của chúng tôi có thể
được triển khai trong thực tế, bằng việc dùng những cảm biến đủ nhỏ với việc
truyền nhận bằng sóng vô tuyến để không gây ảnh hưởng đến con người.

2.2.2. Theo dõi mức Glucoza

23
Học viện Quốc gia (NIH) của Viện Sức khỏe Quốc gia Mỹ về Bệnh
đái đường và những bệnh về Tiêu hóa và nhữn báo cáo về các bệnh về
thận 15.7 triệu người – 5.9% dân cư Mỹ mắc bệnh đái đường vào 1999 .
Những sự phức tạp mà xuất hiện từ bệnh đái đường bao gồm bệnh tim,
đột quỵ, cao huyết áp, bệnh về thận… Nhữn că
n bệnh này là một trong 7
nguyên nhân hàng đầu gây tử vong ở mỹ, rõ ràng rằng đây là một bệnh mà
cần sự chú ý nghiêm túc . Sự điều trị bệnh đái đường bao gồm một chế độ
sinh hoạt chính xác : sự ăn kiêng, bài tập, và theo dõi nồng độ đường
trong máu mọi lúc mọi nơi. Khi đó mạng cảm nhận không dây dùng nhữn
cảm biến thông có thể chu cấp một cách có hiệu quả hơn tới việ
c theo dõi
bệnh đái đường i, bằng việc cung cấp một phương pháp chắc chắn, chính
xác, và ít ảnh hưởng tới con nguời hơn để theo dõi những mức Glucoza.
Hiện thời, theo dõi những mức Glucoza máu, người ta sẽ phải dùng các
thử máu bằng cách lấy máu trên các đầu ngón tay mà trong khi đó việc
theo dõi này cần được thực hiện liên tục khi đó nó sẽ ngây ảnh hưởng tới
bệnh nhân. Mạng cảm nhận không dây sẽ có thể kh
ắc phục được điều này
cùng với việc sử dụng các cảm biến thông minh. Cảm biến theo dõi những
mức Glucoza và truyền những kết quả tới một màn hình hiển thị.Các cảm
biến được làm rất nhỏ rùi đưa vào mạch máu của con người nó sẽ đo được
nồng độ Glucoza chính sác hơn và đểu đặn hơn.

2.2.3 Dò tìm ung thư
Ung thư là một trong nhữ nguyên nhân dẫn đến cái ch
ết trong Chúng
ta, với 563,100 người tử vong do ung thư được báo cáo vào 1999. Hiện thời
9 triệu người đã chẩn đoán có thể ung thư, với 1, 221, 800 trường hợp mới
được chẩn đoán vào 1999. Mà hiện tại việc chữa trị bệnh ung thư khi đã tái
phát là rất khó mà gần như là không thể. Chính vì vậy việc phát hiện sớm
là chìa khóa để cứu sống những người bị ung. Những cảm biến thông minh
Không dây có thể
đóng góp một vai trò chìa khóa trong sự dò tìm sớm đó.






24
Những sự nghiên cứu đã hiện ra mà những tế bào ung thư có ảnh hưởng
đến luồng máu trong vùng bị bao vây một khối u . Một cảm biến với khả
năng để phát hiện ra những sự thay đổi này trong luồng máu có thể được
đặt trong những vị trí khả nghi. Cách này là một cách đặc biệt hữu ích cho
những người người mà có một lịch sử gia đình có nhiều ngừoi bị ung thư,
tiề
m ẩn ung thư cao. Nghiên cứu đang cũng được chỉ đạo trên việc đặt
những cảm biến trên một cái kim, Khi đó công việc của nhữ thầy thuốc khi
chữa bệnh sẽ đơn giản hơn và khả năng cứu chữa cao hơn. Những cảm biến
được dùng trong thiết bị này có khả năng để phân biệt giữa nhữn tế bào
bình thường và những tế bào bị ung thư
.
2.2.4. Theo dõi sức khỏe toàn diện

Mạng cảm nhận không dây với những cảm biến thông minh đã được
sử dụng để theo dõi sức khỏe của con nguời bằng cách đưa vào trong cơ thể
qua đuờng tiêu hóa. Các nhân viên của NASA làm việc ngoài không gian
với những điều kiện khác hẳn trên trái đất khi đó mạng cảm nhận không
dây sẽ được dùng để theo dõi sức khỏe của họ trong điều ki
ện ngoài không
gian để gửi về trung tâm sử lý trên mặt đất . Nuốt một viên chứa một cảm
biến thông minh có thể gửi cho chúng ta thông tin về độ axit đường ruột, sức
ép, hay những sự làm giảm bớt của)cơ trơn cho phép những bác sỹ tốt hơn
hơn chẩn đoán những bệnh dạ dày-ruột non trong một thái độ không tiếp cận
được với những người đó.



CHƯƠNG 3