Tài liệu Cấu trúc mạng cảm biến không dây pptx

Cấu trúc mạng cảm biến không dây
\
Khi c
ảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và đi vào các ứng dụng
thực tế, thì mạng cảm biến cũng bắt đầu mở rộng hơn. Một câu hỏi đặt ra là:
Làm th
ế nào để thích nghi các cấu trúc mạng truyền thống với các phương
tiện liên lạc mới hiện nay? Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu về một số cấu
trúc mạng đã, đang và sẽ được sử dụng cho mạng cảm biến.
Sự phát triển của các loại công nghệ mạng đã mau chóng thúc ép cảm biến
đi t
ìm những giải pháp thay thế mới có giá thành thấp, độ phức tạp giảm và
độ tin cậy tăng. Những kiến trúc mạng cảm biến trước đây sử dụng loại dây
đôi xoắn bọc kim đơn giản cho mỗi cảm biến. Tiếp đến, các bus đa điểm
(như Ethernet) được sử dụng. V
à giờ đây chúng ta bắt đầu nhìn thấy tiềm
năng thực sự của kiến trúc mạng dựa tr
ên nền tảng web (như World Wide
Web) sẽ được đưa vào nhà máy.
Khi cảm biến không dây trở thành thương phẩm quen thuộc trên thị trường
thì việc lựa chọn giữa các loại cảm biến và kiểu mạng mới và cũ làm đau
đầu các chuy
ên gia và làm cho họ phải xem xét lại những chiến lược xây
dựng kiến trúc mạng mà trước đây đã từng bị gạt sang một bên. Sau đây,
chúng ta cùng tìm hi
ểu về 3 kiểu mạng cơ bản sử dụng cho cảm biến (kiểu
mạng điểm - điểm, đa điểm và mạng web - một kiểu mạng của tương lai),
đánh giá sức mạnh và điểm yếu của mỗi kiểu mạng v
à quy luật bị xoay
chuyển như thế nào khi hệ thống không dây đi vào ứng dụng.
Bên cạnh đó, để xây dựng được một mạng cảm biến khả dụng, cũng phải xét

đến việc tích hợp phần cứng v
à phần mềm từ nhiều nhà cung cấp thiết bị. Đi
kèm theo đó là những vấn đề về giao thức v
à các chuẩn đã có và sẽ có cho
cảm biến. Chúng là yếu tố đảm bảo sự tương thông trong nhà máy.
Cấu trúc mạng điểm-điểm
Trên lý thuyết, kiểu mạng này là an toàn nhất vì chỉ có 1 điểm trong mạng
có khả năng xảy ra sự cố, đó là điểm mạng chủ hay còn gọi là host (hình 1).
Để nâng cao khả năng của hệ thống mạng chỉ cần bổ sung thêm 1 host dự
phòng. Tuy nhiên, việc nối dây 2 host lại là vấn đề đáng bàn. Một số cấu
trúc mạng này hỗ trợ tín hiệu điều biến tần (FM - frequency modulated) cho
dây d
ẫn để truyền tải tín hiệu của nhiều cảm biến trên các kênh FM riêng
bi
ệt. Một số chuẩn (như HART bus) hỗ trợ đường truyền tín hiệu số song
công cho những đường truyền tín hiệu analog sẵn có trong một số nhà máy
công ngh
ệ cũ. Kiểu kiến trúc như vậy xóa nhòa danh giới khác biệt giữa cấu
trúc mạng điểm-điểm và cấu trúc mạng đa điểm.
Những kiểu mạng không dây đầu tiên sử dụng tín hiệu tần số radio (RF -
Radio Frequency) đơn giản cho cấu trúc mạng điểm-điểm. Cấu trúc mạng
nảy sử dụng modem RF ở 2 đầu mạng. Một cái đặt tại đầu phát làm nhiệm
vụ chuyển tín hiệu RS-232 thành tín hiệu radio và cái còn lại đặt tại đầu
nhận làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu về trạng thái vốn dĩ của nó. Fluke
(Everett, Washington) đ
ã phát triển một loại vôn kế số có thể nhận tín hiệu
điện áp v
à truyền đi qua một kênh tần số radio chuyên biệt. Tuy nhiên, cách
này b
ị nghi ngờ về độ tin cậy vì thiết bị này được thiết kế cho những tín hiệu

FM mã hóa đơn giản. Còn trong môi trường nhà máy, các yếu tố gây nhiễu
có thể làm giảm đáng kể chất lượng của tín hiệu, do vậy mạng trở nên không
đáng tin cậy, trừ khi nó được chăm sóc rất chu đáo.
Kiểu mạng LAN không dây cũng được sử dụng trong cấu trúc mạng này
nhưng nó chỉ tỏ ra hợp với môi trường văn phòng hơn là sàn máy. Những
nhà thiết kế sử dụng hệ thống thu thập dữ liệu từ xa kết hợp với cấu trúc
mạng này bằng cách dùng bộ gom dữ liệu và đẩy dữ liệu này tới bộ truyền
tín hiệu radio để truyền tới host, tại đây, tín hiệu sẽ được đưa trở về hình hài
ban đầu vốn có của nó.
Cấu trúc mạng đa điểm
Những cấu trúc mạng đa điểm bắt đấu xuất hiện vào cuối những năm 70, đầu
80 (thế kỷ XX). Một trong số đó là Modbus của Modicon (Cty Schneider) đã
m
ở đường vào môi trường công nghiệp. Modbus ra đời tiếp sau một số bus
mở và bus độc quyền như Qbus và VMEbus.
Sự ra đời của cảm biến thông minh và vi máy tính chịu được môi trường
công nghiệp đã làm thay đổi mạnh mẽ bối cảnh của mạng cảm biến. Cấu
trúc mạng đa điểm đã giảm đáng kế lượng dây dẫn nối các thiết bị hiện
trường với host. Nhưng vẫn còn một điểm dễ bị tổn thương đối với kiểu
mạng này đó là cáp nối. Nhiều nhà cung cấp giới thiệu các giải pháp nối dây
dự phòng, nhưng rốt cuộc chúng chỉ làm phức tạp thêm (hình 2).
Khi c
ấu trúc mạng đa điểm được chấp nhận, thì lại nảy sinh vấn đề số hóa
dữ liệu. Với cấu trúc mạng điểm-điểm thì số hóa dữ liệu được thực thi ngay
tại host, mỗi host có một đồng hồ đo thời gian thu thập tín hiệu analog từ các
cảm biến. Còn với kiểu mạng đa điểm được trang bị trí tuệ nhân tạo phân tán
thì vấn đề đồng bộ hóa các đồng hồ trở nên rất quan trọng trong một số ứng
dụng. Sự ra đời của Ethernet vào giữa những năm 80 là cột mốc của sự
chuẩn hóa. Nhiều công ty đồng thuận rằng, tương lai của của mạng phụ
thuộc vào một chuẩn kết nối mở cho phép nhiều nhà thiết kế hệ thống hợp

tác cùng nhau, giảm thiểu rào cản khó khăn ngăn cách. Giờ đây, hầu hết các
nhà máy đ
ã chuyển sang dùng Ethernet vì cả giá thành và khả năng của nó
mang lại.
Hệ thống mạng không dây sử dụng chung những giao thức cho cấu trúc
mạng đa điểm, tức là mô phỏng kiểu mạng nối dây cứng với các điểm truyền
RF. Chuẩn IEEE-802.11 là chuẩn không dây đầu tiên hứa hẹn đưa tính kết
nối tương thông của Ethernet và mạng không dây. Tuy nhiên, vẫn có nhiều
vấn đề về tương thích nếu đưa tín hiệu truyền qua không khí.
Cấu trúc mạng web
Sự hứa hẹn của cấu trúc mạng web (khi tất cả các nút luôn trong trạng thái
kết nối) vẫn phải đợi đến khi các nhà cung cấp phát triển một giải pháp kết
nối các nút mạng mà không cần dây dẫn. Đối với một mạng nối dây, nếu
mạng quá lớn thì việc nối dây dường như trở nên bất khả thi (hình 3). Còn
ki
ểu mạng nối dây theo đường dây điện thoại luôn có tính kết nối cao ở mọi
nơi, mọi lúc, nhưng tốc độ của
nó thì lại quá chậm.
Còn đối với kiểu mạng với web thì mọi thứ đều có thể. Lợi ích của việc kết
nối mạng cảm biến với web càng trở nên rõ ràng hơn khi mà mức độ thông
minh trong mỗi cảm biến đang tăng lên. Những dãy cảm biến hoạt hoạt động
phối hợp với nhau có thể tạo nên những cấu hình tạm thời có những tính
năng thay thế cho host. Một kiểu mạng tự host, rồi tiến đến tự cấu h
ình và
cu
ối cùng, sau nhiều năm nữa, có thể chúng ta sẽ được thấy một kiểu mạng
tự nhận biết. Tuy nhiên, để làm được điều này thì còn nhiều vấn đề tồn tại
như kích cỡ của pin và lượng điện năng mạng ti
êu thụ, sự ổn định trong quá
trình truyền dữ liệu và thuật toán ưu tiên truyền dữ liệu.

Trong một mạng kết nối web không dây, từng nút mạng luôn trong trạng thái
kết nối (xét về mặt vật lý) với các nút mạng khác trong cùng mạng. Mạng sẽ
được cấu h
ình ra sao ở những khoảng cách khác nhau sẽ phụ thuộc vào vấn
đề phần mềm được cấu h
ình như thế nào. Trong kiểu mạng CDMA, tín hiệu
radio có thể nhận từ tất cả mọi kênh cùng lúc. Hình 4 và 5 miêu tả 2 giải
pháp đơn giản nhất sử dụng bộ nhận dữ liệu dựa tr
ên dựa trên mạng CDMA.
Kiểu kiến trúc theo như hình 4 đòi hỏi một bộ mã hóa riêng cho mỗi kênh.
Và c
ũng đòi hỏi phần cứng dành riêng cho mỗi kênh, mặc dù trong thời
điểm n
ày là không quan trọng nhưng sẽ cần thiết vào một thời điểm nào đó.
Mô hình trong hình 5 đưa ra có thể giảm lượng phần cứng cho mỗi kênh
nhưng lại nảy sinh vấn đề đồng bộ hóa phân tích mẫu dữ liệu.
Một vấn đề khác cũng được quan tâm nhiều trong cấu trúc mạng cảm biến
kết nối web là đường truyền. Vì tất cả các nút mạng có thể liên lạc với các
nút mạng khác chỉ bằng một thao tác nhảy cóc, nên rất cần một cơ cấu lặp
cho cấu trúc mạng này. Và đường truyền cho kiểu mạng này là một trong
những vấn đề làm cho nó trở nên phức tạp, khó nắm bắt hơn so với các kiểu
mạng khác.
Trong mạng cảm biến và mạng điện thoại, các nút mạng thực hiện giao tiếp
đến và đi liên tục. Cách m
à mạng phản ứng lại sự cấu hình lại sẽ ảnh hưởng
nhiều đến khả năng và độ tin cậy của nó. Chẳng hạn như, mạng điện thoại đã
tr
ở thành chủ đề hấp dẫn trong giới nghiên cứu mạng cảm biến vì việc cấu
hình lại trong không gian luôn làm cho chất lượng mạng tốt hơn, đây chính
là vấn đề được quan tâm bàn luận nhiều nhất. Nếu không có một kiểu công

nghệ giống như của mạng điện thoại thì mạng cảm biến sẽ bị giới hạn rất lớn
trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, trong đó, sự kết nối có thể thay
đổi khi môi trường RF thay đổi.
Tương lai tiếp theo của mạng cảm biến
Mạng cảm biến thường làm việc ở mức tốt nhất nếu biết bố trí cấu trúc mạng
phù hợp với ứng dụng nhất, chẳng hạn như nếu ứng dụng của bạn cần kiểu
mạng điểm-điểm, thì việc gi bạn phải đi tìm một kiểu mạng khác.
Tiềm năng của việc đưa web vào thế giới cảm biến là vô cùng lớn. Web sẽ
giúp cảm biến hoạt động hợp tác với nhau tạo nên một kiểu mạng thông
minh để giải quyết những tồn tại hiện n
ày mà mạng cảm biến đang gặp phải,
hay những yêu cầu nảy sinh trong tương lai. Khi công nghệ phần mềm và
ph
ần cứng trưởng thành hơn nữa chúng ta sẽ được chứng kiến nhiều hơn
công nghệ web trong sàn máy.