Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN): Giới thiệu một cách tổng quan về mạng WSN, lịch sử của mạng WSN, cấu tạo phần cứng và các thành phần phần mềm của một nút cảm biến, kiến trúc truyền thông của WSN, những yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế mạng WSN, chồng giao thức mạng WSN, các ứng dụng của mạng WSN. Định tuyến trong mạng WSN: Giới thiệu về định tuyến trong mạng WSN, tìm hiểu về các thách thức gặp phải trong vấn đề định tuyến, tìm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 hiểu về việc phân loại các giao thức định tuyến trong mạng WSN, nghiên cứu một số giao thức định tuyến trong mạng WSN. Giao thức LEACH và cải tiến: Giới thiệu và nghiên cứu về hoạt động của giao thức LEACH, tìm hiểu một số giao thức cải tiến từ giao thức LEACH đã đƣợc đề xuất, và đề xuất cải tiến của tác giả.
Các công cụ mô phỏng mạng WSN: Tìm hiểu các công cụ mô phỏng hỗ trợ mô phỏng mạng WSN, nghiên cứu công cụ mô phỏng mạng NS2 và tìm hiểu một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng thu đƣợc. Mô phỏng và đánh giá kết quả: Tiến hành mô phỏng và so sánh, đánh giá kết quả. Phần kết luận và hướng phát triển: tổng kết những công việc đã thực hiện, những kết quả đã đạt đƣợc đồng thời cũng nêu các công việc và hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) 1. Giới thiệu Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật nói chung và sự phát triển của mạch kĩ thuật số, công nghệ vi hệ thống cơ điện tử (micro electro-mechanical systems-MEMS), truyền thông không dây nói riêng thì việc thiết kế và phát triển các nút cảm biến (sensor node) với kích thƣớc nhỏ, thực hiện đƣợc nhiều chức năng, giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lƣợng, có thể truyền thông không dây là hoàn toàn khả thi. Các nút cảm biến rất nhỏ có thể thực hiện nhiều chức năng, bao gồm cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền thông không dây, cho phép triển khai các mạng WSN trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống. Khái niệm mạng cảm biến không dây: “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,.
và khả năng xử lý dữ liệu, truyền thông không dây với nhau, phủ sóng trên một vùng vật lý nào đó nhằm giám sát và quản lý vùng vật lý đó”. Với mạng WSN, ngoài các nút cảm biến chỉ có thể thu thập và trao đổi thông tin về môi trƣờng quan sát, còn có thể có các thiết bị đƣợc gọi là Sink hoặc trạm gốc (BS hay Base Station) với bộ xử lý, năng lƣợng và khả năng lƣu trữ lớn đảm nhận chức năng khác trong một nhƣ nhận dữ liệu từ các nút cảm biến và xử lí… Hình 1.1 là một mô hình mạng WSN.1 Mạng cảm biến không dây LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Mạng WSN có một loạt các ứng dụng đang đƣợc triển khai trong quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, môi trƣờng…và tƣơng lai sẽ dần trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên để thực hiện các ứng dụng hiện tại và tƣơng lai cho mạng WSN, việc thiết kế các giao thức truyền thông phức tạp và hiệu quả cũng đƣợc đặt ra. Với mạng WSN, các nút cảm biến hay các nút mạng có năng lƣợng hạn chế nên không giống nhƣ các mạng truyền thống, các giao thức đƣợc thiết kế để cải thiện các thông số nhƣ hiệu năng mạng, thông lƣợng và độ trễ…, các giao thức trong mạng WSN tập trung chủ yếu vào việc tiết kiệm năng lƣợng, kéo dài tuổi thọ mạng.
Lịch sử mạng cảm biến [5, tr.8] Năm 1978, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) đã tổ chức hội thảo Distributed Sensor Nets Workshop (DAR 1978), tập trung vào các khó khăn trong nghiên cứu mạng cảm biến nhƣ công nghệ mạng, kỹ thuật xử lý tín hiệu và các thuật toán phân phối. DARPA cũng vận hành chƣơng trình Distributed Sensor Networks (DSN) vào đầu những năm 1980, sau đó là chƣơng trình Sensor Information Technology (SensIT). Trung tâm khoa học Rockwell và Đại học California tại Los Angeles kết hợp đề xuất các khái niệm về Wireless Integrated Network Sensors hay WINS. Một kết quả của dự án WINS là Low Power Wireless Integrated Microsensor (LWIM), đƣợc sản xuất vào năm 1996 (Bult và cộng sự.
Hệ thống cảm biến thông minh này đƣợc dựa trên một chip CMOS, tích hợp nhiều cảm biến, mạch giao tiếp, mạch xử lý tín hiệu số, radio không dây, và vi điều khiển trên một chip duy nhất. Dự án Smart Dust (Kahn và cộng sƣ. 1999) tại trƣờng Đại học California tại Berkeley tập trung vào việc thiết kế các nút cảm biến cực nhỏ đƣợc gọi là các mote. Mục tiêu của dự án này là để chứng minh rằng một hệ thống cảm biến hoàn chỉnh có thể đƣợc tích hợp vào các thiết bị nhỏ, có thể là kích thƣớc của một hạt cát hoặc thậm chí là một hạt bụi.
Dự án PicoRadio (Rabaey và cộng sự. 2000) do Berkeley Wireless Research Center (BWRC) tập trung vào sự phát triển của các thiết bị cảm biến với năng lƣợng thấp, năng lƣợng tiêu thụ là rất nhỏ, có thể tự cung cấp năng lƣợng từ các nguồn năng lƣợng của môi trƣờng, chẳng hạn nhƣ năng lƣợng mặt trời hoặc dao động. Dự án MIT μAMPS (micro-Adaptive Multidomain Power-aware Sensors) (Calhoun và cộng sự. 2005) cũng tập trung vào phần cứng và phần mềm cho các nút cảm biến công suất thấp.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 Ban đầu các nghiên cứu về mạng WSN chủ yếu là của các trƣờng đại học, ngày nay với khả năng ứng dụng rộng rãi thì các mạng WSN đã đƣợc các tập đoàn, công ty nghiên cứu để thƣơng mại hóa. Nút cảm biến [2, tr.78-80] Các nút cảm biến là thành phần quan trọng trong một mạng WSN. Một nút dùng để cảm biến, lƣu trữ, thực hiện các giao thức truyền thông và các thuật toán xử lý dữ liệu. Chất lƣợng, kích cỡ của dữ liệu đƣợc cảm biến có thể thu từ mạng bị ảnh hƣởng bởi các nguồn tài nguyên vật lý có sẵn ở các nút.
Vì vậy, việc thiết kế và triển khai một nút cảm biến là rất quan trọng. Kiến trúc phần cứng Một nút cảm biến cơ bản bao gồm các thành phần chính là bộ cảm biến (sensing unit), bộ xử lý (processing unit), bộ thu phát (transceiver unit) và bộ nguồn (power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng nhƣ là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer) nhƣ hình 1.2 Các thành phần chính của một nút cảm biến Bộ cảm biến bao gồm một hoặc nhiều cảm biến vật lý và bộ chuyển đổi tƣơng tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi sensor đƣợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 Bộ xử lý bao gồm một chip xử lý, bộ nhớ để lƣu trữ chƣơng trình, dữ liệu cảm biến đƣợc. Các bộ xử lý quản lý các thủ tục cho phép các nút cảm biến thực hiện các hoạt động cảm biến, chạy các thuật toán liên quan, phối hợp với các nút khác thông qua truyền thông không dây. Bộ thu phát gửi và nhận các dữ liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút hàng xóm tới các nút khác hoặc tới Sink. Bộ nguồn là phần quan trọng nhất của một nút cảm biến.
Thông thƣờng, năng lƣợng pin đƣợc sử dụng cho bộ nguồn, nhƣng các nguồn năng lƣợng khác cũng có thể đƣợc sử dụng nhƣ năng lƣợng mặt trời, dao động. Mỗi thành phần trong nút cảm biến không dây đƣợc cung cấp năng lƣợng thông qua bộ nguồn và và vì năng lực hạn chế của bộ nguồn nên yêu cầu tiết kiệm năng lƣợng cho các nhiệm vụ phải đƣợc thực hiện bởi mỗi thành phần của nút. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị.
Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định nhƣ cảm biến theo dõi sự chuyển động của đối tƣợng nào đó. Phần mềm Các phần mềm cho nút mạng cảm biến nhƣ hình 1. Sau đây sẽ xét các thành phần cơ bản sau. Hệ điều hành hay còn đƣợc gọi là middleware, là phần mềm nằm giữa phần cứng và ứng dụng.
Nhiệm vụ chính của nó là cho phép các ứng dụng tƣơng tác với tài nguyên phần cứng, lập lịch và công việc ƣu tiên, phân xử tranh chấp các nguồn tài nguyên giữa các ứng dụng và dịch vụ, quản lý bộ nhớ, quản lý năng lƣợng, quản lý tập tin, networking. TinOS là một hệ điều hành phổ biến nhất. Trình điều khiển cảm biến (Sensor drivers) là các mô-đun phần mềm quản lý các chức năng cơ bản của bộ thu phát cảm biến. Xử lý truyền thông (Communication processors) quản lý các chức năng truyền thông bao gồm định tuyến, đệm gói và chuyển tiếp, bảo trì tô pô, điều khiển truy nhập môi trƣờng, mã hóa, và FEC.
Trình điều khiển truyền thông (Communication drivers): Gồm các module phần mềm quản lý các chi tiết của liên kết truyền kênh vô tuyến, bao gồm cả clocking và đồng bộ hóa, mã hóa tín hiệu, phục hồi bit, bit đếm, mức tín hiệu và điều chế. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 16 Xử lý dữ liệu các ứng dụng mini (Data processing mini-apps) là một số chƣơng trình ứng dụng cơ bản ở mức nút Hình 1.3 Các hệ thống phần mềm của một nút cảm biến 1. Kiến trúc truyền thông của mạng WSN [2, tr. Kiến trúc truyền thông Một mạng WSN thƣờng có bốn thành phần cơ bản: (1) một tập các nút cảm biến, (2) các kết nối mạng, (3) một điểm tập trung thông tin và (4) bộ phận xử lí dữ liệu ở điểm tập trung thông tin.4 là kiến trúc truyền thông của mạng WSN.
Các thực thể trong kiến trúc là: 1. Các nút cảm biến với kích thƣớc nhỏ, nằm rải rác trong một trƣờng cảm biến, chúng giao tiếp không dây với nhau, chúng có thể tự định vị nhờ hệ thống định vị toàn cầu hoặc dựa vào thuật toán định vị.