Chương 1: Giới thiệu Giới thiệu tổng quan về đề tài luận văn, giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về đề tài, những nội dung chính thực hiện trong luận văn và kết quả dự kiến đạt được. Chương 2: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Tìm hiểu tổng quan về WSNs, các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế WSNs, cấu trúc của nút cảm biến trong WSNs, các mô hình mạng trong WSNs, phân lớp chồng giao thức của WSN, các lĩnh vực ứng dụng WSNs. Chương 3: Giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây Đi sâu tìm hiểu về chức năng của lớp MAC, các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế giao thức MAC trong WSNs, về nguyên lý hoạt động của các giao thức lớp MAC, phân tích chi tiết hoạt động của ba giao thức XMAC, ContikiMAC và BoXMAC 2. Chương 4: Triển khai giao thức MAC trên hệ điều hành Contiki OS Giới thiệu cơ bản về hệ điều hành Contiki OS và công cụ Cooja để hỗ trợ mô phỏng WSNs, trình bày sơ đồ giải thuật thực thi giao thức BoXMAC 2 và cách tích hợp giao thức vào Contiki OS, cuối cùng sẽ dựa vào công cụ mô phỏng Cooja để kiểm tra timeline hoạt động của giao thức BoXMAC 2 đúng theo nguyên lý thiết kế.
Chương 5: Đánh giá hiệu năng các giao thức MAC Trình bày các thông số cần đo đạc, nêu ra các kết quả cần thu thập để có cơ sở dữ liệu đủ để phân tích đánh giá hiệu năng của giao thức lớp MAC. Các kết quả thu được từ mô phỏng và chạy trên test-bed sẽ được phân tích để xây dựng các biểu đồ so sánh, đánh giá hiệu năng của các giao thức MAC theo các tiêu chuẩn cụ thể, từ đó đưa ra nhận xét và khuyến nghị sử dụng giao thức MAC cho các ứng dụng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Tóm tắt lại các kết quả thu được của luận văn, và đề xuất hướng phát triển. Trang 8 Chương 2: Tổng quan về WSNs Chương 2: Tổng quan về mạng cảm biến không dây 2.1 Giới thiệu Một mạng cảm biến không dây (WSNs) được cấu thành từ một tập hợp số lượng lớn các nút cảm biến có nhiệm vụ đo đạc các thông số vật lý (như nhiệt độ, áp suất, rung động, áp lực) hay phát hiện sự thay đổi của môi trường, sự vật xung quanh vị trí nó được triển khai, từ đó truyền dữ liệu thu thập được thông qua các kết nối vô tuyến tới một hoặc một số nút trung tâm gọi là “sink” hoặc “coordinator”, nơi mà dữ liệu sẽ được quan sát, phân tích và xử lý.
Nút trung tâm được coi là điểm cung cấp giao tiếp giữa người dùng và mạng lưới các nút cảm biến. Người khai thác mạng cảm biến có thể lấy thông tin cần thiết từ mạng bằng cách gửi yêu cầu vào nút trung tâm bằng kết nối cục bộ trực tiếp hoặc từ xa thông qua mạng internet, sau đó nhận lại kết quả đo đạc từ một nút cảm biến bất kỳ trong mạng trả về cũng thông qua nút trung tâm.1 là một mô hình ví dụ trực quan mô tả về mạng cảm biến không dây. 1: Mô hình mạng cảm biến không dây Thông thường, một mạng cảm biến có thể lên tới hàng trăm, hàng ngàn nút cảm biến. Một nút cảm biến không dây về cơ bản được trang bị các khối: CPU, bộ nhớ, bộ thu phát vô tuyến, pin và các loại cảm biến theo nhu cầu sử dụng khác nhau.
Có một đặc trưng chung của tất cả các khối trong nút cảm biến là đều có tài nguyên hạn Trang 9 Chương 2: Tổng quan về WSNs chế: bộ xử lý với tốc độ hạn chế, bộ nhớ eo hẹp, bộ thu phát vô tuyến đáp ứng băng thông thấp và một nguồn pin cung cấp hạn chế. Sau khi các nút cảm biến được triển khai, chúng có trách nhiệm tự tìm kiếm và tổ chức kết nối tới các nút khác trong hạ tầng mạng để tìm ra cách thức gửi thông tin tới sink qua multi-hop, trước khi bắt đầu nhiệm vụ thu thập, đo đạc thông tin của các cảm biến trang bị trên nó để gửi về trung tâm. Các nút cảm biến thường hoạt động theo một trong hai chế độ: chế độ thường xuyên (đo đạc) hay chế độ sự kiện (quan sát, theo dõi). Vị trí của các nút cảm biến trong mạng có thể được xác định thông qua một trong hai tùy chọn đó là sử dụng GPS hoặc sử dụng các thuật toán xác định vị trí cụ bộ.
WSNs cho phép khai thác các ứng dụng mới và đòi hỏi các giao thức được thiết kế đơn giản và tối ưu một các phi thường để có thể thích nghi với các hạn chế về tài nguyên phần cứng. Do yêu cầu về độ phức tạp của thiết bị thấp, cùng với mức năng lượng tiêu thụ thấp, một sự cân bằng thích hợp giữa khả năng truyền thông tin và khả năng xử lý tín hiệu/dữ liệu cần phải được quyết định, điều này thúc đẩy một nỗ lực rất lớn trong hoạt động nghiên cứu, quá trình chuẩn hóa và đầu tư công nghiệp vào lĩnh vực này kể từ những năm cuối cùng của thập niên 2000 (từ 2009 trở đi) cho tới nay. Một loạt các giao thức kinh điển dành riêng cho lĩnh vực mạng cảm biến không dây có thể kể đến như là ContikiMAC hay BoXMAC ở lớp MAC, RPL hay 6LoWPAN ở lớp mạng, và CoAP hay MQTT ở lớp ứng dụng. Song song với đó, các nền tảng hệ điều hành mới dành riêng cho việc phát triển ứng dụng trong mạng cảm biến như Tiny OS hay Contiki OS đã tạo nên một không gian làm việc mở cực kì thuận tiện cho các nhà phát triển, hứa hẹn sẽ tạo ra hệ sinh thái ứng dụng phong phú cho mạng cảm biến không dây.2 Các vấn đề thiết kế một mạng cảm biến không dây Khả năng chịu lỗi (fault tolerance ability): các nút cảm biến thường xuyên được triển khai trong các môi trường chứa đựng nhiều nguy cơ gây nguy hiểm của ngoại cảnh, có thể tác động vào gây lỗi phần cứng hoặc làm nhanh hết nguồn pin của nút.
Do vậy, các giao thức được triển khai trong WSNs cần phải có khả năng phát hiện Trang 10 Chương 2: Tổng quan về WSNs những lỗi càng sớm càng tốt và đủ mạnh để duy trì các chức năng tổng thể của mạng khi liên lạc tới một nút bất kì bị thất bại. Điều này đặc biệt có liên quan đến việc thiết kế các giao thức định tuyến, đó là việc phải luôn đảm bảo rằng có một đường đi thay thế có sẵn để thay đổi định tuyến của gói tin. Những môi trường triển khai khác nhau hay những mô hình mạng có đặc trưng khác nhau đặt ra các yêu cầu về khả năng chịu lỗi khác nhau. Khả năng mở rộng (scalability): mạng cảm biến có quy mô khác nhau, có thể từ vài nút tới vài trăm hoặc lên tới cả ngàn nút cảm biến, ngoài ra, mật độ triển khai cũng luôn luôn biến đổi.
Để có thể thu thập dữ liệu có độ phân giải cao, mỗi nút cảm biến có thể đặt đến mức mà có vài chục tới vài trăm nút lân cận trong phạm vi truyền nhận của nó. Các giao thức được triển khai trong mạng cảm biến cần phải có khả năng mở rộng đến mức có thể đáp ứng được các trường hợp trên mà vẫn đảm bảo QoS cho mạng. Chi phí sản xuất (production costs): do có nhiều mô hình triển khai xem xét các nút cảm biến là các thiết bị chỉ dùng một lần, không sử dụng lại, nên để mạng cảm biến có thể cạnh tranh với các phương pháp thu thập thông tin truyền thống chỉ khi các nút cảm biến có thể được sản xuất với giá rẻ, lý tưởng là dưới 10$ cho một nút cảm biến. Những hạn chế phần cứng (hardware constraints): tối thiểu, các nút cảm biến cần phải có một đơn vị xử lý, một cảm biến, một bộ thu phát vô tuyến và một nguồn điện cung cấp năng lượng.
Các tùy chọn khác có thể bổ sung thêm cho nút nhiều loại cảm biến hơn theo nhu cầu cần đo đạc hoặc có thể là cả hệ thống định vị GPS. Tuy nhiên, các chức năng bổ sung sẽ đi kèm với chi phí bổ sung và làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, kích thước vật lý của nút. Như vậy, chức năng bổ sung cần phải luôn luôn được cân đối với yêu cầu chi phí và tiêu tốn năng lượng thấp. Môi trường truyền thông (transmission media): thông tin liên lạc giữa các nút cảm biến thường được sử dụng thông tin vô tuyến trên các băng tần ISM phổ biến.
Tuy nhiên, một số mạng cảm biến sử dụng truyền thông quang học hoặc hồng ngoại sau này sẽ có lợi thế cạnh tranh mạnh mẽ vì ưu thế miễn ảnh hưởng của can nhiễu. Trang 11 Chương 2: Tổng quan về WSNs Năng lượng tiêu thụ (energy consumption): như chúng ta đã thấy, rất nhiều những thách thức của mạng cảm biến xoay quanh các nguồn lực hạn chế. Các phần mềm và phần cứng thiết kế cần phải xem xét các vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả. Ví dụ, nén dữ liệu có thể làm giảm khối lượng xử lý cho bộ thu phát vô tuyến nhưng lại tăng năng lượng cho bộ vi xử lý tính toán thuật toán nén/giải nén.
Các quy định về sử dụng năng lượng cũng thay đổi tùy theo ứng dụng, trong một số ứng dụng, có thể chấp nhận tắt một tập hợp các nút để tiết kiệm năng lượng, nhưng trong một số ứng dụng khác đòi hỏi tất cả các nút phải hoạt động đồng thời.3 Cấu trúc của nút cảm biến Một nút cảm biến được tạo thành từ bốn khối cơ bản: bộ vi xử lý, đơn vị cảm biến, bộ thu phát vô tuyến và nguồn điện, được thể hiện trong hình 2. 2: Các thành phần tạo nên một nút cảm biến Trang 12 Chương 2: Tổng quan về WSNs Đơn vị cảm biến thường bao gồm hai khối nhỏ là các biến tương tự và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC). Bộ xử lý thường được liên kết với đơn vị bộ nhớ để quản lý chương trình hoạt động của nút cảm biến thực hiện các nhiệm vụ được giao. Bộ thu phát vô tuyến chịu trách nhiệm liên lạc và kết nối tới các nút khác trong mạng.
Và cuối cùng, bộ cung cấp năng lượng cho nút thường là hai viên pin AA có dung lượng 3000mAh hoặc hơn. Ngoài các khối cơ bản, mỗi nút còn có thể có các khối bổ sung như bộ định vị (GPS), bộ phát năng lượng (có thể là bộ tạo năng lượng từ pin mặt trời), và bộ di động. Sơ đồ khối chức năng của một nút cảm biến không dây được cung cấp tiếp trong hình 2.