CHƯƠNG 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. Giới thiệu tổng quan Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được nhiều tiến bộ đáng kể. Mạng cảm biến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, điều kiện môi trường,…ở các vị trí khác nhau.
Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây là một nút mạng sẽ cảm biến thông số của một môi trường cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trường không dây về trạm gốc (nút gốc) được nối với máy tính. Trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết là một máy vi tính mà có thể được chế tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với đặc thù của từng ứng dụng cụ thể. Như vậy, khái niệm mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút mạng với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection), có thể được mô tả bằng công thức sau: Cảm biến + CPU + Radio = WSN Trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn.
Các nút mạng này được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), có khả năng tự định tuyến, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ không ổn định. Tuy nhiên, việc kết hợp các cảm biến, radio, và CPU vào một mạng cảm biến không dây không ch ỉ đò i hỏi trình độ hiểu biết chi tiết về khả năng và giới hạn của các thành phần phần cứng, mà còn phải hiểu rõ các công nghệ mạng hiện đại, lý thuyết phân bố hệ thống. Để làm cho mạng cảm biến không dây trở nên thực tế, cần phải phát triển một kiến trúc để tổng hợp các ứng dụng dựa trên khả năng của phần cứng. Để phát triển kiến trúc hệ thống cần đi từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống các yêu cầu phần cứng mức thấp.
Chúng ta cần tập trung vào một tập TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com -4- các dạng ứng dụng được sử dụng nhiều trong thực tế để giới hạn số các ứng dụng phải xem xét. Sử dụng các dạng ứng dụng này để tìm ra các yêu cầu mức hệ thống cho toàn bộ kiến trúc. Từ các yêu cầu mức hệ thống này, có thể có các yêu cầu cho các nút mạng riêng lẻ. Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến và một mạng không dây khác là: - Giá thành - Mật độ nút mạng - Phạm vi hoạt động - Cấu hình mạng - Lưu lượng dữ liệu - Năng lượng tiêu thụ - Thời gian ở trạng thái hoạt động 1.
Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây 1. Cấu tạo Do số lượng nút mạng trong hệ thống mạng cảm biến không dây là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với một nút mạng là giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn và hoạt động được thời gian dài. Hình vẽ dưới đây sẽ cho thấy các thành phần cơ bản để cấu thành một nút mạng cảm biến không dây. Hệ thống định vị Bộ phận di động KHỐI CẢM BIẾN KHỐI XỬ LÝ KHỐI TRUYỀN DẪN Cảm Bộ xử lý ADC Bộ thu phát biến Bộ nhớ KHỐI NGUỒN Bộ phát nguồn Hình 1.1: Cấu tạo của một nút mạng cảm biến không dây TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.
Khối xử lý Khối xử lý bao gồm bộ xử lý nhúng năng lượng thấp và bộ nhớ lưu trữ - Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp: Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm xử lý thông tin cảm biến cục bộ và xử lý thông tin truyền bởi các bộ cảm biến khác. Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về công suất nên được chạy trên các hệ điều hành có các thành phần cơ bản đặc biệt, ví dụ như hệ điều hành TinyOS. - Bộ nhớ/Lưu trữ: Lưu trữ dưới dạng ROM và RAM cả bộ nhớ chương trình (các lệnh được thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa qua xử lý và đã qua xử lý bởi bộ cảm biến; lưu các thông tin cục bộ khác). Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết bị mạng cảm biến không dây thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp.
Khối truyền dẫn - Bộ thu phát sóng vô tuyến (Radio Transceiver): Thiết bị mạng cảm biến không dây có tốc độ thấp (10 ->100 kbps) và là thiết bị vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong mạng cảm biến không dây thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất. Do đó, để tiết kiệm năng lượng, nó cần phải kết hợp có hiệu quả công suất giữa các chế độ ngủ (sleep) và chế độ hoạt động. Khối cảm biến Khối cảm biến bao gồm bộ cảm biến và bộ biến đổi ADC - Bộ cảm biến (Sensor): Do giới hạn về băng thông và nguồn nuôi, các thiết bị mạng cảm biến không dây chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp.
Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vài loại cảm biến trên bo mạch. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại cảm biến riêng: cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm, cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, cảm biến từ, cảm biến âm thanh, hay thậm chí là cảm biến hình ảnh có độ phân giải thấp. - Bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter): Bộ ADC được tích hợp để có thể ghép nối với các cảm biến tương tự. Với ADC được tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn trong việc sử dụng, giảm kích thước nút mạng, đồng thời giảm được các nhiễu trong quá trình biến đổi A/D với các tín hiệu từ cảm biến.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Khối nguồn Năng lượng nguồn được sử dụng để có thể triển khai hoạt động của các thiết bị mạng cảm biến không dây là các dạng nguồn năng lượng dự trữ như nguồn pin, ắc quy. Hệ thống định vị Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, các phép đo cảm biến để đánh dấu vị trí là quan trọng nhất. Cách đơn giản nhất để định vị là tiền cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định.
Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà: Khi một mạng được triển khai, thông tin dễ dàng thu được qua vệ tinh định vị. Tuy nhiên, tại các ứng dụng, do hạn chế của môi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút được trang bị hệ thống định vị. Trong trường hợp không có hệ thống định vị, các nút khác nhau trong cùng mạng chỉ thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng. Bộ phận di động Các nút cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ ấn định nào đó.
Do đó nó được trang bị thêm các phần phụ để phục vụ cho quá trình di động. Phân loại nút mạng Trong hầu hết các mô hình mạng cảm biến không dây, có 3 loại nút mạng: nút cảm biến, nút trung gian (nút chuyển tiếp) và nút cơ sở (nút trung tâm). Chức năng của các loại nút mạng: - Các nút cảm biến trực tiếp thu thập số liệu và truyền số liệu về nút cơ sở (nếu khoảng cách giữa nút cảm biến và nút cơ sở là nhỏ) hoặc truyền đến các nút trung gian (nếu khoảng cách giữa nút cảm biến và nút cơ sở là lớn). - Các nút trung gian cũng trực tiếp thu thập số liệu.
Kế đến chúng tiến hành chuyển tiếp dữ liệu thu thập được và dữ liệu nhận được từ các nút cảm biến qua các nút trung gian khác. Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở. - Nút cơ sở tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiến hành xử lý dữ liệu. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com -7- Mỗi loại nút mạng thực hiện một chức năng riêng.
Do đó, mỗi loại nút mạng đòi hỏi phải có những đặc điểm phần cứng riêng để có thể thực hiện tốt chức năng của nó. Trên thực tế thì các nút cảm biến và các nút trung gian là một và có cấu tạo phần cứng giống nhau. Trên mỗi nút mạng này thường được trang bị thêm về các kết nối với cảm biến với phần biến đổi điện áp để ổn định dải điện thế cấp cho vi điều khiển và đặc biệt là cho cảm biến. Vi điều khiển còn có thể hoạt động ổn định được khi điện thế cung cấp dao động trong một dải hẹp.
Nhưng nguồn nuôi cho khối cảm biến thì nhất thiết phải có giải pháp để ổn định, nếu không thông tin cảm biến đưa về có thể bị sai lệch nhiều so với thực tế. Riêng đối với nút mạng cơ sở để thực hiện tốt chức năng xử lý dữ liệu thì cấu tạo của nó ngoài các thành phần như với nút cảm biến, nó còn cần bổ sung thêm một số phần cứng hỗ trợ việc nạp chương trình, điều khiển, hiển thị dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, … Hình 1.2: Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quan 1. Cấu trúc mạng và các yếu tố ảnh hưởng 1. Cấu trúc mạng Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng.
Do vậy, mạng cảm biến không dây đòi hỏi 1 topo mạng linh động (ad-hoc, mesh, star.) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị mạng cảm biến không dây có thể cùng hay không cùng mạng với nhau. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com -8- Mạng cảm biến không dây tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành các cụm (cluster) để ổn định topo của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến (routing), giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm được năng lượng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút mạng (theo cluster).