MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, kĩ thuật đo lƣờng đặc biệt là mạng cảm biến không dây đã mang lại những hiệu quả to lớn cho cuộc sống của con ngƣời. Với những tính năng riêng biệt, mạng cảm biến không dây đã giúp con ngƣời thám hiểm, khám phá ở nhiều địa hình khác nhau ngay cả những địa hình hiểm trở hay môi trƣờng độc hại con ngƣời không thể tiếp cận. Hiện nay, mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực từ quân sự đến dân sự, thực hiện rất nhiều các công việc khác nhau nhƣ giám sát địa hình, cảnh báo các hiện tƣợng thiên tai, dự báo thời tiết, quản lý chất lƣợng sản phẩm, theo dõi sức khỏe con ngƣời hay đƣợc tích hợp vào các thiết bị điện trong nhà. Bên cạnh những khả năng vƣợt trội giúp mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, mạng cảm biến không dây cũng gặp không ít trở ngại và thách thức trong đó phải kể đến vấn đề năng lƣợng tiêu thụ.Tiêu thụ năng lƣợng ở node cảm biến rất quan trọng vì thời gian sống của node mạng quyết định chất lƣợng của toàn mạng.Trong khi đó, năng lƣợng duy trì hoạt động mạng chủ yếu phụ thuộc vào pin và việc thay hay sạc lại pin là không khả thi.
Đƣợc sự định hƣớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Lê Quang Thảo, tác giả đã chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây”.Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về việc quản lý năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất các phƣơng pháp nhằm tối ƣu hóa năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây, kéo dài thời gian sống của mạng mà vẫn đảm bảo số liệu đƣợc thu thập và phản ánh một cách đầy đủ nhất. Nội dung của luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chƣơng này sẽ giới thiệu các khái niệm về mạng cảm biến không dây, kiến trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây và một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong đời sống 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 2: Nguyên nhân mất mát năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng 2 nghiên cứu các hình thức tiêu thụ năng lƣợng từ đó chỉ ra các nguyên nhân gây ra sự mất mát năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây.
Chƣơng 3: Tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm và tính toán năng lƣợng trong mạng cảm biến cụ thể. Với những hạn chế về thời gian và kiến thức trong luận văn này tác giả đã tìm hiểu và đề xuất một số giải pháp nhằm tối ƣu hóa năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Với sự tiến bộ của khoa học máy tính, công nghệ tự động hóa, kĩ thuật vô tuyến điện tử và các kỹ thuật liên quan khác đã góp phần vào sự phát triển mạnh mẽ của mạng cảm biến không dây.
Một mạng cảm biến không dây sẽ bao gồm các node cảm biến, ít nhất một bộ vi xử lý, bộ thu phát vô tuyến, bộ nhớ, nguồn điện, bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số (ADC). Khái niệm Mạng cảm biến không dây đƣợc tổ chức bởi một số lƣợng lớn các node cảm biến không dây có thể xử lý dữ liệu, thu thập thông tin và giao tiếp với nhau trực tiếp hoặc qua đƣờng dẫn trong mạng. Trong mạng cảm biến không dây, các node cảm biến đƣợc trang bị với bộ xử lý cho phép xử lý dữ liệu phân tán, kiểm soát và điều khiển các hoạt động trong mạng. Mạng cảm biến không dây có thể áp dụng trong các môi trƣờng có điều kiện khác nhau do đó nó đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ y tế và chăm sóc sức khoẻ, môi trƣờng và giám sát sinh thái, tự động hóa thiết bị trong nhà hoặc các tòa nhà, giám sát công nghiệp và chiến trƣờng.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến.
Các node cảm biến thƣờng nằm rải rác trong một trƣờng cảm biến, có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến dữ liệu đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng kiến trúc 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cơ sở hạ tầng đa tầng và đến thiết bị ngƣời dùng. Bộ thu nhận dữ liệu trung gian giao tiếp với node quản lý tác vụ hoặc thiết bị ngƣời dùng qua Internet, vệ tinh hoặc bất kì loại mạng không dây nào nhƣ Wifi, mạng lƣới,…hoặc bộ thu nhận dữ liệu trung gian có thể đƣợc kết nối trực tiếp với thiết bị ngƣời dùng. Không giống nhƣ các mạng truyền thống, một mạng cảm biến không dây có nhiều đặc điểm về thiết kế riêng và hạn chế về nguồn lực. Các ràng buộc về nguồn lực bao gồm nguồn năng lƣợng hạn chế, phạm vi truyền thông ngắn, băng thông thấp, hạn chế trong xử lý và lƣu trữ ở mỗi node.
Các ràng buộc về thiết kế phụ thuộc vào ứng dụng và dựa trên môi trƣờng đƣợc giám sát. Môi trƣờng ứng dụng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thƣớc của mạng, sơ đồ triển khai mạng, và topo mạng.Đối với môi trƣờng trong nhà, yêu cầu số lƣợng node ít hơn vì giới hạn không gian trong khi với môi trƣờng ngoài trời có thể yêu cầu nhiều số node hơn để bao phủ đƣợc một khu vực rộng lớn.Các vật cản trong môi trƣờng có thể gây hạn chế giao tiếp giữa các node, do đó ảnh hƣởng đến kết nối mạng. [12,13] Những lợi thế của mạng cảm biến không dây là rất nhiều: nó rất dễ dàng để đạt đƣợc hiệu quả, có khả năng mở rộng với mật độ dày đặc do chi phí thấp và kích thƣớc nhỏ của các node cảm biến. Thông thƣờng, các giao thức mạng cảm biến cụ thể và các thuật toán với khả năng tự tổ chức đƣợc thiết kế và áp dụng đến các node cảm biến, toàn bộ mạng cảm biến thƣờng hoạt động độc lập, ít đƣợc bảo trì nên mạng có thể gặp sự cố do sự hỏng hóc của node, sự thay đổi của node hoặc sự cạn kiệt năng lƣợng của node.
Hơn nữa, các node cảm biến có thể đƣợc triển khai trong môi trƣờng khắc nghiệt để thực hiện một nhiệm vụ nhất định mà không có bất kỳ can thiệp của con ngƣời. Mạng cảm biến không dây cũng gặp một số khó khăn nhƣ khả năng xử lý hạn chế và tỷ lệ lƣu trữ dữ liệu thấp của các node cảm biến không thể đảm bảo hiệu suất cao ở một số ứng dụng yêu cầu thời gian thực. Phạm vi truyền thông ngắn có thể gây lãng phí năng lƣợng và mạng hoạt động không hiệu quả, vì vậy truyền thông đa hƣớng luôn luôn đƣợc yêu cầu cho việc truyền dữ liệu giữa các node nguồn và bộ thu nhận dữ 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com liệu trung gian. Cải thiện khả năng xử lý dữ liệu bằng cách sử dụng bộ vi xử lý mạnh mẽ không phải là giải pháp tối ƣu, vì năng lƣợng sẽ bị cạn kiệt nhanh chóng và làm cho mạng không thực hiện đƣợc nhiệm vụ.
Năng lƣợng hạn chế cũng không thể duy trì hoạt động của truyền thông đa hƣớng trong một thời gian dài. Do đó, năng lƣợng tiêu thụ là vấn đề cần ƣu tiên khi thiết kế mạng cảm biến không dây. Kiến trúc mạng cảm biến không dây Kiến trúc mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc tổ chức theo mô hình OSI với 5 lớp: Lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý và ba mặt phẳng ngang: mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di chuyển, mặt phẳng quản lý nhiệm vụ.[12] Lớp vật lý đáp ứng nhu cầu đơn giản nhƣng mạnh về phần điều chế, truyền tải, và tiếp nhận các kỹ thuật. Vì môi trƣờng có nhiều tạp âm và các node cảm biến có thể là di động, lớp liên kết chịu trách nhiệm đảm bảo truyền thông tin cậy thông qua kỹ thuật kiểm soát lỗi và quản lý truy cập kênh qua giao thức MAC để giảm thiểu xung đột truyền phát với các node lân cận.
Tùy thuộc vào nhiệm vụ của cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể đƣợc xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng.Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp bởi lớp giao vận.Lớp giao vận giúp duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Ngoài ra, mặt phẳng quản lý năng lƣợng, mặt phẳng quản lý di động, và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ theo dõi năng lƣợng, sự dịch chuyển và phân bố nhiệm vụ giữa các node cảm biến. Các mặt phẳng này giúp các node cảm biến phối hợp cảm nhận nhiệm vụ và giảm tiêu thụ điện năng tổng thể.[13] Mặt phẳng quản lý điện năng quản lý năng lƣợng sử dụng trong một node cảm biến. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ thu phát vô tuyến sau khi nhận tin nhắn từ một trong những node lân cận của nó để tránh nhận cùng một tin nhắn nhiều lần.
Ngoài ra, khi mức công suất của node cảm biến thấp, node cảm biến thông báo cho các node lân cận biết rằng nó có năng lƣợng thấp, không thể tham gia vào các tin nhắn định tuyến và 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com năng lƣợng còn lại sẽ đƣợc dành để nhận tin. Mặt phẳng quản lý di động phát hiện và đăng ký các chuyển động của bộ node cảm biến, do đó giao tiếp với thiết bị ngƣời dùng luôn luôn đƣợc duy trì, và các node cảm biến có thể theo dõi các node xung quanh nó. Nhờ việc giao tiếp với các node lân cận, các node cảm biến có thể cân bằng năng lƣợng và nhiệm vụ của chúng. Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ cân bằng và lên lịch cho các nhiệm vụ cảm nhận đƣợc đƣa ra cho một khu vực cụ thể.
Không phải tất cả các node cảm biến trong khu vực đó đều đƣợc yêu cầu thực hiện công việc cảm nhận cùng một lúc, một số node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn những node khác, tùy thuộc vào mức công suất của chúng.Những mặt phẳng quản lý là cần thiết để các node cảm biến có thể làm việc với nhau một cách hiệu quả, tiết kiệm năng lƣợng, định tuyến đƣờng đi trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node.