Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Mạng cảm biến không dây 1. Khái niệm Một mạng cảm biến [ 3 ] bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng. Vị trí của các nút cảm biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước, điều này cho phép các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp.
Điều đó cũng có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức. Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến. Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong. Thay vì gửi đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu.
Những ứng dụng của mạng cảm biến đòi hỏi nó phải có những kỹ thuật đặc biệt hơn so với các kỹ thuật áp dụng cho các mạng không dây phi cấu trúc (mạng ad hoc). Mặc dù nhiều giao thức và giải thuật đã được thiết kế cho những mạng ad hoc không dây truyền thống, nhưng chúng chưa thỏa mãn những đặc tính và yêu cầu ứng dụng của mạng cảm biến. Để thấy được điểm này, ta hãy xem xét sự khác nhau giữa mạng cảm biến và mạng ad hoc: Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với những nút trong mạng ad hoc. Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn.
Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động. Topo mạng cảm biến thay đổi rất thường xuyên. Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast) trong khi mà đa số các mạng ad hoc là điểm - điểm (point-to-point). Những nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ.
Những nút cảm biến có thể không có định danh toàn cầu (global ID). Khi số lượng lớn những nút cảm biến được triển khai mật độ dày thì những nút lân cận phân bố rất gần lẫn nhau, vì vậy truyền thông đa bước nhảy trong mạng cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy truyền thống. Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 12 - thấp, chủ yếu dành cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý. Truyền thông đa bước nhảy cũng khắc phục có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây.
Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức độ tiêu thụ điện phải thấp. Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có hạn và nói chung là không thể thay thế. Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng. Chúng phải có những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao.
Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh đa dạng như: nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của phương tiện, điều kiện ánh sáng, sức ép, sự ô nhiễm, mức độ ồn, sự có mặt hoặc không những loại đối tượng nhất định, những đặc trưng hiện thời như tốc độ, hướng, và kích thước một đối tượng. Những nút cảm biến có thể được sử dụng cho cảm biến liên tục, phát hiện sự kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ thiết bị khởi động. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Những đặc tính của mạng cảm biến hứa hẹn một phạm vi ứng dụng rộng rãi với một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể như: an ninh quốc phòng, y tế, môi trường, thương mại… Có thể hình dung trong tương lai, những mạng cảm biến không dây sẽ là một phần gắn liền với cuộc sống nhiều hơn so với những máy tính cá nhân hiện nay. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 13 - Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, với những đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và độ thứ lỗi cao cho phép mạng cảm biến trở thành một thành phần trong hệ thống C4ISRT (Command, Control, Communications, Calculation, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance, and Targeting - hỗ trợ ra mệnh lệnh, điều khiển, truyền thông, tính toán, tình báo, giám sát theo dõi, trinh sát và mục tiêu).
Vì mạng cảm biến dựa vào sự triển khai dày đặc những nút cảm biến có chi phí thấp và sẵn có, sự hỏng hóc, ngừng hoạt động của vài nút do những hoạt động thù địch không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động quân sự như cảm biến truyền thống. Một số ứng dụng quân sự khác của mạng cảm biến có thể kể đến như hỗ trợ giám sát lực lượng, thiết bị và quân nhu một cách thân thiện; theo dõi trận địa; do thám lực lượng và trận địa đối phương; xác định mục tiêu; đánh giá tổn thất sau trận chiến; do thám và xác định tấn công hóa sinh hoặc hạt nhân. Trong lĩnh vực môi trường, mạng cảm biến được sử dụng để theo dõi chuyển động của những động vật hoang dã cần giám sát, nghiên cứu hoặc bảo vệ, theo dõi những động vật nhỏ như sâu, bọ; theo dõi những yếu tố môi trường ảnh hưởng đến gieo trồng và chăn nuôi; tình trạng tưới tiêu; theo dõi môi trường trái đất, sinh học bên trong lòng biển, đất, và khí quyển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu thời tiết hoặc địa vật lý; cảnh báo lũ lụt; nghiên cứu bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu sự ô nhiễm. Trong lĩnh vực y tế, mạng cảm biến cung cấp những công cụ hỗ trợ giao tiếp cho người tàn tật; theo dõi bệnh nhân; hỗ trợ chẩn đoán; quản trị thuốc trong bệnh viện; giám sát từ xa dữ liệu vật lý của con người; kiểm tra và theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện.
Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm biến xác định nhịp tim, trong khi nút khác đang xác định huyết áp. Bác sĩ có thể cũng mang một nút cảm biến cho phép những bác sĩ khác định vị bên trong phạm vi bệnh viện. Việc những nút cảm biến có thể được gắn tới từng loại thuốc, những bệnh nhân có nút cảm biến xác định những dị ứng của họ và yêu cầu thuốc tương ứng thì sẽ tránh được việc chỉ định thuốc sai. Trong lĩnh vực ứng dụng gia đình, khi công nghệ phát triển, những nút và những thành phần phát sinh cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, và thiết bị VCRs.
Những nút cảm biến này tương tác với nhau và với bên ngoài có thể nối mạng qua Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 14 - Trong lĩnh vực thương mại, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo dõi chất lượng sản phẩm; xây dựng văn phòng thông minh; điều khiển môi trường trong những tòa nhà; điều khiển robot trong những nhà máy sản xuất tự động; sản xuất đồ chơi tương tác; xây dựng bảo tàng tương tác; điều khiển tự động hóa; giám sát thảm hoạ; điều khiển thiết bị khởi động; thiết bị chống mất cắp ô tô…Ví dụ trong những tòa nhà văn phòng, điều hoà không khí và nhiệt độ hầu hết là điều khiển tập trung, vì vậy nhiệt độ bên trong một phòng có thể giảm hoặc tăng một vài độ, một mặt có thể ấm hơn mặt khác vì có duy nhất một điều khiển trong phòng và luồng không khí từ hệ thống trung tâm thì không phải là phân tán bằng nhau. Một hệ thống mạng cảm biến vô tuyến phân tán có thể được thiết đặt để điều khiển luồng khí và nhiệt độ trong các bộ phận khác nhau của phòng. Công nghệ này được đánh giá có thể giảm bớt đáng kể mức độ tiêu thụ điện năng.
Một ví dụ khác, trong tương lai trẻ em sẽ có khả năng tương tác trực tiếp với những hiện vật trong bảo tàng. Những đối tượng, hiện vật này sẽ có thể trả lời, đáp ứng qua va chạm hoặc giọng nói, qua đó giúp các em có sự hiểu biết hơn về chúng. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1. Nút cảm biến Một nút cảm biến [ 5 ] được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản như hình 1.1 gồm: Bộ phận cảm biến (Sensing Unit), bộ phận xử lý (Processing Unit), bộ phận thu phát (Transceiver Unit) và bộ phận cung cấp năng lượng (Power Unit).
Ngoài ra, chúng cũng có thể có những thành phần bổ sung phụ thuộc ứng dụng như: Hệ thống định vị (Location Finding System); Bộ phận phát điện (Power Generator) và bộ phận quản lý di động (Mobilizer). Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADCs). Tín hiệu tương tự được sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó được chuyển tới bộ phận xử lý. Bộ phận xử lý thường liên quan đến một bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau khác để thực hiện nhiệm vụ cảm biến được định trước.
Bộ phận thu phát kết nối nút với mạng. Một trong những thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ phận cung cấp quản lý năng lượng. Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng lượng như pin mặt trời. Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ thể.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Thành phần của một nút cảm biến Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏi kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy, các nút cảm biến thường có hệ thống định vị vị trí.