Luận văn một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính

Tài liệu nghiên cứu Luận văn một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Việt Bình
• Trường học: Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Kỹ Thuật Định Tuyến Tối Ưu Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến Không Dây
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
• 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
• 1.3. Lớp liên kết dữ liệu
• 1.4. Lớp truyền tải
• 1.5. Lớp ứng dụng
• 1.6. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN
• 1.7. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
• 1.8. Các tham số đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến
• 1.9. Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây
• 1.10. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây
• 1.11. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây
• 1.11.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp
• 1.11.2. Ứng dụng trong y tế
• 1.11.3. Ứng dụng trong giám sát môi trường
• 1.11.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông
• 1.11.5. Ứng dụng trong gia đình
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Thuật toán định tuyến SPIN-EC
• 2.2. Thuật toán định tuyến LEACH
• 2.3. Thuật toán định tuyến CTP
• 2.4. Thuật toán định tuyến AODV
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NHÀ KÍNH
• 3.1. Mô hình nhà kính thử nghiệm
• 3.2. Thiết lập hệ thống
• 3.3. Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV cho hệ thống giám sát môi trường nhà kính
• 3.4. Thuật toán cài đặt trên các nút
• 3.5. Kết quả thử nghiệm
• 3.6. Giao diện phần mềm
• 3.7. Phần cứng của hệ thống giám sát môi trường nhà kính
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mạng Cảm Biến Không Dây WSN Khái Niệm Ứng Dụng

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một thế hệ mạng mới, phát triển nhờ sự tiến bộ trong công nghệ vi điện tử, mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến và xử lý tín hiệu. WSN có thể hiểu là mạng của các đối tượng thông minh, mỗi nút mạng bao gồm bộ thu phát vô tuyến, vi xử lý và cảm biến. Các nút này liên kết với nhau thông qua giao tiếp không dây, thường có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng và tiêu thụ ít năng lượng. WSN được triển khai rộng rãi trong các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông và nông nghiệp. Một trong những thách thức lớn nhất của WSN là tiết kiệm năng lượng, vì các nút thường sử dụng pin và hoạt động trong thời gian dài. Nghiên cứu chỉ ra rằng hơn 70% năng lượng tiêu hao trong WSN là do quá trình truyền thông. Vì vậy, định tuyến tối ưu năng lượng là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết. Chính vì vậy, đề tài "Một số kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng của mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính" được lựa chọn nghiên cứu.

1.1. Đặc Điểm Nổi Bật Của Mạng Cảm Biến Không Dây WSN

Mạng cảm biến không dây (WSN) có nhiều đặc điểm khác biệt so với các mạng thông thường. Thứ nhất, WSN thường được triển khai trên phạm vi rộng với số lượng nút lớn, phân bố ngẫu nhiên và có khả năng di chuyển. Điều này đòi hỏi WSN phải có sơ đồ mạng linh động, các nút có khả năng tự điều chỉnh và cấu hình. Thứ hai, WSN không sử dụng các giao thức truyền thông phổ biến như 802.11 mà cần cơ chế và giao thức truyền vô tuyến riêng. Cuối cùng, do giới hạn về năng lượng, giá thành và yêu cầu hoạt động lâu dài, tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất. Các nút có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và có thể di động, gây phức tạp cho việc định tuyến. Tiết kiệm năng lượng hiệu quả là chủ đề nghiên cứu quan trọng.

1.2. Kiến Trúc Giao Thức Mạng Cảm Biến Không Dây WSN Chi Tiết

Kiến trúc giao thức của WSN bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này giúp các nút làm việc hiệu quả, định tuyến dữ liệu trong mạng di động và chia sẻ tài nguyên. Các mặt phẳng quản lý bao gồm: quản lý công suất, quản lý di động và quản lý. Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến, phương thức điều chế và mã hóa tín hiệu. Lớp liên kết dữ liệu (MAC) kiểm soát truy cập vào kênh truyền vô tuyến. Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu. Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu và cung cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói. Lớp ứng dụng xây dựng và sử dụng các ứng dụng khác nhau tùy theo nhiệm vụ cảm biến. Kiến trúc giao thức được áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.

II. Phân Loại Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Cảm Biến WSN

Có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây (WSN). Các giao thức này có thể được phân loại thành bốn nhóm chính: định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ (QoS). Trong định tuyến phẳng, tất cả các nút đều có vai trò ngang nhau. Trong định tuyến phân cấp, các nút được tổ chức thành các cụm, với các nút chủ cụm chịu trách nhiệm thu thập và tổng hợp dữ liệu. Định tuyến dựa vào thông tin vị trí sử dụng thông tin vị trí của các nút để đưa ra quyết định định tuyến. Định tuyến dựa vào QoS cố gắng đảm bảo một mức chất lượng dịch vụ nhất định cho các luồng dữ liệu. Bên cạnh đó, Zigbee cũng được sử dụng phổ biến với ưu điểm tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, có thể dùng được trong các mạng mắt lưới. Kỹ thuật định tuyến của Zigbee cũng được thiết kế ở tầng mạng với kỹ thuật như AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector).

2.1. Định Tuyến Phẳng Ưu Điểm Nhược Điểm và Các Giao Thức

Định tuyến phẳng là một phương pháp định tuyến trong WSN, trong đó tất cả các nút đều có vai trò ngang nhau và không có sự phân cấp. Các nút giao tiếp trực tiếp với nhau hoặc thông qua các nút trung gian. Ưu điểm của định tuyến phẳng là đơn giản, dễ triển khai. Nhược điểm là không hiệu quả trong các mạng lớn, tiêu thụ nhiều năng lượng. Các giao thức định tuyến phẳng phổ biến bao gồm: SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation), Directed Diffusion và Rumor Routing. SPIN sử dụng cơ chế quảng bá thông tin để tìm đường đi. Directed Diffusion sử dụng các thuộc tính của dữ liệu để định tuyến. Rumor Routing sử dụng các tin đồn để tìm đường đi.

2.2. Định Tuyến Phân Cấp Cấu Trúc Cụm và Nút Chủ Cụm

Định tuyến phân cấp là một phương pháp định tuyến trong WSN, trong đó các nút được tổ chức thành các cụm. Mỗi cụm có một nút chủ cụm (cluster head), chịu trách nhiệm thu thập và tổng hợp dữ liệu từ các nút thành viên trong cụm. Dữ liệu sau đó được truyền đến trạm gốc. Ưu điểm của định tuyến phân cấp là tiết kiệm năng lượng, tăng tuổi thọ mạng. Nhược điểm là phức tạp hơn định tuyến phẳng, đòi hỏi quản lý cụm hiệu quả. Các giao thức định tuyến phân cấp phổ biến bao gồm: LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) và HEED (Hybrid, Energy-Efficient Distributed clustering). LEACH chọn nút chủ cụm ngẫu nhiên dựa trên xác suất. HEED chọn nút chủ cụm dựa trên năng lượng còn lại và khoảng cách đến các nút khác.

III. Các Tham Số Đánh Giá Hiệu Quả Giao Thức Định Tuyến WSN

Để đánh giá hiệu quả của một giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN), cần xem xét một số tham số quan trọng. Các tham số này bao gồm: tiêu thụ năng lượng, tuổi thọ mạng, độ trễ truyền tin, tỷ lệ mất gói tin và độ tin cậy. Tiêu thụ năng lượng là lượng năng lượng mà các nút trong mạng tiêu thụ trong quá trình truyền thông. Tuổi thọ mạng là thời gian mà mạng có thể hoạt động trước khi một số lượng lớn các nút hết năng lượng. Độ trễ truyền tin là thời gian cần thiết để một gói tin được truyền từ nguồn đến đích. Tỷ lệ mất gói tin là tỷ lệ các gói tin bị mất trong quá trình truyền. Độ tin cậy là khả năng của mạng để đảm bảo rằng các gói tin được truyền đến đích một cách chính xác. Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp cần cân nhắc các tham số này.

3.1. Tiêu Thụ Năng Lượng Yếu Tố Quan Trọng Hàng Đầu Trong WSN

Tiêu thụ năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần xem xét khi thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây (WSN). Do các nút cảm biến thường hoạt động bằng pin, việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ mạng. Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng bao gồm: khoảng cách truyền tin, số lượng gói tin được truyền, độ phức tạp của giao thức định tuyến và trạng thái hoạt động của các nút (truyền, nhận, ngủ). Các giao thức định tuyến tối ưu năng lượng thường sử dụng các kỹ thuật như: định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào vị trí và điều chỉnh công suất truyền.

3.2. Tuổi Thọ Mạng Các Phương Pháp Kéo Dài Thời Gian Hoạt Động

Tuổi thọ mạng là một tham số quan trọng khác trong WSN, thể hiện thời gian mạng có thể hoạt động ổn định. Tuổi thọ mạng thường được định nghĩa là thời gian cho đến khi nút đầu tiên hoặc một tỷ lệ nhất định các nút trong mạng hết năng lượng. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ mạng bao gồm: tiêu thụ năng lượng của các nút, dung lượng pin, số lượng nút trong mạng và cấu trúc mạng. Các phương pháp kéo dài tuổi thọ mạng bao gồm: sử dụng các giao thức định tuyến tối ưu năng lượng, điều chỉnh công suất truyền, sử dụng các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng (ví dụ: chế độ ngủ) và triển khai các nút thay thế.

IV. Các Thuật Toán Định Tuyến Tối Ưu Năng Lượng Tiêu Biểu Trong WSN

Có rất nhiều thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây (WSN). Một số thuật toán tiêu biểu bao gồm: SPIN-EC, LEACH, CTP và AODV. SPIN-EC (Sensor Protocols for Information via Negotiation - Energy Conservation) là một giao thức định tuyến dựa trên thương lượng, giúp giảm thiểu lượng dữ liệu dư thừa được truyền trong mạng. LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một giao thức định tuyến phân cấp, giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách tổ chức các nút thành các cụm. CTP (Collection Tree Protocol) là một giao thức định tuyến dựa trên cây, được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến về trạm gốc. AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) là một giao thức định tuyến theo yêu cầu, được sử dụng để thiết lập các đường đi giữa các nút khi cần thiết. Trong chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn một số kỹ thuật định tuyến tiêu biểu.

4.1. Thuật Toán Định Tuyến SPIN EC Cơ Chế Thương Lượng và Tiết Kiệm Năng Lượng

SPIN-EC là một giao thức định tuyến dựa trên thương lượng, được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong WSN. Giao thức này hoạt động bằng cách yêu cầu các nút quảng bá thông tin về dữ liệu mà chúng có sẵn. Các nút khác có thể yêu cầu dữ liệu này nếu chúng quan tâm. SPIN-EC giúp giảm thiểu lượng dữ liệu dư thừa được truyền trong mạng bằng cách chỉ truyền dữ liệu khi có nhu cầu thực sự. SPIN-EC được coi là một trong những thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng hiệu quả. Các bước bắt tay của thuật toán SPIN-EC được trình bày trong hình 9.

4.2. Thuật Toán Định Tuyến LEACH Phân Cụm Thích Ứng và Giảm Tiêu Thụ Năng Lượng

LEACH là một giao thức định tuyến phân cấp, được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong WSN. Giao thức này hoạt động bằng cách tổ chức các nút thành các cụm, với mỗi cụm có một nút chủ cụm (cluster head). Các nút thành viên trong cụm truyền dữ liệu đến nút chủ cụm, nút chủ cụm sau đó tổng hợp dữ liệu và truyền đến trạm gốc. LEACH giúp giảm thiểu khoảng cách truyền tin và phân phối gánh nặng năng lượng giữa các nút, từ đó kéo dài tuổi thọ mạng. LEACH là một trong những giao thức định tuyến tối ưu năng lượng phổ biến nhất. Các bước của thuật toán LEACH được trình bày trong hình 10.

V. Ứng Dụng Thuật Toán Định Tuyến AODV Trong Hệ Thống Nhà Kính

Chương 3 của luận văn tập trung vào ứng dụng thuật toán định tuyến AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) trong hệ thống điều khiển và giám sát môi trường nhà kính. AODV là một giao thức định tuyến theo yêu cầu, có nghĩa là nó chỉ thiết lập các đường đi giữa các nút khi cần thiết. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu lưu lượng điều khiển trong mạng. Trong hệ thống nhà kính, AODV được sử dụng để thiết lập các đường đi giữa các cảm biến (ví dụ: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm) và trạm gốc, cho phép dữ liệu được truyền tải một cách hiệu quả. Kết quả thử nghiệm và đánh giá sẽ được trình bày chi tiết.

5.1. Mô Hình Nhà Kính Thử Nghiệm và Thiết Lập Hệ Thống Cảm Biến

Mô hình nhà kính thử nghiệm được xây dựng để đánh giá hiệu quả của thuật toán AODV trong môi trường thực tế. Hệ thống cảm biến được thiết lập bao gồm các nút cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) và một trạm gốc. Các nút cảm biến được phân bố khắp nhà kính để thu thập dữ liệu môi trường. Trạm gốc thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến và hiển thị thông tin cho người dùng. Sơ đồ khối của nút cảm biến được trình bày trong hình 18.

5.2. Kết Quả Thử Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Quả AODV Trong Nhà Kính

Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng thuật toán AODV hoạt động hiệu quả trong hệ thống nhà kính. AODV có thể thiết lập các đường đi giữa các cảm biến và trạm gốc một cách nhanh chóng và hiệu quả. Tỷ lệ mất gói tin thấp và độ trễ truyền tin chấp nhận được. Tuy nhiên, AODV cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như tiêu thụ năng lượng tương đối cao. Cần có các giải pháp để tối ưu hóa năng lượng của AODV trong môi trường nhà kính.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về WSN

Luận văn đã trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN), các giao thức định tuyến và các thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng. Đề tài cũng đã ứng dụng thuật toán AODV trong hệ thống điều khiển và giám sát môi trường nhà kính và đánh giá hiệu quả của thuật toán này. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng WSN có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, chẳng hạn như tiết kiệm năng lượng, đảm bảo độ tin cậy và bảo mật của dữ liệu.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai Về WSN

Trong tương lai, có nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực WSN. Một số hướng nghiên cứu chính bao gồm: phát triển các giao thức định tuyến tối ưu năng lượng mới, nghiên cứu các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng, phát triển các giải pháp bảo mật cho WSN, tích hợp WSN với các công nghệ khác (ví dụ: Internet of Things, Cloud Computing) và ứng dụng WSN trong các lĩnh vực mới (ví dụ: y tế, nông nghiệp thông minh).

6.2. Tối Ưu Hóa Năng Lượng và Bảo Mật Cho Mạng Cảm Biến WSN

Tối ưu hóa năng lượng và bảo mật là hai vấn đề quan trọng cần được giải quyết trong WSN. Để tối ưu hóa năng lượng, cần phát triển các giao thức định tuyến và các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn. Để bảo mật dữ liệu, cần phát triển các giải pháp mã hóa và xác thực mạnh mẽ. Ngoài ra, cũng cần nghiên cứu các giải pháp để bảo vệ WSN khỏi các cuộc tấn công từ bên ngoài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. Giới thiệu Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuât vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời. Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối tượng thông minh.

Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến. Mạng cảm biến liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút trong mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên [3]. Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động [4][5].

Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hình 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.1 mô hình mạng cảm biến không dây. Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bố trí ở vị trí xa, khó đi lại hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm biến. Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, trong đó có chủ đề kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây.

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một số đặc điểm nổi bật như sau: - Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng. do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 5 - WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế và giao thức truyền vô tuyến riêng. - Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin.), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến.

- Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ. - Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng. - Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.

Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5].

Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến. Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút cảm biến.

Các nút cảm biến giữ nhiệm vụ theo dõi xem nút nào là nút hàng xóm của chúng. Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Lớp vật lý Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 7 Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.4 sử dụng băng tần 902-928MHz. Tại châu Âu, 802.4 sử dụng băng tần 868- 868.

Phần còn lại của thế giới, 802.4 sử dụng băng tần 2400-2483.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi băng tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1. Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz.

Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK).

Trên tất cả các kênh, IEEE 802.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 8 Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.

Các kênh vô tuyến IEEE 802.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.3 cho thấy sự chồng lấn giữa 802. Tất cả kênh 802.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thì có 2 kênh của 802.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian.

Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.4 không bị ảnh hưởng bởi 802. Lớp liên kết dữ liệu Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www. Lớp mạng Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây. Lớp truyền tải Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.

Lớp ứng dụng Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên tầng này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu cho toàn bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây [4].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 10 Bên cạnh những thuật toán định tuyến trên, thì hiện nay người ta sử dụng chuẩn Zigbee để thực hiện việc thiết lập môi trường truyền thông không dây trong mạng cảm biến. Chuẩn Zigbee là chuẩn được dùng phổ biến bởi ưu điểm như tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp [7].