Đặt vấn đề và hƣớng giải quyết Trong thế giới hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đã có những bƣớc phát triển không tƣởng, đạt đƣợc nhiều thành tựu lớn phục vụ cho cuộc sống của con ngƣời. Cùng chung với những bƣớc tiến trong khoa học kỹ thuật đó, các công nghệ trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây cũng không ngừng phát triển và đáp ứng ngày càng nhiều các yêu cầu trong cuộc sống cũng nhƣ cung cấp các ứng dụng phục vụ trong các lĩnh vực nhƣ y tế, giáo dục, quân sự, dân sự, nghiên cứu… Mạng cảm biến không dây có rất nhiều các ứng dụng quan trọng đƣợc sử dụng trong cuộc sống hiện đại, một trong số chúng là ứng dụng định vị một đối tƣợng cần quan sát. Việc xác định vị trí của đối tƣợng cần quan tâm đã trỡ thành một vấn đề rất phổ biến và quan trọng. Chẳng hạn nhƣ trong vận chuyển hàng hóa cần biết vị trí chính xác của kiện hàng, hay nhƣ trong việc nghiên cứu động vật cần biết đƣợc vị trí của con vật và nhiều ứng dụng khác.
Để giải quyết vấn đề này đã có nhiều hệ thống đƣợc nghiên cứu và xây dựng nhằm định vị đƣợc vị trí của đối tƣợng mong muốn, và dùng nhiều nhất đó chính là hệ thống GPS (Global Positioning System). Nhƣng hệ thống GPS với chi phí lớn, phạm vi hoạt động rộng và các yếu tố khác nhiều khi không phù hợp với các ứng dụng ở quy mô nhỏ và đơn lẽ. Vì vậy kỹ thuật định vị trong mạng cảm biến không dây (WSNs) ra đời nhằm giải quyết vấn đề này. Kỹ thuật định vị trong WSNs để ƣớc tính vị trí node cảm biến chƣa biết với vị trí ban đầu trong mạng bằng cách sử dụng các thông tin về vị trí đã có sẵn trong mạng.
Các vị trí này đƣợc định sẵn trong mạng. Sử dụng các thông tin có thể suy ra vị trí của nó nhƣ đo lƣờng khoảng cách, sai lệch thời gian đến, hoặc góc đến và sự liên kết thông tin vv. Thiết bị cài sẵn vị trí thông tin trên mạng đƣợc gọi là Anchor và vị trí của nó có thể đƣợc sử dụng bằng GPS hoặc bằng việc cài vị trí với một hệ tọa độ tƣơng đối nào đó.Trong các ứng dụng đòi hỏi một hệ thống tọa độ toàn cầu, các anchors này sẽ xác định vị trí của các mạng cảm biến trong hệ thống tọa độ toàn cầu. Trong các ứng dụng có phạm vi nhỏ (ví dụ: trong nhà thông minh, bệnh viện, quản lý hàng tồn kho…) các anchors xác định hệ thống tọa độ địa phƣơng.
Do hạn chế về chi phí và kích thƣớc của bộ cảm biến, tiêu thụ năng lƣợng, môi trƣờng thực Trang 1 Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài tế (ví dụ: GPS không thể truy cập trong một số môi trƣờng) và việc triển khai các bộ cảm biến (ví dụ: cảm biến có thể đặt ngẫu nhiên nằm rải rác trong khu vực), hầu hết các bộ cảm biến không biết vị trí của mình. Các cảm biến này với thông tin địa điểm chƣa biết đƣợc gọi là các node non-anchors, tọa độ của chúng cần phải đƣợc ƣớc tính bằng cách sử dụng một thuật toán định vị (Localization) trong mạng cảm biến. Đề tài sẽ thực hiện việc nghiên cứu các kỹ thuật định vị dùng trong mạng cảm biến không dây, mô phỏng thuật toán tối ƣu nhất trong các kỹ thuật bằng phần mềm mô phỏng Cooja của hệ điều hành Contiki. Đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của việc định vị trong mạng cảm biến không dây.
Sau đó sẽ triển khai kỹ thuật định vị với mô hình đơn giản vào trong thực tế.2 Lý do chọn đề tài Mạng cảm biến đã đƣợc nghiên cứu trong hơn 30 năm, nhƣng các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây (WSNs) mới đƣợc đƣa vào thực tế bởi những tiến bộ gần đây trong liên lạc không dây và điện tử, nhờ vào sản xuất chi phí thấp, cảm biến đa chức năng, khả năng xử lý của cảm biến đƣợc mở rộng và kích thƣớc nhỏ trong kết nối ở một khoảng cách ngắn. Ngày nay, giá thành rẻ, cảm biến thông minh, mạng kết nối thông qua các liên kết không dây và triển khai với số lƣợng lớn, cung cấp cơ hội chƣa từng có để theo dõi và kiểm soát các đối tƣợng mong muốn. Ngoài ra, mạng cảm biến có khả năng kết nối một số lƣợng lớn các cảm biến trên một khu vực xác định, tạo ra khả năng mới về các ứng dụng đƣợc dùng rộng rãi trong thực tế cuộc sống. Chẳng hạn ứng dụng về phát hiện và giám sát về môi trƣờng, về sinh hóa học, về quân sự…, hay ứng dụng về thu thập xử lý thông tin và lƣu trữ dữ liệu, hoặc ứng dụng về điều khiển quản lý và hệ thống tự động.
Hầu hết các ứng dụng trong WSNs thì vấn đề định vị có vai trò rất quan trọng. Với kỹ thuật định vị trong WSNs ta có đƣợc thông tin vị trí của cảm biến và thông tin này đƣợc sử dụng tùy theo ứng dụng cụ thể. Chính vì những hiệu quả to lớn của kỹ thuật định vị trong mạng WSNs mang lại mà kỹ thuật này ngày càng đƣợc nghiên cứu và phát triển đạt đƣợc nhiều bƣớc tiến vƣợt trội. Đó là lý do mà tôi đã chọn đề tài này để thực hiện.3 Mục đích nghiên cứu Trang 2 Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài Các kiến thức và kết quả đƣợc thực hiện ở luận văn là: - Giới thiệu khái quát về mạng cảm biến không dây.
- Tìm hiểu về các kỹ thuật đo định vị trong kỹ thuật định vị. - Tìm hiểu về kỹ thuật định vị RSSI với thuật toán LWCL. - Mô phỏng và tính toán kỹ thuật định vị RSSI với thuật toán CL và LWCL. - Đánh giá các ảnh hƣởng đến độ chính xác trong ƣớc lƣợng vị trí.
- Triển khai kỹ thuật định vị với mô hình đơn giản trong thực tế.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Do hạn chế về điều kiện triển khai thực tế nên các nghiên cứu thực hiện việc mô phỏng kỹ thuật định vị dùng thuật toán CL và LWCL, đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của vị trí cảm biến đƣợc định vị, tiếp đến triển khai thực tế việc đo đạt chỉ số RSSI suy hao theo khoảng cách, thực nghiệm định vị bằng giải thuật LWCL với mô hình đơn giản thông qua đó để biết đƣợc từ lý thuyết mô phỏng áp dụng vào thực tế có những sự khác biệt nào do các yếu tố nào gây ra. Các nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần tối ƣu việc định vị trong mạng cảm biến không dây khi triển khai vào môi trƣờng thực tế. Tính toán và mô phỏng theo các phần sau: - Tìm hiểu các thuật toán định vị trong mạng cảm biến không dây. - Sử dụng hệ điều hành Contiki và chƣơng trình mô phỏng Cooja để mô phỏng kỹ thuật định vị trong mạng cảm biến không dây.
- Đánh giá các yếu tố gây ảnh hƣởng đến độ chính xác của vị trí. Chƣơng trình mô phỏng sẽ giúp việc triển khai hệ thống vào thực tế đƣợc thuận lợi hơn, chính xác hơn. Giúp tìm ra phƣơng pháp tối ƣu dùng trong định vị và cách khắc phục sai số về vị trí do các yếu tố gây ra. Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ đƣa ra những cơ sở lý thuyết về kỹ thuật định vị dùng trong mạng cảm biến không dây và kết quả mô phỏng dùng thuật toán CL và LWCL từ mô hình, đƣa ra đƣợc các yếu tố gây sai số và cách khắc phục nó.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Lý thuyết: - Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây.
- Giới thiệu về kỹ thuật định vị trong mạng cảm biến không dây. Trang 3 Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài - Các kỹ thuật đo định vị trong kỹ thuật định vị. - Tìm hiểu về kỹ thuật định vị RSSI với thuật toán WCL và LWCL. - Nghiên cứu về hệ điều hành Contiki và chƣơng trình mô phỏng Cooja.
Mô phỏng: - Từ các cơ sở lý thuyết về kỹ thuật định vị RSSI với thuật toán WCL và LWCL tiến hành mô phỏng định vị cảm biến trong mạng cảm biến không dây có n*m các cảm biến. - Từ kết quả mô phỏng tìm ra các yếu tố ảnh hƣởng đến sai số vị trí và đƣa ra giải pháp khắc phục. - Dùng hệ điều hành Contiki và chƣơng trình mô phỏng Cooja thực hiện mô phỏng. Thực tế: - Tìm hiểu về một thiết bị cảm biến thực tế là TelosB.
- Thực nghiệm đo suy hao trong thực tế của tín hiệu RSSI. - Thực nghiệm định vị trong một mô hình đơn giản tại khuông viên trƣờng ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh. Trang 4 Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WSNs VÀ CÁC ỨNG DỤNG 2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 2.1 Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây Hình 2.1: Mô hình mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng liên kết các node với nhau dùng sóng vô tuyến. Trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu.
Các node mạng thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, chi phí thấp và có số lƣợng lớn đƣợc phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lƣợng bị hạn chế và hoạt động trong thời gian dài. Chúng có khả năng xử lý thông tin và trao đổi với các thiết bị khác để tạo thành khả năng quan sát, thu thập dữ liệu, phân tích các sự kiện và hiện tƣợng xảy ra trong môi trƣờng cần cảm biến. Một node cảm biến có các thành phần bao gồm: bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thƣớc của các con cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Các node cảm biến có khả năng liên lạc với các node lân cận và có các chức năng cơ bản xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng, giao tiếp với các node lận cận để truyền tới node trung tâm. Trang 5 Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng Đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến không dây: - Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con ngƣời. - Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vị hẹp và định tuyến multihop. - Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các node cảm biến.
- Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading và hƣ hỏng ở các node.
