Chương 1: TONG QUAN VE MANG CAM BIEN KHONG DAY 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây. Trong những năm gân đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển vả triền khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo đối su thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và đô thâm việc tân công bằng hạt nhân, sinh hoc vả hoa hoc, chuẩn đoản sự hỏng hỏc của máy móc, thiết bị, theo dâu va giảm sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng nhự quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiên xe cô. Hơn nữa với sư tiên bộ công nghề gân day va hội tụ của hệ thông các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghé mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biên, xử lý vá tính toản tin hiệu. đã tạo ra những.
con cảm biên có kích thước nhỏ, đa chức năng, giả thánh thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng tmg dụng rông rãi của mạng cảm bien khong day Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biển nhỏ có giá thành thâp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nỗi không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tỉnh toán nhằm mục đích thu thập, tập trung đữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cụe về mỗi trường tự nhiễn Những nút cảm biển nảy bao gồm các thành phân: Các bỏ-vi xứ lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phân cảm biển, bộ thu phát không dây, nguôn nuôi. Kích thước của các con cảm biển này thay đổi từ to như hộp giầy cho den nhỏ nhì hạt bụi, tủy thuốc vào từng ứng dung. * Mạng cảm biển cỏ một số đặc điểm sau: + Cé khả năng tự tô chức, yêu câu ít hoặc không có sự can thiệp của con người + Truyền thông khiông tin cây, quảng bá trong phạm vì hẹp và định tuyển multihop + Triển khai dây đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm bien + Cau hinh mạng thay đôi thường xuyên phụ thuốc vảo fading vá hư hỏng ở các nút + Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ vả công suất tính toàn. Chỉnh những đặc tỉnh này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mang cảm biển.
Nguyễn Thị Thu Thủy_CT?1001 ĐHDLHP 3 Đồ án tốt nghiệp 1.2, Câu trúc mạng cảm biến 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cẫu trúc mạng cảm biên Các câu trúc hiện nay cho mạng Internet và mang ad học không dây không dùng được cho mạng cảm biên không dây, do một số lý đo sau: - 8ồ lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biên cỏ thê lớn gấp nhiều lần số lượng. nút trong mạng ad hoc. ~ Các nút cảm biên để bị lôi.
~ Câu trúc mạng cảm biến thay đổi khả thường xuyên. - Các nút cảm biển chủ yêu sử dụng truyền thông kiểu quảng bả, trong khi hàn hết các mạng ađ hoe đều dựa trên việc truyền điểm-điểm. biển bï giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ, ~ Các nút cảm biển cỏ thể không có số nhận dạng toàn cau (global identification) (ID) vi chúng cỏ một số lượng lớn mảo đầu vả một số lượng lớn các nút cảm biến Do vậy, cầu trúc mang mới sẽ: ++ Kết hợp vẫn đẻ năng lượng vả khả năng đỉnh tuyên. + Tỉch hợp dữ liêu và giao thức mang + Truyền nẵng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây, + Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.
Các mit cam biên được phân bề trong một sensor field như hình (1. Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. — rae va ye in ) peo sin |) © Nat cm biển. Sy hen ©) Trvong cian bin: Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Nguyễn Thị Thu Thủy_CT1001 ĐHDIL.HP 4 Đồ án tốt nghiệp Dữ liệu được định tuyên lại đến các sink bởi một câu trúc đa điểm như hình yẽ trên.
Các simk cỏ thẻ giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vu (task manager mit) qua mang Tntertiet hoặc về tình. Sink là một thực thể, tái đó thông tin được yêu câu. Sink có thể là thực thể bên trong mang (1a mot mit cam biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoải mạng cỏ thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mã tương tác với mạng cảm biển, hoặc cũng đơn thuân chỉ lá một gateway mà nỏi với mang khác lớn hơn như Internet noi ma các yêu câu thức sự đối với các thỏng tin lây từ một vài nút câm biến trong mạng.
* Giới thiệu về mùt cảm biến: Câu tạo của mút cảm biên như sau: Mỗi mút cảm biển được câu thành bởi 4 thánh phân cơ bản như ở hình (12): don vi cam bien (a sensing unit), don vi xir ly (a processing unit), don vi tuyen dân (a transceiver unit) va bo nguén (a power umt), Ngoài ra có thể cô thêm những thành phân khác tủy thuộc vao timg img dung nhir la hé thong dinh yi (location finding system), bộ phát nguon (power generator) va bé phan di déng (mobilizer) He thong da vị Lipedlg — Tìm tí cầu lite [ren ADC Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến. Các đơn yi cam bien (sensing units) bạo gồm cảm biển và bộ chuyển đổi tương, tự-sổ, Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương từ tạo ra bởi sensor được chuyên sang tín hiệu số băng bô ADC, sau đó được đưa váo bộ xử lý Đơn vi xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage trai), quyết định các thủ tục lâm cho các nút kết hợp với nhau đề thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Phân thu phát võ tuyển kết nội các rút vảo mạng, Nguyễn Thị Thu Thiy_ CT 1001. DHDLHP an Đồ án tốt nghiệp Một trong số các phan quan trong nhất của một nút mang cảm bien Ja bộ nguồn Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phân lọc như là tế bảo năng lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ kháe phụ thuộc vảo từng img dung Tiểu hẻt các kĩ thuật định tuyển vả các nhiệm vụ cảm biển của mạng deu yêu cảu cö đỏ chính xác cao về vi trí.
Các bộ phân di đông đôi lúc cân phải địch chuyển các nút cảm biển khi cân thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã án định. Tất cả những thành phản nảy cần phải phủ hợp với kích cỡ từng tnodule. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biên còn một số ràng buộc nghiệm ngặt khác, nhự là phải tiểu. thụ rất íL năng lượng, hoạt đồng ở mật đỏ cao, có giá thành thấp, có thê tự Hoat dong, vả thích biên với sư biển đổi của môi trường.
* Đặc điểm của cầu trúc mạng câm biển: Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biển là bao gồm môt số lượng lởn các mút cảm biển, các nút cảm biến có giới hạn vã rảng buộc vẻ tải nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đỏ, cau trúc mạng mới cô đặc điểm rất Khác với các mang truyền thông. Sau đảy ta sẽ phân tích mốt số đặc điểm nôi bật trong mạng cảm biển như sau - Khả năng chịu lỗi (fault tolerance). Một số các nút cám biển có thẻ không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường.
Khả năng chíu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoat động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một sở nút mạng không hoạt đồng. ~ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến được triển khai eõ thể đến hang trăm nghìn nút, phụ thuộc vảo từng ứng dụng con số này cỏ thể vượt quả hãng triệu Đo đỏ câu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng đề có thẻ làm việc với số hương lớn các nút nảy. - Giả thành sản xuất: Vì các mang cảm biên bao gòm một số lương lớn các nủt cảm biển nên chỉ phí của mỗi nút rất quan trong trong việc điều chỉnh chủ phí của toản mang. Nếu chỉ phí của toàn mang đất hơn việc triển khái sensor theo kieu truyền thống, như vảy mang không cỏ giả thành hợp ly.
Do vay, chi phi cia mỗi mit cam biển phải giữ ở mức thấp. - Rang buộc về phần cứng - Vì số lượng các nút trong mang tất nhiêu nên các nút cảm biên cẩn phải có các ràng buôc vẻ phản cứng như sau : Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thập, cá khả năng hoạt đông ở những nơi có mật độ cao, chỉ phi Nguyễn Thị Thu Thủy_CT?1001 ĐHDLHP 6 Đồ án tốt nghiệp sản xuat thấp, có khả năng tư trí vả hoạt động không cân có người kiểm soät, thích nghi với môi trưởng ~AHôi trường hoạt động: Cac nút cảm bien được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thể, chúng thường làm việc mà không can giảm sát ở những vủng xa xôi. Chúng có thê làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở đưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiệm hóa học hoặc sinh học, ở gia đỉnh boặc những tỏa nhà lớn.
~ Phương tiện truyền dẫm: Ở những mạng cảm biển multihop, các nút được kết nỏi bang những phương tiên không dây. Các đường kết nói nảy cỏ thẻ tạo nén boi song võ tuyển, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Đẻ thiết lập sự hoạt đông thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dân phải được chọn phải phủ hợp trên toàn thê giới. Hiên tại nhiêu phân címg của cae nit cam biên đưa vào thiết kế mạch RF.
Những thiết bị câm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vỏ tuyển 1 kênh RF hoạt động ở tân số 916MHz Một cách khác mà các mit trong mang giao tiếp với nhau lả bằng hồng ngoại Thiết kế máy thu phát võ tuyên dùng hồng ngoại thi giá thành rẻ và đề dàng hơn. Cả hại loai hồng ngoại và quang đều yêu câu bộ phát vả thu năm trong phạm ví nhìn thấy, tức lá có thể truyền ảnh sảng, cho nhau được: - Cau hình mạng cảm biển (netwotk topology): Trong mang cảm biển, hàng trăm đến hàng nghìn mút được triển khai trên trường cảm biển. Chúng được triển khai trong vông hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thẻ lên tới 20 mủt/m3.