Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây sẽ giới thiệu qua về mạng cảm biến không dây, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây, cấu trúc của mạng, cấu tạo, phân loại nút mạng và các đầu đo khí độc ứng dụng trong mạng. Pha chế và kiểm thử nồng độ khí phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí độc. Chương này giới thiệu về quy trình pha chế các nồng độ khí độc từ một nồng độ cao cho trước phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí độc, cách xác định trọng lượng của khí từ các nồng độ pha chế theo lý thuyết và thông qua thí nghiệm.
Đồng thời, trình bày các bước xây dựng quy trình kiểm nghiệm mọi mẫu khí với sai số rất nhỏ. Đầu đo khí độc CO và kiểm thử chuẩn hóa đầu đo sẽ giới thiệu về đầu đo khí độc CO-AF, mạch điều khiển cảm biến và các bước tiến hành chuẩn hóa đầu đo khí độc CO. Ghép nối đầu đo với mạng cảm biến không dây và đo kiểm thử. Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt được, đồng thời đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Để hoàn thành được luận văn này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của PGS. Vương Đạo Vy, thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc nhất. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Chƣơng 1.
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN – Wireless Sensor Network). Giới thiệu chung: Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được nhiều tiến bộ đáng kể. Mạng cảm biến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, hay điều kiện môi trường,… ở các vị trí khác nhau. Mạng hoạt động trên nguyên lý là một nút mạng sẽ cảm nhận thông số của một môi trường cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trường không dây về trạm gốc (nút gốc), trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh Hình 1.
Mô hình mạng WSN xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết là một máy vi tính mà có thể được chế tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với đặc thù của từng ứng dụng cụ thể. WSN liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp. và có số lượng lớn, được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng Hình 1.
Nút mạng WSN pin, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ không ổn định. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây (WSN). Mạng cảm biến không dây đang ngày càng trở nên quan trọng do những ưu việt vượt trội và đang được nghiên cứu đưa vào sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Cụ thể như: ứng dụng trong quân sự, khoa học, môi trường và trên những vùng chưa từng có trước đây của mạng WSN.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 - Ứng dụng trong quân sự: Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các node giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng cảm biến là : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân (NCB).
- Ứng dụng trong công nghiệp, thương mại và đời sống: + Ứng dụng kiểm tra cấu trúc (tòa nhà, cầu, đường, máy móc…) và động đất: Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất, những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào. + Điều khiển hệ thống chiếu sáng, đo độ ẩm, phát hiện và cảnh báo phòng cháy, chống rò rỉ khí,… + Điều khiển tự động các thiết bị, robot,… + Giám sát rò rỉ phóng xạ trong điện hạt nhân, giám sát trong công nghiệp chế tạo bán dẫn và giám sát các công trình nghệ thuật trong các bảo tàng, … + Mạng WSN còn giúp các kỹ sư xây dựng mô hình chính xác về sự rò rỉ chất độc vào trong đất và qua đó có thể giám sát khu công nghiệp, đánh giá sự rò rỉ sự ô nhiễm vào đất. + Ứng dụng trong gia đình: Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
- Ứng dụng trong y tế và giám sát sức khoẻ: Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến là cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện. - Cảm biến môi trường và nông nghiệp: Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. Cấu trúc của WSN 1. Cấu trúc của WSN với kiểu lƣu trữ dữ liệu tập trung: WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng,.
do vậy WSN đòi hỏi một topo mạng linh động (ad-hoc, mesh, star,.) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị WSN có thể cùng hay không cùng mạng với nhau. WSN tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành các cụm (cluster) để ổn định topo của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến (routing), giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm được năng lượng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút mạng (theo cluster). - Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu cơ bản, có một nút được gọi là nút sink.
Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn được truyền trực tiếp đến nó. Topo mạng đơn giản nhất cho ứng dụng này là topo hình sao đơn hop. Mô hình lƣu trữ dữ liệu tập trung topo này, tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink. - Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai trên diện rộng thì sử dụng topo hình cây đa hop.
Trong topo này, một vài nút được xem như các nút nguồn của chính chúng và định tuyến cho các nguồn khác. - Nút sink thường có cấu trúc phức tạp, thông Hình 1. Topo hình cây đa hop LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 thường là các máy tính PC và các phương pháp lưu trữ dữ liệu trên máy tính PC đã được phát triển rất hiệu quả. Nhận xét: Dữ liệu được thu thập và xử lý tập trung tại nút cơ sở nên giảm nhẹ yêu cầu về khả năng xử lý cho các nút cảm nhận.
Mô hình phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải cập nhật các thông số môi trường một cách thường xuyên. Nếu xảy ra lỗi trên đường truyền thì gói tin tương ứng sẽ bị mất và nút cơ sở cũng không thể lấy lại được thông số môi trường tại thời điểm đó. Thậm chí nếu một nút nào đó giữ vai trò trung gian trong mạng bị ngừng hoạt động thì dữ liệu từ các nút phụ thuộc nó sẽ không đến được với nút cơ sở. Do đặc điểm phải truyền thông liên tục nên các nút cảm nhận sẽ phải có nguồn năng lượng dự trữ đủ lớn để hoạt động trong thời gian dài, hơn nữa khi số lượng các nút mạng tăng lên nhiều cũng làm chu kỳ hoạt động của mạng tăng lên và thời gian đáp ứng của mạng giảm xuống tương ứng.
Cấu trúc của WSN với kiểu lƣu trữ dữ liệu phân tán: Trong nhiều ứng dụng không đòi hỏi nút cơ sở phải cập nhật thông tin từ các nút cảm nhận một cách liên tục, nhưng các nút cảm nhận vẫn phải lưu trữ các thông số môi trường một cách liên tục. Với các ứng dụng như vậy người ta thường áp dụng mô hình mạng WSN lưu trữ dữ liệu kiểu phân tán: Mỗi nút cảm nhận sẽ được kết nối với một bộ nhớ mở rộng, khi đó dữ liệu mà nút cảm nhận thu thập được từ môi trường có thể được lưu trữ lại một cách liên tục, dài ngày. Các nút cảm nhận sẽ truyền dữ liệu về khi xảy ra tình trạng vượt ngưỡng hoặc có yêu cầu truyền từ nút cơ Hình 1.