Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây sẽ giới thiệu một cách tổng quan về WSN, các dạng ứng dụng của WSN và đƣa ra những tiêu chí đánh giá cho WSN cũng nhƣ tiêu chí đánh giá một nút mạng cảm nhận. Chương 2: Nút mạng sẽ đƣa ra các tiêu chí đánh giá cho một nút mạng trong WSN, đồng thời giới thiệu một vi điều khiển CC1010 để làm nút mạng. Chương 3: Các phương pháp ghép nối CC1010 với các loại đầu đo và chương trình thực hiện. Mục đích của chƣơng này nêu các phƣơng pháp ghép nối giữa vi điều khiển CC1010 với các loại cảm biến bao gồm các loại cảm biến số nối tiếp và cảm biến tƣơng tự.
Chƣơng này cũng giới thiệu chi tiết về cách làm việc của CC1010 với cảm biến áp suất MS5535 cũng là một dạng cảm biến số nối tiếp. Điều này góp phần khẳng định khả năng ghép nối với nhiều loại cảm biến khác nhau của CC1010. Chương 4: Phần mềm nhúng. Mục đích của chƣơng này giới thiệu các bƣớc cơ bản xây dựng một phần mềm nhúng và các phƣơng pháp gỡ lỗi cho phần mềm nhúng.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 4 - Chương 5: Triển khai chức năng mạng và các thử nghiệm. Mục đích của chƣơng này là đƣa ra một cách xây dựng một WSN dựa trên vi điều khiển CC1010. Đa truy cập đƣợc xây dựng dƣới dạng hỏi-đáp. Bảng định tuyến hình cây chứa trong các nút mạng.
Các thử nghiệm đã thực hiện theo các tiêu chí độ ổn định truyền dữ liệu, khả năng tiết kiệm năng lƣợng của các nút mạng. Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt đƣợc đồng thời cũng đề cập đến công việc và hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai. Tác giả luận văn này xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS. Vƣơng Đạo Vy, Khoa Điện tử viễn thông - Trƣờng Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả Nguyễn Thế Sơn TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 5 - CHƢƠNG I GIỚI THIỆU MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 1.1 Mạng cảm nhận không dây Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa trên công thức đơn giản sau: Cảm nhận + CPU + Radio = WSN Từ công thức đơn giản trên, rất nhiều ứng dụng xuất hiện. Tuy nhiên, việc kết hợp các cảm biến, radios, và CPU vào một mạng cảm nhận không dây (wireless sensor network-WSN) đòi hỏi hiểu biết chi tiết về khả năng và giới hạn của các thành phần phần cứng, cũng nhƣ hiểu rõ các công nghệ mạng hiện đại, lý thuyết phân bố hệ thống. Một thách thức là ánh xạ toàn bộ yêu cầu hệ thống vào một thiết bị riêng lẻ. Để làm cho WSN trở nên thực tế, một kiến trúc cần đƣợc phát triển để tổng hợp các ứng dụng dựa trên khả năng của phần cứng.
Để phát triển kiến trúc hệ thống cần đi từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống các yêu cầu phần cứng mức thấp. Để giới hạn số các ứng dụng phải xem xét, cần tập trung vào một tập các dạng ứng dụng đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế. Sử dụng các dạng ứng dụng này để tìm ra các yêu cầu mức hệ thống cho toàn bộ kiến trúc. Từ các yêu cầu mức hệ thống này, có thể có các yêu cầu cho các nút mạng riêng lẻ.1 Các dạng ứng dụng của mạng cảm nhận Có ba dạng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây: thu thập dữ liệu môi trường, giám sát an ninh, và theo dõi đối tượng.
Hầu hết các ứng dụng chủ yếu của WSN đều thuộc ba dạng này.1 Thu thập dữ liệu môi trƣờng Mạng cảm nhận không dây thu thập dữ liệu môi trƣờng ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tin về môi trƣờng tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hƣớng hoặc quy luật vận động của môi trƣờng. Bài toán này đƣợc đặc trƣng bởi một số lớn các nút mạng, thƣờng xuyên cung cấp thông số môi trƣờng và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base station) có kết nối với trung tâm xử lý (thƣờng là hệ thống máy tính) phân tích, xử TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 6 - lý, đƣa ra các phƣơng án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lƣu trữ số liệu. Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là thời gian sống phải dài hay nói cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lƣợng ít. Mạng cho ứng dụng thu thập dữ liệu môi trƣờng thƣờng sử dụng topology dạng cây, mỗi nút mạng có một nút cha duy nhất.
Trạm gốc sẽ là gốc của cây. Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ đƣợc gửi đến cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo (nút ông), cứ nhƣ vậy, dữ liệu sẽ đƣợc chuyển về trạm gốc. Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là: - Hiện tƣợng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lƣợng nút mạng lớn. - Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, không hoạt động.
Để mạng tiếp tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng. - Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết vấn đề tiêu thụ năng lƣợng của các nút mạng tối ƣu nhất. - Phần mềm nhúng phải đƣợc thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với bài toán truyền thông các thông số đo đƣợc nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Phần mềm phải tƣơng thích với phần cứng để hệ có khả năng hoạt động ổn định theo thời gian.2 Giám sát an ninh Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm nhận là giám sát an ninh.
Các mạng giám sát an ninh đƣợc tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong môi trƣờng liên tục theo dõi một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thƣờng. Sự khác nhau chủ yếu giữa giám sát an ninh và giám sát môi trƣờng là các mạng an ninh không thu thập bất kỳ dữ liệu nào. Điều này có tác động lớn đến việc tối ƣu kiến trúc mạng. Mỗi nút thƣờng xuyên kiểm tra trạng thái các cảm biến của chúng nhƣng chỉ truyền dữ liệu khi có sự vi phạm an ninh.
Việc truyền tức thời và tin cậy của thông điệp cảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 7 - Thêm vào đó, nó cần đƣợc xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động. Nếu một nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần đƣợc thông báo. Đối với các ứng dụng giám sát an ninh, mạng cần đƣợc cấu hình sao cho các nút chịu trách nhiệm xác nhận trạng thái các nút khác.
Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang hàng sẽ thông báo nếu một nút không hoạt động. Mô hình tối ƣu của một mạng giám sát an ninh sẽ hoàn toàn khác với mạng thu thập dữ liệu. Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu. Do đó, tối ƣu là cây ngắn và rộng.
Ngƣợc lại, với mạng an ninh cấu hình tối ƣu sẽ có mô hình mạng tuyến tính. Công suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con của nó. Trong mạng tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con. Điều này phân phối đều năng lƣợng tiêu thụ của mạng.
Sự tiêu thụ năng lƣợng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo hiệu cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh. Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an ninh cần đƣợc truyền tới trạm gốc ngay lập tức. Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua mạng tới trạm gốc có ảnh hƣởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng. Các nút mạng cần có khả năng trả lời nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để chuyển tiếp dữ liệu.
Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo quan trọng hơn việc giảm chi phí năng lƣợng khi truyền. Điều này do các sự kiện cảnh báo rất hiếm khi xảy ra. Trong mạng phòng cháy các cảnh báo gần nhƣ không bao giờ xảy ra. Đối với sự kiện xảy ra 1 lần năng lƣợng chủ yếu đƣợc dành cho việc truyền.
Giảm độ trễ truyền sẽ làm tăng năng lƣợng tiêu thụ vì các nút định tuyến phải giám sát các kênh radio thƣờng xuyên hơn. Trong các mạng an ninh, phần lớn năng lƣợng tiêu thụ dành cho việc xác nhận chức năng của các nút láng giềng và chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo. Việc truyền dữ liệu hiện thời sẽ tốn một phần năng lƣợng của mạng.3 Theo dõi đối tƣợng Với các mạng cảm nhận không dây, các đối tƣợng có thể đƣợc theo dõi đơn giản gắn chúng với một nút cảm biến nhỏ. Nút cảm biến này sẽ đƣợc theo dõi khi TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - 8 - chúng đi qua một trƣờng các nút cảm biến đƣợc triển khai tại những vị trí đã biết.
Thay vì cảm nhận dữ liệu môi trƣờng, những nút này sẽ đƣợc triển khai để cảm nhận các thông điệp RF của các nút gắn với các đối tƣợng. Những nút này có thể đƣợc sử dụng nhƣ những thẻ để thông báo sự có mặt của một thiết bị. Một cơ sở dữ liệu có thể đƣợc sử dụng để ghi lại vị trí tƣơng đối của đối tƣợng với các nút mạng, do đó có thể biết vị trí hiện thời của đối tƣợng. Không nhƣ mạng cảm nhận hay mạng an ninh, các ứng dụng theo dõi sẽ liên tục thay đổi topology khi các nút đi qua mạng.
Trong khi sự kết nối giữa các nút tại các vị trí cố định tƣơng đối ổn định, sự kết nối tới các nút di động sẽ liên tục thay đổi. Thêm vào đó tập hợp các nút bị theo dõi sẽ liên tục thay đổi khi các nút gia nhập hay rời khỏi hệ thống. Điều chủ yếu là mạng có khả năng nhận biết một cách hiệu quả sự có mặt của các nút mới đi vào mạng.2 Các chỉ tiêu hệ thống Sau đây là các chỉ tiêu để đánh giá một WSN. Các chỉ tiêu chủ yếu là thời gian sống, độ bao phủ, chi phí và dễ triển khai, thời gian trả lời, độ chính xác thời gian, bảo mật, và tốc độ lấy mẫu hiệu quả.
Các chỉ tiêu này lại liên quan với nhau.