Luận văn: Đánh giá thực nghiệm hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây

Luận văn nghiên cứu phương pháp đánh giá thực nghiệm hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây. Đề xuất giải pháp tối ưu hiệu suất mạng.

• Tác giả: Trần Văn Thông
• Người hướng dẫn: PGS. TS Vương Đạo Vy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Đề tài: Xây Dựng Phương Pháp Đánh Giá Bằng Thực Nghiệm Hiệu Quả Truyền Nhận Của Mạng Cảm Biến Không Dây
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHUONG 1: MANG CAM BIEN KHONG DAY
• 1.1. tong quan
• 1.2. Cầu tạo và phân loại nút mạng cắm biến không dây
• 1.2.1. Cầu tao
• 1.2.2. Khối xử lý
• 1.2.3. Khối truyền dẫn
• 1.2.4. Khối câm biến
• 1.2.5. Khối nguồn
• 1.2.6. Hé théng dinh vi
• 1.2.7. Bê phận di đông
• 1.2.8. Phân loại nút mạng
• 1.3. Cấu trúc mạng và các yếu tố ảnh hưởng
• 1.3.1. Cấu tric mạng
• 1.3.2. Các yếu tô ảnh hưởng đến cầu trúc mạng
• 1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biên
• 1.5. Một số chuẩn mạng cảm biến không dây
• 1.6. Các chỉ tiêu đổi với việc thiết kế hệ thống va các nút mạng cảm biến không dây
• 1.6.1. Chỉ tiêu dỗi với hệ thông mạng

Tóm tắt

I. Mở đầu Vai trò đánh giá hiệu quả mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một công nghệ đột phá, bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến nhỏ gọn, được triển khai trên một khu vực rộng lớn để thu thập dữ liệu từ môi trường. Các nút này giao tiếp với nhau qua sóng vô tuyến, tạo thành một mạng lưới thông minh có khả năng tự tổ chức và định tuyến. Ứng dụng của WSN vô cùng đa dạng, từ giám sát môi trường, nông nghiệp thông minh, y tế, cho đến các hệ thống quân sự và tự động hóa công nghiệp. Tuy nhiên, để một hệ thống WSN hoạt động ổn định và đáng tin cậy, việc đánh giá hiệu quả truyền nhận mạng cảm biến không dây là một nhiệm vụ cốt lõi và không thể bỏ qua. Hiệu quả truyền nhận không chỉ quyết định độ chính xác của dữ liệu thu thập được mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hai yếu tố sống còn của mạng: tiêu thụ năng lượng nút cảm biến và tuổi thọ mạng cảm biến không dây. Một mạng có hiệu quả truyền nhận kém sẽ gây ra tình trạng mất gói tin, yêu cầu truyền lại liên tục, dẫn đến cạn kiệt năng lượng nhanh chóng và làm giảm đáng kể thời gian hoạt động của toàn hệ thống. Do đó, việc xây dựng một phương pháp luận chuẩn xác để đo lường hiệu năng mạng cảm biến không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là yếu tố quyết định sự thành công khi triển khai các ứng dụng thực tế, đảm bảo hệ thống vận hành bền bỉ và mang lại giá trị kinh tế - xã hội cao.

1.1. Khái niệm và kiến trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến không dây (WSN) có thể được định nghĩa đơn giản qua công thức: Cảm biến + CPU + Radio = WSN. Mỗi nút mạng là một thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, bao gồm bốn khối chính: khối xử lý (vi điều khiển và bộ nhớ), khối truyền dẫn (bộ thu phát sóng vô tuyến), khối cảm biến (sensor và bộ chuyển đổi ADC), và khối nguồn (thường là pin). Các nút này được phân bố trong một không gian nhất định, có khả năng tự cấu hình thành các topo mạng linh hoạt như hình sao (star), lưới (mesh) hoặc cây (tree). Dữ liệu từ các nút cảm biến sẽ được truyền qua nhiều chặng (multi-hop) về một hoặc nhiều trạm gốc (sink node), nơi dữ liệu được tổng hợp và xử lý. Kiến trúc giao thức của một hiệu suất WSN điển hình bao gồm các lớp vật lý, liên kết dữ liệu, mạng, truyền tải và ứng dụng, cùng với các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của việc đo lường hiệu năng mạng cảm biến

Việc đo lường hiệu năng mạng cảm biến có ý nghĩa thực tiễn to lớn. Thứ nhất, nó cho phép các nhà phát triển và kỹ sư xác định được các điểm yếu trong thiết kế mạng, từ việc lựa chọn phần cứng, giao thức định tuyến WSN cho đến cấu hình các tham số truyền thông. Thứ hai, kết quả đánh giá là cơ sở để thực hiện tối ưu hóa hiệu suất WSN, chẳng hạn như điều chỉnh công suất phát, thay đổi thuật toán định tuyến để giảm độ trễ hoặc cải thiện độ tin cậy truyền thông không dây. Cuối cùng, trong các ứng dụng quan trọng như giám sát an ninh hoặc cảnh báo thiên tai, một hệ thống đã được đánh giá hiệu quả kỹ lưỡng sẽ đảm bảo thông tin được truyền đi một cách nhanh chóng và chính xác, giảm thiểu rủi ro và thiệt hại. Nếu không có một phương pháp đánh giá chuẩn xác, việc triển khai WSN chỉ mang tính may rủi và khó có thể đảm bảo các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS).

II. Thách thức chính khi đánh giá hiệu quả truyền nhận WSN

Việc đánh giá hiệu quả truyền nhận mạng cảm biến không dây phải đối mặt với nhiều thách thức phức tạp, xuất phát từ chính bản chất của môi trường truyền thông vô tuyến và các ràng buộc của thiết bị. Khác với mạng có dây, tín hiệu vô tuyến cực kỳ nhạy cảm với các yếu tố môi trường. Các hiện tượng như nhiễu và suy hao tín hiệu, fading đa đường (multipath fading) và sự che khuất bởi vật cản làm cho chất lượng liên kết trở nên khó đoán và thay đổi liên tục theo không gian và thời gian. Một thách thức lớn khác là sự giới hạn về năng lượng. Mỗi nút cảm biến hoạt động bằng pin với dung lượng hữu hạn, do đó mọi hoạt động truyền và nhận đều phải được tối ưu hóa để kéo dài tuổi thọ mạng cảm biến không dây. Điều này tạo ra một sự đánh đổi gay gắt: tăng công suất phát để cải thiện độ tin cậy có thể làm cạn kiệt năng lượng nhanh hơn. Hơn nữa, mật độ nút mạng cao trong WSN cũng có thể gây ra xung đột và giao thoa, làm giảm thông lượng (throughput) WSN tổng thể. Việc phân tích và mô hình hóa chính xác các yếu tố này là vô cùng khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng mạng cảm biến không dây và các phương pháp thực nghiệm rigurơ.

2.1. Phân tích mô hình kênh truyền không dây và suy hao tín hiệu

Chất lượng tín hiệu nhận được phụ thuộc rất nhiều vào mô hình kênh truyền không dây. Theo luận văn của Trần Văn Thông (2009), công suất tín hiệu nhận được (Pr(d)) giảm theo khoảng cách (d) và chịu ảnh hưởng của chỉ số suy hao đường truyền (η). Công thức Friis cho thấy Pr(d) tỉ lệ nghịch với d². Tuy nhiên, trong thực tế, chỉ số η thay đổi tùy thuộc vào môi trường: từ 1.6-1.8 cho tầm nhìn thẳng ngoài trời, đến 4-6 cho môi trường trong nhà bị che khuất. Sự biến thiên này, kết hợp với các hiệu ứng ngẫu nhiên, tạo ra một "vùng chuyển tiếp" (transitional region) nơi tỷ lệ gửi gói tin thành công (PDR) dao động mạnh, khiến việc dự đoán hiệu năng trở nên không chắc chắn.

2.2. Bài toán cân bằng giữa hiệu suất WSN và tiêu thụ năng lượng

Tối ưu hóa hiệu suất WSN luôn phải đi đôi với bài toán quản lý năng lượng. Quá trình truyền và nhận vô tuyến là hai hoạt động tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong một nút cảm biến. Việc giữ radio ở chế độ nhận (idle listening) để chờ gói tin cũng tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể. Do đó, các giao thức lớp MAC (Medium Access Control) phải được thiết kế thông minh để cho phép các nút chuyển sang chế độ ngủ (sleep) càng nhiều càng tốt mà không làm tăng độ trễ (latency) mạng cảm biến. Đây là một sự cân bằng tinh tế, bởi việc giảm chu kỳ hoạt động (duty cycle) để tiết kiệm năng lượng có thể làm lỡ các gói tin quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy truyền thông không dây của toàn mạng.

III. Top 5 chỉ số cốt lõi để đánh giá hiệu quả truyền nhận WSN

Để có một cái nhìn toàn diện về hiệu quả truyền nhận mạng cảm biến không dây, cần phải dựa trên một tập hợp các chỉ số đo lường (metrics) cụ thể và định lượng. Các chỉ số này không chỉ phản ánh các khía cạnh khác nhau của hiệu suất mạng mà còn giúp xác định các "nút thắt cổ chai" (bottlenecks) cần được cải thiện. Việc lựa chọn đúng các chỉ số để theo dõi là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong bất kỳ quy trình đánh giá nào. Trong số rất nhiều tham số, có 5 chỉ số được xem là cốt lõi và được sử dụng rộng rãi nhất trong cả nghiên cứu học thuật và triển khai thực tế. Các chỉ số này bao gồm thông lượng (throughput) WSN, độ trễ (latency) mạng cảm biến, tỷ lệ gửi gói tin thành công (PDR), tiêu thụ năng lượng nút cảm biến, và tuổi thọ mạng. Mỗi chỉ số cung cấp một góc nhìn riêng biệt, và chỉ khi kết hợp chúng lại với nhau, chúng ta mới có thể đưa ra một kết luận chính xác về các chỉ số đánh giá QoS trong WSN và hiệu quả tổng thể của hệ thống. Phân tích từng chỉ số sẽ giúp làm rõ điểm mạnh, điểm yếu và các cơ hội để tối ưu hóa hiệu suất WSN.

3.1. Đo lường Thông lượng Throughput và Độ trễ Latency

Thông lượng là chỉ số đo lường lượng dữ liệu hữu ích được truyền thành công qua mạng trong một đơn vị thời gian, thường tính bằng bits/giây (bps) hoặc gói tin/giây. Thông lượng (throughput) WSN cao cho thấy mạng có khả năng xử lý tải lớn. Trong khi đó, Độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối (End-to-End Latency) là khoảng thời gian một gói tin mất để di chuyển từ nút gửi đến trạm gốc. Độ trễ (latency) mạng cảm biến thấp là yêu cầu cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng thời gian thực như hệ thống cảnh báo hoặc điều khiển công nghiệp. Hai chỉ số này thường có mối quan hệ nghịch đảo: việc cố gắng tăng thông lượng có thể gây tắc nghẽn và làm tăng độ trễ.

3.2. Xác định Tỷ lệ gửi gói tin thành công PDR và Độ tin cậy

Tỷ lệ gửi gói tin thành công (Packet Delivery Ratio - PDR) là tỷ lệ phần trăm giữa số gói tin được nút đích nhận thành công trên tổng số gói tin được nút nguồn gửi đi. Đây là chỉ số quan trọng nhất để đánh giá độ tin cậy truyền thông không dây. Một PDR cao (gần 100%) cho thấy liên kết truyền thông ổn định và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu và suy hao tín hiệu. Ngược lại, PDR thấp cho thấy mạng đang gặp vấn đề nghiêm trọng, có thể do khoảng cách quá xa, môi trường nhiễu nặng, hoặc xung đột trong kênh truyền. Việc đo lường tỷ lệ gửi gói tin thành công (PDR) là bắt buộc để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

3.3. Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng và tuổi thọ mạng

Năng lượng là tài nguyên quý giá nhất trong WSN. Tiêu thụ năng lượng nút cảm biến được đo bằng tổng năng lượng (tính bằng Joules) mà một nút sử dụng trong một khoảng thời gian. Chỉ số này bao gồm năng lượng cho việc xử lý, cảm biến, và đặc biệt là truyền/nhận. Từ đó, có thể ước tính tuổi thọ mạng cảm biến không dây, được định nghĩa là thời gian cho đến khi nút mạng đầu tiên (hoặc một tỷ lệ phần trăm nào đó của mạng) hết năng lượng. Quản lý và tối ưu hóa năng lượng là chìa khóa để xây dựng các hệ thống WSN bền vững, có khả năng hoạt động trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm mà không cần bảo trì.

IV. Phương pháp đánh giá hiệu quả WSN Mô phỏng và Thực nghiệm

Có hai phương pháp chính để tiến hành đánh giá hiệu quả truyền nhận mạng cảm biến không dây: mô phỏng (simulation) và thực nghiệm (experimentation). Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào mục tiêu, quy mô và nguồn lực của dự án. Mô phỏng là phương pháp sử dụng các công cụ phần mềm để xây dựng một mô hình ảo của mạng WSN, cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra hoạt động của các giao thức định tuyến WSN hoặc các thuật toán mới trong một môi trường được kiểm soát hoàn toàn. Phương pháp này có chi phí thấp, linh hoạt và cho phép lặp lại các kịch bản một cách dễ dàng. Ngược lại, phương pháp thực nghiệm, như được trình bày trong luận văn của Trần Văn Thông (2009), tập trung vào việc xây dựng các nút mạng vật lý và triển khai chúng trong môi trường thực tế để đo lường hiệu năng. Mặc dù tốn kém và phức tạp hơn, thực nghiệm cung cấp các kết quả có độ chính xác và tin cậy cao nhất, phản ánh chân thực các tác động của môi trường thực mà các mô hình mô phỏng mạng cảm biến không dây có thể bỏ sót. Một cách tiếp cận toàn diện thường kết hợp cả hai phương pháp để có kết quả tốt nhất.

4.1. Sử dụng công cụ mô phỏng mạng cảm biến NS 3 OMNeT

Các công cụ mô phỏng như NS-3 và OMNeT++ là những nền tảng mạnh mẽ cho phép tạo ra các kịch bản mạng quy mô lớn với hàng nghìn nút. Người dùng có thể tùy chỉnh mọi khía cạnh của mạng, từ mô hình kênh truyền không dây, mô hình tiêu thụ năng lượng, cho đến hành vi của từng lớp trong chồng giao thức. Công cụ mô phỏng NS-3, ví dụ, cung cấp các thư viện chi tiết cho các chuẩn không dây phổ biến, cho phép các nhà nghiên cứu phân tích hiệu năng Zigbee hoặc đánh giá hiệu suất LoRaWAN trước khi triển khai phần cứng. Mô phỏng đặc biệt hữu ích trong giai đoạn đầu của nghiên cứu, giúp sàng lọc các ý tưởng và thuật toán không hiệu quả.

4.2. Xây dựng phương pháp đánh giá bằng thực nghiệm trực tiếp

Phương pháp thực nghiệm đòi hỏi việc xây dựng các nút mạng thực tế, ví dụ như sử dụng vi điều khiển CC1010 như trong tài liệu tham khảo, và viết phần mềm nhúng để chúng thực hiện quá trình truyền nhận dữ liệu. Sau đó, các nút này được đặt tại các vị trí và môi trường khác nhau (trong nhà, ngoài trời) để đo lường các thông số như cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) và tỷ lệ gửi gói tin thành công (PDR). Dữ liệu thu thập được từ thực nghiệm có giá trị rất cao vì nó đã bao gồm tất cả các yếu tố phức tạp của thế giới thực. Kết quả này không chỉ dùng để đánh giá hiệu quả truyền nhận của một hệ thống cụ thể mà còn có thể được sử dụng để hiệu chỉnh và xác thực lại các mô hình sử dụng trong mô phỏng, làm cho chúng trở nên chính xác hơn.

V. Hướng tối ưu hóa hiệu suất WSN và tương lai của công nghệ

Sau khi đã đánh giá hiệu quả truyền nhận mạng cảm biến không dây và xác định được các yếu điểm, bước tiếp theo là thực hiện các biện pháp tối ưu hóa. Việc tối ưu hóa hiệu suất WSN là một quá trình liên tục, tập trung vào việc cải thiện các chỉ số hiệu năng cốt lõi trong khi vẫn đảm bảo các ràng buộc về năng lượng và chi phí. Các hướng tối ưu hóa chính bao gồm việc phát triển các giao thức định tuyến WSN thông minh hơn, có khả năng lựa chọn đường đi ít tốn năng lượng nhất và tránh các liên kết không ổn định. Tối ưu hóa ở lớp MAC cũng rất quan trọng, nhằm giảm xung đột và thời gian nghe ngóng không cần thiết. Nhìn về tương lai, với sự bùng nổ của Internet of Things (IoT), vai trò của WSN ngày càng trở nên trung tâm. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học (Machine Learning) vào mạng để chúng có thể tự động thích ứng với sự thay đổi của môi trường, dự đoán lỗi và tự tối ưu hóa hoạt động. Sự kết hợp giữa WSN và các công nghệ mới như 5G, tính toán biên (Edge Computing) hứa hẹn sẽ mở ra nhiều ứng dụng đột phá, đòi hỏi các phương pháp đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất ngày càng tinh vi hơn.

5.1. Các kỹ thuật tối ưu hóa giao thức định tuyến WSN hiệu quả

Một trong những cách hiệu quả nhất để cải thiện hiệu suất WSN là tối ưu hóa giao thức định tuyến WSN. Thay vì chỉ chọn đường đi ngắn nhất, các giao thức hiện đại còn xem xét các yếu tố khác như chất lượng liên kết (dựa trên PDR hoặc LQI), năng lượng còn lại của các nút trên đường đi, và mức độ tắc nghẽn. Các kỹ thuật như định tuyến dựa trên cụm (clustering), định tuyến phân cấp, và định tuyến nhận biết năng lượng (energy-aware routing) giúp phân bổ tải đều khắp mạng, tránh tình trạng một vài nút gần trạm gốc bị quá tải và cạn kiệt năng lượng sớm. Điều này trực tiếp góp phần kéo dài tuổi thọ mạng cảm biến không dây và nâng cao độ tin cậy chung.

5.2. Tích hợp WSN vào hệ sinh thái IoT và thách thức mới

Trong bối cảnh IoT, các mạng WSN không còn hoạt động độc lập mà trở thành một phần của một hệ sinh thái lớn hơn, kết nối với các nền tảng đám mây và các hệ thống khác. Điều này đặt ra các thách thức mới về khả năng mở rộng, khả năng tương tác và đặc biệt là bảo mật. Việc đánh giá hiệu quả truyền nhận lúc này không chỉ giới hạn trong phạm vi WSN mà còn phải xem xét độ trễ (latency) mạng cảm biến trên toàn bộ đường truyền từ cảm biến đến ứng dụng cuối. Các vấn đề về bảo mật, mã hóa dữ liệu cũng ảnh hưởng đến hiệu suất, vì các thuật toán mã hóa phức tạp có thể làm tăng tải xử lý và tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không day là một công nghệ tiên tiến dựa trên thành tựu của điện tử và tin học. Nghiên cứu về mạng cám biến không dây nhằm triển khai vào các ứng dụng trong thực tế, mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội. Dề tài luận văn “Xây đựng phương pháp đánh giá bằng thực nghiệm hiệu quả truyên nhận của mạng câm biển không đây” do PGS. Vương Dạo Vy hướng đẫn đã được tác giả nghiên cứu và thực hiện với mục tiêu xây dựng được phương pháp đánh giá hiệu quả truyền tin của mạng cảm biển không day trên cơ sở nghiên cứu các đặc tỉnh truyền thông võ luyến nỏi chưng và các tính chất truyền thông vô tuyến của mạng cảm biến không dây nói riêng.

Khỏa luận có bố cục gầm hai phần là lý thuyết và phần thực nghiệm trên các nút mạng cảm biến không dây sử dụng vi diều khiển CC1010 của hãng Chipcon. Nội dung chỉ tiết của khóa luận gồm ba chương. Chương l giới thiêu khái quát về mạng cắm biến không đây vả các ứng dụng của mạng. Chương 2 nghiên cứu các đặc tính vô tuyển của mạng cảm biển không dây.

Trên cơ sỡ nghiên cứu lý thuyết tại chương ] và chương 2, trong chương 3 tác giả xây dựng phương pháp đánh giá hiệu quả truyền nhận của mang cam biến không dây và tiến hành thực nghiệm đo các thông số của quá trỉnh truyền vô tuyến của mạng. Phần thực nghiệm dựa trên cơ sở thiết bị là các nút mạng cẩm biển không day và viết phần mêm nhúng nạp cho các nút mạng nảy. Sau đó, tiến hảnh thực nghiệm việc truyền nhận vô tuyển giữa các nút mạng và đo các thông số của quá trình nảy. Quá trình thực nghiệm được tiến hành nhiều lần tại các môi trường.

khác nhau nhăm đem lại kết quả có tính chỉnh xác nhất. Dựa vào các kết qua thu được về thông số của quá trình truyền nhận vô tuyến, cá thể đánh giá được hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biển không dây. Điều này đặc biệt có ý nghĩa thực tiễn khi triển khai các ứng dụng của mạng oảm biến không dây Mặc dù đã cế gắng nhưng đo hạn chế về tải liệu, trình độ tác giả nên khóa luận còn rất nhiều thiếu sót. Tôi rất mong các thầy, các cô và các bạn góp ý để đề tải được hoàn thiện hơn.

Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp nảy, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều người. Đầu tiên, tôi xin trân trọng nói lời cảm ơn đến thầy giáo đã hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận tất nghiệp này, PGS. TS Vương Đạo Vy. Thầy Vương Đạo Vy đã luôn tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi từ khi tôi mới bắt tay vào thực hiện dến khi hoàn thánh khỏa luận.

Không có sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình oủa thầy, tôi không thế nào hoàn thành được công việc trên Tôi cũng xin được chân thành gửi lời cảm ơn tới gia định, bạn bè, những người luôn động viên lỗi trong suốt quá trình học tập và hoản thành khóa luận tốt nghiệp này. Học viên 'Trần Văn Thông -3- CHUONG 1. MANG CAM BIEN KHONG DAY 11. tông quan Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành dễ tài nghiền cứu nóng bỏng và nhận duoc nhiễu tiến bộ đáng, kế.

Mạng cảm biến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhăm quan sát các hiện tượng vật lý, điều kiện môi trường,.ở các vị trí khác nhau. Nguyên lý hoạt đông của mạng cảm biến không dây là một nút mạng sẽ cảm biến thông số của một môi trường cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trường không đây về rạm gốc (nút gốc) được nối với máy tính. Trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xứ lý cần thiết hoặc truyền số liêu vào máy tỉnh. Păn thân nút gốc không nhất thiết là một may vi tinh ma củ thể được chế tao với kích thước nhỏ, phù hợp với đặc thủ của từng ứng dụng cụ thể.

Như vậy, khái niệm mạng cảm biến không đây có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các mút mạng với nhau bằng kết nổi sóng vô tuyến (RE cơnnection), có thể được mô tá bằng công thức sau Cảm biến + CPU + Radio — WSN Trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn. Các nút mang này được phân bê một cách không có hệ thống (non-topology) trên một điện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), có khả năng tự định tuyến, sử đụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng dến vải năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ không én định.) Tuy nhiên, việc kết hợp các cảm biển, radio, và CPU vào một mạng cảm biến không dây không chỉ đòi hỏi trình độ hiểu biết chỉ tiết về khả năng và giới hạn của các thành phần phần cứng, mả còn phải hiểu rõ các công nghệ mạng hiện dại, lý thuyết phân bố hệ thống. Để làm cho mạng cảm biến không. đây trở nên thực tế, cần phải phát triển một kiến trúc để tổng hợp các ứng dựng 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. Chúng ta cần tập trung vào một tập -4- các dạng ứng dụng được sử dụng nhiều trong thực tế để giới hạn số các ứng dụng phải xem xét. Sử đụng các dạng ứng dụng này dé tim ra các yêu cầu mức hệ thống cho ton bé kién trúc. Tử các yêu cầu mức hệ thống này, có thể có các yêu cầu cho các nút mạng riêng lẻ Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến và một mạng không dây khác là - Giá thành - Mật độ nút mạng - Phạm vi hoạt động - Câu hình mạng - T.ưu lượng dữ liệu - Năng lượng tiêu thụ - "Thời gian ở trạng thái hoạt động 1.

Cầu tạo và phân loại nút mạng cắm biến không dây 1. Cầu tao Do sé lượng nút mạng trong hệ thống mạng cắm biến không dây là lớn vả không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với một nút mạng là giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn và hoạt động được thời gian dài Hình vẽ dưới đây sẽ cho thấy các thành phần cơ bản để cầu thành một nút mạng cảm biến không dây.1: Cấu tạo của một nút mạng cảm biển không dây 1. Khối xử lý Khối xử lý bao gdm bộ xử lý nhúng năng lượng thấp và bộ nhớ lưu trữ - Hộ xử lý nhúng năng lượng thấp: Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm xử lý thông tin cảm biến cục bộ và xử lý thông lin truyền bởi các bộ cảm biên khác. Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về công suất nên được chạy trên các hệ điều hành có các thành phần cơ ban dặc biệt, ví dụ như hệ điều hanh TinyOS.ưu trữ: lưu trữ dưới dạng ROM và RAM cã bộ nhớ chương trình (các lệnh được thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa qua xử lý và đã qua xử lý bởi bộ cảm biến, lưu các thông tin cục bộ khác).

Chất lượng bê nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết bị mang cam biến không đây thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp 1. Khối truyền dẫn - — Hộ thu phát sóng vô tuyển (Radio Iransceiver): Thiết bị mạng cảm biển không dây có tốc độ thấp (10 ->100 khps) và là thiết bị vô tuyến không đây dai ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong mạng cảm biến không dây thi truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất. [2o đó, để tiết kiệm năng lượng.

nó cần phái kết hợp có hiệu quả công suất giữa oác chế độ ngũ (sloep) và chế độ hoạt động. Khối câm biến Khối cầm biến bao gồm bộ cảm biến và bộ biến đổi ADC -_ Bộ cảm biến (Sensor): Do gidi hạn về băng thông và nguồn nuôi, các thiết bi mạng cảm biến không dây chỉ hỗ trợ bộ cảm biến lốc độ dữ liệu thấp Với các ứng dụng bộ cẩm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vải loại cảm biển trên bo mạch. Tủy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại cắm biến riêng: cấm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cám biến độ ẩm, cảm biến áp suất, cảm biến. gia tốc, cảm biến từ, cẩm biển âm thanh, hay thậm chỉ là cắm biến hình ảnh có độ phân giải thấp.

- Bộ biển đổi ADG (Analog to Digital Converter): Bộ ADC được tích hợp để có thể phép nối với các cảm biến tương tự. Với ADC dược tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn trong việc sử dựng, giảm kích thước nút mạng, đồng thời giảm được các nhiễu trong quá trình biến đổi A/D với các tín hiệu từ cắm biển 1. Khối nguồn Năng lượng nguồn được sử dụng để có thể triển khai hoạt động của các thiết bị mạng cắm biển không dây là các dạng nguồn năng lượng dự trữ như nguồn. pin, ac quy.

Hé théng dinh vi Trong nhiều ứng dụng của mạng cắm biển không diy, các phép đo cảm biển để đánh dấu vị trí là quan trọng nhất. Cách dơn giản nhất để định vị là tiễn cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiên triển khai nhất định. Ví dụ cụ thể đối với hệ thông bên ngoài tòa nhà: Khi một mạng được triển khai, thông tin dễ dàng thu được qua vệ tình dịnh vị. Tuy nhi ai các ứng đụng, do hạn chế của mỗi trường và kih phí, chỉ một phần nhỏ các nút dược trang bị hệ thống định vị.

Trong trường hợp không có hệ thống định vị, các nủt khác nhau trong cùng mạng chỉ thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng. Bê phận di đông Các nút cảm biên đôi khi cần phải dịch chuyển dễ thực hiện các nhiém vu Ấn định nảo đó. Do đó nó dược trang bị (thêm các phần phụ để phục vụ cho quả trình di động 1. Phân loại nút mạng Trang hầu hết các mô hình mạng cảm biển không dây, có 3 loại nút mạng, nút cầm biến, nút trung gian (nút chuyền tiếp) và nút cơ sở (nút trung tâm).