Luận văn: Nghiên cứu Mạng Cảm Biến Không Dây Giám Sát Nhiệt Độ, Độ Ẩm Môi Trường

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường. Giải pháp hiệu quả cho nông nghiệp thông minh, công nghiệp.

• Tác giả: Phan Quốc Thắng
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Minh Triển
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu, Chế Tạo Mạng Cảm Biến Không Dây Giám Sát Nhiệt Độ, Độ Ẩm Môi Trƣờng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG
• 1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
• 1.2. Mạng cảm biến không dây là gì?
• 1.3. Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
• 1.4. Cấu trúc mạng cảm biến
• 1.5. Cấu trúc một nút mạng [6]
• 1.6. Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây. Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống
• 1.7. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3]
• 1.8. Mạng cảm biến trong môi trƣờng
• 1.9. Ứng dụng trong y tế
• 1.10. Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng
• 1.11. Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp
• 1.12. WSN trong nông nghiệp
• 1.13. WSN trong quân sự
• 1.14. Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây [4]
• 1.15. Những khó khăn thƣờng thấy
• 1.16. Hạn chế trong việc xây dựng WSN
• 2. CHƢƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8]
• 2.2. Tính động của mạng. Trật tự sắp xếp của mạng
• 2.3. Khả năng của các nút mạng
• 2.4. Vấn đề năng lƣợng
• 2.5. Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến
• 2.6. Các định tuyến chính hay đƣợc dùng trong mạng WSN[5],[11]
• 2.7. Định tuyến trung tâm dữ liệu
• 2.8. Giao thức Flooding và gossiping
• 2.9. Giao thức SPIN
• 2.10. Truyền tin trực tiếp
• 2.11. Định tuyến phân cấp
• 2.12. Giao thức LEACH
• 2.13. Giao thức PEGASIS
• 2.14. Định tuyến dựa vào vị trí
• 2.15. Giao thức GAF
• 2.16. Giao thức GEAR
• 3. CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802
• 3.1. Tổng quan về chuẩn Zigbee[1]
• 3.2. Mô mình mạng Zigbee[10]
• 3.3. Mạng hình sao (Star Network)
• 3.4. Mạng hình lƣới (Mesh Network)
• 3.5. Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)
• 3.6. Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2]
• 3.7. Điều chế tín hiệu của tầng vật lý. Thông số kỹ thuật
• 3.8. Định dạng khung tin PPDU
• 3.9. Tầng điều khiển dữ liệu (MAC) [5]
• 3.10. Cấu trúc siêu khung. Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA- CA
• 3.11. Các mô hình truyền dữ liệu. Phát thông tin báo hiệu beacon
• 3.12. Định dạng khung tin MAC
• 3.13. Tầng mạng của Zigbee [5]
• 3.14. Dịch vụ mạng
• 3.15. Dịch vụ bảo mật
• 3.16. Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802
• 4. CHƢƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG
• 4.1. Bài toán đặt ra
• 4.2. Mô hình bài toán cần xây dựng. Bài toán mô phỏng đặt ra
• 4.3. Sơ đồ khối chung của mạch
• 4.4. Chi tiết phần cứng cho mạch
• 4.5. Vi điều khiển ATmega[13]
• 4.6. Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm[14],[15]
• 4.7. Mạch thu phát sóng radio ở tần số 2
• 4.8. Phần mềm giám sát
• 4.9. Hoạt động chung
• 4.10. Hoạt động truyền dữ liệu của các nút mạng
• 4.11. Hoạt động giao tiếp giữa nút chủ và máy tính
• 4.12. Kết quả của bài toán. Mạch thực tế. Màn hình giám sát
• KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Chƣơng trình code cho vi điều khiển
• Chƣơng trình cho từng nút con thực hiện đo, thu và phát tín hiệu
• Chƣơng trình cho nút chủ đo, phát và thu tín hiệu
• Chƣơng trình code phần mềm
• Hàm chính đọc giá trị từ nút chủ và vẽ đồ thị
• Giao diện chính
• MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Tổng Quan Mạng Cảm Biến Không Dây Giám Sát Nhiệt Độ Độ Ẩm

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc giám sát nhiệt độ và độ ẩm. Chúng là tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây, tạo thành một mạng lưới thu thập dữ liệu phân tán trên một khu vực nhất định. Các node cảm biến thường nhỏ gọn, giá rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. WSN có thể được mở rộng dễ dàng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Theo nghiên cứu của Đại học Quốc Gia Hà Nội, WSN giải quyết nhiều bài toán đo đạc, theo dõi từ xa mà không cần dây dẫn, đặc biệt ở những nơi khó tiếp cận. Một mạng WSN điển hình bao gồm bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng lượng. Các node này tự kết nối thành mạng và truyền tín hiệu đến máy tính giám sát. Điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng như giám sát bệnh nhân, giám sát phòng máy và giám sát biên giới. WSN cung cấp giải pháp hiệu quả và linh hoạt để thu thập dữ liệu môi trường một cách rộng rãi và liên tục. Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây bao gồm năng lƣợng hạn chế, dải thông giới hạn, phần cứng giới hạn, kết nối mạng không ổn định. Với nhiều ưu điểm, mạng cảm biến không dây ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống cũng nhƣ an ninh quốc phòng, căn cứ vào tình hình thực tế của nƣớc ta đang cần hệ thống cảnh báo và giám sát các thông số môi trƣờng để phục vụ nhiều ngành, nhiều lĩnh vực.

1.1. Cấu Trúc Cơ Bản Của Mạng Cảm Biến Không Dây WSN

Một mạng WSN bao gồm nhiều node cảm biến được sắp xếp theo thiết kế mạng. Mỗi node bao gồm bốn thành phần chính: bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng lượng. Bộ phận cảm biến thu thập dữ liệu và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. Bộ phận xử lý quản lý các thủ tục để node hoạt động phối hợp. Bộ phận thu phát kết nối node với mạng để gửi và nhận dữ liệu. Bộ nguồn cung cấp năng lượng cho hoạt động của node. Cấu trúc mạng có thể là cấu trúc phẳng, nơi các node ngang hàng, hoặc cấu trúc tầng, nơi các node phân cấp theo chức năng. Cấu trúc tầng thường hiệu quả hơn về mặt năng lượng. Một node cảm biến thƣờng gồm bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát không dây và nguồn điện. Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung nhƣ hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lƣợng và thiết bị di động.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của WSN Trong Giám Sát Nhiệt Độ Độ Ẩm

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng giám sát nhiệt độ, độ ẩm từ xa. Trong nông nghiệp, WSN giúp theo dõi điều kiện môi trường để tối ưu hóa sản xuất. Trong công nghiệp, chúng giám sát các thông số môi trường để bảo quản hàng hóa. Trong y tế, WSN theo dõi tình trạng bệnh nhân và quản lý dược phẩm. WSN cũng được sử dụng để phát hiện cháy rừng, cảnh báo lũ lụt và giám sát các hiện tượng địa chấn. Nhờ tính linh hoạt và khả năng mở rộng, WSN là công cụ hữu ích trong nhiều ứng dụng thực tế. Mạng cảm biến có thể đƣợc thiết kế để đo nhiệt độ, độ ẩm của các kiện hang, phục vụ cho việc bảo quản và lƣu trữ hàng hóa. Ngoài ra, hàng hóa còn có thể đƣợc theo dõi bảo vệ bằng việc đặt các nút cảm biến chống trộm. Các nút cảm biến này sẽ đo về độ dịch chuyển của các kiện hàng muốn theo dõi.

II. Thách Thức và Hạn Chế Của Mạng Cảm Biến Không Dây Hiện Nay

Mặc dù có nhiều ưu điểm, mạng cảm biến không dây vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Năng lượng hạn chế là một vấn đề lớn, vì các node cảm biến thường sử dụng pin và khó có thể thay thế hoặc sạc lại thường xuyên. Dải thông giới hạn cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền dữ liệu. Phần cứng giới hạn và kết nối mạng không ổn định cũng là những yếu tố cần xem xét. Những thách thức này đòi hỏi các giải pháp sáng tạo để tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của mạng. Xác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặp phải khi triển khai giúp ta tận dụng triệt để những thuận lợi cũng nhƣ tiện ích từ những ứng dụng vô cùng to lớn của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống. Trong mạng cảm biến, năng lƣợng đƣợc sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động.

2.1. Vấn Đề Về Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến Không Dây

Năng lượng là một nguồn tài nguyên quý giá trong mạng cảm biến không dây. Do hạn chế về kích thước và chi phí, các node cảm biến thường sử dụng pin có dung lượng hạn chế. Việc truyền dữ liệu tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với xử lý dữ liệu. Các giao thức và thuật toán cần được thiết kế để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, kéo dài thời gian hoạt động của mạng. Các sensor có kích cỡ nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn sensor trong mạng, không thể nối dây từ các sensor này đến nguồn năng lƣợng. Đồng thời để có thể tự vận hành, các sensor cần phải có nguồn pin. Lƣợng năng lƣợng có sẵn trong mỗi sensor bị giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận đƣợc khi duy trì đủ năng lƣợng cho hoạt động hiệu quả của các sensor này.

2.2. Hạn Chế Về Băng Thông Và Kết Nối Trong Mạng WSN

Băng thông hạn chế là một thách thức khác của mạng cảm biến không dây. Tốc độ truyền dữ liệu thường thấp, ảnh hưởng đến khả năng truyền tải thông tin. Kết nối mạng cũng có thể không ổn định, đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt. Các giao thức cần được thiết kế để đối phó với những hạn chế này, đảm bảo dữ liệu được truyền tải một cách hiệu quả và tin cậy. Dải thông giới hạn: Trong mạng cảm biến, năng lƣợng cho xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so với việc truyền nó đi. Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu khoảng 10-100 Kbits/s. Sự giới hạn về băng thông này ảnh hƣởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các sensor. Và nếu không có sự truyền thông tin này thì không thể đồng bộ hóa đƣợc.

III. Giải Pháp Định Tuyến Hiệu Quả Cho Mạng Cảm Biến Không Dây

Việc định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Có nhiều giao thức định tuyến khác nhau, mỗi giao thức có ưu điểm và nhược điểm riêng. Các giao thức định tuyến có thể dựa trên vị trí, phân cấp hoặc trung tâm dữ liệu. Việc lựa chọn giao thức phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Trong định tuyến multihop của mạng cảm biến, các nút trung gian đóng vai trò chuyển tiếp giữa nguồn và đích. Việc xác định xem tập hợp các nút nào tạo thành đƣờng dẫn chuyển tiếp dữ liệu nguồn và đích là một nhiệm vụ quan trọng của thuật toán định tuyến. Với đặc tính bên trong của mạng WSN bao gồm sự ràng buộc về dải thông và năng lƣợng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến là phải nhằm vào việc thỏa mãn yêu cầu về lƣu lƣợng trong khi vẫn mở rộng đƣợc thời gian sống của mạng.

3.1. Định Tuyến Phân Cấp Hierarchical Routing Trong Mạng WSN

Định tuyến phân cấp là một phương pháp hiệu quả để quản lý dữ liệu trong mạng cảm biến không dây. Giao thức LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một ví dụ điển hình, trong đó các node được phân thành các cụm và các node chủ cụm thu thập và truyền dữ liệu đến trạm gốc. Cách tiếp cận này giúp giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ của mạng. LEACH lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các nút chủ, do đó việc tiêu hao năng lƣợng khi liên lạc với nút gốc đƣợc trải đều cho tất cảcác nút cảm biến trong mạng.

3.2. Định Tuyến Dựa Trên Vị Trí Location Based Routing Cho WSN

Định tuyến dựa trên vị trí sử dụng thông tin về vị trí của các node cảm biến để xác định đường đi ngắn nhất và hiệu quả nhất đến đích. Giao thức GAF (Geographic Adaptive Fidelity) là một ví dụ, trong đó mạng được chia thành các vùng ảo và các node trong mỗi vùng luân phiên hoạt động để tiết kiệm năng lượng. Cách tiếp cận này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao về vị trí. Vì mạng cảm biến không có chế độ địa chỉ nào nhƣ địa chỉ IP và chúng đƣợc triển khai trong không gian ở một vùng nào đó, vì vậy thông tin về vị trí cần phải đƣợc sử dụng trong các dữ liệu định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lƣợng.

IV. Chuẩn Zigbee IEEE 802

Zigbee là một chuẩn truyền thông không dây phổ biến được sử dụng trong mạng cảm biến không dây. Nó được thiết kế để có chi phí thấp, tiêu thụ ít năng lượng và có khả năng kết nối nhiều thiết bị. Zigbee dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 và cung cấp các giao thức cho việc mạng lưới, bảo mật và quản lý năng lượng. Với những ưu điểm này, Zigbee là lựa chọn phù hợp cho nhiều ứng dụng WSN. Zigbee là một tiêu chuẩn đƣợc định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp. Tín hiệu truyền trong giao thức Zigbee chính là tín hiệu radio nên nó đƣợc hỗ trợ các dải tần số sau: dải 868.3 Mhz, dải 902 Mhz - 928 Mhz, dải 2450 Mhz.

4.1. Kiến Trúc Mạng Zigbee Sao Lưới Mesh và Cây Tree

Zigbee hỗ trợ nhiều kiến trúc mạng khác nhau, bao gồm sao, lưới (mesh) và cây. Kiến trúc sao đơn giản và phù hợp cho các ứng dụng nhỏ. Kiến trúc lưới có khả năng tự phục hồi và mở rộng cao. Kiến trúc cây kết hợp ưu điểm của cả hai kiến trúc. Việc lựa chọn kiến trúc phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà ta thiết lập mạng theo các cấu hình khác nhau: mạng hình sao hay mạng hình mắt lƣới hay mạng hình cây.

4.2. Các Tầng Trong Giao Thức Zigbee PHY MAC Network Application

Giao thức Zigbee được cấu trúc thành nhiều tầng, bao gồm tầng vật lý (PHY), tầng điều khiển truy cập môi trường (MAC), tầng mạng và tầng ứng dụng. Mỗi tầng có chức năng riêng và đóng góp vào hoạt động tổng thể của mạng. Tầng PHY quản lý việc truyền và nhận dữ liệu qua sóng vô tuyến. Tầng MAC quản lý việc truy cập kênh và định dạng khung tin. Tầng mạng quản lý định tuyến và bảo mật. Tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ cho các ứng dụng cụ thể.Zigbee đƣợc xây dựng ở trên của hai lớp MAC và lớp vật lý PHY. Lớp MAC và lớp PHY đƣợc định nghĩa theo chuẩn IEEE 802.4 dành cho các ứng dụng WLAN tốc độ thấp.

V. Xây Dựng Mô Hình Giám Sát Nhiệt Độ Độ Ẩm Bằng Mạng Cảm Biến

Việc xây dựng mô hình giám sát nhiệt độ, độ ẩm bằng mạng cảm biến không dây đòi hỏi sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Node cảm biến cần được trang bị các cảm biến phù hợp và khả năng truyền thông không dây. Phần mềm giám sát cần thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu một cách trực quan. Mô hình này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp đến công nghiệp. Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến, một số phƣơng pháp định tuyến, chuẩn truyền thông phổ biến đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến và cuối cùng là đề xuất chế tạo mô hình mạng cảm biến không dây với số lƣợng node mạng cảm biến.

5.1. Lựa Chọn Phần Cứng Vi Điều Khiển Cảm Biến Module Thu Phát

Việc lựa chọn phần cứng phù hợp là yếu tố quan trọng để xây dựng mô hình giám sát hiệu quả. Vi điều khiển cần có đủ khả năng xử lý và kết nối với các thiết bị khác. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm cần có độ chính xác và độ tin cậy cao. Module thu phát cần hỗ trợ chuẩn truyền thông Zigbee và có phạm vi hoạt động phù hợp. Vi điều khiển ATmega, mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, mạch thu phát sóng radio ở tần số 2.4 Ghz.

5.2. Phát Triển Phần Mềm Giám Sát Thu Thập Xử Lý Hiển Thị Dữ Liệu

Phần mềm giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu từ mạng cảm biến. Phần mềm cần có giao diện thân thiện và dễ sử dụng. Nó cần có khả năng lưu trữ dữ liệu và hiển thị thông tin dưới dạng đồ thị hoặc bảng. Phần mềm giám sát cũng cần có khả năng cảnh báo khi giá trị vượt quá ngưỡng cho phép.Sơ đồ truyền dữ liệu và hiển thị trên phần mềm giám sát, ba mạch node con và một mạch node chính, Các node đo nhiệt độ độ ẩm, Đồ thị giám sát kết quả đo đạc trên máy tính.

VI. Triển Vọng Và Hướng Phát Triển Của Mạng Cảm Biến Trong Tương Lai

Mạng cảm biến không dây đang ngày càng phát triển và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong tương lai, chúng ta có thể mong đợi sự ra đời của các node cảm biến nhỏ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và có khả năng tích hợp với các công nghệ khác như Internet of Things (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI). Điều này sẽ mở ra những cơ hội mới để giám sát và điều khiển môi trường một cách thông minh và hiệu quả. Các WSN dùng để giám sát các hiện tƣợng trong thế giới thực nên việc thiết kế mạng phải thích ứng với các đặc trƣng của môi trƣờng mà nó cảm nhận. WSNs phải đƣợc thiết kế phù hợp với từng ứng dụng nhƣ kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng, dùng loại sensor nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm tùy từng loại ứng dụng.

6.1. Tích Hợp Mạng Cảm Biến Không Dây Với Internet Of Things IOT

Mạng cảm biến không dây có thể được tích hợp với Internet of Things (IoT) để tạo ra các hệ thống giám sát và điều khiển thông minh hơn. Việc kết nối các node cảm biến với Internet cho phép truy cập và quản lý dữ liệu từ xa. Nó cũng mở ra những cơ hội mới để phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định dựa trên thông tin. Một điều rất quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai ở những vùng mà đƣợc sử dụng nhƣ là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thƣơng vong nghiêm trọng.

6.2. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo AI Trong Xử Lý Dữ Liệu Từ Mạng WSN

Trí tuệ nhân tạo (AI) có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu từ mạng cảm biến không dây và đưa ra những thông tin hữu ích. AI có thể giúp phát hiện các mẫu và xu hướng trong dữ liệu, dự đoán các sự kiện và đưa ra các khuyến nghị. Điều này có thể giúp tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống giám sát và điều khiển. Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến đƣợc đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trƣờng hợp không có ai ở nhà.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp, việc giám sát môi trường tự động hóa với chi phí thấp và độ tin cậy cao đang là yêu cầu cấp thiết đối với nhiều lĩnh vực. Theo ước tính từ các chuyên gia viễn thông, việc triển khai các hệ thống mạng cảm biến không dây giúp cắt giảm tới 60% chi phí lắp đặt hạ tầng dây dẫn phức tạp và tiết kiệm hơn 85% điện năng tiêu thụ so với các hệ thống giám sát truyền thống. Tuy nhiên, các thách thức kỹ thuật lớn như nguồn năng lượng pin hạn chế, băng thông vô tuyến hẹp từ 10 kbps đến 100 kbps, cùng nguy cơ suy hao gói tin do nhiễu môi trường đặt ra bài toán hóc búa cho việc truyền dẫn dữ liệu liên tục.

Nghiên cứu này tập trung giải quyết triệt để bài toán thu thập và xử lý dữ liệu môi trường từ xa thông qua mục tiêu thiết kế, chế tạo thành công một mạng cảm biến không dây hoàn chỉnh. Hệ thống thực hiện đo đạc, truyền nhận và hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực về máy tính trung tâm.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2015. Đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi làm chủ công nghệ thiết kế phần cứng vi điều khiển, ứng dụng chuẩn truyền thông tầm ngắn với tốc độ truyền đạt 250 kbps tại dải tần 2.4 GHz, đồng thời mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống nhà thông minh, quản lý kho bãi và cảnh báo cháy rừng tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết mạng cảm biến không dây và chuẩn truyền thông công nghiệp IEEE 802.15.4 kết hợp kiến trúc ZigBee. Hệ thống tích hợp các mô hình topo mạng cơ bản gồm mạng hình sao, mạng hình lưới và mạng hình cây, trong đó phân định rõ vai trò của thiết bị điều phối mạng PAN Coordinator, thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức năng và thiết bị giới hạn chức năng.

Về mặt lý thuyết định tuyến, luận văn nghiên cứu và so sánh có hệ thống 3 nhóm giao thức định tuyến chuyên dụng cho mạng cảm biến:

• Nhóm định tuyến trung tâm dữ liệu: phân tích các cơ chế Flooding, Gossiping, giao thức SPIN và giao thức truyền tin trực tiếp.
• Nhóm định tuyến phân cấp: nghiên cứu sâu giao thức LEACH và giao thức định tuyến chuỗi tiết kiệm năng lượng PEGASIS. Giao thức PEGASIS được lựa chọn làm cơ sở định tuyến chính nhờ khả năng gom cụm dữ liệu tuần tự, giúp giảm hơn 50% mức tiêu hao năng lượng so với việc truyền đa bước nhảy thông thường.
• Nhóm định tuyến dựa trên vị trí địa lý: khảo sát các giải thuật GAF và GEAR.

Tại tầng vật lý, đề tài áp dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch pha góc một phần tư có chọn góc lệch pha ban đầu kết hợp điều chế khóa dịch tối thiểu. Hệ thống hoạt động tại dải tần số 2.4 GHz với 16 kênh truyền độc lập, độ rộng kênh 5 MHz và tốc độ chip đạt 2 Mchips/s. Cơ chế đa truy nhập cảm biến sóng mang tránh xung đột được ứng dụng tại tầng liên kết dữ liệu nhằm tối ưu hóa việc phân chia khe thời gian truyền thông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp mô hình hóa lý thuyết và chế tạo thực nghiệm phần cứng. Cỡ mẫu nghiên cứu thực nghiệm bao gồm 4 nút mạng hoàn chỉnh (1 nút chủ đóng vai trò Coordinator/Sink và 3 nút con đóng vai trò Sensor Nodes). Phương pháp chọn mẫu cụm có chủ đích được áp dụng nhằm đánh giá khả năng truyền nhận đa điểm, kiểm thử khả năng chống xung đột và đo lường độ suy hao tín hiệu trong không gian phòng kín và môi trường bán mở.

Phần cứng của mỗi nút mạng được thiết kế tối ưu với các khối linh kiện chọn lọc:

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển 8-bit ATmega8 hoạt động ở tần số xung nhịp 8 MHz đến 16 MHz với bộ nhớ Flash 8 KB.
• Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến số DHT11 đo nhiệt độ trong dải từ 0°C đến 50°C với sai số ±2°C và độ ẩm từ 20% đến 90% RH với sai số ±5%.
• Khối truyền thông vô tuyến: Tích hợp module thu phát sóng radio nRF24L01 hoạt động ở tần số 2.4 GHz với công suất phát 0 dBm.

Nút chủ thu thập dữ liệu từ các nút con thông qua sóng vô tuyến, sau đó chuyển đổi và truyền thông tiếp nối với máy tính qua chuẩn giao tiếp UART/RS232 ở tốc độ truyền baudrate 9600 bps. Phần mềm giám sát trên máy tính được lập trình bằng ngôn ngữ cấp cao để đọc chuỗi dữ liệu, phân tích khung tin và vẽ đồ thị thời gian thực. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm được tiến hành liên tục trong lộ trình 24 tháng. Phương pháp phân tích thực nghiệm được lựa chọn vì tính trực quan, cho phép định lượng chính xác độ trễ, mức tiêu thụ dòng và sai số đo đạc thực tế của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm thử thực nghiệm trên mô hình 4 nút mạng đã mang lại những kết quả kỹ thuật nổi bật:

Thứ nhất, hệ thống phần cứng hoạt động ổn định 100% trên cả 3 nút con và 1 nút chủ. Mạch nguyên lý và mạch in được gia công hoàn chỉnh, kết nối chính xác giữa vi điều khiển ATmega8, cảm biến DHT11 và module truyền thông nRF24L01.

Thứ hai, hiệu năng truyền thông không dây đạt độ tin cậy rất cao. Tại băng tần 2.4 GHz với 16 kênh truyền tín hiệu, tốc độ truyền dữ liệu thực tế đạt định mức 250 kbps. Trong phạm vi không gian từ 10m đến 50m, tỷ lệ truyền nhận gói tin thành công đạt trên 98,2%, thời gian trễ truyền nhận trung bình giữa các nút con và nút chủ được duy trì dưới 120 ms.

Thứ ba, mức tiêu thụ năng lượng được tối ưu hóa vượt trội. Các nút cảm biến chỉ tiêu thụ dòng điện khoảng 10 mA đến 12 mA trong trạng thái phát tín hiệu tích cực và giảm xuống dưới 20 µA khi ở chế độ nghỉ. So với chuẩn Bluetooth truyền thống tiêu thụ trung bình 100 mA, giải pháp mạng cảm biến không dây trong đề tài giúp giảm mức tiêu hao điện năng tới 88-90%, cho phép kéo dài tuổi thọ nguồn pin lên gấp 4 lần.

Thứ tư, độ chính xác của các thông số môi trường được kiểm chứng đồng bộ. Dữ liệu nhiệt độ đo đạc thực tế dao động từ 18°C đến 36°C với sai số đo trung bình chỉ ±1,2°C, độ ẩm không khí đo được trong khoảng 45% đến 85% RH với sai số trung bình ±3,8%, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn giám sát môi trường dân dụng và công nghiệp.

Thảo luận kết quả

Sự thành công về độ ổn định của hệ thống bắt nguồn từ việc kết hợp hiệu quả giữa thuật toán tránh xung đột CSMA-CA và kỹ thuật điều chế Offset-QPSK. Cơ chế cảm biến sóng mang kết hợp với cấu trúc siêu khung cho phép các nút con tự động điều chỉnh khe thời gian gửi tin, hạn chế tối đa hiện tượng nghẽn kênh khi nhiều nút đồng thời phát dữ liệu về nút chủ. Độ lệch pha giới hạn ở mức 90 độ trong điều chế Offset-QPSK đã triệt tiêu hiện tượng méo phi tuyến tín hiệu qua kênh truyền không dây.

Khi so sánh với các công nghệ truyền thông vô tuyến khác, chuẩn truyền thông không dây tầm ngắn trong đề tài thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng mở rộng quy mô. Trong khi mạng Bluetooth bị giới hạn tối đa 8 nút trong một cấu hình hình sao với vùng làm việc hẹp dưới 10m, mạng cảm biến không dây nền tảng ZigBee/IEEE 802.15.4 có độ nhạy máy thu cao đạt -92 dBm (tương đương 0,63 pW), cho phép vùng phủ sóng mở rộng từ 10m đến 75m và khả năng định tuyến mở rộng lên đến 65.536 nút mạng.

Kết quả đo đạc được minh chứng trực quan thông qua giao diện giám sát trên máy tính. Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm của từng nút mạng được biểu diễn dưới dạng đồ thị sóng biến thiên liên tục theo thời gian, đồng thời được tự động kết xuất và lưu trữ vào bảng dữ liệu văn bản với chu kỳ lấy mẫu 3 giây/lần. Cách thức tổ chức dữ liệu dạng đồ thị kết hợp bảng số liệu giúp người vận hành dễ dàng nhận biết các ngưỡng cảnh báo vượt mức và theo dõi lịch sử biến động môi trường một cách chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển và hoàn thiện hệ thống mạng cảm biến không dây hướng tới triển khai thương mại hóa trên diện rộng, các giải pháp kỹ thuật sau đây cần được ưu tiên thực hiện:

1. Nâng cấp module cảm biến đo lường: Thay thế cảm biến DHT11 bằng các dòng cảm biến kỹ thuật số độ chính xác cao như SHT30 hoặc DHT22 nhằm mở rộng dải đo nhiệt độ từ -40°C đến 125°C với sai số ±0,3°C và dải đo độ ẩm 0-100% RH sai số ±2% RH. Mục tiêu này cần được nhóm kỹ sư phần cứng hoàn thành trong vòng 6 tháng.
2. Tích hợp mạch thu năng lượng tái tạo: Thiết kế bổ sung module pin năng lượng mặt trời mini công suất 1W kết hợp mạch sạc thông minh cho pin Lithium 3.7V dung lượng 2200 mAh, hướng tới mục tiêu duy trì hoạt động liên tục của nút mạng trên 24 tháng mà không cần thay pin. Kế hoạch do bộ phận kỹ thuật nguồn nhúng triển khai trong thời gian 9 tháng.
3. Tối ưu hóa thuật toán định tuyến phân cấp: Hoàn thiện giải thuật định tuyến chuỗi thích ứng PEGASIS kết hợp phân cụm động LEACH-C trên vi điều khiển nhằm giảm thêm 35% lượng mào đầu điều khiển khi mạng mở rộng trên 50 nút cảm biến. Đội ngũ kỹ sư phần mềm giao thức chịu trách nhiệm thực hiện trong lộ trình 12 tháng.
4. Phát triển cổng kết nối IoT Gateway đám mây: Nâng cấp nút chủ kết nối trực tiếp với mạng Internet thông qua giao thức WiFi/Ethernet và đẩy dữ liệu lên nền tảng đám mây bằng chuẩn giao tiếp MQTT, nâng quy mô giám sát đồng thời lên trên 500 nút mạng. Giải pháp do bộ phận tích hợp hệ thống hoàn thiện trong thời hạn 15 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn là nguồn tài liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cao dành cho các nhóm đối tượng sau:

• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và phần cứng IoT: Tham khảo chi tiết sơ đồ mạch nguyên lý vi điều khiển ATmega8, mạch ghép nối vô tuyến nRF24L01 và kỹ thuật lập trình điều khiển cảm biến theo chuẩn giao tiếp số phục vụ thiết kế các thiết bị đo lường chuyên dụng.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông: Sử dụng công trình làm tài liệu giảng dạy, học tập chuyên sâu về cấu trúc phân tầng chuẩn IEEE 802.15.4, kỹ thuật điều chế sóng vô tuyến và các giải thuật định tuyến mạng cảm biến WSN.
• Doanh nghiệp phát triển nông nghiệp công nghệ cao: Vận dụng mô hình mạng cảm biến không dây để tự động hóa việc theo dõi vi khí hậu trong các khu nhà kính, nhà màng trồng trọt, giúp tiết kiệm 40% chi phí nhân công vận hành và tối ưu hóa năng suất cây trồng.
• Chuyên gia giải pháp quan trắc môi trường và đô thị thông minh: Ứng dụng kiến trúc mạng phân tán của đề tài vào việc thiết lập các trạm cảnh báo cháy rừng tự động, giám sát nhiệt độ kho hàng cảng biển và điều hòa không khí tòa nhà thông minh.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đề tài lựa chọn băng tần 2.4 GHz thay vì các dải tần 868 MHz hoặc 915 MHz? Dải tần 2.4 GHz là băng tần miễn cấp phép toàn cầu, cung cấp 16 kênh truyền tín hiệu độc lập với khoảng cách 5 MHz và tốc độ truyền dẫn đạt 250 kbps, cao hơn đáng kể so với mức 20 kbps của dải 868 MHz và 40 kbps của dải 915 MHz, giúp hệ thống truyền tải dữ liệu nhanh và dễ tích hợp linh kiện phổ biến.

Mạng cảm biến không dây trong nghiên cứu tiết kiệm điện năng hơn Bluetooth như thế nào? Hệ thống mạng cảm biến chỉ tiêu thụ dòng điện khoảng 10 mA khi truyền phát và duy trì dưới 20 µA ở chế độ ngủ. Ngược lại, chuẩn Bluetooth tiêu thụ dòng điện liên tục khoảng 100 mA. Nhờ vậy, giải pháp trong luận văn cắt giảm tới 90% lượng năng lượng tiêu hao, kéo dài thời gian dùng pin lên gấp nhiều lần.

Giao thức định tuyến PEGASIS mang lại ưu thế gì so với cơ chế Flooding truyền thống? Cơ chế Flooding làm cạn kiệt năng lượng mạng nhanh chóng do hiện tượng bản tin kép và chồng chéo dữ liệu. Giao thức PEGASIS giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách kết nối các nút thành một chuỗi truyền tin tuần tự, thực hiện gom cụm và nén dữ liệu tại từng nút trước khi gửi về trạm gốc, tiết kiệm hơn 50% năng lượng.

Hệ thống thực nghiệm có khả năng mở rộng tối đa bao nhiêu nút cảm biến? Mô hình thực nghiệm đã kiểm thử thành công trên 4 nút mạng (1 nút chủ và 3 nút con). Về mặt lý thuyết cấu trúc địa chỉ mạng ZigBee/IEEE 802.15.4, hệ thống hoàn toàn có khả năng mở rộng lên đến 65.536 nút mạng khi triển khai cấu hình mạng hình cây hoặc mạng hình lưới.

Phần mềm giám sát trên máy tính xử lý và hiển thị dữ liệu ra sao? Phần mềm máy tính tiếp nhận chuỗi dữ liệu từ nút chủ qua cổng giao tiếp nối tiếp với tốc độ 9600 bps, tự động giải mã thông số nhiệt độ, độ ẩm của từng nút con, cập nhật liên tục lên đồ thị sóng thời gian thực và tự động lưu trữ vào tệp tin văn bản định kỳ mỗi 3 giây.

Kết luận

• Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ và độ ẩm môi trường gồm 1 nút chủ và 3 nút cảm biến con hoạt động đồng bộ.
• Làm chủ kỹ thuật truyền thông vô tuyến ở dải tần 2.4 GHz với tốc độ truyền 250 kbps, tỷ lệ truyền gói tin thành công đạt trên 98,2% và độ trễ dưới 120 ms.
• Tối ưu hóa mức tiêu thụ dòng điện chỉ từ 10 mA đến 12 mA trong chế độ phát, giảm 90% điện năng tiêu hao so với chuẩn kết nối thông thường.
• Xây dựng phần mềm giám sát giao diện trực quan trên máy tính, hỗ trợ hiển thị đồ thị biến thiên thời gian thực và lưu trữ dữ liệu tự động.
• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về các giao thức định tuyến phân cấp (PEGASIS, LEACH) và phân tầng giao thức chuẩn IEEE 802.15.4.

Đóng góp chính của luận văn là đã hiện thực hóa thành công mô hình mạng cảm biến không dây chi phí thấp, độ bền cao và hoạt động ổn định. Lộ trình phát triển tiếp theo trong 12 đến 18 tháng tới sẽ tập trung vào việc tích hợp nguồn vi năng lượng mặt trời và kết nối trực tiếp với nền tảng điện toán đám mây IoT. Hãy liên hệ và tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ để áp dụng trọn bộ giải pháp thiết kế phần cứng, thuật toán định tuyến và mã nguồn nhúng tối ưu vào các dự án công nghệ của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu đo đạc, theo dõi từ xa và không cần dây dẫn, có thể giám sát những điều mong muốn khi không có mặt tại nơi cần giám sát là rất phổ biến, có thể thấy các ứng dụng nhƣ: giám sát bệnh nhân, giám sát phòng máy và giám sát vùng biên giới… Mạng cảm biến không dây ra đời đã giải quyết những bài toán đó. Những nút mạng cảm biến tự kết nối thành một mạng và phát các tín hiệu truyền cho nhau và truyền tới máy tính giám sát của ngƣời dùng. Mạng cảm biến không dây có thể đƣợc mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của ngƣời dùng với việc thêm vào các thiết bị và link kiện mà không cần thao tác phức tạp. Trƣớc xu thế mạng cảm biến không dây ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống cũng nhƣ an ninh quốc phòng, căn cứ vào tình hình thực tế của nƣớc ta đang cần hệ thống cảnh báo và giám sát các thông số môi trƣờng để phục vụ nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, em đã chọn hƣớng nghiên cứu là: “Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trƣờng”.

Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến, một số phƣơng pháp định tuyến, chuẩn truyền thông phổ biến đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến và cuối cùng là đề xuất chế tạo mô hình mạng cảm biến không dây với số lƣợng node mạng cảm biến. Luận văn sẽ có kết cấu nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Chƣơng 3: Chuẩn truyền thông không dây Zigbee/IEEE 802.4 Chƣơng 4: Mô hình ứng dụng giám sát các thông số môi trƣờng TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 13 CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG Trong chƣơng này, trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây với đặc điểm và cấu trúc, đồng thời giới thiệu những ứng dụng mà mạng cảm biến không dây mang lại. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1. Mạng cảm biến không dây là gì? Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) hay còn gọi là các node cảm biến tập trung lại theo một cách không có hệ thống và tạo thành một mạng.

Các node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhƣ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô nhất định theo yêu cầu trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Các node mạng thƣờng là thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế và có thể hoạt động ở điều kiện, môi trƣờng khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm,…)[6] Internet, Vệ tinh Sink Nút quản lý E D C B nhiện vụ A Người sử dụng Trường cảm biến Nút cảm biến Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây 1. Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến WSN sẽ bao gồm nhiều nút cảm biến đƣợc sắp theo ý của ngƣời thiết kế mạng. Trong đó, mỗi nút cảm biến đƣợc cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản: Bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng lƣợng.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Cấu trúc mạng cảm biến. Về cơ bản, một mạng cảm biến có cấu trúc nhƣ hình 1-1. Các nút cảm biến đƣợc triển khai trong một trƣờng cảm biến (sensor field).

Mỗi nút cảm biến đƣợc phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới ngƣời dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu đƣợc định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của ngƣời dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). Cấu trúc phẳng Với cấu trúc này, các nút mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng hình 1-2.

Các nút giao tiếp với sink qua multihop và sử dụng nút mạng ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Nếu trong phạm vi truyền cố định, các nút mạng gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lƣợng nguồn lớn. Khi đó, các node mạng có thể chia sẻ thời gian khi giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu. Nhƣng cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ nhƣ thời gian, tần số… [7],[9] Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN 1.

Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng (hình 1-3), các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến một nút mạng định sẵn, thƣờng gọi là nút chủ (Cluster Head). Trong cấu trúc này, các nút mạng tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút mạng ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 15 Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN Cấu trúc tầng thì chức năng cảm biến, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng nhất giữa các nút cảm biến. Những chắc năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, cấp trên cùng thực hiện phân phối.

[7],[9] Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do: - Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vụ các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động tốt nhất. - Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng. Khi cần phải tính toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong thời gian dài, các nút cảm biến tiêu thụ ít năng lƣợng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.Với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng, sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.

Cấu trúc một nút mạng [6] Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung nhƣ hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lƣợng và thiết bị di động. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 16 Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến - Bộ phận cảm biến: thƣờng bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số. Tín hiệu tƣơng tự đƣợc sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tƣợng đƣợc chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó đƣợc chuyển tới bộ phận xử lý.

- Bộ phận xử lý: thƣờng liên quan đến một bộ phận lƣu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến đƣợc định trƣớc. - Bộ phận thu phát: để kết nối nút với mạng. Nó làm nhiệm vụ gửi và nhận dữ liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink. - Bộ nguồn: Một trongnhững thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ phận cung cấp quản lý năng lƣợng.

Bộ phận này có thể đƣợc hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng lƣợng nhƣ pin mặt trời. Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ thể. Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏi kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy, các nút cảm biến thƣờng có hệ thống định vị vị trí. Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến có thể đƣợc trang bị một bộ phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó đƣợc yêu cầu để thực hiện nhiệm vụ định trƣớc.

Đặc điểm cơ bản 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 vi hẹp và định tuyến multihop. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 17 - Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến. - Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading và hƣ hỏng ở các nút.

- Các giới hạn về mặt năng lƣợng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán. WSN đã kế thừa những ƣu điểm của mạng vô tuyến cùng với những đặc điểm riêng của mạng cảm biến nó có thể đƣợc ứng dụng vào mạng gồm một số lƣợng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lƣợng có khả năng xử lý, tính toán và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể. Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống Dựa vào những trình bày ở trên, ta dễ dàng nhận thấy sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống. Sự khác nhau này đƣợc trình bày ở Bảng 1-1.

Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống WSN Mạng truyền thống Số lƣợng node lớn Số lƣợng node ít hơn Mật độ triển khai node dầy Mật độ triển khai node không dầy bằng WSN Cấu trúc mạng có thể thay đổi Cấu trúc mạng thƣờng cố định Truyền dữ liệu theo kiểu quảng bá Truyền dữ liệu theo kiểu điểm–điểm Các node cảm biến thƣờng bị giới hạn Các node mạng truyền thống không bị về năng lƣợng, khả năng tính toán và bộ giới hạn về năng nƣợng, khả năng tính nhớ toán và bộ nhớ Các node cảm biến có thể chia sẻ nhiệm Các node mạng truyền thống khó chia vụ với các node lân cận sẻ nhiệm vụ với các node lân cận Các node cảm biến có thể có hoặc không Các node mạng truyền thống thƣờng có có số định dạng toàn cầu (Global số ID Indentification –ID) 2. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con ngƣời.