Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử mô hình nhận biết ngữ cảnh bằng logic mờ trong mạng cảm biến không dây

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu mô hình nhận biết ngữ cảnh sử dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Từ Lương Phan Nguyễn
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Võ Quế Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Mô hình nhận biết ngữ cảnh bằng logic mờ trong mạng cảm biến không dây
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Mô hình nhận biết ngữ cảnh

Mô hình nhận biết ngữ cảnh là một phần quan trọng trong nghiên cứu này, tập trung vào việc sử dụng logic mờ để xác định và phản ứng với các thay đổi trong môi trường. Trong mạng cảm biến không dây (WSN), việc nhận biết ngữ cảnh giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và lưu lượng truyền dữ liệu. Mô hình đề xuất sử dụng các thuật toán mờ để xử lý dữ liệu từ các cảm biến, từ đó đưa ra quyết định thông minh dựa trên ngữ cảnh cụ thể. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu lưu lượng mạng mà còn kéo dài tuổi thọ pin của các nút cảm biến.

1.1. Logic mờ trong nhận biết ngữ cảnh

Logic mờ được áp dụng để xử lý các dữ liệu không chắc chắn hoặc mơ hồ từ môi trường. Trong mạng cảm biến không dây, logic mờ giúp các nút cảm biến đưa ra quyết định chính xác hơn khi nhận diện ngữ cảnh. Các hàm thuộc và luật hợp thành trong logic mờ được thiết kế để phản ánh các điều kiện môi trường khác nhau, từ đó tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu.

1.2. Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây

Mô hình này được áp dụng trong mạng cảm biến không dây để giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và áp suất. Khi có sự thay đổi trong môi trường, các nút cảm biến sẽ sử dụng logic mờ để xác định ngữ cảnh và đưa ra quyết định phù hợp. Điều này giúp giảm thiểu lưu lượng truyền dữ liệu không cần thiết và tiết kiệm năng lượng.

II. Logic mờ và hệ thống thông minh

Logic mờ là một công cụ mạnh mẽ trong việc xây dựng các hệ thống thông minh, đặc biệt là trong mạng cảm biến không dây. Nó cho phép các hệ thống xử lý các dữ liệu không chắc chắn và đưa ra quyết định dựa trên các quy tắc mờ. Trong nghiên cứu này, logic mờ được sử dụng để tối ưu hóa quá trình nhận biết ngữ cảnh, giúp các nút cảm biến hoạt động hiệu quả hơn.

2.1. Các phép toán trên tập mờ

Các phép toán trên tập mờ bao gồm phép hợp, phép giao, và phép bù. Những phép toán này được sử dụng để xử lý các dữ liệu mờ từ các cảm biến, giúp hệ thống đưa ra quyết định chính xác hơn. Các hàm thuộc được thiết kế để phản ánh các điều kiện môi trường khác nhau, từ đó tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu.

2.2. Mô hình mờ Tagaki Sugeno

Mô hình Tagaki-Sugeno là một dạng của logic mờ được sử dụng để mô tả các hệ thống phi tuyến. Trong nghiên cứu này, mô hình này được áp dụng để xây dựng các quy tắc mờ cho việc nhận biết ngữ cảnh. Các quy tắc này giúp hệ thống đưa ra quyết định dựa trên các dữ liệu đầu vào từ các cảm biến.

III. Tối ưu hóa mạng cảm biến không dây

Việc tối ưu hóa mạng cảm biến không dây là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu này. Bằng cách sử dụng logic mờ, các nút cảm biến có thể giảm thiểu lưu lượng truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu tuổi thọ pin dài và hiệu suất cao.

3.1. Giảm thiểu lưu lượng truyền dữ liệu

Bằng cách sử dụng logic mờ, các nút cảm biến chỉ truyền dữ liệu khi có sự thay đổi đáng kể trong môi trường. Điều này giúp giảm thiểu lưu lượng truyền dữ liệu không cần thiết, từ đó tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ pin của các nút cảm biến.

3.2. Tiết kiệm năng lượng

Logic mờ giúp các nút cảm biến hoạt động hiệu quả hơn bằng cách giảm thiểu thời gian hoạt động không cần thiết. Các nút cảm biến chỉ hoạt động khi có sự thay đổi trong môi trường, từ đó tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ pin.

IV. Ứng dụng thực tế và kết quả

Nghiên cứu này đã được áp dụng thực tế trong việc giám sát nhiệt độ trong một kho lạnh. Kết quả cho thấy việc sử dụng logic mờ giúp giảm thiểu lưu lượng truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Các nút cảm biến chỉ truyền dữ liệu khi có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

4.1. Mô phỏng và kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng logic mờ giúp giảm thiểu lưu lượng truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Các nút cảm biến chỉ truyền dữ liệu khi có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

4.2. Thực hiện thực tế

Nghiên cứu này đã được áp dụng thực tế trong việc giám sát nhiệt độ trong một kho lạnh. Kết quả cho thấy việc sử dụng logic mờ giúp giảm thiểu lưu lượng truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về Mạng cảm biến không dây Trong chương này sẽ tập trung vào các vấn đề chính là mạng cảm biến để người đọc có cái nhìn tổng quan bao gồm định nghĩa, các đặc trưng, kĩ thuật, cấu tạo của các nút cảm biến, những hạn chế và một số ứng dụng của WSN.1 Tổng quan Một mạng lưới cảm biến không dây (WSN) bao gồm các bộ cảm biến phân bố rộng trong không gian để theo dõi các điều kiện vật chất, môi trường, như nhiệt độ, âm thanh, áp lực, và truyền thông dữ liệu thông qua mạng đến một địa điểm chính. Các mạng hiện đại hơn là “bi-directional” (hai chiều) cho phép kiểm soát hoạt động của cảm biến. Sự phát triển của các mạng cảm biến không dây được thúc đẩy bởi các ứng dụng quân sự như giám sát chiến trường, ngày nay được mạng cảm biến không dây đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng, chẳng hạn như giám sát quá trình kiểm soát công nghiệp, theo dõi sức khỏe, theo dõi môi trường. WSN được xây dựng bởi một vài đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn nút cảm biến, mỗi nút này được kết nối với một (hoặc đôi khi một vài) cảm biến.

Mỗi bộ cảm biến node mạng như vậy gồm các bộ phận: một bộ thu phát radio với một ăng-ten bên trong hoặc kết nối với một ăng-ten bên ngoài, vi điều khiển, mạch điện tử để giao tiếp với các cảm biến và một nguồn năng lượng, thường là pin. Một nút cảm biến có thể có kích thước khác nhau từ kích thước một chiếc giày xuống kích thước của một hạt bụi (mote). Chi phí của các nút cảm biến cũng khác nhau, từ một vài đến hàng trăm đô la, tùy thuộc vào sự phức tạp của các nút cảm biến đó. Cấu trúc liên kết của WSNs HVTH: Từ Lương Phan Nguyễn 8 LVTh.S: Mô hình nhận biết ngữ cảnh sử dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây có thể khác nhau từ một mạng sao đơn giản với một mạng lưới không dây tiên tiến đa chặng (hops).

Việc truyền thông giữa các hops của mạng có thể được routing hoặc flooding [8].2 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây 1.1 Năng lượng tiêu thụ Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi các thành phần có công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các công nghệ không dây hiện tại (như Bluetooth). Ví dụ như các cảm biến dùng trong công nghiệp và y tế được cung cấp năng lượng từ những cục pin nhỏ, có thể sống được vài tháng đến vài năm. Với các ứng dụng theo dõi môi trường, khi mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì việc thường xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn năng lượng là điều không khả thi. Chính vì thế trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp các thuật toán định tuyến tối ưu.2 Chi phí Khi thiết kế một ứng dụng không dây thì giá thành cũng là một yếu tố chính cần được quan tâm.

Để có thể đạt được mục tiêu này thì khi thiết kế cấu hình mạng và giao thức truyền thông cần tránh sử dụng các thành phần đắt tiền và tối thiểu hóa độ phức tạp của giao thức truyền thông. Trong mạng cảm biến, số lượng các nút mạng sử dụng là khá lớn và khi chi phí để sản xuất từng nút con được giảm đi thì giá thành của toàn bộ hệ thống giảm đi đáng kể. Hiện nay trong các ứng dụng cơ bản các nút mạng có giá khoảng 5-10 USD. Ngoài các yếu tố trên thì một phần khá lớn tác động tới giá thành đó là chi phí quản trị và bảo trì hệ thống.

Mạng cảm biến không dây đã làm tốt hai chức năng cơ bản đó là tự cấu hình và tự bảo trì. Tự cấu hình có nghĩa là tự động dò tìm vị trí các nút lân cận và tổ chức thành một cấu trúc xác định [9]. Tự bảo trì có nghĩa là tự động phát hiện và sửa lỗi nếu phát sinh trong hệ thống (ở các nút mạng hoặc các liên kết giữa các nút) mà không cần sự tác động của con người. Với các tính năng ưu việt này thì mạng cảm biến không dây ngày càng tỏ rõ những ưu việt của mình.3 Loại hình mạng HVTH: Từ Lương Phan Nguyễn 9 LVTh.S: Mô hình nhận biết ngữ cảnh sử dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây Với một số ứng dụng đơn giản trong phạm vi hẹp thì mạng hình sao (star network) có thể đáp ứng được các yêu cầu truyền nhận và xử lý dữ liệu.

Trong mạng hình sao, 1 nút sẽ đóng vai trò nút chủ các nút còn lại là nút con kết nối tới nút chủ. Tuy nhiên khi mạng được mở rộng thì cấu trúc hình sao đơn thuần sẽ không đáp ứng được, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng (multi-hop). Cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên bộ nhớ và xử lý tính toán hơn do mật độ của các nút mạng tăng và diện tích của mạng được phủ trên một phạm vi lớn.4 Tính bảo mật Trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là các ứng dụng trong quân sự. Không giống như các mạng có dây rất khó có thể lấy được thông tin khi truyền đi giữa 2 đối tượng, khi truyền tín hiệu không dây được truyền đi trong không gian và có thể được thu lại bởi bất kỳ ai.

Những mối hiểm họa không chỉ là việc đánh cắp thông tin mà còn ở chỗ những thông tin đó có thể bị chỉnh sửa và phát lại để phía thu nhận được những thông tin không chính xác. Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận. Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bit xác thực… Các chức năng này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên của hệ thống về mặt năng lượng và băng thông tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong truyền tin. Do vậy cần đạt được sự cân bằng giữa 2 yếu tố này để đảm bảo cho hệ thống tối ưu nhất.5 Độ trễ Các ứng dụng thông thường của mạng cảm biến không có yêu cầu cao về thời gian thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lượng nguồn tin (trừ một số trường hợp đặc biệt như hệ thống báo cháy).

Tuy nhiên trong một mạng lưới khá lớn, các thông tin của các nút con được tập hợp ở một nút chủ để xử lý và đưa về trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hóa là rất quan trọng.6 Tính di động HVTH: Từ Lương Phan Nguyễn 10 LVTh.S: Mô hình nhận biết ngữ cảnh sử dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thường ở các vị trí cố định. Các phương thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn so với các mạng ad-hoc khác (như MANET).3 Cấu trúc nút cảm biến ( Sensor Node – Nút cảm biến) Một nút cảm biến gồm 5 thành phần chính như sau: Các sensor cảm ứng, vi điều khiển, bộ nhớ, bộ thu phát và nguồn. Hình 1 – Các thành phần cấu trúc của nút cảm biến - Nút cảm biến 1.1 Vi Điều khiển Bộ điều khiển thực hiện nhiệm vụ, xử lý dữ liệu và kiểm soát các chức năng của các thành phần khác trong các nút cảm biến. Bộ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất là một vi điều khiển, lựa chọn thay thế khác có thể được sử dụng là: vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP), FPGAs hoặc ASICs.

Vi điều khiển thường được sử dụng trong nhiều hệ thống nhúng vì chi phí thấp, tính linh hoạt để kết nối với các thiết bị khác, dễ dàng lập trình, và mức tiêu thụ điện năng thấp. Một bộ vi xử lý thường có một tiêu thụ điện năng cao hơn so với một vi điều khiển, do đó nó thường không được xem là một sự lựa chọn phù hợp cho một nút cảm biến. Xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) có thể được lựa chọn cho các ứng dụng truyền thông không dây băng thông rộng, nhưng trong các mạng lưới cảm biến không dây truyền thông không dây thường là khiêm tốn: tức là, đơn giản, dễ dàng hơn để xử lý điều chế và nhiệm vụ xử lý tín hiệu cảm biến thực tế của dữ liệu là ít phức tạp hơn. Do đó, lợi thế của DSP thường HVTH: Từ Lương Phan Nguyễn 11 LVTh.S: Mô hình nhận biết ngữ cảnh sử dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây không phải là tầm quan trọng nhiều đến các nút cảm biến không dây.

FPGA có thể được lập trình lại và cấu hình lại theo yêu cầu, nhưng điều này cần có nhiều thời gian và năng lượng lớn hơn mong muốn.2 Bộ thu phát (Transceiver) Các lựa chọn có thể có của các phương tiện truyền thông không dây tần số vô tuyến (RF), truyền thông quang học (Laser) và hồng ngoại. Lasers đòi hỏi ít năng lượng hơn, nhưng cần đường thẳng (line-of-sight) để giao tiếp và nhạy cảm với điều kiện khí quyển. Hồng ngoại, tương tự như laser, không cần ăng-ten nhưng nó được giới hạn trong khả năng phát sóng của nó. Chính vì vạy thông tin liên lạc dựa trên tần số radio phù hợp với hầu hết các ứng dụng WSN.

WSNs có xu hướng sử dụng các tần số miễn phí truyền thông trong băng tần ISM (industrial, scientific and medical band): 173, 433, 868, và 915 MHz và 2,4 GHz. Các chức năng của cả hai việc truyền và nhận được kết hợp thành một thiết bị duy nhất được biết đến như bộ thu phát. Các trạng thái hoạt động của bộ thu phát này là chuyển giao, tiếp nhận, nhàn rỗi, và ngủ (transmit, receive, idle, and sleep). Thu phát thế hệ hiện tại được xây dựng trên các trạng thái máy ( state machines) để thực hiện việc truyền thông tự động.

Hầu hết các bộ thu phát hoạt động ở chế độ nhàn rỗi có điện năng tiêu thụ gần như tương đương với năng lượng tiêu thụ trong chế độ nhận [10]. Như vậy, để chế độ tắt hoàn toàn bộ thu phát sẽ tốt hơn là để nó ở chế độ nhàn rỗi khi không phải là truyền hoặc nhận. Đó là tiền đề quan trọng để phát triển các chuẩn vô tuyến giao tiếp hiện tại.