Chương 1: Giới thiệu tổng quan về định nghĩa, các đặc trưng và cấu tạo nút cảm biến, những hạn chế và ứng dụng của WSN. Chương 2: Giới thiệu khái quát về tiêu chuẩn giao tiếp 6LoWPAN, về đặc điểm, nhiệm vụ của nó trong mạng WSN. Chương 3: Giới thiệu về một số khái niệm trong logic mờ, các hệ mờ và cuối cùng đưa ra mô hình Tagaki-Sugeno, một mô hình được ứng dụng khá rộng rãi SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang vi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Chương 4: Đưa ra mô hình đo và điều khiển nhiệt độ trong phòng Server dựa trên các quy tắc, các quy tắc này được thiết kế dựa trên logic mờ để làm các node cảm biến thông minh hơn và phù hợp với tài nguyên tính toán, bộ nhớ của mỗi node.
Chương 5: Đánh giá chất lượng của mô hình dựa trên kết quả của mô hình đã đưa ra, từ đó định hướng và phát triển mở rộng trong các mô hình nhận biết các thông số của WSN. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây là mạng tập hợp các bộ cảm biến được phân bố trong không gian gọi là các node mạng.
Các node này có khả năng cảm biến, giám sát các hiện tượng vật lý và những biến đổi về môi trường xung quanh như: nhiệt độ, ánh sáng, sự di chuyển của một đối tượng nào đó và sau đó thông báo lại những biến đổi này cho trạm chủ. Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn được phân bố trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế là pin trong thời gian hoạt động lâu dài. Sự phát triển của mạng cảm biến không dây được thúc đẩy bởi các ứng dụng quân sự trong điều khiển giám sát và an ninh, ngày nay mạng cảm biến không dây đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng như giám sát quá trình kiểm soát công nghiệp, theo dõi môi trường, theo dõi sức khỏe.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 1.1 Kích thƣớc vật lý nhỏ gọn Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị với nhau. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng tới kích thước và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động.
Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2 toán rất kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực. Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường.
Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất). Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp.4 Tính đa dạng trong thiết kế sử dụng Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng.
Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.5 Hoạt động tin cậy Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3 tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất.
Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.6 Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 1-1. Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến.
Kiến trúc giao thức bao gồm: Tầng vật lý: giải quyết nhu cầu về kĩ thuật điều chế, truyền và nhận. Tầng liên kết dữ liệu: bảo đảm thông tin liên lạc đáng tin cậy, sử dụng kỹ thuật kiểm soát lỗi và quản lý truy cập kênh giảm thiểu va chạm. Tầng mạng: quan tâm đến việc định tuyến gói dữ liệu. Tầng vận chuyển: duy trì lưu thông dữ liệu trong mạng với UDP.
Tầng ứng dụng: quản lý các ứng dụng, quản lý mạng, xử lý truy vấn, chứa các mã ứng dụng. SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4 Giải pháp lớp chéo trong WSN: nhằm tích hợp chặt chẽ các giao thức trong lớp stack. Bằng cách loại bỏ giới hạn giữa các lớp cũng như các giao diện liên quan giữa chúng, nhằm tăng hiệu quả trong không gian và điều khiển. Nó nêu lên: Mỗi nút được trang bị một thiết bị đo xung nhịp cục bộ.
Cảm biến, xử lý, truyền thông được liên kết, kiểm soát bởi xung nhịp cục bộ. Thời gian truyền thông dữ liệu ở từng nút được nhất quán. Thông tin thu phát phải kết hợp với vị trí của nút tạo ra. Giao thức truyền thông phải có thông tin vị trí.3 Những khó khăn trong việc phát triển WSN Trên thực tế khi triển khai WSN sẽ gặp một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật.
Khi nắm rõ những khó khăn này chúng ta sẽ có điều kiện cải tạo nhằm tối ưu hóa hơn nữa.1 Giới hạn năng lƣợng Thông thường các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng các nguồn năng lượng có sẵn như pin. Khi số lượng node mạng lớn, yêu cầu tính toán nhiều, khoảng cách truyền lớn thì sự tiêu thụ năng lượng sẽ lớn. Chính vì vậy cần tìm các giải pháp để tối ưu hóa việc xử lý và truyền dữ liệu nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng.2 Giới hạn về phần cứng Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước các node phải nhỏ vì có một số ứng dụng đòi hỏi số lượng lớn các node trên một phạm vi hẹp. Điều này làm hạn chế khả năng tính toán và lưu trữ trên mỗi node.3 Giới hạn về giải thông Hiện nay tốc độ truyền vô tuyến bị hạn chế trong tốc độ khoảng 10-100 Kbits/s.
Sự giới hạn về giải thông sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5 giữa các node.4 Ảnh hƣởng của nhiễu bên ngoài Do mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên bị ảnh hưởng bởi can nhiễu bên ngoài, có thể bị mất mát hoặc sai lệnh thông tin khi truyền từ node về trạm gốc.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Hình 1-2. Một số ứng dụng WSN trong các lĩnh vực khác nhau WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ. Thích ứng được nhiều môi trường khắc nghiệt. Do đó WSN cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.
Một số ứng dụng như hình 1-2: Cảm biến môi trƣờng: Quân sự: Phát hiện mìn, chất độc, sự di chuyển của quân địch. Công nghiệp: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy… Dân dụng: Hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng… SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6 Điều khiển: Quân sự: Kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự… Công nghiệp: Điều khiển tự động các thiết bị, robot… Theo dõi, giám sát, định vị: Quân sự: Định vị, theo dõi sự di chuyển thiết bị, quân đội… Dân dụng: Giám sát lưu lượng xe trong thành phố… Môi trƣờng: Giám sát lũ lụt, bão, gió mưa… Phát hiện ô nhiễm, chất thải… Y tế Định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp… Hệ thống giao thông thông minh: Giao tiếp giữa biển báo và các phương tiện giao thông, hệ thống báo hiệu tai nạn… Hệ thống định vị, trợ giúp điều khiển tự động các phương tiện giao thông… Gia đình: Nhà thông minh, hệ thống cảm biến, điều khiển và giao tiếp các thiết bị thông minh. WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh với con người và các hệ thống viễn thông khác….Ứng dụng mạng cảm biến còn rất nhiều và nó thực sự chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của con người.