CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lƣợng lớn các thiết bị không dây có khả năng đo các thông tin môi trƣờng. Ví dụ nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh và độ ẩm. Những cảm biến gửi các dữ liệu thông qua kênh truyền không dây. Các nút mạng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có giá thành thấp, đƣợc phân bố trên một khu vực, sử dụng nguồn năng lƣợng là pin, có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt[9][10].
Mạng hoạt động trên nguyên lý là một nút mạng sẽ cảm nhận thông số của một môi trƣờng cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trƣờng không dây về trạm gốc. Trên cơ sở đó nút gốc có thể đƣa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết phải là máy tính mà có thể đƣợc chế tạo với kích thƣớc nhỏ, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể[9][10].1 : Một nút mạng cảm biến không dây 1.2 Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây 1.1 Cấu tạo Do số lƣợng nút trong mạng cảm biến không dây là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thƣờng đối với một nút mạng là giá thành thấp và kích thƣớc nhỏ gọn. Bộ cảm biến Hệ thống Bộ nhớ Bộ xử lý trung định vị tâm Bộ thu phát Bộ phận di sóng động Bộ nguồn Hình 1.2 : Sơ đồ của một thiết bị mạng cảm biến không dây[10].Opnet TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Bộ xử lýtrung tâm Đây là một bộ xử lý nhúng năng lƣợng thấp.Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm : xử lý thông tin cảm biến cục bộ của chính nút mạng đó và thông tin nhận đƣợc từ các nút mạng khác.
Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thƣờng bị hạn chế về khả năng tính toán (Ví dụ hiện nay có nhiều thiết bị chỉ có bộ xử lý 8 bits 16MHz), do vậy các nút mạng cảm biến thƣờng đƣợc chạy trên các hệ điều hành chuyên biệt, nhƣ hệ điều hành TinyOS. Tuy nhiên, sẽ có một số nút mạng sẽ có khả năng tính toán mạnh hơn đáng kể. Hơn nữa, với định luật Moore, các thiết bị cảm biến không dây tƣơng lai có thể có những bộ xử lý nhúng mạnh mẽ, kết hợp các công nghệ tiên tiến nhằm tiết kiệm năng lƣợng[10].2 Bộ nhớ/Lưu trữ Bộ nhớ/lƣu trữ dƣới dạng bộ nhớ chỉ đọc và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên bao gồm cả bộ nhớ chƣơng trình (các lệnh đƣợc thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lƣu các kết quả đo chƣa xử lý và đã qua xử lý bởi bộ cảm biến, lƣu các thông tin cục bộ khác). Chất lƣợng bộ nhớ và lƣu trữ trên bo mạch của thiết bị mạng cảm biến không dây thƣờng bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp, tuy nhiên nó cũng đƣợc cải thiện đáng kể qua thời gian[10].3 Bộ thu phát sóng vô tuyến Thiết bị mạng cảm biến không dây có tốc độ thấp (10 → 100 kbps) và là thiết bị vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100 mét).
Trong mạng cảm biến không dây thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết hợp có hiệu quả công suất giữa các chế độ ngủ và chế độ hoạt động. Đồng thời cũng phải đối mặt với các vấn đề nhƣ các hiệu ứng nhiễu, hiệu ứng bóng mờ, giao thoa…[10] 1.4 Bộ cảm biến Cảm biến Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị mạng cảm biến không dây chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp. Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vài loại cảm biến trên bo mạch chủ. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại cảm biến riêng : cảm biếnnhiệt độ, cảm biếnánh sáng, cảm biếnđộ ẩm, cảm biếnáp suất, cảm biếngia tốc, cảm biếntừ, cảm biếnâm thanh hay thậm chí là cảm biếnhình ảnh có độ phân giải thấp[10].
Bộ chuyển đổi tương tự số Bộ chuyển đổi tƣơng tự số đƣợc tích hợp để có thể ghép nối với các cảm biến tƣơng tự. Với bộ chuyển đổi tƣơng tự số đƣợc tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn trong việc sử dụng, giảm kích thƣớc nút mạng đồng thời giảm đƣợc các nhiễu trong quá trình biến đổi tƣơng tự số với các tín hiệu từ cảm biến[10].Opnet TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.4 Hệ thống định vị Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, ứng dụng cho phép đo cảm biếnđể đánh dấu vị trí là quan trọng nhất. Cách đơn giản nhất để định vị là tiền cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định. Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà : khi một mạng đƣợc triển khai, thông tin dễ dàng thu đƣợc qua vệ tinh định vị.
Tuy nhiên, tại các ứng dụng, do hạn chế của môi trƣờng và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút đƣợc trang bị hệ thống định vị. Trong trƣờng hợp không có hệ thống định vị, các nút khác nhau (nhƣng vẫn trong cùng mạng) chỉ thu đƣợc vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng[10].5 Bộ nguồn Nguồn năng lƣợng đƣợc sử dụng để có thể triển khai hoạt động của thiết bị mạng cảm biến không dây là các dạng nguồn năng lƣợng dự trữ nhƣ nguồn pin. Trong một số trƣờng hợp, các nút mạng có thể đƣợc kết nối đến một nguồn điện liên tục, một số trƣờng hợp, bộ nguồn của các nút mạng đƣợc thiết kế có thêm các thiết bị pin năng lƣợng mặt trời để có thể duy trì nguồn năng lƣợng. Tuy nhiên, do phần lớn các trƣờng hợp đều sử dụng pin, nên nguồn năng lƣợng cung cấp cho thiết bị là có giới hạn, điều này ảnh hƣởng lớn nhất đến các ứng dụng của mạng cảm biến không dây[10].6 Bộ phận di động Các node cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ ấn định.
Do đó nó đƣợc trang bị thêm các thành phần phụ để phục vụ cho quá trình di động.2 Phân loại nút mạng Trong hầu hết các mô hình mạng mạng cảm biến không dây có 3 loại nút mạng : nút cảm nhận, nút trung gian và nút cơ sở (nút trung tâm)[10]. Nút cảm nhận : trực tiếp thu thập số liệu và truyền số liệu về nút cơ sở (nếu khoảng cách giữa nút cảm nhận và nút cơ sở nhỏ) hoặc truyền đến các nút trung gian (nếu khoảng cách lớn)[10]. Nút trung gian : cũng trực tiếp thu thập dữ liệu. Kế đến chúng tiến hành chuyển tiếp dữ liệu thu thập đƣợc và dữ liệu nhận đƣợc từ các nút cảm nhận qua các nút trung gian khác.
Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở[10]. Nút cơ sở : tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiến hành xử lý dữ liệu[10].Opnet TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.Opnet 10 Nút cảm biến Nút cảm biến Nút trung gian Nút trung gian Nút cảm biến Nút cơ sở Nút cảm biến Nút trung gian Nút cảm biến Hình 1.3 : Cấu trúcmạng cảm biến không dây tổng quan 1.3 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 1.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai trên một phạm vi rộng, số lƣợng nút mạng lớn và đƣợc phân bố một cách tƣơng đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng… Do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một cấu trúc mạng linh động (ad-hoc, lƣới, sao…) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị mạng cảm biến không dây có thể cùng hay không cùng mạng với nhau[10]. Mạng cảm biến không dây có thể coi nhƣ một phần trong mạng di động Ad-hoc, tuy nhiên giữa chúng cũng có những điểm tƣơng đồng và những điểm khác biệt riêng[23].
Điểm tương đồng: Đều là những mạng không dây. Sử dụng những nút mạng trung gian trong việc định tuyến giữa hai nút mạng, gọi là đa chặng. Đều sử dụng nguồn năng lƣợng là pin, việc tiết kiệm năng lƣợng đƣợc ƣu tiên hàng đầu. Đều là những hệ tự quản lý, tự cấu hình.
Do đều sử dụng công nghệ không dây nên dễ bị ảnh hƣởng bởi các sóng không dây có cùng tần số khác. Điểm khác biệt: Mạng cảm biến không dây tập trung vào đối tƣợng môi trƣờng hơn là con ngƣời, mạng di động Ad-hoc tập trung vào con ngƣời nhiều hơn. Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu chủ yếu là các hiện tƣợng, sự kiện ở thế giới thực, còn trong mạng di động Ad-hoc chủ yếu là dữ liệu.Opnet TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.Opnet 11 Các nút trong mạng cảm biến không dây ít di động hơn mạng di động Ad- hoc. Nguồn năng lƣợng giới hạn, năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây đƣợc quản lý, sử dụng chặt chẽ.
Trong mạng di động Ad-hoc, có thể ít bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do ngƣời dùng có thể thay thế nguồn cho các thiết bị. Số lƣợng nút trong mạng cảm biến không dây là rất lớn, trong mạng di động Ad-hoc là ít hơn. Mạng cảm biến không dây tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành các cụm để ổn định cấu trúc của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến, giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm đƣợc năng lƣợng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút mạng[10]. Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu cơ bản, có một nút đƣợc gọi là nút sink.
Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn đƣợc truyền trực tiếp đến nó. Cấu trúc mạng đơn giản nhất cho ứng dụng này là cấu trúc hình sao đơn chặng. Trong cấu trúc này, tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink[10].4 : Cấu trúc mạng hình sao đơn chặng Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai trên diện rộng thì sử dụng cấu trúc hình cây đa chặng. Trong cấu trúc này, một vài nút đƣợc xem nhƣ các nút nguồn của chính chúng và định tuyến cho các nguồn khác[10].5 : Cấu trúc mạng hình cây đa chặng 1.2 Khả năng di động của mạng của biến không dây 1.
Phân loại Trong mạng cảm biến không dây, tính di động có thể chia làm 03 dạng chính: (LUAN.Opnet TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.