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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.