mở đầu này, sẽ nêu lên các khái niệm chung nhất, khái quát nhất về mạng cảm biến không dây cũng như các thành phần trong mạng, cấu trúc một node mạng, của toàn mạng, các yếu tố cần xem xét khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng thực tế của nó.1 Giới thiệu Trong thời gian gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho rất nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự hoạt động của môi trường, giám sát không gian, giám sát các mặt trận quân sự, chẩn đoán sự hoạt động của máy móc, thiết bị , theo dõi và giám sát các hoạt động của bác sỹ, bênh nhân trong bệnh viện, theo dõi và điều khiển phương tiện giao thông xe cộ… Hơn nữa, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành như kỹ thuật Vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, cảm biến, tính toán và xử lý số liệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến trong thực tế. Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node mạng với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng đã bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập thông tin, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị nhỏ gọn, đơn giản, có giá thành thấp…và được phân bố với số lượng lớn trong một phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài.
Các node mạng có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng., định vị, theo dõi, thông báo các thông tin về mục tiêu cần giám sát. Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm trung tâm để xử lý thông tin. Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau: Có khả năng tự tổ chức. Yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người Truyền thông vô tuyến và truyền đa bước.
Triển khai số lượng lớn trên phạm vi rộng. Năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý bị giới hạn. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cấu hình thường xuyên thay đổi do môi trường hoặc do node mạng. Quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ, khả năng xử lý và tính toán chính là những vấn đề thách thức trong mạng cảm biến không dây.
Chính những đặc tính này đã đưa ra những yêu cầu trong việc tính toán thiết kế mạng cảm biến không dây.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.1 Cấu trúc của một node mạng trong mạng cảm biến không dây Để xây dựng nên mạng cảm biến không dây trước hết phải chế tạo và phát triển các node mạng cảm biến giúp cấu thành nên mạng. Các node phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo mục đích sử dụng cụ thể: Các node phải có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả, có các thiết bị cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng tính toán và có bộ nhớ lưu trữ đáp ứng đủ yêu cầu, phải có khả năng thu phát sóng vô tuyến để thông tin liên lạc với các node khác và trạm cơ sở. Mỗi node cảm biến được cấu thành bởi 4 phần cơ bản: bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý( a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit). Ngoài ra còn có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc ứng dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn ( a power generator) và bộ phận di dộng (mobilizer).1 Các thành phần của 1 node cảm biến +) Bộ phận cảm biến (sensing units): Bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC).
Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Có rất nhiều loại cảm biến, tùy vào ứng dụng trong mạng cảm biến mà ta có các loại cam biến tương ứng, thường là dựa vào kiểu hoạt động của cảm biến ( tích cực, thụ động ) , phạm vi giám sát, năng lượng tiêu thụ, giá thành và kích thước… +) Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit): Bộ vi xử lý là thiết bị quan trọng nhất trong node mạng cảm biến không dây. Có nhiệm vụ làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các node, sau đó xử lý trước khi gửi đi và nhận dữ liệu từ các node khác. Bộ lưu trữ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu thập về từ các node cảm biến, hoặc gói dữ liệu từ các node khác.
Yêu cầu kích thước của bộ nhớ và năng lượng tiêu thụ tương ứng với yêu cầu về dữ liệu của ứng dụng của node mạng. +) Phần thu phát vô tuyến : có nhiệm vụ kết nối các node vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới trạm cơ sở. +) Bộ nguồn: là một trong số các phần cốt yếu của một node mạng cảm biến.
Trong đó có 2 vấn đề cần quan tâm là khả năng lưu trữ, cung cấp năng lượng và khả năng thay thế nguồn. Bộ nguồn thường là một số loại pin có năng lượng hạn chế và khả năng thay thế trong node mạng là không thể do các khó khăn về địa hình triển khai và số lượng các node mạng lớn. Để các node có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó nên có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây 1.1 Cấu trúc mạng Đặc điểm của mạng cảm biến không dây là bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên và đặc biệt là năng lượng rất hạn chế. Do đó, cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của toàn mạng.
Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần đáp ứng những yếu tố kĩ thuật như: +) Giao tiếp không dây multihop: Trong mạng cảm biến không dây, phương thức giao tiếp giữa các node cảm biến là giao tiếp không dây. Do đó, việc giao tiếp trực tiếp giữa 2 node mạng sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hoặc vật cản. Đặc biệt là khi node phát và 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com node thu cách nhau càng xa thì càng cần công suất càng lớn. Vì vậy cần có các node trung gian để làm node chuyển tiếp làm giảm công suất tổng thể.
Do đó các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop. +) Hoạt động hiệu quả năng lượng: Vấn đề năng lượng là vấn đề rất quan trọng cần giải quyết của mạng cảm biến không dây. Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây chính là sự hạn chế về năng lượng. Do vậy, để hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây.
+) Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Chẳng hạn như các node có thể tự xác định vị trí của nó thông qua các node khác. +) Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không thu thập đủ dữ liệu cần phải có nhiều node cùng tham gia cộng tác hoạt động để thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node tự thu thập dữ liệu rồi gửi ngay dữ liệu đó đến trạm cơ sở thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều node trong 1 phân vùng nhất định, xử lý sơ bộ sau đó mới gửi tới trạm cơ sở giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ.
Do đó, cấu trúc mạng mới cần thiết kế thỏa mãn các yêu cầu như: Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến. Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng. Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây. Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận nhau.
Các node cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến như hình dưới. Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi cấu trúc đa điểm. Các trạm cơ sở có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong mạng ( là một node cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự như là một máy tính có khả năng tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng có thể đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như mạng internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây a, Cấu trúc phẳng (flat architecture) Hình 1.3 Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng.
Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định, các node gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ.