Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Kiến trúc hệ thống và những yêu cầu của WSN s [1-4, 14, 15] 1.1 Giới thiệu về WSN s Mạng cảm biến không dây là một công nghệ mạng mới được phát triển trong những năm gần đây và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống như: bảo mật và giám sát an ninh quốc phòng, cảm nhận môi trường, giám sát sức khỏe, giám sát hoạt động của dây chuyền công nghiệp… Mạng cảm biến không dây chính là sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu… đã tạo ra những nút cảm biến có kích thước nhỏ, cảm nhận được nhiều giá trị, giá rẻ, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng. Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm các nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng, giao tiếp với nhau thông qua các kết nối không dây (sóng radio, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học), có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc các giá trị cần thiết, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập hợp dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên, về một hành động cụ thể. Thiết bị “mote” của Berkeley Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt là thời gian sống của các nút cảm biến (năng lượng nuôi bị giới hạn ). Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp và hoạt động có giới hạn về năng lượng.
Do đó, một mặ t WSNs tập trung để đạt được các dịch vụ chất lượng cao, mặt khác các giao thức dành cho WSN s phải tập trung vào bảo toàn công suất của nút cảm biến. Những thành phần chính của WSN s [2-4] Một mạng cảm biến không dây thực tế có thể gồm từ hàng chục đến hàng trăm, hàng nghìn nút cảm biến được phân bố trong một khu vực rộng lớn. Các nút này tạo thành một mạng giao tiếp không dây với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua các nút khác. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 Một hoặc nhiều nút trong số đó sẽ phục vụ như là nơi chứa thông tin v à có khả năng giao tiếp với người sử dụng bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua mạng có dây hiện có.2 dưới đây cho thấy kiến trúc của một mạng cảm biến không dây.
Mô hình mạng cảm biến không dây Dữ liệu được định tuyến đến các nút nhận tin (thường được gọi là sink hoặc base station) bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên. Các sink có thể giao tiếp với người dùng qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Sink là một thực thể mà thông tin được yêu cầu từ phía người dùng. Sink có thể là m ột nút trong mạng hoặc ngoài mạng.
Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị ví dụ như máy tính xách tay tương tác với mạng cảm biến không dây, hoặc đơn thuần chỉ là một gateway (cổng vào /ra) nối với mạng khác lớn hơn như Internet, nơi có yêu cầu các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong WSNs. WSNs có một số đặc điểm nổi bật sau đây: - Khả năng kháng lỗi (fault tolerance): Trong quá trình hoạt động, một số nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng hoặc do hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng kháng lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động. - Khả năng mở rộng (scalability )[14]: Khi cần nghiên cứu một hiện tượng, sự việc tại một môi trường xác định thì số lượng các nút cảm biến được triển khai ở đó có thể lên đến hàng trăm nghìn nút cảm biến, và con số đó có thể vượt hàng triệu nút phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
Do đó, cấu trúc mới của mạng phải có khả năng mở rộng được để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này. - Giá thành sản xuất thấp (low price): Vì WSNs gồm một số lượng lớn các nút LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh tổng chi phí của toàn mạng. Do đó, chi phí của mỗi nút cảm biến phải càng rẻ càng tốt. - Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với nhiều loại môi trường.
- Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến có thể được thiết lập dày đặc, rất gần nhau hoặc trực tiếp liên hệ với nhau để quan sát, cảm nhận. Vì thế chúng thường làm việc mà không cần giám sát từ xa. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn. - Phương tiện truyền dẫn : Ở mạng cảm biến khô ng dây, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây.
Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc phương tiện quang học khác. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của mạng, các phương tiện truyền dẫn được chọn phải phù hợp. Hiện nay, nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.
- Hình trạng của mạng cảm biến không dây (network topology): Trong mạng cảm biến không dây, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trong trường cảm nhận. Mật độ các nút [14] có thể lên tới 20 nút/m 3. - Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến có thể coi là một thiết bị vi điện tử, có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (thường là pin có dung lượng <0,5Ah, điện thế 1. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng hầu như không thể thực hiện được nên khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc nhiều vào thời gian sống của pin.
Do đó, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò rất quan trọng. Đó chính là lý do vì sao hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu các giải thuật và giao thức để tối ưu hóa nguồn năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện (chủ yếu xác định các thông số cần cảm nhận), thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng của nút cảm biến phục vụ 3 khía cạnh: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Kiến trúc của một nút cảm biến Mỗi nút cảm biến điển hình thường [2] bao gồm 5 thành phần chính (hình 1.3): Sensor Unit, ADC, CPU, Power, và Communication Unit. Chức năng của các thành phần trên được mô tả dưới đây: Hình 1. Các thành phần của một nút cảm biến - Đơn vị cảm nhận (Sensor Unit) có nhiệm vụ thu thập thông tin từ thế giới thực theo yêu cầu của ADC và gửi dữ liệu tương tự mà nó cảm nhận được cho ADC. - ADC là một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để nói với CPU những gì mà đơn vị cảm nhận đã cảm nhận được, đồng thời cũng thông báo cho đơn vị cảm nhận nên cảm nhận gì từ CPU.
Vì vậy, đơn vị ADC trên hình vẽ này cũng có chức năng chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự. - Đơn vị truyền thông (Communication Unit) có nhiệm vụ nhận lệnh hoặc truy vấn từ nơi khác đến, và truyền tải dữ liệu từ CPU ra thế giới bên ngoài (tới người dùng). - CPU là bộ phận xử lý lệnh hoặc truy vấn từ đơn vị truyền thông và đưa tới ADC, giám sát và kiểm soát nguồn điện nếu cần thiết, xử lí dữ liệu nhận được, tính toán chặng kế tiếp đến nơi lưu trữ tin, vv - Ngoài ra còn có nhiều đơn vị khác có thể được thêm vào để sử dụng chuyên biệt, nhưng tất cả các nút cảm biến đều có 5 đơn vị quan trọng trên. Với một mạng cảm biến được triển khai như vậy, người sử dụng có thể dùng một số nút cảm biến để theo dõi các sự kiện cụ thể và biết được khi nào sự kiện xảy ra trong lĩnh vực mà người sử dụng quan tâm.
Đây chính là một mạng cảm biến để xây dựng một cầu nối giữa thế giới thực và thế giới tính toán. Một số yêu cầu của WSN s Với những yêu cầu khắt khe về mặt tiêu thụ năng lượng, kích thước, giá thành, khả năng tính toán, lưu trữ… như đã trình bày ở trên, mạng cảm biến không dây có những yêu cầu như sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 - Kích thước của mạng có thể không ổn định (luôn thay đổi): Kích thước của mạng cảm biến không dây có thể khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và sự triển khai các nút cảm biến. - Mỗi nút đều có chi phí thấp: Do mạng cảm biến có số lượng nút lớn nên mỗi nút phải rẻ. - Tuổi thọ cao: Phải thiết kế và thực hiện các giao thức định tuyến hiệu quả để mạng tồn tại lâu nhất có thể.
- Có khả năng tự tổ chức cấu hình mạng: Các nút cảm biến có thể tự động hình thành một mạng mà không cần bất kỳ thiết lập cấu hình từ bên ngoài (từ người dùng hoặc nơi khác). - Thực hiện t ruy vấn và tái nhiệm : Người dùng sẽ có thể truy vấn các sự kiện đặc biệt trong một khu vực cụ thể, hoặc loại bỏ các nhiệm vụ đã lỗi thời từ các nút cảm biến cụ thể và giao cho chúng nhiệm vụ mới. - Sự hợp tác, thu thập, sự tập hợp dữ liệu: Các nút cảm biến phải làm việc cùng nhau theo nhóm và tập hợp dữ liệu của chúng theo một yêu cầu nào đó. Điều này giúp cải tiến mạng hoạt động hiệu quả.
- Nhận biết ứng dụng: Một mạng cảm biến chỉ phục vụ một ứng dụng cụ thể .