MỞ ĐẦU Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử đã, đang và sẽ hiện diện nhiều hơn trong cuộc sống của con ngƣời với những lợi ích to lớn mà nó mang lại trong cuộc sống. Trong bối cảnh nhân loại đang bƣớc vào những năm đầu của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 với những yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AI-Artificial Intelligence), Internet vạn vật (IoT- Internet of Things) và dữ liệu lớn (big data), với xu hƣớng là tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong công nghệ sản xuất, do vậy việc tự động thu thập, xử lý thông tin là yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất quyết định đến sự thành công của cuộc cách mạng. Có nhiều phƣơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin, trong đó phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử dụng trên thế giới và Việt Nam là sử dụng mạng cảm biến không dây, lợi ích nổi bật của mạng cảm biến không dây là nó có thể đƣợc triển khai và thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kì điều kiện và ở bất kì vị trí địa lý nào kể cả trong những môi trƣờng nguy hiểm mà mạng có dây truyền thống không thể thực hiện. Do đó mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiều mục đích nhƣ: kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, trong lĩnh vực y tế, khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, trong an ninh và các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm biến có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, và hơn hết là phải có sẵn nguồn năng lƣợng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đƣa ra các thông số về môi trƣờng mà mạng quan sát. Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc bố trí một cách biệt lập, trong phạm vi rộng, môi trƣờng khắc nghiệt và sử dụng trong thời gian dài để thực hiện nhiệm vụ cảm biến, ngoài việc đảm bảo độ tin cậy khi hoạt động, duy trì năng lƣợng cho 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mạng hoạt động, thì quản lý kiến trúc của mạng cảm biến không dây cũng rất quan trọng. Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về các kiến trúc thƣờng dùng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất sử dụng kiến trúc phù hợp áp dụng vào bài toán phục vụ trong nông nghiệp chính xác để thu thập, giám sát các thông số môi trƣờng biến đổi chậm nhằm thu thập thông số môi trƣờng mà vẫn kéo dài thời gian hoạt động của mạng trong điều kiện năng lƣợng của các node là hữu hạn. Cấu trúc của luận văn gồm: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Nội dung cơ bản của chƣơng này là đƣa ra các khái niệm cơ bản về mạng cảm biến không dây, một số chuẩn truyền thông của mạng cảm biến không dây và những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế.
Chƣơng 2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây Chƣơng 2 nghiên cứu và phân tích các kiến trúc thƣờng gặp của mạng cảm biến không dây, đi sâu nghiên cứu một vài kiến trúc mạng cảm biến có sự linh hoạt trong việc tùy biến, mở rộng mạng và phù hợp với nhiệm vụ thu thập các thông số môi trƣờng biến đổi chậm sử dụng trong nông nghiệp chính xác Chƣơng 3: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp. Chƣơng 3 đề xuất giải pháp áp dụng mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp chính xác, nghiên cứu, thiết kế mạng cảm biến không dây nhằm giám sát độ ẩm đất và thực hiện việc điều khiển van tƣới nƣớc cho vƣờn cây có diện tích nhỏ. Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm Chƣơng này đƣa ra mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng giám sát lƣợng nƣớc cho một khu vƣờn diện tích 360m2, với cấu trúc cụ thể của các node cảm biến và trạm trung tâm mà tác giả đã xây dựng, đồng thời trình bày kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến mà tác giả đã tiến hành. Trong luận văn này tác giả đã xây dựng, đề xuất một giải pháp để ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp, giải pháp này tác giả cho rằng nó có nhiều điểm thuận lợi và có khả năng đƣa vào ứng dụng trong thực tế.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Trong thời gian gần đây, với sự tiến bộ của vi điện tử, máy tính và công nghệ truyền thông không dây đã tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây, các node cảm biến thông minh có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng cho phép thu thập, xử lý dữ liệu truyền thông không dây trong các môi trƣờng vật lý khác nhau. Khái niệm Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống bao gồm các node cảm biến liên kết với nhau thành một mạng và sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông với nhau. Lý do sử dụng kết nối không dây bởi vì thông thƣờng các mạng cảm biến đƣợc xây dựng từ nhiều cảm biến lên đến hàng trục, hàng trăm, thậm chí hàng ngàn cảm biến do vậy việc sử dụng dây kết nối các cảm biến sẽ gặp nhiều khó khăn cho quá trình thiết kế, lắp đặt và vận hành.
Trong khu vực giám sát, các node cảm biến có thể thu thập và truyền dữ liệu tới bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng cách gửi trực tiếp hoặc đa hƣớng. Bộ thu nhận dữ liệu trung gian đóng vai trò nhƣ một cổng mạng giao tiếp với thiết bị ngƣời dùng thông qua một số kiến trúc truyền thông khác nhƣ Internet hay truyền thông vệ tinh. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hiện nay, mạng cảm biến không đƣợc sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đồng thời mạng cảm biến không dây đang dần đƣợc cải tiến nâng cao hơn về chất lƣợng và phạm vi ứng dụng và đƣợc kì vọng có tiềm năng to lớn cho nhiều lĩnh vực ứng dụng nhƣ y tế, môi trƣờng, nông nghiệp, giao thông vận tải, quân sự, quốc phòng, giải trí và thực tế nó đang dần trở thành một phần không thể tách rời trong cuộc sống.
Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến không dây 1. Kích thước vật lý, năng lượng tiêu thụ Phần lớn các mạng cảm biến không dây đƣợc triển khai ngoài môi trƣờng tự nhiên với số lƣợng node cảm biến lớn đƣợc phân bố dày đặc trên phạm vi rộng do vậy kích thƣớc và năng lƣợng tiêu thụ của mỗi node đóng vai trò quyết định đến sự tồn tại lâu dài của chúng cũng nhƣ khả năng xử lý, lƣu trữ và tƣơng tác giữa các node cảm biến trong mạng. Nhiều ứng dụng đòi hỏi các node mạng có kích thƣớc rất nhỏ đảm bảo sự an toàn cho các node mạng, ví dụ nhƣ với mạng cảm biến triển khai trên chiến trƣờng thì yêu cầu an toàn cho node mạng và cho toàn bộ mạng là rất cần thiết do mạng cảm biến có thể bị kẻ địch phá hoại, hoặc đơn giản hơn là có thể bị tác động bởi các yếu tố của môi trƣờng tự nhiên. Năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ thu nhận tín hiệu, tính toán, truyền thông, lƣu trữ, trong đó năng lƣợng tiêu thụ ở mỗi node cảm biến là nhiều nhất.
Mà một mạng cảm biến không dây chứa rất nhiều node mạng tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng vì vậy năng lƣợng tiêu hao bởi các node mạng không hề nhỏ chƣa kể các thành phần khác của mạng và sự thất thoát trong quá trình hoạt động. Hơn nữa, nguồn năng lƣợng cung cấp cho mạng cảm biến chủ yếu lấy từ pin trang bị sẵn và việc thay thế pin cho mạng cảm biến là không khả thi. Chính vì vậy, cần hạn chế thấp nhất sự tiêu thụ năng lƣợng ở các node mạng và duy trì năng lƣợng ở các node mạng để đảm bảo thời gian hoạt động cho toàn bộ mạng cảm biến. Ví dụ nhƣ có thể sử dụng pin sạc 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đƣợc hoặc pin điện thoại là nguồn cấp năng lƣợng cho các node nhƣ vậy có thể sử dụng nhiều hơn một lần pin này, một giải pháp thƣờng đƣợc áp dụng là sử dụng pin mặt trời để cung cấp năng lƣợng cho node.
Bên cạnh đó giải pháp đƣa ra để sử dụng năng luợng mạng sao cho hiệu quả nhƣ giảm công suất đƣờng truyền dữ liệu, thiết kế phần cứng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể tránh thực hiện nhiều ứng dụng trên một mạng, cho phép các node mạng tạm ngừng hoạt động khi không truyền dữ liệu, khi không truyền thông tin sẽ dừng phát sóng vô tuyến. Hiện nay công nghệ chế tạo vật liệu hệ vi cơ điện tử (MEMS- Micro Electro Mechanical Systems) với sự kết hợp của công nghệ vi điện tử, vi cơ khí và công nghệ đóng gói đã đƣa đƣợc kích thƣớc của các cảm biến và bộ chấp hành tới kích thƣớc rất nhỏ cỡ micro thậm chí nanomet, phần nào đáp ứng đƣợc yêu cầu về sự giới hạn kích thƣớc cũng nhƣ tiêu thụ năng lƣợng của node cảm biến và toàn mạng cảm biến đồng thời giảm giá thành cho phép chúng ta có điều kiện triển khai mạng cảm biến không dây trên diện rộng [8,9]. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi Khả năng chịu lỗi của mạng cảm biến không dây thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thƣờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node cảm biến, hoặc trạm con trong mạng không hoạt động. Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mạng mà chúng ta thiết kế, bố trí các node cảm biến phù hợp.