Luận văn thạc sĩ về mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh

Khám phá luận văn thạc sĩ về mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh, ứng dụng trong công nghệ hiện đại và đô thị thông minh.

• Tác giả: Trần Doãn Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kim Khánh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Máy Tính Và Truyền Thông
• Đề tài: Mạng Cảm Biến Không Dây Và Mô Hình Không Gian Thông Minh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
• 1.1. Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến
• 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
• 1.3. Cấu trúc của mạng cảm biến
• 1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
• 1.5. Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia
• 1.6. Ứng dụng trong môi trường
• 1.7. Ứng dụng trong thương mại
• 1.8. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
• 1.9. Ứng dụng trong gia đình
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CƠ BẢN MẠNG CẢM BIẾN
• 2.1. Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến và các tiêu chuẩn áp dụng
• 2.2. Tầng ứng dụng
• 2.3. Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH KHÔNG GIAN THÔNG MINH: PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG XẾP HÀNG TỰ ĐỘNG TRONG CÁC NGÂN HÀNG DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 3.1. Giới thiệu về hệ thống xếp hàng tự động
• 3.2. Hoạt động của hệ thống xếp hàng tự động
• 3.3. Quy trình của khách hàng
• 3.4. Chức năng hệ thống xếp hàng tự động
• 3.5. Phân tích, thiết kế hệ thống
• 3.6. Mô hình tổng quan hệ thống
• 3.7. Thiết kế cơ sở dữ liệu
• 3.8. Cài đặt phần mềm, môi trường phát triển
• 3.9. Kết quả thử nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• 4.1. Kết quả đạt được
• 4.2. Khó khăn và hạn chế
• 4.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng cảm biến

Mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến) đã trở thành một phần quan trọng trong việc giám sát và thu thập dữ liệu từ môi trường. Các nút cảm biến nhỏ gọn, giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít, cho phép triển khai trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến không dây là khả năng tự tổ chức và hoạt động mà không cần sự can thiệp của con người. Hệ thống này có thể được sử dụng để theo dõi sự thay đổi của môi trường, giám sát quân sự, và nhiều ứng dụng khác trong đời sống hàng ngày. Theo đó, cảm biến không dây có thể được triển khai trong các khu vực khó tiếp cận, giúp thu thập dữ liệu một cách hiệu quả mà không cần đến các kết nối dây truyền thống.

1.1 Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến

Cấu trúc của mạng cảm biến bao gồm nhiều nút cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc rải rác. Mỗi nút có khả năng cảm nhận, đo đạc và truyền tải dữ liệu về trung tâm. Đặc điểm quan trọng của cảm biến không dây là khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và khả năng tự phục hồi khi có sự cố. Các yếu tố như năng lượng, công suất phát, và khả năng tính toán đều ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng. Việc thiết kế mạng cảm biến cần chú ý đến khả năng mở rộng và chi phí sản xuất, nhằm đảm bảo tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

II. Kỹ thuật cơ bản mạng cảm biến

Kỹ thuật trong mạng cảm biến không dây bao gồm các phương pháp truyền dẫn và giao thức điều khiển. Các tiêu chuẩn như IEEE 802.15.4 và Zigbee được áp dụng để đảm bảo hiệu quả năng lượng và chi phí thấp. Hệ điều hành cho mạng cảm biến cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tài nguyên và tối ưu hóa hiệu suất. Các nút cảm biến thường có cấu trúc đơn giản, bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ, và bộ thu phát không dây. Việc lựa chọn giao thức truyền dẫn phù hợp giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu.

2.1 Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến

Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến trong mạng cảm biến bao gồm việc sử dụng sóng vô tuyến, hồng ngoại và quang học. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng đều hướng tới việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Giao thức truyền dẫn cần phải đảm bảo tính ổn định và khả năng chịu lỗi, đặc biệt trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu. Việc áp dụng các tiêu chuẩn như Zigbee giúp cải thiện khả năng kết nối và giảm thiểu chi phí triển khai.

III. Mô hình không gian thông minh

Mô hình không gian thông minh dựa trên mạng cảm biến không dây đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các hệ thống tự động. Hệ thống xếp hàng tự động trong ngân hàng là một ví dụ điển hình cho việc ứng dụng công nghệ này. Hệ thống này không chỉ giúp cải thiện trải nghiệm khách hàng mà còn tối ưu hóa quy trình làm việc. Việc sử dụng cảm biến thông minh cho phép thu thập dữ liệu theo thời gian thực, từ đó đưa ra các quyết định nhanh chóng và chính xác.

3.1 Phát triển hệ thống xếp hàng tự động

Hệ thống xếp hàng tự động sử dụng mạng cảm biến để theo dõi và quản lý dòng người. Các cảm biến được lắp đặt tại các vị trí chiến lược để thu thập dữ liệu về số lượng khách hàng và thời gian chờ đợi. Dữ liệu này được phân tích để tối ưu hóa quy trình phục vụ, giảm thiểu thời gian chờ đợi cho khách hàng. Hệ thống không chỉ giúp nâng cao hiệu quả làm việc mà còn tạo ra trải nghiệm tốt hơn cho người dùng.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu

Luận văn đã trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng của nó trong các mô hình không gian thông minh. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến không dây có tiềm năng lớn trong việc cải thiện quy trình làm việc và nâng cao chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, như vấn đề bảo mật và khả năng mở rộng của hệ thống. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các giao thức mới và cải tiến công nghệ cảm biến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong thực tiễn.

4.1 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện khả năng tương tác giữa các nút cảm biến và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Việc nghiên cứu các công nghệ mới như IoT và Internet of Things sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đồng thời, việc phát triển các giải pháp bảo mật cho hệ thống cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn thông tin trong quá trình thu thập và xử lý dữ liệu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành Công nghệ thông tin và truyền thông ngày càng phát triển mạnh mẽ, đóng vai trò then chốt trong đời sống kinh tế xã hội. Nhu cầu về các hệ thống thu thập số liệu và điều khiển ứng dụng trong sản xuất và đời sống tăng cao, đặc biệt trong các môi trường phức tạp như nhà máy, khu dân cư, bệnh viện, trường học. Tuy nhiên, việc triển khai các hệ thống này gặp nhiều khó khăn khi sử dụng công nghệ mạng dây truyền thống như Ethernet, RS485, CAN do hạn chế về hạ tầng và chi phí.

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) ra đời như một giải pháp đột phá, sử dụng các thiết bị nhúng nhỏ gọn, chi phí thấp, không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng có sẵn, giúp giảm thiểu chi phí triển khai và tăng tính linh hoạt. Các nút cảm biến trong mạng có khả năng tự tổ chức, tiêu thụ năng lượng thấp và hoạt động lâu dài với nguồn pin duy nhất. Theo ước tính, thời gian sống của các nút cảm biến có thể kéo dài từ vài tháng đến vài năm tùy ứng dụng.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng của nó trong mô hình không gian thông minh, đặc biệt phát triển hệ thống xếp hàng tự động trong các ngân hàng dựa trên công nghệ WSN. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các kỹ thuật cơ bản của mạng cảm biến, các chuẩn truyền dẫn không dây phổ biến như IEEE 802.15.4/ZigBee, và thiết kế phần mềm mô phỏng hệ thống xếp hàng tự động. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý dịch vụ công, giảm thiểu thời gian chờ đợi và tăng trải nghiệm khách hàng, đồng thời mở rộng ứng dụng WSN trong các lĩnh vực khác như quân sự, môi trường, y tế và gia đình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh.

1. Lý thuyết mạng cảm biến không dây (WSN):

   • Khái niệm WSN là mạng gồm nhiều nút cảm biến nhỏ, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp không dây, có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu môi trường.
   • Các đặc điểm chính của WSN bao gồm khả năng tự tổ chức, truyền thông không tin cậy, cấu hình mạng thay đổi thường xuyên, giới hạn về năng lượng và bộ nhớ.
   • Cấu trúc mạng gồm các lớp vật lý, liên kết dữ liệu, mạng, truyền tải và ứng dụng, cùng các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và tác vụ.
   • Các chuẩn truyền dẫn không dây phổ biến như IEEE 802.15.4/ZigBee được lựa chọn do tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí triển khai hợp lý và phù hợp với ứng dụng điều khiển từ xa.

2. Mô hình không gian thông minh:

   • Áp dụng WSN để xây dựng các hệ thống tự động hóa trong không gian như nhà thông minh, hệ thống xếp hàng tự động.
   • Mô hình tập trung vào việc thu thập dữ liệu thời gian thực, xử lý và phản hồi nhanh chóng nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và trải nghiệm người dùng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: nút cảm biến (sensor node), giao thức truyền dẫn (IEEE 802.15.4/ZigBee), thuật toán định tuyến AODV, cấu trúc mạng mesh, star, tree, và các chỉ số kỹ thuật như ED (Energy Detection), LQI (Link Quality Indication), CCA (Clear Channel Assessment).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp lý thuyết và thực nghiệm phát triển hệ thống mô phỏng.

• Nguồn dữ liệu:
  Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn IEEE, các báo cáo kỹ thuật về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng thực tế trong lĩnh vực ngân hàng và tự động hóa.

• Phương pháp phân tích:

  • Phân tích cấu trúc và đặc điểm kỹ thuật của mạng cảm biến không dây.
  • So sánh các chuẩn truyền dẫn không dây để lựa chọn giải pháp phù hợp (ZigBee).
  • Thiết kế mô hình hệ thống xếp hàng tự động dựa trên WSN, bao gồm phân tích quy trình khách hàng, thiết kế cơ sở dữ liệu và phần mềm mô phỏng.
  • Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả hệ thống qua các chỉ số như thời gian chờ đợi, độ chính xác trong gọi số phục vụ.

• Timeline nghiên cứu:
  Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2009-2011, bao gồm các bước: tổng quan lý thuyết (6 tháng), thiết kế hệ thống (8 tháng), phát triển phần mềm và thử nghiệm (6 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả tiêu thụ năng lượng của mạng cảm biến không dây:
   Các nút cảm biến sử dụng giao thức IEEE 802.15.4/ZigBee có thời gian sống pin kéo dài từ vài tháng đến vài năm, nhờ vào cơ chế hoạt động ở trạng thái nghỉ (sleep mode) chiếm thời gian lớn hơn trạng thái hoạt động. So với các chuẩn khác như Bluetooth hay WLAN, ZigBee tiêu thụ năng lượng thấp hơn khoảng 50-70%, phù hợp với các ứng dụng cần hoạt động liên tục lâu dài.

2. Khả năng tự tổ chức và mở rộng mạng:
   Mạng cảm biến có thể mở rộng lên đến hàng trăm nghìn nút, với khả năng tự cấu hình lại khi một số nút bị lỗi hoặc mất kết nối. Thuật toán định tuyến AODV giúp mạng duy trì hiệu quả truyền dữ liệu trong môi trường thay đổi liên tục, giảm thiểu hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) và tăng độ tin cậy lên trên 90%.

3. Ứng dụng hệ thống xếp hàng tự động trong ngân hàng:
   Hệ thống mô phỏng cho thấy việc áp dụng WSN giúp giảm thời gian chờ trung bình của khách hàng từ khoảng 15 phút xuống còn 7 phút, tương đương giảm 53%. Hệ thống cũng nâng cao độ chính xác trong gọi số phục vụ lên 98%, giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công.

4. Bảo mật và độ tin cậy của mạng:
   Việc sử dụng chuẩn mã hóa AES trong tầng MAC và tầng mạng của ZigBee đảm bảo tính bảo mật và nguyên vẹn dữ liệu truyền trong mạng. Các chỉ số MIC (Message Integrity Code) và số đếm khung giúp phát hiện và ngăn chặn các lỗi bảo mật, tăng độ tin cậy của hệ thống lên trên 95%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả trên cho thấy mạng cảm biến không dây với chuẩn ZigBee là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng trong không gian thông minh, đặc biệt là trong môi trường có yêu cầu tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp. Việc giảm thời gian chờ đợi trong hệ thống xếp hàng tự động không chỉ nâng cao hiệu quả phục vụ mà còn cải thiện trải nghiệm khách hàng, phù hợp với xu hướng hiện đại hóa dịch vụ công.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã mở rộng phạm vi ứng dụng WSN vào lĩnh vực ngân hàng, đồng thời phát triển mô hình phần mềm mô phỏng chi tiết, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của công nghệ. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian chờ đợi trước và sau khi áp dụng hệ thống, bảng thống kê tỷ lệ lỗi và độ tin cậy của mạng, giúp người đọc dễ dàng hình dung và đánh giá.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mở rộng hệ thống xếp hàng tự động dựa trên WSN trong các ngân hàng và dịch vụ công:

   • Động từ hành động: Triển khai
   • Target metric: Giảm thời gian chờ trung bình xuống dưới 5 phút trong vòng 12 tháng
   • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý ngân hàng, đơn vị công nghệ thông tin

2. Nâng cao hiệu quả quản lý năng lượng cho các nút cảm biến:

   • Động từ hành động: Tối ưu hóa
   • Target metric: Kéo dài thời gian sống pin thêm 20% so với hiện tại trong 6 tháng
   • Chủ thể thực hiện: Nhà phát triển phần cứng, kỹ sư mạng

3. Tăng cường bảo mật dữ liệu truyền trong mạng cảm biến:

   • Động từ hành động: Áp dụng
   • Target metric: Đạt độ an toàn dữ liệu trên 99% trong 9 tháng
   • Chủ thể thực hiện: Bộ phận an ninh mạng, nhà cung cấp giải pháp ZigBee

4. Phát triển phần mềm quản lý và giám sát mạng cảm biến theo thời gian thực:

   • Động từ hành động: Phát triển
   • Target metric: Giảm thời gian phản hồi sự cố mạng xuống dưới 1 phút trong 6 tháng
   • Chủ thể thực hiện: Đội ngũ phát triển phần mềm, quản trị hệ thống

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật máy tính và truyền thông:

   • Lợi ích: Hiểu sâu về mạng cảm biến không dây, các chuẩn truyền dẫn và ứng dụng thực tiễn.
   • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn liên quan.

2. Chuyên gia phát triển hệ thống tự động hóa và IoT:

   • Lợi ích: Áp dụng kiến thức về WSN và ZigBee vào thiết kế các hệ thống thông minh.
   • Use case: Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển tự động trong công nghiệp và dân dụng.

3. Quản lý và kỹ sư công nghệ thông tin trong các tổ chức tài chính, ngân hàng:

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ mới để cải tiến quy trình phục vụ khách hàng.
   • Use case: Triển khai hệ thống xếp hàng tự động, nâng cao hiệu quả quản lý dịch vụ.

4. Nhà cung cấp thiết bị và giải pháp mạng cảm biến:

   • Lợi ích: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tế để phát triển sản phẩm phù hợp.
   • Use case: Tối ưu hóa thiết bị, nâng cao tính năng bảo mật và tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạng cảm biến không dây (WSN) là gì và có đặc điểm gì nổi bật?
   WSN là mạng gồm nhiều nút cảm biến nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, giao tiếp không dây để thu thập và xử lý dữ liệu môi trường. Đặc điểm nổi bật là khả năng tự tổ chức, tiêu thụ năng lượng hiệu quả và cấu hình mạng linh hoạt.

2. Tại sao chuẩn ZigBee được ưu tiên sử dụng trong mạng cảm biến không dây?
   ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp nhưng tiêu thụ năng lượng rất ít, chi phí triển khai thấp, hỗ trợ cấu trúc mạng đa dạng (star, mesh, tree) và có cơ chế bảo mật mạnh mẽ, phù hợp với các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa.

3. Hệ thống xếp hàng tự động dựa trên WSN hoạt động như thế nào?
   Hệ thống sử dụng các nút cảm biến để khách hàng lấy số tự động, nhân viên gọi số phục vụ và trung tâm quản lý dữ liệu. Dữ liệu được truyền không dây qua mạng ZigBee, giúp giảm thời gian chờ và tăng độ chính xác trong phục vụ.

4. Làm thế nào để kéo dài thời gian sống của các nút cảm biến trong mạng?
   Bằng cách sử dụng các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng như sleep mode, tối ưu thuật toán định tuyến, giảm thiểu truyền dữ liệu không cần thiết và sử dụng nguồn năng lượng bổ sung như pin mặt trời.

5. Các biện pháp bảo mật nào được áp dụng trong mạng ZigBee?
   ZigBee sử dụng chuẩn mã hóa AES trong tầng MAC và tầng mạng, kết hợp với các cơ chế kiểm tra tính nguyên vẹn dữ liệu (MIC) và số đếm khung để phát hiện và ngăn chặn các lỗi bảo mật, đảm bảo an toàn thông tin truyền tải.

Kết luận

• Mạng cảm biến không dây với chuẩn ZigBee là giải pháp hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và chi phí cho các ứng dụng không gian thông minh.
• Hệ thống xếp hàng tự động dựa trên WSN giúp giảm hơn 50% thời gian chờ đợi và nâng cao độ chính xác phục vụ trong ngân hàng.
• Việc áp dụng các thuật toán định tuyến và bảo mật tiên tiến đảm bảo tính ổn định và an toàn của mạng trong môi trường thực tế.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng WSN trong nhiều lĩnh vực như quân sự, môi trường, y tế và gia đình.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế hệ thống, tối ưu hóa năng lượng và nâng cao bảo mật, đồng thời phát triển phần mềm quản lý mạng theo thời gian thực.

Các tổ chức và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ mạng cảm biến không dây để nâng cao hiệu quả quản lý và phục vụ trong các lĩnh vực ứng dụng đa dạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1. Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ… Hơn nữa, cùng với sự tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành và công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường mà nó cảm nhận. Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm: Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi.

Kích thước của các nút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng, có thể từ nano (1 – 100nm) đến macro (vài mm – m) Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian tồn tại của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp, hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất. Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau: 12 Luan van Luận văn thạc sĩ khoa học • Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người • Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến nhiều chặng.

• Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến • Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các nút • Các giới hạn về mặt n ăng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán. Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến. Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến. Kết nối không Cảm biến dây Nút tập hợp/ Xử lý dữ liệu tức thì (Clustering Truyền một ch ặng Truyền nhiều chặ ng Nút tập hợp/ Xử lý dữ liệu tức thì (Clustering Kết nối có dây hoặc không dây Trường cảm bi ế Tập hợp và xử lý dữ liệu Hình 1.1: Cấu trúc chung của mạng cảm biến 13 Luan van Luận văn thạc sĩ khoa học 4 thành phần cơ bản tạo nên mạng cảm biến: • Các sensor (cảm biến) được phân bố theo mô hình tập trung hay rải rác.

• Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến • Trung tâm tập hợp dữ liệu (clustering) • Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm. Mỗi một nút mạng thường có chức năng cảm biến: cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ., theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động. Các nút giao tiếp không dây với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật truyền một chặng hoặc nhiều chặng. Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau.

Thông thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng không dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode). Mỗi nút trong WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor) hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng nút trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1 nút mạng là giá thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2).

14 Luan van Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 1.2: Ví dụ về nút cảm biến Cấu tạo nút cảm biến gồm 4 thành phần cơ bản như ở hình minh họa: Hình 1.3: Cấu tạo nút cảm biến 15 Luan van Luận văn thạc sĩ khoa học - Đơn vị cảm biến (sensing unit) - Đơn vị xử lý (processing unit) - Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit) - Bộ nguồn (power unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như: hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer/actuator). Kiến trúc giao thức mạng Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình (1. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.

Có các mặt phẳng là: Mặt phẳng quản lý năng lượng (Power Managerment), mặt phẳng quản lý di động (Mobility Managerment), mặt phẳng quản lý tác vụ (Task Managerment), và có các lớp là: Lớp vật lý (physical), lớp liên kết dữ liệu (data link), lớp mạng (network), lớp giao vận (transport), lớp ứng dụng (application). Cụ thể như sau: Mặt phẳng quản lý năng lượng: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. 16 Luan van Luận văn thạc sĩ khoa học Khi mức năng lượng của nút cảm biến giảm xuống dưới một giá trị nhất định, nó sẽ thông báo sang các nút cảm biến bên cạnh rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến.

Mặt phẳng quản lý di động : Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng. Mặt phẳng quản lý tác vụ: Cân bằng và sắp x ếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong từng nhiệm vụ, từng vùng cảm biến cụ thể. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.

Lớp vật lý : có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân. Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi.

Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận. Lớp mạng : Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau: Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng. Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu. Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến.

Lớp truyền tải : chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác. Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad-hoc không dây không dùng được đối với mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau: Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng ad-hoc. Các nút cảm biến dễ bị lỗi.

17 Luan van Luận văn thạc sĩ khoa học Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên. Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad-hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm. Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ. Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global identification, ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến.

Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ: • 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 nút lân cận.

Các nút cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến như hình (1. Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.5: Cấu trúc mạng cảm biến Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến: Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu 18 Luan van Luận văn thạc sĩ khoa học trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống.