đặt vấn đề, đƣa ra giải pháp đề xuất và phƣơng pháp thực hiện giải pháp trên. - Chƣơng bốn là xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và ZigBee, đánh giá hiệu quả mang lại. - Chƣơng năm là kết luận : Nêu ra những thế mạnh và kết quả của đề tài, rút ra những kinh nghiệm và những khó khăn, những vấn đề chƣa giải quyết đƣợc. Phƣơng hƣ ng tiếp theo sẽ nhƣ thế nào.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1. Giới thiệu về mạng cảm biến: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu v i quy mô l n trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp v i nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trƣờng mạng công cộng nhƣ Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể đƣợc triển khai cho các mục đích chuyên dụng nhƣ điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trƣờng; thu thập thông tin môi trƣờng; giám sát sức khỏe cho bệnh nhân trong y tế;.
Thế mạnh chủ yếu của chúng sự linh hoạt cũng nhƣ không dây nên có thể triển khai ở những khu vực đặc biệt mà thiết bị có dây không thể xây dựng. Các thiết bị cảm biến không dây đƣợc liên kết v i nhau tạo thành một mạng hoặc các cụm mạng có cấu trúc theo chuẩn nhất định. Giúp cho chúng ta có thể tùy chỉnh về mô hình, cách thức hoạt động, quy mô của mạng. Các thiết bị thƣờng đƣợc thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm về không gian và năng lƣợng tiêu thụ thấp.
Hiện nay khoa học tiên tiến đã đẩy khả năng xử lý của chip điện tử lên cao vì vậy các thiết bị cảm biến tuy nhỏ gọn nhƣng có thể thực hiện đƣợc rất nhiều công việc. V i độ bền thiết bị đƣợc đảm bảo cho nên mạng cảm biến không dây thƣờng hoạt động liên tục, đƣa lại cho chúng ta những thông tin cần thiết và kịp thời. Hệ thống mạng cảm biến đƣợc áp dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học cũng nhƣ cuộc sống. [2] [7] Mạng cảm biến không dây có nhƣng đặc điểm nổi bật nhƣ sau: [2] [6] - Kích thước vật lý nhỏ gọn: Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc thiết kế nhỏ gọn để tiện dụng.
Mặc dù kích thƣ c luôn tỉ lệ nghịch v i tốc độ xử lý, gi i hạn lƣu trữ, thời gian hoạt động. Nhƣng v i những mục đích mình mong muốn thì việc phát triển và thiết kế sao cho hợp lý và hài hòa nhất. V i công nghệ tiên 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tiến bây giờ các thiết bị trong mạng cảm biến không dây cũng khá đủ cho nhu cầu của ngƣời dùng: kích thƣ c bé, năng lƣợng tiêu thu thấp, xử lý nhanh,… - Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Do nhu cầu của ngƣời dùng nên việc một mạng cảm biến không dây thƣờng hoạt động liên tục và chính xác cao trong thời gian dài. Ví dụ nhƣ việc giám sát sức khỏe ngƣời bệnh trong y tế chẳng hạn, ngƣời dùng phải đƣợc theo dõi thƣờng xuyên và liên tục.
Những thông số môi trƣờng hay thông tin dữ liệu thƣờng đƣợc ngƣời dùng yêu cầu tức thì và chính xác cho nên các thiết bị mạng cảm biến không dây đƣợc thiết kế v i nhƣng tiêu chí nhƣ trên. Việc thiết kế phần cứng ảnh hƣởng trực tiếp trong quá trình trên nhƣng khi chúng ta thiết kế phần mềm hợp lý cũng mang lại hiệu quả khá bất ngờ. - Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Hiện nay có rất nhiều dạng cảm biến, những cảm biến đƣợc dành riêng cho một số lĩnh vực nhất định. Những hệ thống đƣợc thiết kế cho những công việc đặc thù nhƣ đo lƣợng dầu trong nƣ c hay đo nồng độ khí CO2 trong không khí chẳng hạn.
Cho nên những ngƣời phát triển mạng cảm biến không dây đã đƣa ra nhƣng giải pháp thích hợp là xây dựng một nền tảng chung có thể áp dụng, kết hợp nhiều thiết bị lại v i nhau. Sử dụng linh hoạt phần mềm để có thể thích ứng v i phần cứng riêng nhằm đƣa lại hiệu quả công việc. - Hoạt động tin cậy Những thông tin dữ liệu mà mạng cảm biến mang lại rất quan trọng và cần thiết. Đối v i những lĩnh vực đặc biệt thì điều đó là tối cần thiết.
Hiện nay khoa học công nghệ phát triển đã thiết kế ra những thiết bị có độ tin cây cao và cung cấp thông tin nhanh chóng. Nhƣ việc linh động đã nêu ở trên thì việc ngƣời dùng sử dụng phần mềm thích hợp sẽ cho chúng ta hiệu quả cao, độ tin cậy thông tin cao. Có rất nhiều yếu tố mang lại sự tin cậy cho mạng cảm biến không dây cũng nhƣ có rất nhiều yếu tố bên ngoài gây ra việc giảm độ tin cậy. Trong mỗi trƣờng hợp chúng ta phải đƣa ra những giải pháp hợp lý để sự tin cậy của mạng cảm biến không dây là tốt nhất.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của mạng cảm biến: Một mạng cảm biến không dây thƣờng có số lƣợng l n các nút đƣợc phủ trong một vùng, khu vực nào đấy mà chúng ta muốn thăm dò hay thu thập thông tin dữ liệu. Do có sự gắn kết trong mạng nên các nút có thể tùy chỉnh vị trí sao cho phù hợp v i địa hình cũng nhƣ yêu cầu ngƣời dùng. V i khả năng mở rộng cho nên mạng cảm biến không dây có thể tiếp cận những khu vực nguy hiểm hoặc địa hình đặc thù.
Khả năng liên kết cũng nhƣ công tác làm việc của các cảm biến không dây chính là đặc trƣng cơ bản nhất. V i số lƣợng l n các cảm biến không dây đƣợc triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết đƣợc lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so v i truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so v i truyền khoảng cách xa.1 : Cấu trúc mạng cảm biến không dây (https://www.net) Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây đƣợc thể hiện trên hình 1. Các nút cảm biến đƣợc xây dựng trong một trƣờng cảm biến chính là khu vực đƣợc bao viền xanh trên hình. Mỗi nút cảm biến đƣợc sắp đặt trong mạng có khả năng thu thập thông tin dữ liệu, định tuyến gói tin về nút chủ là bộ thu nhận (Sink) để chuyển t i ngƣời dùng (User) qua internet hoặc một môi trƣờng khác.
Nút Sink có thể yêu cầu việc định tuyến để các nút cảm biến truyền bản tin theo mong muốn. Số liệu đƣợc nút Sink nhận về thƣờng không có một định dạng cụ thể, có thể tùy chỉnh sao cho phù hợp v i mục đính của mình. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Sensor node Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: hệ thống cảm biến, bộ xử lý, bộ phận lƣu trữ nếu cần, thiết bị thu phát không dây và nguồn năng lƣợng. Tùy theo nhu cầu ngƣời dùng nên có những nút cảm biến còn đƣợc gắn thêm các thiết bị nhƣ hệ thống định vị, hệ thống năng lƣợng mặt trời,… Các thành phần cơ bản trong một nút cảm biến đƣợc thể hiện trên hình 1.
Hệ thống cảm biến bao gồm các đầu đo Sensor và một bộ chuyển đổi tƣơng tự/số ADC. Các tín hiệu tƣơng tự đƣợc thu nhận t đầu đo đƣợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, những tín hiệu số đƣợc đƣa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thƣờng đƣợc gắn thêm một bộ nh nhỏ, nhằm xử lý tín hiệu số và truyền dữ liệu cho thiết bị thu phát không dây. Ở đây bộ xử lý có thể định dạng gói tin cũng nhƣ định tuyến gói tin cho thiết bị không dây.
Thiết bị không dây có nhiệm vụ thu phát các thông tin dữ liệu giữa các nút cảm biến v i nhau. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây Hình 1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kiến trúc giao thức đƣợc sử dụng trong nút chủ (Sink) và tất cả các nút cảm biến đƣợc thể hiện trên hình 1. Kiến trúc giao thức bao gồm l p ứng dụng (Application Layer), l p giao vận (Transport Layer), l p mạng (Network Layer), l p liên kết số liệu (Datalink Layer), l p vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lƣợng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane). Kiến trúc gồm ba mặt phẳng quản lý là : Mặt phẳng quản lý nguồn, mặt phẳng quản lý tính di động, mặt phẳng quản lý tác vụ.
- Mặt phẳng quản lý nguồn : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lƣợng của nó. Ví dụ : một nút cảm biến có thể bật hoặc tắt bộ thu nhận sau khi nhận đƣợc một bản tin. Các nút cảm biến có thể broadcast đến các nút bên cạnh rằng mình không đủ năng lƣợng để thực hiện công việc đƣợc nữa. - Mặt phẳng quản lý tính di động : Có nhiệm vụ quản lý tính di động của nút.
Có thể phát hiện các nút bên cạnh và thông báo vị trí của nó cho các nút đấy. - Mặt phẳng quản lý tác vụ : Làm nhiệm vụ sắp xếp các công việc giữa các nút trong vùng liên quan. - 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. Trong mạng cảm biến thì băng tần sử dụng nhiều nhất là ISM 915 MHZ.
- Lớp liên kết dữ liệu: L p này có nhiệm vụ liên kết dữ liệu, phát hiện dữ liệu hay các frame dữ liệu cần thiết. Vì một mạng cảm biến thƣờng nhận đƣợc nhiều tín hiệu tạp âm nên nhiệm vụ của l p này rất cần thiết. - Lớp mạng: L p mạng đƣợc thiết kế dùng để phân biệt các mạng cảm biến khác nhau. Trong l p này có nhƣng số liệu mà ngƣời dùng cài đặt để xây dựng một mạng cảm biến riêng cho mình.
- Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống đƣợc thiết kế cho việc truy cập qua internet hoặc mạng bên ngoài. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.