I. Tổng Quan Về Mạng Cảm Biến Không Dây WSN Ứng Dụng
Mạng Cảm Biến Không Dây (WSN) bao gồm các nút cảm biến nhỏ, mật độ cao, hoạt động như bộ phát và chuyển tiếp dữ liệu. Mỗi nút gồm bộ cảm biến, vi xử lý, bộ thu phát và nguồn. Đặc điểm: vị trí nút không cố định, pin hạn chế, thu phát không dây, tính toán đơn giản, truyền dữ liệu cần thiết. WSN có nhiều ứng dụng hữu ích trong xu thế phát triển hiện nay, từ quân sự đến dân sự. Tính ứng dụng cao, giá thành thấp, hoạt động chính xác, Mạng Cảm Biến đang phát triển rộng rãi. Nền tảng kiến thức về WSN rất phong phú và đề tài này cung cấp một phần kiến thức về Mạng Cảm Biến Không Dây và Lớp Liên Kết Dữ Liệu.
1.1. Nền tảng Vi Cảm Ứng trong Mạng Cảm Biến Không Dây
Vi Cảm Ứng có khả năng xử lý thông tin tại chỗ, chứa hệ thống nhúng tương tác với môi trường. Module mạng không dây là thành phần chính, có khả năng giao tiếp và bộ nhớ lập trình. Motes thường bao gồm vi điều khiển, bộ thu phát, bộ nhớ và cảm biến. Sensor board có giao diện kết nối, bảng mạch in, khu vực tạo mẫu. Programming board cấp nhiều giao diện, dùng để thu thập dữ liệu từ, kết nối để tải ứng dụng vào bộ nhớ. "Có khả năng xử lý thông tin tại chỗ".
1.2. Chuẩn Hóa Nền Tảng và Tiêu Chuẩn Mạng Không Dây IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4 là chuẩn đầu tiên đáp ứng đặc điểm kỹ thuật của công nghệ dữ liệu tốc độ thấp, bộ thu phát không dây với tuổi thọ pin cao, độ phức tạp thấp. IEEE 802.15.4 trở thành chuẩn phổ biến cho lớp PHY và MAC trong truyền thông năng lượng thấp. Các chuẩn Zigbee được phát triển bởi liên minh Zigbee, hỗ trợ dữ liệu tốc độ thấp, tiêu thụ điện năng ít, bảo mật và độ tin cậy cao. WirelessHART dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 lớp PHY. 6LoWPAN tích hợp IPv6 để truyền thông với Internet.
II. Kiến Trúc WSN và Giao Thức Stack Giải Pháp Tối Ưu
Các nút cảm biến thường phân tán trong khu vực cảm biến. Mỗi nút có khả năng thu thập và truyền dữ liệu về bộ góp (sink) và đến người dùng cuối thông qua truyền thông multi-hop. Sink giao tiếp với người dùng cuối qua internet hoặc vệ tinh. Trong WSN, các nút cảm biến có chức năng kép: khởi tạo dữ liệu và định tuyến dữ liệu. Do đó, truyền thông được thực hiện vì hai lý do: Chức năng nguồn và Chức năng định tuyến. Giao thức ngăn xếp được sử dụng bởi bộ thu phát và tất cả các nút cảm biến.
2.1. Các Lớp Giao Thức Trong WSN Physical MAC Network
Giao thức ngăn xếp kết hợp năng lượng và sự nhận thức về định tuyến, tích hợp dữ liệu với giao thức mạng, năng lượng truyền thông hiệu quả thông qua phương tiện không dây, thúc đẩy nỗ lực hợp tác trong nút cảm biến. Lớp Vật Lý thực hiện lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa dữ liệu. Lớp Liên Kết Dữ Liệu ghép dòng dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, truy cập môi trường và kiểm soát lỗi. Lớp Mạng định tuyến dữ liệu, cung cấp liên kết mạng với các mạng bên ngoài. Lớp Vận Chuyển giúp duy trì lưu lượng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến. Lớp Ứng Dụng quản lý các ứng dụng, xử lý truy vấn, là nơi chứa các mã ứng dụng.
2.2. Các Ứng Dụng Thực Tế của Mạng Cảm Biến Không Dây WSN
WSN có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau (động đất, từ trường, nhiệt điện, thị giác, hồng ngoại, rađa, âm thanh), giám sát nhiều điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, áp lực, tốc độ, hướng, chuyển động, ánh sáng). Ứng dụng trong: Quân sự (giám sát chiến trường, phát hiện chất hóa học/sinh học, giám sát, tình báo, dò boom mìn), Môi trường (thuỷ lợi, phát hiện cháy rừng, khí tượng, nghiên cứu địa chất, phát hiện lũ), Sức khỏe (giao diện cho người tàn tật, theo dõi thống kê bệnh nhân, quản lý thuốc), Nhà ở và khu công nghiệp (điều khiển thiết bị điện, cảnh báo an ninh, kiểm soát truy cập).
III. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Thiết Kế WSN Cách Vượt Qua
Thiết kế WSN đòi hỏi kiến thức về mạng truyền thông không dây, hệ thống nhúng, công nghệ tín hiệu số, công nghệ phần mềm. Các vấn đề: hạn chế phần cứng, khả năng mở rộng, khả năng chịu lỗi, chi phí sản xuất, cấu trúc liên kết bộ cảm biến mạng, truyền thông, tiêu thụ điện năng. Thiết bị cảm biến không dây gồm đơn vị cảm biến, đơn vị thu phát, đơn vị năng lượng, hệ thống định vị vị trí. Với pin hạn chế, đời mạng cũng hạn chế. Do kích thước và chi phí, điện là nguồn tài nguyên khan hiếm.
3.1. Hạn Chế Phần Cứng và Giải Pháp Tiết Kiệm Năng Lượng
Đơn vị cảm biến: bao gồm hai đơn vị nhỏ hơn: một cảm biến và một bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC). Đơn vị thu phát: Đơn vị năng lượng: Hệ thống định vị vị trí: Đối với một số ứng dụng, kích thước thực tế có thể nhỏ hơn thậm chí là một centimet khối và cân nặng nhẹ đủ để duy trì lơ lửng trong không khí. Với pin hạn chế điện, các đời của mạng, đó là thời gian tối đa mà mạng lưới hoạt động, là cũng hạn chế. Do kích thước và hạn chế về chi phí của các nút cảm biến, điện là một nguồn tài nguyên khan hiếm trong WSN.
3.2. Khả Năng Chịu Lỗi Mở Rộng và Chi Phí Sản Xuất WSN
Hạn chế phần cứng làm nút cảm biến thường xuyên lỗi hoặc bị block. Những lỗi do thiếu điện, thiệt hại vật chất, tác động môi trường, vấn đề phần mềm. Mức độ lỗi cho phép mạng hoạt động bình thường gọi là khả năng chịu lỗi. Khả năng chịu lỗi cải thiện bằng cách tạo nhiều nút trong phạm vi phát sóng. Mật độ node phụ thuộc vào ứng dụng. Khó kiểm soát với mật độ số lượng node lớn. Tăng số nút làm ảnh hưởng tới tiêu thụ năng lượng. Chi phí một nút quan trọng để tính tổng thể mạng. Nếu chi phí mạng đắt hơn thiết bị cảm biến truyền thống, mạng cảm biến không được coi là hợp lý.
IV. Phân Tích Các Kiểu Thâm Nhập Môi Trường trong WSNs
Mỗi nút cảm biến không dây chia sẻ kênh truyền với các nút trong phạm vi truyền dẫn. Giao thức MAC đảm bảo thông tin liên lạc, thiết lập liên kết truyền thông, cung cấp kết nối trên toàn mạng. Việc tiếp cận kênh truyền này nên được phối hợp sao cho va chạm được giảm thiệu hoặc loại bỏ. Có ba nhóm chính: thâm nhập môi trường dựa trên tranh chấp, thâm nhập môi trường dựa trên đặt chỗ, thâm nhập môi trường dựa trên kết hợp. Những phương pháp này phụ thuộc vào hai cách tiếp cận: CSMA và TDMA. Những thách thức hàng đầu đối với WSN là: Năng lượng tiêu thụ, kiến trúc mạng…
4.1. Thách Thức Đối Với MAC Layer trong Mạng Cảm Biến
Các giao thức tập trung chủ yếu vào hai số liệu hiệu suất quan trọng: Thông lượng và Độ trễ: thời gian truyền và nhận gói tin không chính xác. Thách thức hàng đầu đối với WSN là: Năng lượng tiêu thụ, kiến trúc mạng… Cảm biến Nắng nghe nhàn rỗi: không có dữ liệu hữu ích từ kênh truyền Tắt các radio khi không có dữ liệu truyền và nhận Xử lý. Xung đột: đây cũng là vấn đề chính của trong chương này để giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng Xung đột xảy ra khi hai hay nhiều nút cùng gửi data vào cùng một thời điểm, dẫn đến nút nhân sẽ không nhận được bất kì gói tin nào. Xung đột làm cho các nút trong mạng tiêu hao lượng lớn năng lượng.
4.2. Phân tích giao thức CSMA Carrier Sense Multiple Access
Hầu hết các giao thức MAC đề xuất cho WSNs dựa vào một phương pháp truy cập môi trường thông thường đã được giới thiệu cho mạng WLAN.Phương pháp này là carrier sense multiple access (CSMA): Đa truy cập cảm biến song mang. Cảm biến sóng mang đề cập đến các nút nghe các kênh trong một khoảng thời gian cụ thể để đánh giá các hoạt động trên các kênh không dây.Nói cách khác, CSMA là phương pháp “lắng nghe trước khi truyền”. Cơ chế hoạt động: Nút đầu tiên lắng nghe các kênh trong một thời gian cụ thể, mà thường gọi là không gian interframe (liên khung)(IFS). Sau đó, các nút thi hành dựa trên hai điều kiện: Nếu kênh là nhàn rỗi trong thời gian IFS, nút có thể truyền ngay lập tức. Nếu kênh trở nên bận rộn trong IFS, nút trì hoãn việc truyền tải và tiếp tục theo dõi các kênh cho đến khi kênh là nhàn rỗi.
