Luận văn thạc sĩ về các phương pháp thu thập dữ liệu mới trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay nghiên cứu các phương pháp thu thập dữ liệu mới trong mạng cảm biến không dây ảo hóa, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Ninh Xuân Phong
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tuấn Minh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Phương Pháp Thu Thập Dữ Liệu Mới Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Ảo Hóa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
• 1.1. Giới thiệu về các nút cảm biến
• 1.2. Giám sát và điều khiển công nghiệp
• 1.3. Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật
• 1.4. Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo
• 1.4.1. Cấu trúc liên kết mạng dạng sao
• 1.4.2. Cấu trúc liên kết mạng dạng cây
• 1.4.3. Cấu trúc liên kết dạng lưới
• 1.5. Các giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây
• 1.5.1. RF – Tín hiệu tần số vô tuyến
• 1.6. Nền tảng phần cứng
• 1.6.1. Nhà cung cấp hạ tầng cảm biến (SInP)
• 1.6.2. Nhà cung cấp dịch vụ mạng ảo hóa cảm biến (SVNSP)
• 1.6.3. Ứng dụng người dùng (ALU)
• 1.7. Công nghệ hiện đại
• 1.7.1. Ảo hóa cấp mạng
• 1.7.2. Giải pháp ảo hóa kết hợp
• 1.8. Ưu điểm và nhược điểm của ảo hóa mạng
• 1.8.1. Nhược điểm
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC DỰ ÁN ẢO HÓA MẠNG
• 2.1. Công nghệ mạng
• 2.1.1. Mạng IP : X-Bone
• 2.1.2. Mạng ATM: Tempest
• 2.2. Miền kiến trúc
• 2.2.1. Quản lý mạng: VNRMS
• 2.2.2. Mạng hoạt động ảo: NetScript
• 2.2.3. Mạng tái sinh : Genesis
• 2.2.4. Cơ sở thí nghiệm: FEDERICA
• 2.3. Mức độ chi tiết của ảo hóa
• 2.3.1. Ảo hóa hoàn toàn: CABO
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
• 3.1. Định tuyến PA tối đa
• 3.2. Định tuyến năng lượng thấp nhất (ME)
• 3.3. Định tuyến đường đi ngắn nhất (Min-Hop)
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG
• 4.1. Định nghĩa CONTIKI OS
• 4.2. Ứng dụng hệ điều hành Tiny
• 4.3. Đặc tính của Contiki
• 4.4. Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng
• 4.5. Mô phỏng các giao thức mạng
• 4.6. Ưu điểm và nhược điểm của TinyOS
• 4.7. So sánh hệ điều hành CONTIKI OS và TINY OS
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phương pháp thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây (WSN) và phương pháp thu thập dữ liệu trong bối cảnh ảo hóa đang trở thành một lĩnh vực quan trọng. Mạng cảm biến không dây cho phép thu thập và truyền tải dữ liệu từ các cảm biến đến các hệ thống xử lý. Việc ảo hóa mạng cảm biến không dây giúp tối ưu hóa tài nguyên và nâng cao hiệu quả trong việc quản lý dữ liệu. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện khả năng thu thập dữ liệu và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây và ảo hóa

Mạng cảm biến không dây là một hệ thống bao gồm nhiều nút cảm biến có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu. Ảo hóa mạng cảm biến cho phép tạo ra các mạng ảo từ các tài nguyên vật lý, giúp tối ưu hóa việc sử dụng và quản lý dữ liệu.

1.2. Tầm quan trọng của thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến

Việc thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến không dây là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và kịp thời của thông tin. Các phương pháp thu thập dữ liệu hiệu quả giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế và công nghiệp.

II. Những thách thức trong thu thập dữ liệu từ mạng cảm biến không dây ảo hóa

Mặc dù mạng cảm biến không dây mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc thu thập dữ liệu. Các vấn đề như tiêu thụ năng lượng, độ tin cậy của dữ liệu và khả năng mở rộng của mạng là những yếu tố cần được xem xét. Việc quản lý dữ liệu trong môi trường ảo hóa cũng gặp khó khăn do sự phức tạp trong việc duy trì kết nối và đồng bộ hóa dữ liệu.

2.1. Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến

Tiêu thụ năng lượng là một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến không dây. Các nút cảm biến thường hoạt động bằng pin, do đó việc tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ là rất cần thiết để kéo dài tuổi thọ của mạng.

2.2. Độ tin cậy và tính chính xác của dữ liệu thu thập

Độ tin cậy của dữ liệu thu thập từ mạng cảm biến không dây có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiễu tín hiệu và sự cố phần cứng. Cần có các phương pháp để đảm bảo tính chính xác và kịp thời của dữ liệu.

III. Phương pháp thu thập dữ liệu hiệu quả trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

Để tối ưu hóa việc thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến không dây, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các giao thức định tuyến thông minh, ảo hóa tài nguyên và các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất thu thập dữ liệu mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

3.1. Giao thức định tuyến thông minh trong thu thập dữ liệu

Giao thức định tuyến thông minh giúp tối ưu hóa lộ trình truyền tải dữ liệu từ các nút cảm biến đến trung tâm xử lý. Việc sử dụng các thuật toán định tuyến hiệu quả có thể giảm thiểu độ trễ và tăng cường độ tin cậy của dữ liệu.

3.2. Kỹ thuật ảo hóa tài nguyên trong mạng cảm biến

Ảo hóa tài nguyên cho phép chia sẻ và quản lý các tài nguyên cảm biến một cách hiệu quả. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và nâng cao khả năng mở rộng của mạng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

Các phương pháp thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến không dây đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp thông minh, giám sát môi trường và quản lý đô thị. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả công việc mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp thông minh

Mạng cảm biến không dây được sử dụng để giám sát điều kiện đất đai và thời tiết, giúp nông dân đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc tưới tiêu và bón phân.

4.2. Giám sát môi trường và quản lý đô thị

Các cảm biến không dây giúp theo dõi chất lượng không khí, nước và các yếu tố môi trường khác, từ đó hỗ trợ các cơ quan chức năng trong việc quản lý và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu phương pháp thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

Nghiên cứu về phương pháp thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ảo hóa đang mở ra nhiều cơ hội mới. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ 4.0 và Internet of Things (IoT). Việc cải thiện các phương pháp thu thập dữ liệu sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các ứng dụng trong thực tiễn.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ trong mạng cảm biến

Công nghệ mạng cảm biến không dây sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của các công nghệ mới như AI và machine learning, giúp tối ưu hóa việc thu thập và phân tích dữ liệu.

5.2. Tương lai của ảo hóa mạng cảm biến

Ảo hóa mạng cảm biến sẽ trở thành một xu hướng quan trọng, giúp nâng cao khả năng quản lý và sử dụng tài nguyên trong các ứng dụng thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một công nghệ then chốt trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0, đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu từ môi trường thực tế. Theo ước tính, mạng cảm biến không dây có thể bao gồm từ vài chục đến hàng nghìn nút cảm biến nhỏ gọn, có khả năng tự cảm nhận, tính toán và giao tiếp không dây. Tuy nhiên, việc triển khai WSN tại Việt Nam còn hạn chế do các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và nhu cầu sử dụng chưa đồng đều.

Luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp thu thập dữ liệu mới trong mạng cảm biến không dây ảo hóa (Virtual Sensor Network - VSN), nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, tiết kiệm năng lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Việt Nam, với mục tiêu phát triển các giải pháp ảo hóa cấp nút, cấp mạng và giải pháp kết hợp, đồng thời mô phỏng các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất mạng, kéo dài thời gian hoạt động của các nút cảm biến, giảm chi phí vận hành và tăng tính linh hoạt trong ứng dụng thực tế như giám sát công nghiệp, nông nghiệp, môi trường và an ninh. Các chỉ số hiệu quả như tiết kiệm năng lượng lên đến 30%, tăng khả năng mở rộng mạng và giảm độ trễ truyền dữ liệu được đặt ra làm tiêu chí đánh giá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên ba lý thuyết và mô hình chính:

1. Lý thuyết ảo hóa mạng cảm biến không dây (WSN Virtualization Theory): Phân loại ảo hóa thành ba cấp độ gồm ảo hóa cấp nút, ảo hóa cấp mạng và ảo hóa kết hợp. Mỗi cấp độ có đặc điểm và phương pháp triển khai riêng, nhằm tối ưu hóa tài nguyên và đa nhiệm trong mạng.

2. Mô hình kiến trúc mạng cảm biến ảo (VSN Architecture Model): Bao gồm các thành phần như nhà cung cấp hạ tầng cảm biến (SInP), nhà cung cấp dịch vụ mạng ảo hóa cảm biến (SVNSP) và ứng dụng người dùng (ALU). Mô hình này giúp phân chia rõ ràng vai trò và trách nhiệm trong hệ sinh thái mạng ảo.

3. Lý thuyết giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng (Energy-Efficient Routing Protocols): Tập trung vào các thuật toán định tuyến như định tuyến PA tối đa, định tuyến năng lượng thấp nhất (ME) và định tuyến đường đi ngắn nhất (Min-Hop), nhằm cân bằng giữa năng lượng tiêu thụ và hiệu quả truyền dữ liệu.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: ảo hóa cấp nút, ảo hóa cấp mạng, mạng cảm biến không dây (WSN), mạng cảm biến ảo (VSN), giao thức định tuyến CTP, Contiki OS, TinyOS, Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee, và các thuật toán định tuyến tiết kiệm năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết, tổng hợp tài liệu và mô phỏng thực nghiệm.

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu khoa học, báo cáo ngành, các dự án ảo hóa mạng và các hệ điều hành cảm biến như Contiki OS, TinyOS. Dữ liệu mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Cooja và Tossim với cỡ mẫu từ 10 đến 50 nút cảm biến.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng mạng để đánh giá hiệu quả các giao thức định tuyến và phương pháp ảo hóa. Các chỉ số đánh giá bao gồm mức tiêu thụ năng lượng, độ trễ truyền dữ liệu, khả năng mở rộng mạng và độ tin cậy.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, bao gồm 3 tháng tổng quan và xây dựng khung lý thuyết, 6 tháng mô phỏng và phân tích kết quả, 3 tháng hoàn thiện luận văn và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả ảo hóa cấp nút: Mô hình ảo hóa cấp nút cho phép thực thi đa nhiệm trên cùng một nút cảm biến, giúp tiết kiệm năng lượng khoảng 25% so với mô hình truyền thống. Thực thi tương tự đa nhiệm giảm thời gian xử lý xuống 30% so với thực thi tuần tự.

2. Ảo hóa cấp mạng nâng cao khả năng mở rộng: Việc phân chia mạng thành các cụm và mạng lớp phủ ảo giúp tăng khả năng mở rộng mạng lên đến 40%, đồng thời giảm độ trễ truyền dữ liệu trung bình từ 150ms xuống còn 100ms trong các mô phỏng với 50 nút.

3. Giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng: Định tuyến năng lượng thấp nhất (ME) được chứng minh là tối ưu nhất trong việc kéo dài tuổi thọ mạng, với mức tiêu thụ năng lượng giảm 20% so với định tuyến PA tối đa và 15% so với định tuyến Min-Hop.

4. Mô phỏng hệ điều hành Contiki và TinyOS: Contiki OS cho phép đa nhiệm ưu tiên, phù hợp với các ứng dụng IoT năng lượng thấp, trong khi TinyOS có ưu điểm về kích thước mã nhỏ gọn và hiệu quả xử lý sự kiện. Mô phỏng cho thấy Contiki tiêu thụ năng lượng thấp hơn 10% so với TinyOS trong các kịch bản đa nhiệm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ việc ảo hóa mạng cảm biến không dây giúp chia sẻ tài nguyên hiệu quả, giảm thiểu sự trùng lặp và tăng tính linh hoạt trong quản lý mạng. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về tiết kiệm năng lượng và khả năng mở rộng mạng, phù hợp với xu hướng phát triển IoT hiện đại.

Việc áp dụng các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng như ME giúp cân bằng giữa năng lượng tiêu thụ và độ tin cậy truyền dữ liệu, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng giám sát thời gian thực. Các biểu đồ mô phỏng thể hiện rõ sự khác biệt về mức tiêu thụ năng lượng và độ trễ giữa các giao thức, minh họa hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số hạn chế như giới hạn về băng thông truyền thông và độ ổn định kết nối do đặc thù môi trường không dây. Những vấn đề này cần được nghiên cứu sâu hơn trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ảo hóa cấp nút và cấp mạng đồng thời: Khuyến nghị các nhà phát triển mạng cảm biến áp dụng giải pháp ảo hóa kết hợp để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, với mục tiêu giảm tiêu thụ năng lượng ít nhất 20% trong vòng 12 tháng tới.

2. Ưu tiên sử dụng giao thức định tuyến năng lượng thấp nhất (ME): Các tổ chức nên áp dụng giao thức ME trong các hệ thống thu thập dữ liệu để kéo dài tuổi thọ mạng, đặc biệt trong các ứng dụng giám sát công nghiệp và môi trường.

3. Phát triển và ứng dụng hệ điều hành Contiki OS: Đề xuất sử dụng Contiki OS cho các dự án IoT và mạng cảm biến không dây do khả năng đa nhiệm ưu tiên và tiết kiệm năng lượng, với kế hoạch đào tạo kỹ thuật viên trong 6 tháng.

4. Tăng cường nghiên cứu về cải thiện băng thông và độ ổn định mạng: Khuyến khích các nhà nghiên cứu tập trung phát triển các giải pháp nâng cao băng thông truyền thông và ổn định kết nối trong mạng cảm biến không dây, nhằm giảm thiểu mất mát dữ liệu và tăng độ tin cậy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông, công nghệ thông tin: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ảo hóa mạng cảm biến không dây và các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan.

2. Các kỹ sư phát triển hệ thống IoT và mạng cảm biến: Tham khảo để áp dụng các giải pháp ảo hóa và giao thức định tuyến hiệu quả trong thiết kế và triển khai hệ thống thực tế, giúp tối ưu hóa chi phí và năng lượng.

3. Doanh nghiệp và tổ chức ứng dụng công nghệ cảm biến: Hỗ trợ trong việc lựa chọn công nghệ phù hợp, nâng cao hiệu quả vận hành và mở rộng quy mô mạng cảm biến trong các lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, môi trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển mạng cảm biến không dây và IoT, thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong phát triển kinh tế - xã hội.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạng cảm biến không dây ảo hóa là gì?
   Mạng cảm biến không dây ảo hóa (VSN) là mạng được tạo ra bằng cách chia sẻ và ảo hóa tài nguyên của một hoặc nhiều mạng cảm biến vật lý, giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả sử dụng tài nguyên.

2. Tại sao cần ảo hóa trong mạng cảm biến không dây?
   Ảo hóa giúp chia sẻ hạ tầng vật lý, giảm chi phí triển khai, tăng khả năng mở rộng và đa nhiệm, đồng thời kéo dài tuổi thọ mạng bằng cách tối ưu hóa sử dụng năng lượng.

3. Giao thức định tuyến nào tiết kiệm năng lượng nhất?
   Theo kết quả nghiên cứu, giao thức định tuyến năng lượng thấp nhất (ME) là hiệu quả nhất trong việc giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng so với các giao thức khác như PA tối đa hay Min-Hop.

4. Hệ điều hành nào phù hợp cho mạng cảm biến không dây?
   Contiki OS được đánh giá cao nhờ khả năng đa nhiệm ưu tiên, hỗ trợ IPv6 và tiết kiệm năng lượng, phù hợp với các ứng dụng IoT và mạng cảm biến năng lượng thấp.

5. Các ứng dụng thực tế của mạng cảm biến không dây ảo hóa?
   Ứng dụng trong giám sát công nghiệp, nông nghiệp thông minh, theo dõi môi trường, an ninh và quản lý giao thông, giúp thu thập dữ liệu chính xác và kịp thời với chi phí thấp.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phát triển và đánh giá các phương pháp ảo hóa cấp nút, cấp mạng và giải pháp kết hợp trong mạng cảm biến không dây, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và tiết kiệm năng lượng.
• Giao thức định tuyến năng lượng thấp nhất (ME) được chứng minh là tối ưu trong việc kéo dài tuổi thọ mạng và giảm tiêu thụ năng lượng.
• Hệ điều hành Contiki OS phù hợp cho các ứng dụng mạng cảm biến không dây nhờ khả năng đa nhiệm và tiết kiệm năng lượng.
• Các giải pháp ảo hóa mạng cảm biến không dây có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và môi trường.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cải thiện băng thông và độ ổn định mạng, đồng thời triển khai thực tế các giải pháp trong vòng 1-2 năm tới để đánh giá hiệu quả thực tiễn.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp ảo hóa và giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng để nâng cao hiệu quả mạng cảm biến không dây trong dự án của bạn ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 1.1 Giới thiệu về các nút cảm biến Cảm nhận, xử lý và giao tiếp được diễn ra trực tiếp bên trong nút. Chất lượng, kích thước và tần suất của dữ liệu nhận được có thể được phân tích từ mạng bị ảnh hưởng bởi các tài nguyên vật lý có sẵn trong nút [8]. Mục tiêu thiết kế chính của nút cảm biến là tập trung vào mặt thương mại, tăng tính linh hoạt (để dễ dàng cho quá trình triển khai và thích nghi nhanh chóng vào môi trường) và tiết kiệm năng lượng (khả năng xử lý, giao tiếp, bộ nhớ và khả năng lưu trữ). Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và bộ nguồn.

Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 5. Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý.

Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo truyền thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc nguồn năng lượng mặt trời, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến.

Do không thể liên tục thay thế nên nguồn năng lượng của nút thường bị giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ. Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí.

Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến Tùy vào mỗi môi trường khác nhau: dưới nước, trong lòng đất, trên mặt đất,v.v… thì sẽ triển khai kiểu mạng không dây khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống.1 Vận tải Mạng cảm biến không dây cho phép thu thập thông tin giao thông thời gian thực bằng cách cài đặt mạng tại các vị trí chiến lược xung quanh thành phố. Có thể sắp xếp nguồn cấp dữ liệu hoạt động liên quan đến tắc nghẽn và các vấn đề giao thông mà sau đó có thể điều tiết giao thông cho phép các phương Hình 6 : Vận tải trong WSN tiện tiếp tục di chuyển hoặc dừng lại.2 Giám sát và điều khiển công nghiệp Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực.

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong lĩnh vực này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ,vv. Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện rộng thì mạng cảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội. Đó là hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo. Rất nhiều chi phí trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn (các chuyển mạch có dây, các bóng đèn được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn,vv).

Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển từ xa có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn trong một theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo. Hay việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an toàn công nghiệp. Các mạng cảm biến không dây này có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra (và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát). Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó.

Trong một ứng dụng khác, đó là quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Nông nghiệp Hình 7 : Ứng dụng WSN trong công nghiệp Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh.

Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí. Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật Hình 8 : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở và giám sát động vật Trong các tình huống cụ thể giám sát loại sự kiện này có thể thực sự quan trọng. Có thể có những phiến đá trên núi.

Để bảo vệ động vật khỏi các phiến đá, các nút cảm biến được triển khai dọc theo các khu vực núi. Có các hệ thống tín hiệu khẩn cấp để làm cho người dân và động vật nhận thức được. Một WSN vật lý duy nhất được triển khai, nhưng nó được sử dụng bởi hai VWSN. Một VWSN giám sát các slide đá và một VWSN khác giám sát các động vật băng qua địa hình đồi núi.

Cả hai ứng dụng được kết xuất bởi hai VWSN đều sử dụng cùng một nút cảm biến vật lý và chuyển tiếp dữ liệu đến các hệ thống tín hiệu và tới các nút thành viên.3 Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo 1.1 Cấu trúc liên kết mạng dạng sao. Cấu trúc liên kết sao [9] được thiết kế với mỗi nút ( tệp máy chủ, trạm gốc và thiết bị ngoại vi) được kết nối trực tiếp với một trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung mạng. Dữ liệu trên mạng sao được di chuyển qua trung tâm, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung trước khi tiếp tục đến đích. Trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung quản lý và kiểm soát tất cả các chức năng của mạng.

Nó cũng hoạt động như một bộ lặp cho luồng dữ liệu. Cấu hình này là phổ biến với cáp xoắn đôi, tuy nhiên nó cũng có thể được sử dụng với cáp đồng trục hoặc cáp quang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 12 Hình 9 : Cấu trúc liên kết mạng sao Ưu điểm: - Dễ dàng cài đặt và đi dây. - Không bị gián đoạn mạng khi kết nối hoặc tháo thiết bị.

- Dễ dàng phát hiện lỗi và loại bỏ các bộ phận. Nhược điểm: - Yêu cầu chiều dài cáp nhiều hơn một cấu trúc liên kết tuyến tính. - Nếu trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung bị lỗi, các nút đính kèm sẽ bị tắt. - Đắt hơn cấu trúc cổng liên kết vì chi phí của các trung tâm khá cao.2 Cấu trúc liên kết mạng dạng cây Cấu trúc liên kết mạng dạng cây [9] kết hợp các đặc điểm của cấu trúc cổng liên kết và liên kết sao.

Nó bao gồm các nhóm cấu hình sao để đáp ứng nhu cầu của chúng. Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng cây Ưu điểm: - Đi dây từ điểm tới điểm cho từng đoạn riêng lẻ. - Được hỗ trợ bởi một số nhà phát hành phần cứng và phần mềm. Nhược điểm: - Chiều dài tổng thể của mỗi phân đoạn bị giới hạn bởi loại cáp được sử dụng.

- Khó cấu hình và đi dây hơn các cấu trúc liên kết khác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.