chương 1, sinh viên đã giới thiệu tổng quan về IoT, các góc nhìn kỹ thuật, các đặc tính cơ bản và yêu cầu đối với mộ hệ thống IoT. Mô hình của hệ thống IoT cùng các lớp cũng được phân tích khá chi tiết để thấy được khả năng ứng dụng. 9 CHƯƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG 2. Tổng quan mạng cảm biến Mạng cảm biến hay còn gọi là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện, hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó.
Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu g m thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi ,và các ứng dụng trong y học.Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất ña dạng và không bị giới hạn. Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến [4]: - Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải. - Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến( có dây hay vô tuyến) điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering). Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
- Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý. - Mạng cảm biến không dây(WSN) là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến. Hiệu quả sử dụng công suất của WSN dựa trên 3 yếu tố: - Chu kỳ hoạt động ngắn. - Xử lý tín hiệu nội bộ tại các node để giảm thời gian truyền.
- Mô hình dạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền. Một vài đặc điểm của mạng cảm biến: - Các node phân bố dày đặc. - Các node dễ hỏng. - Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.
- Node bị giới hạn về khả năng tính toán,công suốt, bộ nhớ.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến 2.1 Phần cứng Hình 2.1: Kiến trúc của một node cảm biến 10 Các thành phần cấu tạo nên một node cảm biến [4]: - Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến). - Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến. - Nguồn cung cấp. - Các phần ứng dụng khác.
Các node có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu tới trung tâm.2: Phần mềm điều khiển node cảm biến Phần mềm: 5 nhóm chính - Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý. Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến. - Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, g m định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi,… - Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý trong mạng 2.2 Giao thức điều khiển truy cập: Mạng WSNs được xây dựng với số lượng lớn cảm biến , phân bố trên một vùng địa lý. Các thiết bị cảm biến (node) này bị hạn chế về nguồn cung cấp và do đó bị giới hạn khả năng xử lý và thông tin [5].
Việc khai thác để sử dụng hiệu quả các lợi ích tiềm năng của mạng WSNs đòi hỏi khả năng tự tổ chức và kết hợp ở mức độ cao của các node cảm biến. Do đó, thiết kế giao thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở thành điều quan trọng để mang lại thành công trong hoạt động của mạng. Xây dựng phần cứng cho mạng không dây liên kết đa đường để truyền dữ liệu đòi hỏi phải tạo sự liên lạc giữa các node lân cận. Không giống thông tin trong mạng có dây dẫn, mạng không dây dựa trên truyền sóng điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các đặc tính truyền 11 sóng.
Việc đối xử với các node trong mạng phải ngang nhau. để đạt được các mục tiêu này, việc sử dụng giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) là cần thiết. Một số giao thức MAC đã được đề nghị cho mạng WNSs, lựa chọn giao thức do đặc tính của mạng quyết định. Đặc điểm kênh truyền chỉ cho phép một node truyền thông điệp tại một thời điểm xác định.
Việc chia sẻ truy cập kênh truyền cần phải xây dựng giao thức MAC cho các node trong mạng. Từ mô hình tham khảo OSI (Open Systems Interconnection Reference Model_OSIRM), giao thức MAC được xây dựng ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer_DDL). Lớp cao của DDL được xem như lớp điều khiển ligic (LLC). Sự t n tại của lớp LLC cho phép nhiều lựa chọn cho lớp MAC, phụ thuộc vào cấu trúc và giao thức của mạng, đặc tính kênh truyền, và chất lượng cung cấp cho ứng dụng.
Lớp vật lý (PHY) gồm các đặc tính về môi trường truyền và cấu hình mạng. Nó định nghĩa giao thức và chức năng các thiết bị vật lý, giao diện về mặt điện để đạt được việc thu nhận bit. Chức năng chủ yếu lớp PHY bao gồm các qui ước về điện, mã hóa và khôi phục tín hiệu, đ ng bộ phát và thu, qui ước về chuỗi bit… Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lý. Cung cấp các chức năng sau: - Kết hợp dữ liệu vào frame để gởi đi bằng cách thêm vào trường header gồm thông tin về địa chỉ và trường kiểm soát lỗi.
- Tách frame thu được để lấy ra địa chỉ và thông tin kiểm tra lỗi khôi phục lại thông điệp. điều chỉnh truy cập đối với kênh truyền chia sẻ theo cách phù hợp với đòi hỏi về đặc điểm của ứng dụng.3: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu Lớp LLC của DDL cung cấp giao diện trực tiếp cho lớp cao hơn. Mục đích chính là để ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn phía dưới, do đó tạo ra khả năng hoạt động giữa các dạng khác nhau của mạng. Giao thức điều khiển truy cập Các giao thức MAC cho mạng WSNs.
- Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols). - Giao thức phân chia theo nhu cầu (Demand Assignment Protocols). - Giao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols). Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols): 12 Mỗi node được chia một lượng cố định xác định trước tài nguyên kênh truyền.
Trong đó, mỗi node dùng tài nguyên này một cách riêng biệt mà không bị tranh chấp với các node khác. Các giao thức thường dùng là đa truy cập chia theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập chia theo mã (CDMA). - FDMA (Frequency-Division Multiple Access): giao thức được dùng trong hệ thống vô tuyến để chia sẻ phổ tần số. Băng thông được chia làm nhiều khoảng nhỏ, đa truy cập thực hiện bằng cách phân chia cho các node các tần số sóng mạng khác nhau.
Băng thông dành cho mỗi node bị giới hạn để đảm bảo không có can nhiễu, ch ng lấn giữa các node. - TDMA (Time-Division Multiple Access): Kỹ thuật truyền dẫn số cho phép lượng node thông tin cùng truy cập một kênh tần số mà không bị can nhiễu. Bằng cách chia tần số thành nhiều khe thời gian (time slots) và phân cho mỗi node một khe xác định. Việc thu- phát tạo thành vòng tròn khép kín.
Tại mỗi thời điểm chỉ có một node sử dụng kênh truyền. - CDMA (Code-Division Multiple Access):là một dạng điều chế dựa trên kỹ thuật trải phổ cho phép nhiều node cùng sử dụng kênh truyền đồng thời. Hệ thống phát ra một tín hiệu kết hợp với tín hiệu gần giống như nhiễu để tạo ra tín hiệu băng thông rộng hơn so với băng thông tín hiệu gốc. Việc dùng tín hiệu giống với nhiễu làm cho tín hiệu khó phát hiện, khó giải điều chế tín hiệu gốc.
- Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols): Mỗi node được chia một lượng cố định xác định trước tài nguyên kênh truyền. Dùng tài nguyên này một cách riêng biệt mà không bị tranh chấp với các node khác. Các giao thức thường dùng là đa truy cập chia theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập chia theo mã (CDMA). - Giao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols): Giao thức phân chia ngẫu nhiên không thực hiện bất cứ điều khiển nào để xác định node nào có thể truy cập kế tiếp.
Giao thức truy xuất ngẫu nhiên ban đầu được phát triển cho vô tuyến đường dài và thông tin vệ tinh. ALOHA là giao thức đầu tiên thuộc dạng này, còn gọi là pure ALOHA. Từ ALOHA phát triển thành nhiều giao thức khác như CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA… 2.3 Phân loại mạng cảm biến 2.1 Category 1 WSN (C1WSN) Hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các node qua kênh truyền vô tuyến sử dụng giao thức định tuyến động,các node tìm đường đi tôt nhất đến đích. - Vai trò của các node như các trạm lặp với khoảng cách rất lớn.
- Xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp.4: Mạng C1WSN phức tạp.2 Category 2 WSN (C2WSN) Mô hình điểm - điểm hay đa điểm - điểm, chủ yếu là các liên kết đơn giữa các node (single hop), Dùng giao thức định tuyến tĩnh. Một node không cung cấp thông tin cho các node khác. Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho node khác. Khoảng cách vài trăm mét.5: Mạng C2WSN đơn giản.4 Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây 2.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp Một nhà máy công nghiệp, có quy mô rộng điển hình có một phòng điều khiển tương đối nhỏ, xung quanh có các thiết máy móc tương đối lớn.
Phòng điều khiển có các đ ng h chỉ báo và các máy hiển thị để mô tả trạng thái các thiết bị (trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ, v.v…), đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các máy móc (các van, các bếp lò, v.v…) mà tác động đến trạng thái được theo dõi của máy móc. Các cảm biến mô tả trạng thái các máy móc, các kết quả hiển thị của chúng nằm trong phòng điều khiển, các thiết bị đầu vào điều khiển, và các bộ truyền động trong các máy tất cả tương đối rẻ khi được so sánh với chi phí của các đường dây bọc kim loại mà được sử dụng để truyền thông giữa chúng. Tiết kiệm chi phí đáng kể được hoàn tất nếu một phương tiện không dây rẻ có sẵn để cung cấp kiểu truyền thông này.