CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN VÀ GIAO THỨC AODV 1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây Với sự phát triển của công nghệ thông tin đã mang lại nhiều hiệu quả đối với khoa học cũng như trong các hoạt động thực tế, trong đó mạng máy tính là một lĩnh vực đem lại hiệu quả thiết thực cho con người. Thông qua mạng máy tính chúng ta có thể chia sẻ thông tin ở bấ t kỳ nơi nào trên ma ̣ng, tìm kiếm thông tin một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả.
Mặc dù mạng máy tıń h đã xuất hiện từ nhiều thập niên nhưng cho đến những năm gần đây, cùng với sự ra đời các thiết bị di động thì nhu cầu nghiên cứu và phát triển các hệ thống mạng không dây ngày càng trở nên cấp thiết. Nhiều công nghệ, phần cứng, các giao thức, chuẩn giao tiếp mạng lần lượt ra đời và đang được tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu năng làm việc [1]. “Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)” bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh [2].
Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế;. Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống [1] [2]. “Mạng cảm biến không dây” là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các nút với nhau nhờ sóng radio.
Phạm Thị Phương Thùy-DT13CTT01 3 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Hà Huy Cường Nhưng trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài [19]. Mô hình mạng cảm biến không dây thông thường 1. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai dày đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu.
Vị trí các cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này. Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công Phạm Thị Phương Thùy-DT13CTT01 4 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Hà Huy Cường suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách xa [10].Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1. Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field).
Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multibước Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager ) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) [11]. Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện.
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 1. Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến 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 Phạm Thị Phương Thùy-DT13CTT01 5 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Hà Huy Cường tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ [10] [11]. Bộ thu phát đảm bảo 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 ắcquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn.
Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ [12]. 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 [13].
Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN (Wireless Local Area Network), và mạng phạm vi ở nhà. Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợ internet không dây. Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler.
Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và Home RF đích đến là tại nhà, tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.WSN khác với các mạng trên nó có một số lượng lớn các nút, khoảng cách giữa các nút láng giềng là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn toàn chỉ là các nút, chi phí cho mỗi nút là ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, bởi vì việc thay thế pin của mỗi nút thậm chí một tháng một lần sẽ rất vất vả.
Tốc độ dữ liệu và tính di động trong WSN cũng thấp hơn [12] [13] [19]. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính toán rất kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào Phạm Thị Phương Thùy-DT13CTT01 6 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Hà Huy Cường hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực.
Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ [1]. Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết xử lý lưu trữ chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất) [1] [19]. Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp.
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao.
Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ [1] [2] [10]. Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất.
Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy. Phạm Thị Phương Thùy-DT13CTT01 7 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Nguyễn Hà Huy Cường Hình 1.