Mở đầu. Giới thiệu về đề tài, mục tiêu và tổ chức của đề tài. 9 Chương 2: Mạng cảm biến không dây và ứng dụng trong các hệ thống giám sát sức khỏe. Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Các chuẩn áp dụng cho mạng cảm biến không dây. Tổng quan về các ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong hệ thống giám sát sức khỏe. Chương 3: Thiết kế mạng cảm biến không dây cho hệ thống giám sát sức khỏe. Trình bày về kiến trúc, mô hình mạng cảm biến không dây cho hệ thống giám sát sức khỏe.
Vai trò của các nút cảm biến. Các vấn đề về kết nối mạng. Chương 4: Mô phỏng và phân tích hiệu suất. Trình bày về các công cụ mô phỏng, xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống giám sát sức khỏe.
Thực hiện mô phỏng, đưa ra kết quả và phân tích hiệu suất. Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu trong tương lai. 10 CHƯƠNG 2 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG THEO DÕI SỨC KHỎE Chương này bao gồm các thông tin giới thiệu về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network, các công nghệ không dây và một số ứng dụng của WSN trong các hệ thống theo dõi sức khỏe.1 Giới thiệu về WSN [1] Mạng cảm biến không dây có tên tiếng anh là Wireless Sensor Network. Nó bắt đầu được nghiên cứu và phát triển vào khoảng những năm 1980.
Dự án được phát triển bởi DARPA – cơ quan các dự án phòng thủ tiên tiến của bộ quốc phòng Hoa Kỳ. Ban đầu dự án có tên là Distributed Sensor Networks (DSN). DSNs ban đầu được giả định là một mạng có nhiều nút cảm biến phân tán, có khả năng kết nối với nhau nhưng hoạt động độc lập, thông tin trong các nút cảm biến này có thể được định tuyến tới bất kỳ nút mạng nào trong phạm vi. Các thành phần của DSN được giới thiệu lần đầu vào năm 1978 bao gồm bộ phận cảm biến, mô đun xử lý dữ liệu và kết nối, phần mềm phân tán.
Ứng dụng đầu tiên của DSN là một hệ thống theo dõi máy bay trực thăng được phát triển bởi học viện công nghệ Massachusetts. Mặc dù bước đầu được phát triển từ rất sớm, cùng với đó là các mục tiêu cụ thể được đặt ra từ các nhà nghiên cứu, nhưng tại thời điểm đó DSN chưa sẵn sàng để hiện thực hóa các mục tiêu đề ra. Cụ thể hơn là bởi các nhược điểm của kích thước và giá thành bộ cảm biến, ít ứng dụng và đặc biệt DSN chưa hoàn toàn tương thích với các kết nối không dây. Sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp máy tính, truyền thông và công nghệ vi điện tử đã tạo nên một bước tiến mới cho DSN đến gần hơn với các mục tiêu đề ra ban đầu.
Các nghiên cứu về DSN bắt đầu được chú ý trở lại vào năm 1998 và càng ngày càng thu hút nhiều nhà khoa học tham gia cũng như sự quan tâm của quốc tế. Các nghiên cứu mới về DSN lúc này chủ yếu tập trung vào các công nghệ mạng, các thuật toán xử lý dữ liệu và các phương pháp tiết kiệm tài nguyên cho nút cảm biến. Các nút cảm biến đã có kích thước nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn trước. DSN lúc này đã phù hợp để triển khai các ứng dụng như theo dõi môi trường, mạng cảm biến giao thông, và hệ thống WSN theo dõi sức khỏe.
Định nghĩa WSN WSN là một hệ thống mạng bao gồm các node cảm biến có kết nối không dây và khả năng tính toán. Các node cảm biến thường là các sensor bao gồm các thành phần như: bộ vi xử lý, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn. Kích thước của các node 11 cảm biến thay đổi tùy thuộc vào loại ứng dụng, nhưng chúng có chung những đặc điểm sau: Sử dụng phương pháp phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến đa chặng. Kích thước vật lý nhỏ, giá thành rẻ, chủ yếu sử dụng pin.
Do vậy các node cảm biến bị hạn chế về khả năng xử lý cũng như dung lượng nhớ. Vị trí các node mạng cảm biến có thể được phân bố ngẫu nhiên không cần xác định trước. Có thể xử lý dữ liệu đơn giản. Hoạt động ổn định và đáng tin cậy.
WSN có rất nhiều ứng dụng trong đời sống hiện nay của con người. Cụ thể là [2]: Y tế: Mạng cảm biến có thể được sử dụng để theo dõi các thông số sinh lý của bệnh nhân như nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ cơ thể từ xa. Và gửi báo cáo đến bệnh viện khi cần thiết. Nông nghiệp: Mạng cảm biến có thể được sử dụng để theo dõi điều kiện khí hậu của một diện tích canh tác lớn.
Tính toán nhu cầu nước, hóa chất của cây trồng và đưa ra thông báo. Quân sự: Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng để giám sát các khu vực nguy hiểm mà không cần sự có mặt của con người. Phát hiện chuyển động hay vị trí của đối phương, phát hiện các cuộc tấn công hóa sinh và dò tìm bom mình. Môi trường: Mạng cảm biến có thể được sử dụng để theo dõi các biến đổi khí hậu, cảnh báo thiên tai, .v Ngoài ra còn rất nhiều ứng dụng khác có thể được triển khai dựa vào những ưu điểm của hệ thống mạng cảm biến không dây mang lại tiện ích cho con người.
Chính vì vậy việc nghiên cứu và phát triển mạng cảm biến không dây đang là đề tài nóng trong những năm gần đây.2 Các thành phần trong một hệ thống WSN Hệ thống WSN bao gồm 3 thành phần cơ bản: Source hay Sensor Node là các nút làm nhiệm vụ cảm biến, kết hợp và gửi dữ liệu. Sink Node là các nốt chỉ làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ source và chuyển cho AP. Sink Node cũng có thể làm nhiệm vụ trung gian giữa WSNs và các hệ thống mạng khác. AP làm nhiệm vụ trung gian trung chuyển dữ liệu, đôi khi vai trò của AP không rõ ràng.1 Cấu tạo của nút cảm biến – Sensor node Một hệ thống WSN là một tập hợp của rất nhiền nút cảm biến phân tán trong một khoảng diện tích rộng.
Mỗi nút cảm biến đều có khả năng thực hiện một số tác vụ cảm biến và xử lý dữ liệu độc lập. Sau đó nó sẽ thực hiện kết nối với các nút lân cận để gửi dữ liệu cảm biến về bộ xử lý trung tâm. Thông thường một nút cảm biến sẽ bao 12 gồm những thành phần như: Bộ phận thu phát sóng, bộ xử lý, bộ nhớ, một hoặc nhiều đơn vị cảm biến và bộ nguồn. [1] Hình 2-1 Cấu tạo của một nút cảm biến Bộ xử lý: Có nhiệm vụ lập lịch cho các tác vụ, xử lý dữ liệu và điều khiển các thành phần khác.
Các kiểu bộ xử lý có thể được sử dụng trong WSN: Microcontroller, Digital Signal Processor, FPGA (Field Program Gate Array),. Trong đó Microcontroller được sử dụng nhiều hơn cả. Ví dụ như cảm biến Mica2 Mote sử dụng bộ xử lý ATMega 128L microcontroller. Bộ thu phát tín hiệu: Chịu trách nhiệm cho việc thu phát tín hiệu không dây.
Có thể sử dụng sóng Radio, Laser hoặc hồng ngoại. Sóng Radio được sử dụng phổ biến hơn cả vì nó phù hợp với yêu cầu của hầu hết ứng dụng trong WSN. Bộ thu phát tín hiệu có các trạng thái như: Transmit, Receive, Idle và Sleep. Bộ nhớ: Bao gồm các chip nhớ flash và RAM của bộ vi xử lý.
Có thể có cả các thẻ nhớ ngoài. Ví dụ chip ATMega 128L microcontroller của Mica 2 Mote sử dụng 128 Kbyte bộ nhớ trong và 4 Kbyte RAM. Bộ nguồn: Trong một nút cảm biến, các hoạt động như cảm ứng, xử lý và truyền dữ liệu đều tiêu thụ năng lượng. Trong đó việc truyền dữ liệu tiêu thụ nhiều năng lượng hơn so với các hoạt động khác.
Pin là nguồn năng lượng chủ yếu được sử dụng trong các bộ nguồn của cảm biến. Ví dụ cảm biến Mica2 Mote sử dụng 2 viên pin AA. Vì nguồn năng lượng bị giới hạn việc tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến đang là mục tiêu quan tâm hàng đầu trong hoạt động của các WSN. Đã có rất nhiều nghiên cứu và đề xuất cải tiến nhằm tăng cường thời lượng pin của các 13 nút cảm biến.
Người ta cũng tính toán đến việc sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên như ánh sáng mặt trời cho các nút cảm biến. Nút cảm biến: Là một thiết bị phần cứng có nhiệm vụ đo các thông số vật lý ở môi trường xung quanh nó như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm,. Dữ liệu tương tự được cảm ứng bởi các cảm biến và được số hóa bằng bộ ADC sau đó được gửi cho bộ xử lý để thực hiện các tác vụ tiếp theo. Các cảm biến là các thiết bị vi điện tử vì vậy chúng có kích thước nhỏ và tiêu thụ rất ít năng lượng.
Có thể có một hoặc nhiều loại cảm biến gắn trên một nút cảm biến.2 Hệ điều hành của các nút cảm biến Hệ điều hành là một môi trường để các chương trình ứng dụng thực hiện công việc của mình một cách đơn giản và hiệu quả mà không phải giao tiếp với phần cứng. Trong WSN vai trò của hệ điều hành đơn giản hơn so với các hệ điều hành thông thường. Lí do là bởi các giới hạn về mặt phần cứng của thiết bị cũng như các yêu cầu ít phức tạp của các ứng dụng. TinyOS là hệ điều hành đầu tiên được thiết kế dành cho hệ thống WSNs hay cụ thể hơn là dành cho các nút mạng.
Các thư viện bên trong TinyOS bao gồm: các bộ giao thức mạng, các dịch vụ phân tán, trình điều khiển thiết bị và công cụ thu thập dữ liệu. Không giống như hầu hết các hệ điều hành khác có khả năng chạy đa nhiệm TinyOS được phát triển theo mô hình lập trình hướng sự kiện. Cả TinyOS và các chương trình ứng dụng được viết cho TinyOS đều sử dụng một loại ngôn ngữ lập trình đặc biệt có tên gọi là nesC – một phiên bản mở rộng của ngôn ngữ lập trình C. Ngày nay TinyOS đã được biết đến và sử dụng rộng rãi trong rất nhiều nền tảng cảm biến khác nhau.
Bởi đặc tính mã nguồn mở của nó, cộng đồng sử dụng TinyOS cũng phát triển mạnh mẽ với hàng trăm nhóm nghiên cứu lớn nhỏ. Một đại diện khác của các hệ điều hành dành cho WSN có tên gọi là Contiki. Contiki cũng sử dụng cấu trúc kernel hướng sự kiện như TinyOS tuy nhiên hệ điều hành này cũng hỗ trợ đa nhiệm với một số ứng dụng cơ bản.
