Chương 1: Tông quan về mạng GVHD: TS. Hồ Văn Khương cảm biên vô tuyên rằng năng lượng trong bộ nguồn của một node cảm biến thường rất hạn chế do kích thước của một node cảm biến thường là nhỏ. Do đó, để tăng thời gian sống của một node người ta thường sử dụng thêm thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tắm pin năng lượng mặt trời. Và để các node có thể định tuyến trong mạng đòi hỏi cần phải có hệ thống tìm vị trí.
Ngoài ra trong một số mạng cảm biến được thiết kế cho những mục đích đặc biệt thì cần có thêm thiết bị di động để các node có thể di chuyển được. Dn ee ee me me ee em 4 el Hình 1.2: Các thành phân của một node cảm biến 1.3 Các đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến vô tuyến © Tốc độ truyền dữ liệu thấp Đặc tính truyền thông trong mạng cảm biến vô tuyến là tốc độ truyền tải dữ liệu thấp nếu so sánh với tốc độ truyền của các modem qua đường dây điện thoại. Đối với các mạng WSN ban đầu thì người ta sử dụng họ các chuẩn IEEE 802.11 để truyền tải dữ liệu. Tuy nhiên hiện nay trong giải pháp mạng cảm biến không dây dùng trong thương mại và trong các trường đại học người ta chủ yếu — ———— HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -8- Chuong 1: Tông quan về mạng GVHD: TS.
Hồ Văn Khương cảm biên vô tuyên str dung chuan IEEE 802. Đây là chuẩn dùng trong mạng WPAN tốc độ thấp. Chuẩn này được dùng trong các sản phẩm đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS. e Kích thước vật lý phải nhỏ Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu thụ luôn chỉ phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở.
Việc thiết kế phần cứng cho các mạng cảm biến không dây phải chú trọng đến việc thu nhỏ kích cỡ và công suất tiêu thụ phù hợp với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động của một node. e_ Hoạt động đông thời với độ tập trung cao Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng WSN là cảm biến và truyền tải thông tin tốc độ thấp. Thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng. Hoặc node cảm biến có thể nhận dữ liệu từ các node cảm biến khác.
Do đó, các node trong mạng WSN thường phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần nhiều thời gian xử lý. e_ Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển đơn giản Đối với các hệ thống thông thường, bộ vi xử lý kết nối với các thành phần khác băng một cấu trúc bus phức tạp. Còn đối với các node trong mạng WSN cau trúc bus liên kết giữa bộ vị xử lý và các thành phần khác như bộ cảm biến hay bộ truyền động (actuator) thường đơn giản và có kết nối trực tiếp. e Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Các thiết bị trong mạng WSN có khuynh hướng dành riêng cho một ứng dụng cụ thể, tức là phần cứng được thiết kế riêng cho ứng dụng đó.
Vì mạng cảm a HVTH: Nguyén Ngoc Vii -9- Chương 1: Tổng quan về mạng GVHD: TS. Hồ Văn Khương cảm biến vô tuyến biến có rất nhiều ứng dụng do đó có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác các thiết bị có nhau. Do đó cần có một môi trường phát triển chung để cho phép nhiều ứng dụng khác nhau mà không cần giao diện phức tạp.4 Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến vô tuyến 1. Bộ giao thức sử dụng ở các node cảm biến được minh họa trong Hình và năng Bộ giao thức này đảm bảo việc phối hợp các tính toán về định tuyến lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, đảm bảo việc truyền tin hiệu quả hợp tác giữa về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự các node cảm biến.
Bộ giao thức chia theo lớp gôm có: ứng - Lớp ứng dụng (Application Layer): bao gồm các kiểu phần mềm dụng dùng riêng cho nhiệm vụ của mạng WSN. trì - Lớp giao vận (Transport Layer): nhiệm vụ của lớp này là giúp duy luồng dữ liệu khi lớp ứng dụng yêu cầu. tuyến - Lớp mạng (Network Layer): nhiệm vụ của lớp này là giúp định luồng dữ liệu mà lớp giao vận cung cấp. đụng - Lớp liên kết dữ liệu (Datalink Layer): lớp này giúp giảm thiểu sự độ trong việc phát quảng bá giữa các node.
và - Lớp vật lý (Physical Layer): bao gồm các kỹ thuật điều chế để truyền nhận dữ liệu. Bộ giao thức chia theo mặt phẳng gồm có: một - Mặt phẳng quản lý nguồn (Power Management Plane): quản lý việc biến có node cảm biến sử dụng năng lượng của nó như thế nào. Ví dụ, node cảm các thẻ tắt bộ phận xử lý dữ liệu nhận sau khi nhận được bản tin từ một trong Ngoài node lân cận. Điều này có thể tránh được việc nhận các bản tin trùng lặp.
——= ———— HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -10- I | Chuong 1: Tổng quan về mạng GVHD: TS. Hồ Văn Khương cảm biên vô tuyên ra khi mức năng lượng của một node cảm biến gần cạn kiệt, node cảm biến sẽ thông báo tới các node lân cận rằng mức năng lượng của nó đã gần hết nên không thể tham gia tiếp vào quá trình định tuyến các bản tin. - Mặt phăng quản lý tính di động (Mobility Management Plane): giúp dò tìm và ghi lại chuyền động của node cảm biến đảm bảo một node luôn có thể định tuyên được tới các node khác lân cận. - Mặt phăng quản lý đa tác vụ (Task Management Plane): giúp cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể.
Trong thực tế không phải tất cả các node trong cùng một vùng thực hiện nhiệm vụ như nhau mà kết quả là trong vùng đó sẽ có một số node hoạt động nhiều hơn các node khác tùy theo mức năng lượng của chúng.) #ịx== Lop= ung dung S| Se "me (JQ (JQ ¬ <. |3 lu Lop giao van a°| 5 | 3 yo _ 2a |S|*= Lớp mạng 3. = Ô Sle] 3 Lớp liên ket sô liệu ä |8 L„, > 93 Lop vat ly Hinh 1.3: Ngan xép giao thirc trong mang WSN Việc đưa ra các mặt phăng quan lý này là rất cần thiết để đảm bảo các node cảm biến có thể hợp tác với nhau trong toàn mạng WSN một cách có hiệu rl HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -11- Chương |: Tổng quan về mạng GVHD: TS. Hồ Văn Khương cảm biên vô tuyên quả về mặt năng lượng, cũng như có thể định tuyến số liệu trong mạng và chia sẽ tài nguyên giữa các node cảm biên với nhau.5 Các ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến e_ Giúp theo dõi tình trạng của các kết cấu xây dựng (Structural Health Monitoring) ví dụ như các tòa nhà, cau, duong ham,.
Mục đích của việc này là giúp cảnh báo sớm những bất thường trong các câu trúc này từ đó có thể tránh được thảm họa, tai nạn đáng tiếc do chúng gây ra. Ví dụ Wisden là dự án mạng WSN đầu tiên để theo dõi tình trạng của các câu trúc xây dựng. Các đặc điểm chính của Wisden là: - Định tuyến đa chặng tự cầu hình: xây dựng truyền thông theo dạng cầu trúc hình cây với các trạm cơ sở là các góc. - Chuyển giao dữ liệu tin cậy: Khôi phục mất mát theo từng chặng và giữa điểm đầu với điểm cuối bằng cơ chế NACK ở lớp ứng dụng.
- Đồng bộ dữ liệu: Dễ dàng thực hiện được việc truyền dữ liệu đồng bộ theo thời gian tại trạm cơ Sở. - - Triển khai thuận tiện và linh hoạt. -_ Hỗ trợ việc lấy mẫu dữ liệu cảm biến gia tốc lên tới tần số 200Hz theo 3 trục. Wisden được thực hiện trên các mote MicaZ hoặc Mica2 và nó đã được triển khai, kiểm tra trong cả hai môi trường thực tế là '“Tòa nhà bốn mùa” và “Cấu trúc kiểm tra dư chấn”.
Các kết quả chứng tỏ rằng Wisden có thể truyền đồng bộ theo thời gian các dữ liệu rung động trên một mạng đa chặng và nó có thê bắt được các đáp ứng tân sô chính của một câu trúc. e_ Giúp kiêm soát và điễu khiên giao thông. Ta biết răng trong các thành phố lớn với mật độ giao thông dày đặc thì việc kiểm soát tình trạng giao thông là một công việc hêt sức khó khăn và tôn ————————_—= |————————--------s---——— HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ 13 Chuong 1: Tổng quan về mạng GVHD: TS. Hồ Văn Khương cảm biên vô tuyên ====ễễ=ễễễễỄỄỄỶỄỲỶỲỶỲỶỲỶỲỶỲỶỄừễễễễễ.
Do đó, việc điều tiết được lưu lượng giao thông hợp lý trong các khu vực này không những giúp tiết kiệm nhiều về mặt chi phí xây dựng thêm các tuyến đường mới mà còn giúp tiệt kiệm thời gian lưu thông và giảm thiêu ô nhiễm môi trường. MOSFET | Power | AMR Magnebc ke Oredetchel Antenna Sensor Amolil Channel A Strap Control |« Microcontroller Radio Transmitter (TMS430) Power | MOSFET MOSFET Power | | Temperature Sensor Instrumentation AMR Magnetic : Sensor = Ope a Channel 5 Hình 1.4: Sơ đồ khôi của một node cảm biến trong du an Knaian Năm 2000, trường đại học MIT có đưa ra dự án Knalan nhăm ứng dụng mạng WSN để giám sát, theo dõi tình trạng giao thông trong các thành phó lớn.4 là sơ đồ khối của một node cảm biến trong dự án Knalan. Điểm nổi bật của node cảm biến là sử dụng vi điều khiển TMS430 với ưu điểm là tiêu thụ công suất rất thấp. Cầu tạo một node bao gồm 2 cảm biến từ AMR để phát hiện tốc độ xe cộ bằng cách quan sát sự thay đổi từ trường trong môi trường do xe cộ di `r.z--yờzaờa--ẳẳằẳễmơơợcy-Ỷ-Ỷ-.-rc——=====ỶỶ=—=Ÿ===ỶŸ-Ỷ-.Ỷ-sễỶ-ễỶzỶï HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -13- Chuong 1: Téng quan vé mang GVHD: TS.
Hé Van Khuong cảm biên vô tuyến của tuyết chuyển tạo ra, một cảm biến nhiệt độ dùng để phát hiện sự xuất hiện hay băng đá trên duong. e Chăm sóc sức khỏe Đây là lĩnh vực có nhiều ứng dụng của mạng WSN ví dụ như để giúp theo son, bệnh dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân mắc các chứng bệnh như Parkin do giúp phát tim,. Ngoài ra nó còn giúp giảm chi phí điều trị cho người bệnh hiện sớm các triệu chứng của bệnh. võng mạc Một ứng dụng khác của mạng WSN trong lĩnh vực này là dự án thị.
Hệ thống này nhân tạo (Artificial Retina) dùng để trợ giúp cho người khiếm vật liệu dé bao gồm một vi mạch và một mảng các cảm biến. Vi mạch được phủ được gắn trên chống việc đào thải ra ngoài cơ thể, một bộ dồn kênh với các khóa Ngoài ra nó chip.
