Chương 1: Cơ sở lý thuyết. Trình bày kiến thức tổng quan về mạng cảm biến, cây tổng hợp dữ liệu, các bài toán định tuyến và tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến. • Chương 2: Giải thuật đề xuất. Giới thiệu về mô hình bài toán & thuật toán tiến hóa và thuật toán tiến hóa đa nhiệm.
Trình bày về thuật toán tiến hoá đa nhiệm giải quyết bài toán cây tổng hợp dữ liệu với tổng năng lượng nhỏ nhất. Trình bày chi tiết về giải thuật, các chiến lược mã hoá và lai ghép, …vv sử dụng trong thuật toán. • Chương 3: Kết quả thực nghiệm. Tổng hợp kết quả thực nghiệm của giải thuật đề xuất với các phương pháp tiếp cận dựa trên cây đường đi ngắn nhất và giải thuật di truyền đơn nhiệm.1 Tổng quan về mạng cảm biến Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây.
Chúng phối hợp với nhau để thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu với quy mô lớn. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với bên ngoài (mạng công cộng như Internet hay vệ tinh) thông qua một nút thu phát (Sink). 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; thu thập thông tin môi trường; giám sát sức khỏe cho bệnh nhân trong y tế,. [5] Thế mạnh của mạng cảm biến đó là sự linh hoạt nên có thể triển khai ở những khu vực đặc biệt mà các thiết bị có dây khó tiếp cận.
Ngoài ra, mạng cảm biến không dây còn có nhưng đặc điểm nổi bật như sau [5]: Kích thước vật lý nhỏ gọn Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường được thiết kế nhỏ gọn và tiện dụng. Vì kích thước thiết bị tỉ lệ nghịch với tốc độ xử lý, giới hạn lưu trữ và thời gian hoạt động nên mạng cảm biến cần được phát triển và thiết kế sao cho hợp lý và hài hòa nhất. Với công nghệ tiên tiến bây giờ các thiết bị trong mạng cảm biến không dây cũng khá đủ cho nhu cầu của người dùng: kích thước bé, năng lượng tiêu thu thấp, tốc độ nhanh,… Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Một mạng cảm biến không dây có thể cần động liên tục và chính xác cao trong thời gian dài, tùy vào nhu cầu sử dụng. Ví dụ như việc giám sát sức khỏe người bệnh trong y tế, người bệnh phải được theo dõi thường xuyên và liên tục.
Điều này đến chủ yếu từ thiết kế phần cứng của mạng cảm biến, tuy nhiên đôi khi thiết kế phần mềm hợp lý cũng đem lại những hiệu quả bất ngờ. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Hiện nay có rất nhiều thiết bị cảm biến được dành riêng cho một số lĩnh vực nhất định: những hệ thống được thiết kế cho những công việc đặc thù như đo lượng dầu trong nước hay đo nồng độ khí CO2 trong không khí. Những nhóm phát triển mạng cảm biến không dây đưa ra những giải pháp thích hợp là xây dựng một nền tảng 13 chung có thể kết hợp nhiều thiết bị lại với nhau. Chúng sử dụng phần mềm linh hoạt để có thể thích ứng với phần cứng riêng nhằm đem lại hiệu quả công việc.
Hoạt động tin cậy Đối với những lĩnh vực đặc biệt (y tế, …) những thông tin dữ liệu mà mạng cảm biến mang lại rất quan trọng và cấp thiết. Hiện nay khoa học công nghệ phát triển đã thiết kế ra những thiết bị cảm biến có độ tin cây cao và cung cấp thông tin nhanh chóng [5]. Như tính linh hoạt đã nêu ở trên, việc sử dụng phần mềm thích hợp cũng sẽ mang lại cho mạng tính hiệu quả và độ tin cậy thông tin cao. Trong thực tế, có nhiều yếu tố mang lại sự tin cậy cho mạng cảm biến không dây cũng như có nhiều yếu tố bên ngoài gây ra việc giảm độ tin cậy.
Trong mỗi trường hợp, con người có thể đưa ra những giải pháp hợp lý để mang lại tính tin cậy cao nhất.1 Cấu trúc của mạng cảm biến Một mạng cảm biến không dây thường có số lượng lớn các nút được phủ trong một vùng mà chúng ta muốn thăm dò hay thu thập thông tin dữ liệu. Do có sự gắn kết trong mạng nên các nút có thể tùy chỉnh vị trí sao cho phù hợp với địa hình cũng như yêu cầu người dùng. Với khả năng mở rộng cho nên mạng cảm biến không dây có thể tiếp cận những khu vực nguy hiểm hoặc địa hình đặc thù. Khả năng liên kết cũng như công tác làm việc chính là đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến không dây.
Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết thường được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền thông đơn liên kết [6]) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách xa. 14 Hình 1-1 Mạng cảm biến không dây trong thực tế[7] Cấu trúc cơ bản của một mạng cảm biến không dây được thể hiện trên Hình 1-1. Mỗi nút cảm biến được sắp đặt trong mạng có khả năng thu thập thông tin dữ liệu và định tuyến gói tin về nút chủ là bộ thu nhận (Sink, Base station).Dữ liệu này được chuyển tới người dùng (User) qua internet hoặc một môi trường khác. Nút Sink có thể quản lý việc định tuyến giúp các nút cảm biến truyền gói tin theo mong muốn.
Số liệu được nút Sink nhận về thường không có một định dạng cụ thể, có thể tùy chỉnh sao cho phù hợp với mục đính của người sử dụng. Hình 1-2 Kiến trúc của 1 nút cảm biến [7] Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: hệ thống cảm biến, bộ xử lý, bộ phận lưu trữ nếu cần, thiết bị thu phát không dây và nguồn năng lượng. Tùy theo nhu cầu người dùng nên có những nút cảm biến còn được gắn thêm các thiết bị như hệ thống định vị, hệ thống năng lượng mặt trời, … Các thành phần cơ bản trong một nút cảm biến được thể hiện ở Hình 1-2: Hệ thống cảm biến bao gồm các đầu đo Sensor và một bộ chuyển đổi tương tự số ADC. Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, những 15 tín hiệu số được đưa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý thường được gắn thêm một bộ nhớ nhỏ, nhằm xử lý tín hiệu số và truyền dữ liệu cho thiết bị thu phát không dây. Ở đây bộ xử lý có thể tiến hành định dạng gói tin cũng như định tuyến cho thiết bị không dây. Thiết bị không dây có nhiệm vụ thu phát các thông tin dữ liệu giữa các nút cảm biến với nhau.2 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây Hình 1-3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây [7] Kiến trúc giao thức được sử dụng trong nút chủ (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên Hình 1-3. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane).
Kiến trúc gồm ba mặt phẳng quản lý là: Mặt phẳng quản lý nguồn, mặt phẳng quản lý tính di động, mặt phẳng quản lý tác vụ. Mặt phẳng quản lý nguồn Mặt phẳng quản lý nguồn quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ: một nút cảm biến có thể bật hoặc tắt bộ thu nhận sau khi nhận được một gói tin. Các nút cảm biến có thể broadcast đến các nút bên cạnh rằng mình không đủ năng lượng để thực hiện công việc được nữa.
Mặt phẳng quản lý tính di động Có nhiệm vụ quản lý tính di động của nút. Có thể phát hiện các nút bên cạnh và thông báo vị trí của nó cho các nút đó. 16 Mặt phẳng quản lý tác vụ Làm nhiệm vụ sắp xếp các công việc giữa các nút trong vùng liên quan. • Tầng vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu.
Trong mạng cảm biến thì băng tần sử dụng nhiều nhất là ISM 915 MHZ. • Tầng liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ liên kết dữ liệu, phát hiện dữ liệu hay các frame dữ liệu cần thiết. Vì một mạng cảm biến thường nhận được nhiều tín hiệu tạp âm nên 1 trong các nhiệm vụ của lớp này là lọc nhiễu. • Tầng mạng: Lớp mạng được thiết kế dùng để phân biệt các mạng cảm biến khác nhau.
Trong lớp này có nhưng số liệu mà người dùng cài đặt để xây dựng một mạng cảm biến riêng cho mình. • Tầng truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống được thiết kế cho việc truy cập qua internet hoặc mạng bên ngoài. • Tầng ứng dụng: Tùy theo nhiệm vụ của cảm biến, các loại ứng dụng, phần mềm khác nhau được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng này.3 Ứng dụng của mạng cảm biến Mạng cảm biến ngày càng trở nên phổ biến và có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống hiện nay. Một số ứng dụng phổ biến có thể kể đến như: Giám sát và điều khiển công nghiệp Hiện nay với nền công nghiệp phát triền, rất nhiều lĩnh vực cần đến sự tự động hóa.
Có những công việc phải điều khiển từ xa, hoặc vì lý do sức khỏe mà con người không thể lại gần: những khu vực nguy hiểm cần phải giám sát thường xuyên như hầm mỏ, khu sản xuất vật liệu nguy hiểm, khu vực thử nghiệm thuốc súng thuốc nổ. Do đó, mạng cảm biến không dây có thể đem lại nguồn thu lớn lao cho con người, giảm thiểu khả năng tai nạn ảnh hưởng sức khỏe người lao động. Một ví dụ đơn gian và dễ thấy là hệ thống phòng cháy chữa cháy trong công ty. Chúng thường bao gồm một cảm biến nhiệt độ và cảm biến khói trong phòng.
Khi phát hiện ra cháy hệ thống sẽ tự động phun nước dập lửa. Tự động hoá gia đình và điện dân dụng 17 Hình 1-4 Ứng dụng smarthouse [8] Hiện nay nhà thông minh (SmartHouse) không còn xa lạ đối với chúng ta. Hệ thống nhà thông minh bao gồm một hoặc nhiều mạng cảm biến khác nhau, phục vụ rất nhiều công việc cho con người.