Mở đầu. Tổng quan công nghệ WSNs. Giới thiệu và tổng quan của mạng cảm biến không dây(WSN) .1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến .2 Miêu tả cơ bản về kỹ thuật.1 Khái niệm kiến trúc mạng .2 Thử thách và khó khăn .Ứng dụng của WSN .3 Phạm vi của các ứng dụng .Kĩ thuật mạng không dây cơ bản .2 Kỹ thuật node cảm biến .2 Hardware và Software .3 Phân loại sensor .4 Các xu hướng của WN. Các hệ thống và kỹ thuật truyền không dây.2 Công nghệ rađiô cơ bản .1 Sự lan Truyền và những sự suy giảm lan truyền .3 Kỹ thuật không dây sẵn có.
Giao thức kiểm soát truy nhập trung gian cho WSNs .3 Nền tảng của giao thức Mac .1 Các yêu cầu thực hiện .2 Các giao thức phổ biến.4 Giao thức Mac cho WSNs. Giao thức định tuyến trong WSN. Giao thức Định tuyến cho các mạng cảm biến không dây.3 Phổ biến và thu thập dữ liệu .4 Thách thức định tuyến và các vấn đề thiết kế trong mạng WSNs .1 Quy mô và sự thay đổi Thời gian - Đặc điểm bất biến .2 Sự giới hạn resource .3 Mô hình dữ liệu - Ứng dụng cảm ứng .5 Kế hoạch định tuyến trong mạng cảm biến không dây .1 Kỹ thuật định tuyến WSN .2 Flooding và sự biến đổi .3 Giao thức cảm biến thông tin thông qua đàm phán SPIN .4 Phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (Leach) .5 Thu thập Năng lượng -Hiệu quả trong HT thông tin cảm biến .6 Khuếch tán trực tiếp.7 Định tuyến địa lý. Chương trình mô phỏng giao thức chọn đường Leach .106 Tài liệu tham khảo.
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs I. Giới thiệu và tổng quan của mạng cảm biến không dây(WSN) 1.1 Giới thiệu Một mạng cảm biến là một thành phần mà bao gồm có yếu tố cảm biến (theo tiêu chuẩn), điện toán, viễn thông, cái mà đưa cho người quản lý có khả năng cung cấp, quan sát tương tác với các sự vật và hiện tượng trong một môi trường chuyên biệt. Các nhà quản lý khác nhau là trong các lĩnh vực xây dựng, chính phủ, thương mại, công nghiệp. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học or là kết cấu IT.
Các hệ thống cảm biến mạng được nhìn bởi các nhà quan sát như là một kỹ thuật rất quan trọng cái mà sẽ là phát triển chủ đạo trong một vài năm tới cho một plethora của các ứng dụng, mà còn là ăn ninh quốc gia. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm , không bị giới hạn trong việc thu thập dữ liệu, điều chỉnh, giám sát, và đo lường y học từ xa. Thêm vào việc cảm biến, một điều rất đáng được quan tâm khác là điều khiển và hoạt động. Có bốn thành phần cơ bản trong mạng cảm biến : - Việc lắp ráp của các cảm biến được lắp đặt và phân bố.
- Một mạng kết nối (thông thường, không phải luôn luôn với cơ sở mạng không dây) - Một trung tâm tiêu điểm của chùm thông tin - Thiết lập nguồn tại trung tâm điểm (hoặc ở trên) để xử lý các tín hiệu liên kết, tiên lượng các biến cố, truy vấn các trạng thái, khai thác những dữ liệu. Trong nội dung này, các nút tính và cảm biến được coi như là một phần của mạng cảm biến, trong thực tế một vàì tính tính được thực hiện trong chính hệ thống của nó. Bởi vì do số lượng lớn các dữ liệu tiềm năng được thu thập, 1.1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến - Những nhà nghiên cứu xem WSNs(mạng cảm biến không dây) như là một lĩnh vực mới mẻ và thú vị trong những hệ thống mạng lớn của các nút mạng không dây có công suất thấp với một lượng rất ít CPU và bộ nhớ, và những mạng kết hợp lớn mà có độ nhạy cao với môi trường. Những cảm biến trong một WSN được sử dụng với rất nhiều mục đích, chức năng và khả năng khác nhau.
Lĩnh vực này hiện nay đang rất phát triển dưới sự thúc đẩy của các tiến bộ kỹ thuật trong thời gian gần đây và kéo theo nó là vô vàn các ứng dụng tiềm năng. Mạng radar được sử dụng trong việc điều khiển không lưu, mạng điện quốc gia, và các trạm khí tượng quốc gia được phủ khắp mạng các điểm đã được sắp đặt một cách có hệ thống, tất cả đều là những ví dụ trước đây của việc triển khai mạng cảm biến. Tuy nhiên, tất cả những hệ thống này sử dụng các máy tính và giao thức truyền thông chuyên dụng, rất đắt đỏ. Hiện nay đang có kế hoạch ứng dụng những WSN tiết kiệm hơn vào an toàn vật lý, chăm sóc sức khoẻ và thương mại.
Mạng cảm biến mà một lĩnh vực đa diện mà có liên quan tới các ngành khác, trong số đó có thể kể tới, vô tuyến điện và mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo, quản lý dữ liệu, cấu trúc hệ thống cho việc quản lý kết cấu cơ sở thân thiện với với người điều hanh, tối ưu hoá tài nguyên, thuật toán quản lý công suất, và công nghệ nền tảng( phần cứng và phần mềm, chẳng hạn như hệ điều hành). - Công nghệ cảm biến và điều khiến gồm có các cảm biến từ trường và điện trượng, các cảm biến tần số sóng vô tuyến, cảm biến quang, điện quang và hồng ngoại; rada, lase, cảm biến vị trí/ hướng; cảm biến địa chấn và sóng áp suất; cảm biến liên quan tới các vấn đề về an ninh quốc gia. Chúng ta có thể xem cảm biến ngày nay như các thiết bị thông minh, không đắt tiền được lắp đặt kèm trên các thiết bị cảm biến; chúng là các điểm nút đa chức năng, không ràng buộc, công suất thấp, giá thành rẻ và được đặt một cách hợp lý trên một điểm nút chìm chính. Một mục tiêu mang tính thương mại là phát triển hoàn thiện những hệ thống cơ học vi điện - dựa trên hệ các cảm biến chiếm dung tích là 1mm3.
- Các cảm biến được phát triển chủ yếu theo lối mật độ tập trung cao và số lượng lớn; một WSN gồm có các nút phân bộ dày đặc và có hố trợ cảm biến, xử lý tín hiệu, hệ thống tính toán nhúng, và các ghép nối; các cảm biến được liên kết theo một cách lô gíc theo kiểu tự tổ chức( các cảm biến được bố trí theo chặng ngắn điểm điểm, sắp xếp theo cặp chủ tớ cũng được chú ý). Kết quả là cần phải có các phương pháp thiết kế mới cùng với một tập các luật đi kèm, nhưng không bị giới hạn, việc truyền thông tin, vấn đề mạng và quản lý điều hành, bảo mật, tích hợp, tính khả dụng và xử trong mạng cục bộ. Trong một vài trường hợp, hiện vẫn đang còn một vài thách thức trong vân đề thu thập dữ liệu từ WNs bởi vì sự kết tới và đi từ WNs có thể bị đứt đoạn vì trạng thái pin yếu (ví dụ, nếu chúng phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời để nạp điện) hoặc các hỏng hóc Wn khác. Thông thường, một số rất lớn các đơn vị khách (64k trở lên) cần được hỗ trợ bởi hệ và bộ máy giải mã.
Bề rộng của cảm biến tuân theo độ lớn về kích cỡ vật lý; chúng (hoặc, ít ra là một vài thành phần của nó) có độ rộng từ các thiết bị cỡ nano tới cỡ meoscopic tại một điểm, từ kích cỡ micro tới marco tại một điểm khác. Nanoscopic( cũng được gọi là kích cỡ nano) chỉ đối tượng hoặc thiết bị có kích cỡ từ 1 tới 100mm về đường kính; kích cỡ meoscopic là từ 10 đến 1000µm về đường kính; và kích cỡ macrcoscopic là trong phạm vi mm tới m. Ở mức gần cuối của thang đo tìm được trong các thang đo khác, các cảm biến sinh học, vi cảm biến bị động nhỏ (ví dụ như Smart Dust - một hệ thống truyền thông, tính toán và cảm biến độc lập sử dụng quang phổ nhìn thấy được để truyền dẫn) và tập hợp "lab-on-a-chip". - Các cảm biến có thể là các thành phần điểm đơn hoặc có thể là các dãy dò đa điểm.
Các cảm biến có thể là bị động hoặc tự cấp năng lượng; xa hơn là chuỗi tiêu thụ năng lượng, một vài cảm biến có thể yêu cầu năng lượng tương đối thấp từ pin hoặc đường dẫn. Ở điểm cao cuối của chuỗi tiêu thụ năng lượng, một vài cảm biến có thể cần năng lượng rất lớn. - Các cảm biến tạo điều kiện cho việc trang bị và điều khiển các nhà máy, văn phòng, nhà, phương tiện, thành phố và môi trường, đặc biệt là làm cho các công nghệ có sẵn trở nên khả dụng. Với công nghệ mạng cảm biến (đặc biệt là với mạng cảm bíên nhúng), các con thuyền, máy bay, và các toà nhà có thể tự dò ra được các lỗi về cấu trúc (ví dụ các vết nứt do việc giảm sức chịu lực).
- Chúng ta nhấn mạnh vào sự nổi bật của những tiêu chuẩn mở hỗ trợ cho WSNs; việc tiêu chuẩn hoá đưa tới sự thương mại hoá công nghệ, cuối cùng thì nếu để một phát kiến mới trở thành một công nghệ phổ biến, các tiêu chuẩn mở ở mức thương mại hoá, chipsets, và các sản phẩm là cần thiết để mà đáp ứng dịch vụ thương mại và các đáp ứng về mức hoạt động theo quan điêm về tính tin cậy, giá cả, tính khả dụng, độ bền, và tính đơn giản. Sau đây là mẫu phân loại về các chủ đề nghiên cứu bằng tần suất công bố dựa trên qui mô của nó về các tiêu đề khoa học WSN gần đây. - Phân phối, bố trí 9.27% - Xác định vị trí 6.06% - Tập hợp dữ liệu 6.06% - Định tuyển và tổng hợp 5.76% - Giao thức MAC 4.85% - Truy vấn và cơ sở dữ liệu 4.24% - Đồng bộ hoá thời gian 3.33% - Tối ưu hoá thời gian sống 3.73% - Thuật toán phân tán 2.73% - Định tuyến theo nguồn tài nguyên 2.42% - Phần sụn(middleware) và phân chia tác vụ 2.12% - Radio không dây và đặc tính kết nối 2.12% - Định tuyến phương vị 1.52% - Các kỹ thuật lớp kết nối 1.21% - Điều khiển cấu trúc liên kết 1.21% - Các điểm nút di động 1.21% - Dò và ước lượng 1.21% - Hiện tượng khuếch tán 0.91% - Lập trình 0.91% - Điều khiển công suất 0.61% - Tự định tuyến 0.30% - Để đánh giá tầm quan trọng và mức độ rủi ro của các tiêu chuẩn simplicity- fostering trong việc tạo ra công nghệ có tính thực tế rộng, một là chỉ cần nghiên cứu sự phát triển của hệ thống truy cập ngẫu nhiên không dây từ cuối thập niên 60 cho tới hệ thống LANs và WLAN/2.