CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY I. Mạng cảm biến không dây là gì? 1. Khái niệm Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSNs) là một mạng tập hợp các thiết bị giao tiếp thông tin thu thập được từ hiện trường được giám sát thông qua các liên kết không dây, sóng vô tuyến. WSN bao gồm các trạm gốc và các nút.
Các nút thường là các cảm biến không dây (wireless sensors), có thiết kế nhỏ gọn, được phân bố với số lượng lớn trên phạm vị rộng. Các nút này được sử dụng để theo dõi các điều kiện vật lý hoặc môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động hoặc các chất ô nhiễm và hợp tác truyền dữ liệu của chúng qua mạng tới trạm thu phát (Sink) hoặc trạm gốc nơi dữ liệu có thể được quan sát và phân tích. Một Sink hoặc trạm gốc hoạt động giống như một giao diện giữa người dùng và mạng. Có thể lấy thông tin cần thiết từ mạng bằng cách đưa vào các truy vấn và thu thập kết quả từ Sink.
Kích thước vật lý nhỏ gọn Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 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 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. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế 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). 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. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng 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 6 Internet và giao thức Nhóm 3 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.
Hoạt động tin cậy 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. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến. 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).
Tuỳ theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 7 Internet và giao thức Nhóm 3 II.
Cấu trúc của một nút cảm biến không dây 1. Phần cứng Hình 1.2 Nút mạng thuộc họ Mica Mote Vi xử lý là thiết bị quan trọng nhất trong nút mạng cảm nhận không dây, thực hiện thu thập dữ liệu từ các nút, sau đó xử lý trước khi gửi đi, và nhận dữ liệu từ các nút khác. Nguyên nhân nó được lựa chọn trong các hệ thống nhúng là mềm dẻo trong kết nối với các thiết bị khác như thiết bị cảm biến, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ khả năng chuyển sang chế độ ngủ khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển hoạt động, hơn nữa thường có bộ nhớ tích hợp ngay trên bộ vi xử lý. Một đặc điểm rất được người lập trình yêu thích là khả năng lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao (C, C++).
Bởi vậy khi xây dựng nút mạng việc xem xét hiệu suất của vi xử lý, hiệu quả năng lượng và giá thành là rất quan trọng. 8 Internet và giao thức Nhóm 3 a. Bộ nhớ Được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu từ các nút cảm biến, hoặc gói dữ liệu từ các nút khác, có 2 loại kiến trúc bộ nhớ là: kiến trúc Havard và kiến trúc Von Newman, điểm khác nhau của 2 kiến trúc này là trong kiến trúc Havard thì bộ nhớ dữ liệu và chương trình tách biệt nhau khi đó dữ liệu thường được chứa trong RAM còn chương trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ FLASH, còn trong kiến trúc Von Newman thì dữ liệu và chương trình được lưu cùng với nhau, thường là trên RAM, nhược điểm của nó là dữ liệu sẽ bị mất khi tắt nguồn, bởi vậy chương trình hoặc hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM, hoặc bộ nhớ flash (gần tương tự như EEPROM). Yêu cầu kích thước bộ nhớ và năng lượng tiêu thụ tương ứng với yêu cầu về dữ liệu của ứng dụng của nút mạng.
Thiết bị giao tiếp Là thiết bị được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các nút đơn với nhau, trong đó môi trường không dây là được ưa dùng hơn cả, đó có thể là sóng vô tuyến, truyền thông quang, sóng siêu âm, từ trường cũng được sử dụng trong một vài ứng dụng đặc biệt. Trong đó sóng vô tuyến cung cấp dải thông lớn với tốc độ dữ liệu cao là phù hợp nhất cho hầu hết các ứng dụng của mạng không dây. Trong đó các nút yêu cầu cả chức năng nhận và truyền dữ liệu (điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc, trộn .) sau đó chuyển luồng bit, byte hoặc khung thành sóng vô tuyến, thông thường 2 thiết bị này thường được kết hợp thành một thiết bị duy nhất, bởi vậy thường thì tại một thời điểm không thể thực hiện đồng thời vừa truyền vừa nhận dữ liệu, mà truyền và nhận sẽ được luân phiên nhau được điều khiển bởi hệ điều hành nhúng. Khi lựa chọn thiết bị truyền nhận cần lưu ý vài đặc điểm sau: • Khả năng phục vụ cho lớp trên (MAC), cho phép lớp này điều khiển gói dữ liệu • Tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng hiệu quả do năng lượng tiêu thụ nhiều nhất trong nút mạng là do việc truyền nhận vô tuyến.
• Tần số sóng mang và đa kênh truyền trong truyền nhận phải phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. • Tốc độ dữ liệu tương ứng với tần số sóng mang và băng tần cùng với việc điều chế và mã hóa dữ liệu, tốc độ này có thể thay đổi bằng điều chế hoặc thay đổi tốc độ của ký tự. • Điều chế và mã hóa c. Cảm biến Có rất nhiều loại cảm biến, tùy vào loại ứng dụng trong mạng cảm nhận mà ta có các cảm biến tương ứng, thường là dựa vào kiểu hoạt động của cảm biến, tích cực- thụ động, phạm vi giám sát.
năng lượng tiêu thụ, giá thành và kích thước. Thường thì việc lựa chọn cảm biến không phức tạp như bộ nhớ và vi xử lý. Nguồn nuôi Là thành phần cốt yếu của mạng cảm nhận, trong đó 2 vấn đề cần quan tâm là khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng, và khả năng thay thế nguồn. Thường thì nguồn ở đây thường là pin, và khả năng thay thế trong nút mạng là không thế do địa hình triển khai và số nút mạng lớn, do vậy phải chọn nguồn ổn định có khả năng hoạt động phù hợp với yêu cầu của ứng dụng và môi trường hoạt động.
9 Internet và giao thức Nhóm 3 2. Phần mềm Hệ điều hành nhúng, điều khiển và bảo vệ truy cập tài nguyên và quản lý cho phép người dùng cũng như hỗ trợ thi hành xử lý và giao tiếp giữa các quá trình.