Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh bảo tòa nhà bulding pptx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ TÊN ðỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ƯNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG CẢNH BÁO TÒA NHÀ BULDING. Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thúy Anh Họ và tên: Nguyễn Tuấn Trung Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện tử Mã số: 102 Hà Nội, năm 2011 I NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ðiểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2011 II NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN: ðiểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2011 III MỤC LỤC Trang Thuật ngữ viết tắt Lời nói ñầu CHƯƠNG 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 1.2 Các thành phần của mạng cảm biến 1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 1.3.1 Lớp ứng dụng 1.3.2 Lớp giao vận 1.3.3 Lớp mạng 1.3.4 Lớp liên kết số liệu 1.3.5 Lớp vật lý 1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 1.4.1 Tự ñộng hóa gia ñình và ñiện dân dụng 1.4.2 Cảm biến trong quân sự 1.4.3 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khỏe 1.4.4 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh 1.5 Những hạn chế trong phát triển mạng cảm biến không dây 1.5.1 Năng lượng hạn chế 1.5.2 Giải thông giới hạn 1.5.3 Phần cứng giới hạn 1.5.4 Kết nối mạng không ổn ñịnh 1.5.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên CHƯƠNG 2 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 2.1 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến 2.2 Các mô hình phân bố 2.3 ðiều chế tín hiệu 2.4 Quá trình truyền sóng 2.5 Các công nghệ không dây CHƯƠNG 3 Các giao thức ñiều khiển mạng cảm biến không dây 3.1 Giao thức ñiều khiển truy nhập 3.1.1 Mô hình giao thức WSNs 3.1.2 Giao thức MAC 3.1.2.1 Các thông số 3.1.2.2 Các giao thức chung 3.1.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs 3.2 Giao thức ñịnh tuyến trong WSNs 3.2.1. Các kỹ thuật ñịnh tuyến 3.2.2. Flooding và các biến thể 3.2.3. Giao thức ñịnh tuyến thông tin qua sự thỏa thuận: 3.2.4. Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp (LEACH) 3.2.5. Truyền tin trực tiếp 9 11 11 11 13 15 15 16 16 17 18 18 20 22 23 26 26 26 26 26 27 28 28 31 33 34 36 42 42 42 43 44 46 48 48 50 51 53 57 59 3.2.6. ðịnh tuyến theo vị trí 3.2.7. Kết luận: 60 61 4 3.3. Các giao thức ñiều khiển giao vận cho mạng cảm biến không dây 3.3.1 Các giao thức ñiều khiển giao vận truyền thống 3.3.2 Các giao thức ñiều khiển giao vận ñang tồn tại 61 61 63 3.3.4 ðặc ñiểm của các giao thức ñiều khiển giao vận 3.3.4.1 Sự tắc nghẽn 3.3.4.2 Khôi phục gói bị mất 3.3.5 Kết luận: CHƯƠNG 4 Phần mềm quản lý mạng không dây 4. 1 Hệ ñiều hành cho mạng cảm biến không dây 4.1.1 TinyOS 63 63 65 65 67 67 68 4.1.2 Mate 4.1.3 Magnet OS 4.1.4 Mantis 69 70 70 4.2. Phần mềm cho mạng cảm biến không dây 4.2.1 Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN 4.2.2 Kiến trúc phần mềm 4.2.2.1 Các chức năng liên quan ñến dữ liệu 70 70 71 72 4.2.2.2 Kiến trúc 4.2.2.3 Một số phần mềm ñang sử dụng 4.3. Quản lý mạng cho mạng cảm biến không dây 4.3.1 Các kiểu quản lý mạng truyền thống 4.3.2 Vấn ñề thiết kế quản lý mạng 4.3.3 Các vấn ñề khác 73 73 74 74 75 76 4.4. Quản lý vận hành của mạng cảm biến 4.4.1 Vấn ñề thiết kế cho WSN 4.4.1.1 Giao thức MAC 77 77 77 4.4.1.2 Giao thức ñịnh tuyến 4.4.1.3 Giao thức chuyển vận 4.4.2 Mô hình hóa sự vận hành của WSN 4.4.2.1 Metric 4.4.3 Các mô hình cơ bản: 4.4.4 Các mô hình mạng 4.4.5 Tính toán thời gian sống của hệ thống 78 78 79 79 80 83 85 CHƯƠNG 5 Chuẩn Zigbee/IEEE802.15.4 5.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 5.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 5.2.1 Mô hình ñiều chế tín hiệu của tầng vật lý. 88 88 88 90 5 5.2.1.1 ðiều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz 5.2.1.2 ðiều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz 5.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4 5.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection) 5.2.2.2 Chỉ số chất lượng ñường truyền (LQI) 5.2.2.3 Chỉ số ñánh giá kênh truyền (CCA) 5.3 Tầng ñiều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC 5.3.1 Cấu trúc siêu khung 5.3.1.1 Khung CAP 5.3.1.2 Khung CFP 5.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS) 5.3.2 Thuật toán tránh xung ñột ña truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA. 5.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu 5.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 5.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian ñảm bảo GTS 5.3.6 ðịnh dạng khung tin MAC 5.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 5.4.1 Dịch vụ mạng 5.4.2 Dịch vụ bảo mật 5.5 Các thuật toán ñịnh tuyến của ZigBee/IEEE 802.15.4 5.5.1 Thuật toán ñịnh tuyến theo yêu cầu AODV 5.5.2 Thuật toán hình cây 5.5.2.1 Thuật toán hình cây ñơn nhánh 5.5.2.2 Thuật toán hình cây ña nhánh. CHƯƠNG 6: Ưngs dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà 6.1. Kiến trúc của hệ cảm biến 6.2 Các ứng dụng mạng cảm biến trong gia ñình 6.3 Một số loại cảm biến ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà 6.4 Ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà 90 92 93 93 93 93 93 94 95 96 96 96 99 101 102 102 103 103 103 105 105 107 107 110 114 114 114 118 122 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AODV Ad hoc On - Demand Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad Distance - Vector Routing hoc Carrier Sense Multiple ða truy nhập cảm biến sóng Access mang DAM Distributed Aggregate Management Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector Chuỗi chỉ hướng với ñích tuần tự DSR Dynamic Source Routing Giao thức ñịnh tuyến nguồn ñộng Global Navigation Hệ thống vệ tinh ñiều hướng toàn Satellite System cầu GPS Global Positioning System Hệ thống ñịnh vị toàn cầu HVAC Heating, Ventilation, and Air Conditioning Hơi ấm, thông gió và các ñiều kiện không khí MAC Medium Access Control ðiều khiển truy nhập môi trường NS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2 PDA Personal Digital Assistan Trợ tá số cá nhân RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFM RF Monolithic RKE Remote Keyless Entry ðăng nhập chỉ mục không khoá từ xa SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến và Dissemination Protocol phổ biến số liệu Simulator for Wireless Ad-hoc Networks Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc không dây CSMA GLONASS SQDDP SWAN TADAP Task Assignment and Data Advertisement Protocol Thành phần nguyên khối tần số vô tuyến Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TDMA Time Division Multiple Access ða truy nhập phân chia theo thời gian TORA Temporally Ordered Thuật toán tìm ñường tuần tự 7 Routing Algorithm theo thời gian Universal Asynchronous Bộ thu phát không ñồng bộ Receiver Transmitter chung VHDL VHSIC Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật ñộ cao WINS Wireless Integrated Network Sensors Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến UART WLAN WPAN Wireless Local Area Network Wireless Personal Area Network Mạng nội hạt vô tuyến Mạng vùng cá nhân vô tuyến 8 LỜI NÓI ðẦU Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ ñóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay ñổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện ñại hơn. ði ñôi với quá trình phát triển của con người, những thay ñổi do chính tác ñộng của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng ñang diễn ra, tác ñộng trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay ñổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ ñó cũng ñược hình thành và phát triển theo. ðặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành ñiện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây ñược tích hợp từ các kỹ thuật ñiện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục ñích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày càng ñược mở rộng, ñể tạo ra các ứng dụng ñáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa ñược áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những ñiều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một ñích ñến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục ñích phát triển ñầy tiềm năng. ðể áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, ñã có không ít các nhà khoa học ñã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay ñổi trong công nghệ này. ðược sự ñịnh hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thuý Anh, em ñã chọn ñề tài ñồ án: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo toà nhà bulding”. Với mục ñích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây. Nội dung của ñồ án ñược thể hiện qua 6 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn không dây. Chương 3: Các giao thức ñiều khiển mạng cảm biến không dây. Chương 4: Phần mềm quản lý mạng cảm biến không dây. Chương 5: Chuẩn truyền dẫn không dây Zigbee Chương 6: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà 9 Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên ñồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi các sai sót. Mong ñược sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn ñể nội dung ñồ án ñược hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Học viên thực hiện Nguyễn Tuấn Trung 10 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) ñể phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về ñối tượng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một ñiểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có thể ñược triển khai cho các mục ñích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình ñịa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống ñược. Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay ñã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt ñộng trong một môi trường dày ñặc với khả năng xử lý tốc ñộ cao. Do ñó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta ñã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước ñây. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây ñược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như các cấu trúc chống lại ñịa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, v.v... 1.2 Các thành phần của mạng cảm biến Các node cảm biến ñược triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) ñược minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến ñược phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, ñịnh tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) ñể chuyển tới người dùng (User) và ñịnh tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node Sink ñến các node cảm biến. Số liệu ñược ñịnh tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc ña liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm ñiều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu 11 nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm ñiều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến không dây Một node cảm biến ñược tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảm biến còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di ñộng. Các thành phần trong một node cảm biến ñược minh họa trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai ñơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển ñổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có ñược từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng ñược chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển ñổi ADC, rồi mới ñược ñưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các node khác ñể phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát ñảm bảo thông tin giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của node cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và không thay thế ñược nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể ñược hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ. Hầu hết các công nghệ ñịnh tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với ñộ chính xác cao. Do ñó, các node cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di ñộng 12 ñôi khi cũng cần thiết ñể di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu ñể ñảm bảo các nhiệm vụ ñược phân công. Thiết bị di ñộng Hệ thống tìm vị trí Bộ cảm biến Sensor ADC Bộ xử lý Thiết bị xử lý Thiết bị nhớ Bộ nguồn Bộ thu phát Bộ sinh năng lượng Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến 1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Ngăn xếp giao thức ñược sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các node cảm biến ñược minh họa trong hình 1.3. Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về ñịnh 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 node cảm biến. Ngăn xếp 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 ñộng (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane). 13 Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể ñược 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 ñịnh tuyến số liệu ñược cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến có thể di ñộng ñược, giao thức MAC phải ñược tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các node lân cận. Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật ñiều chế, truyền và nhận cần thiết ñơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào ñó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di ñộng và nhiệm vụ ñiều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến. Các mặt bằng này giúp cho các node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm ñược tổng năng lượng tiêu thụ. Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một node cảm biến sử dụng năng lượng của nó như thế nào. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các node lân cận. ðiều này có thể tránh ñược việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của node cảm biến thấp, node cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các node lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó ñã thấp nên nó không thể tham gia vào việc ñịnh tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại ñược dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di ñộng dò tìm và ghi lại chuyển ñộng của node cảm biến, vì thế một tuyến ñường hướng tới node user luôn ñược duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi ñược các node cảm biến lân cận. Với việc nhận biết ñược các node cảm biến lân cận, node cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả các cảm biến trong vùng ñó 14 ñược yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời ñiểm. Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các node khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các node cảm biến có thể làm việc cùng với nhau ñể có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể ñịnh tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di ñộng và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách ñơn lẻ. Xuất phát quan ñiểm xem xét trong toàn mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể hoạt ñộng hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng. 1.3.1 Lớp ứng dụng Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến ñược vạch rõ và ñược ñề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một vùng rộng lớn chưa ñược khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ ñồ ñược ñề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này ñều là những vấn ñề nghiên cứu có tính mở. 1.3.2 Lớp giao vận Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc ñầu cuối từ các node cảm biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng. Lớp giao vận ñặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn chưa phù hợp với ñặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay. Do ñó, việc thiết lập một liên kết ñầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp ñến node quản lý của người sử dụng là không hiệu quả. Phương pháp phân tách TCP là cần thiết ñể mạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet. Trong phương pháp này, kết nối TCP ñược sử dụng ñể liên lạc giữa node quản lý của người sử dụng và node thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng cảm biến ñược sử dụng cho truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến. Kết quả là truyền thông giữa node người sử dụng và node thu nhận có thể sử dụng giao 15 UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác, việc truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu như UDP, bởi vì các node cảm biến có bộ nhớ hạn chế. Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thông ñầu cuối (end to end) trong mạng cảm biến không ñịa chỉ toàn cục. Các phương pháp này dựa trên việc ñặt tên thuộc tính cơ sở ñể chỉ ra ñiểm ñích của gói số liệu. Các nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các ñặc trưng như ñịnh tuyến tập trung số liệu khiến cho mạng cảm biến cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận. Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận. 1.3.3 Lớp mạng Các node cảm biến ñược phân bố dày ñặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức ñịnh tuyến không dây ña bước phù hợp giữa node cảm biến và node Sink là cần thiết. Kỹ thuật ñịnh tuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của mạng cảm biến ñược thiết kế theo những nguyên tắc sau : - Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng. Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung. Việc tập hợp số liệu chỉ ñược thực thi khi nó không cản trở hoạt ñộng hợp tác của các node cảm biến. Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết ñược việc ñánh ñịa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí. 1.3.4 Lớp liên kết số liệu Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu, ñiều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó ñảm bảo sự tin cậy cho kết nối ñiểm - ñiểm (Point to Point) và ñiểm - ña ñiểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược truy nhập môi trường truyền dẫn và ñiều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến. 1.3.5 Lớp vật lý Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, ñiều chế và mã hoá số liệu. Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết 16 kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ không ñược xem xét ở ñây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu suất năng lượng và các phương pháp ñiều chế trong mạng cảm biến. Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về năng lượng và ñộ phức tạp của hoạt ñộng. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng ñược coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn ñề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading ña ñường. Thông thường, công suất ñầu ra tối thiểu ñể chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với dn , trong ñó 2 ≤ n < 4. Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp và các kênh gần mặt ñất ñiển hình trong mạng cảm biến. Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt ñất. ðể giải quyết vấn ñề này, người thiết kế phải hiểu rõ các ñặc tính ña dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt ñể. Ví dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao ñường truyền nếu mật ñộ node mạng ñủ lớn. Tương tự, trong khi suy hao ñường truyền và dung lượng kênh hạn chế ñộ tin cậy của số liệu thì nhờ ñó ta có thể sử dụng lại tần số theo không gian. Dải tần (kHz) Tần số trung tâm (kHz) 6765 - 6795 12.553 - 13.567 26.957 - 27.283 40.66 - 40.70 433.05 - 434.79 902 - 928 2400 - 2500 5725 - 5875 24 - 24.25 61 - 61.5 122 - 123 244 - 246 6780 14 27 40.68 433.92 915 2450 5800 24 61.25 122.5 245 Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế ISM (Industrial, Scientific and Medical) Việc lựa chọn phương thức ñiều chế tốt ñể là vấn ñề quyết ñịnh ñối với sự tin cậy trong truyền thông của mạng cảm biến. Trong khi một phương pháp ñiều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng ñộ phức tạp của mạch ñiện và tăng công suất vô tuyến. Với ñiều kiện công suất khởi kích vượt trội thì 17 phương pháp ñiều chế cơ số hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế, phương pháp ñiều chế cơ số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp. Thiết bị băng tần cực rộng UWB (Ultrawideband) hay vô tuyến xung IR (Impulse Radio) từng ñược sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống ño khoảng cách, gần ñây ñược chú ý trong các ứng dụng thông tin ñặc biệt là các mạng không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần số mang hoặc trung tần. Thông thường, ñiều chế vị trí xung ñược sử dụng. Ưu ñiểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi với ñối với hiên tượng phát ña ñường. Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạch ñơn giản ñã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng cảm biến. 1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 1.4.1. Tự ñộng hoá gia ñình và ñiện dân dụng Gia ñình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây. Nhiều ứng dụng công nghiệp vừa ñược mô tả có mối liên hệ tương tự trong gia ñình.Ví dụ một hệ thống thông gió và ñiều hòa không khí HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) ñược trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây có thể bảo vệ các phòng dưới ánh nắng mặt trời của ngôi nhà – sẽ hiệu quả hơn một ngôi nhà chỉ trang bị một bộ ổn nhiệt ñơn có dây. Một ứng dụng ñược ñiều khiển chung từ xa, một thiết bị cá nhân cầm tay PDA (Personal Digital Assistant) loại thiết bị có thể ñiều khiển TV, máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị ñiện tử gia ñình khác nhau nhưng với các bóng ñèn, các cánh cửa, và các ổ khóa cũng ñược trang bị với một kết nối mạng cảm biến. Với ñiều khiển chung từ xa, một bộ có thể ñiều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế. Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất ñến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự ñộng ñóng khi TV ñược bật, hoặc có thể tự ñộng ngưng hệ thống giải trí gia ñình khi một cuộc ñược nhận trên máy ñiện thoại hoặc chuông cửa. 18 Hình 1.4: Ứng dụng trong ngôi nhà thông minh Với chiếc cân và máy tính cá nhân cả hai ñược kết nối với nhau thông qua một cảm biến không dây, sức nặng của một vật có thể ñược tự ñộng ghi lại không cần yêu cầu sự can thiệp bằng tay. Ứng dụng gia ñình lớn khác là một mở rộng của ñặc ñiểm nhật ký ñiều khiển không dây từ xa (RKE - Remote Keyless Entry) ñược tìm thấy trên nhiều ô tô. Với các mạng cảm biến không dây, ổ khóa không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ ñiều khiển bóng ñèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key – job với một nút bấm. Khi bấm nút, thiết bị khóa tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng ñèn trong nhà (trừ một vài bóng ñèn ngủ), bật các bóng ñèn an toàn ngoài nhà, và thiết lập hệ thống HVAC ñến chế ñộ ngủ. Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi ñáp thể hiện tất cả ñã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hoàn toàn, như vậy ngôi nhà an toàn. Khi một cánh của hỏng không thể mở, hoặc có vấn ñề, một màn hình hiểu thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng. Mạng thậm chí có thể tận dụng một hệ thống an ninh gia ñình ñầy ñủ ñể phát hiện một cửa sổ bị gãy hoặc chỗ hỏng khác. Bên ngoài ngôi nhà các khả năng nhận biết – ñịnh vị của các mạng cảm biến không dây phù hợp với một tập khác nhau của các hoạt ñộng, bao gồm du lịch và mua sắm. Trong các ứng dụng này, quá trình ñịnh vị có thể ñược sử dụng ñể cung cấp thông tin ñến người tiêu dùng. Trong trường hợp của người hướng dẫn viên du lịch, 19 người sử dụng chỉ ñược cung cấp thông tin liên quan ñến quang cảnh hiện tại, trong trường hợp của nhân viên bán hàng, người sử dụng ñược cung cấp thông tin liên quan ñến sản phẩm trước mặt, bao gồm các khoản mua bán và khấu hao ñặc biệt và trợ giúp. 1.4.2. Cảm biến trong quân sự Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, ñiều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghỉ, trinh sát và tìm mục tiêu. Các ñặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu ñựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy ñây là một công nghệ ñầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai rộng khắp với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị ñịch phá hủy một số nút không ảnh hưởng tới hoạt ñộng chung như: các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, ñạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng ñịch, tìm mục tiêu, ñánh giá thiệt hại trận ñánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học – sinh học – hạt nhân. Kiểm tra lực lượng, trang bị, ñạn dược: Các lãnh ñạo và chỉ huy có thể kiểm tra thường xuyên tình trạng của quân ñội, ñiều kiện và khả năng sẵn sàng chiến ñấu của các trang bị, ñạn dược trong một chiến trường bằng việc sử dụng các mạng cảm biến. Mỗi người lính, xe cộ, trang bị ñều ñược gắn một cảm biến ñể thông báo trạng thái. Các thông báo này ñược tập hợp tại một nút thu dữ liệu (nút trung tâm) và ñược gửi tới người chỉ huy. Các số liệu này có thể hướng tới các cấp cao hơn trong phân cấp chỉ huy cùng với các số liệu từ các ñơn vị khác tại mỗi cấp. 20