Tài liệu Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ 271745

NGUYỄN DUY THÀNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN DUY THÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SENSOR NETWORK VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT AN TOÀN HẦM MỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KHOÁ : 2011B Hà Nội – Năm 2013 Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ MỤC LỤC MỤC LỤC........................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .........................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................ viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... ix PHẦN MỞ ĐẦU ..............................................................................................1 Chương 1- TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................3 1.1 Giới thiệu .............................................................................................3 1.2 Công nghệ cảm biến không dây ..........................................................4 1.3 Tổng quan về kĩ thuật cảm biến không dây ........................................6 1.4 Kết luận .............................................................................................10 Chương 2- SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WSNs TRONG HẦM MỎ ........................................................................................11 2.1 Hầm mỏ và những nguy cơ tiềm ẩn mất an toàn...............................11 2.2 Các mô hình mạng được ứng dụng trong hầm mỏ ............................14 2.2.1 Thuộc tính truyền dẫn dưới hầm ................................................16 2.2.2 Những công nghệ kết nối dưới hầm ...........................................17 2.3 Cấu trúc mạng cảm biến dùng trong hầm mỏ ...................................20 2.3.1 Module cảm biến ........................................................................22 2.3.2 Module xử lý...............................................................................23 2.3.3 Module kết nối không dây ..........................................................23 2.4 Kết luận .............................................................................................23 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -i- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ Chương 3- KẾT HỢP IPv6 VÀO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ THUẬT TOÁN TÌM VỊ TRÍ NODE MẠNG ...........................................................24 3.1 IPv6....................................................................................................24 3.1.1 So sánh khung giao thức giữa IPv4 và IPv6 ...............................25 3.1.2 Tại sao phải kết hợp IPv6 vào mạng cảm biến không dây (WSN) ....................................................................................................26 3.2 Kiến trúc mạng mở rộng....................................................................27 3.2.1 Các thành phần mạng .................................................................27 3.2.2 Kiến trúc nhiều lớp .....................................................................28 3.2.3 Sự kết hợp liên mạng ..................................................................29 3.2.4 Triển khai IPv6 trong Mạng cảm biến không dây ......................29 3.3 Tránh liên kết cạnh tranh ...................................................................33 3.3.1 Các giả định truyền thống ...........................................................33 3.3.2 Những thách thức cạnh tranh LAN trong Mạng cảm biến không dây ....................................................................................................33 3.3.3 Liên kết IP tương đương phạm vi sóng radio .............................33 3.4 Đánh địa chỉ IPv6 và mô hình tiền tố ................................................34 3.4.1 Định danh giao diện (IID). .........................................................35 3.4.2 Tiền tố định tuyến toàn cầu ........................................................35 3.5 Nén Header và phát triển mạng IPv6 ứng dụng cho WSN ...............36 3.5.1 Điều chỉnh...................................................................................36 3.5.2 Cấu hình và quản lý ....................................................................42 3.5.3 Chuyến tiếp .................................................................................47 3.5.4 Định tuyến ..................................................................................50 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -ii- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ 3.6 Xác định vị trí sensor node trong mạng cảm biến không dây ...........55 3.7 Xác định vị trí đối tượng bằng kỹ thuật RSSI và kỹ thuật tiến hóa ..60 3.7.1 Một số hệ thống định vị: .............................................................60 3.7.2 Định vị node mạng trong mạng cảm biến không dây (WSN) ....60 3.8 Kết luận .............................................................................................72 Chương 4- KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN HỆ ĐIỀU HÀNH CONTIKI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................73 4.1 Mô hình mô phỏng mạng cảm biến không dây trên hệ điều hành contiki với các Tmote sky .....................................................................................73 4.1.1 Contiki ........................................................................................73 4.1.2 Tmote Sky...................................................................................74 4.1.3 Kịch bản mô phỏng.....................................................................75 4.1.4 Mô hình.......................................................................................76 4.2 Kết quả mô phỏng .............................................................................78 4.3 Kết luận .............................................................................................84 4.4 Hướng phát triển tiếp theo .................................................................84 KẾT LUẬN ....................................................................................................85 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................86 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -iii- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ LỜI CAM ĐOAN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu. Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Phạm Ngọc Nam, đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này. Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn. Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này. Tác giả Nguyễn Duy Thành Nguyễn Duy Thành- CB110623 -iv- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến thông thường...............................................3 Hình 1.2 Các thành phần trong một Node .........................................................8 Hình 2.1 Hầm mỏ được đào rất sâu trong lòng đất ........................................12 Hình 2.2 Một vụ nổ hầm mỏ ở New Zealand ................................................13 Hình 2.3 Mặt tương hầm có nhiều lưới chống đỡ bằng gỗ ............................14 Hình 2.4 Bề mặt tường nhám và đường đi có nhiều nước .............................15 Hình 2.5 Kết nối bằng cáp Leaky Feeder ......................................................18 Hình 2.6 Kiến trúc mạng cảm biến không dây ..............................................20 Hình 2.7 Mô hình WSN trong hầm mỏ..........................................................21 Hình 2.8 Kiến trúc của một node trong mạng cảm biến không dây ..............22 Hình 3.1 Cấu trúc Header của IPv6 và IPv4 ....................................................25 Hình 3.2 Kiến trúc Internet mở rộng ...............................................................27 Hình 3.3 Kiến trúc IPv6 cho Mạng cảm biến không dây ..............................29 Hình 3.4 Kiến trúc mạng ................................................................................30 Hình 3.5 Lớp vật lý và lớp MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4 ........................31 Hình 3.6 Phạm vi sóng radio <=> Phạm vi liên kết cục bộ ...........................34 Hình 3.7 Mô hình tổng quan giữa Giao diện định danh và Địa chỉ liên kết ..35 Hình 3.8 Các Header dạng ngăn xếp 6LoWPAN ..........................................36 Hình 3.9 Fragment Header .............................................................................37 Hình 3.10 Mesh Addressing...........................................................................37 Hình 3.11 Chuyển tiếp tại lớp 3 và lớp 2 .......................................................38 Hình 3.12 Header UDP/IPv6 .........................................................................39 Hình 3.13 Kết quả nén Header IPv6 ..............................................................41 Hình 3.14 Nén Header UDP ..........................................................................42 Hình 3.15 Định dạng thông điệp Quảng bá Router .......................................43 Hình 3.16 Định dạng MultiHop Information Option .....................................44 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -v- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ Hình 3.17 Định dạng Time Information Option ............................................44 Hình 3.18 Định dạng thông điệp Trưng cầu Router ......................................44 Hình 3.19 DHCPv6 phân phối địa chỉ trong mạng cảm biến không dây ..........46 Hình 3.20 Tách biệt giữa bộ chuyển tiếp và bộ định tuyến ...........................47 Hình 3.21 Phục hồi Hop by Hop ....................................................................48 Hình 3.22 Quản lý bảng định tuyến.................................................................51 Hình 3.23 Tái định tuyến ................................................................................52 Hình 3.24 Cập nhật ước tính liên kết chất lượng .............................................53 Hình 3.25 Phát hiện vòng lặp định tuyến .......................................................54 Hình 3.26 Phép đo ba cạnh tam giác ................................................................57 Hình 3.27 Định vị bằng vùng giao nhau...........................................................58 Hình 3.28 Phép đo đạc tam giác ......................................................................58 Hình 3.29 Định vị bằng khả năng tối đa. ..........................................................59 Hình 3.30 Kết quả của hệ thống Ferret.............................................................61 Hình 3.31 Đo khoẳng cách bằng RSSI ..........................................................62 Hình 3.32 Quan hệ giữa RSSI-d ở thực nghiệm và được triển khai ..............64 Hình 3.33 Triển khai mô hình một hầm mỏ trong thực tế .............................66 Hình 3.34 Tổ chức mạng bên trong hầm mỏ .................................................66 Hình 3.35 Kỹ thuật điện kế. .............................................................................69 Hình 3.36 Kỹ thuật RSSI.................................................................................70 Hình 3.37 Tính biến thiên của hai kỹ thuật.......................................................71 Hình 3.38 Thời gian định vị của hai kỹ thuật. ...............................................71 Hình 4.1 Tmote sky ........................................................................................74 Hình 4.2 Thiết lập đường truyền giữa các node trong mạng .........................76 Hình 4.3 Kiến trúc hệ thống ...........................................................................77 Hình 4.4 Thực hiện hệ thống .........................................................................77 Hình 4.5 Mô phỏng trên cooja .......................................................................78 Hình 4.6 Đường đi cả tín hiệu ở các node sensor gửi tới sink node ..............78 Hình 4.7 Nội dung gói dữ liệu được truyền ...................................................79 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -vi- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ Hình 4.8 Năng lượng tiêu thụ trung bình tại các node mạng .........................79 Hình 4.9 Các thông số trung bình đo được bằng collect view .......................80 Hình 4.10 Điện áp của pin trong quá trình hoạt động của các node ..............80 Hình 4.11 Beacon Interval .............................................................................80 Hình 4.12 Duty cycle tại các node mạng .......................................................81 Hình 4.13 Năng lượng tiêu thụ tại các node ở các thời điểm mô phỏng .......81 Hình 4.14 Thêm node sensor và thay đổi vị trí các node...............................82 Hình 4.15 Đường đi của các gói tin truyền từ các node sensor tới node sink82 Hình 4.16 Năng lượng tiêu thụ trung bình tại các node mạng .......................83 Hình 4.17 Network Hops ...............................................................................83 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -vii- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Dải băng tần ....................................................................................19 Bảng 3.1 Bảng so sánh giữa chuẩn IEEE 802.15.4 và IPv6 ..........................28 Bảng 3.2 Một số hệ thống định vị....................................................................60 Bảng 3.3 Một số hệ thống định vị trong mạng sensor ......................................72 Bảng 4.1 Bảng routing được ghi tại node sink 1 ...........................................76 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -viii- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ tiếng anh WSN Wireless sensor network TDOA Time difference of arrival AOA Angle of arrival TOA Time of arrival ICMP Internet Control Message Protocol RSSI Received Signal Strength Indicator TOF Time of flight LAN Local area network RF Radio frequency MAC Media Access Control ADC Analog to Digital Converter DHCP Dynamic Host Configuration Protocol 6LOWPAN IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks IID Internet Identity UDP User Datagram Protocol IPv6/4 Internet Protocol version 6/4 SLAAC Stateless address autoconfiguration IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers MANETs A mobile ad-hoc network SNMP Simple Network Management Protocol DNS Domain Name System HTTP Hypertext Transfer Protocol TCP Transmission Control Protocol Nguyễn Duy Thành- CB110623 -ix- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ PHẦN MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển nhanh của nền kinh tế, việc đảm bảo an toàn cho người lao động trong khi làm việc được đặt lên hàng đầu, nhất là đối với các ngành công nghiệp nặng gắn với các công việc luôn phải đảm bảo đúng quy trình lao động tránh những tai nạn nghề nghiệp không đáng có, ví dụ như: Các công nhân xây dựng, các công nhân làm việc trong hầm mỏ... Vì vậy ngoài việc đảm bảo đúng quy trình sản xuất và luôn tuân thủ các quy tắc để tránh gặp rủ ro khi làm việc thì cần nhiều hơn nữa các thiết bị có thể cảnh báo nguy hiểm để con người có thể biết mức độ an toàn trong khi làm việc. Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network -WSN) rất được chú trọng trong lĩnh vực thông tin. Trong tương lai các ứng dụng của mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Hầu hết những ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa với tần số lấy dữ liệu thấp. Thay vì hàng ngàn mét dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ việc đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi cần thiết. Mạng có thể được mở rộng chỉ bằng cách đơn giản là thêm các thiết bị, không cần các thao tác phức tạp như trong hệ thống mạng có dây. Trong luân văn này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm biến không dây, đồng thời đưa ra phương pháp luận dựa trên việc thiết kế những node mạng cảm biến mới có thể đáp ứng và hoạt động tốt trong môi trường khắc nhiệt trong hầm mỏ nhờ đó có thể giám sát đảm bảo an toàn trong hầm mỏ, Mạng cảm biến không dây là một sự phát triển mới về công nghệ và được ứng dụng vào việc giám sát, cảnh báo mức độ an toàn trong hầm mỏ. Việc đưa mạng cảm biến không dây vào trong hầm được đánh giá là phương án khả thi nhất hiện nay, thay cho các Nguyễn Duy Thành- CB110623 -1- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ công nghệ sử dụng giao thức khác như Bluetooth, Wifi... ưu điểm cả về mặt kinh tế và sự linh động của mạng. Một khó khăn lớn của WSN là năng lượng tiêu thụ. Kích thước vật lý giảm thì cũng làm giảm năng lượng tiêu thụ, các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên những giới hạn tính toán. Trong luận văn này cũng đưa ra được phương pháp thiết kế mạng sao cho hoạt động ổn định và mức năng lượng tiêu thụ là thấp nhất bằng cách tích hợp IPv6 và thuật toán xác định vị trí bằng thuật toán RSSI vào trong từng node mạng. Nội dung luận văn bao gồm các chương:  Chương 1-TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY  Chương 2-SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WSNs TRONG HẦM MỎ  Chương 3-KẾT HỢP IPv6 VÀO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ THUẬT TOÁN TÌM VỊ TRÍ NODE MẠNG  Chương 4-KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN HỆ ĐIỀU HÀNH CONTIKI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nguyễn Duy Thành- CB110623 -2- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ Chương 1- TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến thông thường Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học. Hệ thống có khả năng hoạt động trong vài năm chỉ với một nguồn pin duy nhất. Mạng cảm biến không dây sử dụng các thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho các ứng dụng đa dạng và không dựa trên bất kì cơ sở hạ tầng nào đã sẵn có từ trước. Không giống các thiết bị không dây truyền thống, các nút mạng WSN không cần Nguyễn Duy Thành- CB110623 -3- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ truyền trực tiếp tới trạm gốc, mà chỉ cần truyền tới mạng gần nó, rồi lần lượt truyền về trạm gốc theo dạng truyền thông multihop. Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi, và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và không bị giới hạn. Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:  Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải  Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến( có dây hay vô tuyến)  Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)  Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý, hay còn gọi là mote. Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến. 1.2 Công nghệ cảm biến không dây Trong mạng sensor network, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến trường điện từ; cảm biến tần số vô tuyến; quang, hồng ngoại; radars; lasers; các cảm biến định vị, dẫn đường; đo đạc các thông số môi trường; và các cảm biến phục vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa ,…. Ngày nay, cảm biến được sử dụng với số lượng lớn. Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ đa điểm-điểm, số lượng lớn các node cảm biến… Cảm biến có thể chỉ gồm 1 hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng, từ nano (1-100nm), meso (100-10000nm), micro (10-1000um), macro (vài mm-m)… Nguyễn Duy Thành- CB110623 -4- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các node xử lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng cung cấp năng lượng cho các node bị giới hạn. Các mô hình không dây thường có mạch tiêu thụ năng lượng thấp, do đó nó được ưu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí:  Chu kỳ hoạt động ngắn  Xử lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền  Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền. Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4. Hoạt động tại tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM), cung cấp đường truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet. Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như là Bluetooth, Wifi, Ultrawideband (UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương mại. Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền được tiêu chuẩn hóa. Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile ad hoc (MANETs). WSNs tương tự như MANETs theo một vài đặc điểm. Cả hai đều là chuẩn mạng wireless, multihop . Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật giữa hai hệ thống có khác nhau.  Dạng thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận, khác hẳn điểm-điểm trong MANETs.  Các node trong WSNs ít di động, trong khi ad hoc các node là di động  Trong WSNs, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng. sự kiện ở thế giới thực. Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu. Nguyễn Duy Thành- CB110623 -5- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ  Nguồn giới hạn, năng lượng trong WSNs được quản lý sử dụng rất chặt chẽ. Trong MANETs có thể không bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết bị thông tin có thể được thay thế nguồn cung cấp thường xuyên bởi người dùng  Số lượng node trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn. =>Do sự khác biệt giữa 2 mô hình giao thức mà các giao thức định tuyến trong MANETs không thể áp dụng hoàn toàn cho WSNs. Tuy nhiên WSNs có thể coi như một phần trong MANETs (ad hoc). 1.3 Tổng quan về kĩ thuật cảm biến không dây Như đã đề cập ở phần trên, một vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lý tại node nguồn trung tâm, một số dùng giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi là xử lý trước tại node. Thay vì gửi đi dữ liệu đến node chuyển tiếp, node thường dùng khả năng xử lý của mình để giải quyết trước khi phát đi. Với dạng có cấu trúc, dữ liệu được xử lý đến mức tốt nhất nhờ đó làm giảm được năng lượng cần dùng và băng thông kênh truyền. Một vài kỹ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến như sau: • Cảm biến: Chức năng cơ bản Xử lý tín hiệu Nén và các giao thức phát hiện, sửa lỗi Phân chia Cluster Tự phân nhóm • Kỹ thuật truyền vô tuyến Dãy truyền sóng Sự hư hại đường truyền Kỹ thuật điều chế Giao thức mạng • Tiêu chuẩn IEEE 802.11a/b/g IEEE 802.15.1 PAN/Bluetooth Nguyễn Duy Thành- CB110623 -6- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ IEEE 802.15.3 ultrawideband (UWB) IEEE 802.15.4/Zigbee (IEEE 802.15.4 là tiêu chuẩn cho vô tuyến, Zigbee là phần mềm ứng dụng và mạng logic). IEEE 802.16 Wimax IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group) Mobile IP • Phần mềm ứng dụng Hệ điều hành Phần mềm mạng Phần mềm kết nối cơ sở dữ liệu trực tiếp Phần mềm middleware Phần mềm quản lý dữ liệu Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến: Đây là mô hình với số lượng lớn cảm biến trong mạng, chuỗi dữ liệu nhiều, dữ liệu không thật hoàn hảo, khả năng hư hỏng các node cao, cũng như khả năng bị nhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin các node trong mạng. Sự phát triển mạng cảm biến dựa trên cải tiến về cảm biến, thông tin, và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng và phần mềm). Hình 1.1 cho thấy mô hình cấu trúc của mạng cảm biến thường dùng. Các cảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khả năng tốt nhất làm node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính. Nhờ vậy, năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn. Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên khó khăn hơn. Một vài đặc điểm của mạng cảm biến: • Các node phân bố dày đặc. • Các node dễ bị hư hỏng. • Giao thức mạng thay đổi thường xuyên. • Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán, và bộ nhớ. Nguyễn Duy Thành- CB110623 -7- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ • Các node có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng lớn các node. Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức và trở ngại cần phải vượt qua: • Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thước • Yếu tố nguồn cung cấp • Giá thành các node • Yếu tố môi trường • Đặc tính kênh truyền • Giao thức quản lý mạng phức tạp và sự phân bố rải các node • Tiêu chuẩn và quyền sở hữu • Các vấn đề mở rộng Location finding system Mobilizer Sensing Unit sensor Processing Unit Processor ADC Antenna Storage Power genarator Power Unit Hình 1.2 Các thành phần trong một Node Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến như trên Hình 1.2: • Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có) • Đơn vị xử lý Nguyễn Duy Thành- CB110623 -8- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ • Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến • Nguồn cung cấp • Các phần ứng dụng khác… Phần mềm (Operating Systems and Middleware) Để cung cấp sự hoạt động cho các node, phần quan trọng là các hệ điều hành nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho WSNs. Thông thường, các hệ điều hành như thế dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng trong khi kích thước code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của sensor networks. Contiki OS là một ví dụ về dạng này. Thành phần của Contiki OS gồm giao thức mạng, phân phối các node, drivers cho cảm biến và các ứng dụng. Rất nhiều nghiên cứu sử dụng Contiki OS trong mô phỏng để phát triển và kiểm tra các giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu đang cố gắng kết hợp các mã để xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tương thích. Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu chuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấptrung bình, tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống. Vị trí các node cảm biến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải có khả năng tự xây dựng. Dữ liệu tại các node Giao thức định tuyến cho WSMs rơi vào 3 nhóm: dữ liệu trung tâm, kiến trúc mạng, và căn cứ vào vị trí. Các qui ước về tập hợp dữ liệu để kết hợp dữ liệu đến từ các nguồn khác nhau qua đường truyền. Điều này cho phép hạn chế sự dư thừa trong mạng, làm giảm số đường truyền, giảm năng lượng tiêu thụ. Vấn đề quan tâm trong xử lý nội mạng, ngay khi dữ liệu đang được truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn hệ thống. Băng thông bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất tại các node bị hạn chế hay giá thành cao. Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lý trước tại nguồn trước khi chuyển qua các node lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất. Nguyễn Duy Thành- CB110623 -9- Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ Tổ chức mạng Các vấn đề liên quan sự sắp xếp mạng và sự theo dõi và giám sát bao gồm quản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây dựng phiên làm việc…. Tính toán Tính toán liên quan đến tập hợp dữ liệu, dung hợp, phân tích, tính toán cấu trúc, và xử lý tín hiệu. Quản lý dữ liệu Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lý cơ sở dữ liệu, kỹ thuật truy vấn và lưu trữ dữ liệu. Trong môi trường mạng truyền thống, dữ liệu được thu thập đến trung tâm để lưu trữ khi có yêu cầu được gửi đi. Trong các mạng phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật được xây dựng dùng cho các mô hình lưu trữ dữ liệu phân bố. Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc kiểm tra (theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn. Bảo mật Bảo mật là một phần quan trọng trong WSNs, sự chắc chắn, nhất quán và sự sẵn sàng của thông tin. 1.4 Kết luận Chương đã giới thiệu một cách tổng quan về mạng WSNs, để thấy được kiến trúc thông thường nhất, tiền đề cho việc phát triển mạng WSNs phù hợp với ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ. Nguyễn Duy Thành- CB110623 -10-