Tài liệu Xây dựng phương pháp đánh giá bằng thực nghiệm hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây

®¹i häc quèc gia hµ néi Tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ TrÇn v¨n th«ng X©y dùng ph−¬ng ph¸p ®¸nh gi¸ b»ng thùc nghiÖm hiÖu qu¶ truyÒn nhËn cña m¹ng c¶m biÕn kh«ng d©y LuËn v¨n th¹c sÜ Hµ néi - 2009 -1- MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây là một công nghệ tiên tiến dựa trên thành tựu của điện tử và tin học. Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây nhằm triển khai vào các ứng dụng trong thực tế, mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội. Đề tài luận văn “Xây dựng phương pháp đánh giá bằng thực nghiệm hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây” do PGS.TS. Vương Đạo Vy hướng dẫn đã được tác giả nghiên cứu và thực hiện với mục tiêu xây dựng được phương pháp đánh giá hiệu quả truyền tin của mạng cảm biến không dây trên cơ sở nghiên cứu các đặc tính truyền thông vô tuyến nói chung và các tính chất truyền thông vô tuyến của mạng cảm biến không dây nói riêng. Khóa luận có bố cục gồm hai phần là lý thuyết và phần thực nghiệm trên các nút mạng cảm biến không dây sử dụng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon. Nội dung chi tiết của khóa luận gồm ba chương. Chương 1 giới thiệu khái quát về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng của mạng. Chương 2 nghiên cứu các đặc tính vô tuyến của mạng cảm biến không dây. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tại chương 1 và chương 2, trong chương 3 tác giả xây dựng phương pháp đánh giá hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây và tiến hành thực nghiệm đo các thông số của quá trình truyền vô tuyến của mạng. Phần thực nghiệm dựa trên cơ sở thiết bị là các nút mạng cảm biến không dây và viết phần mềm nhúng nạp cho các nút mạng này. Sau đó, tiến hành thực nghiệm việc truyền nhận vô tuyến giữa các nút mạng và đo các thông số của quá trình này. Quá trình thực nghiệm được tiến hành nhiều lần tại các môi trường khác nhau nhằm đem lại kết quả có tính chính xác nhất. Dựa vào các kết quả thu được về thông số của quá trình truyền nhận vô tuyến, có thể đánh giá được hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây. Điều này đặc biệt có ý nghĩa thực tiễn khi triển khai các ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Mặc dù đã cố gắng nhưng do hạn chế về tài liệu, trình độ tác giả nên khóa luận còn rất nhiều thiếu sót. Tôi rất mong các thầy, các cô và các bạn góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn. Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều người. Đầu tiên, tôi xin trân trọng nói lời cảm ơn đến thầy giáo đã hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, PGS. TS -2- Vương Đạo Vy. Thầy Vương Đạo Vy đã luôn tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi từ khi tôi mới bắt tay vào thực hiện đến khi hoàn thành khóa luận. Không có sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy, tôi không thể nào hoàn thành được công việc trên. Tôi cũng xin được chân thành gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người luôn động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Học viên Trần Văn Thông -3- CHƯƠNG 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu tổng quan Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được nhiều tiến bộ đáng kể. Mạng cảm biến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, điều kiện môi trường,…ở các vị trí khác nhau. Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây là một nút mạng sẽ cảm biến thông số của một môi trường cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trường không dây về trạm gốc (nút gốc) được nối với máy tính. Trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết là một máy vi tính mà có thể được chế tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với đặc thù của từng ứng dụng cụ thể. Như vậy, khái niệm mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút mạng với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection), có thể được mô tả bằng công thức sau: Cảm biến + CPU + Radio = WSN Trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn. Các nút mạng này được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), có khả năng tự định tuyến, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ không ổn định...). Tuy nhiên, việc kết hợp các cảm biến, radio, và CPU vào một mạng cảm biến không dây không ch ỉ đòi hỏi trình độ hiểu biết chi tiết về khả năng và giới hạn của các thành phần phần cứng, mà còn phải hiểu rõ các công nghệ mạng hiện đại, lý thuyết phân bố hệ thống. Để làm cho mạng cảm biến không dây trở nên thực tế, cần phải phát triển một kiến trúc để tổng hợp các ứng dụng dựa trên khả năng của phần cứng. Để phát triển kiến trúc hệ thống cần đi từ xuống các yêu cầu phần cứng mức thấp. Chúng yêu cầu ứng dụng mức cao ta cần tập trung vào một tập -4- các dạng ứng dụng được sử dụng nhiều trong thực tế để giới hạn số các ứng dụng phải xem xét. Sử dụng các dạng ứng dụng này để tìm ra các yêu cầu mức hệ thống cho toàn bộ kiến trúc. Từ các yêu cầu mức hệ thống này, có thể có các yêu cầu cho các nút mạng riêng lẻ. Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến và một mạng không dây khác là: - Giá thành - Mật độ nút mạng - Phạm vi hoạt động - Cấu hình mạng - Lưu lượng dữ liệu - Năng lượng tiêu thụ - Thời gian ở trạng thái hoạt động 1.2. Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây 1.2.1. Cấu tạo Do số lượng nút mạng trong hệ thống mạng cảm biến không dây là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với một nút mạng là giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn và hoạt động được thời gian dài. Hình vẽ dưới đây sẽ cho thấy các thành phần cơ bản để cấu thành một nút mạng cảm biến không dây. Hệ thống định vị KHỐI CẢM BIẾN Cảm biến ADC Bộ phận di động KHỐI XỬ LÝKHỐI TRUYỀN DẪN Bộ xử lý Bộ nhớ KHỐI NGUỒN Bộ thu phát Bộ phát nguồn Hình 1.1: Cấu tạo của một nút mạng cảm biến không dây -5- 1.2.1.1. Khối xử lý Khối xử lý bao gồm bộ xử lý nhúng năng lượng thấp và bộ nhớ lưu trữ - Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp: Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm xử lý thông tin cảm biến cục bộ và xử lý thông tin truyền bởi các bộ cảm biến khác. Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về công suất nên được chạy trên các hệ điều hành có các thành phần cơ bản đặc biệt, ví dụ như hệ điều hành TinyOS. - Bộ nhớ/Lưu trữ: Lưu trữ dưới dạng ROM và RAM cả bộ nhớ chương trình (các lệnh được thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa qua xử lý và đã qua xử lý bởi bộ cảm biến; lưu các thông tin cục bộ khác). Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết bị mạng cảm biến không dây thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp. 1.2.1.2. Khối truyền dẫn - Bộ thu phát sóng vô tuyến (Radio Transceiver): Thiết bị mạng cảm biến không dây có tốc độ thấp (10 ->100 kbps) và là thiết bị vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong mạng cảm biến không dây thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất. Do đó, để tiết kiệm năng lượng, nó cần phải kết hợp có hiệu quả công suất giữa các chế độ ngủ (sleep) và chế độ hoạt động. 1.2.1.3. Khối cảm biến Khối cảm biến bao gồm bộ cảm biến và bộ biến đổi ADC - Bộ cảm biến (Sensor): Do giới hạn về băng thông và nguồn nuôi, các thiết bị mạng cảm biến không dây chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp. Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vài loại cảm biến trên bo mạch. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại cảm biến riêng: cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm, cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, cảm biến từ, cảm biến âm thanh, hay thậm chí là cảm biến hình ảnh có độ phân giải thấp. - Bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter): Bộ ADC được tích hợp để có thể ghép nối với các cảm biến tương tự. Với ADC được tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn trong việc sử dụng, giảm kích thước nút mạng, đồng thời giảm được các nhiễu trong quá trình biến đổi A/D với các tín hiệu từ cảm biến. -6- 1.2.1.4. Khối nguồn Năng lượng nguồn được sử dụng để có thể triển khai hoạt động của các thiết bị mạng cảm biến không dây là các dạng nguồn năng lượng dự trữ như nguồn pin, ắc quy. 1.2.1.5. Hệ thống định vị Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, các phép đo cảm biến để đánh dấu vị trí là quan trọng nhất. Cách đơn giản nhất để định vị là tiền cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định. Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà: Khi một mạng được triển khai, thông tin dễ dàng thu được qua vệ tinh định vị. Tuy nhiên, tại các ứng dụng, do hạn chế của môi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút được trang bị hệ thống định vị. Trong trường hợp không có hệ thống định vị, các nút khác nhau trong cùng mạng chỉ thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng. 1.2.1.6. Bộ phận di động Các nút cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ ấn định nào đó. Do đó nó được trang bị thêm các phần phụ để phục vụ cho quá trình di động. 1.2.2. Phân loại nút mạng Trong hầu hết các mô hình mạng cảm biến không dây, có 3 loại nút mạng: nút cảm biến, nút trung gian (nút chuyển tiếp) và nút cơ sở (nút trung tâm). Chức năng của các loại nút mạng: - Các nút cảm biến trực tiếp thu thập số liệu và truyền số liệu về nút cơ sở (nếu khoảng cách giữa nút cảm biến và nút cơ sở là nhỏ) hoặc truyền đến các nút trung gian (nếu khoảng cách giữa nút cảm biến và nút cơ sở là lớn). - Các nút trung gian cũng trực tiếp thu thập số liệu. Kế đến chúng tiến hành chuyển tiếp dữ liệu thu thập được và dữ liệu nhận được từ các nút cảm biến qua các nút trung gian khác. Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở. - Nút cơ sở tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiến hành xử lý dữ liệu. -7- Mỗi loại nút mạng thực hiện một chức năng riêng. Do đó, mỗi loại nút mạng đòi hỏi phải có những đặc điểm phần cứng riêng để có thể thực hiện tốt chức năng của nó. Trên thực tế thì các nút cảm biến và các nút trung gian là một và có cấu tạo phần cứng giống nhau. Trên mỗi nút mạng này thường được trang bị thêm về các kết nối với cảm biến với phần biến đổi điện áp để ổn định dải điện thế cấp cho vi điều khiển và đặc biệt là cho cảm biến. Vi điều khiển còn có thể hoạt động ổn định được khi điện thế cung cấp dao động trong một dải hẹp. Nhưng nguồn nuôi cho khối cảm biến thì nhất thiết phải có giải pháp để ổn định, nếu không thông tin cảm biến đưa về có thể bị sai lệch nhiều so với thực tế. Riêng đối với nút mạng cơ sở để thực hiện tốt chức năng xử lý dữ liệu thì cấu tạo của nó ngoài các thành phần như với nút cảm biến, nó còn cần bổ sung thêm một số phần cứng hỗ trợ việc nạp chương trình, điều khiển, hiển thị dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, … Hình 1.2: Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quan 1.3. Cấu trúc mạng và các yếu tố ảnh hưởng 1.3.1. Cấu trúc mạng Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... Do vậy, mạng cảm biến không dây đòi hỏi 1 topo mạng linh động (ad-hoc, mesh, star...) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị mạng cảm biến không dây có thể cùng hay không cùng mạng với nhau. -8- Mạng cảm biến không dây tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành các cụm (cluster) để ổn định topo của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến (routing), giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm được năng lượng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút mạng (theo cluster). - Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu cơ bản, có một nút được gọi là nút sink. Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn được truyền trực tiếp đến nó. Topo mạng đơn giản nhất cho ứng dụng này là topo hình sao đơn hop. Trong topo này, tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink. Hình 1.3: Topo hình sao đơn hop - Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai trên diện rộng thì sử dụng topo hình cây đa hop. Trong topo này, một vài nút được xem như các nút nguồn của chính chúng và định tuyến cho các nguồn khác. Hình 1.4: Topo hình cây đa hop -9- 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng - - - - Khả năng chịu lỗi: Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động. Một số các nút cảm ứng có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng mở rộng: Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây đòi hỏi mạng phải có khả năng làm việc với số lượng các nút lớn và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm ứng. Chi phí sản xuất: Vì các mạng cảm ứng bao gồm một số lượng lớn các nút cảm ứng nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai cảm biến theo kiểu truyền thống thì mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm ứng phải luôn được giữ ở mức thấp. Phần cứng: Ngoài kích cỡ nhỏ, các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường. - Môi trường hoạt động: Các nút cảm ứng được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn. - Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm ứng multihop, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn cho phù hợp. - Sự tiêu thụ năng lượng: Các nút cảm biến không dây có thể coi là một thiết bị vi điện tử và chỉ được trang bị nguồn năng lượng giới hạn. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép: vừa khởi tạo, vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm ứng có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và - 10 - yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng vai trò rất quan trọng. 1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến [1] được thể hiện như sau: Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. ƒ Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của bộ cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến. ƒ Mặt phẳng quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng. ƒ Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến ở cùng một thời điểm. ƒ Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát - 11 - hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý. ƒ Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận. ƒ Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau : + Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng. + Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu. + Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến. ƒ Lớp truyền tải: chỉ cần thiết khi hệ thống được truy cập thông qua mạng internet hoặc các mạng bên ngoài khác. ƒ Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. 1.5. Một số chuẩn mạng cảm biến không dây Do phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát triển, triển khai các giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng trên thị trường. Một số chuẩn được biết đến như sau: - ALOHA system (U. of Hawaii) - PRNET system (U.S. Defense) - WINS (U. of California) - PicoRadio (U. of California) - MicroAMPS (M.I.T) - 12 - - MANET (Mobile ad-hoc Network) - Zigbee: dựa trên tầng Vật lý và tầng MAC của chuẩn WPAN 802.15.4. 1.6. Các chỉ tiêu đối với việc thiết kế hệ thống và các nút mạng cảm biến không dây 1.6.1. Chỉ tiêu đối với hệ thống mạng Các chỉ tiêu để đánh giá một mạng cảm biến không dây chủ yếu là: thời gian sống, độ bao phủ, chi phí và dễ triển khai, thời gian trả lời, độ chính xác thời gian và tốc độ lấy mẫu hiệu quả. Các chỉ tiêu này liên quan với nhau, thông thường khi tăng tham số này lên thì đồng thời cũng làm giảm tham số kia. Thời gian sống là một giới hạn của mạng cảm biến không dây. Hai ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường và giám sát an ninh các nút mạng đều được đặt ngoài môi trường, không có người giám sát theo hàng tháng, thậm chí hàng năm. Khó khăn chủ yếu của thời gian sống là năng lượng cung cấp cho nút mạng. Mỗi nút cần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để đảm bảo tối đa thời gian sống của nút mạng. Trong một vài trường hợp, có thể sử dụng nguồn năng lượng ngoài nhưng điều này lại mâu thuẫn với ưu điểm chính của mạng không dây là tính linh hoạt, dễ triển khai. Do đó, một giải pháp thoả hiệp là có một nhóm các nút mạng đặc biệt được cấp nguồn ngoài và yêu cầu năng lượng tiêu thụ trung bình của các nút đó càng ít càng tốt. Độ bao phủ: đây cũng là một thông số để đánh giá cho nút mạng. Nó có thuận lợi là khả năng triển khai trên một vùng rộng lớn. Điều này làm tăng giá trị hệ thống đối với người dùng. Điều quan trọng là độ bao phủ của mạng không được tương đương với khoảng cách kết nối không dây được sử dụng. Sự ràng buộc khoảng cách sẽ dẫn đến việc mở rộng một số lượng lớn các nút mạng. Giá trị chủ yếu của mạng cảm biến không dây là khả năng mở rộng, một người dùng có thể triển khai một mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút. Việc tăng nút này lại làm ảnh hưởng đến thời gian sống, càng nhiều điểm cảm biến thì càng có nhiều dữ liệu được truyền dẫn đến, làm tăng năng lượng tiêu thụ của mạng. Chi phí và dễ triển khai: ưu điểm mấu chốt của mạng cảm biến không dây là dễ triển khai nên hệ thống cần phải tự cấu hình đối với sự lắp đặt nút vật lý. Tuy nhiên, các hệ thống thực thì các nút không thể có khoảng cách vô hạn. mạng cảm biến không dây cần có khả năng phản hồi, khả năng đánh giá chất - 13 - lượng của việc triển khai mạng và chỉ rõ các vấn đề tiềm ẩn. Có nghĩa là, các nút mạng cần có khả năng tìm kết nối và xác định chất lượng kết nối. Bên cạnh đó, hệ thống cần có sự thích nghi đối với sự thay đổi điều kiện môi trường. Để mở rộng khả năng kiểm tra trước khi triển khai, hệ cảm biến cần được xây dựng để có thể thực hiện việc tự bảo trì. Khi cần, nó có thể tạo ra các yêu cầu bảo trì ngoài. Thời gian đáp ứng: là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống. Các nút mạng cần có khả năng truyền tức thời các thông điệp qua mạng càng nhanh càng tốt. Thời gian đáp ứng cũng quan trọng khi điều khiển máy móc trong nhà máy, những hệ thống này chỉ thành hiện thực khi đảm bảo được thời gian đáp ứng. Khả năng có thời gian đáp ứng ngắn xung đột với các kĩ thuật làm tăng thời gian sống của mạng. Có thể cải thiện thời gian đáp ứng bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong toàn bộ thời gian. Tuy nhiên, điều này lại làm giảm tính dễ triển khai của hệ thống. Độ chính xác về thời gian: trong ứng dụng theo dõi đối tượng và giám sát môi trường các mẫu từ nhiều nút có liên quan theo thời gian để xác định các hiện tượng khác thường được theo dõi. Tính chính xác của cơ chế tương quan phụ thuộc vào tốc độ lan truyền của hiện tượng được đo. Để đạt được độ chính xác theo thời gian, mạng cần được xây dựng và duy trì một thời gian cơ sở toàn cục có thể được sử dụng để sắp xếp các mẫu và các sự kiện theo thời gian. Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả: đây là tham số đánh giá hiệu suất hệ thống. Đó là mẫu lấy được từ mỗi nút riêng lẻ và truyền về điểm thu thập trung tâm. Thông thường, các ứng dụng thu thập dữ liệu chỉ có tốc độ lấy mẫu là 1-2 mẫu trong một phút. 1.6.2. Chỉ tiêu đối với nút mạng cơ sở Năng lượng: để duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm thì các nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp. Điều này chỉ đạt được bằng cách kết hợp các thành phần cứng năng lượng thấp và chu trình hoạt động ngắn. Các thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền nhận radio. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng sự tính toán cục bộ để giảm luồng dữ liệu nhận được từ cảm biến. - Tính mềm dẻo: các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp với các môi trường khác nhau. Một kiến trúc mạng cảm biến không dây cần phải - 14 - đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý do chi phí mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể, kiến trúc phải đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vì vậy những thiết bị này đòi hỏi tính modul tốc độ cao trong khi vẫn giữ được kết quả. Sức mạnh: modul hoá hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ thống. Bằng cách chia hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức năng có thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoàn chỉnh. Các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể giao tiếp chặt chẽ, để ngăn ngừa các tương tác không mong đợi, có khả năng hoạt động trong môi trường đã có các thiết bị không dây khác hoạt động một hay nhiều tần số. Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu đảm bảo sự triển khai được thành công. Bảo mật: các nút mạng riêng lẻ cần có khả năng thực hiện mã hoá phức tạp và thuật toán xác thực. Truyền dữ liệu không dây rất dễ bi chặn, chỉ có một cách bảo mật là mã hoá toàn bộ dữ liệu truyền, mỗi nút mạng cần tự bảo mật dữ liệu của chúng. Truyền thông: khi độ bao phủ của mạng không bị giới hạn bởi khoảng cách truyền của các nút riêng biệt, khoảng cách truyền có một ảnh hưởng quan trọng tới mật độ tối thiểu các nút có thể chấp nhận được. Tốc độ truyền cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của nút mạng. Tốc độ truyền tăng làm cho việc truyền mất ít thời gian hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn. Tuy nhiên, tăng tốc độ cũng thường làm tăng năng lượng tiêu thụ radio dẫn tới tăng hiệu suất hệ thống. Tổng thể, lợi ích của việc tăng tốc độ có thể được bù lại bởi các yếu tố khác. - Tính toán: tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội mạng và quản lý các giao thức truyền thông không dây mức thấp. Tốc độ truyền cao đòi hỏi việc tính toán nhanh hơn. Đồng bộ thời gian: các nút cần duy trì đồng bộ thời gian chính xác với các nút khác trong mạng để hỗ trợ tương quan thời gian đọc cảm biến và chu trình hoạt động ngắn của ứng dụng thu thập dữ liệu. Các nút cần ngủ và thức dậy cùng nhau để chúng có thể định kỳ truyền thông cho nhau. Các lỗi trong việc tính thời gian sẽ tạo nên sự hoạt động không hiệu quả dẫn đến tăng chu trình làm việc. Phụ thuộc vào điện áp, độ ẩm, nhiệt độ, thời gian dựa theo lao động sẽ không như nhau. Như vậy, để bù lại sự không chính xác cần có cơ chế đồng bộ hoá cao. - 15 - Kích thước và chi phí: có ảnh hưởng đến sự dễ dàng và chi phí khi triển khai. Tổng chi phí vật tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố chủ chốt dẫn đễn việc chấp nhận các công nghệ mạng cảm biến không dây. Kích thước vật lý cũng ảnh hưởng đến sự dễ dàng khi triển khai mạng. Các nút nhỏ có thể được đặt ở nhiều vị trí hơn và được sử dụng trong nhiều tình huống hơn. 1.7. Triển khai hệ thống mạng cảm biến không dây 1.7.1. Giới thiệu Hệ thống mạng cảm biến không dây được kết nối với máy tính thông qua cáp nối RS232. Do đó, việc thu nhận dữ liệu từ nút mạng về máy tính sẽ thực hiện truyền qua giao tiếp RS232 (cổng COM). Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là ngôn ngữ C, chương trình dịch là Keil µVision2.0/3.0. Vi điều khiển được lựa chọn để xây dựng nút mạng ở đây là CC1010. Việc chọn vi điều khiển hợp lý sẽ làm cho quá trình xây dựng hệ thống được rút ngắn, hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy. Vi điều khiển CC1010 được lựa chọn dựa trên các chỉ tiêu sau: - Tiêu thụ năng lượng thấp. - Tích hợp ADC để có thể ghép nối với cảm biến tương tự. - Bộ nhớ chương trình cũng như bộ nhớ dữ liệu có kích thước hợp lý. - Kích thước vật lý nhỏ. - Có công cụ phát triển giúp người phát triển xây dựng hệ thống dễ dàng và thuận tiện như: sử dụng ngôn ngữ cấp cao, có các thư viện hỗ trợ cho việc cảm biến cũng như truyền nhận không dây, hỗ trợ gỡ lỗi… - Giá thành rẻ. 1.7.2. Mô hình triển khai Mạng cảm biến không dây gồm nhiều nút mạng sử dụng vi điều khiển CC1010 giao tiếp với nhau qua sóng vô tuyến ở dải tần số 300 - 1000 MHz. Mô hình mạng mạng cảm biến không dây được xây dựng theo nguyên tắc sau: - Khối CC1010EB kết nối trực tiếp với máy tính để nạp chương trình, hỗ trợ tính năng gỡ lỗi. Khối CC1010EM được đính kèm để thu phát dữ liệu không dây và gửi dữ liệu về khối CC1010EB. - 16 - Hình 1.6: Mô hình mạng cảm biến không dây 1.8. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây tập trung vào ba dạng: thu thập dữ liệu môi trường, giám sát an ninh và theo dõi đối tượng. 1.8.1. Thu thập dữ liệu môi trường Mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động của môi trường. Bài toán này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng, thường xuyên cung cấp thông số môi trường và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base station) có kết nối với trung tâm xử lý (thường là hệ thống máy tính) phân tích, xử lý, đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu. Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là thời gian sống phải dài hay nói cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít. Hệ thống mạng cho ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, mỗi nút mạng có một nút cha duy nhất. Trạm gốc sẽ là gốc của cây. Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ được gửi đến cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo (nút ông), cứ như vậy, dữ liệu sẽ được chuyển về trạm gốc. Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là: - Hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lượng nút mạng lớn. - Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, không hoạt động. Để mạng - 17 - tiếp tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng. - Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút mạng tối ưu nhất. - Phần mềm nhúng phải được thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với bài toán truyền thông các thông số đo được như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng... Phần mềm phải tương thích với phần cứng để hệ thống có khả năng hoạt động ổn định theo thời gian. 1.8.2. Giám sát an ninh Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm biến là giám sát an ninh. Các mạng giám sát an ninh được tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong môi trường liên tục theo dõi một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thường. Sự khác nhau chủ yếu giữa giám sát an ninh và giám sát môi trường là các mạng an ninh không thu thập bất kỳ dữ liệu nào. Điều này có tác động lớn đến việc tối ưu kiến trúc mạng. Mỗi nút thường xuyên kiểm tra trạng thái các cảm biến của chúng nhưng chỉ truyền dữ liệu khi có sự vi phạm an ninh. Việc truyền tức thời và tin cậy của thông điệp cảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống. Thêm vào đó, nó cần được xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động. Nếu một nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần được thông báo. Đối với các ứng dụng giám sát an ninh, mạng cần được cấu hình sao cho các nút chịu trách nhiệm xác nhận trạng thái các nút khác. Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang hàng sẽ thông báo nếu một nút không hoạt động. Mô hình tối ưu của một mạng giám sát an ninh sẽ hoàn toàn khác với mạng thu thập dữ liệu. Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu. Do đó, tối ưu là cây ngắn và rộng. Ngược lại, với mạng an ninh cấu hình tối ưu sẽ có mô hình mạng tuyến tính. Công suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con của nó. Trong mạng tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con. Điều này phân phối đều năng lượng tiêu thụ của mạng. Sự tiêu thụ năng lượng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo hiệu cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh. Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an ninh cần được truyền tới trạm gốc ngay lập tức. Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua mạng tới trạm gốc có ảnh hưởng nhất định tới hiệu quả của - 18 - ứng dụng. Các nút mạng cần có khả năng trả lời nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để chuyển tiếp dữ liệu. Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo quan trọng hơn việc giảm chi phí năng lượng khi truyền. Điều này do các sự kiện cảnh báo rất hiếm khi xảy ra. Trong mạng phòng cháy các cảnh báo gần như không bao giờ xảy ra. Đối với sự kiện xảy ra 1 lần năng lượng chủ yếu được dành cho việc truyền. Giảm độ trễ truyền sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ vì các nút định tuyến phải giám sát các kênh radio thường xuyên hơn. Trong các mạng an ninh, phần lớn năng lượng tiêu thụ dành cho việc xác nhận chức năng của các nút láng giềng và chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo. Việc truyền dữ liệu hiện thời sẽ tốn một phần năng lượng của mạng. 1.8.3. Theo dõi đối tượng Với các mạng cảm biến không dây, các đối tượng có thể được theo dõi đơn giản gắn chúng với một nút cảm biến nhỏ. Nút cảm biến này sẽ được theo dõi khi chúng đi qua một trường các nút cảm biến được triển khai tại những vị trí đã biết. Thay vì cảm nhận dữ liệu môi trường, những nút này sẽ được triển khai để cảm biến các thông điệp RF của các nút gắn với các đối tượng. Những nút này có thể được sử dụng như những thẻ để thông báo sự có mặt của một thiết bị. Một cơ sở dữ liệu có thể được sử dụng để ghi lại vị trí tương đối của đối tượng với các nút mạng, do đó có thể biết vị trí hiện thời của đối tượng. Không như mạng cảm biến hay mạng an ninh, các ứng dụng theo dõi sẽ liên tục thay đổi topology khi các nút đi qua mạng. Trong khi sự kết nối giữa các nút tại các vị trí cố định tương đối ổn định, sự kết nối tới các nút di động sẽ liên tục thay đổi. Thêm vào đó tập hợp các nút bị theo dõi sẽ liên tục thay đổi khi các nút gia nhập hay rời khỏi hệ thống. Điều chủ yếu là mạng có khả năng nhận biết một cách hiệu quả sự có mặt của các nút mới đi vào mạng. Trong thực tế cuộc sống, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong từng lĩnh vực cụ thể có thể liệt kê như sau: - Ứng dụng kiểm tra môi trường sinh thái: + Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa,… + Phát hiện ô nhiễm, chất thải,… - 19 - - Ứng dụng trong quân sự: + Giám sát và theo dõi các mục tiêu quân sự. + Phát hiện mìn, chất độc,… + Điều khiển kích hoạt các thiết bị, vũ khí quân sự. - Ứng dụng kiểm tra cấu trúc (tòa nhà, cầu, đường, máy móc…) và động đất: Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất, những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào. - Ứng dụng trong gia đình: Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà. - Ứng dụng trong y tế: Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h. Trong thời gian tồn tại trong cơ thể, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị. - Ứng dụng trong công nghiệp và thương mại. + Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, chống rò rỉ,… + Điều khiển tự động các thiết bị, robot,… - Ứng dụng trong nông nghiệp: Hàng trăm nút nằm rải rác trong cánh đồng liên kết với nhau, thiết lập một mô hình định tuyến, và truyền dữ liệu cho một trung tâm. Ứng dụng đòi hỏi phải thiết thực, linh động, chi phí thấp và dễ triển khai thành mạng cảm biến không dây. Nếu một trong các nút lỗi, một mô hình mạng mới được lựa chọn và toàn bộ mạng vẫn tiếp tục truyền dữ liệu. Nếu có thêm nút mạng, chúng chỉ tạo nên nhiều cơ hội định tuyến hơn.