Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kiến trúc mạng cảm biến không dây và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- LƢU HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- LƢU HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ QUANG THẢO Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn: “Nghiên cứu kiến trúc mạng cảm biến không dây và ứng dụng” Là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Quang Thảo. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Lƣu Hoàng Long LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn của tôi, TS. Lê Quang Thảo. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.17.09. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự tài trợ quý báu đó. Tôi xin cảm ơn đến các cán bộ quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục thiết bị bảng A đƣợc trang bị tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý. Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thiết bị đƣợc sử dụng gồm: “Dao động ký số điện tử DL1720E, Keithly 2000…” Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những ngƣời đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Lƣu Hoàng Long MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .....................3 1.1. Khái niệm......................................................................................................... 3 1.2. Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến không dây ................................ 4 1.2.1. Kích thƣớc vật lý, năng lƣợng tiêu thụ ......................................................4 1.2.2. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi .....................................................5 1.2.3. Đa dạng trong thiết kế ...............................................................................6 1.2.4. Chi phí sản xuất thấp .................................................................................6 1.3. Chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee trong mạng cảm biến không dây ................ 6 1.3.1. IEEE 802.15.4 [19] ....................................................................................7 1.3.2. ZigBee [4,19].............................................................................................8 1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ....................................................... 9 1.4.1. Ứng dụng trong quân sự ..........................................................................10 1.4.2. Ứng dụng vào môi trƣờng .......................................................................11 1.4.3. Ứng dụng vào dịch vụ y tế ......................................................................13 1.4.4. Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà .......................................................14 1.4.5. Ứng dụng trong công nghiệp ..................................................................15 1.4.6. Ứng dụng trong nông nghiệp ..................................................................15 CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................17 2.1. Các kiểu mạng [1] ......................................................................................... 17 2.1.1. Cấu trúc phẳng ........................................................................................18 2.1.2. Cấu trúc phân tầng ..................................................................................19 2.2. Kiến trúc phần cứng ....................................................................................... 21 2.2.1. Node UWASA ........................................................................................22 2.2.2. SurfNet ....................................................................................................26 2.3. Kiến trúc phần mềm ....................................................................................... 29 2.3.1. Lớp giao vận [12] ....................................................................................30 2.3.2. Lớp mạng [1] ...........................................................................................30 2.3.3. Lớp liên kết dữ liệu [1] ...........................................................................31 2.3.4. Lớp vật lý [12].........................................................................................31 2.3.5. Lớp ứng dụng [1] ....................................................................................32 2.3.6. Các mặt phẳng chéo [2] ..........................................................................33 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................34 TRONG NÔNG NGHIỆP .........................................................................................34 3.1. Kiến trúc tổng thể hệ thống ............................................................................ 35 3.1.1. Node cảm biến.........................................................................................36 3.1.2. Bộ điều khiển tƣới nƣớc ..........................................................................37 3.2. Vi điều khiển họ AVR của Atmel [11,14] ..................................................... 39 3.3. Bộ thu phát vô tuyến nRF24L01 [17,19] ....................................................... 41 3.4. Kiến trúc phần mềm ....................................................................................... 45 3.4.1. Kiến trúc giao tiếp thông tin [19] ............................................................45 3.4.2. Kỹ thuật MultiCeiverTM của hãng Nordic [19] .......................................46 3.4.3. Thuật toán hoạt động trong kiến trúc phần mềm [19] ............................48 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN .........52 ĐIỀU KHIẾN VAN TƢỚI NƢỚC THEO ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT ..............................52 4.1. Bản thiết kế sơ đồ mạng ................................................................................. 52 4.2. Phần cứng trong node cảm biến ..................................................................... 54 4.3. Phần cứng trong trạm trung tâm..................................................................... 57 4.4. Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến đo độ ẩm đất............................................ 59 4.4.1. Giới thiệu cảm biến độ ẩm đất ................................................................59 4.4.2. Xác định độ ẩm đất [10] ..........................................................................62 4.4.3. Kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến độ ẩm MS10 ........................63 4.5. Thông số lập trình chuyển đổi tín hiệu số và độ ẩm đất ................................ 65 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................68 PHỤ LỤC ..................................................................................................................70 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Cụm từ Nghĩa tiếng Việt Tín hiệu sử dụng trong truyền thông số để đảm bảo dữ liệu đƣợc nhận Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số Vi điều khiển họ AVR ACK Acknowledgement ADC AVR Analog Digital Converter CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm Institute of Electrical and Electronics Engineers Industrial, Scientific and Medical Liquid Crystal Display low-rate wireless personal area networks Media Access Control Microcontroller unit Negative acknowledgement Viện điện, điện tử quốc tế IEEE ISM LCD LR-WPANs MAC MCU NACK nRF24L01 RF RISC RX SM SPI SurfNet TX UWASA WSN ZigBee Radio frequency Reduced Instruction Set Computer Receiver Soil Moisture Serial Peripheral Interface Transmitter Wireless Sensor Network Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế Màn hiển thị tinh thể lỏng Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp Điều khiển truy cập đƣờng truyền Bộ vi xử lý trung tâm Tín hiệu xác thực phủ định Tên riêng bộ thu phát nRF24L01 Tần số vô tuyến Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn Máy thu sóng Độ ẩm đất Giao tiếp ngoại vi nối tiếp Tên riêng kiến trúc SurfNet Máy phát sóng Tên riêng kiến trúc UWASA Mạng cảm biến không dây Tên riêng giao thức mạng không dây ZigBee DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các tính năng chính của bộ điều khiển nRF24L1D …………………….28 Bảng 3.1. Chức năng của các chân của nRF24L01…...……………..…..................44 Bảng 4.1. Độ ẩm các mẫu đất đo đƣợc theo TCVN 4048:2011 và điện áp đầu ra đƣợc đo bằng cảm biến MS10…...………………… ………………............. .........64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến. ............................................................... 3 Hình 1.2. Các kiểu topo mạng IEEE 802.15.4 ................................................................. 8 Hình 1.3. Giao thức cơ bản theo chuẩn ZigBee. .............................................................. 9 Hình 2.1. Mạng dạng hình sao. ...................................................................................... 17 Hình 2.2. Mạng dạng vòng ............................................................................................. 18 Hình 2.3. Mạng dạng truc tuyến..................................................................................... 18 Hình 2.4. Cấu trúc phẳng ............................................................................................... 19 Hình 2.5. Cấu trúc tầng. ................................................................................................. 20 Hình 2.6. Kiến trúc phần cứng của node UWASA ........................................................ 22 Hình 2.7. Cấu trúc ngăn xếp của node UWASA. .......................................................... 25 Hình 2.8. Cấu trúc phần mềm của node UWASA. ........................................................ 25 Hình 2.9. Một node cảm biến theo kiến trúc node UWASA ......................................... 26 Hình 2.10. Node cảm biến sử dụng kiến trúc SurfNet (Palomäki 2010a). .................... 27 Hình 2.11. Cầu nối USB với UWASA và SurfNet ........................................................ 29 Hình 3.1. Kiến trúc tổng thể của hệ thống giám sát nƣớc trong nông nghiệp. .............. 35 Hình 3.2. Cấu trúc node theo kiến trúc phần cứng UWASA. ........................................ 37 Hình 3.3. Kiến trúc bộ điều khiển máy bơm theo UWASA và SurfNet. ....................... 38 Hình 3.4. Cấu trúc tập lệnh rút gọn của vi điều khiển Atmega...................................... 40 Hình 3.5. Sơ đồ kết nối nRF24L01 với vi điều khiển. ................................................... 43 Hình 3.6. Sơ đồ chân nRF24L01.................................................................................... 43 Hình 3.7. Chế độ hoạt động của các node UWASA và SurfNet. .................................. 46 Hình 3.8. Kĩ thuật MultiCeiverTM trong node SurfNet. ................................................. 47 Hình 3.9. Cơ chế tránh va chạm theo kĩ thuật MultiCeiverTM. ...................................... 48 Hình 3.10. Sơ đồ thuật toán của node cảm biến theo kiến trúc UWASA. ..................... 49 Hình 3.11. Sơ đồ thuật toán của trạm trung tâm theo kiến trúc UWASA và SurfNet. .. 50 Hình 4.1. Sơ đồ bản thiết kế mạng cảm biến giám sát độ ẩm đất. ................................. 53 Hình 4.2. Sơ đồ mạch điện khối thu thập dữ liệu. ......................................................... 55 Hình 4.3. Node thu thập dữ liệu. .................................................................................... 56 Hình 4.4. Sơ đồ mạch điện khối xử lý trung tâm. .......................................................... 57 Hình 4.5. Khối xử lý trung tâm. ..................................................................................... 58 Hình 4.6. Cảm biến độ ẩm trong đất. ............................................................................. 59 Hình 4.7. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm HS1101. ............................................................... 60 Hình 4.8. Cảm biến độ ẩm đất MS10. ............................................................................ 61 Hình 4.9. Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến MS10....................................................... 62 Hình 4.10. Đồ thị liên hệ giữa điện áp ra và độ ẩm tƣơng ứng. ..................................... 65 MỞ ĐẦU Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử đã, đang và sẽ hiện diện nhiều hơn trong cuộc sống của con ngƣời với những lợi ích to lớn mà nó mang lại trong cuộc sống. Trong bối cảnh nhân loại đang bƣớc vào những năm đầu của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 với những yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AI-Artificial Intelligence), Internet vạn vật (IoT- Internet of Things) và dữ liệu lớn (big data), với xu hƣớng là tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong công nghệ sản xuất, do vậy việc tự động thu thập, xử lý thông tin là yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất quyết định đến sự thành công của cuộc cách mạng. Có nhiều phƣơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin, trong đó phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử dụng trên thế giới và Việt Nam là sử dụng mạng cảm biến không dây, lợi ích nổi bật của mạng cảm biến không dây là nó có thể đƣợc triển khai và thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kì điều kiện và ở bất kì vị trí địa lý nào kể cả trong những môi trƣờng nguy hiểm mà mạng có dây truyền thống không thể thực hiện. Do đó mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiều mục đích nhƣ: kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, trong lĩnh vực y tế, khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, trong an ninh và các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm biến có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, và hơn hết là phải có sẵn nguồn năng lƣợng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đƣa ra các thông số về môi trƣờng mà mạng quan sát. Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc bố trí một cách biệt lập, trong phạm vi rộng, môi trƣờng khắc nghiệt và sử dụng trong thời gian dài để thực hiện nhiệm vụ cảm biến, ngoài việc đảm bảo độ tin cậy khi hoạt động, duy trì năng lƣợng cho 1 mạng hoạt động, thì quản lý kiến trúc của mạng cảm biến không dây cũng rất quan trọng. Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về các kiến trúc thƣờng dùng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất sử dụng kiến trúc phù hợp áp dụng vào bài toán phục vụ trong nông nghiệp chính xác để thu thập, giám sát các thông số môi trƣờng biến đổi chậm nhằm thu thập thông số môi trƣờng mà vẫn kéo dài thời gian hoạt động của mạng trong điều kiện năng lƣợng của các node là hữu hạn. Cấu trúc của luận văn gồm: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Nội dung cơ bản của chƣơng này là đƣa ra các khái niệm cơ bản về mạng cảm biến không dây, một số chuẩn truyền thông của mạng cảm biến không dây và những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế. Chƣơng 2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây Chƣơng 2 nghiên cứu và phân tích các kiến trúc thƣờng gặp của mạng cảm biến không dây, đi sâu nghiên cứu một vài kiến trúc mạng cảm biến có sự linh hoạt trong việc tùy biến, mở rộng mạng và phù hợp với nhiệm vụ thu thập các thông số môi trƣờng biến đổi chậm sử dụng trong nông nghiệp chính xác Chƣơng 3: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp. Chƣơng 3 đề xuất giải pháp áp dụng mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp chính xác, nghiên cứu, thiết kế mạng cảm biến không dây nhằm giám sát độ ẩm đất và thực hiện việc điều khiển van tƣới nƣớc cho vƣờn cây có diện tích nhỏ. Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm Chƣơng này đƣa ra mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng giám sát lƣợng nƣớc cho một khu vƣờn diện tích 360m2, với cấu trúc cụ thể của các node cảm biến và trạm trung tâm mà tác giả đã xây dựng, đồng thời trình bày kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến mà tác giả đã tiến hành. Trong luận văn này tác giả đã xây dựng, đề xuất một giải pháp để ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp, giải pháp này tác giả cho rằng nó có nhiều điểm thuận lợi và có khả năng đƣa vào ứng dụng trong thực tế. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Trong thời gian gần đây, với sự tiến bộ của vi điện tử, máy tính và công nghệ truyền thông không dây đã tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây, các node cảm biến thông minh có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng cho phép thu thập, xử lý dữ liệu truyền thông không dây trong các môi trƣờng vật lý khác nhau. 1.1. Khái niệm Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống bao gồm các node cảm biến liên kết với nhau thành một mạng và sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông với nhau. Lý do sử dụng kết nối không dây bởi vì thông thƣờng các mạng cảm biến đƣợc xây dựng từ nhiều cảm biến lên đến hàng trục, hàng trăm, thậm chí hàng ngàn cảm biến do vậy việc sử dụng dây kết nối các cảm biến sẽ gặp nhiều khó khăn cho quá trình thiết kế, lắp đặt và vận hành. Trong khu vực giám sát, các node cảm biến có thể thu thập và truyền dữ liệu tới bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng cách gửi trực tiếp hoặc đa hƣớng. Bộ thu nhận dữ liệu trung gian đóng vai trò nhƣ một cổng mạng giao tiếp với thiết bị ngƣời dùng thông qua một số kiến trúc truyền thông khác nhƣ Internet hay truyền thông vệ tinh. Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây. 3 Hiện nay, mạng cảm biến không đƣợc sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đồng thời mạng cảm biến không dây đang dần đƣợc cải tiến nâng cao hơn về chất lƣợng và phạm vi ứng dụng và đƣợc kì vọng có tiềm năng to lớn cho nhiều lĩnh vực ứng dụng nhƣ y tế, môi trƣờng, nông nghiệp, giao thông vận tải, quân sự, quốc phòng, giải trí và thực tế nó đang dần trở thành một phần không thể tách rời trong cuộc sống. 1.2. Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến không dây 1.2.1. Kích thước vật lý, năng lượng tiêu thụ Phần lớn các mạng cảm biến không dây đƣợc triển khai ngoài môi trƣờng tự nhiên với số lƣợng node cảm biến lớn đƣợc phân bố dày đặc trên phạm vi rộng do vậy kích thƣớc và năng lƣợng tiêu thụ của mỗi node đóng vai trò quyết định đến sự tồn tại lâu dài của chúng cũng nhƣ khả năng xử lý, lƣu trữ và tƣơng tác giữa các node cảm biến trong mạng. Nhiều ứng dụng đòi hỏi các node mạng có kích thƣớc rất nhỏ đảm bảo sự an toàn cho các node mạng, ví dụ nhƣ với mạng cảm biến triển khai trên chiến trƣờng thì yêu cầu an toàn cho node mạng và cho toàn bộ mạng là rất cần thiết do mạng cảm biến có thể bị kẻ địch phá hoại, hoặc đơn giản hơn là có thể bị tác động bởi các yếu tố của môi trƣờng tự nhiên. Năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ thu nhận tín hiệu, tính toán, truyền thông, lƣu trữ, trong đó năng lƣợng tiêu thụ ở mỗi node cảm biến là nhiều nhất. Mà một mạng cảm biến không dây chứa rất nhiều node mạng tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng vì vậy năng lƣợng tiêu hao bởi các node mạng không hề nhỏ chƣa kể các thành phần khác của mạng và sự thất thoát trong quá trình hoạt động. Hơn nữa, nguồn năng lƣợng cung cấp cho mạng cảm biến chủ yếu lấy từ pin trang bị sẵn và việc thay thế pin cho mạng cảm biến là không khả thi. Chính vì vậy, cần hạn chế thấp nhất sự tiêu thụ năng lƣợng ở các node mạng và duy trì năng lƣợng ở các node mạng để đảm bảo thời gian hoạt động cho toàn bộ mạng cảm biến. Ví dụ nhƣ có thể sử dụng pin sạc 4 đƣợc hoặc pin điện thoại là nguồn cấp năng lƣợng cho các node nhƣ vậy có thể sử dụng nhiều hơn một lần pin này, một giải pháp thƣờng đƣợc áp dụng là sử dụng pin mặt trời để cung cấp năng lƣợng cho node. Bên cạnh đó giải pháp đƣa ra để sử dụng năng luợng mạng sao cho hiệu quả nhƣ giảm công suất đƣờng truyền dữ liệu, thiết kế phần cứng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể tránh thực hiện nhiều ứng dụng trên một mạng, cho phép các node mạng tạm ngừng hoạt động khi không truyền dữ liệu, khi không truyền thông tin sẽ dừng phát sóng vô tuyến. Hiện nay công nghệ chế tạo vật liệu hệ vi cơ điện tử (MEMS- Micro Electro Mechanical Systems) với sự kết hợp của công nghệ vi điện tử, vi cơ khí và công nghệ đóng gói đã đƣa đƣợc kích thƣớc của các cảm biến và bộ chấp hành tới kích thƣớc rất nhỏ cỡ micro thậm chí nanomet, phần nào đáp ứng đƣợc yêu cầu về sự giới hạn kích thƣớc cũng nhƣ tiêu thụ năng lƣợng của node cảm biến và toàn mạng cảm biến đồng thời giảm giá thành cho phép chúng ta có điều kiện triển khai mạng cảm biến không dây trên diện rộng [8,9]. 1.2.2. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi Khả năng chịu lỗi của mạng cảm biến không dây thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thƣờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node cảm biến, hoặc trạm con trong mạng không hoạt động. Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mạng mà chúng ta thiết kế, bố trí các node cảm biến phù hợp. Thông thƣờng các node sẽ đƣợc phân bố dày đặc trong phạm vi khảo sát, thƣờng là những khu vực dễ bị tác động từ bên ngoài do có sự va chạm hoặc ảnh hƣởng của môi trƣờng tự nhiên nên các node mạng có thể bị hƣ hỏng, bị lỗi, khả năng bị lỗi cũng có thể xảy ra ngay trong quá trình truyền dữ liệu từ node về bộ thu nhận dữ liệu, quá trình trao đổi thông tin giữa các node hoặc do node hết năng lƣợng, đặc biệt là với các mạng yêu cầu các node hoạt động liên tục trong thời gian dài, ở môi trƣờng tự nhiên thì sự hƣ hỏng, bị lỗi của các node trong mạng là điều không tránh khỏi, bên cạnh đó khi một hoặc một số node cảm biến trong mạng bị lỗi hoặc bị hết năng lƣợng thì cấu trúc mạng sẽ bị thay đổi. Do đó khi 5 thiết kế mạng cần phải có giải pháp để nâng cao khả năng chịu lỗi của mạng nhằm duy trì trạng thái hoạt động, đảm bảo chất lƣợng của mạng, ngoài ra mạng cũng cần có sự tùy biến về cấu hình để đảm bảo thông tin trong mạng[8,9]. 1.2.3. Đa dạng trong thiết kế Phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây là đa dạng trong rất nhiều lĩnh vực, đối với mỗi lĩnh vực mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc thiết kế nhằm phục vụ cho một ứng dụng cụ thể với những đòi hỏi khác nhau về mục đích sử dụng, điều kiện ứng dụng nên yêu cầu về thiết bị vật lý, cấu trúc của mạng là khác nhau, do đó mạng cảm biến có thiết kế rất đa dạng. 1.2.4. Chi phí sản xuất thấp Chi phí mạng cảm biến thƣờng đƣợc yêu cầu thấp hơn chi phí mạng truyền thống, trong mạng cảm biến không dây có rất nhiều node cảm biến do vậy giá thành của mạng cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào giá thành của một node, có nhiều giải pháp đã đƣợc đƣa ra, chẳng hạn nhƣ giải pháp sử dụng công nghệ chế tạo MEMS nhƣ đã trình bày ở trên là một trong số đó. Ngoài những đặc điểm về thiết kế phần cứng của mạng cảm biến không dây điều quan trọng nhất đối với riêng mỗi thiết bị là phải dễ dàng tập hợp phần mềm phù hợp với kiến trúc phần cứng sao cho hiệu quả sử dụng là cao nhất. Cần thiết phải phát triển phần cứng có thể dùng chung 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 và phần mềm trong khả năng của công nghệ[9]. 1.3. Chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee trong mạng cảm biến không dây WSN có thể sử dụng một số công nghệ truyền dẫn không dây đƣợc thiết kế sẵn nhƣ Bluetooth, ZigBee, IEEE 802.15.4, Internet/GPRS..., trong đó IEEE 802.15.4 và Zigbee là hai công nghệ không dây thông dụng đƣợc áp dụng nhiều trong các hệ thống WSN, đặc biệt là các hệ thống giám sát trong nông nghiệp chính 6 xác do ít phức tạp, tiêu thụ điện năng thấp, chi phí cho một bộ giao thức truyền thông mạng không dây không cao[4,7]. 1.3.1. IEEE 802.15.4 [19] Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4: đƣợc xây dựng và phát triển bởi tổ chức IEEE. Nó nhấn mạnh việc truyền thông chi phí thấp của các thiết bị tầm ngắn với ít cơ sở hạ tầng bên dƣới, nhằm giảm tiêu thụ năng lƣợng. Ban đầu IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức OSI (Open Systems Interconnection-mô hình tham chiếu các hệ thống mở) là tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu, sau đó IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau. Các phƣơng pháp định tuyến đƣợc thiết kế sao cho năng lƣợng đƣợc bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp. Trong đó: Lớp vật lý có hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu và dịch vụ quản lý. Dịch vụ dữ liệu tập trung vào việc truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức lớp vật lý qua kênh truyền phát vô tuyến. Lớp MAC cũng cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu cho phép truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức MAC. Dịch vụ quản lý kết nối với MAC với lớp quản lý điểm truy cập dịch vụ trên dịch vụ dữ liệu của lớp vật lý. Về mặt truyền dẫn, topo mạng trong IEEE 802.15.4 đƣợc xây dựng dƣới dạng sao hoặc dạng ngang hàng. Các node cảm biến có thể tạo thành một topo hình sao khi phạm vi truyền dẫn đủ lớn để chúng có thể truyền dữ liệu trực tiếp đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian. Tuy nhiên, một truyền thông đa hƣớng là một trƣờng hợp phổ biến hơn của truyền dẫn mạng cảm biến. Trong topo dạng lƣới, các node cảm biến vừa phải đo lƣờng, xử lý và truyền dữ liệu riêng của chúng, vừa hoạt động nhƣ là cầu nối trễ tín hiệu chuyển tiếp cho các node cảm biến khác. 7 Hình 1.2. Các kiểu topo mạng IEEE 802.15.4 1.3.2. ZigBee [4,19] Chuẩn ZigBee đƣợc phát triển bởi ZigBee Alliance là một tổ chức các công ty viễn thông độc lập không phụ thuộc vào IEEE. Trên nền tảng của chuẩn IEEE 802.15.4, Zigbee xây dựng thêm lớp mạng và lớp ứng dụng đồng thời bổ sung thêm thông tin vào 2 lớp đã có của IEEE 802.15.4 tạo thành một công nghệ mạng LR WPANs của riêng mình. ZigBee có đầy đủ các đặc điểm của một hệ thống LR-WPANs đó là: dễ dàng triển khai, độ tin cậy cao, hoạt động tiêu thụ năng lƣợng thấp giúp kéo dài thời lƣợng pin. Đồng thời bộ giao thức hoạt động đơn giản và linh hoạt giúp dễ dàng kết hợp với các ứng dụng ở tầng trên. Lớp mạng ZigBee thƣờng hỗ trợ mạng sao và mạng nhánh, cũng nhƣ mạng lƣới chung. Trong một mạng không dây ZigBee, địa chỉ liên kết có thể là địa chỉ ngắn (16 bit) hoặc địa chỉ dài (64 bit) và mạng có thể chứa đƣợc rất nhiều thiết bị. ZigBee dùng đa truy cập sử dụng sóng mang để tránh xung đột giữa các sóng vô tuyến. Ngoài ra, để đảm bảo độ tin cậy truyền dữ liệu, ZigBee cũng thiết lập một giao thức truyền thông. Nhằm mục đích đảm bảo sự an toàn truyền thông dữ liệu giữa các thiết bị ZigBee, ZigBee sử dụng thuật toán chuẩn mã hóa tiên tiến với độ rộng khóa 128 bit, để xử lý mã hóa truyền thông tin dữ liệu. 8 Hình 1.3. Giao thức cơ bản theo chuẩn ZigBee. ZigBee là một kỹ thuật tiên tiến và hiện nay đƣợc công nhận là một giao thức mạng phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến không dây. IEEE 802.15.4 và ZigBee quy định truyền thông trên sóng radio trong phạm vi 10 mét đến khoảng 100 mét và hoạt động ở ba dải tần chính: Dải từ 868 MHz đến 868,8 MHz ở châu Âu: dải này chỉ có một kênh tín hiệu và tốc độ truyền là 20kb/s. Dải từ 902 MHz đến 928 MHz ở Mỹ, Canada, Úc: dải này có 10 kênh tín hiệu và tốc độ truyền thƣờng là 40kb/s. Dải từ 2,4 GHz đến 2,4835 GHz: có tính toàn cầu ở hầu hết các nƣớc trên thế giới: dải này có 16 kênh tín hiệu và tốc độ truyền 250kb/s[7]. 1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Sự xuất hiện của mô hình mạng cảm biến không dây đã mở ra các nghiên cứu sâu rộng về nhiều khía cạnh của nó. Trong phần này, luận văn sẽ trình bày tổng 9 quan về ứng dụng đƣợc phát triển dựa trên mô hình mạng cảm biến không dây. Với khả năng thu thập đƣợc nhiều loại dữ liệu, tại nhiều vị trí, trong những điều kiện khác nhau mạng cảm biến không dây có rất nhiều ứng dụng trên nhiều lĩnh vực bao gồm an ninh quốc gia, thu thập thông tin về quốc phòng, theo dõi và giám sát chiến trƣờng, giám sát môi trƣờng ở thành thị, theo dõi thời tiết, phân tích, và dự báo thời tiết, theo dõi tăng tốc địa chấn, nhiệt độ, tốc độ gió, từ giám sát các thông số của môi trƣờng ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng của cây trồng, vật nuôi, theo dõi tập quán sinh hoạt của động vật hoang dã, đến giám sát các yếu tố ảnh hƣởng đến con ngƣời, và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây ngày nay có thể đƣợc phân loại thành các loại sau: 1.4.1. Ứng dụng trong quân sự Mạng cảm biến không dây là một phần không thể tách rời trong lĩnh vực quân sự nhƣ các mệnh lệnh, kiểm soát, truyền thông, giám sát, trinh sát và theo dõi mục tiêu. Với khả năng có thể triển khai nhanh chóng, khả năng tự tổ chức, không yêu cầu nhiều sự can thiệp của con ngƣời và đặc tính chịu lỗi của mạng cảm biến là một ƣu điểm rất phù hợp cho việc ứng dụng trong quân sự, vì các mạng cảm biến đƣợc triển khai dày đặc các node với chi phí thấp nên sự hủy hoại của một số node bởi hành động thù địch của đối phƣơng không ảnh hƣởng đến hoạt động quân sự nhiều nhƣ khi phá hủy một mạng cảm biến truyền thống. Ngƣời ta sử dụng những cảm biến siêu nhỏ nhƣ những hạt bụi, chúng đƣợc phát tán tiếp cận lãnh thổ đối phƣơng để thu thập các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất của môi trƣờng, sự chuyển động của các đối tƣợng, các cảm biến còn đƣợc nghiên cứu mở rộng phạm vi tiếp cận quân địch trong điều kiện có thể gây nguy hiểm cho con ngƣời hay hệ thống, thậm chí các hạt hạt bụi thông minh còn đƣợc cấy vào cơ hay não nhằm giám sát đối tƣợng. Một số ứng dụng cụ thể trong lĩnh vực quân sự nhƣ: - Giám sát lực lượng, vũ khí [2,3]: Lực lƣợng quân đội số lƣợng trang thiết bị, vũ khí, đạn dƣợc trong kho sẽ đƣợc theo dõi một cách dễ dàng, liên tục nhờ 10 mạng cảm biến không dây. Thay vì thƣờng xuyên phải dùng nhân lực kiểm tra các kho lƣu trữ, các phƣơng tiện tác chiến, trang bị phục vụ quân đội thì các đối tƣợng sẽ đƣợc gắn cảm biến, xây dựng thành mạng để thu nhận thông tin, theo dõi và cập nhập lên web, ngƣời quản lý có thể theo dõi bất cứ khi nào muốn, việc ghi chép, phân phối lực lƣợng cũng trở nên dễ dàng hơn. - Giám sát chiến trường [2,3]: Trong công tác chiến đấu ngoài mặt trận, lực lƣợng quân đội không thể tránh khỏi những khó khăn về điều kiện địa hình hiểm trở với những con đƣờng mòn khó di chuyển, những tuyến đƣờng hay xảy ra lở đất hay những khu vực nguy hiểm con ngƣời khó có thể tiếp cận. Tuy nhiên sử dụng mạng cảm biến không dây việc triển khai giám sát địa hình trở nên thuận lợi hơn, dễ dàng biết đƣợc hoạt động của kẻ địch từ đó có phƣơng án tác chiến cho phù hợp. Với khả năng thu nhận tín hiệu nhạy bén, cùng khả năng tính toán xử lý thông tin với độ chính xác cao, dữ liệu thu đƣợc từ mạng cảm biến không dây sẽ giúp ngƣời chỉ huy đánh giá đƣợc tính chất nguy hiểm của chiến trƣờng, từ đó đƣa ra những quyết định đúng đắn trong tác chiến để hạn chế thiệt hại từ sự tấn công của quân địch, đồng thời mang lại ƣu thế cho quân bên mình. Bên cạnh đó, dữ liệu thu đƣợc còn giúp phát hiện sớm các cuộc tấn công bằng chất độc hóa học, sinh học. 1.4.2. Ứng dụng vào môi trường Điểm mạnh về khả năng tự điều phối của mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng rất rộng rãi và rất nhiều trong các ứng dụng có liên quan đến môi trƣờng nhƣ: theo dõi sự di chuyển của chim, động vật, côn trùng…, giám sát các điều kiện môi trƣờng ảnh hƣởng đến cây trồng và vật nuôi, ứng dụng vào nông nghiệp chính xác, giám sát môi trƣờng, phát hiện cháy rừng; giám sát theo dõi các hiện tƣợng tự nhiên, khí tƣợng, thời tiết. Cụ thể có thể kể đến nhƣ: - Theo dõi tập quán của động vật, côn trùng [2,9]: Tập quán sinh hoạt của các động vật trong rừng đặc biệt là các loài quý hiếm luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học. Hiện nay có rất nhiều động vật quý hiếm đang có nguy cơ bị tuyệt chủng cần đƣợc bảo vệ. Một mạng cảm biến không dây với các cảm biến 11