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