Tài liệu Nghiên cứu các phương pháp thu thập dữ liệu mới trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NINH XUÂN PHONG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG THÁI NGUYÊN 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi – Ninh Xuân Phong - cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Tuấn Minh. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Ninh Xuân Phong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN................................................... 7 KHÔNG DÂY WSN ....................................................................................................... 7 1.1 Giới thiệu về các nút cảm biến .............................................................................. 7 1.2 Ứng dụng ............................................................................................................... 8 1.2.1 Vận tải ............................................................................................................. 8 1.2.2 Giám sát và điều khiển công nghiệp .............................................................. 8 1.2.3 Nông nghiệp .................................................................................................. 10 1.2.4 Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật ........................................................ 11 1.3 Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo .......................... 11 1.3.1 Cấu trúc liên kết mạng dạng sao. .................................................................. 11 1.3.2 Cấu trúc liên kết mạng dạng cây ................................................................... 12 1.3.3 Cấu trúc liên kết dạng lưới ............................................................................ 13 1.4 Các giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây....................................... 14 1.4.1 ZigBee. ......................................................................................................... 14 1.4.2 Bluetooth (BLE) ............................................................................................ 15 1.4.3 Wifi ................................................................................................................ 17 1.4.4 RF – Tín hiệu tần số vô tuyến ....................................................................... 17 1.5 Nền tảng phần cứng ............................................................................................. 18 1.5.1 Nhà cung cấp hạ tầng cảm biến (SInP). ........................................................ 18 1.5.2 Nhà cung cấp dịch vụ mạng ảo hóa cảm biến (SVNSP). .............................. 18 1.5.3 Ứng dụng người dùng (ALU)........................................................................ 19 1.6 Công nghệ hiện đại .............................................................................................. 19 1.6.1 Ảo hóa cấp nút ............................................................................................... 19 1.6.2 Ảo hóa cấp mạng ........................................................................................... 22 1.6.3 Giải pháp ảo hóa kết hợp ............................................................................... 24 1.7 Ưu điểm và nhược điểm của ảo hóa mạng .......................................................... 24 1.7.1 Ưu điểm ......................................................................................................... 24 1.7.2 Nhược điểm ................................................................................................... 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv CHƯƠNG 2: CÁC DỰ ÁN ẢO HÓA MẠNG............................................................. 30 2.1 Đặc điểm .............................................................................................................. 30 2.1.1 Công nghệ mạng ............................................................................................ 30 2.1.2 Lớp ảo hóa ..................................................................................................... 30 2.1.3 Miền kiến trúc ............................................................................................... 30 2.1.4 Mức độ chi tiết của ảo hóa ............................................................................ 31 2.2 Công nghệ mạng .................................................................................................. 31 2.2.1 Mạng IP : X-Bone ......................................................................................... 31 2.2.2 Mạng ATM: Tempest .................................................................................... 32 2.3 Lớp ảo hóa ........................................................................................................... 32 2.3.1 Lớp vật lý UCLP .......................................................................................... 32 2.3.2 Lớp liên kết VNET ....................................................................................... 33 2.3.3 Lớp mạng AGAVE........................................................................................ 33 2.3.4 Lớp ứng dụng VIOLIN ................................................................................. 34 2.4 Miền kiến trúc ...................................................................................................... 34 2.4.1 Quản lý mạng: VNRMS ................................................................................ 34 2.4.2 Mạng hoạt động ảo: NetScript ...................................................................... 35 2.4.3 Mạng tái sinh : Genesis ................................................................................. 35 2.4.4 Cơ sở thí nghiệm: FEDERICA ...................................................................... 35 2.5 Độ chi tiết của ảo hóa .......................................................................................... 36 2.5.1 Ảo hóa nút: PlanetLab ................................................................................... 36 2.5.2 GENI ............................................................................................................. 37 2.5.3 VINI ............................................................................................................... 37 2.5.4 4WARD ......................................................................................................... 38 2.5.5 Ảo hóa hoàn toàn: CABO ............................................................................. 39 CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ....................................................................................... 40 3.1 Định tuyến PA tối đa. .......................................................................................... 41 3.2 Định tuyến năng lượng thấp nhất (ME) ............................................................... 41 3.3 Định tuyến đường đi ngắn nhất (Min-Hop) ........................................................ 41 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ........................................................................................... 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v 4.1 CONTIKI OS ...................................................................................................... 43 4.1.1 Định nghĩa CONTIKI OS.............................................................................. 43 4.1.2 COOJA là gì ? .............................................................................................. 43 4.1.3 Đặc tính của Contiki ..................................................................................... 43 4.1.5 Mô phỏng các giao thức mạng. ..................................................................... 51 4.2.2 Ứng dụng hệ điều hành Tiny. ........................................................................ 60 4.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của TinyOS. ........................................................... 61 4.3 So sánh hệ điều hành CONTIKI OS và TINY OS .............................................. 74 4.4 Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng ............................................................... 75 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 76 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 : Giải pháp ảo hóa cấp nút ................................................................................... 3 Hình 2 : Giải pháp dựa trên cụm mạng cảm biến không dây WSN ................................ 4 Hình 3 : Giải pháp dựa trên mạng ảo VSN ..................................................................... 4 Hình 4a : Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển ................................ 5 Hình 4b: Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo .......................................... 5 Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến ...................................................................................... 8 Hình 7 : Ứng dụng WSN trong công nghiệp ................................................................ 10 Hình 8 : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở và giám sát động vật .......................................... 11 Hình 9 : Cấu trúc liên kết mạng sao .............................................................................. 12 Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng cây............................................................................. 12 Hình 11: Cấu trúc liên kết dạng lưới ............................................................................. 13 Hình 12 : Module Xbee ................................................................................................. 14 Hình 13: Bluetooth ........................................................................................................ 16 Hình 14: Wifi ................................................................................................................ 17 Hình 15: Những module RF phổ biến ........................................................................... 18 Hình 16: Kiến trúc mạng cảm biến ảo .......................................................................... 19 Hình 17: Ảo hóa cấp độ nút .......................................................................................... 20 Hình 18: Ảo hóa cấp mạng............................................................................................ 23 Hình 19: Giải pháp ảo hóa kết hợp. .............................................................................. 26 Hình 20: Năng lượng có sẵn (PA) và các tuyến đường ................................................ 40 Hình 21 : Giá trị định tuyến của các đường dẫn ........................................................... 42 Hình 22: Boot Ubuntu ................................................................................................... 45 Hình 23: Đăng nhập ...................................................................................................... 46 Hình 24: Mở cửa sổ ....................................................................................................... 47 Hình 25: Khởi động Cooja ............................................................................................ 47 Hình 26: Tạo mô phỏng ................................................................................................ 48 Hình 27: Cài đặt tùy chọn mô phỏng ............................................................................ 48 Hình 28: Cửa sổ làm việc .............................................................................................. 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii Hình 29: Thêm mote ..................................................................................................... 50 Hình 31: Ứng dụng Contiki........................................................................................... 51 Hình 32 : Thêm mote .................................................................................................... 51 Hình 33: Mô phỏng 10 mote ......................................................................................... 52 Hình 34 : Địa chỉ IPv6 .................................................................................................. 52 Hình 35. Giao thức định tuyến Contiki cho mạng năng lượng thấp và tổn thất (RPL). 53 Nếu thay đổi IP của mote lân cận thay vì IP máy chủ, bạn sẽ thấy dữ liệu truyền của mote đó. ......................................................................................................................... 53 Hình 36: Mote dữ liệu ................................................................................................... 53 Hình 37: Mô phỏng với 50 mote ................................................................................... 54 Hình 38: RPL - Theo dõi năng lượng 50 mote sau 3 phút ............................................ 54 Hình 44: Cách biên dịch tập tin Tiny OS ...................................................................... 60 Hình 45: Terminal Ubuntu ............................................................................................ 63 Hình 46: Cài đặt công cụ trong TinyOS ....................................................................... 64 Hình 47: Kết thúc cài đặt .............................................................................................. 64 Hình 48: Mô phỏng Tossim .......................................................................................... 68 Hình 49: Python ............................................................................................................ 68 Hình 51: Mô phỏng mạng JTossim ............................................................................... 70 Hình 52: Project Wizard mới ........................................................................................ 70 Hình 53: Nạp Project ..................................................................................................... 71 Hình 54: Mô phỏng các mote ........................................................................................ 71 Hình 55: Tin nhắn xuất ra trong Jtossim ....................................................................... 72 Hình 56: TinyOS CTP ................................................................................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT WSNs IoTs Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Internet of Things Mạng lưới vạn vật kết nối Internet IoS Internet of Services Dịch vụ mạng VSN Virtual Sensor Network Mạng cảm biến ảo CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ liệu API Application provider interface Giao thức lập trình ứng dụng Analog-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự số VWSN Virtual Wireless Sensor Network Ảo hóa mạng cảm biến WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân ADC IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện kỹ nghệ điện và điện Engineers tử Physical layer Lớp vật lý WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây SInP Sensor Infrastructure Provider Nhà cung cấp hạ tầng cảm PHY biến SGR Sensor Gateway Routers Bộ định tuyến mạng cảm biến SVNSP Sensor Virtualization Network Nhà cung cấp dịch vụ Service Provider mạng cảm biến ảo Application Level User Ứng dụng người dùng VR Virtual Router Bộ định tuyến ảo VH Virtual host Máy chủ ảo NP Network Planes Mặt bằng mạng VL Virtual Link Liên kết ảo Medium Access Control Điều khiển truy cập kênh ALU MAC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ix truyền VPN Virtual Private Network Mạng cá nhân ảo M2M Machine to Machine Giao tiếp máy với máy Vehicular Ad-hoc Area Network Mạng khu vực dành cho VANET phương tiện TCP Transmission Control Protocol Giao điều thức khiển truyền vận RPL Routing Protocol for Low Power and Giao thức định tuyến cho Lossy Networks mạng suy hao và mạng công suất thấp BLE Bluetooth Lower Energy Bluetooth năng lượng thấp CoAP Constrained Application Protocol Giao thức ứng dụng ép buộc QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến Near Field Communication Giao thức giao tiếp trường NFC gần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Song song với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này. Được sự định hướng và chỉ dẫn của thầy Nguyễn Tuấn Minh, tôi đã chọn đề tài luận văn “NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO”. Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, ảo hóa mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến và phương pháp thu thập dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Trong luận văn còn thực hiện một số mô phỏng các giao thức mạng, các giao thức định tuyến với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một chương trình mô phỏng. Nội dung của luận văn được thể hiện qua 5 chương : Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) Chương 2: Các dự án ảo hóa mạng Chương 3: Các giao thức định tuyến trong thu thập dữ liệu và tiết kiệm năng lượng Chương 4: Mô phỏng các giao thức mạng và giao thức định tuyến Chương 5: Kết luận. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2 GIỚI THIỆU CHUNG Cùng với sự phát triển của con người, sự góp mặt của công nghệ thực sự cần thiết để phát triển thế giới, cải thiện đời sống con người. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ 4.0, giao tiếp không dây ngày càng phát triển vượt bậc. Đặc biệt là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSNs) [1], [2] là thành phần cốt yếu trong sự phát triển mẫu mô hình thế giới vạn vật – Internet of Things ( IoTs). Mạng cảm biến không dây được ứng dụng đa dạng trên mọi lĩnh vực của cuộc sống như : Y tế, nông nghiệp, công nghiệp, môi trường, quân đội,vv. Mạng cảm biến không dây chứa một vài đến hàng nghìn nút cảm biến không dây nhỏ có khả năng tự cảm nhận, tính toán và giao tiếp giúp con người và máy móc có thể giao tiếp trực tiếp với môi trường. Những tiến bộ gần đây trong truyền thông và điện tử không dây ngày càng phát triển với chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, đa chức năng và kích thước nhỏ [3]. Mỗi nút cảm biến được trang bị một bộ xử lý riêng. Bên cạnh đó còn tồn tại một số mặt hạn chế như: giao tiếp trong khoảng cách ngắn; hạn chế về khả năng kết nối giữa các nút cảm biến, cảm biến chạy bằng pin thuận tiện cho việc phân tích dữ liệu trong từng nút yêu cầu bộ nhớ lớn, chi phí cao và hạn chế năng lượng. Trong trường hợp này các nút cảm biến thường được phân tán một cách ngẫu nhiên và không thể điều khiển các cảm biến hoạt động. Giải pháp cho những vấn đề này là Ảo hóa mạng cảm biến không dây (Virtual Sensor Network - VSN) để giúp WSN có thêm năng lượng, bộ nhớ và thời lượng pin kéo dài. Trong bài viết này, phần đầu tôi đề cập về khái niệm mạng cảm biến không dây, trong đó các nút cảm biến dựa vào nguồn năng lượng tiện dụng, được gọi là mạng cảm biến không dây cung cấp bởi pin hoặc nguồn điện viết tắt là WSN-HEAP[4] và một số phương pháp về thu thập năng lượng để sạc pin bổ sung [5], [6], nhưng chủ yếu tập trung vào các thiết bị điều khiển trong mạng cảm biến không dây thông qua trang web dựa trên dữ liệu được thu thập từ cảm biến hoặc ứng dụng trên điện thoại thông minh. Khái niệm ảo hóa cho phép người dùng chuyển đổi tài nguyên vật lý thành tài nguyên ảo. Một VSN được xây dựng từ một hoặc một vài WSN để làm cho WSN trở nên linh hoạt, đa dạng và hiệu quả hơn. Ảo hóa WSN có thể được phân thành ba loại: ảo hóa cấp độ nút, ảo hóa cấp mạng và ảo hóa hỗn hợp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3 Ảo hóa cấp nút cho phép nhiều tác vụ chạy đồng thời trên một nút cảm biến để chia sẻ dữ liệu được thu thập từ WSN, để nút cảm biến có thể trở thành thiết bị đa mục đích (Hình 1). Để đạt được mức ảo hóa cấp nút có hai cách: Thực thi tuần tự và thực thi tương tự. Trong thực thi tuần tự: Thực thi lần lượt các tác vụ. - Ưu điểm: Đơn giản khi vận hành. - Nhược điểm: Các tác vụ khác phải chờ trong một thời gian dài. Trong thực thi tương tự: Thực thi nhiều tác vụ cùng một lúc. - Ưu điểm: Mất ít thời gian hơn để thực thi, những tác vụ hoạt động nhanh hơn sẽ không bị chặn bởi các tác vụ hoạt động chậm hơn. - Nhược điểm: Vận hành phức tạp. Hình 1 : Giải pháp ảo hóa cấp nút Ảo hóa cấp mạng trong mạng cảm biến không dây (WSN) đang tích hợp cho mạng cảm biến ảo (VSN). Một VSN được hình thành bởi một tập hợp các nút của WSN dành riêng cho một tác vụ tại một thời điểm nhất định để đảm bảo hiệu quả tài nguyên, bởi vì các nút còn lại có sẵn cho nhiều mức khác nhau trong các tác vụ. Ảo hóa cấp mạng WSN có thể thực hiện theo hai cách khác nhau. - Nhiều VSN trên cơ sở một WSN đơn (Hình 2). Các nút WSN không phải là một phần của bất kỳ VSN nào có sẵn cho các ứng dụng khác. Như trong hình đầu tiên, mỗi VSN sẽ thực hiện một số nhiệm vụ nhất định, nó có thể tương tác với những VSN khác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 4 Hình 2 : Giải pháp dựa trên cụm mạng cảm biến không dây WSN - Một VSN đơn trên cơ sở nhiều WSN (Hình 3). Tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa chúng diễn ra nhanh hơn. Hình 3 : Giải pháp dựa trên mạng ảo VSN Ảo hóa hỗn hợp được kết hợp từ giải pháp ảo hóa cấp nút và ảo hóa cấp mạng. Nó có thể được chia thành ba loại: - Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển (Hình 4a): WSN triển khai được chia thành nhiều cụm bao gồm các nút cảm biến. Mỗi cụm được dành riêng cho một hoặc nhiều ứng dụng và được các lập trình viên coi là một thực thể duy nhất. Các ứng dụng có thể trải rộng trên nhiều cụm khác bằng cách chạy các tác vụ dành riêng cho ứng dụng trong mỗi cụm. Mỗi cụm bao gồm một nút cảm biến đóng vai trò là nút chính và một số nút cảm biến còn lại đóng vai trò là nút thành viên. Các nút cảm biến có thể có vai trò kép, tức là một nút cảm biến có thể đóng vai trò là nút chính cho một ứng dụng đồng thời nó có thể là nút thành viên cho một ứng dụng khác. Vai trò của mỗi nút phụ thuộc vào các tác vụ ứng dụng nằm trong nút cảm biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 5 Hình 4a : Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển - Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo / lớp phủ ảo (Hình 4b): Lớp phủ cấp mạng được tạo để nhóm các nút WSN thực thi ứng dụng tương tự, sử dụng giao thức cây thu thập dữ liệu (CTP) [7]. Các nhóm vật lý phân tán thực thi các ứng dụng tương tự có thể được tham gia vào một mạng lớp phủ duy nhất. Để cách ly giữa lưu lượng truy cập từ nhiều ứng dụng khác nhau, mỗi gói ứng dụng được sửa đổi bao gồm ID ứng dụng cùng với số thứ tự, địa chỉ gốc và địa chỉ đích. Một ứng dụng có thể được thực hiện bởi các nút cảm biến vật lý phân tán. Liên kết các cụm phân tán này vào một mạng được kết nối ảo duy nhất yêu cầu giao thức hình thành lớp phủ sử dụng cấu trúc liên kết CTP cơ bản để kết nối các cụm với nhau trong một mạng được kết nối ảo. Giao thức hoạt động bằng cách làm cho mỗi nút cảm biến định tuyến các gói của nó đến cụm gần nhất. Hình 4b: Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo - Máy ảo và các giải pháp dựa trên nhóm động (Hình 4c): Nhóm động của các nút WSN được triển khai để thực thi đồng thời nhiều ứng dụng. Các nút WSN có thể là một phần của nhiều nhóm logic cùng một lúc. Mỗi nhóm logic được dành riêng cho Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 6 một ứng dụng và việc triển khai hỗ trợ tối đa 16 nhóm cùng tồn tại trong WSN. Một mã ứng dụng mới được cập nhật một cách thụ động giữa các thành viên của nhóm bằng cách sử dụng các mục tiêu thiết kế đã nói ở trên. Tất cả các nút WSN duy trì thông tin phiên bản của các ứng dụng và triển khai nó trong nhóm làm cho các nút WSN tự nhận biết khi nào cần cập nhật mã ứng dụng. Điều này tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm các giao tiếp không cần thiết, nhưng dễ phát sinh chi phí của độ trễ. Các nút cảm biến trong một nhóm logic thực hiện một ứng dụng tại một thời điểm, do đó mỗi ứng dụng có thể bị ảnh hưởng bởi lỗi thời gian chạy từ ứng dụng khác. Bài viết trình bày dựa trên mô phỏng cũng như kết quả thực hiện. Hình 4c: Máy ảo và các giải pháp dựa trên nhóm động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 1.1 Giới thiệu về các nút cảm biến Cảm nhận, xử lý và giao tiếp được diễn ra trực tiếp bên trong nút. Chất lượng, kích thước và tần suất của dữ liệu nhận được có thể được phân tích từ mạng bị ảnh hưởng bởi các tài nguyên vật lý có sẵn trong nút [8]. Mục tiêu thiết kế chính của nút cảm biến là tập trung vào mặt thương mại, tăng tính linh hoạt (để dễ dàng cho quá trình triển khai và thích nghi nhanh chóng vào môi trường) và tiết kiệm năng lượng (khả năng xử lý, giao tiếp, bộ nhớ và khả năng lưu trữ). Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và bộ nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 5 . Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa 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 nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo truyền thông tin giữa nút 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 nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc nguồn năng lượng mặt trời, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến. Do không thể liên tục thay thế nên nguồn năng lượng của nút thường bị giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ. Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 8 Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến Tùy vào mỗi môi trường khác nhau: dưới nước, trong lòng đất, trên mặt đất,v.v… thì sẽ triển khai kiểu mạng không dây khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống. 1.2 Ứng dụng 1.2.1 Vận tải Mạng cảm biến không dây cho phép thu thập thông tin giao thông thời gian thực bằng cách cài đặt mạng tại các vị trí chiến lược xung quanh thành phố. Có thể sắp xếp nguồn cấp dữ liệu hoạt động liên quan đến tắc nghẽn và các vấn đề giao thông mà sau đó có thể điều tiết giao thông cho phép các phương Hình 6 : Vận tải trong WSN tiện tiếp tục di chuyển hoặc dừng lại. 1.2.2 Giám sát và điều khiển công nghiệp Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong lĩnh vực này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 9 thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ,vv. Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện rộng thì mạng cảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội. Đó là hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo. Rất nhiều chi phí trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn (các chuyển mạch có dây, các bóng đèn được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn,vv). Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển từ xa có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn trong một theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo. Hay việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an toàn công nghiệp. Các mạng cảm biến không dây này có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra (và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát). Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó. Trong một ứng dụng khác, đó là quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 10 1.2.3 Nông nghiệp Hình 7 : Ứng dụng WSN trong công nghiệp Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh. Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí. Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 11 1.2.4 Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật Hình 8 : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở và giám sát động vật Trong các tình huống cụ thể giám sát loại sự kiện này có thể thực sự quan trọng. Có thể có những phiến đá trên núi. Để bảo vệ động vật khỏi các phiến đá, các nút cảm biến được triển khai dọc theo các khu vực núi. Có các hệ thống tín hiệu khẩn cấp để làm cho người dân và động vật nhận thức được. Một WSN vật lý duy nhất được triển khai, nhưng nó được sử dụng bởi hai VWSN. Một VWSN giám sát các slide đá và một VWSN khác giám sát các động vật băng qua địa hình đồi núi. Cả hai ứng dụng được kết xuất bởi hai VWSN đều sử dụng cùng một nút cảm biến vật lý và chuyển tiếp dữ liệu đến các hệ thống tín hiệu và tới các nút thành viên. 1.3 Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo 1.3.1 Cấu trúc liên kết mạng dạng sao. Cấu trúc liên kết sao [9] được thiết kế với mỗi nút ( tệp máy chủ, trạm gốc và thiết bị ngoại vi) được kết nối trực tiếp với một trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung mạng. Dữ liệu trên mạng sao được di chuyển qua trung tâm, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung trước khi tiếp tục đến đích. Trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung quản lý và kiểm soát tất cả các chức năng của mạng. Nó cũng hoạt động như một bộ lặp cho luồng dữ liệu. Cấu hình này là phổ biến với cáp xoắn đôi, tuy nhiên nó cũng có thể được sử dụng với cáp đồng trục hoặc cáp quang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn