Tài liệu Nghiên cứu giải thuật thứ bậc nhóm thích ứng năng lượng thấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN KIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT THỨ BẬC NHÓM THÍCH ỨNG NĂNG LƢỢNG THẤP LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN KIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT THỨ BẬC NHÓM THÍCH ỨNG NĂNG LƢỢNG THẤP Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VƢƠNG ĐẠO VY HÀ NỘI 2014 LỜI CAM ĐOAN Trong thời gian nghiên cứu, học tập ở trƣờng, với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô trong khoa và các bạn cùng lớp, đặc biệt có sự dìu dắt chỉ bảo trực tiếp từ thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS.Vƣơng Đạo Vy tôi đã hoàn thành bản luận văn này. Tôi cam đoan luận văn không có sự trùng lặp với các công trình khoa học, luận văn đã công bố trƣớc đây. Đảm bảo tính rõ ràng, trung thực, có sự trích dẫn đầy đủ tài liệu tham khảo. Một lần nữa tôi xin khẳng định về tính trung thực của lời cam kết trên. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Học viên thực hiện: Trần Kiên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………2 DỤC CÁC BẢNG…………………………………………………………………6 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………………….7 MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………..9 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN)….10 1.1 Giới thiệu……………………………………………………………………...10 1.2 Cấu tạo nút cảm biến………………………………………………………….11 1.2.1 Vi điều khiển………………………………………………………….....11 1.2.2 Sensor…………………………………………………………………....11 1.2.3 Bộ phát vô tuyến………………………………………………………...11 1.2.4 Nguồn nuôi……………………………………………………………...11 1.3 Mô hình tổng quan mạng………………………………………………….......12 1.3.1 Hai loại nút mạng………………………………………………………..12 1.3.2 Truyền đơn chặng và đa chặng………………………………………….12 1.4 Mô hình phân tầng mạng……………………………………………………...13 1.5 Các cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến…………………………………..14 1.5.1 Cấu trúc phẳng (Flat architecture)…………………………………......14 1.5.2 Cấu trúc tầng (Tiered architecture)…………………………………… 15 1.6 Một số chuẩn của mạng cảm biến……………………………………………16 1.7 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây……………………………………17 1.7.1 Ứng dụng trong môi trƣờng…………………………………………….17 1.7.2 Ứng dụng trong y tế…………………………………………………….18 1.7.3 Ứng dụng trong gia đình……………………………………………….19 1.7.4 Ứng dụng trong giao thông…………………………………………….19 1.7.5 Ứng dụng trong nông nghiệp…………………………………………..20 1.7.6 Ứng dụng trong quân sự, an ninh………………………………………20 1.8 Những thách thức và mục tiêu phát triển mạng cảm biến không dây……….21 1.8.1 Những thách thức của mạng cảm biến không dây ………………….....21 1.8.2 Mục tiêu phát triển…………………………………………………….21 Kết luận:…………………………………………………………………… 22 CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY………………………………………………………..22 2.1 Giới thiệu……………………………………………………………………..22 2.2 Những thách thức trong vấn đề định tuyến…………………………………..23 2.2.1 Tính động của mạng………………………………………………...23 2.2.2 Tính ngẫu nhiên trong phân bố các nút……………………………..23 2.2.3 Vấn đề năng lƣợng cho mạng……………………………………….23 2.2.4 Phƣơng thức truyền …………………………………………………24 2.2.5 Khả năng của các nút………………………………………………..24 2.2.6 Vấn đề tập hợp thông tin………………………………………….....25 2.3 Các loại giao thức định tuyến………………………………………………..25 2.3.1 Định tuyến phẳng……………………………………………………26 2.3.1.1 SPIN………………………………………………………..26 2.3.1.2 Directed Diffusion…………………………………………28 2.3.2 Định tuyến theo vị trí………………………………………………..31 2.3.2.1 GAF (Global Assessment of Functioning)………………...31 2.3.2.2 GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing)………....33 2.3.3 Định tuyến phân cấp (Hierarchical protocols)………………………34 2.3.3.1 LEACH………………………………………………….. ..34 2.3.3.2 Multi-hop LEACH…………………………………………39 Kết luận:…………………………………………………………………………..39 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ GIẢI THUẬT LEACH……….....39 3.1 Giới thiệu nội dung bài báo…………………………………………………..39 3.2 Cải tiến LEACH bằng quá trình truyền đa chặng…………………………. ...40 3.3 Tính toán liên quan đến sự tiêu hao năng lƣợng trong LEACH……………....45 3.3.1 Tính toán các thông số cơ bản mạng…………………………….......45 3.3.2 Tiêu hao năng lƣợng khi truyền dữ liệu đơn chặng và đa chặng….47 3.4 Mô phỏng giao thức trên matlab……………………………………………49 3.4.1 Giả thiết mô phỏng………………………………………………...49 3.4.2 Thông số và kết quả mô phỏng……………………………………51 Kết luận:………………………………………………………………………...56 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN………………………………………………………58 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………59 DANH MỤC CÁC BẢNG Hình 1.1 Mô hình một mạng cảm biến thông thƣờng Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến EYES Hình 1.3 Mô hình mạng Hình 1.4 Truyền đơn chặng và truyền đa chặng Hình 1.5 Mô hình phân tầng mạng WSN Hình 1.6 Cấu trúc phẳng Hình 1.7 Cấu trúc tầng Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trƣờng của WSN Hình 1.9 Mạng WSN phát hiện cháy rừng Hình 1.10 Ứng dụng WSN trong chăm sóc bệnh nhân Hình 1.11 Ứng dụng WSN trong gia đình Hình 1.12 Ứng dụng WSN trong giao thông công cộng Hình 1.13 Ứng dụng WSN trong nông nghiệp Hình 1.14 Ứng dụng WSN trong quân sự Hình 2.1 Phân loại định tuyến trong WSN Hình 2.2 Phƣơng thức định tuyến SPIN Hình 2.3 Hoạt động của Directed Diffusion Hình 2.4 Mạng lƣới ảo trong GAF Hình 2.5 Quá trình biến đổi trạng thái ở GAF Hình 2.6: Time-line hoạt động của LEACH. Hình 3.1 Truyền dữ liệu trực tiếp từ các nút tới trạm cơ sở[1] Hình 3.2 Sử dụng giao thức LEACH [1] Hình 3.3 Sử dụng Multi-hop LEACH [1] Hình 3.4 Sơ đồ năng lƣợng trong quá trình truyền, nhận L bit dữ liệu Hình 3.5 Sơ đồ truyền l bit dữ liệu từ A tới C bằng Single-hop và Multi-hop Hình 3.6 Sơ đồ logic với quá trình chọn nút chuyển tiếp Hình 3.7 Một mô hình Intra Multi-hop LEACH với 3 nút chuyển tiếp: CH1, CH2, CH3 và 6 nút chủ cụm: CH11, CH12, CH21, CH22, CH31 Hình 3.8 Các nút đƣợc phân bố một cách ngẫu nhiên trên diện tích 100 x 100 (m2) Hình 3.9 Kết quả mô phỏng với giao thức LEACH (100 nút) Hình 3.10 Kết quả mô phỏng với Multi-hop LEACH (100 nút) Hình 3.11 Kết quả mô phỏng với LEACH (200 nút) Hình 3.12 Kết quả mô phỏng với Multi-hop LEACH DANH SÁCH KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt ACK Chữ đầy đủ Acknowledgement Nghĩa tiếng Việt Bản tin phúc đáp ADC ADV AoA BS CDMA DD EDD GAF GEAR Analog-to-Digital Converter Advertise Angle of Arrival Base Station (Sink) Code Division Multiple Access Directed Diffusion Enhanced Directed Diffusion Geographic adaptive fidelity Geographic and Energy-Aware Routing Global Positioning System Low-energy adaptive clustering hierarchy Media Access Control Bộ chuyển đổi tương tự - Số Bản tin quảng bá Góc đến Trạm gốc Đa truy nhập phân chia theo mã Truyền tin trực tiếp Truyền tin trực tiếp nâng cao Giải thuật chính xác theo địa lý Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng hiệu quả năng lượng Hệ thống định vị toàn cầu Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp Điều khiển truy nhập môi trường Tổng hợp năng lượng trong các hệ thống thông tin cảm biến Chất lượng dịch vụ Bản tin yêu cầu Độ mạnh tín hiệu thu được Bộ chỉ thị độ mạnh tín hiệu thu được Định tuyến phân phối tuần tự Giao thức quản lí mạng cảm biến Giao thức cho thông tin dữ liệu thông qua đàm phán Giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng cảm biến Giao thức điều khiển truyền dẫn GPS LEACH MAC PEGASIS QoS REQ RSS RSSI SAR SMP SPIN SQDDP TADAP TCP Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems Quality of Service Request Received Signal Strength Received Signal Strength Indicator Sequential Assignment Routing Sensor Management Protocol Sensor protocols for information via negotiation Sensor Query and Data Dissemination Protocol Task Assignment and Data Advertisement Protocol Transmission Control Protocol TDMA TEEN ToA UDP WINS WSN Đa truy nhập phân chia theo thời gian Threshold sensitive Energy Giao thức hiệu quả về năng Efficient sensor Network protocol lượng nhạy cảm với mức ngưỡng Time of Arrival Thời gian đến User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng Wireless Integrated Network Cảm biến mạng tích hợp không Sensors dây Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Time Division Multiple Access MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, mạng cảm biến đã và đang đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi đặc biệt là mạng cảm biến không dây. Việc nghiên cứu để cải thiện, sử dụng hiệu quả mạng cảm biến không dây là vấn đề đang đƣợc nhiều nhà nghiên cứu và các cơ quan, tổ chức quan tâm. Trong thực tế, việc ứng dụng mạng cảm biến không dây vào đời sống, khoa học kỹ thuật, quân sự, y tế, môi trƣờng,... đã bộc lộ nhiều tiềm năng to lớn cũng nhƣ những thách thức cần phải khắc phục. Một trong những thách thức đó là nguồn năng lƣợng cung cấp cho các nút mạng hoạt động là giới hạn và không thể cung cấp lại. Đã có rất nhiều nghiên cứu đƣợc đƣa ra và thực hiện, một trong những xu hƣớng nghiên cứu đó là sử dụng các giao thức định tuyến để sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng mạng cảm biến không dây. Cho đến nay, giao thức định tuyến thứ bậc nhóm thích ứng năng lượng thấp (LEACH) là một trong số những giao thức đƣợc nghiên cứu và áp dụng phổ biến nhất bởi nó có tính hiệu quả sử dụng năng lƣợng cao, kéo dài đƣợc đáng kể thời gian sống cho mạng. Vì thế đề tài luận văn: “Nghiên cứu giải thuật thứ bậc nhóm thích ứng năng lƣợng thấp (LEACH) trong mạng cảm biến không dây” với mong muốn tìm hiểu kỹ giao thức, áp dụng đƣợc trong thực tiễn khi triển khai một mạng cảm biến không dây trong thực tế với sự hƣớng dẫn của PGS.TS Vƣơng Đạo Vy. Nội dung luận văn chủ yếu liên quan đến việc tìm hiểu, nghiên cứu giao thức LEACH về lý thuyết và tiến hành bằng thực nghiệm mô phỏng giao thức theo một số mô hình mạng giả định để thu kết quả tiêu thụ năng lƣợng. Từ những kết quả mô phỏng tác giả tái khẳng định các giá trị của giao thức và đƣa ra các khuyến nghị ứng dụng nó trong thực tế. Luận văn gồm bốn chƣơng. Chƣơng 1 giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN), tiềm năng, thách thức và ứng dụng. Chƣơng 2 nghiên cứu về giải thuật giao thức định tuyến LEACH. Chƣơng 3 nghiên cứu về hiệu quả tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây khi sử dụng LEACH thông qua mô phỏng. Và cuối cùng là những kết luận nhận xét rút ra từ những kết quả nghiên cứu đã thu đƣợc. 1 Mặc dù đã có những cố gắng, nhƣng do hạn chế về trình độ và tài liệu nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót. Tác giả kính mong nhận đƣợc các ý kiến nhận xét và đóng góp của quý thầy, cô, bạn bè để tác giả có đƣợc sự hiểu biết hoàn thiện, đầy đủ hơn. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, tác giả nhận đƣợc sự giúp đỡ, động viên của rất nhiều ngƣời. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS.Vƣơng Đạo Vy ngƣời đã định hƣớng và chỉ bảo tận tình để tác giả có hƣớng đi đúng, hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và quý thầy cô trong khoa đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả để học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Học viên Trần Kiên 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) Chƣơng này trình bày các kiến thức chung nhất về mạng WSN, về cấu trúc của các nút mạng cũng nhƣ của toàn mạng, các đặc điểm hoạt động của mạng, những ứng dụng đa dạng và phong phú của mạng WSN trong đời sống , trong khoa học công nghệ, trong quân sự, … đồng thời giới thiệu sơ lƣợc những thách thức mà mạng phải đối diện khi triển khai trong thực tế. 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút cảm biến liên kết với nhau trên một hệ thống kiến trúc mạng không dây linh hoạt trong đó các nút là các cảm biến nhỏ, giá thành rẻ, có tích hợp các chƣơng trình đo đạc, phát tín hiệu,…có thể thu nhận và phản hồi những thông số môi trƣờng nào đó. Một mạng cảm biến thông thƣờng gồm có:  Các nút cảm biến phân bố theo mô hình tập trung hay rải rác  Mạng lƣới liên kết giữa các cảm biến (vô tuyến hay hữu tuyến)  Điểm tập trung để tập hợp dữ liệu (Clustering)  Bộ phận xử lý dữ liệu trung tâm (Sink - BS) Hình 1.1 Mô hình một mạng cảm biến thông thường 3 1.2 Cấu tạo nút cảm biến Một nút cảm biến đƣợc cấu tạo từ 4 thành phần cơ bản là: vi điều khiển, sensor, bộ phát vô tuyến và nguồn nuôi. Ngoài ra còn có các cổng kết nối, thiết bị giao tiếp với thiết bị khác nhƣ máy tính…. Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến EYES 1.2.1 Vi điều khiển Bao gồm CPU, ROM, RAM và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số và ngƣợc lại. Lƣu giữ thông tin tại nút. 1.2.2 Sensor Là bộ phận có chức năng cảm nhận và thu thập các yếu tố bên ngoài môi trƣờng, sau đó chuyển qua bộ chuyển đổi tín hiệu để xử lý. 1.2.3 Bộ phát vô tuyến Phát tín hiệu để chuyển dữ liệu thu thập đƣợc. Yêu cầu có nguồn năng lƣợng hợp lý và duy trì lâu dài. Có nhiều nghiên cứu đã đƣa ra để giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình này. 1.2.4 Nguồn nuôi Là yếu tố quyết định để duy trì mạng cảm nhận không dây. Yêu cầu của nguồn là ổn định, lâu dài. Sử dụng chủ yếu là Pin và khả năng thay thế hầu nhƣ là không thể, do các nút đƣợc phân bố trong môi trƣờng với số lƣợng lớn và vị trí có thể thay 4 đổi. Việc duy trì năng lƣợng của nguồn nuôi và nghiên cứu vấn đề tái tạo nguồn là một mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học. Các nút cảm biến là thành phần quan trọng nhất của mạng cảm nhận không dây, do vậy nghiên cứu thiết kế các nút sao cho sử dụng năng lƣợng tiết kiệm nhất sẽ giúp tăng độ tin cậy và duy trì thời gian sống cho mạng là vấn đề quan trọng nhất trong nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây. 1.3 Mô hình tổng quan mạng 1.3.1 Hai loại nút mạng Gồm có nút cơ sở và nút nguồn.Nút nguồn có chức năng của chúng là phát hiện và gửi dữ liệu tại khu vực mà nó giám sát về nút cơ sở, nơi tập trung và xử lý toàn bộ dữ liệu của các nút khác gửi về, thƣờng có 3 loại nút cơ sở: có thể là một nút trong mạng tƣơng tự nhƣ các nút con khác với loại nút cơ sở này thƣờng nó chỉ dùng để nhận dữ liệu sau đó chuyển tới PC để xử lý, loại nút cơ sở thứ 2 có thể là một thiết bị cầm tay hoặc PDA đƣợc sử dụng để tƣơng tác với mạng cảm nhận, loại thứ 3 là nút cảm nhận có thể đƣợc nối qua gateway để tới một mạng lớn hơn là internet. Hình 1.3 Mô hình mạng 1.3.2 Truyền đơn chặng và đa chặng Truyền đơn chặng (single-hop) là truyền trực tiếp từ các nút nguồn tới các nút cơ sở. Với các mạng phạm vi hẹp thì truyền trực tiếp sẽ tiết kiệm thời gian truyền và 5 năng lƣợng mạng. Với mạng có phạm vi rộng thì áp dụng truyền đa chặng (Multihop), từ nút nguồn qua các nút trung gian rồi tới các nút cơ sở. Khi đó sẽ cải thiện đƣợc thời gian sống của mạng nhờ tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình truyền. Các chứng minh bằng toán học đƣợc thể hiện ở chƣơng 3 của đồ án này. Hình 1.4 Truyền đơn chặng và truyền đa chặng 1.4 Mô hình phân tầng mạng Mô hình mạng đƣợc chia thành nhiều tầng, mỗi tầng có một nhiệm vụ riêng. Hình 1.5 Mô hình kiến trúc mạng WSN + Tầng ứng dụng (Application): Các phần mềm ứng dụng và giao diện đƣợc sử dụng trong tầng ứng dụng. Tại tầng này có một số giao thức quan trọng đƣợc thiết 6 đặt nhƣ: giao thức quản lý mạng sensor, giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho các sensor, giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến,… + Tầng trợ giúp (Support): Phân chia, quản lý việc truyền dữ liệu giữa các nút. Các giao thức có thể là UDP hay TCP thông qua internet hoặc vệ tinh. Kết nối giữa Sink với các nút cảm biến có thể dùng giao thức UDP vì bộ nhớ các sensor là giới hạn, hơn nữa các giao thức còn tính đến sự tiêu thụ năng lƣợng, tính mở rộng và tập trung dữ liệu. + Tầng mạng (Network): Có vai trò định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp bởi tầng giao vận. Với nguyên tắc sử dụng hiệu quả năng lƣợng, tích hợp dữ liệu và giao thức mạng, có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết vị trí. Có thể định tuyến theo các dạng: định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp và định tuyến theo vị trí. + Tầng liên kết dữ liệu và thủ tục thâm nhập môi trƣờng (MAC): Thủ tục thâm nhập môi trƣờng thực hiện nhiệm vụ điều khiển nút khi thâm nhập môi trƣờng truyền vô tuyến, ghép luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và thâm nhập môi trƣờng. Vì môi trƣờng có tạp âm và các nút sensor có thể di động nên phải xét đến vấn đề công suất và hạn chế sự va chạm với thông tin quảng bá từ các nút lân cận. + Tầng vật lý (Physical): Đảm nhận chức năng truyền tin, các kết nối vật lý, cơ khí, điện, điều chế, giải điều chế, mã hóa,… Tầng này phải tiêu thụ năng lƣợng thấp, truyền tiết kiệm năng lƣợng, giá thành rẻ, chịu đƣợc điều kiện môi trƣờng. Ngoài các tầng nhƣ trên còn có thêm phần quản lý công suất, quản lý di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những phần này sẽ giúp các nút phối hợp hoạt động để tiêu thụ công suất mạng thấp hơn. 1.5 Các cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến 1.5.1 Cấu trúc phẳng (Flat architecture) Tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất với nhau trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Trong phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với 7 Hình 1.6: Cấu trúc phẳng một số lƣợng lớn nguồn (source). Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ nhƣ thời gian, tần số... 1.5.2 Cấu trúc tầng (Tiered architecture) Các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop ( tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thƣờng gọi là nút chủ cụm (Cluster head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. Hình 1.7 Cấu trúc tầng Trong cấu trúc phân tầng chia thành nhiều cấp và mỗi cấp có một nhiệm vụ cụ thể: - Cấp thứ nhất: cảm nhận, đo đạc thông số bên ngoài (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,….) - Cấp thứ hai: thu thập dữ liệu từ các nút rồi tính toán - Cấp thứ ba: thu thập các dữ liệu từ cấp thứ hai rồi tổng hợp lại và phân phối lại thông tin về dữ liệu ban đầu tại các nút đã gửi thông tin ở cấp thứ nhất. Cấu trúc tầng có ƣu điểm là có thể giảm chi phí cho mạng bằng việc xác định vị trí các nút ở cấp thứ nhất để cho chúng hoạt động hiệu quả nhất dựa trên thông tin mà chúng gửi về. Giá thành của các nút chỉ cảm nhận và gửi thông tin rẻ hơn nên khi sử dụng một số lƣợng lớn các nút nhƣ thế sẽ giảm chi phí. Ƣu điểm thứ hai là tăng tuổi thọ cho mạng. Với các nút đƣợc sử dụng với mục đích cụ thể nên khi chế tạo sẽ thiết đặt đƣợc mức năng lƣợng tƣơng ứng. Với nút cảm nhận năng lƣợng sẽ nhỏ hơn nút thu thập, nút xử lý. Nút nào thực hiện nhiều chức năng sẽ đƣợc cấp năng lƣợng ban đầu nhiều hoặc có thể sử dụng thuật toán để lựa chọn nút dựa theo năng lƣợng còn lại. Nhƣ vậy tuổi thọ các nút sẽ đồng đều và tuổi thọ mạng đƣợc nâng cao. 8 Ƣu điểm thứ ba là độ tin cậy của mạng tăng lên nhờ thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống của mạng. Nhƣ vậy sử dụng cấu trúc tầng tiện ích hơn cấu trúc phẳng, do đó hiện tại những nhà nghiên cứu đang tập trung tìm hiểu đƣa ra các phƣơng thức về tìm địa chỉ áp cho các nút. Và có rất nhiều nghiên cứu đƣợc đƣa ra để nâng cao chất lƣợng cho kiến trúc tầng. 1.6 Một số chuẩn của mạng cảm biến Hiện nay phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất rộng lớn, tính chất, đặc trƣng của mạng đều phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thƣờng sử dụng và triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng trên thị trƣờng. Có thể kể đến một số chuẩn nhƣ sau: - ALOHA system (U. of Hawaii) - PRNET system (U.S. Defense) - WINS (U. of California) - PicoRadio (U. of California) - MicroAMPS (M.I.T) - MANET (Mobile ad-hoc Network) - Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4 ... 1.7 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến nhỏ gọn, có chức năng thu thập những thông tin bên ngoài rồi lƣu trữ và gửi về các trạm để xử lý. Giá thành các nút rẻ, xử lý thông tin có hiệu quả cao do đó việc ứng dụng mạng cảm biến không dây đƣợc áp dụng cho rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. Hiện nay, trong quá trình phát triển cực nhanh của kho học kỹ thuật, mạng cảm biến không dây xuất hiện phổ biến trong tất cả các lĩnh vực từ môi trƣờng, y tế, gia đình, công trình công cộng, nông nghiệp, thƣơng mại tới quân sự, an ninh. 9 1.7.1 Ứng dụng trong môi trƣờng - Giám sát lũ lụt, bão, gió, mƣa, động đất, núi lửa,.. - Tìm kiếm bom mìn, khí độc,… - Phát hiện ô nhiễm, chất thải,… - Giám sát cháy rừng,… ….. Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường của WSN Hình 1.9 Mạng WSN phát hiện cháy rừng 10