Tài liệu Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HOÀNG TIẾN LONG PHÂN CỤM NÚT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, THÁNG 10 NĂM 2015 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS TS Lê Bá Dũng. Trong thời gian làm luận văn này, tôi đã nhận đƣợc sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo, chính vì sự nhiệt tình đó của thầy đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Các số liệu và kết quả trong luận văn của tôi bao gồm các công thức và hình ảnh mô tả các quá trình phân chia, năng lƣợng còn lại và thời gian sống hay sự tồn tại của mạng (cảm biến không dây). Đây là kết quả một quá trình làm việc nhiệt tình nghiêm túc của thầy và trò tạo cơ sở thực tiễn. Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015 Hoàng Tiến Long 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm việc để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, nhiệt tình quý báu của thầy giáo. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin đƣợc bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, ngành khoa học máy tính trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Thầy giáo: PGS TS Lê Bá Dũng, ngƣời thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo động viên, đôn đốc và tạo điều kện thuận lợi cho tôi, trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các anh, chị và các bạn đi trƣớc, đã nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, nhờ đó mà tôi đã có đƣợc thông tin bổ sung hữu ích cần thiết trong công việc của mình. Lời cảm ơn sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, lãnh đạo cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm việc để hoàn thành chƣơng trình Thạc sĩ của tôi. Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015 Hoàng Tiến Long 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2 MỤC LỤC .............................................................................................................. 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... 5 DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 6 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................................. 8 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ......................................................................................... 14 1.1: Khái quát về mạng cảm biến không dây ....................................................... 14 1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây ......................................................... 15 1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây ............................................................ 15 1.1.2.1: Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây ........................................... 15 1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây ......................................................... 17 1.1.3: Mô hình mạng cảm biến không dây. ........................................................... 19 1.1.4: Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của mạng cảm biến không dây ........................... 20 1.1.4.1: Ƣu điểm của mạng cảm biến không dây. ................................................ 20 1.1.4.2: Nhƣợc điểm của mạng cảm biến không dây ............................................ 23 1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây ................................................ 24 1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................... 25 1.2.1: Bài toán ....................................................................................................... 25 1.2.2: Công thức .................................................................................................... 25 Chƣơng 2: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. .. 26 2.1: Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây..............................26 2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng ..........................................................26 2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm năng lƣợng ...........................................................27 2.1.3: kỹ thuật phƣơng pháp phân bổ .....................................................................27 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây ................................................................28 2.1.5: kỹ thuật báo cáo số liệu ................................................................................29 2.1.6: Kỹ thuật tập trung và hợp nhất dữ liệu .......................................................29 2.2: Giao thức trong mạng cảm biến không dây ............................................... …34 2.2.1: Giao thức mặt phẳng quản lý .......................................................................34 2.2.2: Giao thức yếu tố ảnh hƣởng đến mạng cảm biến không dây.......................36 2.3: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................. 39 2.3.1: Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Battery Cost Routing) ..................................................................................................................39 2.3.2: Giao thức định tuyến nhận thức về năng lƣợng EAR (Energy Aware Routing) ..................................................................................................................40 2.3.3: Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Aigorithm) .40 2.3.4: Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lƣợng và cân bằng tải ............... 41 2.3.5: Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routing Extensisons)........ ..................41 2.3.6: Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) .............41 2.3.7: Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol) ..............42 2.3.8: Giao thức định tuyến tải cân bằng năng lƣợng (Load-balanced Energy aware routing) ........................................................................................................43 2.3.9: Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) ...............................................44 2.3.10: Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols).................................47 Chƣơng 3: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH.............................................................................................................48 3.1: Khảo sát mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình .............................................48 3.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nhà máy thủy điện Hòa Bình ...... 51 3.2.1: Nút mạng cảm biến không dây. ................................................................. 51 3.2.2: Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes).......................................... 52 3.2.3: Xây dựng mạng cảm biến không dây ứng dụng cho nhà máy thủy điện Hòa Bình................................................................................................................ 52 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.3: Mô phỏng quá trình thu nhập của mạng cảm biến không dây cho xử lý số liệu nhà máy thủy điện trên cơ sở phân cấp, phân cụm, các nút mạng với quá trình giảm thiểu năng lƣợng tiêu hao trong mạng. ............................................... 53 3.4: Phân cụm trong mạng cảm biến không dây. ................................................. 54 3.4.1: Phân tích năng lƣợng tiêu thụ trên mạng .................................................... 54 3.4.2: Phân cụm phân cấp các nút mạng cảm biến với năng lƣợng tiêu thụ nhỏ.. 56 3.5: Mô phỏng quá trình phân cụm và trọn cụm chủ. .......................................... 60 Kết luận và hƣớng phát triển. ................................................................................ 67 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 68 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số ban đầu của hệ thống mạng. .......................................... 61 Bảng 3.2: Năng lƣợng cho từng trƣờng hợp. ....................................................... 66 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các thành phần của nút cảm ứng .......................................................... 16 Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây. .................................................... 18 Hình 1.3: Mô hình mạng infrastructure. ............................................................... 19 Hình 1.4: Mô hình vật lý hệ thống mạng .............................................................. 20 Hình 2.1: Mô hình định tuyến điểm điểm. ........................................................... 30 Hình 2.2: Mô hình định tuyến điểmđa điểm. ....................................................... 30 Hình 2.3: Mô hìnhđịnh tuyến đa điểm điểm ......................................................... 32 Hình 2.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây. .................................. 34 Hình 2.5: Phân chia kênh vô tuyến ....................................................................... 35 Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH . ...................................................................... 45 Hình 3.1: Toàn cảnh công trình thủy điện Hòa Bình. .......................................... 48 Hình 3.2: Hồ chứa nƣớc và cửa nhận nƣớc. . ....................................................... 49 Hình 3.3: Giàn máy gồm 8 tổ máy. ...................................................................... 49 Hình 3.4: Trạm phân phối ngoài trời 220/110/35kv. ........................................... 50 Hình 3.5: Minh họa trạm điện 500kv. .................................................................. 51 Hình 3.6: Minh họa mô hình tổng thể của hệ thống. ........................................... 52 Hình 3.7: Minh họa mô hình giao thức định tuyến phân theo cụm. .................... 53 Hình 3.8: Minh họa nút mạng theo một hàng. ..................................................... 55 Hình 3.9a: Minh họa sơ đồ các cụm đƣợc hình thành tại thời điểm (t). .............. 56 Hình 3.9b: Minh họa sơ đồ các cụm đƣợc hình thành tại thời điểm (t+1). .......... 56 Hình 3.10: Minh họa sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp. .... 58 Hình 3.11: Minh họa sơ đồ chọn nút chủ trong cụm. .......................................... 59 Hình 3.12: Minh họa mô hình các nút mạng đƣợc lắp đặt trong hầm turbin theo hình vẽ. ................................................................................................................. 60 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.13a: Minh họa mô hình các nút mạng cảm biến trong hầm turbin không phân cụm. ............................................................................................................. 61 Hình 3.13b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng qua 300 vòng thiết lập cụm. ........................................................................................................ 62 Hình 3.13c: Minh họa mô hình năng lƣợng còn lại trung bình trên mạng ........... 62 Hình 3.14a: Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin đƣợc chia thành 2 cụm. 63 Hình 3.14b: Minh họa mô hình thời gian sống của mạng. ................................... 63 Hình 3.14c: Minh họa mô hình năng lƣợng còn lại của các nút mạng. ............... 64 Hình 3.15a: Minh họa mô hình mạng cảm biến trong hầm chia thành 3 cụm. .... 64 Hình 3.15b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng. ...................... 65 Hình 3.15c: Minh họa mô hình năng lƣợng các nút mạng và giá trị trung bình của các nút mạng. ................................................................................................. 65 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng việt Từ gốc WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây N Node Nút IoT Internet of Things Tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau SN Sink Node Nút chủ IEEE Institute of Electrical and Electronics Chuẩn IEEE Engineers PAN Personal Area Network Mạng cá nhân MAC Media Access Control Điều khiển truy cập kênh truyền FFDs Full Functional Dependencien Chức năng đầy đủ RFDs Reduced-function Devices Thiết bị có chức năng hạn chế SEA Spokesman Election Algorithm Thuật toán MIC Melage Integrity Code Mã của gói tin OSI Operating System Hệ điều hành RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc WPANs Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân WLANs Wireless Local Area Network Mạng không dây nội bộ MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tƣơng tự - số LFS Location Filding System Hệ thống định vị PG Power Generator Bộ phát nguồn DSSS Direct-Sequence Spresd Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian MTPR Minimum Total Power Rauting Giao thức định tuyến tổng năng lƣợng tối thiểu MBRC Minimum Battery Cost Routing Giao thức định tuyến với chi phí nguồn nhỏ nhất EAR Energy Aware Giao thức định tuyến nhận thức về năng lƣợng Energy-Aware Spanning Tree Giao thức định tuyến E- Ailgorithm Span BRE Bursty Routing Extensisons Giao thức định tuyến BRE BCTP Balanced Collection Tree Protocol Giao thức định tuyến BCTP ICTP Improved Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ E-SPAN liệu cải tiến ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ liệu LEACH Low Energy Adaptive Clustering Kiến trúc phân cụm thích Heararchy ứng năng lƣợng thấp 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 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 nhƣ (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp nó, hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát nút (Sink) và môi trƣờng mạng công cộng nhƣ Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể đƣợc triển khai cho các mục đích chuyên dụng nhƣ: Điều khiển giám sát và an ninh, kiểm tra môi trƣờng, tạo ra không gian sống thông minh, khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, trong lĩnh vực y tế, quân sự .... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu nhƣ trong bất kỳ loại hình địa lý nào kể cả các môi trƣờng nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống. Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con ngƣời. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thƣớc rất nhỏ, tiết kiệm về không gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trƣờng dày đặc, với khả năng xử lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Vậy mạng không dây có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn, trong đó định tuyến là rất quan trọng, nó 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ đảm bảo đƣợc nhiều tiêu chí: Phân cụm, phân cụm phân cấp, tính năng lƣợng còn lại của các nút và thời gian sống của các nút mạng. Vì vậy mạng cả biến không dây rất là quan trọng trong lĩnh vực thu thập thông số trong nhà máy thủy điện Hòa Bình có tính năng ƣu việt hơn các hệ thống mạng khác. Vì thế em chọn đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng”. Trong đó Luận văn của em chủ yếu tập trung mô phỏng hóa vào “Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng không dây”, áp dụng vào nhà máy thủy điện Hòa Bình, làm những công việc sau: Cảm nhận mực nƣớc hồ chứa nƣớc, các cửa sả và nhận nƣớc, cảm biến nhiệt độ độ ẩm môi trƣờng trong phòng lắp đặt thiết bị xả, nhiệt độ turbin, giá đỡ turbin.... Báo động hỏa hoạn, khói, cháy, quá tải dòng điện, quá tải hồ chứa nƣớc............... Mạng cảm biến không dây (Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lƣợng và ngày càng đƣợc ứng dụng và phát triển rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xã hội nhƣ: Quốc phòng, an ninh, nông lâm nghiệp, công nghiệp, y tế và dân dụng. Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặng, nên những vấn đề nhƣ mất tín hiệu truyền thông, nhiễu đƣờng truyền và sự di động của nút sẻ dẫn đến mất dữ liệu trong khi truyền tín hiệu, gây ảnh hƣởng đến hiệu năng của quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây. Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là chất lƣợng truyền. Tức là, ta xác định đƣợc chất lƣợng truyền dữ liệu trƣớc khi thực hiện truyền thông trong mạng cảm biến không dây, thi sẽ đƣợc cải thiện chất lƣợng. Bởi vậy, việc xác định chất lƣợng truyền thông là công việc rất quan trọng trong việc truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây. Chính vì thế, chủ đề nghiên cứu của em về lĩnh vực chất lƣợng truyền tín hiệu thông qua sự phân cụm nút mạng và sự tồn tại lâu dài của dàn mạng cảm 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ biến không dây, cũng gống nhƣ ta đi xây dựng kỹ thuật để xác định chất lƣợng truyền tối ƣu. Xuất phát từ xu hƣớng trên, đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng” không chỉ có mục tiêu nghiên cứu mà còn đánh giá sự tồn tại lâu dài của của hệ thống mạng. Kết quả của luận văn sẽ làm nền tảng cho hƣớng nghiên cứu tiếp theo về chủ đề phân cụm trong mạng cảm biến không dây. Bố cục của luận văn gồm các nội dung sau: CHƢƠNG 1 KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN Trình bày khái quát, cấu trúc, mô hình và bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây. CHƢƠNG 2 CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Trình bày các kỹ thuật định tuyến và giao thức trong mạng cảm biến không dây. CHƢƠNG 3 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH Trình bày chi tiết mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình, khảo sát nhà máy, ứng dụng mạng cảm biến vào nhà máy thủy điện và xây dựng hệ thống mạng cảm biến gồm 50 nút. 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 1 KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN 1.1: Khái quát mạng cảm biến không dây Trong những năm qua, với những tiến bộ vƣợt bậc trong công nghệ thông tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu thế hội tụ công nghệ, trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông minh hơn. Dựa vào những thông tin đƣợc thiết bị cảm biến mà hệ thống đƣa ra những đáp ứng phù hợp. Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến sẽ đem lại nhiều khả năng và phạm vi ứng dụng cho các hệ thống hiện đại đó. Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu. Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến không dây WSNs (Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng cao khả năng tính kinh tế trong quá trình triển khai hệ thống. Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm biến với nhau, nhằm để trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu cầu ngƣời dùng. Mỗi nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến. Mạng cảm biến không dây sẽ liên kết các nút trong đó các nút cảm biến trao đổi với nhau thông qua giao tiếp không dây và các nút trong mạng thƣờng là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có một phạm vi hoạt động lớn có thể liên kết với các mạng khác để tạo ra mạng cảm biến có phạm vi rộng lớn hơn. Các nút cảm biến có thể sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế (pin), nên có giới hạn về thời gian hoạt động. Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tín hiệu, thu thập, hoặc đáp ứng yêu cầu của ngƣời dùng, nhƣ theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết bị điện, hay ở chế độ ngủ. 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các nút mạng thƣờng là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp..., và có số lƣợng lớn, đƣợc phân bổ một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế là (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...). Các nút (node) mạng thƣờng có chức năng cảm ứng, quan sát môi trƣờng xung quanh nhƣ: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động ... Các nút (node) giao tiếp (ad-hoc) với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop. Lƣu lƣợng (traffic) dữ liệu lƣu thông trong mạng cảm biến không dây là thấp và không liên tục (không hẳn với tracking và localization aplication). Do vậy để tiết kiệm năng lƣợng, các sensor node thƣờng có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông thƣờng thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. 1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.1.2.1: Cấu trúc 1 nút mạng cảm biến không dây Để xây dựng mạng cảm biến trƣớc hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thƣớc nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lƣợng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trƣờng, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lƣu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng đƣợc cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, nhƣ ở (Hình 1.1), bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng nhƣ là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). Hình 1.1: Các thành phần của một nút cảm ứng Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tƣơng tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi cảm biến đƣợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với bộ lƣu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink. Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trƣờng nhƣ là năng lƣợng ánh sáng mặt trời. Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí, vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ hiện các nhiệm vụ đã ấn định nhƣ cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, nhƣ là phải tiêu thụ rất ít năng lƣợng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trƣờng. 1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do đó các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop. Hoạt động hiệu quả năng lƣợng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lƣợng là kỹ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây. Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Chẳng hạn nhƣ các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị). Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lƣợng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lƣợng. Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:  Kết hợp vấn đề năng lƣợng và khả năng định tuyến.  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Truyền năng lƣợng hiệu quả qua các phƣơng tiện không dây. 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/  Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm ứng đƣợc phân bố trong một môi trƣờng mạng cảm biến không dây nhƣ (Hình 1.2). Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu đƣợc định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây + Mỗi nút cảm biến đƣợc cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản nhƣ sau Đơn vị cảm biển (sensing unit) Đơn vị xử lý (Processing unit) Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit) Bộ nguồn (power unit) + Đơn vị cảm biến Bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC). Dựa vào những hiện tƣợng quan sát đƣợc, đo lƣờng đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi cảm biến đƣợc số hóa bằng bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ADC (Analog Digital Converter), sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý. + Đơn vị xử lý 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/