Tài liệu ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Phạm Văn Toán ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG CẢNH BÁO CHÁY CHO NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên, tháng 06 năm 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này do tôi tự nghiên cứu, đọc, dịch tài liệu, tổng hợp và thực hiện. Trong luận văn tôi có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo. Ngƣời viết luận văn Phạm Văn Toán Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em trân thành xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ thông tin Việt Nam đã khắc phục mọi khó khăn trong giảng dạy để chỉ bảo, giúp đỡ và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học của mình. Em cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn PGS TS Lê Bá Dũng – Viện Công nghệ thông tin Việt Nam đã định hƣớng, tận tình hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu, chỉ bảo cho em trong thời gian làm luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp trong đơn vị công tác, gia đình và bạn bè những ngƣời đã động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt hai năm học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY.......................................... 5 1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây ....................................................... 5 1.1.1. Mạng không dây là gì ? ...................................................................... 5 1.1.2. Phân loại ............................................................................................. 5 1.1.3. Các mô hình mạng không dây ............................................................ 8 1.1.4. Các thiết bị mạng không dây: ............................................................. 9 1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây ................................................................. 10 1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến ................................................... 10 1.2.2. Phần cứng và phần mềm .................................................................. 11 1.2.3. Phân loại cảm biến ........................................................................... 13 1.2.4. Môi trƣờng hoạt động của sensor node (WNs) ................................ 15 1.2.5. Xu hƣớng phát triển của Node cảm biến .......................................... 15 1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ................................................ 16 1.3.1. Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) :............................. 16 1.3.2. Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) : ............................. 18 CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .......................................................................................................................... 22 2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu ............................................................. 22 2.2. Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây ........................................ 23 2.2.1. Kích thƣớc mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian: ..................... 23 2.2.2. Tài nguyên hạn chế: ......................................................................... 24 2.3. Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây .......... 24 2.3.1. Mô hình giao thức cho WSNs .......................................................... 25 2.3.2. Giao thức MAC ................................................................................ 26 2.3.3. Các giao thức MAC cho mạng WSNs: ............................................ 28 2.3.4. Nghiên cứu trƣờng hợp SENSOR-MAC: ........................................ 29 2.4 Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây ............................. 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 2.4.1 Giao thức định tuyến trong WSNs: ................................................... 36 CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ GIAO THỨC ĐƢỜNG ĐỊNH TUYẾN ĐÚNG DẦN NGẮN NHẤT ........................................................................................................... 47 3.1. Xây dựng hài toán ................................................................................... 47 3.2. Lý thuyết đồ thị ....................................................................................... 49 3.2.1 Đồ thị và cây...................................................................................... 49 3.2.2 Thuật toán Dijkstra ............................................................................ 51 3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến ........................................................... 54 3.3.1 Cluster formehzatin (Định dạng cụm, nút)........................................ 55 3.3.2 Nút cụm chủ ...................................................................................... 58 3.3.3 Truyền dữ liệu sử dụng đƣờng dẫn ngắn nhất ................................... 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn .................................................................. 1 Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến .............................................................................. 6 Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC ............................................................................. 8 Hình 1.4 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE ......................................................... 9 Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến ................................................. 11 Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs)......................................... 13 Hình 1.7 Ứng dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp .............................. 17 Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến trong quân sự ............................................................. 17 Hình 1.9 Hệ thống cảm biến trên các đƣờng cao tốc. ............................................... 18 Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) và ZigBee ....................... 19 Hình 1.11 Các ứng dụng điều khiển ......................................................................... 20 Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng trong phòng ........................................................... 20 Hình 1.13 Các ứng dụng trong công nghiệp. ............................................................ 21 Hình 1.14 Các ứng dụng trong y khoa. ..................................................................... 21 Hình 2.1 Các ứng dụng mạng WSN ......................................................................... 22 Hình 2.2 Truyền dữ liệu đa chặng. ........................................................................... 23 Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu ........................... 26 Hình 2.4 Khung thời gian hoạt động của node. ........................................................ 31 Hình 2.5 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node biên....................................... 32 Hình 2.6 Đồng bộ giữa máy thu và máy phát. .......................................................... 33 Hình 2.7 Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC ................................................ 35 Hình 2.8 Quá trình truyên thông Điệp trong S-MAC ............................................... 36 Hình 2.9 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin .......................................... 39 Hình 2.10 Bùng nổ lƣu lƣợng do flooding. .............................................................. 40 Hình 2.11 Vấn đề chồng lấn do flooding. ................................................................. 40 Hình 2.12 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN. .................................................... 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii Hình 2.13 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP. ............................................... 43 Hình 2.14 Giao thức SPIN-BC. ................................................................................ 45 Hình 3.1 Mô hình mạng cảm biến cho nhà cao tâng ................................................ 47 Hình 3.2 Cây đƣờng đi ngắn nhất - SPT ................................................................... 48 Hình 3.3 Sơ đồ nút mạng .......................................................................................... 48 Hình 3.4 Đồ thị ......................................................................................................... 49 Hình 3.5 Đồ thị ......................................................................................................... 50 Hình 3.6..................................................................................................................... 51 Hình 3.7 Sơ đồ SPT của u ......................................................................................... 53 Hình 3.8 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) ............................................................ 54 Hình 3.9 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) [4] ...................................................... 54 Hình 3.10 Cụm nút đƣợc hình thành và cụm chủ đƣợc lựa chọn ............................. 58 Hình 3.11 So sánh giữa Leach và Quá trình định tuyến theo đƣờng dẫn ngắn nhất 59 Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán xây dựng đƣờng định tuyến ngắn nhất ......................... 60 Hình 3.13 Sơ đồ biểu diễn quá trình truyên dữ liệu.................................................. 61 Hình 3.14 Các nút chết ............................................................................................. 62 Hình 3.15 Gói tin đến BS.......................................................................................... 63 Hình 3.16 Các cụm chủ đƣợc hình thành ................................................................. 64 Hình 3.17 Các gói tin đến cụm chủ .......................................................................... 65 Hình 3.18 Số nút còn sống ........................................................................................ 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC KÍ HIÊU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt LAN Locanl Area Network Mạng nội bộ WAN Wide Ara Networks Mạng diện rộng WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân WSNs Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây OS Operating System Hệ điều hành LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Cấu trúc phân bậc tƣơng thích, năng lƣợng thấp MAC Medium access control Điều khiển truy cập môi trƣờng PHY Physic Layer Lớp vật lí SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự thỏa thuận S-MAC Sensor MAC Giao thức MAC cho cảm biến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ CHÁY NỔ TTTM thành phố Hồ Chí Minh Nhà máy Diana Bắc Ninh (2 triệu USD) TTTM thành phố Hải Dƣơng (500 tỷ) Tiệm bọc yên xe (2 ngƣời chết) Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn Cháy nổ luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Mặc dù đã có những biện pháp, hệ thống đƣợc xây dựng để phát hiện và cảnh báo cháy nổ nhƣng nhiều thảm họa do cháy nổ gây ra vẫn hoành hành và gây thiệt hại nhiều về ngƣời và của. Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn trong cuộc sống. Mô hình mạng cảm biến không dây (WSNs – Wirless Sensor Networks) ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2 đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không dây[3]. Nó ra đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và đƣợc ứng dụng rộng rãi. Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay nhƣ phán đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật tự động trong sản xuất công nghiệp, điều khiển quy trình, quản lí kiểm kê, cảm nhận môi trƣờng, giám sát sinh thái, giám sát công trình xây dựng, trong y tế và dân dụng,[1],[5]…Tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng của mạng cảm biến không dây nhƣ: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, hệ thống điều hòa nhiệt độ, … nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ rất mới mẻ ở Việt Nam. Đặc biệt trong cháy việc duy trì nguồn điện cho mạng có dây là cực kỳ khó khăn, vì khi xảy ra cháy thƣờng xảy ra mất điện cục bộ, do đó việc duy trì hoạt động của mạng có dây là vấn đề rất khó khăn. Bên cạnh đó mạng cảm biến không dây lại sử dụng PIN và có nhiều giao thức định tuyến khác nhau, đặc biệt là giao thức định tuyến theo nhóm. Với giao thức này khi xảy ra cháy có thể phá hủy các Note khác nhau nhƣng vẫn không ảnh hƣởng đến quá trình truyền dữ liệu trong mạng. Xuất phát từ xu hƣớng trên, cùng với sự gợi ý của PGS TS Lê Bá Dũng tôi đã chọn đề tài: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng” với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối đa hậu quả do cháy gây ra. Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến. - Công cụ mô phỏng để xây dựng mạng cảm biến Phạm vi nghiên cứu - Thu thập các tài liệu liên quan, phân tích các thông tin liên quan đến đề tài. - Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây. - Xây dựng mô hình và mô phỏng bằng chƣơng trình giao thức đƣờng định tuyến đúng dần ngắn nhất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3 Hƣớng nghiên cứu của đề tài - Tim hiểu về mạng máy tính - Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây. - Nghiên cứu các giao thức định tuyến trên mạng cảm biến không dây. - Xây dựng giao thức đƣờng định tuyến đúng dần ngắn nhất. Những nội dung nghiên cứu chính Chƣơng 1 Tổng quan về mạng không dây 1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây 1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây 1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Chƣơng 2 Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu 2.2. Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây 2.3. Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây 2.4. Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng 3 Mô hình và giao thức đƣờng định tuyến đúng dần ngắn nhất 3.1. Xây dựng bài toán 3.2. Lý thuyết đồ thị 3.3. Đề xuất cho thuật toán định tuyến 5. Phƣơng pháp nghiên cứu a. Phương pháp nghiên cứu tài liệu - Nghiên cứu các tài liệu về mạng không dây, mạng cảm biến không dây. Tổng hợp các tài liệu và các phƣơng pháp để thu thập dữ liệu từ mạng cảm biến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 4 b. Phương pháp nghiên cứu điều tra - Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài - Phân tích các thông tin liên quan và nghiên cứu lý thuyết c. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Phƣơng pháp chính đƣợc sử dụng là phƣơng pháp mô phỏng. Thay vì triển khai trên hệ thống thực, tôi tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quả đạt đƣợc thông qua phần mềm mô phỏng. - Chƣơng trình mô phỏng. 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Tìm hiểu các kiến thức về mạng không dây. - Xây dựng ứng dụng của mạng cảm biến không dây. - Xây dựng hệ thống mô phỏng để phân tích các tín hiệu về mạng cảm biến không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây 1.1.1. Mạng không dây là gì ? Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị đƣợc nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đƣờng truyền dẫn bằng dây. * Ưu điểm: - Giá thành giảm nhiều đối với mọi thành phần ngƣời sử dụng. - Công nghệ không dây đã đƣợc tích hợp rộng rãi trong bộ vi xử lí dành cho máy tính xách tay của INTEL và AMD. - Mạng Wireless cung cấp tất cả các tính năng của công nghệ mạng LAN nhƣ là Ethernet và Token Ring mà không bị giới hạn về kết nối vật lí (giới hạn về cable). - Tính linh động: tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị có hỗ trợ mà không có sự ràng buộc về khoảng cách và không gian nhƣ mạng có dây thông thƣờng. - Mạng WLAN sử dụng sóng hồng ngoại (Infrared Light) và sóng Radio (Radio Frequency) để truyền nhận dữ liệu. * Nhược điểm: - Tốc độ mạng Wireless bị phụ thuộc vào băng thông. Tốc độ của mạng Wireless thấp hơn mạng cố định, vì mạng Wireless chuẩn phải xác nhận cẩn thận những frame đã nhận để tránh tình trạng mất dữ liệu. - Trong mạng cố định truyền thống thì tín hiệu truyền trong dây dẫn nên có thể đƣợc bảo mật an toàn hơn. Còn trên mạng Wireless thì việc “đánh hơi” rất dễ dàng bởi vì mạng Wireless sử dụng sóng Radio thì có thể bị bắt và xử lí đƣợc bởi bất kỳ thiết bị nhận nào nằm trong phạm vi cho phép, ngoài ra mạng Wireless thì có ranh giới không rõ ràng cho nên rất khó quản lý. 1.1.2. Phân loại Có nhiều cách phân loại: A. Dựa trên vùng phủ sóng, mạng không dây được chia thành 5 nhóm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6 Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến - WPAN: mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi nhƣ máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB, đồng hồ,...với điện thoại di động, máy tính. Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean,... Đa phần các công nghệ này đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thể là nhóm làm việc (Working Group) 802.15. Do vậy các chuẩn còn đƣợc biết đến với tên nhƣ IEEE 802.15.4 hay IEEE 802.15.3 ... - WLAN : mạng vô tuyến cục bộ. Nhóm này bao gồm các công nghệ có vùng phủ tầm vài trăm mét. Nổi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn mở rộng khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/i/... Công nghệ Wifi đã gặt hái đƣợc những thành công to lớn trong những năm qua. Bên cạnh WiFi thì còn một cái tên ít nghe đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi đƣợc chuẩn hóa bởi ETSI. - WMAN: mạng vô tuyến đô thị. Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính là WiMAX. Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA 802.20. Vùng phủ sóng của nó sẽ tằm vài km (tầm 4-5km tối đa). - WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng: Nhóm này bao gồm các công nghệ mạng thông tin di động nhƣ UMTS/GSM/CDMA2000... Vùng phủ của nó cũng tầm vài km đến tầm chục km. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 7 - WRAN: Mạng vô tuyến khu vực. Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22 đang đƣợc nghiên cứu và phát triển bởi IEEE. Vùng phủ có nó sẽ lên tầm 40100km. Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh, khó triển khai các công nghệ khác. Bảng 1: So sánh các nhóm mạng Công nghệ UWB (Ultra Mạng Chuẩn WPAN 802.15.3a Bluetooth WPAN 802.15.1 Wi-Fi WLAN 802.11a Wi- Fi WLAN 802.11b WWAN 2.5 G WWAN 3G WWAN 3G wideband) Edge/GPRS (TDMAGMS) CDMA 2000/1x EVDO WCDMA/ UMTS Tốc độ 110-480 Vùng phủ sóng Băng tần Trên 30 feet 7.5 GHz Trên 30 feet 2.4 GHz Trên 54 Mbps Trên 300 feet 5 GHz Trên 11 Mbps Trên 300 feet 2.4 GHz 4-5 dặm 1900 MHz Mbps Trên 720 Kbps Trên 384 Kbps Trên 2.4 Mbps Trên 2 Mbps 1-5 dặm 1-5 dặm 400-2100 MHz 1800-2100 MHz Tất cả các công nghệ này đều giống nhau ở chổ chúng nhận và chuyển tin bằng cách sử dụng sóng điện từ (EM). B. Dựa trên các công nghệ mạng, mạng không dây được chia thành 3 loại: • Kết nối sử dụng tia hồng ngoại • Sử dụng công nghệ Bluetooth • Kết nối bằng chuẩn Wi-fi[1],[5] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 8 1.1.3. Các mô hình mạng không dây 1. Mô hình mạng AD-HOC: a. Khái niệm: - Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây - Tƣơng tự mô hình peer to peer trong mạng có dây - Các máy tính có vai trò ngang nhau - Khoảng cách liên lạc 30-100m - Sử dụng thuật toán Spokesman Election Algorithm(SEA) b. Mô hình vật lí: Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC 2. Mô hình mạng INFRASTRUCTURE a. Khái niệm: - Là mạng gồm một hay nhiều AP để mở rộng phạm vi hoạt động của các Station có thể kết nối với nhau với một phạm vi gấp đôi. - AP đóng vai trò là điểm truy cập cho các Client(Station) trao đổi dữ liệuvới nhau và truy xuất tài nguyên của Server. - Mỗi AP có thể làm điểm truy cập cho 10-15 client (tùy sản phẩm và hãng sản xuất) đồng thời tại một thời điểm.[1],[5] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 9 b. Mô hình vật lí: Hình 1.4 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE 1.1.4. Các thiết bị mạng không dây: 1. Access Point: Access Point (AP) có vai trò tƣơng tự nhƣ Hub hay Switch. Điểm truy cập cho các Station (Node) trong mạng không dây cho phép các Station trao đổi dữ liệu với nhau (nhƣ HUB trong mạng có dây) và với các Station trong mạng có dây. 2. Wireless Adapter : Bộ điều hợp mạng không dây (Wireless NIC) có nhiều kiểu giao tiếp nhƣ PCMCIA, USB hay PCI card 3. Wireless card: Là thiết bị gắn trên PC hay thiết bị cầm tay nhƣ Laptop, PDA,…đóng vai trò là card mạng có dây, nhƣng sử dụng môi trƣờng là sóng điện từ , cho phép PC hay Laptop trao đổi dữ liệu đƣợc với nhau thông qua sóng vô tuyến. 4. Cầu nối Wi-Fi: Thêm cầu nối Wi-Fi là ta có thể kết nối hầu nhƣ bất cứ thiết bị nào có giao tiếp cổng Ethernet, chẳng hạn một máy in mạng, vào mạng không dây. Ta dùng cáp nối thiết bị vào cổng Ethernet của cầu nối, và cầu nối sẽ truyền dữ liệu từ thiết bị này đến thiết bị không dây. Lúc này, bản thân thiết bị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10 hoạt động chẳng khác gì với khi lắp vào mạng có dây. Chúng ta nên mua cầu nối và router của cùng nhà sản xuất, nhất là khi muốn tận dụng các chế độ nhƣ Super G, Afterburner, và nhớ chọn loại có hỗ trợ mã hóa WPA. 5. Camera không dây 6. Thiết bị nghe nhạc và xem phim 7. Router du lịch 1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây 1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lí. Các node (sensor nodes hay còn gọi là WSNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản nhƣ xử lí tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính: - Xác định đƣợc giá trị các thông số tại nơi lắp đặt. Nhƣ có thể trả về nhiệt độ, áp suất, cƣờng độ ánh sáng, ... tại nơi khảo sát. - Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ƣớc lƣợng các thông số của sự kiện đó. Nhƣ mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết đƣợc sự di chuyển của xe cộ, đo đƣợc tốc độ và hƣớng di chuyển của các phƣơng tiện đang lƣu thông, ... - Phân biệt các đối tƣợng. Ví dụ phƣơng tiện lƣu thông mà cảm biến nhận biết đƣợc là xe gì: xe con, xe tải, hay xe buýt, ... - Theo dấu các đối tƣợng. Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải cập nhật đƣợc vị trí các phƣơng tiện của đối phƣơng khi chúng di chuyển trong vùng bao phủ của mạng, ... Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần nhƣ thế, tùy theo yêu cầu và mục đích của thông tin cần thu thập. Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt điện, từ, sinh học, quang, chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối,... Cảm biến có thể đƣợc đƣa ra bên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 11 ngoài môi trƣờng nguy hại, môi trƣờng có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn, môi trƣờng hóa chất độc hại; có thể lắp đặt trong hệ thống robo tự động hay trong hệ thống nhà xƣởng sản xuất. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm trƣờng điện và từ, cảm biến sóng radio; cảm biến quang, hồng ngoại, radars, lasers; cảm biến vị trí hay định vị; cảm biến hƣớng mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa, ... - Các thông số vật lí - Các thông số hóa học, sinh học - Các sự kiện Cảm biến kích thƣớc nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế. Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến Công nghệ cảm biến phát triển giai đoạn gần đây nhƣ trên hình ... Node kết hợp cảm biến và xử lí giai đoạn 1999 có kích thƣớc lớn hơn một đồng xu, các IC tích hợp cảm biến. Các năm tiếp theo, kích thƣớc node giảm đi rất nhiều. Với sự phát triển của các công nghệ nano, MEMS kích thƣớc giảm đi đáng kể, kèm theo giảm năng lƣợng tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng, khả năng xử lí, độ ổn định cao hơn, ... Những năm đầu 2000, thể tích trung bình node cỡ 16.387mmm3, đến 2007 là 1-mm3.[1],[5] 1.2.2. Phần cứng và phần mềm Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có: chức năng cơ bản của node; chức năng xử lí tín hiệu, gồm xử lí số tín hiệu, nén, phát hiện và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành; phân nhóm và tính toán trong mạng; thông tin; tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối. Để có các chức năng này, phần cứng của node phải có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lí, nguồn, và các phần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 12 phục vụ cho chức năng khác. Hình 1.6 chỉ ra các phần cấu tạo nên node cảm biến thông thƣờng gồm phần cứng và phần mềm. Rõ ràng, cấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng dụng. Phần cứng gồm 4 nhóm chính: - Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lƣợng cho node hoạt động trong vài giờ, vài tháng hay vài năm. - Lƣu trữ và tính toán: phục vụ cho các chức năng xử lí, điều chế số, định tuyến, ... - Cảm biến: biến đổi các thông số môi trƣờng thành thông tin. - Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm. Phần mềm gồm 5 nhóm chính: - Hệ điều hành (OS) microcode (còn đƣợc gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lí. Các nghiên cứu hƣớng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs. - Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến. - Bộ xử lí thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi, .... - Bộ phận xử lí dữ liệu: xử lí tín hiệu đã lƣu trữ, thƣờng ở các node xử lí trong mạng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn