Tìm hiểu mạng cảm biến không dây và ứng dụng bắt mục tiêu của mạng cảm biến không dây

Bắt mục tiêu trong mạng cảm biến không dây là một trong những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây, trong đó các bộ cảm biến theo dõi và báo cáo thông tin về vị trí mục tiêu t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGÔ THỊ KIM DẢN

TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ ỨNG DỤNG BẮT MỤC TIÊU

CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGÔ THỊ KIM DẢN

TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ ỨNG DỤNG BẮT MỤC TIÊU CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành : Công nghệ thông tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS NGÔ QUỲNH THU

Hà Nội, 10-2014

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

LỜI MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13

1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây……… 13

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến……… 13

1.2.1 Cấu trúc phẳng 15

1.2.2 Cấu trúc tầng 16

1.3 Đặc trưng của mạng cảm biến không dây……… 17

1.4 Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu………18

1.5 Định tuyến trong cảm biến không dây……… 19

1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây…… ………22

1.6.1 Ứng dụng trong quân đội 22

1.6.2 Ứng dụng với môi trường 23

1.6.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 24

CHƯƠNG 2 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP 26

2.1 Vấn đề bắt mục tiêu………26

2.2 Một số hệ thống bắt mục tiêu trong mạng cảm biến……… 28

2.2.1 VigilNet 28

2.2.2 Hệ thống sử dụng giải thuật CTTA 29

2.3Một số phương pháp ước lượng vị trí mục tiêu……… 31

2.3.1 Bayesian filtering 31

2.3.2 Extended Kalman Filter 31

2.4.Đánh giá chung các hệ thống bắt mục tiêu……… 33

2.5.Phát biểu bài toán……… 34

2.5.1 Mục tiêu 34

2.5.2 Đầu vào 34

2.5.3 Đầu ra 34

2.5.4 Định hướng đề xuất 35

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 36

3.1 Mô hình hệ thống……… ……… 36

3.1.1 Mô hình mạng 36

3.1.2 Mô hình tín hiệu 37

3.1.3 Mô hình truy nhập CSMA-CA 37

3.1.4 Mô hình đo lường cảm biến 41

3.2 Tìm hiểu hệ thống bắt mục tiêu……… 41

3.2.1 Phát hiện mục tiêu 42

3.2.2 Xác định vị trí mục tiêu 45

3.2.3 Thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc 49

3.2.3.1 ARPEES 49

3.2.3.2 EMRP 51

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 55

4.1 Giới thiệu chung về Omnet++……… 55

4.1.1 Tổng quan về Ommet++ 55

4.1.2 Các thành phần chính của OMNeT++: 55

4.1.3 Mô hình trong Omnet++ 56

4.2 Sử dụng OMNeT++……… 58

4.2.1 Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng 58

4.2.2 Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ 59

4.2.2.1File giao diện ned 60

4.2.2.2Các file mã nguồn 61

4.3 Phương thức mô phỏng và cách đánh giá……… 62

4.4 Đánh giá hiệu năng……… 64

4.4.1 Quỹ đạo chuyển động của mục tiêu 64

4.4.2 Hiệu quả sử dụng năng lượng 68

4.4.3 Độ trễ end-to-end 70

4.4.4 Tính linh hoạt của hệ thống 71

4.4.5 Thời gian sống 73

4.5 Đánh giá kết quả và hướng phát triển……… 75

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

LỜI CAM ĐOAN Tôi – Ngô Thị Kim Dản – xin cam đoan:

 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Kỹ thuật này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Quỳnh Thu

 Các kết quả trong luận văn là trung thực, không phải sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội ngày 26 tháng 8 năm 2014

Ngô Thị Kim Dản

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo của Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại Học ách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học cao học tại trường

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã giúp đỡ cho em có thể học tập tốt và hoàn thành việc học tập của mình

Học viên

Ngô Thị Kim Dản

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH 1.1 CẤU TẠO CỦA NÚT CẢM BIẾN 14

HÌNH 1.2 MÔ HÌNH TRIỂN KHAI NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15

HÌNH 1.3 LOCATION TRACKING 24

HÌNH 1.4 ỨNG DỤNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE 25

HÌNH 2.1: HỆ THỐNG BẮT MỤC TIÊU 27

HÌNH 2.2: VÍ DỤ CỦA HỢP TÁC THEO DÕI VÀ XÁC ĐỊNH VÙNG ĐÁNH THỨC SỬ DỤNG EKF 31

HÌNH 3.1: GIẢI THUẬT UNSLOTTED CSMA-CA 40

HÌNH 3.2: KHOẢNG TRỐNG LIÊN KHUNG 41

HÌNH 3.3: LƯU ĐỒ GIAI ĐOẠN PHÁT HIỆN MỤC TIÊU 44

HÌNH 3.4: QUÁ TRÌNH THÀNH LẬP NHÓM 45

HÌNH 3.5: SỬ DỤNG 3 CẢM BIẾN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU 46

HÌNH 3.6: SỬ DỤNG NHIỀU CẢM BIẾN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU 48

HÌNH 3.7: QUÁ TRÌNH LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP 51

HÌNH 3.8: MÔ HÌNH MẠNG HAI MỨC LIÊN KẾT TRONG EMRP 52

HÌNH 4.1: CÁC MODULE ĐƠN GIẢN VÀ KẾT HỢP 56

HÌNH 4.2: CÁC KẾT NỐI GIỮA CÁC MODULE 57

HÌNH 4.3: MÔ HÌNH MẠNG ĐANG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 64

HÌNH 4.4: SO SÁNH QUỸ ĐẠO THỰC CỦA MỤC TIÊU VỚI QUỸ ĐẠO ĐƯỢC ƯỚC LƯỢNG BẰNG LATERATION VÀ EKF 66

HÌNH 4.5: SO SÁNH SAI SỐ ƯỚC LƯỢNG GIỮA 2 PHƯƠNG PHÁP LATERATION VÀ EKF 67

HÌNH 4.6: SAI SỐ GIỮA QUỸ ĐẠO THỰC VÀ QUỸ ĐẠO ƢỚC LƢỢNG KHI

KHOẢNG THỜI GIAN LẤY MẪU LÀ 1S 68

HÌNH 4.7: BIẾN THIÊN NĂNG LƢỢNG TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN 69

HÌNH 4.8: PHÂN BỐ NĂNG LƢỢNG GIỮA CÁC NÚT SAU THỜI GIAN 260S 70

HÌNH 4.9: ĐỘ TRỄ END-TO-END 71

HÌNH 4.10: SO SÁNH SỰ THAY ĐỔI ĐỘ TRỄ END-TO-END KHI THAY ĐỔI KHOẢNG CẢM BIẾN 72

HÌNH 4.11: TỶ LỆ MẤT MỤC TIÊU KHI THAY ĐỔI KHOẢNG CẢM BIẾN 72

HÌNH 4.12: TỶ LỆ MẤT MỤC TIÊU KHI VẬN TỐC THAY ĐỔI 73

HÌNH 4.13: THỜI GIAN SỐNG CỦA TOÀN MẠNG 74

DANH MỤC BẢNG BẢNG 4.1: CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG 45

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ARPEES Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and

Event Clustering forWireless Sensor Networks EMRP Energy-Awared Meshed Routing Protocol

LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

CSMA-CA Carrier sense multiple access with collision avoidance

CCA Clean Channel Assignment

OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển của công nghệ thông tin, truyền thông và Internet kết hợp với những tiến bộ khoa học kĩ thuật gần đây đã tạo điều kiện phát triển các thế hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn và độ chính xác cao Với những ưu điểm vượt trội về khả năng theo dõi và thu thập thông tin, mạng cảm biến không dây đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong quân sự, y tế, phòng chống cháy nổ và nhiều mục đích thiết yếu khác Bắt mục tiêu trong mạng cảm biến không dây là một trong những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây, trong đó các bộ cảm biến theo dõi và báo cáo thông tin về vị trí mục tiêu tới trạm gốc Hệ thống theo dõi mục tiêu trong mạng cảm biến không dây thường gồm ba giai đoạn: (1) phát hiện mục tiêu, (2) xác định vị trí mục tiêu, (3) thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc Trong giai đoạn đầu các nút cảm biến phát hiện được mục tiêu sẽ được kích hoạt để theo dõi và thu thập thông tin liên quan đến vị trí của mục tiêu di động sử dụng tín hiệu âm thanh, hình ảnh của mục tiêu Những cảm cảm biến này sẽ tập hợp thành một nhóm và bầu ra một nhóm trưởng Các thành viên sẽ truyền thông tin về mục tiêu về nhóm trưởng theo lịch TDMA được cấp Ở giai đoạn hai, nhóm trưởng sử dụng các thuật toán ước lượng để xác định vị trí của mục tiêu Ở giai đoạn ba, nhóm trưởng sẽ thông báo sự xuất hiện của mục tiêu để đánh thức trước những nút trong vùng mục tiêu có thể xuất hiện giúp giảm độ trễ phát hiện mục tiêu và tăng chất lượng của hệ thống theo dõi Cuối cùng nhóm trưởng thực hiện quá trình truyền dữ liệu về trạm gốc sử dụng các giao thức định tuyến Để ước lượng quỹ đạo của mục tiêu di động, hệ thống phải cài đặt các giải thuật cho phép ước lượng vị trí mục tiêu như Particle Filter (PF) [1,2], ayesian filter (BF), Kalman Filter (KF), Extended Kalman Filter (EKF), Tuy nhiên do đặc thù chung nên khi hệ thống cài đặt những giải thuật này, độ chính xác phụ thuộc vào thông tin ước lượng tại thời điểm trước Do đó sau khi ước lượng phải quảng bá thông tin tới những cảm biến sẽ tham gia theo dõi mục tiêu tại thời điểm tiếp theo Điều này làm

hệ thống tiêu thụ nhiều năng lượng, cũng như làm giảm độ chính xác trong trường hợp không có thông tin về mục tiêu tại thời điểm trước Chính vì vậy, đề tài này em

tập trung tìm hiểu một hệ thống bắt mục tiêu với mục đích giải quyết những hạn chế của các giải thuật trên, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong mạng và giảm thời gian truyền dữ liệu về trạm gốc nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất theo dõi hợp lý

Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:

CHƯƠNG 1: Mạng cảm biến không dây

Trình bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặc trưng của mạng cảm biến và tổng quan tổng hợp đánh giá các hệ thống bắt mục tiêu trong mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 2: Phát biểu bài toán và định hướng giải pháp

Chương này trình bày đưa ra các vấn đề cần giải quyết và định hướng giải pháp cho các vấn đề này

CHƯƠNG 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương này mô tả giải pháp Trình bày chi tiết về thuật toán sử dụng cho hệ thống, phân tích và so sánh các hệ thống

CHƯƠNG 4: Đánh giá hiệu năng

Chương này giới thiệu về môi trường cài đặt, phương thức mô phỏng cùng các thông số Phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng

Do thời gian thực hiện luận văn có hạn, đề tài tìm hiểu về một vấn đề mới do đó chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót cần được sửa chữa và bổ sung Em rất mong nhận được sự giúp đỡ cùng những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô và bạn bè để

em có thể tiếp tục hoàn thiện đề tài này

CHƯƠNG 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây,

có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu

để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên

Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được

Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị

vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước nhỏ Chúng có thể hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra những con cảm biến có kích thước ngày càng nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít Điều này đã giúp cho mạng cảm biến không dây phát triển ngày một rộng rãi và gần gũi với cuộc sống con người

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến

Một nút cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là:

 Đơn vị cảm biến (sensing unit)

 Đơn vị xử lý (processing unit)

 Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

 Bộ nguồn (power unit)

Hình 0.1 Cấu tạo của nút cảm biến

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)

và bộ phận di động (mobilizer) Các thành phần trong một nút cảm biến được minh họa trên hình 1.2 Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự có được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng 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 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 acquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn Bộ nguồn

có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, 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

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung cấp Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất

Hình 0.2 Mô hình triển khai nút cảm biến không dây

Hai cấu trúc thường gặp ở mạng cảm biến là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng

1.2.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với trạm gốc qua phương pháp đa chặng sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần trạm gốc hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn Ưu điểm khi sử dụng cấu trúc phẳng là tổ chức đơn giản, tuy nhiên sử dụng cấu trúc phẳng trong hoạt động định tuyến dễ gây lặp, dư thừa thông tin, không thể áp dụng với các mạng lớn

1.2.2 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng (tiered architecture), các nhóm được thành lập giúp các tài nguyên trong cùng một nhóm gửi dữ liệu đơn chặng hay đa chặng (tùy thuộc vào kích cỡ của nhóm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (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

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với cấu trúc phẳng, vì một số lý do sau:

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất Mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ

- Mạng cấu trúc tầng có thời gian sống cao hơn cấu trúc mạng phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thới gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu

xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng

sẽ làm tăng thời gian sống của mạng

- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông Với mạng cấu trúc phẳng, khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0 Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một nhóm xung quanh trạm gốc Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi nhóm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau

Tóm lại, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích

về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

1.3 Đặc trƣng của mạng cảm biến không dây

Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt

là năng lượng rất khắt khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống Sau đây, em sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến:

Được triển khai dày đặc và số kết nối được tạo giữa các nút cảm biến rất lớn:

số lượng các nút cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, có thể từ hàng trăm thậm chí hàng ngàn Do đó cấu trúc mạng phải có khả năng thích nghi để có thể làm việc với số lượng lớn các nútmà vẫn hoạt động tốt

Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây Sự

giao tiếp giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi

vị trí hay do sự ảnh hưởng của môi trường đến giao tiếp không dây Lúc này, mạng cần có khả năng tự phát hiện và khắc phục được lỗi này

Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các nút cảm biến

nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…

Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không cần có sự can thiệp của con người: các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc ở môi trường khắc nghiệt, nơi mà con người khó tiếp cận ví dụ như bên trong các máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm…

Khả năng chịu lỗi: một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do

thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Khả

năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút cảm biến bị loại ra khỏi mạng.

Ph ương tiện truyền dẫn:ở những mạng cảm biến multihop, các nút trong mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này

Sự tiêu thụ năng lượng: các nút cảm biến không dây là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian sống của pin Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng

1.4 Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu

Năng lượng tiêu thụ là một vấn đề quan trọng của mạng cảm biến không dây Năng lượng hạn chế được lưu trữ tại mỗi nút phải hỗ trợ nhiều chức năng, bao gồm: hoạt động cảm biến, quá trình xử lý tín hiệu và truyền thông với các nút hàng xóm

Vì vậy, phải xem xét những phương thức sử dụng năng lượng hiệu quả của các cảm biến, giảm tốc độ lấy mẫu, các giải thuật giảm năng lượng quá trình xử lý tín hiệu

và các giao thức truyền thông hiệu quả để trao đổi thông tin giữa các nút Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc giám sát các cảm biến, bao gồm phát hiện, phân loại, xác định và theo dõi mục tiêu, thông tin tổng thể trong cả không gian và thời gian phải được thu thập và phân tích trên một vùng không gian và thời gian xác định Tuy nhiên, cá nhân các nút chỉ cung cấp thông tin không gian cục bộ Hơn nữa, do giới hạn về năng lượng, thời gian xử lý chỉ khả thi trong thời gian hạn chế Điều này đòi hỏi phải phối hợp xử lý tín hiệu, hợp tác giữa các nút để xử lý dữ liệu Một giải thuật phối hợp xử lý tín hiệu phải có những ưu điểm sau đây:

Xử lý phân tán: Những tín hiệu chưa xử lý được lấy mẫu và xử lý tại mỗi nút

nhưng không trực tiếp truyền thông qua các kênh không dây Thay vào đó, mỗi nút

sẽ lọc ra các số liệu thống kê tóm tắt từ tín hiệu gốc, thường có kích thước nhỏ hơn Các số liệu thống kê tóm tắt được lưu cục bộ tại riêng mỗi nút và có thể được truyền tới các nút khác theo yêu cầu

Định hướng mục tiêu dựa trên nhu cầu xử lý: Để bảo tồn năng lượng, mỗi nút

chỉ thực hiện xử lý tín hiệu liên quan đến vận hành truy vấn Trong sự vắng mặt của một truy vấn, mỗi nút chuyển sang chế độ chờ để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ Tương tự như vậy, một nút cảm biến không tự động quảng bá thông tin đã rút gọn,

nó sẽ chuyển tiếp thông tin khi cần thiết

Tập hợp thông tin: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các gói

thông tin giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp cho số lượng các giao tiếp có thể giảm xuống

Xử lý độ chính xác cao: Tùy thuộc vào tính chất của các truy vấn, một số

nhiệm vụ của quá trình xử lý tập trung có thể yêu cầu độ chính xác không gian cao hơn liên quan đến lấy mẫu tốt hơn của nút cảm biến hay độ chính xác thời gian cao hơn dựa vào tốc độ lấu mẫu cao hơn Quá trình xử lý không gian, thời gian với tốc

độ chính xác cao sử dụng Wavelets có thể đuowcj khai thác hiệu quả trong ngữ cảnh này

1.5 Định tuyến trong cảm biến không dây

Một trong những nhiệm vụ quan trọng của hệ thống theo dõi mục tiêu trong WSNs nhằm không mất thông tin mục tiêu là việc truyền tải dữ liệu trong khi vẫn duy trì năng lượng hoạt động hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt giảm kết nối bằng cách sử dụng công nghệ quản lý năng lượng linh hoạt Kiến trúc của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến chịu ảnh hưởng từ nhiều yêu cầu đặt ra Các thách thức này cần phải vượt qua trước khi có thể đạt được một mạng lưới truyền thông hiệu quả trong mạng cảm biến Dưới đây là một số thách thức và vấn đề có ảnh hưởng tới quá trình định tuyến trong mạng cảm biến:

 Sự phân bố các nút mạng: có thể là định trước hay ngẫu nhiên.Trong phân

bố định trước, các cảm biến được đặt vị trí và dữ liệu sẽ được định tuyến qua các tuyến đường đã định trước Tuy nhiên trong phân bố nút ngẫu nhiên, các nút cảm biến được phân tán một cách ngẫu nhiên và nếu kết quả phân tán không đồng đều,việc bó cụm tối ưu là cần thiết để cho phép các hoạt động mạng sử dụng năng lượng một cách hiệu quả

 Định tuyến chính xác khi mức năng lƣợng giảm thấp: Sự trục trặc của

một vài nút cảm biến do lỗi nguồn có thể gây thay đổi rõ rệt về topo mạng và đòi hỏi việc định tuyến lại các gói tin và sắp xếp lại mạng

 Mô hình báo cáo dữ liệu:chia làm ba loại chính: theo thời gian(liên tục),

theo sự kiện, theo truy vấn hay lai hóa Mô hình theo thời gian phù hợp với chức năng đòi hỏi giám sát dữ liệu theo chu kì Theo đó, các nút cảm biến sẽ bật cảm biến và bộ truyền dẫn theo chu kì, cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu cần thiết sau những chu kì không đổi Trong mô hình theo sự kiện và theo truy vấn, các nút cảm biến phản ứng ngay lập tức tới sự thay đổi giá trị bất ngờ và rõ rệt của nhân tố được cảm biến do một sự kiện nhất định xảy ra hoặc một truy vấn được tạo ra bởi trạm gốc Cũng tồn tại một mô hình kết hợp của hai mô hình trên Mô hình báo cáo dữ liệu liên quan tới việc tiêu thụ năng lượng và độ ổn định tuyến đường

 Tính không đồng nhất giữa nút và liên kết : Việc tồn tại sự không đồng

nhất giữa các nút cảm biến có thể làm gia tăng các vấn đề liên quan đến định tuyến dữ liệu Ví dụ, một vài ứng dụng có thể yêu cầu sự kết hợp của nhiều loại cảm biến để theo dõi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường,phát hiện chuyển động và ghi lại hình ảnh của đối tượng chuyển động Ngay cả việc đọc

và báo cáo dữ liệu của các cảm biến này cũng ở tốc độ khác nhau phụ thuộc vào ràng buộc chất lượng dịch vụ, và có thể sử dụng nhiều mô hình báo cáo dữ liệu khác nhau

 Tính chịu lỗi: Việc lỗi ở nút cảm biến không thể để ảnh hưởng tới tác vụ

chung của mạng Nếu một số lượng lớn nút gặp lỗi, giao thức định tuyến bắt

buộc phải điều tiết việc hình thành các liên kết và tuyến đường mới tới trung tâm

dữ liệu ở trạm gốc Điều này có thể đòi hỏi tinh chỉnh cường độ tín hiệu và năng lượng truyền tải một cách chủ động để giảm năng lượng tiêu thụ, hoặc định tuyến lại các gói tin qua vùng mạng có nhiều năng lượng hơn

 Khả năng thích ứng: Số lượng các nút cảm biến đặt trên khu vực cảm biến

có thể lên tới hàng trăm,hàng nghìn hay nhiều hơn Bất kì một phương thức định tuyến nào cũng phải có khả năng hoạt động với một số lượng rất lớn các nút cảm biến.Thêm vào đó, các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến phải đủ linh hoạt để đáp ứng lại các sự kiện trong môi trường

 Tính di động của mạng : Trong một số trường hợp tính di động của trạm

gốc hoặc các nút cảm biến là cần thiết.Các bản tin định tuyến đến từ hay gửi tới các nút di chuyển sẽ khó khăn hơn khi độ ổn định của tuyến đường trở thành một vấn đề được đặt ra.Thêm vào đó,các hiện tượng được cảm biến có thể là tĩnh hoặc động tùy thuộc vào chức năng mạng ví dụ: mang tính động trong việc phát hiện và theo dấu đối tượng,mang tính tĩnh như giám sát rừng để cảnh báo cháy Việc theo dõi các sự kiện tĩnh cho phép mạng hoạt động ở chế độ phản ứng, đơn giản là tạo kết nối khi báo cáo.Các sự kiện động yêu cầu cần có báo cáo theo chu kì

 Thiết bị truyền tải: Các vấn đề cơ bản liên quan tới kênh truyền dẫn không

dây như suy giảm tín hiệu,tỷ lệ lỗi cao…có thể ảnh hưởng tới hoạt động của mạng không dây.Thông thường, băng thông yêu cầu cho dữ liệu cảm biến là nhỏ,từ khoảng 1-100kb/s

 Sự gộp dữ liệu: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các gói

tin giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp cho số lượng các giao tiếp có thể giảm xuống.Gộp dữ liệu là việc kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dựa trên hàm gộp nhất định VD: lược bỏ trùng,cực đại ,cực tiểu hay trung bình.Kĩ thuật này được sử dụng để tận dụng hiệu quả năng lượng và tinh chỉnh

việc truyền tải dữ liệu trong một số các giao thức định tuyến

 Chất lƣợng dịch vụ: Với một số ứng dụng,dữ liệu cần được chuyển tới

trong một khoảng thời gian xác định kể từ khi thu nhận được nếu không dữ liệu

đó sẽ là vô nghĩa.Do vậy độ trễ giới hạn cho việc truyền tải dữ liệu có thể trở thành một tham số trong bài toán định tuyến

1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước phát triển mạnh mẽ, các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm và sản xuất Nơi mà có thể quan sát vung rộng các điều kiện xung quanh bao gồm:

 Sự có mặt hay vắng mặt của một đối tượng nào đó

 Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn

 Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng

Các ứng dụng của mạng WSNs thực sự chỉ bị giới hạn bởi sự tưởng tượng của con người Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSNs

1.6.1 Ứng dụng trong quân đội

Mạng cảm biến không dây có thể tích hợp trong hệ thống điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức của mạng cảm biến hứa hẹn kỹ thuật cảm biến dùng trong quân đội Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có

sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của mạng Do đó, mạng cảm biến được sử dụng cho:

Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: các sĩ quan lãnh đạo sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự sẵn có của các thiết bị đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái

Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể theo dõi hoạt động của quân địch Từ đó các sĩ quan lãnh đạo có thể đưa ra phương

án chiến đấu kịp thời

Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường: trước và sau khi tấn công mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm của chiến trường Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, vấn đề quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạng cảm biến triển khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học

có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng, đúng lúc nhằm giảm thiểu thương vong

1.6.2 Ứng dụng với môi trường

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư của các loài chim, các loài động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc lớn đối với việc quan sát diện tích lớn, quan sát môi trường khí quyển, môi trường vùng biến, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học, nghiên cứu sự ô nhiễm

Hình 0.3 Location tracking

1.6.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một vài ứng dụng về chăm sóc sức khỏe trong mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân, các bác sĩ cũng như giám sát các triệu chứng của bệnh

Theo dõi tình trạng bệnh nhân: mỗi bệnh nhân được gắn cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng Ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện huyết áp

Hình 0.4 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Từ các ví dụ nêu trên chứng tỏ mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng khắp từ môi trường, quân đội, sức khỏe, gia đình cho đến các lĩnh vực thương mại khác Để đạt những thành tựu như vậy phải kể đến các nghiên cứu về vấn đề định tuyến cho mạng cảm biến không dây Các nghiên cứu này đã vượt qua được các thách thức trong mạng cảm biến không dây như hạn chế về mặt năng lượng, thay đổi liên tục trong topo mạng, từ đó đem công nghệ không dây đến gần hơn với cuộc sống con người

CHƯƠNG 2 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP 2.1 Vấn đề bắt mục tiêu

Những giải thuật bắt mục tiêu trong mạng cảm biến không dây được kỳ vọng để phục vụ cơ sở hạ tầng cho một loạt lĩnh vực quan trọng như giám sát chiến trường, giám sát động vật hoang dã, ứng phó thiên tai khẩn cấp Mục đích của hệ thống là thu được một bản ghi gần như liên tục về quỹ đạo của mục tiêu di động dựa trên quá trình xử lý dữ liệu cảm biến Giả sử các nút cảm biến được triển khai ngẫu nhiên trong một vùng địa lý Mỗi nút có thể tự xác định vị trí của mình Thông tin vị trí có thể thu được bằng các sử dụng bộ thu GPS để các nút biết vị trí của nó so với một điểm tham chiếu chung Nhiều kỹ thuật xác định vị trí có thể được sử dụng với mức

độ phức tạp và độ chính xác phần cứng khác nhau Các nút cảm biến trong hệ thống

là tĩnh, điều này làm cho vấn đề xác định vị trí đơn giản hơn Các cảm biến phải có khả năng ước lượng khoảng cách giữa nó và mục tiêu trong khoảng cảm biến Vì mục tiêu có xu hướng xảy ra ngẫu nhiêu nên chỉ những cảm biến gần mục tiêu mới phát hiện và thực hiện cảm biến nó Căn cứ vào thực tế này, không cần thiết phải bật tất cả các nút trong tất cả thời gian Do đó, việc quản lý trạng thái của các nút cảm biến như lịch trình cảm biến hay ngủ trong trường hợp không có mục tiêu thường góp phần kéo dài thời gian sống của mạng cảm biến Hơn nữa, việc kích hoạt trước các nút trong vùng mục tiêu sẽ xuất hiện có thể tăng chất lượng của hệ thống theo dõi

Một hệ thống bắt mục tiêu phải đạt được những tiêu chí sau:

2 Xác định vị trí mục tiêu

3 Thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc

Hình 2.1: Hệ thống bắt mục tiêu

 Phát hiện mục tiêu: an đầu, tất cả các nút ở trạng thái lắng nghe để tiết

kiệm năng lượng Mỗi nút có một chu trình làm việc sẽ có định kỳ thăm dò để phát hiện mục tiêu sẽ thực thi thuật toán để thành lập nhóm và bầu nhóm trưởng Các cảm biến phải có khả năng tự xác định vị trí của mình và đo lường khoảng cách giữa nó và mục tiêu Sau khi xác định được thông tin về khoảng cách với mục tiêu, các nút này sẽ gửi thông tin tới nhóm trưởng theo khe thời gian được cấp, nhóm trưởng sẽ lưu trữ những thông tin về mục tiêu để thực hiện thuật toán ước lượng vị trí, thông tin này gồm: tọa độ cảm biến truyền dữ liệu và khoảng cách đo lường từ cảm đó tới mục tiêu

 Xác định vị trí: ước tiếp theo là ước lượng vị trí của mục tiêu Nếu mục

tiêu có khả năng truyền thông với cảm biến, vấn đề xác định vị trí dễ dàng hơn và

đã có nhiều thuật xác định vị trí trong mạng cảm biến, ví dụ: xe cộ của địch hoặc đối tượng không được đăng ký trong vùng thiên thai Để giải quyết vấn đề này, nhiều kỹ thuật ước lượng vị trí đã được nghiên cứu và đề xuất trong thời gian gần đây ayesian filter ( F) và Kalmanfilter (KF) là hai phương pháp cổ điển để ước lượng trạng thái gốc của mục tiêu bằng việc tập hợp và phân tích dữ liệu cảm biến

Một thách thức lớn là làm thế nào phối hợp một mạng được triển khai ngẫu nhiên quy mô lớn để theo dõi mục tiêu di động một cách hiệu quả khi trạng thái mục tiêu thay đổi động trong điều kiện không chắc chắn do tạp âm và nhiễu đo lường Với

mô hình tuyến tính với nhiễu Gaussian, cách giải quyết tối ưu là KF Đối với mô hình phi tuyến, các biến thể của KF như Extended Kalman Filter (EKF) và Unscented Kalman Filter (UKF) đã được phát triển để ước lượng vị trí mục tiêu

Để xác định được vị trí mục tiêu thông qua các thuật toán ở trên, cần phải có ít nhất ba cảm biến ở các vị trí khác nhau cảm biến được mục tiêu ở cùng một thời điểm

 Thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc: Để giảm độ trễ phát hiện mục

tiêu của các nút và tăng chất lượng của hệ thống, sau khi ước lượng được vị trí mục tiêu, nhóm trưởng sẽ gửi thông báo đánh thức trước những cảm biến ở vùng mục tiêu có thể đi tới trong bước thời gian tiếp theo Cuối cùng nhóm trưởng sẽ tìm đường và gửi thông tin về mục tiêu về cho trạm gốc

2.2 Một số hệ thống bắt mục tiêu trong mạng cảm biến

2.2.1 VigilNet

 VigilNet là hệ thống theo dõi và giám sát xem xét vấn đề tiêu thụ năng lượng hiệu quả, được thiết kế cho các hoạt động quân sự ở vùng sâu vùng xa Trong khu vực này, các sự kiện quan tâm xảy ra với một tỷ lệ tương đối thấp, tức

là thời gian giám sát mục tiêu (ví dụ, những kẻ xâm nhập) là rất ngắn, so với thời gian tồn tại thực của toàn hệ thống Theo kết quả thực nghiệm cho thấy gần 99% năng lượng được tiêu thụ trong thời gian nhàn rỗi chờ đợi mục tiêu Do vậy để bảo tồn năng lượng, hệ thống tắt các cảm biến, và đánh thức chúng khi có sự hiện diện của mục tiêu Sau khi một mục tiêu đi vào khu vực triển khai mạng, nó kích hoạt các nút cảm biến đầu tiên để xác minh sự phát hiện, sau đó các nút gần đó được đánh thức để tạo một nhóm gửi báo cáo về trạm gốc Hệ thống theo dõi mục tiêu VigilNet gồm 6 pha:

A Kích hoạt khởi tạo: Khi không có mục tiêu hệ thống ở trong trạng thái quản

lý năng lượng Giao thức quản lý năng lượng đặt các cảm biến ở một trong hai trạng thái: canh gác hoặc không canh gác Nút canh gác có nhiệm vụ phát hiện mục tiêu và đánh thức các nút không canh gác

B Khởi tạo phát hiện mục tiêu: Sau quá trình kích hoạt khởi tạo, nút canh gác

cần xác minh việc phát hiện

C Đánh thức: Trong pha này, nút canh gác phát hiện mục tiêu đánh thức các

nút không canh gác khác để tạo thành một nhóm có kích thước hợp lý, thực hiện nhiệm vụ theo dõi mục tiêu

D Tạo nhóm: Sau khi thức dậy, tất cả các nút phát hiện cùng một mục tiêu tạo

thành một nhóm Mỗi nhóm được đại diện bởi một nhóm trưởng Các thành

viên trong nhóm định kỳ báo cáo về nhóm trưởng

E Báo cáo End-to-End: Sau khi hình thành nhóm, nhóm trưởng báo cáo thông tin về mục tiêu tới trạm gốc gần nhất

F Trạm gốc xử lý: Trạm gốc xử lý các báo cáo từ các nhóm trưởng, các chuỗi báo cáo liên tiếp được phân tích và tóm tắt cho người dùng cuối

Tóm lại mục đích của hệ thống theo dõi mục tiêu VigilNet là quản lý các nút giúp giảm năng lượng tiêu thụ nhưng vẫn đảm bảo làm việc trong thời gian thực

2.2.2 Hệ thống sử dụng giải thuật CTTA

Collaborative Target Tracking Algorithm (CTTA) là giải thuật hợp tác bắt mục tiêu xem xét vấn đề ràng buộc năng lượng trong mạng cảm biến không dây Hệ thống sử dụng giải thuật EKF để ước lượng quỹ đạo của mục tiêu di động Ước lượng bao gồm vị trí của mục tiêu và hướng chuyển động của nó Mục đích của giải thuật: (1) giảm năng lượng tiêu thụ bằng việc quản lý trạng thái của các nút cảm biến, (2) tăng chất lượng theo dõi thông qua việc dự đoán mục tiêu và kích hoạt trước các nút cảm biến, (3) kéo dài thời gian sống của mạng bằng cách cân bằng thời gian sống của tất cả các nút trong mạng Giải thuật gồm các quá trình sau:

1) Chọn nhóm làm việc và nhóm trưởng: an đầu tất cả các nút cảm biến ở

trạng thái lắng nghe để tiết kiệm năng lượng Nếu tín hiệu đo lường vượt ngưỡng định trước, những cảm biến này sẽ được kích hoạt Chúng sẽ quảng

bá bản tin trạng thái để tiến hành chọn nhóm trưởng sử dụng hàm đánh giá:

maxarg{ [ , ], }

e là năng lượng còn lại của cảm biến i

2) Giải thuật theo dõi và cập nhật: Với những thông số đo lường có được từ

các thành viên nhóm Nhóm trưởng sử dụng EKF để ước lượng trạng thái của mục tiêu như vị trí, tốc độ, và hướng Nó dự đoán vùng chứa mục tiêu trong tương lai và sau đó báo cáo thông tin về trạm gốc Nếu tín hiệu đo lường nh

3) hơn một ngưỡng (threshold j) nhóm trưởng sẽ gửi bản tin đánh thức những cảm biến tiếp theo phù hợp tương ứng với vùng dự đoán Cuối cùng hệ thống

sử dụng giao thức định tuyến ARPEES để truyền dữ liệu từ nhóm trưởng tới trạm gốc

Hình 2.2: Ví dụ của hợp tác theo dõi và xác định vùng đánh thức sử dụng EKF

2.3 Một số phương pháp ước lượng vị trí mục tiêu

2.3.1 Bayesian filtering

ayesian filtering ( F) là phương pháp ước lượng tuần tự được sử dụng cho nhiều ứng dụng theo dõi mục tiêu Trong BF, giải thuật theo dõi tính toán một cách

đệ quy trạng thái x dựa trên những quan sát Y từ lần thời điểm 1 tới k, cụ thể là k

phân phối hậu nghiệm (hay phân phối lọc) p x( k |Y1 : k), trong đó

1 : k  i, i1, ,k

Y Y Để tính toán đệ quy phân phối hậu nghiệm chúng ta cần ba phân phối, cụ thể là phân phối của trạng thái khởi tạo p x( 0) ở thời điểm 0, mô hình chuyển trạng thái p(xk |xk1) đại diện cho trạng thái động và hàm Likelihood ( k | k)

p Y x phụ thuộc vào mô hình quan sát

2.3.2 Extended Kalman Filter

Đối với hệ thống tuyến tính với nhiễu Gaussian, Kalman Filter là một giải pháp tối ưu cho vấn đề Bayesian tuần tự Trong trường hợp hệ thống phi tuyến / nhiễu Gaussian, một biến thể của Kalman Filter là Extended Kalman Filter có thể được sử dụng để cung cấp một giải pháp tối ưu bằng việc tuyến tính hóa trạng thái

phi tuyến động hay phương trình đo lường cục bộ EKF gồm 2 quá trình: Dự đoán

Trong đó ( )A k là ma trận chuyển trạng thái đã biết

 Hiệp phương sai ước lượng dự đoán:

( )k

Q là ma trận hiệp phương sai của nhiễu quá trình đã biết

 Đo lường dự đoán

(k1)

z là vector đo lường mục tiêu tại thời điểm k+1

 Hiệp phương sai độ lệch

 Độ lời Kalman tối ưu

2.4 Đánh giá chung các hệ thống bắt mục tiêu

Các hệ thống bắt mục tiêu trong mạng cảm biến không dây ở trên đều hướng tới việc sử dụng năng lượng hiệu quả nhưng vẫn đảm bảo chất lượng theo dõi mục tiêu trong thời gian thực bằng việc quản lý trạng thái của các nút cảm biến

Trong hệ thống VigilNet, quản lý các cảm biến bằng cách chia làm hai loại : nút canh gác và nút không canh gác Những cảm biến canh gác có nhiệm vụ định kỳ quan sát sự xuất hiện của mục tiêu và đánh thức những cảm biến khác Nhưng nhược điểm của hệ thống này là độ trễ end-to-end lớn do cụm chỉ được tạo khi cảm biến canh gác phát hiện được mục tiêu và thông báo đánh thức những cảm biến không canh gác

Đối với hệ thống sử dụng giải thuật CTTA, các cảm biến đều thực hiện quan sát sự xuất hiện của mục tiêu và được đánh thức trước bởi nhóm trưởng nên khắc phục được nhược điểm của hệ thống VigilNet Để ước lượng vị trí mục tiêu CTTA

sử dụng phương pháp ước lượng hồi quy tối ưu EKF, là một trong những phương pháp hiệu quả nhất được sử dụng trong hệ thống theo dõi Tuy nhiên, nhược điểm của những phương pháp ước lượng hồi quy như F, KF, EKF, là để nhóm trưởng ước lượng chính xác vị trí mục tiêu cần phải có thông tin trong quá khứ của mục

điểm k+1) Tại các thời điểm, các nhóm trưởng khác nhau tham gia ước lượng vị trí

mục tiêu, nên sau khi ước lượng, nhóm trưởng phải quảng bá thông tin về mục tiêu cho những cảm biến tham gia theo dõi mục tiêu tại thời điểm sau Điều này gây tốn năng lượng của mạng và gây sai số lớn khi nhóm trưởng mất thông tin về mục tiêu tại thời điểm trước Ngoài ra CTTA sử dụng phương pháp định tuyến ARPEES, phải tìm lại tuyến đướng khi gửi báo cáo về trạm gốc nên không hiệu quả về mặt thời gian trong hệ thống thời gian thực

Từ việc phân tích những hạn chế của các hệ thống bắt mục tiêu em tìm hiểu một hệ thống bắt mục tiêu sử dụng phương pháp ước lượng Lateration Phương pháp này chỉ ước lượng vị trí mục tiêu từ thông tin đo lường của các cảm biến tại thời điểm hiện tại Ngoài ra hệ thống sử dụng giao thức định tuyến EMRP giúp khắc phục được nhược điểm của các hệ thống trên, tiết kiệm năng lượng hơn nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác

2.5 Phát biểu bài toán

2.5.1 Mục tiêu

Xây dựng một hệ thống bắt mục tiêu nhằm các mục tiêu chính sau đây

 Xác định mục tiêu với độ chính xác đủ lớn

 Sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng

 Đảm bảo hệ thống làm việc trong thời gian thực

2.5.2 Đầu vào

 Mô hình mạng với kích thước cố định

 Tập hợp các nút cảm biến với vị trí cố định, mức năng lượng đồng đều

và không có khả năng nạp lại

 Quỹ đạo chuyển động của mục tiêu và nhiễu Gaussian

2.5.3 Đầu ra

 Quỹ đạo mục tiêu được ước lượng bởi hệ thống

 Thông tin về mức năng lượng của mỗi nút cũng như của toàn mạng

 Độ trễ end-to-end sau mỗi lần ước lượng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Mô hình hệ thống

 Các nút cảm biến là đồng đều và có mức năng lượng giới hạn giống nhau Các nút cảm biến sẽ ngừng tham gia vào quá trình theo dõi mục tiêu, định tuyến khi hết năng lượng

 Mỗi nút cảm biến có khoảng truyền tải xác định, các nút cảm biến ở xa không thể truyền dữ liệu trực tiếp về trạm gốc Các nút cảm biến nằm trong khoảng truyền tải có khả năng liên lạc, trao đổi dữ liệu với nhau và được gọi

là các nút hàng xóm

 Các nút cảm biến có khả năng xử lý như nhau, được cài đặt thuật toán như nhau

 Các nút cảm biến có thể tự xác định được vị trí của mình

 Mặc định trạm gốc có năng lượng không giới hạn và có khả năng liên lạc tới tất cả các nút trong mạng cảm biến do đó coi như mọi nút cảm biến trong mạng đều có thông tin về vị trí của trạm gốc để phục vụ cho việc định tuyến

 Một bước thời gian (timeStep) là khoảng thời gian giữa các lần lấy mẫu Một

lần lấy mẫu là quá trình cảm biến mục tiêu, đo đạc dữ liệu, gửi dữ liệu về nhóm trưởng, ước lượng vị trí và truyền dữ liệu về trạm gốc Hệ thống làm việc trong thời gian thực thì quá trình này phải hoàn thành trong khoảng một bước thời gian

3.1.2 Mô hình tín hiệu

Để phân tích quá trình truyền nhận dữ liệu chúng ta sử dụng các điều kiện giống như giao thức LEACH với mô hình tín hiệu đơn giản bậc nhất:

 k là số lượng bit của một gói tin

 E Tx elec E Rx elec kE elec là năng lượng yêu cầu trên thiết bị dùng để truyền nhận dữ liệu

 E amp là năng lượng khuếch đại truyền dẫn

 Chi phí truyền tải thông điệp độ dài k-bit giữa 2 nút bất kỳ qua khoảng cách

d được tính bởi biểu thức:

Tx Tx elec amp

Trong đó E amp biến thiên theo khoảng cách d E amp E fs trong mô hình không gian

tự do khi d d0 và E amp E mp trong mô hình không gian đa đường khi d d0 0

d là khoảng cách không đổi phụ thuộc vào môi trường Biểu thức trên có thể biến

đổi thành:

2

0 4

0

,( , )

Để đánh giá chế độ làm việc theo thời gian thực của hệ thống, hệ thống được cài đặt mô hình đa truy nhập cảm thụ sóng mang tránh xung đột (CSMA-CA) theo chuẩn IEEE 802.15.4 được thiết kế cho mạng cảm biến không dây năng lượng thấp, tốc độ dữ liệu thấp và độ tin cậy cao Chuẩn này được chọn do đặc điểm của hệ thống theo dõi mục tiêu là:

1 Phần lớn thời gian các nút không dùng để truyền thông với nhau bởi vì mục tiêu hiếm xuất hiện;

2 Thông tin về quỹ đạo của mục tiêu gửi về trạm gốc có kích thước nhỏ và

cố định;

3 Tốc độ dữ liệu thấp

Chuẩn này gồm 2 dạng: phân khe thời gian (slotted) và thời gian liên tục (unslotted) Hệ thống được cài đặt quá trình đàm phán và truy nhập kênh truyền sử dụng phương pháp đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA-CA) hoạt động ở dạng unslotted (thời gian liên tục) và không có sự xuất hiện của mốc beacon (unbeaconed) vì mô hình này có chi phí thấp nhất vì vậy nó sẽ cung cấp một

độ trễ nhỏ nhất và hiệu suất sử dụng băng thông cao Mô hình unbeconed không cần phải đồng bộ các cảm biến trong mạng nên đơn giản, hiệu quả do tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, độ tin cậy cao cho hệ thống theo dõi mục tiêu với tốc độ dữ liệu thấp

Mô hình này sử dụng các thủ tục nhằm truy nhập kênh truyền Trong mô hình của giải thuật này, khoảng thời gian backoff của một thiết bị trong mạng không đồng bộ với khoảng thời gian của thiết bị khác Trong chế độ không có beacon, không có sự xuất hiện của các khe thời gian đảm bảo độ trễ thấp Thay vào đó, các thiết bị phải tranh chấp truy nhập kênh dùng giải thuật truy nhập CSMA-CA không chia khe thời gian Giải thuật này được trình bày như hình3.1 và được trình bày cụ thể qua 5 bước như sau:

ước 1: Khi một nút cảm biến muốn phát dữ liệu, đầu tiên nút này khởi tạo các các giá trị NB, BE và gán giá trị khởi tạo ban đầu cho các biến