BÀI TIỂU LUẬN Mạng cảm biến không dây và ứng dụng vào mô hình nông nghiệp thông minh

Tuyvậy, việc thiết kế và thực hiện có hiệu quả mạng cảm biến không dây phải đối mặt vớirất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến lànguồn năng lượng bị

KHOA VIỄN THÔNG 1

BÀI TIỂU LUẬN

Mạng cảm biến không dây và ứng dụng vào mô hình nông nghiệp

thông minh

Nhóm môn học: Nhóm 6 Giảng viên hướng dẫn: Đặng Thế Ngọc

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Mạnh-B18DCVT282

Đặng Phương B18DCVT298 Phạm Thế Phú- B18DCVT322 Đào Mạnh Quang- B18DCVT330

Nam-Mục lục

Lời nói đầuTrong thời đại 4.0 ngày nay, công nghệ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi con người Công nghệ đã phát triển và tồn tại rất nhiều dạng, cơ chế

và kỹ thuật khác nhau Nó đã có mặt và phục vụ ở tất cả các mặt trong đời sống, từ giải trí, vui chơi đến quân sự, làm nông nghiệp, Bên cạnh sự phát triển của công nghệ thì không thể không nhắc tới sự phát triển của Internet, nó đã giúp cho cuộc sống trở nên dễ dàng, tiện nghi và giúp con người trong nhiều mặt.

Trong bài báo cáo này, nhóm chúng em nghiên cứu, đánh giá về Mạng cảm biến không dây WSN và ứng dụng nó để giúp con người trong việc làm nông nghiệp.

● Nội dung bài báo cáo gồm 2 phần chính:

1 Mạng cảm biến không dây WSN

2 Ứng dụng WSN vào mô hình nông nghiệp thông minh

● Nội dung từng phần:

Thuật ngữ viết tắt

ACK Acknowledgement Code Một bản tin xác nhận

ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự-số

CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh có rỗi không

FPGA Field Programmable Gate

Array

Loại mạch tích hợp cỡ lớn dùngcấu trúc mảng phần tử logicMAC Media Access Control Điều khiển truy nhập đường

truyềnQoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RAM Random Access Memory Bộ nhớ khả biến cho phép truy

xuất đọc-ghi ngẫu nhiên

A Time-division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo thờigian

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN

Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đang là chủ đề thu hút được nhiều

sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu cũng như các công ty công nghệ điện tử - viễnthông trên thế giới Với tính ưu việt của mình về giá thành thấp, khả năng tự cấu hìnhmạng, chịu được các điều kiện trong môi trường đặc biệt, mạng cảm biến không dâyđang được kỳ vọng sẽ có nhiều tác động tích cực hơn đến cuộc sống của chúng ta Tuyvậy, việc thiết kế và thực hiện có hiệu quả mạng cảm biến không dây phải đối mặt vớirất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến lànguồn năng lượng bị giới hạn và không thể truyền lại, chính vì thế hiện nay rất nhiềunghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng củatoàn mạng

1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây WSN.

Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network- WSN) có thể hiểu đơngiản là một mạng liên kết các thiết bị đơn giản với nhau bằng kết nối không dây (vôtuyến, hồng ngoại, quang học) bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ kết hợp với nhau bằngsóng vô tuyến Số lượng lớn các nút được triển khai dầy đặc bên trong hoặc ở rất gầnđối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu Vị trí các cảm biến không cần địnhtrước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặccác khu vực nguy hiểm Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảmbiến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này Với số lượng lớn các cảmbiến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn đểcông suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quảtruyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách xa Cấu trúc cơ bản của mạng cảmbiến không dây được thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây.

Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) Mỗinút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến

số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tinmang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộthu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (MultihopInfrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâmđiều khiển Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task ManagerNode) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) Mỗi nútcảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát khôngdây và nguồn điện Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thànhphần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động Các thànhphần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 2.1 Bộ cảm biến thường gồm haiđơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự sang số(ADC) Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tínhiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thường kếthợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tácvới các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữanút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằngtín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Bộ nguồn, cóthể là pin hoặc ắc quy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế đượcnên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi cácthiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ Hầu hết các công nghệ định tuyếntrong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trívới độ chính xác cao Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Cácthiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu đểđảm bảo các nhiệm vụ được phân công

1.2 Cấu trúc của một mạng cảm biến không dây.

1.2.1 Các thành phần trong mạng cảm biến không dây.

Hệ thống phần cứng của WSN bao gồm 3 thành phần cơ bản: nút nguồn hay nútcảm biến là các nút làm nhiệm vụ cảm biến, kết hợp và gửi dữ liệu; nút sink là các nútchỉ làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ nguồn và chuyển cho AP, cũng có thể làm nhiệm

vụ trung gian giữa các mạng WSN và các hệ thống mạng khác; AP làm nhiệm vụ trunggian trung chuyển dữ liệu, đôi khi vai trò của AP không rõ ràng

Hình 1.2.1: Các thành phần của nút cảm biến.

Nút Sink

Nút sink chứa các thông tin các nút khác cần và gửi yêu cầu tới Nút sink có thể

là một thành phần bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc bên ngoài mạng, có thể làmột thiết bị vật lý thực có khả năng tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng có thể làmột gateway logic kết nối tới các vùng mạng khác lớn hơn như Internet, khi các thôngtin cần phải trích xuất từ các nút mạng được yêu cầu từ các thành phần ngoài mạng cảmbiến Nút sink chịu trách nhiệm tương tác với các nút cảm biến, chuyển các dữ liệu đãđược xử lý từ các nút cảm biến đến các trạm gốc hoặc đến các AP Nhờ sử dụng bộ vi

xử lý, nút sink có khả năng xử lý tín hiệu kỹ thuật số Bộ vi xử lý có thể bao gồm nhiềukhối mô-đun khác nhau như ăng ten, bộ thu phát, bộ xử lý, bộ nhớ ngoài, khối đầu vào,màn hình hiển thị và pin và mạch sạc Nguồn nuôi của nút Sink thường là một pin có thểsạc được và có thời gian hoạt động ít nhất từ 8h đến 12h Do giới hạn về khả năng tínhtoán của bộ xử lý trên từng nút mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng cho nút, thuậttoán xử lý tín hiệu và dữ liệu được sử dụng trong mạng cảm biến không thường là kiểudây phi tập trung (giảm tải cho các nút mạng gần hết năng lượng), hoặc gửi dữ liệu thôcho các trạm gốc có khả năng xử lý mạnh và ít phụ thuộc vào mức độ tiêu thụ nănglượng

Nút cảm biến (Sensor Nút)

Một mạng cảm biến không dây thường là một tập hợp nhiền nút cảm biến đượcphân bố trong một diện tích rộng Các nút cảm biến đều có khả năng cảm biến môitrường và xử lý thông tin thu thập được một cách độc lập Sau đó các nút mạng sẽ thựchiện gửi thông tin đã qua xử lý đến bộ xử lý trung tâm bằng cách gửi gián tiếp qua cácnút lân cận Thông thường một nút cảm biến sẽ bao gồm những thành phần như: Bộ

phận thu phát sóng, bộ xử lý, bộ nhớ, một hoặc nhiều đơn vị cảm biến và bộ nguồn hữuhạn.

Bộ xử lý: Là một vi điều khiển hay một máy tính nhỏ, trên một mạch tích hợp

duy nhất có chứa một lõi xử lý, bộ nhớ và đầu vào/đầu ra Nhiệm vụ của bộ xử lý là lậptrình cho các tác vụ, xử lý dữ liệu và điều khiển các thành phần khác Các kiểu bộ xử lý

có thể được sử dụng trong WSN: bộ vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu số, FPGA (Field ProgramGate Array) Trong đó vi xử lý được sử dụng nhiều hơn cả Ví dụ như cảm biến Mica2Mote sử dụng bộ xử lý ATMega 128L Microcontroller

Bộ thu phát tín hiệu: Đảm nhiệm việc thu phát tín hiệu vô tuyến Bộ thu phát

thường sử dụng sóng vô tuyến, laser hoặc hồng ngoại, song sóng vô tuyến được sử dụngphổ biến hơn cả vì do khả năng đáp ứng các ứng dụng trong một hệ thống mạng cảmbiến không dây Bộ thu phát tín hiệu có các trạng thái như: Truyền tin, Nhận tin, Chờ vàNgủ

Bộ nhớ: Bao gồm các bộ nhớ flash và và thanh RAM của bộ vi xử lý Có thể có

cả các thẻ nhớ ngoài để lưu trữ thông tin trước và sau khi xử lý

Bộ nguồn: Trong quá trình hoạt động của một nút cảm biến, việc cảm ứng môi

trường, xử lý và truyền dữ liệu tiêu thụ phần lớn nguồn năng lượng hữu hạn của nútmạng Trong đó tiêu tốn nhiều năng lượng nhất là dành cho quá trình truyền dữ liệu.Lựa chọn phổ biến cho nguồn năng lượng trong các cảm biếnlà pin Do việc bị giới hạnnguồn năng lượng nên một trong những ưu tiên hàng đầu trong thiết kế là vận hànhmạng cảm biến không dây la việc tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến Hiện nay

đã có rất nhiều nghiên cứu cải tiến nhằm tăng cường thời lượng hoạt động của các nútcảm biến Việc sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên để thay thế như pin năng lượngmặt trời cho các nút cảm biến cũng đã được tính toán như một giải pháp thay thế nguồnnăng lượng hiện tại

Bộ cảm biến: Là thiết bị phần cứng được sử dụng để quan sát các thông số vật lý

ở môi trường xung quanh Dữ liệu cảm ứng được thể hiện ở dạng dữ liệu tương tự vàđược số hóa bằng bộ ADC Sau đó dữ liệu số được gửi cho bộ xử lý để thực hiện các tác

vụ tiếp theo Các cảm biến thường là các vi mạch để đảm bảo kích thước nhỏ và tiêu thụrất ít năng lượng Một nút cảm biến có thể sử dụng cùng lúc một hoặc nhiều loại cảmbiến Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như

là hệ thống định vị, bộ sinh điện và bộ phận di động

Các thành phần của phần cứng trong mô hình mạng cảm biến không dây thường sửdụng các hệ điều hành nhúng với thiết kế đơn giản và tập trung vào nhiệm vụ của nút,đồng thời ưu tiên việc tối ưu hóa sử dụng năng lượng Do đó, các nút cảm biến sử dụngcác bộ xử lý có khả năng đảm bảo các kỹ thuật được sử dụng không tốn quá nhiều tàinguyên và cần thiết cho quá trình hoạt động của nút mạng

1.2.2 Các mô hình cấu trúc của mạng cảm biến không dây.

Khi thiết kế một cấu trúc mạng cảm biến không dây cần đảm bảo việc sử dụngnguồn tài nguyên hạn chế của mạng tối ưu nhất có thể, từ đó kéo dài thời gian sống củamạng Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng phải cần phải quan tâm đến cácyếu tố sau:

Giao tiếp không dây đa chặng: Khi sử dụng chủ yếu giao tiếp vô tuyến thì giao

tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách vật lý hoặc tồn tại vật cản.Trong trường hợp nút phát và nút thu ở vị trí cách xa nhau thì cần tăng công suất phát sovới khoảng cách gần Để xử lý vấn đề này, có thể sử dụng các nút trung gian đóng vaitrò chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy các mạng cảm biến không dây cầnphải dùng giao tiếp đa chặng

Sử dụng hiệu quả năng lượng: Để kéo dài thời gian hoạt động của mạng cảm

biến không dây, đảm bảo hiệu suất sử dụng năng lượng đạt yêu cầu là kĩ thuật quantrọng

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải có khả năng tự cấu hình

các thông số của bản thân Một ví dụ về khả năng này là các nút có thể xác định vị tríđịa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

Công tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng, một

nút cảm biến không thể đảm bảo công việc thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nútcùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu đáng tin cậy Trong trường hợp đó,nếu từng nút thu dữ liệu và gửi đến trạm gốc thì sẽ rất hao phí băng thông và nănglượng Việc kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng trước khi gửi tới trạm gốc

sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng cần cho mỗi phiên truyền tin Các tác vụ này cóthể là xác định nhiệt độ trung bình, hay cao nhất của một khu vực

Hình 1.2.2a: Mô hình mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác

trong trường cảm biến

Do vậy, cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế để thỏa mãn:

● Kết hợp tiết kiệm năng lượng với khả năng tự định tuyến

● Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

● Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

● Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến như hình 1.2.2a Mỗi mộtnút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm gốc Hình vẽtrên cũng thể hiện cấu trúc đa điểm định tuyến dữ liệu Các trạm gốc có thể giao tiếp vớicác nút quản lý nhiệm vụ (nút task manager) thông qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Có thể phân chia cấu trúc của mạng cảm biến thành 2 loại: cấu trúc phẳng và cấu trúcphân cấp

❖ Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (hình 1.2.2b), tất cả các nút đều bình đẳng và đồng nhất vềhình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với trạm gốc qua hình thức đa chặng và sửdụng các nút ngang hàng khác như bộ tiếp sóng Do có phạm vi truyền cố định, các nútgần trạm gốc hơn đảm nhiệm vai trò của bộ tiếp sóng cho một lượng lớn nút nguồn.Trong trường hợp tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, tàinguyên mạng có thể chia sẻ là thời gian

Hình 1.2.2b: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây.

❖ Cấu trúc phân cấp

Trong cấu trúc phân cấp như hình 1.2.2c, mạng cảm biến được phân chia thành cáccụm, mỗi cụm có một nút chủ cụm Các nút khác trong cụm thu thập dữ liệu, rồi gửi đơnchặng hoặc đa chặng tới nút chủ cụm (tùy theo kích thước của cụm và vị trí của nút

nguồn).

Hình 1.2.2c: Cấu trúc phân cấp của mạng cảm biến không dây.

Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ởmột mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn Trong cấu trúc phân cấp thì chứcnăng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Nhữngchức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận,cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu

1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây.

Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp không dây dựa trên tiêu chuẩn

về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp – trung bình, tiêuthụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống Vị trí node cảm biếnhầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải có khảnăng tự xây dựng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, trong đóvấn đề căn bản là năng lượng tiêu thụ phải thấp nhất đến mức có thể Chủ yếu tập trungvào giao thức định tuyến, bởi vì định tuyến có khác so với các mạng truyền thống (phụthuộc vào ứng dụng và kiến trúc mạng)

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.

+ Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu,

điếu chế và mã hoá tín hiệu

+ Lớp liên kết số liệu: Có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ

liệu, cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường có tạp âm và các nodecảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xết đếnvấn đề công suất và phải có khả năng tối ưu hoá việc va cham với thông tin quảng bácủa các node lân cận

+ Lớp mạng: Quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải + Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm nhận yêu cầu Lớp

truyền tải chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet

✔ Mặt phẳng quản lý di chuyển: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển

động của các node Từ đó có thể xác định xem ai là hàng xóm của mình

✔ Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm

biến giữa các node trong vùng đó đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến tai cùng một thời

điểm.

1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây.

WSNs có một số đặc điểm khác các mạng không dây khác (mạng adhoc), nhưtính chất hướng dữ liệu Do vậy cấu trúc các giao thức mạng cũng khác, WSNs đòi hỏimột kiến trúc ứng dụng nhạy cảm hơn, đồng thời đòi hỏi một số dịch vụ cơ bản nhưđịnh vị và đồng bộ thời gian để cho phép công tác hiệu quả và thu thập dữ liệu tốt Hơnnữa, do kiến trúc và nhiệm vụ của WSN nên nó dễ bị tấn công Các đặc tính của mạngcòn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể

Nút mạng có tài nguyên hạn chế: Năng lực xử lý yếu, bộ nhớ hạn chế và tốc độ truyền

thông thấp Nguồn nuôi bằng PIN, mạng triển khai bằng cách rắc trên miền địa hìnhphức tạp, nút không giám sát do đó không thể nạp hoặc thay PIN Vì vậy, vấn đề nănglượng hiệu quả cho các nút mạng là rất quan trọng cho việc kéo dài tuổi thọ của mạng

Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao: Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng

cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồmcác hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏnên cần tính toán rất kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xenvào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đápứng tính năng thời gian thực Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồngthời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ

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 lỗithể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngaykhi cả một số nút mạng không hoạt động

Quy mô lớn và khả năng mở rộng: Kích thước của WSN khác nhau tùy vào từng ứng

dụng, một số mạng có số lượng nút cảm biến rất lớn (có thể lên đến hang tram nghìnnút) Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với sốlượng lớn các nút này Đồng thời điều này cũng khiến cho việc gỡ rối hay tổ chức lậptrình gặp nhiều khó khăn

Mô hình truyền thông mới: Khác với mô hình truyền thông không dây truyền thống

điển hình adhoc là end to end còn mô hình trong WSN có lưu lượng dữ liệu thông

thường được chuyển từ nhiều nguồn tới một đích

Yêu cầu thời gian thực: Có một số ứng dụng đòi hỏi xử lý dữ liệu tức thì, các cảm nhận

kịp thời thu dữ liệu và truyền sẽ tăng khó khăn trong việc gửi tín hiệu Độ trễ trong quátrình cảm nhận dữ liệu lớn có thể là vô ích

Hoạt động tin cậy: Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với

một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng

độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất Việctăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, khả năng chấp nhận vàkhắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng

Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàngphát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.

Môi trường hoạt động: 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 mà không cần giámsát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dướiđáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hay sinh học, ở gia đình hay nhữngtòa nhà lớn

1.5 Thách thức của mạng cảm biến không dây.

Những thách thức trong mạng cảm biến không dây phát sinh trong thực hiện một

số dịch vụ Có rất nhiều các thông số có thể điều khiển và không thể điều khiển bằngnhững thực hiện ảnh hưởng của mạng cảm biến như:

Bảo tồn năng lượng: Trong mạng cảm biến không dây mọi nút được trang bị

cảm biến và các thiết bị cảm biến đang ở điều kiện làm việc tùy thuộc vào sức mạnhđược cung cấp bởi pin đính kèm Để có hiệu suất tốt hơn mạng nên hoạt động trong thờigian lớn Như chúng ta biết rằng, nút cảm biến có kích thước nhỏ do vậy pin cũng cókích thước nhỏ nên năng lực và năng lượng có sẵn là rất ít Và trong đó tình trạng bơmlại hoặc thay thế pin là không thể Điều này cũng dẫn đến chi phí rất tốn kém Để tránhvấn đề này một số giao thức tiết kiệm năng lượng hơn được thiết kế sao cho node cảmbiến giao tiếp hiệu quả bằng cách tăng cả hai thông lượng và dung lượng mạng

Hoạt động trong môi trường đối kháng: Mạng cảm biến có thể hoạt động trong

điều kiện môi trường đối kháng Vì vậy, vấn đề thiết kế của nút cảm biến được xem xétcẩn thận Giao thức cho mạng cảm biến phải mạnh mẽ Nó im lặng về bất kỳ lỗi nào xảy

ra trong hệ thống

Thời gian và độ tin cây: IoT sẽ được áp dụng tới các khu vực mà điều khiển thời

gian thức với độ chính xác cao là bắt buộc (nhà máy, trạm không lưu…) hay ở các ứngdụng giám sát nơi mà kết quả được thu thập cứ mỗi vài giây hay thậm chí là vài phút

1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự phát triểncủa ngành công nghiệp điều khiển tự động, robot, thiết bị thông minh, môi trường, ytế… WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp và dân dụng.Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

Cứu trợ thiên tai: Đây là một trong những ứng dụng được chú ý nhất của WSN.

Hiện tượng thường gặp nhất là phát hiện cháy rừng: Các nút cảm biến được trang bịnhiệt kế và có thể xác định vị trí của nó (theo hệ tọa độ tuyệt đối hoặc tương đối, tức vịtrí của nó so với nút khác) Các cảm biến này được thả vào một đám cháy (ví dụ nhưmột khu rừng) từ một chiếc máy bay Chúng tạo ra một “bản đồ nhiệt độ” chung của

khu vực hoặc xác định chu vi của khu vực có nhiệt độ cao để có thể tiếp cận từ bênngoài Ví dụ tương tự là kiểm soát tai nạn tại nhà máy hóa chất.

Trong nông nghiệp: Áp dụng WSN vào nông nghiệp làm cho việc thụ phấn và

tưới tiêu được chính xác bằng cách đặt các cảm biến đo độ ẩm/thành phần đất vào môitrường Số lượng cảm biến không cần quá nhiều, khoảng một cảm biến cho mỗi vùng códiện tích 100m × 100 m Tương tự, giám sát sâu bọ có thể được thực hiện bằng một bộtheo dõi có độ phân giải cao Ngoài ra, chăn nuôi có thể tăng lợi nhuận từ việc gắn cảmbiến cho mỗi con lợn hoặc bò để kiểm soát tình trạng sức khỏe của động vật (bằng cáchkiểm tra nhiệt độ cơ thể, …) và báo động nếu vượt qua ngưỡng cho phép

Chăm sóc sức khỏe và y tế: Cùng cách làm tương tự, sử dụng WSN trong các

ứng dụng chăm sóc sức khỏe đem lại nhiều lợi nhuận nhưng cũng gây tranh cãi về mặtđạo đức Phạm vi áp dụng là từ chăm sóc sau phẫu thuật và chuyên sâu, nơi mà cảmbiến trực tiếp gắn vào với bệnh nhân – thể hiện lợi thế so với hữu tuyến – để giám sátbệnh nhân trong thời gian dài (thường là người cao tuổi) và để quản lý thuốc tự động(cảm biến nhúng vào bao bì của thuốc, bật báo động khi sử dụng sai cho bệnh nhân) Do

đó, hệ thống theo dõi bệnh nhân và bác sĩ trong bệnh viện giúp tiết kiệm thời gian

Hình 1.6a Ứng dụng trong y tế.

Quản lý thiết bị: Để quản lý được nhiều hơn các thiết bị ở trong một tòa nhà, các

WSN cũng có 1 loạt các ứng dụng cụ thể Một ví dụ đơn giản là vào không cần chìakhóa ở những nơi mọi người đeo phù hiệu, nó cho phép WSN kiểm tra những ngườiđược phép vào các khu vực đó Ví dụ này có thể được mở rộng để phát hiện kẻ xâmnhập, khi phương tiện của họ ra khỏi cơ quan trong giờ làm việc Một WSN diện rộng

có thể theo dõi vị trí của một phương tiện nào đó và báo cho nhân viên an ninh Ứngdụng này có nhiều điểm chung với các ứng dụng trong quân sự Theo cách khác, mộtWSN có thể được sử dụng trong nhà máy hóa chất để kiểm tra rò rỉ hóa chất

Phát hiện sự kiện: Các nút cảm biến phải báo cáo với bộ thu khi nó phát hiện sự xuất

hiện của sự kiện Những sự kiện đơn giản nhất có thể được phát hiện bởi một nút cảmbiến đơn (ví dụ như vượt quá ngưỡng nhiệt độ); loại sự kiện phức tạp hơn yêu cầu phải

có sự cộng tác của các bộ cảm biến lân cận hoặc thậm chí là các cảm biến ở xa để quyếtđịnh xem liệu sự kiện đã xảy ra chưa (ví dụ như đường biến thiên nhiệt độ trở nên quádốc) Nếu nhiều sự kiện khác nhau xảy ra thì phải thực hiện phân loại sự kiện

Trong hệ thống giao thông thông minh:

+ Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông

+ Hệ thống điều tiết lưu lượng công cộng

+ Hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe…

+ Hệ thống định vị phương tiện, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giaothông

Hình 1.6b Ứng dụng trong giao thông thông minh.

Ứng dụng trong quân sự, an ninh:

+ Định vị, theo dõi di chuyển của các thiết bị quân sự

+ Điều khiển tự động các thiết bị quân sự, robot

+ Kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự

+ Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh

Hình 1.6c Ứng dụng trong quân sự

1.7 Giao thức MAC.

Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm biếnđược trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng vô tuyến.Các nút cảm biến cộng tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ chung Trong nhiềuứng dụng, các nút cảm biến sẽ được triển khai phi cấu trúc như mạng ad hoc Chúngphải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa bước nhảy Thách thức chungtrong mạng không dây là vấn đề xung đột do hai nút gửi dữ liệu cùng lúc trên cùng kênhtruyền

Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) đã được phát triển để giúp

đỡ mỗi nút quyết định khi nào và làm sao để truy nhập kênh Vấn đề này cũng được biếtnhư sự định vị kênh hoặc đa truy nhập Lớp MAC được xem xét bình thường như mộtlớp con của lớp liên kết dữ liệu trong giao thức mạng Có nhiều giao thức MAC đã đượcphát triển cho mạng truyền thông thoại và dữ liệu không dây Ví dụ điển hình bao gồmtruy cập phân chia theo thời gian (TDMA), truy cập phân chia theo mã (CDMA) và dựatrên tranh chấp như IEEE 802.11

Mạng cảm biến khác với mạng dữ liệu không dây truyền thống trên một vài khíacạnh Trước hết, đa số các nút trong những mạng cảm biến hoạt động dựa trên nguồnđiện pin, và rất khó để nạp điện cho những nguồn pin của tất cả các nút Thứ hai, nhữngnút thường được triển khai trong một kiểu cách đặc biệt phi cấu trúc, chúng phải tự tổchức hình thành một mạng truyền thông Ba là, nhiều ứng dụng cần phải sử dụng sốlượng lớn nút, và một độ nút sẽ thay đổi tại những địa điểm và thời gian khác nhau, với

cả những mạng mật độ thưa lẫn những nút với nhiều lân cận Cuối cùng, đa số các lưuthông trong mạng được thúc đẩy bởi những sự kiện cảm ứng, phân bố không đều và rất

co cụm Tất cả những đặc trưng này cho thấy những giao thức MAC truyền thống khôngthích hợp cho những mạng cảm biến không dây nếu không có những cái biến