Nghiên cứu và đề xuất giao thức cho mạng cảm biến không dây ứng dụng trong giám sát môi trường,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - Số CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DD Directed Diffusion Truyề

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

HÀ DUY HƯNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIAO THỨC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG

GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP Hồ Chí Minh, 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN CẢNH MINH

TP Hồ Chí Minh, 2014

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên học viên: Hà Duy Hưng Năm sinh: 1977

Cơ quan công tác: Trường Đại Học Tôn Đức Thắng

Khoá: 20.1

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Minh; Bộ môn: Kỹ thuật Viễn thông

1 Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu và đề xuất giao thức cho mạng cảm biến không dây ứng dụng trong giám sát môi trường

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài: Tìm hiểu và nắm vững các giao thức định tuyến vào việc truyền dữ liệu về trung tâm theo dõi Đề xuất một giao thức mới phù hợp với điều kiện ứng dụng

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được: Nghiên cứu, khảo sát và kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước để nhanh chóng hiểu được nguyên lý hoạt động, giao tuyến truyền nhận dữ liệu các node cảm biến Dùng phương pháp mô phỏng để đánh giá giao thức đề xuất có khả thi hay không

4 Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn:

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn:

Ngày 20 tháng 05 năm 2014 Học viên

Xác nhận của Bộ môn:

MỤC LỤC

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC i

MỤC LỤC ii

MỞ ĐẦU viii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiii

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Lịch sử phát triển của mạng cảm biến không dây 6

1.3 Cấu trúc chung và các đặc trưng của mạng cảm biến không dây 8

1.3.1 Cấu trúc chung của mạng cảm biến không dây 8

1.3.1.1 Cấu trúc phẳng 10

1.3.1.2 Cấu trúc Phân lớp 11

1.3.2 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây 14

1.3.2.1 Năng lượng tiêu thụ 14

1.3.2.2 Chi Phí 14

1.3.2.3 Loại hình mạng 15

1.3.2.4 Tính bảo mật 15

1.3.2.5 Độ trễ 16

1.3.2.6 Tính di động 16

1.3.3 Những khó khăn trong việc phát triển mạng không dây 16

1.3.3.1 Giới hạn năng lượng 17

1.3.3.2 Giới hạn về dải thông 17

1.3.3.3 Giới hạn về phần cứng 17

1.3.3.4 Kết nối mạng không ổn định 17

1.3.3.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa cảm biến và môi trường 18

1.3.4 Sự khác nhau giữa mạng cảm biến không dây và mạng truyền thống 18

1.4 Cấu trúc thiết bị nút cảm biến không dây 19

1.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 21

1.5.1 Các ứng dụng mạng cảm biến hiện nay 21

1.5.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong giám sát môi trường nước 23

1.5.2.1 Thông số quan trắc 24

1.5.2.2 Trạm quan trắc nước tự động phải đáp ứng các đặc tính kỹ thuật sau 24

1.6 Kết luận chương 25

CHƯƠNG 2 - CÁC GIAO THỨC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 27

2.1 Giới thiệu 27

2.2 Tổng quan về các giao thức của mạng cảm biến không dây 30

2.2.1 Giao thức điều khiển truy cập mạng cảm biến không dây 30

2.2.1.1 Mô hình giao thức cho WSN 30

2.2.1.2 Các giao thức MAC trong mạng WSN 31

2.2.1.3 Giao thức SENSOR MAC 34

2.2.1.4 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs 41

2.2.2 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 51

2.2.2.1 Các giao thức định tuyến xét theo hoạt động 51

2.2.2.2 Các giao thức xét theo cấu trúc mạng 55

2.3 Kết luận chương 65

CHƯƠNG 3 - CÁC THUẬT TOÁN VÀ ĐỀ XUẤT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NƯỚC 66

3.1 Giới thiệu 66

3.2 Thuật toán phân chia cụm và chọn nút chủ cụm 67

3.2.1 Giao thức LEACH 67

3.2.1.1 Lựa chọn nút chủ cụm 69

3.2.1.2 Pha thiết lập 70

3.2.1.3 Pha ổn định 73

3.2.2 Giao thức ARPEES 77

3.2.2.1 Pha thành lập cụm và thuật toán lựa chọn nút chủ cụm 79

3.2 2.2 Pha thu thập dữ liệu 82

3.3 Đề xuất giao thức định tuyến trong bài toán chọn nghiên cứu 87

3.4 Kết luận chương 88

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 89

4.1 Giới thiệu 89

4.2 Giới thiệu về công cụ mô phỏng 89

4.2.1 Tổng quan về OMNeT++ 89

4.2.1.1 OMNeT++ là gì ? 89

4.2.1.2 Các thành phần chính của OMNeT++ 89

4.2.1.3 Ứng dụng 90

4.2.1.4 Mô hình trong OMNeT++ 91

4.2.2 Sử dụng OMNeT++ 93

4.2.2.1 Một mô hình OMNeT++ bao gồm những phần 93

4.2.2.2 Hệ thống mô phỏng cung cấp cho ta các thành phần 94

4.2.2.3 Giao diện người sử dụng 94

4.2.2.4 Các thư viện thành phần 94

4.2.2.5 Các chương trình mô phỏng độc lập 95

4.2.3 Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ 95

4.3 Xây dựng mô hình chung của mạng 98

4.4 Xây dụng các mô đun 98

4.4.1 Base station 98

4.4.1.1 Các tham số của base station 98

4.4.1.2 Các hàm và chức năng chính của các hàm 98

4.4.2 Sensor node 100

4.4.2.1 Các tham số của một sensor node 100

4.4.2.2 Các hàm và chức năng chính của các hàm 101

4.4.3 Event 106

4.4.4 Các loại messages 106

4.4.5 Các thiếp lập ban đầu của mạng 107

4.4.5.1 Các tham số mô phỏng 108

4.4.5.2 Phương thức mô phỏng 109

4.5 Kết quả mô phỏng trên phần mềm 110

4.5.1 Mô hình mạng cảm biến không dây 110

4.5.2 Mô hình kết quả mô phỏng giao thức LEACH 111

4.5.3 Biểu đồ phân bổ năng lượng của giao thức LEACH 112

4.5.4 Thống kê số lần làm nút chủ cụm của giao thức LEACH 112

4.5.5 Mô hình kết quả mô phỏng giao thức ARPEES 113

4.5.6 Biểu đồ phân bổ năng lượng của giao thức ARPEES 114

4.5.7 Thống kê số lần làm nút chủ cụm của giao thức ARPEES 114

4.5.8 Biểu đồ so sánh phân bổ năng lượng giữa LEACH và ARPEES 115

4.5.9 So sánh mức tổng tiêu hao năng lượng giữa LEACH và ARPEES 116

4.5.10 So sánh mức tiêu hao năng lượng của mỗi node sau 50 vòng 116

4.5.11 So sánh mức tiêu hao năng lượng trung bình của mỗi node sau 50 vòng 117

4.6 Kết luận chương 117

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 119

LỜI CAM ĐOAN 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

PHỤ LỤC 125

MỞ ĐẦU

Vấn đề môi trường và chống biến đổi khí hậu đã và đang là chủ đề nóng trong dư luận trong những năm gần đây Các hoạt động của các sở ban ngành liên quan đã và đang rất quan tâm đến vấn đề này thông qua các dự án, chương trình cụ thể, thể hiện qua Quyết định số 16/2007/QĐ-TTg ngày 29/01/2007 của Thủ tướng Chính Phủ về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường Quốc gia đến năm 2020”; Thông tư số 28/2011/TT-BTNMT ngày 01/08/2011 của Bộ tài nguyên môi trường về việc ban hành quy định về quy trình kỹ thuật quan trắc môi trường không khí xung quanh và tiếng ồn; Đề án “Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”

Mạng cảm biến không dây có giá trị nghiên cứu khoa học quan trọng và phạm vi ứng dụng rộng khắp như trong quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, môi trường, y tế, công trình kiến trúc… Do sự tiến bộ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực như vi điện tử, năng lượng, công nghệ cảm biến và mạng vô tuyến ngày càng làm cho mạng cảm biến không dây được ứng dụng càng nhiều trong các hệ thống quan trắc môi trường

Ở Việt Nam hiện nay đã xuất hiện nhiều hệ thống quan trắc dựa trên mạng cảm biến không dây nhưng chúng còn có nhiều vấn đề như giá thành cao, tính bảo mật kém, thông số đo không phù hợp Đặc biệt, các giao thức không hiệu quả trong trường hợp ứng dụng quan trắc môi trường tại Việt Nam nên việc nghiên cứu và đề xuất một giao thức mới phù hợp với điều kiện ứng dụng là rất cần thiết

Đối tượng nghiên cứu là các giao thức trong hệ thống quan trắc dựa trên

mạng cảm biến không dây giám sát môi trường nước Việt Nam

Phạm vi nghiên cứu là đề xuất một giao thức mới phù hợp với điều kiện

ứng dụng quan trắc môi trường nước

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là Tìm hiểu và nắm vững các giao thức

định tuyến vào việc truyền dữ liệu về trung tâm theo dõi Đề xuất một giao thức mới phù hợp với điều kiện ứng dụng

Nghiên cứu, khảo sát và kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước để nhanh chóng hiểu được nguyên lý hoạt động, giao tuyến truyền nhận dữ

liệu và phương pháp chế tạo các node cảm biến

Dùng phương pháp mô phỏng để đánh giá giao thức đề xuất có khả thi

hay không

Kết cấu của luận văn gồm 4 chương:

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHƯƠNG II - CÁC GIAO THỨC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

CHƯƠNG III - CÁC THUẬT TOÁN VÀ ĐỀ XUẤT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NƯỚC

CHƯƠNG IV - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Do nội dung của đề tài mới và đòi hỏi kiến thức rộng, vì thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Thầy Cô và các bạn để luận văn này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của các Thầy Cô khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải, đặc biệt là thầy

giáo TS Nguyễn Cảnh Minh Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn

bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ Tôi hoàn thành tốt luận văn này

TP.HCM, Ngày 20 tháng 05 năm 2014

Học Viên : Hà Duy Hưng

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

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

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

DD Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp

EDD Enhanced Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp nâng cao GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR Geographic and Energy-Aware

Routing

Định tuyến theo vùng địa lý

sử dụng hiệu quả năng lượng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

LEACH Low-energy adaptive clustering

hierarchy

Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường

PEGASIS Power-efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Tổng hợp năng lượng trong các hệ thống thông tin cảm biến

RSS Received Signal Strength Độ mạnh tín hiệu thu được RSSI Received Signal Strength

Indicator

Bộ chỉ thị độ mạnh tín hiệu thu được

SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến phân phối tuần tự

SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm

biến SPIN Sensor protocols for information

via negotiation

Giao thức cho thông tin dữ liệu thông qua đàm phán SQDDP Sensor Query and Data

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền

dẫn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian TEEN

Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol

Giao thức hiệu quả về năng lượng nhạy cảm với mức ngưỡng

UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng

WINS Wireless Integrated Network

Sensors

Cảm biến mạng tích hợp không dây

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

4.1 Phân bổ năng lượng của 40 node sau 50 vòng của giao thức

4.2 Thống kê số lần làm nút chủ cụm của 40 node sau 50 vòng

4.3 Phân bổ năng lượng của 40 node sau 50 vòng của giao thức

4.4 Thống kê số lần làm nút chủ cụm của 40 node sau 50 vòng

4.5a So sánh phân bổ năng lượng của 40 node sau 100 vòng theo

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.4 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 13

2.3 Mô hình tham chiếu OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu 31 2.4 Giao thức MAC dựa trên TDMA ứng dụng trong WSN 32

2.6 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch làm việc của node biên 37

2.9 Quá trình truyền thông điệp trong S – MAC 41 2.10 Mô hình tham khảo IEEE 802.15.4 và Zig Bee 42

2.12 Băng tần hoạt đông của lớp PYH IEEE 802.14.5 45 2.13 Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.14.5 46

2.18 Các pha trong Directed Diffusion 58

3.3 Giải thuật hình thành cluster head trong LEACH 72 3.4 Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau (nút đen là nút chủ) 73 3.5 Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái 74

3.7 Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng 76

3.10 Hình thành cụm dựa trên sự kiện và thuật toán lựa chọn nút

3.11 Lưu đồ thể hiện mô tả thuật toán lựa chọn nút trung gian 86

4.3 Lược đồ xây dựng và chạy một chương trình mô phỏng

4.4 Mô hình mạng cảm biến không dây, bao gồm 40 node cảm

4.5 Mô hình kết quả mô phỏng giao thức LEACH, 40 node sau

4.6 Mô hình kết quả mô phỏng giao thức ARPEES, 40 node sau

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Mục đích trong chương này, tác giả sẽ trình bày về lý thuyết mạng cảm biến không dây, bao gồm: đặc điểm cấu trúc, nguyên lý hoạt động, vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây, cũng như ứng dụng của nó trong giám sát môi trường, đồng thời nắm được một số hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây hiện nay

1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như : theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện

và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ…[20], [21]

Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của các hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…Đã tạo

ra các con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến

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 node cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các node cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung cấp Do đó, khi mạng truyền thông tập trung vào mục đích 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 Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất

để phân biệt một mạng cảm biến và một mạng wireless khác chính là giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode)

Mạng cảm biến (Sensor Networks) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiên tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó Có 4 thành phần cơ bản tạo nên một mạng cảm biến :

- Các cảm biến được phân bố theo một mô hình tập trung hay rải rác

- Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hoặc vô tuyến)

- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)

- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm

Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử

lý, hay còn gọi là các mote Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm biến trong đó liên kết các node cảm biến bằng sóng vô tuyến (RF connection), các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non – topology) trên một diện tích rộng

Trong mạng cảm biến, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường và các cảm biến phục vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa…Ngày nay, cảm biến ngày càng được sử dụng rộng rãi với số lượng lớn

Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kì nhiệm vụ ngắn, quan hệ đa điểm - điểm, số lượng lớn các cảm biến…Cảm biến có thể bao gồm 1

hay dãy cảm biến Kích thước rất đa dạng, từ nano (1-100nm), meso (100 - 1000nm), micro (10 - 1000µm), macro (vài mm - m),…

Như chúng ta đã biết thì WSNs, với đặc tính di động và trước đây chủ yếu cho các ứng dụng quân sự, chính vì thế đòi hỏi tính bảo mật là khá cao Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng cho các ứng dụng dân dụng, môi trường, thương mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo ra tính thương mại cao cho WSNs đem lại một diện mạo mới cho mạng cảm biến không dây Bên cạnh đó, với sự tiến

bộ vượt bậc của khoa học công nghệ mạng cảm biến không dây đã vươn lên một tầm cao mới và khẳng định được vị thế của mình trong lĩnh vực truyền thông Các nghiên cứu về WSNs có thể chia làm nhiều phần như trong bảng thống kê

số liệu dưới đây:

Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các node

xử lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs về tổng quát dựa trên

3 tiêu chí :

• Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp

• Vai trò các node sensor này với các node kế tiếp như là các trạm lặp (repeater)

• Mạng khá phức tạp

♦ Loại 2 ( C2WSNs ) :

• Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh

• 1 node không cung cấp thông tin cho các node khác

• Mô hình sử dụng là đa điểm-điểm, kết nối radio đến node trung tâm

• Khoảng cách vài trăm mét

• Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác

• Hệ thống tương đối là đơn giản

Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4 Hoạt động tại tần số 2.4 GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM), cung cấp đường truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như bluetooth, wifi, ultrawideband(UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương mại

Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền được tiêu chuẩn hóa Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile adhoc (MANETs) WSNs tương tự như MANETs theo một vài đặc điểm, cả hai đều là chuẩn mạng wireless, multihop Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật giữa hai hệ thống này là khác nhau

• Dạng thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận, khác hẳn điểm - điểm trong MANETs

• Các node trong WSNs ít di động, trong khi adhoc các là di động

• Trong WSNs, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng, sự kiện

ở thế giới thực Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu

• Nguồn giới hạn, năng lượng trong WSNs được quản lí sử dụng rất chặt chẽ Trong MANETs có thể không bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết

bị thông tin có thể được thay thế nguồn cung cấp thường xuyên bởi người dùng

• Số lượng node trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn

• Do sự khác biệt giữa hai mô hình giao thức mà các giao thức định tuyến trong MANETs không thể áp dụng hoàn toàn cho WSNs Tuy nhiên WSNs có thể coi như một phần trong MANETs (adhoc)

1.2 Lịch sử phát triển mạng cảm biến không dây

Quá trình phát triển của cảm biến không dây phụ thuộc vào quá trình phát triển của ba lĩnh vực nghiên cứu: Cảm biến, giao tiếp và máy tính (bao gồm phần cứng, phần mềm và thuật toán) Vì thế chúng ta có thể chia ra 4 giai đoạn phát triển, được trình bày sau đây:

Giai đoạn 1: Mạng cảm biến quân sự trong thời chiến tranh lạnh Trong

suốt thời kỳ chiến tranh lạnh, quân đội Mỹ đã nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát âm thanh (the Sound Surveillance System – SOSUS) Đó là hệ thống cảm biến âm thanh được đặt ở dưới đáy đại dương dùng để giám sát, theo dõi và bám sát tàu ngầm của Xô Viết Bây giờ hệ thống SOSUS được dùng để giám sát các thông số của đại dương như: động đất, sóng thần, môi trường biển Cũng trong thời kỳ này, quân đội Mỹ cũng hình thành hệ thống giám sát trên không cho khu vực Bắc Mỹ Hệ thống này trước kia bao gồm các cảm biến được gắn ở khí cầu, sau đó hệ thống Radar được phát triển Một áp dụng khác là hệ thống ADSID (Air Deliverd Seismic Instrusion Detecor) hay còn gọi là “cây nhiệt đới” trong thời kỳ chiến tranh Việt Nam Mỗi cái ADSID có chiều dài khoảng 1,2m, đường kính 0,2m và nặng khoảng 17kg Thiết bị này được rải dọc theo đường mòn Hồ Chí Minh với mục đích dùng để phát hiện sự di chuyển của người hay

xe cộ [7], [8]

Giai đoạn 2: Chương trình mạng cảm biến phân tán của cơ quan kế hoạch

nghiên cứu phòng thủ cáo cấp (DARPA – Defense Advanced Reseach Projects Agency): vào những năm 80, cơ quan DARPA của bộ quốc phòng Mỹ đã bắt đầu đưa ra những nghiên cứu cho việc phát triển mạng cảm biến Cơ quan này

đã tài trợ để phát triển một số chương trình, đáng chú ý là dự án nghiên cứu DSN (Distributed Sensor Network) Mục đích của dự án DSN tập trung tính toán, xử lý tín hiệu và bám vết Các kỹ thuật cơ bản người tà dùng là các cảm biến âm thanh, giao thức giao tiếp, thuật toán tính toán và xử lý tín hiệu [7], [8]

Giai đoạn 3: Mạng cảm biến quân đội những năm 1980 và 1990: dựa vào

kết quả nghiên cứu của DARPA – DNS và sự phát triển của Testbeds, vào thời gian này người ta nỗ lực đưa ra giao diện mạng chung nhằm mục đích thương mại hóa Mạng cảm biến có thể cải thiện để nhận dạng và thực hiện bám vết với nhiều mục tiêu ở các địa hình và các hiện tượng khác nhau hay nhận dạng được khoảng cách và thời gian đáp ứng nhanh hơn Ví dụ, CEC (Cooperative Engagement Capability) phát triển bỡi hải quân Mỹ Hệ thống này bao gồm nhiều radar thu thập dữ liệu các mục tiêu trên không Những mạng cảm biến khác trong quân đội gồm cảm biến âm thanh cho việc phát hiện tàu ngầm [7], [8]

Giai đoạn 4: Nghiên cứu mạng cảm biến từ những năm 1990 đến nay

(đây còn được gọi là sản phẩm thương mại thứ 2) Trong những năm 90 và những năm đầu thế kỷ 21, thế hệ mới của kỹ thuật mạng cảm biến được tạo ra nhờ vào sự phát triển kỹ thuật tính toán và giao tiếp Mạng cảm biến này được cải thiện hiệu quả hơn những mạng cảm biến truyền thống Cùng lúc đó, công nghệ bán dẫn và công nghệ nano phát triển nên kích thước của các nút giảm, năng lượng tiêu thụ cũng giảm và giá linh kiện cũng rẻ hơn Điều thuận lợi nữa

là chuẩn giao tiếp IEEE 802.11a/b/g dành cho mạng không dây được triển khai

Dưới đây giới thiệu một số chương trình phát triển của mạng cảm biến không dây:

- WINS: Từ năm 1993, trường đại học California ở Los Angeles đã có một dự án về cảm biến mạng tích hợp không dây (WINS – Wireless Integrated Network Sensor) Nó được đưa vào thị trường năm 1998

Kỹ thuật thiết kế này được dùng bao gồm cảm biến hệ thống vi cơ điện

tử (Micro-electro-mechanical Systems – MEMS), bộ thu nhận, xử lý tín hiệu,

- PicoRadio: Một chương trình PicoRadio được hình thành vào năm

1999, với mục đích tạo ra một nút có kích thước nhỏ, giá thành thấp, ít tốn năng lượng và giám sát Lớp vật lý trong PicoRadio được sử dụng

là trải phổ trực tiếp (Directsequece Spread Spectrum) và đa ngõ vào sóng mang (Carries Sense Multiple Access – CSMA) Tức là một nút

có thể chọn ngẫu nhiên một kênh truyền và kiểm tra hoạt động kênh Nếu kênh đó đã hoạt động thì chọn kênh khác và gửi thông tin lên

- μAMPS132: Chương trình μAMPS132 của MIT có mục đích phát triển hoàn thiện một mạng cảm biến không dây hoạt động với công suất thấp [7], [8]

1.3 Cấu trúc chung và các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây

1.3.1 Cấu trúc chung của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là mạng trong đó các điểm (các thiết bị) phân

bố ngẫu nhiên được kết nối với nhau thông qua môi trường truyền dẫn không dây Mỗi thiết bị có cảm biến dùng để đo các thông số của môi trường [20] Nó hoạt động độc lập và tự động liên kết với các thiết bị khác rồi truyền dữ liệu đến trung tâm giám sát, như hình 1.1

Hình 1.1 - Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mobile ad-hoc network có thể không dùng được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do như sau:

- Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần so với nút trong mạng ad-hoc

- Các nút cảm biến dễ bị lỗi

- Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên

- Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad-hoc đều dựa trên việc truyền điểm – điểm

- Các nút cảm biến bị giới về năng lượng, khả năng tính toán và dung lượng bộ nhớ

- Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu vì chúng có một số lượng rất lớn

Do vậy, cấu trúc mạng cảm biến không dây sẽ:

- Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng 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 trường/khu vực cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến tại các sink

- Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình 1.1 Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager) qua mạng Internet hay vệ tinh

- Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu, sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự, ví dụ như máy tính xách tay tương tác được với mạng, hoặc đơn thuần chỉ là một gateway nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu là thực sự đối với các thông tin lấy từ những nút cảm biến trong mạng

Mạng này lúc đầu được phát triển chỉ có vài nút kết hợp với nhau Sau đó,

do nhu cầu ứng dụng mà số lượng nút có thể tăng lên đến hàng trăm, thậm chí lên đến hàng ngàn nút Những ứng dụng này cần một cấu trúc mạng hiệu quả để truyền dữ liệu thông qua kênh truyền không dây Có 2 cấu trúc thường dùng nhất là cấu trúc phẳng và cấu trúc phân lớp [21]

1.3.1.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.2), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với trạm gốc qua 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 Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số… [21]

Hình 1.2 - Cấu trúc phẳng

1.3.1.2 Cấu trúc phân lớp

Trong cấu trúc phân cấp (tiered architecture) như hình 1.3, mạng phân thành các cụm, mỗi cụm có nút chủ cụm (cluster head) Các nút trong cụm thu thập dữ liệu, rồi gửi đơn chặng hay đa chặng tới nút chủ cụm (tùy theo kích thước của cụm)

Hình 1.3 - Cấu trúc phân lớp

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 Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút

Những chức 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 (hình 1.4) [21]

Hình 1.4 - Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví

dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán Trong trường hợp này, các nút ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các nhiệm vụ khác như tính toán, phân phối dữ

vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm

vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm

đi

- Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn 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 thời 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 phân cấp

mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

1.3.2 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây

1.3.2.1 Năng lƣợng tiêu thụ

Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi các thành phần có công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các công nghệ không dây hiện tại (như Bluetooth) Ví dụ như các cảm biến dùng trong công nghiệp và y tế được cung cấp năng lượng từ những cục pin nhỏ, có thể sống được vài tháng đến vài năm Với các ứng dụng theo dõi môi trường, khi mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì việc thường xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn năng lượng là điều không khả thi Chính vì thế trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp các thuật toán định tuyến tối ưu[20], [21]

1.3.2.2 Chi phí

Khi thiết kế một ứng dụng không dây thì giá thành cũng là một yếu tố chính cần được quan tâm Để có thể đạt được mục tiêu này thì khi thiết kế cấu

hình mạng và giao thức truyền thông cần tránh sử dụng các thành phần đắt tiền

và tối thiểu hóa độ phức tạp của giao thức truyền thông Trong mạng cảm biến,

số lượng các nút mạng sử dụng là khá lớn và khi chi phí để sản xuất từng nút con được giảm đi thì giá thành của toàn bộ hệ thống giảm đi đáng kể Hiện nay trong các ứng dụng cơ bản các nút mạng có giá khoảng 5-10USD

Ngoài các yếu tố trên thì một phần khá lớn tác động tới giá thành đó là chi phí quản trị và bảo trì hệ thống Mạng cảm biến không dây đã làm tốt hai chức năng cơ bản đó là tự cấu hình và tự bảo trì Tự cấu hình có nghĩa là tự động dò tìm vị trí các nút lân cận và tổ chức thành một cấu trúc xác định Tự bảo trì có nghĩa là tự động phát hiện và sửa lỗi nếu phát sinh trong hệ thống (ở các nút mạng hoặc các liên kết giữa các nút) mà không cần sự tác động của con người Với các tính năng ưu việt này thì mạng cảm biến không dây ngày càng tỏ rõ những ưu việt của mình [20], [21]

1.3.2.3 Loại hình mạng

Với một số ứng dụng đơn giản trong phạm vi hẹp thì mạng hình sao (star network) có thể đáp ứng được các yêu cầu truyền nhận và xử lý dữ liệu Trong mạng hình sao, 1 nút sẽ đóng vai trò nút chủ các nút còn lại là nút con kết nối tới nút chủ Tuy nhiên khi mạng được mở rộng thì cấu trúc hình sao đơn thuần sẽ không đáp ứng được, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng (multi-hop) Cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên bộ nhớ và xử lý tính toán hơn do mật độ của các nút mạng tăng và diện tích của mạng được phủ trên một phạm vi lớn [20], [21]

ở chỗ những thông tin đó có thể bị chỉnh sửa và phát lại để phía thu nhận được

những thông tin không chính xác

Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin, điều chỉnh các bit thông tin, thêm các bit xác thực…

Các chức năng này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên của hệ thống về mặt năng lượng và băng thông tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong truyền tin Do vậy lần đạt được sự cân bằng giữa 2 yếu tố này để đảm bảo cho hệ thống tối ưu nhất [20], [21]

1.3.2.5 Độ trễ

Các ứng dụng thông thường của mạng cảm biến không có yêu cầu cao về thời gian thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lượng nguồn tin (trừ một số trường hợp đặc biệt như hệ thống báo cháy) Tuy nhiên trong một mạng lưới khá lớn, các thông tin của các nút con được tập hợp ở một nút chủ để xử lý

và đưa về trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hóa là rất quan trọng [20], [21]

1.3.2.6 Tính di động

Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thường ở các vị trí cố định Các phương thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn

so với các mạng ad-hoc khác (như MANET) [20], [21]

1.3.3 Những khó khăn trong việc phát triển mạng không dây

Tuy rằng mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu ích, nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật Khi nắm rõ được những khó khăn này chúng ta sẽ có điều kiện để cải tạo nhằm tối ưu hơn nữa

1.3.3.1 Giới hạn năng lƣợng

Thông thường, các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng các nguồn năng lượng có sẵn (pin) Khi số lượng nút mạng là lớn, yêu cầu tính toán là nhiều, khoảng cách truyền lớn thì sự tiêu thụ năng lượng là rất lớn Chính vì vậy cần tìm các giải pháp để có thể tối ưu việc xử lý và truyền dữ liệu với một năng lượng ban đầu của các nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng

1.3.3.2 Giới hạn về dải thông

Hiện nay tốc độ truyền thông vô tuyến bị giới hạn trong tốc độ khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về dải thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các nút cảm biến và nếu không có sự truyền thông tin này thì không thể đồng bộ hóa được [23]

1.3.3.3 Giới hạn về phần cứng

Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước của các nút phải nhỏ vì

có một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các nút trên một phạm

vi hẹp Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như không gian lưu trữ trên mỗi nút [23]

Phần cứng của các nút cảm biến thường do kích cở nhỏ của nó Một nút cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica 2 có một pin mặt trời nhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10Mbps, bộ nhớ từ 128KB đến 1 MB và phạm vi truyền dưới 50m Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đặt ra một thách thức to lớn Đó là ta không thể tăng kích cỡ của nút cảm biến vì chi phí sẽ tăng và tiêu thụ thêm năng lượng, gây khó khăn trong triển khai hàng ngàn nút trong mạng

1.3.3.4 Kết nối mạng không ổn định

Ưu điểm của mạng không dây là tính di động, nhưng vẫn tồn tại những nhược điểm sau:

- Giới hạn trong phạm vi truyền của các sensor di động (10-100m), dẫn đến việc truyền tin giữa các nút cảm biến trở nên khó khăn

- Các phương tiện truyền không dây không được bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoài nên có thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin

- Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục

- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nút nên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết

1.3.3.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa cảm biến và môi trường

WSN dùng để giám sát các hiện tượng trong thế giới thực, nên việc thiết

kế mạng phải thích ứng với các đặc trưng của môi trường mà nó cảm nhận WSN phải được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng như kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng, dùng loại cảm biến nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm của từng loại ứng dụng

Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến không dây là nguồn năng lượng

bị giới hạn và không thể nạp lại Hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong mạng cảm biến, năng lượng được sử dụng cho 3 mục tiêu: truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động Không dừng lại ở đó người ta cũng mong muốn phát triển quá trình xử lý năng lượng một cách hiệu quả, giảm thiểu tối đa các yêu cầu về năng lượng, các bản tin điều khiển truyền qua mạng [23]

1.3.4 Sự khác nhau giữa mạng cảm biến không dây và mạng truyền thống

- Số lượng node cảm biến trong một mạng cảm nhận lớn hơn nhiều lần so

với những node trong các mạng truyền thống

- Các node cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn

- Những node cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động hơn

- Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên

- Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa

số các mạng truyền thống là điểm – điểm

- Những node cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và

bộ nhớ

- Những node cảm biến có thể không có số định dạng toàn cầu (global identification) (ID)

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

- Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận

1.4 Cấu trúc thiết bị nút cảm biến không dây

Hình 1.5 - Cấu trúc của một nút cảm biến

Cấu trúc một nút (điểm) khá đơn giản (hình 1.5) Bao gồm [24]:

- Một bộ xử lý (CPU);

- Bộ nhớ;

- Bộ thu phát tín hiệu vô tuyến;

- Nguồn điện (pin, ắc-qui, năng lượng mặt trời);

- Các cảm biến;

- Software (Operating Systems and Middleware)

Một số nút dùng làm bộ gom còn có thêm thiết bị GPS để xác định vị trí

Nó được thiết kế để hoạt động ở công suất thấp nhằm tiết kiệm năng lượng Bộ CPU đọc các dữ liệu về môi trường thông qua các cảm biến, sau đó xử lý sơ bộ

và gửi dữ liệu này cho bộ gom thông qua bộ thu phát tín hiệu vô tuyến Ngoài ra

bộ CPU còn có khả năng tự xác định vị trí tương đối giữa nút và bộ gom Bộ gom có nhiệm vụ gom dữ liệu của các nút trong vùng, đóng gói, sau đó thông qua mạng diện rộng như mạng Internet, mạng vệ tinh để truyền về trung tâm ở

xa theo dõi đánh giá

Để cung cấp sự hoạt động cho các node, phần quan trọng là các hệ điều hành nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho WSN Thông thường, các hệ điều hành như thế dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng trong khi kích thước code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của sensor networks TinyOS là một ví dụ về dạng này, đây là một chuẩn không chính thức Thành phần của TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối các node, drivers cho cảm biến và các ứng dụng

Một trong các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bỡi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt trời Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của

mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cở ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như

là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động và thích nghi với sự biến đổi của môi trường [22]

1.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây

1.5.1 Các ứng dụng mạng cảm biến hiện nay

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt

độ, độ ẩm, theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt, quan trắc môi trường nước…

Một số ứng dụng quan trọng như:

► Phát hiện sớm những thảm họa nhƣ cháy rừng

Bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất có hiệu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàng tháng và hàng năm Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được truyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy, sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng [21]

Hình 1.6 - Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

► Cảnh báo lũ lụt

Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai ở Mỹ Hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm [21]

Hình 1.7 - Mạng WSN cảnh báo lũ lụt

► Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn

Các cảm biến về độ rung đặt rải rác ở mặt đất các cảm biến hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào [21]

Hình 1.8 - Cảnh báo và đo thông số động đất

► Giám sát, phát hiện và cảnh báo về môi trường nước

Các cảm biến này dùng để giám sát môi trường nước ở khu vực cần khảo sát như: đo nồng độ kiềm PH, lượng hòa tan oxy trong nước, độ dẫn điện của nước – ion trong nước và nhiệt độ [21]

1.5.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong giám sát môi trường nước

Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong quan trắc môi trường nước tự động, liên tục, gồm:

- Quan trắc tự động, liên tục: là quá trình đo đạc, phân tích liên tục theo thời gian các thông số môi trường bằng các thiết bị đo hoặc phân tích

tự động

- Trạm quan trắc môi trường nước mặt lục địa tự động, liên tục (gọi chung là trạm quan trắc nước mặt tự động)

- Trạm quan trắc nước thải công nghiệp tự động, liên tục (gọi chung là trạm quan trắc nước thải tự động)

- Nước mặt lục địa: là nước chảy qua hoặc lưu lại trên mặt đất: sông, suối, kênh, mương, khe, rạch, hồ, ao, đầm

- Nước thải công nghiệp là nước thải phát sinh từ quá trình công nghệ của cơ sở sản xuất, kinh doanh, dịch vụ công nghiệp hoặc từ nhà máy

xử lý nước thải tập trung của khu, cụm công nghiệp [20]

Nhóm thông số bắt buộc gồm 7 thông số như sau [21]:

- Đo nhiệt độ (t0C);

- Đo nồng độ kiềm (pH);

- Đo tổng chất rắn hoà tan (TDS);

- Đo ion trong nước hay gọi là độ dẫn điện (EC);

- Đo ôxy hoà tan (DO);