đánh giá hiệu quả năng lượng của ứng dụng giám sát vùng trong mạng cảm biến không dây

Trong đồ án này em sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm biến, cácgiao thức cũng như các giải thuật định tuyến thường được dùng, đồng thời đánh giánăng lượng tiêu thụ của các node

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Huy Thực Số hiệu sinh viên: 20033351

Khoá:……48………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: …Điện tử tin học

1. Đầu đề đồ án:

Đánh giá hiệu quả năng lượng của ứng dụng giám sát vùng trong mạng cảm biếnkhông dây sử dụng phương pháp tập trung dữ liệu

2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Mô phỏng giao thức ứng dụng giám sát theo vùng sử dụng phương pháp tậptrung dữ liệu dùng OMNET++

Mô hình triển khai 75x75m

Số nút cảm biến : 49 nút đặt ở vị trí ngẫu nhiên

Khoảng phát sóng của nút : 20m

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4. Họ tên giảng viên hướng dẫn: …Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng…… ………

5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 17/02/2008

6. Ngày hoàn thành đồ án: 14/05/2008

Ngày tháng năm

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

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

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Huy Thực Số hiệu sinh viên: 20033351

Ngành: Điện tử tin học Khoá: 48

Giảng viên hướng dẫn: Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng

Cán bộ phản biện: PGS TS Phạm Minh Việt

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

Lời nói đầu

Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến vào những nămgần đây, sự phát triển của những mạng gồm các sensor giá thành rẻ, tiêu thụ ít nănglượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể Hiện nay người tađang tập trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàngngày Mạng cảm biến được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong đời sốnghàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên hiện nay mạng cảm biến đang phải đối mặtvới rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến

là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứuđang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từnglĩnh vực khác nhau Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảmbiến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người, nếu chúng taphát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạngcảm biến

Trong đồ án này em sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm biến, cácgiao thức cũng như các giải thuật định tuyến thường được dùng, đồng thời đánh giánăng lượng tiêu thụ của các node cảm biến trong ứng dụng giám sát vùng khi sửdụng phương pháp tập trung dữ liệu so với trường hợp truyền tin trực tiếp về trạmgốc Đồ án gồm 5 chương :

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến WSN

Chương 2 : Định tuyến trong mạng WSN

Chương 3 : Hoạt động của ứng dụng giám sát vùng

Chương 4 : Mô phỏng ứng dụng giám sát vùng dùng OMNeT++

Chương 5 : Tổng kết

Để có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi nhữngkiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trongsuốt năm năm đại học Em vô cùng biết ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các côtrong thời gian học tập này.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới thầy Nguyễn Trung Dũng – Bộ môn

Hệ thống viễn thông – Khoa Điện tử viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa HàNội, người đã định hướng cho những nghiên cứu của em, người trực tiếp hướngdẫn, chỉ bảo em hoàn thiện đồ án này

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi,động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiêncứu, hoàn thành đồ án này

Hà Nội, Tháng 5 - 2008

Sinh viên thực hiện

Lê Huy Thực

Tóm tắt đồ án

Trong thời đại các mạng viễn thông ngày càng phát triển, một lĩnh vực đầythách thức và thú vị - mạng cảm biến không dây - bắt đầu phát triển mạnh mẽ.Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được triểnkhai dày đặc và ngẫu nhiên Các nút cảm biến là các thiết bị điện nhỏ gọn có khảnăng cảm nhận nhiều loại thông tin từ môi trường, như là nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm,bức xạ, các yếu tố địa lý, các rung động địa chấn, các loại dữ liệu máy tính đặcbiệt… Những tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã có khả năng làm cho nhữngthiết bị này nhỏ gọn, có năng lượng hiệu quả và bây giờ chúng có thể được sản xuấtvới chi phí thích hợp dùng trong những ứng dụng viễn thông chuyên dụng Với kích

cỡ rất nhỏ, các nút cảm biến có khả năng tập hợp, xử lý và truyền thông tin đến cácnút khác và ra thế giới bên ngoài

Mạng cảm biến có rất nhiều ứng dụng, bao gồm lĩnh vực sức khỏe; nôngnghiệp; địa chất học; buôn bán; quân đội và quản lý báo động Tuy nhiên hàng loạtcác thách thức đối với mạng cảm biến cần phải được xác định do những đặc điểmriêng biệt của các nút cảm biến và thực tế là có nhiều ứng dụng của mạng cảm biếnbao gồm những nút cảm biến di động ở những vùng khó truy nhập bị giới hạn vềnguồn năng lượng mà cần phải tự động thích ứng với môi trường

Đồ án này có 5 chương:

nghĩa, cấu trúc mạng WSN; cấu trúc của một nút mạng; 2 cấu trúc đặc trưng củamạng cảm biến không dây là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng; các yếu tố ảnh hưởngđến cấu trúc mạng WSN; các ứng dụng đồng thời đưa ra các thách thức mà mạngWSN đang phải đối mặt

Chương 2: Định tuyến trong WSNs :đưa ra các vấn đề phải đối mặt khi địnhtuyến; đưa ra các giao thức định tuyến đang được dùng trong mạng cảm biến vàtrình bày cách phân loại các cách tiếp cận với vấn đề này Ba loại định tuyến chínhđược đưa ra trong chương này là giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phân cấp vàgiao thức dựa vào vị trí

Chương 3: Ứng dụng giám sát theo vùng

Trình bày khái niệm về ứng dụng giám sát theo vùng và hoạt động của ứngdụng.Đặt ra các vấn đề cần giải quyết như tính linh động của ứng dụng,vấn đềnăng lượng,lưu lượng trong ứng dụng và giải quyết vấn đề thông qua phươngpháp tập trung dữ liệu.So sánh phương pháp tập trung dữ liệu với phương pháptruyền trực tiếp để làm rõ những ưu điểm của phương pháp tập trung dữ liệu.Chương 4: Mô phỏng ứng dụng giám sát theo vùng dùng OMNeT++ : Kháiquát về OMNeT++ và đưa ra phần mô phỏng ứng dụng giám sát vùng Kết quả môphỏng chỉ ra rằng dùng ứng dụng giám sát vùng sử dụng phương pháp tập trung dữliệu đã làm giảm sự tiêu thụ năng lượng của các nút trong mạng, tăng thời gian sốngcủa mạng so với khi dùng phương pháp truyền trực tiếp thông tin

Chương 5: Tổng kết : Đưa ra những mặt còn hạn chế, hướng nghiên cứu vàphát triển cho tương lai

Abstract

As the field of communications networks continues to evolve,

a very interesting and challenging area - wireless sensor networks

- is rapidly coming of age A wireless sensor network consists of alarge number of sensor nodes that may be randomly and denselydeployed Sensor nodes are small electronic components

Capable of sensing many types of information from theenvironment, including temperature; light; humidity; radiation;geological features; seismic vibrations; specific types of computerdata; and more Recent advancements have made it possible tomake these components small, powerful, and energy efficient andthey can now be manufactured cost-effectively in quantity forspecialized telecommunications applications Very small in size,the sensor nodes are capable of gathering, processing, andcommunicating information to other nodes and to the outsideworld

Sensor networks have numerous applications, includinghealth; agriculture; geology; retail; military; home; and emergencymanagement However, several technical challenges in sensornetworks need to be addressed due to the specialized nature ofthe sensors and the fact that many sensor network applicationsmay involve remote mobile sensors with limited power sourcesthat must dynamically adapt to their environment

The thesis has a total of 5 chapters:

Chapter 1 : Overview of wireless sensor networks : giving out the definition, the architecture of WSN; the architecture of a

architecture and tiered architecture; factors that influence the architecture of the networks; the applications and also pointing out many challenges that WSNs are facing

Chapter 2: Routing in WSNs : the Challenge when routing in

a classification for the various approaches pursued; The threemain categories explored in this chapter are data – centric,hierarchical and location – based

Chapter 3: An application of WSN : Target Region

Define target region and its operation

Chapter 4: Simulating Target Region using OMNeT++ : givingout an overview of OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++) and a clear simulation of DataCentric algorithm The presented simulation resultsshow that used algorithm DataCentric reduced node energy dissipation and increasethe lifetime of WSN system

Chapter 5: Summary :The advantages and disadvantages ofDataCentric algorithm Direction of Research in the future

Mục lục

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2

Lời nói đầu 3

Tóm tắt đồ án 5

Abstract 6

Mục lục 8

Mục lục hình vẽ 10

Danh sách các bảng biểu 11

Danh sách các từ viết tắt 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN WSN 13

1.1 Giới thiệu 13

1.2 Cấu trúc mạng WSN 14

1.2.1 Cấu trúc của 1 nút mạng WSN 14

1.2.2 Cấu trúc của toàn mạng WSN 16

1.2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 16

1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây 17

1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây 22

1.3 Kiến trúc giao thức mạng 25

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 28

1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN 33

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN 36

2.1 Giới thiệu 36

2.2 Các vấn đề phải đối mặt khi định tuyến: 37

2.2.1 Tính động của mạng 37

2.2.2 Sự triển khai các nút 38

2.2.3 Tính đến năng lượng 38

2.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 39

2.2.5 Khả năng của các nút 39

2.2.6 Tập trung/hợp nhất dữ liệu 40

2.3 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSNs 40

2.4 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centric protocols) 42

2.4.1 Flooding và gossiping 43

2.4.2 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation) 45

2.4.3 Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) 46

2.4.4 Định tuyến khi xét đến năng lượng (Energy-aware routing) 48

2.5 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 49

2.5.1 LEACH 50

2.5.2 LEACH – C (LEACH Centralized) 51

2.5.3 LEACH – F : Fixed Cluster, Rotating Cluster Head 51

2.5.4 PEGASIS và PEGASIS phân cấp 52

2.6 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) 54

2.6.1 GAF (Geographic adaptive fidelity) 54

2.6.2 GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) 56

Chương 3 ỨNG DỤNG GIÁM SÁT THEO VÙNG 59

3.1.Khái niệm 59

3.2.Hoạt động chung 60

3.2.1.Hoạt động theo vòng 60

3.2.2.Pha thiết lập 61

3.2.3.Pha ổn định 61

3.3.Hai phương pháp truyền dữ liệu về trạm gốc 62

3.3.1 Phương pháp truyền trực tiếp 63

3.3.2.Phương pháp tập trung dữ liệu 63

3.4.Đánh giá phương pháp tập trung dữ liệu 64

3.4.1.Đánh giá về xử lý và phần cứng 64

3.4.2.Đánh giá về lưu lượng 64

3.4.3.Đánh giá về năng lượng 64

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁT VÙNG DÙNG OMNET ++ 65

4.1 Giới thiệu chung về Omnet++ 65

4.1.1 Tổng quan về Omnet++ 65

4.1.1.1 Omnet ++ là gì ? 65

4.1.1.2 Các thành phần chính của OMNeT++ 65

4.1.1.3 Ứng dụng 66

4.1.1.4 Mô hình trong OMNeT++ 66

4.1.2 Sử dụng OMNeT++ 68

4.1.2.1 Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng 68

4.1.2.2 Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ 71

4.2 Mô phỏng ứng dụng giám sát theo vùng 73

4.2.1 Giả thiết cho mạng 73

4.2.1.1 Mô hình mô phỏng: 73

4.2.1.2 Giả thiết đầu vào : 74

4.2.2 Hoạt động của mạng 75

4.2.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét 82

4.2.3.1.Tổng năng lượng còn lại trên toàn mạng 82

4.2.3.2.Năng lượng tại các nút gần trạm gốc 83

4.2.3.3.Lưu lượng gửi tới trạm gốc 84

4.3.Kết luận: 84

CHƯƠNG 5 TỔNG KẾT (Summary) 85

Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt Anh 88

Mục lục hình vẽ

Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến không dây 13

Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm biến 15

Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 17

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng 17

Hình 1.5 Cấu trúc tầng 18

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 19

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý 19

Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic 20

Hình 1.9 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 25

Hình 1.10 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 29

Hình 1.11 Cảnh báo và đo thông số động đất 29

Hình 1.12 Ứng dụng trong y tế 30

Hình 1.13 Ứng dụng nhà thông minh 30

Hình 1.14 Ứng dụng trong quản lý hàng hóa 31

Hình 1.15 Ứng dụng ở cảng 31

Hình 1.16 Ứng dụng trong trồng trọt 32

Hình 1.17 Ứng dụng trong chăn nuôi 32

Hình 1.18 Ứng dụng trong giao thông 33

Hình 1.19 Cấu trúc phần cứng của hạt Mica 34

Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đường trong WSN 41

Hình 2.2 Hiện tượng bản tin kép 44

Hình 2.3 Hiện tượng chồng chéo 44

Hình 2.4 Cơ chế của SPIN 45

Hình 2.5 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp 47

Hình 2.6 Chuỗi trong PEGASIS 52

Hình 2.7 Tập hợp dữ liệu trong chuỗi dựa trên mô hình nhị phân 53

Hình 2.8 Ví dụ về lưới ảo trong GAF 55

Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF 56

Hình 2.10 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 58

Hình 3.1 Ứng dụng Giám sát theo vùng 59

Hình 3.2 Hoạt động theo vòng 60

Hình 3.3 Hoạt động của pha thiết lập 61

Hình 3.4 Hoạt động theo khe thời gian 61

Hình 3.5 Truyền dữ liệu trực tiếp về trạm gốc 63

Hình 3.6 Phương pháp tập trung dữ liệu 63

Hình 4.1 Các module đơn giản và kết hợp 67

Hình 4.2 Các kết nối 68

Hình 4.4 Mô hình tiêu thụ năng lượng kênh vô tuyến Radio 74

Hình 4.5 BS gửi bản tin ADVMessage khởi động tới các nút 75

Hình 4.6 Các nút thiết lập kết nối tới các nút lân cận 76

Hình 4.7 Các nút gửi Status2BSMessage tới BS 77

Hình 4.8 BS gửi ClusterMessage tới các nút trong mạng 78

Hình 4.9 Nút chủ gửi TDMAMessage tới các nút trong cụm 79

Hình 4.10 Các nút trong vùng gửi dữ liệu về nút chủ 80

Hình 4.11 Nút chủ gửi dữ liệu về BS qua bản tin Data2BSMessage 81

Hình 4.12 Tổng năng lượng còn lại trên toàn mạng 82

Hình 4.14 Các nút lân cận trạm gốc trong trường hợp tập trung dữ liệu 83

Hình 4.15 Các nút lân cận trạm gốc trong trường hợp truyền trực tiếp 83Hình 4.16 Lưu lượng dữ liệu gửi về trạm gốc 84

Danh sách các bảng biểu

Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN …………44

Danh sách các từ viết tắt

WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

WINS Wireless Integrated Network Sensors Cảm biến mạng tích hợp không dâyCDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãTDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gianCSMA Carrier Sense Multiple Access Truy cập đường truyền có lắng nghe

sensor Network protocol

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

APTEEN Adaptive Threshold sensitive Energy

Efficient sensor Network protocol

Giao thức hiệu quả về năng lượng nhạy cảm với mức ngưỡng thích ứngSPEED A Spatiotemporal Communication

Protocol for Wireless Sensor Network

Giao thức truyền thông không thời gian cho mạng cảm biến không dây

SMP Sensor Management Protocol giao thúc quản lí mạng cảm biếnTADAP Task Assignment and Data Advertisement giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ

Protocol định nhiệm vụ cho từng sensorSQDDP Sensor Query and Data Dissemination

DS - SS Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ tuần tự

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG

DÂY

Chương này trình bày các khái niệm chung nhất về mạng cảm biến, cũng nhưcác thành phần của mạng,cấu trúc của 1 nút mạng và của toàn mạng, các yếu tố ảnhhưởng đến cấu trúc mạng, và các ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực cuộcsống của mạng cảm biến Bên cạnh đó cũng đề cập đến các thách thức mà mạngđang phải đối mặt để có thể phục vụ tốt hơn cho cuộc sống con người

1.1 Giới thiệu

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đã tạo ra rấtnhiều ứng dụng phục vụ cho cuộc sống của con người, cũng như phục vụ cho nhữngmục đích nghiên cứu khoa học Cũng nhờ sự tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vôtuyến mà các mạng sử dụng sensor giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng và có thểthực hiện đa chức năng đã được chú ý nghiên cứu và phát triển Những sensor này

có kích cỡ nhỏ và thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếuthông qua kênh vô tuyến Dựa trên cơ sở đó, người ta thiết kế ra mạng cảm biếnnhằm phát hiện ra những sự kiện hoặc hiện tượng, thu thập và truyền dữ liệu, vàtruyền những thông tin cảm nhận được đến người dùng

Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến không dây

Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng triển khai một sốlượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng mà có thểcảm nhận, tính toán và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm mục đích tập trung, xử

lý thông tin cục bộ để đưa ra những phương án giải quyết phù hợp với từng ứngdụng của mạng cảm biến

Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:

số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khảnăng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mỗi nút cảm biến được cấuthành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2, bộ cảm nhận (a sensing unit), bộ xử

lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit).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 bộphận di động (mobilizer)

Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm biến.

chuyển đổi tương tự-số (ADC)

nút cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào

bộ xử lý

quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm

vụ định sẵn

các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tớisink

bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâuthì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như lànăng lượng ánh sang mặt trời

ứng dụng Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạngđều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Vì vậy cần phải có các bộ định vị Các

bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết đểthực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động củavật nào đó

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoàikích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phảitiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt

1.2.2 Cấu trúc của toàn mạng WSN.

1.2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệuquả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, và khắc phục được những nhược điểmtrên, kéo dài thời gian sống của mạng Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúcmạng cần phải dùng một số cơ chế ,kỹ thuật đặc thù sau:

chính,thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách haycác vật cản.Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suấtphát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suấttổng thể Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếpmultihop

toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng mạng cảmbiến không dây

thông số một các tự động.Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của

nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nútcùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữliệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Cần phải kết hợpcác dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới trạm gốc (Sink) thì sẽtiết kiệm băng thông và năng lượng Chẳng hạn như khi xác định nhiệt độ trungbình , hay cao nhất của một vùng

Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.

Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field (trường cảm biến) như hình 1.3 Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây.

1.2.2.2.1 Cấu trúc phẳng (flat architecture)

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang

hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với sink qua

multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định,các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớnnguồn 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…

1.2.2.2.2 Cấu trúc tầng (tiered architecture)

Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúpcác tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộcvào kích cỡ của cụm) 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

Hình 1.5 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệukhông đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấpnhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trêncùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6)

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Hoặc các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụmỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán Trong trường hợpnày, các sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để táchnhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệunày Sự phân tích chức năng của các mạng cảm biến có thể phản ánh các đặc điểm

tự nhiên của các nút, hoặc có thể gọi đơn giản là sự phân biệt theo logic Ví dụ, mộttập hợp con các nút với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng có thể tạo nên cấuhình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.7)

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý.

Nói cách khác, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệtmột cách logic khi chúng thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác Những

chức năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạngxương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút Những qui tắc logic này tạo nênmạng phân cấp logic (hình 1.8) Những quy tắc logic này có thể thay phiên nhauđịnh kì để đảm bảo sự công bằng Khi các nút với khả năng tính toán cao hơn hoạtđộng thì các nút ít khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toán sang các nút này.Nếu không có “computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần thiết phải chọn

ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ như là tập trung dữ liệu Tuy nhiên trong một

số trường hợp chỉ có mỗi nút có tài nguyên vật lý thích hợp mới thích hợp để thựchiện các nhiệm vụ định sẵn Ví dụ một nút với hệ thống định vị toàn cầu (globalpositioning system - GPS) có thể thực hiện vai trò chủ chốt trong việc định vị hoặcđồng bộ thời gian Do vậy, không có gì là ngẫu nhiên khi rất nhiều các mạng cảmbiến hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp

Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúcphẳng, do các lý do sau:

- cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị cáctài 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 hiệntất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xácđịnh, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Thay vào đó, nếu một số lượng lớncác nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏhơn 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 tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng Khi cần phải tínhtoán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầuthực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trongkhoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tốithiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạngphân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làmtăng tuổi thọ của mạng

- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nútyêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu trúcphẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong

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 khắcphục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phâncấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗimột trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giaotiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến Trong trường hợp này, dung lượngcủa mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm

khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trong trường hợp này, dunglượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớpxác định là độc lập với nhau

Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt đượckhi dùng cấu trúc tầng Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích

về tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phầnphân bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phảithay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộcvào tân số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm Hiện nay cũng đang có rấtnhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây

Thiết kế mạng cảm biến không dây chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố: năngchịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, môi trường hoạt động, những ràngbuộc về phần cứng, cấu hình mạng cảm biến, phương tiện truyền dẫn, sự tiêu thụnăng lượng.Những nhân tố này rất quan trọng vì chúng như là hướng dẫn để thiết kếcấu trúc mạng,kiến trúc giao thức và thuật toán định tuyến cho mạng cảm biếnkhông dây.Các nhân tố đó cụ thể là như thế nào?

hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnhhưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạtđộng bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nútmạng không hoạt động Ở đây ta dùng phân bố Poisson để xác định xác suấtkhông có sai hỏng trong khoảng thời gian (0,t):

t

k t e k

)(Trong đó:

k

t: khoảng thời gian khảo sát

nghiên cứu một hiện tượng nào đó, số lượng các nút cảm biến được triển khai cóthể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượtquá hàng triệu Những kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng

các nút này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm biến Mật độ cóthể tính toán theo công thức:

A R N

một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trongviệc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việctriển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp

lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

Như đã trình bày ở phần 1.2.1 về cấu trúc một nút cảm biến, có nhiều ràng buộc

về phần cứng : phải có kích thước nhỏ,càng nhỏ càng tốt Ngoài kích cỡ ra các nútcảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít nănglượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứngvới môi trường

Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trêntrường cảm biến Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3 Do số lượng các nút cảmbiến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định Chúng ta có thể kiểm tracác vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:

xếp theo trật tự trên trường cảm biến Chúng có thể được triển khai bằngcách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặttừng cái một

vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kếtnối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thíchhợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể

 Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các nútcảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổichức năng.

Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong cáchiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ởnhững vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáybiển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc nhữngtòa nhà lớn

Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết nối bằng những phươngtiện không dây Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoạihoặc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của nhữngmạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thếgiới Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF.Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạtđộng ở tần số 916MHz Cấu trúc mạng Wireless Integrated Network Sensors(WINS) cũng sử dụng đường truyền vô tuyến để truyền dữ liệu

Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại.Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn.Một thành quả thú vị nữa là hạt bụi Smart Dust, là một hệ thống tự cảm biến, tínhtoán và giao tiếp dùng các phương tiện quang học để truyền Cả hai loại hồng ngoại

và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thểtruyền ánh sáng cho nhau được

Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể đượctrang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc

bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sốngcủa các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biếnmultihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữliệu 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 lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việcduy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Đó là lý do vì sao

mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức đểtiết kiệm nguồn năng lượng như các phương pháp định tuyến nhận biết về nănglượng(Energy-Aware –Routing)….Đồng thời người ta cũng đang nghiên cứu vàthiết kế nguồn cho mạng cảm biến có dung lượng lớn, và thiết kế cho các thànhphần của một nút cảm biến hoạt động hiệu quả về năng lượng để góp phần kéo dàithời gian sống của các nút nói riêng và cả toàn mạng

Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các

sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vìthế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp(communication), và xử lý dữ liệu (data processing)

1.3 Kiến trúc giao thức mạng.

Trong mạng cảm biến, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được địnhtuyến gửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông quainternet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảmbiến được trình bày trong hình 1.9:

Hình 1.9 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.

với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sựtương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên

kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phầnquản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.

- Lớp ứng dụng :Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm

ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng.Trong lớp ứngdụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thúc quản lí mạng sensor (SMP),giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP),giaothức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP)

-Lớp vận chuyển: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng

cảm biến yêu cầu.Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạngbên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển giữasink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức UDP hay TCPthông qua internet hoặc vệ tinh Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cầncác giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ Hơn nữacác giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rông và địnhtuyến tập trung dữ liệu

- Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi

lớp truyền tải.Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rấtnhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết

kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không dây.Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là địnhtuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xet theo hoạtđộng thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based),định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyếntheo chất lượng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based)

-Lớp kết nối dữ liệu:Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng

dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường Nó đảm bảo cho

giao tiếp điểm -điểm, điểm-đa điểm tin cậy.Vì môi trường có tạp âm và các nút cảmbiến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đếnvấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng

-Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến Ví

dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nútlân cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Cũng vậy, khi mức côngsuất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thôngbáo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường.Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

- Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để

duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút cảmbiến lân cận Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thểcân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

- Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm

biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đóđiều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một sốnút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suấtcủa nó

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùngnhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trongmạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

Ngoài ra, còn có các giao thức đặc trưng hỗ trợ cho mạng WSN: giao thức định

vị (Location protocol), giao thức đồng bộ thời gian (Time synchronizationprotocol), giao thức điều khiển cấu hình mạng (topology control).Trong nhiều

trường hợp việc xác định vị trí trong thế giới tự nhiên của các nút cảm biến là rấtcần thiết Ví dụ các ứng dụng kiểm tra và phát hiện sự kiện xảy ra ở đâu, nếu không

có thông tin vị trí thì không thể báo cáo chính xác Vấn đề thời gian rất quan trọngtrong nhiều ứng dụng và giao thức trong mạng cảm biến.Giao thức đồng bộ thờigian đảm bảo cho mạng hoạt động đồng bộ, giảm các sai lệch về thời gian, hoạtđộng hiệu quả và báo cáo kết quả chính xác về thời gian.Còn việc điều khiển cấuhình mạng cũng rất quan trọng Như đã trình bày trong các phần trên, mạng WSN

có thể triển khai ngẫu nhiên, mật độ các nút rất dày dặc nếu không có cơ chế điềukhiển topo tốt các nút sẽ cản trở nhau trong việc giao tiếp, giao tiếp trực tiếp giữacác nút sẽ làm giảm công suất truyền dẫn.Hơn nữa, khi các nút cảm biến mà dichuyển thì cần phải điều khiển lại cấu hình và định tuyến lại

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.

Mạng cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộcsống:

*Các ứng dụng về môi trường:

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chimmuông, 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… Một số ứng dụng quan trọng như:

Bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nênmột cách tự phát Mỗi nút cảm biến có thê thu thập nhiều thông tin khác nhau liênquan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được truyền multihop tớinơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm.Ngay sau khi sự kiên liên quan đến cháy được phát hiện, trung tâm điều khiển sẽđưa ra cảnh báo sớm Điều này sẽ giúp phát hiện sớm và ngăn chặn được thảm họacháy rừng

Hình 1.10 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

mưa, mực nước.Các cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệutrung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm

rung … được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vựchay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiệntượng động đất và núi lửa phun trào

Hình 1.11 Cảnh báo và đo thông số động đất

* Các ứng dụng trong y học:

Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm biến có thểđược gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để phát hiệnsớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn Hiện nay đã tồntại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và đượcbọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h (hình1.12) Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết

bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán

Hình 1.13 Ứng dụng nhà thông minh

* Trong công nghiệp

hàng hóa sẽ được giải phóng Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ

cần tồn tại trong thời kì lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một querytới kho lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query

đó để bộc lộ các đặc điểm của chúng Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từnhững cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyểntiếp qua từng nút Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vàoban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm Nếu một ai đó cố dịch một kiệnhàng, sensor sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo Điều này đặc biệt hữudụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn

Hình 1.14 Ứng dụng trong quản lý hàng hóa

các container ở cảng Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm biến

và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảngcách xa hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đếncontainer khác Tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vìvậy luôn luôn nhất quán Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xáckiện hàng của nó và container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có containerlân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (globaldatabase)

Hình 1.15 Ứng dụng ở cảng

* Trong nông nghiệp:

độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thuđược về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnhcho phù hợp

Hình 1.16 Ứng dụng trong trồng trọt

trang bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát

Hình 1.17 Ứng dụng trong chăn nuôi

* Trong quân sự:

Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống C4ISRT(military command, control, communications, computing, intelligence, servaillence,reconnaissance and targeting systems ) vì nó có các đặc tính triển khai nhanh, tự

cấu hình, và chịu lỗi.Các ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự như là giámsát quân đội, giám sát trang thiết bị,vũ khí, khảo sát chiến trường,quân địch, dò tấncông bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch

* Trong giao thông:

Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc đượcgắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau vàtương tác với đường và các biển báo để giúp các phương tiện đi được an toàn,tránh tai nạn giao thông và giúp việc điều khiển luồng tốt hơn

Hình 1.18 Ứng dụng trong giao thông

Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây được phân loại thành :

-Giám sát các môi trường tĩnh:giám sát môi trường,các hệ sinh thái,cảnh báo

cháy…

-Giám sát sự chuyển động của các đối tượng: như là giám sát các động vật trong cuộc sống hoang dã,giám sát sự chuyển động của các phương tiện giao thông…

1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN.

Vì mạng cảm biến không dây có những ứng dụng vô cùng to lớn trong cuộc sống,

và để tận dụng hết những thuận lợi này chúng ta phải xác định rõ những hạn chế củamạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật mà ta sẽ gặp phải khi triển khai:

Khi các thiết bị tính toán tăng hiệu quả nhanh chóng thì sự tiêu thụ nănglượng của mạng cảm biến không dây giống như một nút cổ chai Do các sensor cókích cỡ nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn sensor trong mạng, do

đó ta không thể nối dây từ các sensor này đến nguồn năng lượng Đồng thời để cóthể vận hành tự động thì các sensor cần phải có nguồn pin Vì lượng năng lượng cósẵn trong mỗi sensor chỉ giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhậnđược khi duy trì đủ năng lượng để các sensor này hoạt động hiệu quả.

Trong mạng cảm biến, năng lượng được dùng trong xử lý dữ liệu ít hơnnhiều so với việc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởitốc độ dữ liệu khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởngtrực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các sensor, và nếu không có sự truyền thôngtin này thì không thể đồng bộ hóa được

Hình 1.19 Cấu trúc phần cứng của hạt Mica

Phần cứng của các nút cảm biến thường bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó Mộtnút cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica2 (hình 1.19) có một pin mặt trờinhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10MHz, bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, và phạm vitruyền dưới 50m Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đặt ramột thách thức to lớn Đó là ta không thể tăng kích cỡ của nút cảm biến vì như vậy

sẽ tăng chi phí và tiêu thụ thêm năng lượng, đồng thời sẽ gây khó khăn trong việctriển khai hàng nghìn nút trong mạng

Mạng cảm biến có ưu điểm là tính di động, nhưng mạng vẫn phải đối mặtvới những nhược điểm sau:

10-100m), dẫn đến việc truyền thông tin giữa các nút cảm biến trở nên khókhăn

ngoài nên có thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin

nút nên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết

WSNs dùng để giám sát các hiện tượng trong thế giới thực nên việc thiết kếmạng phải thích ứng với các các đặc trưng của môi trường mà nó cảm nhận WSNsđược dùng cho các ứng dụng khác nhau như là kiểm tra trong quân đội, cảnh báocháy rừng… nên phải được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng Ví dụ như sensor

có thể dùng để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm và tùy từng loại ứngdụng sẽ quyết định dùng loại sensor nào

Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn

và không thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cảithiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trongmạng cảm biến, năng lượng được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu,

xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động

Hiện nay người ta cũng đang mong muốn phát triển quá trình xử lý nănglượng một cách hiệu quả mà giảm tối thiểu các yêu cầu về năng lượng qua các mứccủa protocol stack, đồng thời tối thiểu hóa các bản tin truyền qua mạng để điềukhiển và phối hợp mạng

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dâyphải đối mặt với rất nhiều vấn đề Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra đểgiải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu

về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng Chương này trìnhbày ba loại giao thức hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trungtâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) vàđịnh tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol)

2.1 Giới thiệu

Định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức domạng cảm biến có nhiều đặc điểm riêng khác hẳn với các mạng khác

ta không thể xây dựng một chế độ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các nútcảm biến, vì vậy không thể áp dụng giao thức dựa trên IP trong mạng cảmbiến

dụng của mạng cảm biến, các luồng dữ liệu cảm nhận được từ nhiều nguồnkhác nhau đến một sink xác định

vì các sensor có thể phát ra cùng một dữ liệu trong vùng xung quanh hiệntượng Những thông tin dư thừa đó cần được xử lý bởi các giải thuật địnhtuyến để tăng hiệu quả năng lượng và sử dụng dải thông

truyền đi, năng lượng sử dụng, quá trình xử lý và lưu trữ vì vậy nguồn nănglượng phải được quản lý chặt chẽ

Do những sự khác biệt trên, rất nhiều giải thuật được đưa ra để định tuyến dữliệu trong mạng cảm biến Hầu hết các phương pháp định tuyến được phân loại bao

gồm giao thức trung tâm dữ liệu (data-centric), phân cấp (hierarchical) hoặc dựatrên vị trí (location-based), ngoài ra còn có một số loại dựa trên lưu lượng mạnghoặc chất lượng dịch vụ (QoS)

thuộc vào việc đặt tên các dữ liệu mong muốn, để loại bỏ dư thừa

nút chủ của mỗi cụm có thể thực hiện tập trung và giảm dữ liệu để tiết kiệmnăng lượng

truyền dữ liệu đến các vùng mong muốn thay cho truyền đến tòan mạng

hình lưu lượng mạng chung và các phương pháp mà đáp ứng được các yêucầu về QoS cùng với chức năng định tuyến

Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu về các cơ chế định tuyến trong mạngcảm biến mà được sử dụng trong những năm gần đây, đồng thời chỉ ra những hướng

mở mà có thể đi sâu trong những nghiên cứu sau này

2.2 Các vấn đề phải đối mặt khi định tuyến:

2.2.1 Tính động của mạng

Mạng cảm biến bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm biến, sink và các sự

kiện cần giám sát Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm biến di động, cònlại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định Tuy nhiên trong một số ứngdụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển Khi đó các bản tin chọnđường từ hoặc tới các nút di chuyển sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn nhưđường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng Các sự kiện cảm nhậnthì có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng Ví dụ trong các ứng dụngphát hiện mục tiêu các sự kiện là động, trong khi trong lĩnh vực ngăn chặn thảm họacháy rừng thì các sự kiện lại là tĩnh Các sự kiện cố định thì cho phép mạng làmviệc ở chế độ phản ứng (tạo lưu lượng khi cần báo cáo), các sự kiện động trong hầu

hết các ứng dụng đều yêu cầu phải báo cáo định kỳ cho nút gốc để truyền các lưu

lượng cần thiết được định tuyến đến sink.

2.2.2 Sự triển khai các nút

Một vấn đề cần quan tâm nữa là sự triển khai cấu hình của các nút cảm biến.Việc phân bố nút trong WSNs phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xác địnhtrước hoặc tự phân bố Trong trường hợp được xác định trước, các nút được đặtbằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định Tuy nhiên trongcác hệ thống tự tổ chức, các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một cấu

trúc theo kiểu ad hoc Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các nút chủ

cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động củamạng Trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường có

cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông Do đó việc chọn đường sẽthực hiện qua nhiều bước nhảy

2.2.3 Tính đến năng lượng

Trong khi tạo thành cơ sở mạng, quá trình xây dựng các đường bị ảnh hưởngmạnh bởi năng lượng Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến tỉ lệ với diện tíchhoặc thậm chí còn nhiều hơn trong trường hợp có vật cản, định tuyến multihop sẽtiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp Tuy nhiên, định tuyến đa bướcnhảy cần một số lượng lớn các mào đầu để điều khiển cấu hình và điều khiển truynhập đường truyền Định tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút

đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường hợp các nút đều được rải ngẫu

nhiên trong một vùng rộng, do vậy định tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn.Trong WSNs đa bước nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọnđường Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thểgây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc

tổ chức lại mạng

2.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu

Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu trong WSN

có thể được chia thành báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc laighép các phương pháp này Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các

ứng dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận

cảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầutheo chu kỳ thời gian xác định Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theoyêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị củathuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời mộtyêu cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng Do vậy, nhữngphương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thời gian Cũng có thể sửdụng kết hợp các phương pháp trên Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng

kể từ phương pháp báo cáo số liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa nănglượng và sự ổn định tuyến Ví dụ như trong ứng dụng kiểm tra môi trường sống khi

mà các dữ liệu được truyền liên tiếp đến các sink thì giao thức định tuyến phân cấp

là thích hợp nhất

2.2.5 Khả năng của các nút

Trong mạng cảm biến, nhiều chức năng khác nhau có thể kết hợp với các nútcảm biến Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là cókhả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau Tuynhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện cácchức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức năngtrong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút đó.Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kỹ thuật liênquan đến định tuyến Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều sensor để kiểmtra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch chuyểnthông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh của các vậtchuyển động Tốc độ đọc của các sensor này có thể khác nhau, vì thế với những môitrường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn

Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến

bình thường khác Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm biếnphân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng thông và

bộ nhớ Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập trung bởi một nhóm các nútchủ nhóm

2.2.6 Tập trung/hợp nhất dữ liệu

Vì các nút cảm biến có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, nên đểgiảm số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tậptrung lại Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng

việc dùng các chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average) Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc

toàn bộ trong mỗi một nút cảm biến Người ta nhận thấy là tính toán sẽ tiêu tốn ítnăng lượng hơn so với giao tiếp, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được mộtlượng năng lượng đáng kể Kỹ thuật này được sử dụng trong khá nhiều các giaothức định tuyến Trong một số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệuđược chỉ định cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng Tập trung dữ liệucũng khả thi trong kỹ thuật xử lý tín hiệu Trong trường hợp này thì nó liên quanđến hợp nhất dữ liệu, khi mà một nút có khả năng tạo ra một tín hiệu chính xác hơnbằng việc giảm nhiễu và dùng các công cụ như là các luồng tia (beamforming) đểkết hợp các tín hiệu

2.3 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSNs

Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSNs Ngoài cáchchia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyếnphân cấp và định tuyến dựa vào vị trí việc chọn đường trong WSNs còn có thể đượcchia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa theo

vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng

chức năng như nhau

mạng