Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường

Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến, một số phương pháp định tuyến, chuẩn truyền thông phổ biến được sử dụng trong mạng cảm biến và cuối cùng là đề xuất chế tạo mô hình mạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHAN QUỐC THẮNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHAN QUỐC THẮNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TRIỂN

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phan Quốc Thắng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, em đã được học hỏi những kiến thức vô cùng quý báu từ các thầy, cô giáo trong trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội trong hai năm qua Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập cao học tại trường

Em đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS.Phạm Minh Triển – Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và định hướng cho em nghiên cứu đề tài này Thầy đã cho em những lời khuyên bổ ích và quý báu trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Do hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ bản thân, bài luận văn của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý và củng cố đề bài luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC HÌNH VẼ 10

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG 13

1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 13

1.1 Mạng cảm biến không dây là gì? 13

1.2 Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 13

1.2.1 Cấu trúc mạng cảm biến 14

1.2.2 Cấu trúc một nút mạng [6] 15

1.3 Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây 16

1.4 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống 17

2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] 17

2.1 Mạng cảm biến trong môi trường 18

2.2 Ứng dụng trong y tế 19

2.3 Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng 19

2.4 Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp 20

2.5 WSN trong nông nghiệp 20

2.6 WSN trong quân sự 21

3 Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây [4] 22 3.1 Những khó khăn thường thấy 22

3.2 Hạn chế trong việc xây dựng WSN 23

4 Kết luận 24

CHƯƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 25

1 Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8] 25

1.1 Tính động của mạng 25

1.2 Trật tự sắp xếp của mạng 25

1.3 Khả năng của các nút mạng 25

1.4 Vấn đề năng lượng 26

1.5 Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu 26

2 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến 27

3 Các định tuyến chính hay được dùng trong mạng WSN[5],[11] 28

3.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu 28

3.1.1 Giao thức Flooding và gossiping 28

3.1.2 Giao thức SPIN 29

3.2 Truyền tin trực tiếp 31

3.3 Định tuyến phân cấp 32

3.3.1 Giao thức LEACH 32

3.3.2 Giao thức PEGASIS 34

3.4 Định tuyến dựa vào vị trí 34

3.4.1 Giao thức GAF 34

3.4.2 Giao thức GEAR 36

4 Kết luận 36

CHƯƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 37 1 Tổng quan về chuẩn Zigbee[1] 37

2 Mô mình mạng Zigbee[10] 38

2.1 Mạng hình sao (Star Network) 38

2.2 Mạng hình lưới (Mesh Network) 38

2.3 Mạng hình cây (Cluster Tree Topology) 39

3 Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2] 39

4 Tầng vật lý (PHY)[10] 40

4.1 Điều chế tín hiệu của tầng vật lý 42

4.2 Thông số kỹ thuật 44

4.3 Định dạng khung tin PPDU 45

5 Tầng điều khiển dữ liệu (MAC) [5] 45

5.1 Cấu trúc siêu khung 45

5.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA 48 5.3 Các mô hình truyền dữ liệu 50

5.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 54

5.5 Định dạng khung tin MAC 54

6 Tầng mạng của Zigbee [5] 54

6.1 Dịch vụ mạng 54

6.2 Dịch vụ bảo mật 55

7 Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] 55

8 Kết luận 56

CHƯƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG 57

1 Bài toán đặt ra 57

1.1 Mô hình bài toán cần xây dựng 57

1.2 Bài toán mô phỏng đặt ra 57

2 Sơ đồ khối chung của mạch 58

3 Chi tiết phần cứng cho mạch 58

3.1 Vi điều khiển ATmega[13] 58

3.2 Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm[14],[15] 60

3.3 Mạch thu phát sóng radio ở tần số 2.4Ghz[16] 64

3.4 Phần mềm giám sát 66

3.4.1 Hoạt động chung 66

3.4.2 Hoạt động truyền dữ liệu của các nút mạng 67

3.4.3 Hoạt động giao tiếp giữa nút chủ và máy tính 69

4 Kết quả của bài toán 70

4.1 Mạch thực tế 70

4.2 Màn hình giám sát 72

5 Kết luận 74

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 79

1 Chương trình code cho vi điều khiển 79

1.1 Chương trình cho từng nút con thực hiện đo, thu và phát tín hiệu 79

1.2 Chương trình cho nút chủ đo, phát và thu tín hiệu 92

2 Chương trình code phần mềm 114

2.1 Hàm chính đọc giá trị từ nút chủ và vẽ đồ thị 114

2.2 Giao diện chính 118

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital converter Bộ chuyển tín hiệu điện sang số

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

CAP Contention Access Period Thời gian tranh chấp truy cập

CCA Clear Channel Assessment Ước lượng kênh truyền

CFP Contention Free Period Thời gian tranh chấp tự do

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

Đa truy nhập cảm biến sóng mang phát hiện đụng độ

CW Congestion Window Cửa sổ tranh chấp

FFD Full Function Device Thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức năng theo

chuẩn Zigbee GAF Global Assessment of

Functioning

Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR Geographic and

Energy-Aware Routing

Định tuyến nhận biết năng lượng và phương pháp báo thong tin qua địa lý GTS Guaranteed Time Slots Quản lý khe thời gian

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

LEACH Low Engergy Adaptive

Clustering Hierachy

Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp

MAC Medium access control Điều khiển truy nhập

MCU Microprocessor Control Unit Vi điều khiển

MSK Minimun Shift Keying Khóa dich tối thiểu đồng bộ

NB Number of Backoff Số lần back off

O-QPSK Offset-Quadrature Phase Shift

Keying

Khóa dịch pha góc 1/4 có góc lệch pha ban đầu

PAN Personal Area Networks Mạng cá nhân

PEGASIS Power-efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Giao thức định tuyến và tập trung hiệu suất trong mạng cảm biến

PPDU Presentation Protocol Data

Unit

Khối dữ liệu của giao thức trình diễn

RFD Reduced Function Device Những thiết bị giới hạn chức năng của

chuẩn Zigbee SPIN Sensor Protocol for

Information via Negotiation

Giao thức định tuyến thông tin dựa vào

sự dàn sếp dữ liệu WLAN Wireless local area network Mạng vô tuyến cục bộ

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không đây

ZC Zigbee Coordinator Thiết bị điều phối Zigbee

ZDO Zigbee Device Object Đối tƣợng thiết bị Zigbee

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống 17

Bảng 3- 1 Ƣu và nhƣợc điểm của Zigbee 37

Bảng 3- 2 So sánh Zigbee và Bluetooh 38

Bảng 3- 3 Băng tần và tốc độ dữ liệu 41

Bảng 3- 4 Kênh truyền và tần số 41

Bảng 3- 5 Biến đổi bit to chip 44

Bảng 3- 6 Định dạng khung PPDU 45

Bảng 3- 7 Định dạng khung MAC 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây 13

Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN 14

Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN 15

Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến 16

Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 18

Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt 18

Hình 1- 7 Cảnh báo và đo thông số động đất 19

Hình 1- 8 Ứng dụng ngôi nhà thông minh 20

Hình 1- 9 Ứng dụng ở cảng 20

Hình 1- 10 Ứng dụng trong trồng trọt 21

Hình 1- 11 Ứng dụng trong quân đội 21

Hình 1- 12 Cấu trúc phần cứng hạt Mica 22

Hình 2- 1 Mô hình truyền dữ liệu giữa Sink và các nút cảm biến 28

Hình 2- 2 Truyền gói trong Flooding 28

Hình 2- 3 Hiện tượng bản tin kép 29

Hình 2- 4 Hiện tượng chồng chéo 29

Hình 2- 5 Hoạt động của SPIN 30

Hình 2- 6 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN 30

Hình 2- 7 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp 32

Hình 2- 8 Tạo lưới ảo trong mạng 35

Hình 2- 9 Sự chuyển trạng thái trong GAF 35

Hình 3- 1 Mô hình mạng Zigbee 39

Hình 3- 2 Cấu trúc của giao thức Zigbee 40

Hình 3- 3 Băng tần hệ thống của ZigBee 41

Hình 3- 4 Sơ đồ điều chế 42

Hình 3- 5 Pha của sóng mang 43

Hình 3- 6 Cấu trúc siêu khung 46

Hình 3- 7 Khoảng cách khung 48

Hình 3- 8 Lưu đồ thuật toán 49

Hình 3- 9 Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon 51

Hình 3- 10 Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon 52

Hình 3- 11 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon 53

Hình 3- 12 Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon 53

Hình 4- 1 Sơ đồ tổng quát 57

Hình 4- 2 Sơ đồ khối chung của mạch 58

Hình 4- 3 Vi điều khiển ATmega 8 59

Hình 4- 4 Mạch nguyên lý chung 59

Hình 4- 5 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [14] 61

Hình 4- 6 Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm [15] 61

Hình 4- 7 Mạch nguyên lý kết nối với Atmega8 61

Hình 4- 8 Gửi tín hiệu start [15] 62

Hình 4- 9 Giao tiếp bit 0 [15] 63

Hình 4- 10 Giao tiếp bit 1 [15] 63

Hình 4- 11 Sơ đồ khối module nRF24L01 [16] 64

Hình 4- 12 Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và module RF nRF24L01 [16] 65

Hình 4- 13 Mạch kết nối chân với vi điều khiển của RF nRF24L01 65

Hình 4- 14 Sơ đồ hoạt động chung của hệ thống 66

Hình 4- 15 Sơ đồ thuật toán truyền nhận dữ liệu giữa các node mạng qua module thu phát RF nRF24L01 68

Hình 4- 16 Sơ đồ truyền dữ liệu và hiển thị trên phần mềm giám sát 70

Hình 4- 17 Ba mạch node con và một mạch node chính 71

Hình 4- 18 Các node đo nhiệt độ độ ẩm 72

Hình 4- 19 Đồ thị giám sát kết quả đo đạc trên máy tính 73

Hình 4- 20 Kết quả giám sát lưu ra file text 74

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu đo đạc, theo dõi từ xa và không cần dây dẫn, có thể giám sát những điều mong muốn khi không có mặt tại nơi cần giám sát là rất phổ biến, có thể thấy các ứng dụng như: giám sát bệnh nhân, giám sát phòng máy và giám sát vùng biên giới… Mạng cảm biến không dây ra đời đã giải quyết những bài toán đó Những nút mạng cảm biến tự kết nối thành một mạng và phát các tín hiệu truyền cho nhau và truyền tới máy tính giám sát của người dùng Mạng cảm biến không dây có thể được

mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của người dùng với việc thêm vào các thiết

bị và link kiện mà không cần thao tác phức tạp

Trước xu thế mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống cũng như an ninh quốc phòng, căn cứ vào tình hình thực tế của nước ta đang cần hệ thống cảnh báo và giám sát các thông số môi trường để phục vụ nhiều ngành,

nhiều lĩnh vực, em đã chọn hướng nghiên cứu là: “Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường”

Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến, một số phương pháp định tuyến, chuẩn truyền thông phổ biến được sử dụng trong mạng cảm biến và cuối cùng

là đề xuất chế tạo mô hình mạng cảm biến không dây với số lượng node mạng cảm biến

Luận văn sẽ có kết cấu như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng

Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Chương 3: Chuẩn truyền thông không dây Zigbee/IEEE 802.15.4

Chương 4: Mô hình ứng dụng giám sát các thông số môi trường

CHƯƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ

ỨNG DỤNG

Trong chương này, trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây với đặc điểm và cấu trúc, đồng thời giới thiệu những ứng dụng mà mạng cảm biến không dây mang lại

1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1 Mạng cảm biến không dây là gì?

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) hay còn gọi là các node cảm biến tập trung lại theo một cách không có hệ thống và tạo thành một mạng Các node cảm biến thực hiện nhiệm vụ như thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô nhất định theo yêu cầu trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Các node mạng thường là thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và có thể hoạt động ở điều kiện, môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm,…)[6]

A

C E

B D

Sink

Internet,

Vệ tinh

Nút quản lý nhiện vụ Người sử dụng

Trường cảm biến

Nút cảm biến

Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây

1.2 Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến WSN sẽ bao gồm nhiều nút cảm biến được sắp theo ý của người thiết kế mạng Trong đó, mỗi nút cảm biến được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản: Bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng lượng

1.2.1 Cấu trúc mạng cảm biến

Về cơ bản, một mạng cảm biến có cấu trúc như hình 1-1 Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu

từ nút Sink đến các nút cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) [6]

1.2.1.1 Cấu trúc phẳng

Với cấu trúc này, các nút mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng

và chức năng hình 1-2 Các nút giao tiếp với sink qua multihop và sử dụng nút mạng ngang hàng làm bộ tiếp sóng Nếu trong phạm vi truyền cố định, các nút mạng gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng nguồn lớn Khi đó, các node mạng có thể chia sẻ thời gian khi giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu Nhưng cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số… [7],[9]

Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN

1.2.1.2 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng (hình 1-3), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến một nút mạng định sẵn, thường gọi là nút chủ (Cluster Head) Trong cấu trúc này, các nút mạng tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút mạng ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN

Cấu trúc tầng thì chức năng cảm biến, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng nhất giữa các nút cảm biến Những chắc năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, cấp trên cùng thực hiện phân phối [7],[9]

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

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vụ các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động tốt nhất

- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì 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 thời gian dài, các nút cảm biến tiêu thụ ít năng lƣợng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.Với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng, sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến

- Bộ phận cảm biến: thường bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Tín hiệu tương tự được sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó được chuyển tới bộ phận xử lý

- Bộ phận xử lý: thường liên quan đến một bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến được định trước

- Bộ phận thu phát: để kết nối nút với mạng Nó làm nhiệm vụ gửi và nhận dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

- Bộ nguồn: Một trongnhững thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ phận cung cấp quản lý năng lượng Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng lượng như pin mặt trời

Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ thể Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏi kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy, các nút cảm biến thường có hệ thống định vị vị trí

Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến có thể được trang bị một bộ phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó được yêu cầu để thực hiện nhiệm

vụ định trước

1.3 Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây

- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người

- Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop

- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến

- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các nút

- Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán WSN đã kế thừa những ưu điểm của mạng vô tuyến cùng với những đặc điểm riêng của mạng cảm biến nó có thể được ứng dụng vào mạng gồm một số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng có khả năng xử lý, tính toán

và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể

1.4 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống

Dựa vào những trình bày ở trên, ta dễ dàng nhận thấy sự khác nhau giữa WSN

và mạng truyền thống Sự khác nhau này được trình bày ở Bảng 1-1

Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống

Số lượng node lớn Số lượng node ít hơn

Mật độ triển khai node dầy Mật độ triển khai node không dầy bằng

WSN Cấu trúc mạng có thể thay đổi Cấu trúc mạng thường cố định

Truyền dữ liệu theo kiểu quảng bá Truyền dữ liệu theo kiểu điểm–điểm Các node cảm biến thường bị giới hạn

về năng lượng, khả năng tính toán và bộ

nhớ

Các node mạng truyền thống không bị giới hạn về năng nượng, khả năng tính toán và bộ nhớ

Các node cảm biến có thể chia sẻ nhiệm

vụ với các node lân cận

Các node mạng truyền thống khó chia

sẻ nhiệm vụ với các node lân cận Các node cảm biến có thể có hoặc không

có số định dạng toàn cầu (Global

Indentification –ID)

Các node mạng truyền thống thường có

số ID

2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3]

Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong

công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày

2.1 Mạng cảm biến trong môi trường

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… Một số ứng dụng quan trọng đối với việc giám sát môi trường như:

Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

- Phát hiện cháy rừng: Các nút cảm biến sắp xếp theo kiểu phân tán trong rừng tạo thành một mạng tự phát 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

- Cảnh báo lũ lụt: Các nút cảm biến sẽ đo các chỉ tiêu lượng mưa, mực nước, cung cấp thông tin cho trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm

Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt

Hình 1- 7Cảnh báo và đo thông số động đất

- Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: Với phần giám sát này, các cảm biến được thiết kế để đo độ rung và đặt ở mặt đất 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

2.2 Ứng dụng trong y tế

Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chuẩn đoán; quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác…

2.3 Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

Hình 1- 8 Ứng dụng ngôi nhà thông minh

2.4 Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: mạng cảm biến có thể được thiết kế để đo nhiệt độ, độ ẩm của các kiện hang, phục vụ cho việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa

Ngoài ra, hàng hóa còn có thể được theo dõi bảo vệ bằng việc đặt các nút cảm biến chống trộm Các nút cảm biến này sẽ đo về độ dịch chuyển của các kiện hàng muốn theo dõi

Hình 1- 9 Ứng dụng ở cảng

2.5 WSN trong nông nghiệp

2.6 WSN trong quân sự

Hình 1- 11Ứng dụng trong quân đội

- Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược

- Giám sát chiến trường

- Giám sát địa hình và lực lượng quân địch

- Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường

Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạng cảm biến triển khai

ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêm trọng

3 Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây [4]

Xác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặp phải khi triển khai giúp ta tận dụng triệt để những thuận lợi cũng như tiện ích từ những ứng dụng vô cùng to lớn của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống

3.1 Những khó khăn thường thấy

- Năng lượng hạn chế:

Khi các thiết bị tăng hiệu suất, khả năng tính toán năng lượng tiêu thụ càng tăng, sự tiêu thụ năng lượng của mạng cảm biến không dây giống như một nút cổ chai Các sensor có kích cỡ nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn sensor trong mạng, không thể nối dây từ các sensor này đến nguồn năng lượng Đồng thời để có thể tự vận hành, các sensor cần phải có nguồn pin Lượng năng lượng có sẵn trong mỗi sensor bị giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ năng lượng cho hoạt động hiệu quả của các sensor này

1kps-1Mbps, 1-100m khả năng truyền giảm

66% tổng chi phí yêu

cầu giám sát

Thời gian sống bị giới hạn

Hình 1- 12 Cấu trúc phần cứng hạt Mica

- Dải thông giới hạn:

Trong mạng cảm biến, năng lượng cho xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so với việc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các sensor Và nếu không có sự truyền thông tin này thì không thể đồng bộ hóa được

- Phần cứng giới hạn:

Phần cứng của các nút cảm biến thường bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó Một nút cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica2 có một pin mặt trời nhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10MHz, bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, 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 nghìn nút trong mạng

- Kết nối mạng không ổn định

3.2 Hạn chế trong việc xây dựng WSN

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

- Giới hạn trong phạm vi truyền của các sensor di động (khoảng 10-100m), dẫn đến việc truyền thông 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

- Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên WSNs 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 WSNs phải được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng như kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng, dùng loại sensor nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm tùy từng loại ứng dụng

- 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 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 chủ yếu cho 3 mục đích: 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 qua các mức của protocol stack, các bản tin truyền qua mạng để điều khiển và phối hợp mạng

4 Kết luận

Như vậy, chương 1 đã đưa ra được cái nhìn khái quát về mạng cảm biến không dây với đặc điểm và cấu trúc của nó Nội dung của chương cũng cho thấy được những ứng dụng vô cùng hữu ích trong cuộc sống con người hiện đại Tuy nhiên để triển khai mạng cảm biến không dây một cách hiệu quả, người thiết kế hệ thống cần phải nắm bắt được những nhân tố tác động đến mạng, những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục, cần quan tâm đến các tham số mạng,… cần có sự mô phỏng đánh giá

để từ đó có thể thiết kế hệ thống theo cách tối ưu nhất

CHƯƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Mạng cảm biến không dây với những đặc điểm và cấu trúc khác biệt riêng của

nó mà yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến cho WSN khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và không dây.Việc nhằm vào đặc tính này đã đưa ra một tập các thách thức lớn và riêng đối với WSN, từ đó nó cũng có những phương pháp định tuyến tìm đường cho mạng đặc trưng

1 Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8]

1.1 Tính động của mạng

Mạng cảm biến được cấu tạo bởi ba phần chính: các nút cảm biến, các nút chủ (Sink) và các sự kiện cần giám sát Hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định.Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển Khi đó các bản tin chọn đường từ hoặc tới các nút di chuyển sẽ gặp phải nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng thông

Các sự kiện cảm nhận có thể tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng Chẳng hạn, trong các ứng dụng phát hiện mục tiêu, các sự kiện là động, còn trong ngăn chặn thảm họa cháy rừng, các sự kiện lại là tĩnh Các sự kiện cố định cho phép mạng làm việc 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 báo cáo định kỳ cho nút gốc để truyền các lưu lượng cần thiết được định tuyến đến Sink

1.2 Trật tự sắp xếp của mạng

Sự triển khai cấu hình của các nút cảm biến cũng cần được lưu ý Việc phân bố này phụ thuộc vào ứng dụng, có thể được xác định trước hoặc tự phân bố Nếu được xác định trước, các nút cảm biến được đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định Mặc dầu vậy, trong những hệ thống tự tổ chức, các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một cấu trúc theo kiểu adhoc Trong các cấu trúc

đó, vị trí của các Sink hay các nút chủ cũng góp phần không nhỏ giúp sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động của mạng

Do các hạn chế về năng lượng và băng thông, trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn, việc chọn đường sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy

1.3 Khả năng của các nút mạng

Trong mạng cảm biến, nhiều chức năng khác nhau có thể kết hợp với các nút cảm biến Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là có khả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau

Tuy nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút cảm biến có thể phải thực hiện các chức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp.Vì thế việc kết hợp ba chức năng trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút mạng đó

1.4 Vấn đề năng lượng

Trong khi tạo thành cơ sở mạng, quá trình xây dựng các đường bị ảnh hưởng mạnh bởi năng lượng Tùy thuộc vào từng ứng dụng mà mật độ các nút cảm biến dày đặc hay thưa thớt Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến tỉ lệ với diện tích hoặc thậm chí còn nhiều hơn trong trường hợp có vật cản, định tuyến multihop sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp

Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các mào đầu để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền Định tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút cảm biến đều rất gần Sink nhưng trong hầu hết các trường hợp các nút cảm biến 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 mạng đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng

1.5 Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu

Vì các nút cảm biến có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số lần truyền, các gói tương tự nhau từ nhiều nút cảm biến khác nhau phải được tập trung lại Đây chính là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc dùng các chức năng như nén, lấy min, lấy max và lấy trung bình

Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm biến Việc tính toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với giao tiếp, và sẽ tiết kiệm được một lượng năng lượng đáng kể trong quá trình tập hợp dữ liệu Kỹ thuật này sử dụng khá nhiều trong các giao thức định tuyến Trong một số cấu trúc mạng, tất

cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng

Nó cũng khả thi trong kỹ thuật xử lý tín hiệu Trong trường hợp này, nó liên quan đến hợp nhất dữ liệu, khi một nút có khả năng kết hợp các tín hiệu, tạo ra một tín hiệu chính xác hơn bằng việc giảm nhiễu và dùng các công cụ như là các luồng tia 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 lai ghép 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 cầu theo chu kỳ thời gian xác định

Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng

Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thời gian Cũng có thể sử dụng 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 năng lượng 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 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến

Cách mà các truy vấn và dữ liệu được truyền giữa các nút và tới vị trí quan sát là một khía cạnh quan trọng trong mạng WSN Một phương pháp cơ bản là mỗi nút có thể truyền trực tiếp dữ liệu tới trạm cơ sở Tuy nhiên phương pháp này (single – hop)

có chi phí rất đắt và rủi ro Các nút mà xa trạm cơ sở sẽ nhanh chóng bị tiêu hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của mạng

Khắc phục điều này, ta có phương pháp nhảy đa bước (Multi - hop) qua phạm vi truyền ngắn Phương pháp này tiết kiệm năng lượng đáng kể và giảm sự giao thoa truyền dẫn giữa các nút khi cạnh tranh nhau để truy cập kênh Dữ liệu được truyền giữa các nút cảm biến và các sink như hình 2-1

Hình 2- 1 Mô hình truyền dữ liệu giữa Sink và các nút cảm biến

Trong định tuyến multihop của mạng cảm biến, các nút trung gian đóng vai trò chuyển tiếp giữa nguồn và đích Việc xác định xem tập hợp các nút nào tạo thành đường dẫn chuyển tiếp dữ liệu nguồn và đích là một nhiệm vụ quan trọng của thuật toán định tuyến Với đặc tính bên trong của mạng WSN bao gồm sự ràng buộc về dải thông và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến là phải nhằm vào việc thỏa mãn yêu cầu về lưu lượng trong khi vẫn mở rộng được thời gian sống của mạng [9]

3 Các định tuyến chính hay được dùng trong mạng WSN[5],[11]

3.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu

3.1.1 Giao thức Flooding và gossiping

Flooding là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng adhoc

Flooding và gossiping là hai cơ chế cổ điển để truyền dữ liệu trong mạng cảm biến mà không cần bất cứ một giải thuật định tuyến hoặc sự duy trì cấu hình nào.Trong flooding, mỗi sensor nhận được gói dữ liệu, rồi quảng bá nó tới tất cả các nút lân cận

và quá trình này cứ tiếp diễn cho đến khi gói dữ liệu đến được đích

Hình 2- 2 Truyền gói trong Flooding

Hơn nữa khi cấu hình mạng thay đổi các gói sẽ truyền theo những tuyến mới giải thuật này sẽ tạo ra vô hạn các bản sao của mỗi gói khi đi qua các nút

Giải thuật này có 3 nhược điểm lớn như sau:

- Thứ nhất là hiện tượng bản tin kép Tức là có 2 gói dữ liệu giống nhau được gửi đến cùng nút

- Thứ hai là hiện tượng chồng chéo, tức là các nút cùng cảm nhận một vùng không gian và do đó tạo ra các gói tương tự nhau gửi đến các nút lân cận

- Thứ 3 đó là thuật toán này không hề quan tâm đến vấn đề năng lượng của các nút, các nút sẽ nhanh chóng tiêu hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của mạng

Hình 2- 3 Hiện tượng bản tin kép

Hình 2- 4 Hiện tượng chồng chéo

Một sự cải tiến của giao thức này là Gossiping, thuật toán này cải tiến ở chỗ mỗi nút sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong các nút lân cận của nó Thuật toán này làm giảm số lượng các gói lan truyền trong mạng, tránh hiện tượng bản tin kép tuy nhiên có nhược điểm là có thể gói sẽ không bao giờ đến được đích

3.1.2 Giao thức SPIN

SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định tuyến thông tin dựa vào sự dàn sếp dữ liệu Trong giao thức SPIN thì trước khi truyền, thông

tin về dữ liệu được trao đổi giữa các sensor qua một cơ chế thông báo dữ liệu Mỗi một nút nhận dữ liệu mới, thông báo tới các nút lân cận của nó và các nút lân cận quan tâm đến dữ liệu này lấy được dữ liệu nhờ gửi bản tin yêu cầu

Sự dàn xếp các thông tin về dữ liệu của SPIN giải quyết được các vấn đề của flooding như là thông tin dư thừa, chồng chéo các vùng cảm nhận, vì vậy đạt được hiệu quả về mặt năng lượng

Có 3 bản tin được xác định trong SPIN dùng để trao đổi dữ liệu giữa các nút, đó

là bản tin ADV cho phép các nút thông báo một meta-data cụ thể, bản tin REQ để yêu cầu các dữ liệu đặc biệt và bản tin DATA để mang thông tin thực

Hình 2- 5 Hoạt động của SPIN

Hình 2- 6 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước:

- Bước 1: ADV thông báo dữ liệu mới tới các nút

- Bước 2: REQ để yêu cầu dữ liệu được quan tâm Sau khi nhận được ADV, các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu

- Bước 3: Bản tin DATA là bản tin chứa dữ liệu thực sự của cảm biến và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu

- Bước 4: Sau khi nút nhận được dữ liệu nó sẽ chia sẻ với các nút lân cận bằng việc phát bản tin ADV

- Bước 5: Các nút xung quanh lại gửi REQ

- Bước 6: DATA lại được chuyển tới các nút này

Một ưu điểm của SPIN là các thay đổi về cấu hình được khoanh vùng vì thế các nút chỉ cần nhận biết các nút lân cận của chúng

Tuy nhiên, giao thức này lại có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, dữ liệu đó có thể không đến được đích

3.2 Truyền tin trực tiếp

Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng bằng việc sử dụng lược đồ đặt tên cho dữ liệu Mục đích chính của việc sử dụng lược đồ này là loại bỏ những hoạt động không cần thiết của định tuyến lớp mạng

để tiết kiệm năng lượng

Thành phần chính của giao thức này gồm 4 phần: Interest (các mối quan tâm của mạng), data message (các bản tin dữ liệu), gradient, reinforcements

Để tạo ra một yêu cầu, người ta tạo ra các thông tin yêu cầu được xác định dùng các cặp giá trị thuộc tính như là tên vật thể, vị trí địa lý, khoảng thời gian… Các thông tin này được quảng bá thông qua Sink đến các nút lân cận Mỗi một nút nhận được thông tin đó sẽ giữ lại để dùng sau này Các thông tin được giữ lại này dùng để so sánh

dữ liệu nhận được với giá trị trong thông tin đó

Gradient: Là đường trả lời đến nút lân cận từ nơi mà nhận được thông tin yêu cầu Nó được mô tả bởi tốc độ dữ liệu, khoảng thời gian và thời gian thỏa mãn nhận được từ các thông tin yêu cầu.Vì thế nhờ việc sử dụng các thông tin yêu cầu và gradient thiết lập được các đường truyền giữa Sink và các nguồn

Reinforcement: Cách phân phối dữ liệu Sink gửi lại các bản tin gốc qua những đường đã được chọn với khoảng thời gian giữa hai sự kiện ngắn hơn vì vậy tăng cường nút nguồn trên đường đó để gửi dữ liệu đều đặn hơn

Hình 2- 7 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp (a) truyền yêu cầu (interest), (b) thiết lập gradient ban đầu, (c) phân phối dữ liệu theo

reinforcement

Truyền tin trực tiếp khác SPIN ở cơ chế gửi dữ liệu theo yêu cầu Trong truyền tin trực tiếp, khi có dữ liệu nào đó thích hợp thì Sink gửi yêu cầu đến các nút cảm biến bằng việc flooding một vài nhiệm vụ Với SPIN thì các sensor quảng bá các dữ liệu thích hợp cho phép các nút quan tâm yêu cầu dữ liệu đó

Truyền tin trực tiếp có nhiều ưu điểm:

- Vì là tập trung dữ liệu nên tất cả các giao tiếp từ nút lân cận này đến nút lân cận khác không cần một cơ chế xác định nút

- Ngoài nhiệm vụ cảm nhận thì mỗi một nút còn có thể tập trung và dự trữ dữ liệu

- Dự trữ là một thuận lợi lớn trong sử dụng hiệu quả năng lượng và trễ

- Truyền tin trực tiếp có hiệu quả sử dụng năng lượng cao vì nó hoạt động theo yêu cầu và không cần một cấu hình mạng duy trì toàn cầu

Tuy nhiên Truyền tin trực tiếp không thểđược áp dụng cho tất cảcác ứng dụng của mạng cảm biến vì nó dựa trên mô hình phân phối dữ liệu theo hướng đưa ra yêu cầu Các ứng dụng mà yêu cầu phân phối dữ liệu liên tiếp đến Sink sẽ không hoạt động hiệu quả với mô hình này Vì vậy, Truyền tin trực tiếp không phải là một lựa chọn tốt cho giải thuật định tuyến cho các ứng dụng như là kiểm tra môi trường

- Mở rộng thời gian sống của mạng

- Giảm tiêu thụ năng lượng tại các nút mạng

- Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền dẫn trong mạng

LEACH lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các nút chủ, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với nút gốc được trải đều cho tất cảcác nút cảm biến trong mạng Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai bước là bước thiết lập và bước ổn định.Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển.Trong bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1 Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ T(n) được tính như sau:

nếu n thuộc G

Trong đó:

p: tỉ lệ phần trăm nút chủ

r: chu kì hiện tại

G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối

Khi dùng LEACH thì giảm được sự hao phí năng lượng so với truyền trực tiếp

và so với các giải thuật định tuyến truyền năng lượng tối thiểu Các nút có thể ngừng hoạt động ngẫu nhiên và các cụm động sẽ làm tăng thời gian sống của mạng Giao thức LEACH còn có thêm 2 loại mở rộng của LEACH thông thường:

- LEACH – C (LEACH Centralized)

LEACH – C cũng giống như LEACH thông thường, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase) thì giống hệt với LEACH Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có 1 xác suất để nó có thể được chọn làm nút chủ cụm

- LEACH – F: Fixed Cluster, Rotating Cluster Head

Trong LEACH – F thì các cụm là cố định còn nút chủ cụm sẽ quay vòng Dùng LEACH – F thì sẽ không yêu cầu pha thiết lập cho các vòng khác nhau, mà các nút biết được khi nào nó là nút chủ khi nào nó không là nút chủ Cũng giống như LEACH – C, pha ổn định của LEACH – F giống hệt LEACH

LEACH – F không thích hợp với những hệ thống có tính động Nó không cho phép thêm 1 nút mới vào hệ thống và cũng không xử lý được những nút di động

3.3.2 Giao thức PEGASIS

Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS) là giao thức cải tiến lên từ LEACH, giao thức định tuyến và tập trung thông tin trong mạng cảm biến

Thay vì việc hình thành các cụm, PEGASIS tạo thành chuỗi từ các nút cảm biến

để mỗi nút truyền và nhận từ nút lân cận và chỉ có một nút được chọn từ chuỗi đó để truyền đến trạm gốc Dữ liệu tập hợp được truyền từ nút này sang nút kia, tập trung lại

và dần dần truyền đến trạm gốc

Nút C0 truyền dữ liệu của nó đến nút C1 Nút C1 tập hợp dữ liệu của nút C0 và

dữ liệu của nó, sau đó truyền đến nút chính Sau khi nút C2 chuyển thẻ bài cho nút C4, nút C4 truyền dữ liệu của nó cho nút C3 Nút C3 tập hợp dữ liệu của C4 với dữ liệu của chính nó và sau đó truyền đến nút chính Nút C2 đợi để nhận dữ liệu từ cả hai nút lân cận và sau đó tập hợp dữ liệu của nó với dữ liệu của các nút lân cận Cuối cùng, C2 truyền một bản tin đến trạm gốc

3.4 Định tuyến dựa vào vị trí

Hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến đều yêu cầu thông tin về vị trí của các nút cảm biến, để có thể tính toán khoảng cách giữa hai nút xác định, từ đó

có thể ước lượng được năng lượng cần thiết Vì mạng cảm biến không có chế độ địa chỉ nào như địa chỉ IP và chúng được triển khai trong không gian ở một vùng nào đó,

vì vậy thông tin về vị trí cần phải được sử dụng trong các dữ liệu định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lượng

3.4.1 Giao thức GAF

Giải thuật chính xác theo địa lý (GAF- Global Assessment of Functioning) dựa trên vị trí có hiệu quả về mặt năng lượng được thiết kế chủ yếu cho các mạng ad hoc di động, nhưng cũng có thể áp dụng cho mạng cảm biến

GAF dự trữ năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiết trong mạng mà không ảnh hưởng đến mức độ chính xác của định tuyến Nó tạo ra một lưới ảo cho vùng bao phủ Vì vậy GAF có thể tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm biến khi

mà số lượng các nút tăng lên

Một ví dụ cụ thể được đưa ra ở dưới, nút 1 có thể truyền đến bất kì nút nào trong

số các nút 2, 3 và 4 và các nút 2, 3, 4 có thể truyền tới nút 5 Do đó các nút 2, 3, và 4

là tương đương và 2 trong số 3 nút đó có thể ở trạng thái nghỉ

Hình 2- 8 Tạo lưới ảo trong mạng

Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động lần lượt để cho các tải được cân bằng Có ba trạng thái được định nghĩa trong GAF, đó là phát hiện, để xác định các nút lân cận trong lưới, hoạt động, thể hiện sự tham gia vào quá trình định tuyến và nghỉ khi sóng được tắt đi

Nghỉ

Hoạt động

Phát hiện

Sau Ta Sau Td

Nhận bản tin phát hiện từ các nút mạng cao hơn Sau Ts

Hình 2- 9 Sự chuyển trạng thái trong GAF

Nút nào nghỉ trong bao lâu liên quan đến các thông số được điều chỉnh trong quá trình định tuyến Để điều khiển độ di động, mỗi nút trong lưới ước đoán thời gian rời khỏi lưới của nó và gửi thông tin này đến nút lân cận Các nút đang không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ của chúng phù hợp các thông tin nhận được từ các nút lân cận đó để giữ cho việc định tuyến được chính xác Trước khi thời gian rời khỏi lưới của các nút đang hoạt động quá hạn, các nút đang nghỉ thoát khỏi trạng thái đó và một trong số các nút đó trở nên hoạt động

GAF được triển khai cho cả những mạng bao gồm các nút không di động (GAF

cơ bản) và mạng bao gồm các nút di động (GAF thích ứng di động).GAF cố gắng giữ

mạng hoạt động bằng cách giữ cho các nút đại diện luôn ở chế độ hoạt động trong mỗi vùng ở lưới ảo của nó

3.4.2 Giao thức GEAR

Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) dùng sự nhận biết

về năng lượng và các phương pháp thông báo thông tin về địa lý tới các nút lân cận

GEAR hỗ trợ mạnh mẽ trong việc tìm một cùng xác định để gửi tin trong mạng cảm biến GEAR cải tiến hơn Truyền tin trực tiếp ở điểm này và vì thế dự trữ được nhiều năng lượng hơn

Trong giao thức GEAR, mỗi một nút giữ một estimated cost và một learned cost trong quá trình đến đích qua các nút lân cận Estimated cost là sự kết hợp của năng lượng còn dư và khoảng cách đến đích Learned cost là sự cải tiến của estimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh các nút trong mạng

Có 2 pha trong giải thuật này:

- Chuyển tiếp gói đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa trên

sự nhận biết về năng lượng và vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích

- Chuyển tiếp gói trong vùng: nếu gói được chuyển đến vùng, nó có thể truyền dữ liệu trong vùng đó có thể bằng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy hoặc flooding có giới hạn Flooding có giới hạn áp dụng tốt trong trường hợp các sensor triển không dày đặc Ở những mạng có mật độ sensor cao, flooding địa lý đệ quy lại hiệu quả về mặt năng lượng hơn là flooding có giới hạn Trong trường hợp đó, người ta chia vùng thành 4 vùng nhỏ và tạo ra 4 bản copy của gói đó Việc chia nhỏ này và quá trình chuyển tiếp tiếp tục cho đến khi trong vùng chỉ còn 1 nút

4 Kết luận

Chương 2 đã trình bày một số phương pháp định tuyến chính hay dùng cho mạng cảm biến không dây mà cụ thể là ba phương pháp: phương pháp đinh tuyến trung tâm dữ liệu, phương pháp định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí Ở từng phương pháp định tuyến, luận văn đã trình bày khái niệm và phân tích các giao thức định tuyến cụ thể trong từng phương pháp Tùy thuộc vào sự phức tạp và yêu cầu

về mức năng lượng, tính ổn định của hệ thống mà người thiết kế lựa chọn giao thức định tuyến cho mạng của mình Trong khuôn khổ và phạm vi của đề tài, số nút đặt ra

là cố định, có 1 nút gốc, các nút con chỉ truyền thông số của nó tới nút gốc và xử lý truyền vào máy tính giám sát, hệ thống mạng cần tính ổn định và chính xác, cho nên luận văn chọn định tuyến phân cấp qua giao thức PEGASIS

CHƯƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE

802.15.4

Như chúng ta đã biết đến các chuẩn giao tiếp không dây khá phổ biến hiện nay như: Wimax, 3G, Bluetooth Nhưng đối với những mạng quản lý các sensor trong các ứng dụng điều khiển - tự động hóa của các thiết bị trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay BlueTooth lại không thể đáp ứng được Chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản (BlueTooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn Và để giải quyết những vấn đề đó, một công nghệ giao tiếp không dây được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hiện nay đã ra đời nhằm mục đích phục vụ những yêu cầu ứng dụng có giá thành và công suất thấp nhưng lại có khả năng linh động trong phạm vi rộng đó là chuẩn ZigBee Trong chương này sẽ đi sâu phân tích mô hình của chuẩn này

1 Tổng quan về chuẩn Zigbee[1]

Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp Tín hiệu truyền trong giao thức Zigbee chính là tín hiệu radio nên nó được hỗ trợ các dải tần số sau:

- Dải 868.3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu.Trong dải này, tốc độ truyền là 20kb/s

- Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thường

Ưu điểm và nhược điểm của Zigbee:

Bảng 3- 1 Ưu và nhược điểm của Zigbee

Giá thành thấp Lỗi ở một điểm chính có thể gây lỗi hệ

thống Tiêu thụ công suất nhỏ Tốc độ truyền thấp 20 – 250 kb/s

Kiến trúc linh hoạt Chưa có đầy đủ các thiết bị để phát triển Được hỗ trợ bởi nhiều công ty Chưa thực sự được phát triển ở Việt Nam

Có thể mở rộng lên đến 65000 nút Cần có thời gian để tối ưu hệ thống, tối ưu

năng lượng Cài đặt, bảo trì dễ dàng

Độ tin cậy cao

Ngoài ra cũng có thể so sánh thêm Zigbee với chuẩn Bluetooh để thấy rõ được ưu điểm và khuyết điểm ở trên như bảng 3-2:

Độ linh hoạt 65536 nút (trong sơ đồ sao) 7 nút (trong sơ đồ sao)

Độ an toàn 128 bit mã hóa 64/128 bit mã hóa

Vùng làm việc Hiệu quả ở 10 - 75m Hiệu quả ở < 10m

Qua đây ta khẳng định thêm rằng Zigbee chủ yếu được nhắm tới cho các ứng dụng chạy pin có tốc độ dữ liệu thấp, chi phí nhỏ, và thời gian sử dụng pin dài.Trong nhiều ứng dụng của Zigbee, tổng thời gian mà thiết bị không dây thực sự hoạt động rất ít; thiết bị sử dụng hầu hết thời gian của nó trong chế độ tiết kiệm năng lượng, hay chế độ ngủ (sleep mode) Kết quả là, Zigbee cho phép các thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều năm trước khi cần phải nạp lại pin hoặc thay pin mới

2 Mô mình mạng Zigbee[10]

Chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà ta thiết lập mạng theo các cấu hình khác nhau: mạng hình sao hay mạng hình mắt lưới hay mạng hình cây

2.1 Mạng hình sao (Star Network)

Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End Device (ZED) Khi ZC được kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để hoạt động độc lập Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD và RFD khác ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau

2.2 Mạng hình lưới (Mesh Network)

Mạng hình lưới có ưu điểm là cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối Mỗi nút trong lưới đều có khả năng kết nối và định tuyến giao thông với các nút lân cận