NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, Ứng dụng của mạng cảm biến không dây, Các giải pháp kỹ thuật mạng lõi của mạng cảm biến không dây, Đánh giá một số tham số chất lượng dịch vụ mạng cảm biến không dây.

LỜI CAM ĐOAN

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

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

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 4

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 4

1.2 Mô tả hệ thống 5

1.2.1 Mô tả hệ thống tổng quát 5

1.2.2 Hệ thống WISENET 7

1.2.2.1 Giới thiệu hệ thống WISENET 7

1.2.2.2 Sơ đồ hệ thống WISENET 7

1.2.2.3 Các tiêu chuẩn được áp dụng 10

1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 11

1.3.1 Kích thước vật lý nhỏ 11

1.3.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 11

1.3.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế 11

1.3.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng 12

1.3.5 Hoạt động tin cậy 12

1.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng WSNs 12

1.4.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp 12

1.4.2 Chi phí thấp 13

1.4.3 Mức độ khả dụng 14

1.4.4 Kiểu mạng 14

1.4.5 Bảo mật 15

1.4.6 Thông lượng dữ liệu 17

1.4.7 Trễ bản tin 18

1.4.8 Tính di động 18

1.5 Kết luận 18

Chương 2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 19

2.1 Các mô hình phân bố 19

2.2 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 20

2.2.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp 20

2.2.2 Tự động hóa gia đình và điện dân dụng 25

2.2.3 Cảm biến trong quân sự 27

2.2.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khỏe 29

2.2.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh 30

2.3 Kết luận 33

Chương 3: Các giải pháp kỹ thuật mạng lõi của mạng cảm biến không dây 34

3.1 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 34

3.1.1 Quá trình truyền sóng 34

3.1.2 Điều chế tín hiệu 36

3.1.3 Công nghệ không dây 38

3.1.3.1 Bluetooth 39

3.1.3.2 WLAN 39

3.1.3.3 ZigBee 42

3.1.4 Kết luận 43

3.2 Giao thức điều khiển truy cập 44

3.2.1 mô hình giao thức cho WSNs 44

3.2.2 Giao thức MAC 45

3.2.2.1 Các thông số 46

3.2.2.2 Các giao thức chung 49

3.2.2.3 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC 58

3.3 Các giao thức định tuyến 65

3.3.1 Các kỹ thuật định tuyến 67

3.3.2 Flooding và các biến thể 68

3.3.3 Các giao thức định tuyến thông qua sự thỏa thuận 70

3.3.4 Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp 73

3.3.5 Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin cảm biến 75

3.4 Kết luận

Chương 4: Đánh giá một số tham số chất lượng dịch vụ mạng 77

4.1 Mô tả kịch bản mô phỏng 77

4.2 Mô tả mã lập trình mô phỏng 78

4.2.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu 78

4.2.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon 78

4.2.3 Thiết lập các node Phenomenon 78

4.2.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon 79

4.2.5 Định hình node cảm biến 79

4.2.6 Thiết lập các node non-sensor 80

4.2.7 Gắn kết các tác nhân cảm biến 80

4.2.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node 80

4.2.9 Khởi động ứng dụng cảm biến 81

4.3 Thực hiện mô phỏng 81

4.3.1 Viết mã và chạy mô phỏng 81

4.3.2 Tính toán kết quả 83

4.3.3 Tính tỷ lệ mẩt gói udp tại lớp giao 84

4.3.4 Tính độ trễ gói 86

4.3.5 Tính tốc độ udp trung bình 88

4.4 Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng 91KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt

ADC Analogue/Digital converter Bộ chuyển đổi tương tự / số

AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiếnAODV Ad Hoc On-Demand Distance-

Vector

Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời

API Application program interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụngARC Adaptive transmitssion rate control Điều khiển tốc độ truyền dẫn

thích ứngARQ Automatic repeat request Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu

lặp lại tự động

BE Back-off Exponent Thời gian chờ để được truy cập

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát cơ sở

CAP Contention Access Period Thời gian tranh chấp truy cậpCCA Clear Channel Assessment Ước định kênh truyền thốngCFP Contention Free Period Thời gian tranh chấp tự do

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm biến sóng

mangCSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with

DSDV Destination-Sequenced

Distance-Vector

Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự

DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn

độngDSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

FDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo

tần sốFEC Forward error correction Cơ chế sửa lỗi trước

FHSS Frequency Hopping Spread

Spectrum

Trải phổ nhảy tần

GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầuHVAC Heating, Ventilation and Air

Viện kỹ thuật Điện và Điện Tử

ISM band Industrial, Scientific and Medical

band

Dải tần sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và

y học

LEACH Low energy adaptive clustering

hierarchy

Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp

LLC Logic Layer Control Lớp điều khiển logic

MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi

trường truyền dẫnMANET Mobile ad hoc network Mạng di động ad hoc (tạm

thời, không có cơ sở hạ tầng)

MECN Minimum energy communication Mạng truyền thông với năng

network lượng cực tiểu

độngNAV Network Allocation Vector Vector phân phối mạng

NS-2 Network Simulator version 2 Mô phỏng mạng phiên bản 2Otcl Object-oriented tool command

language

Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnhhướng đối tượng

PDA Peronal Digital Assitant Trợ tá số cá nhân

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

RFID Radio Frequency Identify Device Thiết bị nhận dạng bằng sóng

vô tuyếnSPIN Sensor Protocols for Information via

Negotiation

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự thỏa thuận

RREP Route reply packet Gói đáp ứng yêu cầu tuyếnRREQ Route request packet Gói yêu cầu tuyến

RS-232 Serial Radio Link - 232 Liên kết vô tuyến nối tiếp theo

chuẩn RS-232SAP Service Access Point Điểm truy cập dịch vụ

SAR Sequential assignment routing Định tuyến chỉ định liên tục

SMECN Small minimum energy

communication network

Mạng truyền thông với năng lượng cực tiểu loại nhỏSMACS Self Organizing MAC for Sensor

network

Giao thức MAC tự tổ chức chomạng cảm biến

SMP Sensor management protocol Giao thức quản lý sensor

SNR Signal to Noice Ratio Tỷ số nhiễu trên tín hiệu

SPIN Sensor protocols for information via

nhiệm vụ sensorSSF Scalable Simulation Framework Cơ cấu mô phỏng mở rộngTADAP Task assignment and data

Algorithm

Định tuyến bằng thuật toán tìmđường tuần tự theo thời gian WINS Wireless Integrated network sensors Mạng các thiết bị cảm biến tích

hợp thiết bị thu phát không dâyWISENET Wireless Sensor NETwork Hệ thống mạng sensor không

dây WISENET WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây

WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1 Một số suy hao đường truyền do vật liệu làm nhà theo tần

3.3 So sánh đặc tính 2 chuẩn IEEE 802.11b/g và IEEE 802.11a 414.1 Tỷ lệ mất gói udp theo số lượng node cảm biến 854.2 Độ trễ gói cực đại, cực tiểu và trung bình 864.3 Tốc độ cực đại, tốc độ cực tiểu và tốc độ trung bình 89

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Mô hình triển khai các node cảm biến không dây 5

2.2 Dạng 2 WSNs liên kết point-to-point, Star định tuyến tĩnh 20

2.4 Các ứng dụng điều khiển trong gia đình 25

3.3 Sơ đồ đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật điều chế số 373.4 Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến 383.5 Mô hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống 40

3.7 Đánh giá đặc tính IEEE 802.11a và 802.11b theo khoảng

3.9 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu 45

3.13 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node 61

3.16 Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC 653.17 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin 683.18 Cấu hình tổng thể mạng MAN của thành phố 69

4.3 Đồ thị độ trễ gói udp cực đại, cực tiểu và trung bình 87

4.4 Đồ thị độ trễ gói udp trung bình theo số lượng node cảm

4.5 Đồ thị tốc độ số liệu được nhận bởi điểm thu Sink 90

4.6 Đồ thị tốc độ số liệu trung bình được nhận bởi điểm thu Sink 90

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, cháy rừng, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được

mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau

Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã

có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trongcông nghệ này

Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, dựa trên công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần một cơ sở hạ tầng trong lĩnh vựccảm biến thu nhận dữ liệu cùng với tầm nhìn tổng quan về các hướng nghiên cứu

mới hiện thời, tác giả chọn đề tài: “ Nghiên cứu các thông số mạng cảm biến không dây và sử dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá chất lượng dịch vụ”

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài khảo sát nghiên cứu các thông số chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng cảm biến không dây

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây

 Nghiên cứu các kỹ thuật và giao thức của mạng cảm biến không dây

 Khảo sát các thông số chất lượng dịch vụ của mạng cảm biến không dây

4 Phương pháp nghiên cứu

 Mô tả kịch bản mô phỏng các thông số chất lượng dịch vụ

 Viết chương trình mô phỏng

 Tiến hành mô phỏng và kiểm tra kết quả bằng phần mềm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giáthành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn với độ chính xác cao

Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến, đồng thời tăng khả năng hoạt động

và độ chính xác cao Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ có thể tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và thời gian sống

Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn không chỉ có trong nghiên cứu khoa học mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứngdụng liên quan như bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất… Với mục tiêu giảm giá thành và tăng hiệu quảtrong công nghiệp và thương mại, mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo trong luận được chia làm

các chương như sau

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Chương 3: Các giải pháp kỹ thuật mạng lõi của mạng cảm biến không dâyChương 4: Đánh giá một số chất lượng dịch vụ của mạng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợpcác thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặcquang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượngmục tiêu Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên haygián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng nhưInternet hay vệ tinh Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho cácmục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra khônggian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếucủa chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả cácmôi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được.[3],[5],[7]

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

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

Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnhvực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việcchuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phứctạp, v.v

1.2 MÔ TẢ HỆ THỐNG

1.2.1 Mô tả hệ thống tổng quát

Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field)được minh họa trên hình 1.1 Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khảnăng 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 lệnh hay yêu cầu từ nodeSink đến các node 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 (MultihopInfrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trungtâm điều khiển, như trong hình 1.1 Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạmđiều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internethay vệ tinh (Satellite)

Hình 1.1 Mô hình triển khai các node cảm biến không dây

Một node cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến,

bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảmbiến còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh nănglượng và thiết bị di động Các thành phần trong một node cảm biến được minh họatrên hình 1.2 Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảmbiến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự có được

từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu sốbằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thường kết hợpvới một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tácvới các node khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tingiữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại

hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của node cảm biến là bộnguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến

và không thay thế được nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn Bộnguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pinmặt trời nhỏ

Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảmbiến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nodecảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cầnthiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ đượcphân công [1]

Hình 1.2 Các thành phần của node cảm biến

Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sauđây sẽ giới thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình Đó là hệ thống WISENET

1.2.2 Hệ thống WISENET

1.2.2.1 Giới thiệu hệ thống WISENET

WISENET (Wireless Sensor Network) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môitrường như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biếnkhông dây công suất thấp được gọi là các “hạt cảm biến” (Sensor motes) Dữ liệunày được chuyển tới một máy chủ và được lưu trong một cơ sở dữ liệu Một chươngtrình Web sẽ nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên trình duyệt Web

Mỗi hạt Sensor được tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vôtuyến, các phần tử cảm biến môi trường và nguồn nuôi Một hệ điều hành thời gianthực được gọi là TinyOS (Tiny Operation System) được sử dụng để tối thiểu côngsuất tiêu thụ mà vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạtđộng tập trung đồng thời [1], [7], [8], [9].

1.2.2.2 Sơ đồ hệ thống WISENET

Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (DataAnalysis Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thànhphần chính là trạm chủ (Server), trạm người dùng (Client) và mạng các hạt Sensor(Sensor mote network)

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống WISENET

Các hệ thống con chính là:

- Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm Nó

dựa trên cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữamáy tính chủ (Server) và máy truy cập (Client) Nhiệm vụ của hệ thống con này làchọn lấy các dữ liệu môi trường thích hợp chưa được xử lý, có được nhờ hệ thống

Khách

Hệ thống con phân tích số liệu Hệ thống con thu nhận số liệu

thu nhận dữ liệu, phân tích và gửi kết quả đến người dùng theo yêu cầu

- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu

môi trường và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý Hệthống con bao gồm mạng các Sensor được kết hợp với máy tính chủ được cài đặtphần mềm hệ thống (TinyOS Daemon)

Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:

- Trạm người dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhưng là thành

phần bên ngoài Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệtWeb (Web browser) và được nối mạng Internet Nó chỉ đóng vai trò là giao diện củangười sử dụng đối với hệ thống phân tích số liệu Nó đưa ra yêu cầu số liệu củangười sử dụng với trạm chủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu

- Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên

lạc giữa hai hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu Về mặt phân tích số liệu nó

là một máy chủ HTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program).Khi nhận được một yêu cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web nàynhận số liệu từ cơ sở dữ liệu (SQL Database), phân tích và đưa lại trang theo yêucầu đến máy tính người dùng (Client) Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có mộttrình tiện ích hoạt động ngầm (Daemon) được gọi là wiseDB để trao đổi thông tin

dễ dàng với mạng Sensor WiseDB đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếpR232 đến cổng giao tiếp (gateway mote) để chuyển tới mạng Sensor Nó cũng đảmnhận việc thu thập số liệu từ mạng Sensor (cũng thông qua gateway mote) Số liệuđưa đến được xử lý rất ít và được chuyển vào cơ sở dữ liệu Như vậy, cơ sở dữ liệuSQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu nhận và xử lý số liệu Vì cơ sở dữ liệu SQLliên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ HTTP và chương trình Web cần phảiđược đặt trong cùng một tổ chức vật lý Trạm chủ HTTP, cơ sở dữ liệu SQL,wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết nối thông qua Internet.Trình tự hoạt động của Server được tóm tắt như sau:

Hình 1.4 Trình tự hoạt động của Server

Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ

thống Các Sensor đảm nhận việc thu thập số liệu môi trường và chuyển các số liệunày đến trạm chủ Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về sốliệu hay tải chương trình mới Có hai phần tử thuộc thành phần này Thứ nhất là cáchạt thông thường (Standard mote) Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảmbiến từ môi trường, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu nàyđến gateway Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tầnISM 900 MHz và đảm bảo tất cả các gói đều được đưa tới Gateway Chúng còn cóphần cứng hiệu chỉnh và giám sát công suất nguồn Hạt cổng (Gateway mote) làphần tử thứ hai của mạng Sensor motes Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạmchủ và mạng Sensor qua liên kết vô tuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệutới WiseDB Cả hai phần tử Standard mote và Gateway mote đều có cùng phầncứng và phần mềm, chúng chỉ khác nhau vế chức năng [1], [8], [9]

Kiểm tra các tham

số điều kiện hợp lệ

Nhận số liệu

từ cơ sở dữ liệu, tuỳ theo ràng buộc của trạm khách

Tạo trang Web với

dữ liệu đã được yêu cầu

Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor

Các thành phần trong hạt Sensor được minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm:

- Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp);các LED trạng thái

- Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyểntương tự-số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điềuhành TinyOS, phần mềm) được tích hợp trên vi mạch CC1010

- Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thuphát vô tuyến và antent

-Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn)

1.2.2.3 Các tiêu chuẩn được áp dụng

* Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP)

* Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL)

Ánh sáng

Độ ẩm

Nhiệt độ Nguồn

Hạt Sensor

* Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232.

* Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C)

* Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM) [2], [10] [18]

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.3.1 Kích thước vật lý nhỏ

Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêuthụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở Việcthiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và côngsuất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềmphải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng [3], [7], [8],[9], [10]

1.3.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảmbiến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạtđộng nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại Ví dụ, thông tin cảm biến cóthể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng.Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và đượchướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏnên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi.Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạtđộng xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiệnthời gian thực Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời vàcần phải có sự tập trung xử lý cao độ [3], [7], [8],[9], [10]

1.3.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế

Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh

vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiềutrong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator)cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn Ngượclại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp

với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúcbus phức tạp Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lýtrên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tậptrung nhờ bộ xử lý kết hợp [3], [7], [8],[9], [10].

1.3.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứngdụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì cómột phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bịvật lý khác nhau Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp cácthành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng Như vậy,các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để cóđược hiệu quả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết đểcho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cầngiao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng vớiphần mềm trong khả năng công nghệ [3], [7], [8],[9], [10]

1.3.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứngdụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độtin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất Việc tăng độtin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tincậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc củathiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những mạnh

mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy [3], [7], [8],[9], [20]

cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu,được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vàinăm Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầuthời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giámsát không được thỏa thuận Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường cácvùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổinguồn thường xuyên Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng một nguồncho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn năng lượng nhờquá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường Một ví dụ của kiểu này là cảmbiến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn năng lượng cơhoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêu cầu được thaythế trước khi lốp chạy

Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chínhvới khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn nănglượng đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống [3], [4], [5]

1.4.2 Chi phí thấp

Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phísản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng Nếu chi phícủa mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảmbiến là không chấp nhận được Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ

ở mức thấp Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được Các node cảm biến ngoài các thànhphần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý,nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, diđộng, tạo năng lượng, v.v tuỳ theo ứng dụng cụ thể Do đó, chi phí sản xuất trởthành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giáthành thấp hơn 1 Dollar

1.4.3 Mức độ khả dụng

Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như cácthẻ hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng cómức độ khả dụng cao Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và hiệuquả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dâyđược nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi trongvùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ) dâytruyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng vận hànhtrên khắp thế giới Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng bởiviệc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global Positioning System) hoặc GLONASS(Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều chỉnh node cáchthức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu nhận thứ hai, cộngthêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để nhận các yêu cầu khắp thếgiới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp này là không tồn tại Bởi vậy,mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít trong các yêu cầu điều luật cảuchính phủ từ quốc gia đến quốc gia - để tăng cực đại toàn bộ thị trường tiêu thụ chocác mạng cảm biến không dây [3], [4], [5], [6], [10]

1.4.4 Kiểu mạng

Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặcnhiều hơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng Bởi vì công suất truyềndẫn của các thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công tycung cấp nguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạm vivật lý một mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master) Khiphạm vi bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop (ví dụcác kiểu mesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi phí tính toáncho các bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung overhead bảo trìmạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn Để đượcxác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (> 256

node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá trongsiêu thị) [1], [2], [3].

1.4.5 Bảo mật

Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết dongười sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng Việc nhận biết bảo mật làvấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của họ(hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để nhận.Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một phiên bản

-có dây mà người sử dụng -có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các cấp tảithông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận được thôngtin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận Ứng dụng không dây phảilàm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng lớn được yêu cầuvới chi phí thấp hơn

Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin Thực tế, trongnhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bảntin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến khôngdây Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin đượcnhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó

Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thểxen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thểnguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên Các yêu cầu này là một kiểubảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn củabản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụthuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát (Trong các trường bảo mật,MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MIC được

sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có thể với lớp MAC của ngănxếp giao thức OSI) Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nó được

sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để phê chuẩn tính

nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi Để tránh “replay attacks”, trongmột máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếmhoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC Trong cách này,không có hai bản tin xác thực - thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng

Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khókhăn:

 Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được cânbằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong muốncho các bản tin được truyền phát ngắn Dù vậy, một MIC 16-byte (128 bit)thường được đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống bảo mật, nótrở nên cồng kênh khi dữ liệu bit đơn được truyền đi (ví dụ bật, tắt) Ngườithiết kế có thể cân bằng các yêu cầu bảo mật của nhiều người sử dụng vớicác yêu cầu nguồn thấp của mạng Chú ý rằng điều này có thể bao gồm cáclựa chọn chiều dài MIC, phù hợp với các quá trình kết hợp xác nhận bản tin,kiểm tra tính toàn vẹn, và mã hoá - và phải được thực hiện tự động, giốngnhư một phần của một mạng tự tổ chức

 Để tối thiểu hoá chi phí các thiết bị mạng, các tính năng bảo mật phải có khảnăng bổ xung với phần cứng rẻ, với một bổ xung tối thiểu các cổng logic,RAM, và ROM Thêm nữa, công suất tính toán (ví dụ tốc độ đồng hồ máy vitính, số lượng các hạt xử lý có sẵn, v.v…) có sẵn trong hầu hết các thiết bịmạng là rất giới hạn Sự kết hợp này của số lượng cổng thấp, các yêu cầu bộnhớ nhỏ, và số lượng lệnh thực thi thấp giới hạn các kiểu các thuật toán bảomật mà có thể được sử dụng

 Cuối cùng, vấn đề khó khăn nhất để giải quyết phổ biến là quá trình phân tánkhoá Nhiều phương pháp có hiệu lực, bao gồm một vài kiểu của mật mã hoákhoá công cộng tận dụng khoá chuyên dụng tải trên các thiết bị và các loạikhoá khác nhau của quá trình can thiệp của người sử dụng trực tiếp Tất cảđều có những ưu điểm và nhược điểm khi được sử dụng trong một hệ thống

nhất định; người thiết kế mạng cảm biến phải lựa chọn một mà thích hợpnhất cho ứng dụng trong tầm kiểm soát

Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phânchia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạngrộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý Mặc dù việc thiết kế mộtmạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người thiết kếcủa một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ Các yêu cầu về nguồn

và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vi khác[3], [5]

1.4.6 Thông lượng dữ liệu

Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về cácyêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với cácmạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong muốncực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là 512b/s(64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện Tốc độ dữ liệu điển hình đượcmong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong mộtvài ứng dụng Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ liệuban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể

Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều sốlượng overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quảtruyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi cácgói TCP/IP có thể dài 1500 byte Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn,hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng:người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyềnthông, thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức [3], [8]

1.4.7 Trễ bản tin

Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúngkhông hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông lượng

dữ liệu ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong nhiềuứng dụng Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy rất thoảimái trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng dụng, một độtrễ và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối [3].

1.4.8 Tính di động

Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động.Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường địnhtuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưu lượngđiều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản hơn sovới mạng di động Ad hoc [3], [9]

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Để WSN thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức vàtrở ngại cần phải vượt qua:

 Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thước

 Yếu tố nguồn cung cấp

 Giá thành các node

 Yếu tố môi trường

 Đặc tính kênh truyền

 Giao thức quản lý mạng phức tạp và sự phân bố các node

 Tiêu chuẩn và quyền sở hữu

 Các vấn đề mở rộng

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

WSNs là sự tập hợp các kích thước nhỏ gọn (compact-size), cụ thể là các node cảm biến giá thành thấp, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường tự nhiên hoặc đo đạc các thông số khác và đưa những thông tin đến trung tâm cho các

xử lý phù hợp Các node trong mạng WSNs có thể có liên lạc với các node xung quanh nó, và còn có thể có các xử lý dữ liệu thu được trước khi gởi đến các node khác WSNs cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích [2] [3]

2.1 CÁC MÔ HÌNH PHÂN BỐ

Mô hình WSNs được xây dựng chủ yếu theo 2 loại:

 Category 1 WSNs (C1WSNs): hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các nodequa kênh truyền vô tuyến sử dụng giao thức định tuyến động

 Category 2 WSNs (C2WSNs): Mô hình điểm-điểm hay đa điểm – điểm, chủyếu là các liên kết đơn ( single – hop) giữa các node, dùng giao thức địnhtuyến

Hình 2.1: Dạng 1 WSNs, liên kết multipoint-to-point, multihop dùng định

tuyến động

Hình 2.2: Dạng 2 WSNs liên kết point-to-point, Star định tuyến tĩnh 2.2 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.2.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp

Một nhà máy công nghiệp, có quy mô rộng điển hình có một phòng điềukhiển tương đối nhỏ, xung quanh có các thiết máy móc tương đối lớn Phòng điềukhiển có các đồng hồ chỉ báo và các máy hiển thị để mô tả trạng thái các thiết bị(trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưutrữ, v.v…), đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các máymóc (các van, các bếp lò, v.v…) mà tác động đến trạng thái được theo dõi của máymóc Các cảm biến mô tả trạng thái các máy móc, các kết quả hiển thị của chúngnằm trong phòng điều khiển, các thiết bị đầu vào điều khiển, và các bộ truyền độngtrong các máy tất cả tương đối rẻ khi được so sánh với chi phí của các đường dâybọc kim loại mà được sử dụng để truyền thông giữa chúng Tiết kiệm chi phí đáng

kể được hoàn tất nếu một phương tiện không dây rẻ có sẵn để cung cấp kiểu truyềnthông này Bởi vì thông tin được truyền thông là thông tin trạng thái, nó thường

thay đổi chậm Vì vậy, trong chế độ vận hành bình thường, thông lượng dữ liệuđược yêu cầu của mạng tương đối chậm, nhưng độ tin cậy được yêu cầu của mạnglại rất cao Mạng cảm biến không dây của nhiều node, cung cấp nhiều đường dẫnđịnh tuyến bản tin của quá trình truyền thông multi-hop, có thể nhận được các yêucầu này

Hình 2.3 Các ứng dụng trong công nghiệp

Một ví dụ về điều khiển công nghiệp không dây là quá trình điều khiển bố tríánh sáng quảng cáo Rất nhiều phí tổn trong quá trình cài đặt các bóng đèn trongmột toà nhà lớn liên quan đến việc điều khiển các bóng đèn – nơi mà các chuyểnmạch có dây, với các bóng đèn được bật và tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn,v.v… Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiểnhandheld có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn trong mộttheo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninhđược yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo

Thêm một ví dụ nữa là việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong cácứng dụng an toàn công nghiệp Các mạng cảm biến không dây có thể tận dụng cáccảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguyhiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện

Sensor nhiệt

Sensor bảo mật

Điều khiển quá trình

Nhà cung cấp dịch vụ

Nút dịch vụ hoặc nút

vận hành cáp Lĩnh vực dịch vụ và/hoặc

nhân viên di động

tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra(và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát) Bởi vì mạng không dây có thể

sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tựchữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổhoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thôngtin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó

Quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động là một lĩnhvực khác phù hợp với các mạng cảm biến không dây Trong các ứng dụng như vậy,các cảm biến có dây và các bộ truyền động thường không thực hiện được, điều rấtquan trọng để giám sát nhiệt độ, dao động, dòng bôi trơn, v.v… của các thành phầnquay của các máy để tối ưu hoá thời gian giữa các chu kỳ bảo trì, khi máy phải đượcgiữ off-line Để làm được điều này, quan trọng là hệ thống cảm biến không dây cókhả năng thực hiện cho khoảng thời gian trọn vẹn giữa các chu kỳ bảo trì, nếukhông nó thủ tiêu mục đích của các cảm biến Điều này, trong chuyển động quay,yêu cầu sử dụng một mạng cảm biến với các yêu cầu năng lượng rất thấp Các mạngcảm biến có thể sử dụng riêng biệt trong quá trình dự báo lỗi các thành phần trongaircaft, nơi mà những phân tán này có thể được sử dụng cho các cải tiến riêng biệt

Với ứng dụng khác trong lĩnh vực này của các mạng cảm biến không dây làhơi nóng, thông hơi và các điều kiện không khí (HVAC) của các toà nhà Các hệthống HVAC cổ điển được điều khiển bởi một số lượng nhỏ các máy ổn nhiệt và ổn

ẩm Số lượng các máy ổn nhiệt và ổn ẩm này cũng bị giới hạn, tuy nhiên, bởi chiphí kết hợp với kết nối hữu tuyến đến vị trí đặt hệ thống HVAC Thêm nữa, các bộđiều khiển không khí và chống rung mà điều khiển trực tiếp trong môi trường phạm

vi phòng cũng có dây; cùng với các lý do này, số lượng của chúng cũng bị giới hạn

Tuy nhiên, thân nhiệt phát sinh do con người trong một toà nhà cũng thay đổitương đối Những thay đổi hàng ngày, hàng tuần, theo mùa luôn xảy ra Những thayđổi này được kết hợp với quá trình phân tán con người trong toà nhà suốt ngày, suốttuần, suốt mùa, suốt năm; những thay đổi quan trọng cũng ảnh hưởng đến thân nhiệtcủa toà nhà tại các khoảng không đồng đều Ví dụ, khi các tổ chức cải tổ lại và sửa

chữa lại, không gian sử dụng trước đây cho cho các văn phòng có thể được sử dụngbởi lò phát sinh nhiệt hoặc thiết bị chế tạo Những thay đổi đến ngôi nhà bản thânchúng cũng được quan tâm: phần kết cấu bên trong tường có thể được chèn vào,chuyển hoặc di rời đi; các cửa sổ, các màn chắn, các mái hiên cũng có thể đượcthêm vào hoặc rời đi, v.v… Vì tất cả những biến đổi có thể này và mà gần nhưkhông có ai làm việc trong văn phòng trong toà nhà này có thể chứng nhận chúng,nên cải tiến được yêu cầu

Nguyên nhân căn bản của chức năng HVAC không tốt như vậy làm các hệthống điều khiển thiếu thông tin chính xác về môi trường trong toà nhà để duy trìmột môi trường thoải mái cho con người Bởi vì chúng không yêu cầu phí tổn các

bộ cảm biến và kích thích có dây, mạng cảm biến không dây, có thể được tận dụng

để gia tăng nhanh chóng thông tin về giá trị môi trường trong toà nhà đến hệ thốngđiều khiển HVAC, và giảm nhanh chóng khả năng tạo thành đáp ứng lại của nó Bộ

ổn nhiệt và ổn ẩm không dây có thể được đặt tại một vài vị trí trong mỗi phòng đểcung cấp chi tiết thông tin đến điều khiển hệ thống Tương tự, các bộ giảm rungvòng và giảm dung âm lượng không dây có thể được sử dụng để tạo ra một lượnglớn để tinh chỉnh đáp ứng của hệ thống HVAC đến nhiều trạm Khi mọi người trongmột phạm vi văn phòng chuyển đến phòng hội nghị để meeting, ví dụ, hệ thống cóthể được đáp ứng bởi việc đóng các bộ chống rung âm lượng trong phạm vi vănphòng, trong khi mở các bộ chống rung âm lượng tại phòng hội nghị Khi mọingười rời khỏi toà nhà, hệ thống HVAC có thể hướng dẫn các bộ chống rung vòng

để đáp ứng thay đổi trong toàn bộ thân nhiệt toà nhà Khi mọi người trở lại trongkhi lái xe dưới mưa gió, bộ ổn ẩm trong ô và áo đi mưa có thể phát hiện độ ẩmtrong áo mưa Hệ thống HVAC sau đó có thể đặt đặc biệt tại nơi khô ráo, không tácđộng đến người sở hữu nó ở trong phòng

Hệ thống HVAC không dây cũng có thể giải thích một trong những vấn đềlớn đối với kỹ sư HVAC: Cân bằng nhiệt ấm và tình trạng không khí Với trườnghợp mà các nguồn nhiệt được phân tán không đều nhau khắp toà nhà Ví dụ trongngôi nhà, nhà bếp có khuynh hướng ấm hơn, bởi vì nhiệt độ của bếp nấu ăn, trong

khi các phòng ngủ có khuynh hướng lạnh hơn Vào mùa đông, không khí ấm hơnyêu cầu được gửi đến phòng ngủ, nơi mà không khí lạnh hơn, và nguồn nóng thấphơn yêu cầu được gửi đến nhà bếp, nơi không khí ấm hơn Trong mùa hè, tuy nhiên,ngược lại – không khí lạnh hơn yêu cầu được gửi đến nhà bếp, nơi mà không khí

ấm hơn, và không khí ít lạnh yêu cầu được gửi đến phòng ngủ, nơi mà không khílạnh hơn Sự khác biệt này giữa các quá trình phân tán không khí của nhiệt ấm vàtình trạng không khí là một vấn đề khó và đắt tiền để giải quyết đối với các hệ thốngđiều khiển hữu tuyến, bởi vì một bộ chống rung âm lượng đến mỗi phòng trong cănnhà phải được điều khiển độc lập Thường, các bộ chống rung được đặt tại một vị tríđơn, cố định, ngoài các vùng lạnh liên tục và ấm liên tục Với các cảm biến và các

bộ truyền động không dây trong hệ thống HVAC, tuy nhiên, vấn đề này trở nên tầmthường; một (nhiều) bộ chống rung trong mỗi phòng có thể được điều khiển bởi một(nhiều) cảm biến trong mỗi phòng, sắp đặt sự cân bằng hệ thống hoàn chỉnh tạinhững thời điểm trong năm

Một hệ thống HVAC có những ưu điểm khác Quá trình giám sát kín của hệthống cho phép các vấn đề được nhận ra và được sửa chữa trước khi các phiền toáixảy ra Để bổ xung đến các cảm biến vùng cư trú các cảm biến không dây có thểđược đặt hệ thống thay đổi nhiệt) không phụ thuộc vào tổ bảo trì để tạo các phép đobằng tay trên các khe hở Thêm nữa các cảm biến có thể được đặt trong các tầngthượng và cầu trượt tại bể bơi mà chứa đựng ống dẫn; nhiệt độ bất thường trong cácvùng này có thể chỉ ra các lỗ rò tai hại luồng không khí nóng hoặc lạnh Vì nhữngnguyên nhân này, toàn bộ chi phí HVAC ngôi nhà sẽ giảm, trong khi sự thoải máicủa người sử dụng gia tăng khi các cảm biến và các bộ truyền động được tận dụng

2.2.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng

Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây.Nhiều ứng dụng công nghiệp vừa được mô tả có mối liên hệ tương tự trong giađình Ví dụ một hệ thống HVAC được trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rungkhông dây có thể bảo vệ các phòng dưới ánh nắng mặt trời của ngôi nhà - sẽ hiệuquả hơn một ngôi nhà chỉ trang bị một bộ ổn nhiệt đơn có dây

Hình 2.4 : Các ứng dụng điều khiển trong gia đình

Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa, một PDA loại thiết bị có thể chỉkhông điều khiển TV, Máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử giađình khác nhưng với các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ khoá cũng được trang bịvới một kết nối mạng cảm biến không dây Với điều khiển chung từ xa, một bộ cóthể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất đến

từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật,hoặc có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi một cuộc được nhận trênmáy điện thoại hoặc chuông cửa kêu Với chiếc cân và máy tính cá nhân cả haiđược kết nối với nhau thông qua một mạng cảm biến không dây, sức nặng của mộtvật có thể được tự động ghi lại không cần yêu cầu sự can thiệp bằng tay

Một mục đích lớn của các mạng cảm biến không dây trong gia đình đượcmong chờ là các thiết bị ngoại vi máy tính cá nhân, giống như các keyboard và micekhông dây Các ứng dụng này đem lại ưu điểm giá thấp và mức tiêu thụ nguồn thấp

là điều kiện thiết yếu của các mạng cảm biến không dây Úng dụng khác trong giađình là các dụng cụ thông tin dựa trên cảm biến (sensor-based) mà tác động và làmviệc cộng sinh rõ rệt cùng nhau để thoả mãn chủ nhà Các mạng này là một mở rộngcủa các dụng cụ thông tin được đề xuất bởi Norman

Nhà cung cấp dịch vụ

Sensor bảo mật

ứng dụng

Các đồ chơi miêu tả một thị trường lớn khác của các mạng cảm biến khôngdây Danh sách các đồ chơi có thể được thêm hoặc cho phép nhờ các mạng cảmbiến không dây là bị giới hạn chỉ bởi sức tưởng tượng của con người, và phạm vi từcác xe hơi và tàu thuyền được điều khiển bằng vô tuyến thông thường đến các tròchơi trên máy tính tận dụng các bộ joystick và bộ điều khiển không dây Một phạm

vi hấp dẫn đặc biệt là các máy tính cá nhân – các trò chơi nâng cao, tận dụng sứcmạnh tính toán của một máy tính ở gần để nâng cao chất lượng ngay tại bản thân tròchơi Ví dụ, nhận dạng và tổng hợp giọng nói có thể được thực hiện bởi vị trí cácmicrophone và speaker trong trò chơi, cùng với các bộ biến đổi analog-to-digital vàdigital-to-analog phù hợp, nhưng tận dụng một kết nối không dây đến máy tính, cóthể thực hiện các chức năng nhận dạng và tổng hợp Nhờ thay thế các mạch điệnnhận dạng và tổng hợp đến này còn bị giới hạn với giá tương đối đắt, bằng việc sửdụng sức mạnh tính toán (mạnh hơn nhiều) hiện tại trong máy tính, chi phí các tròchơi có thể được giảm đáng kể, trong khi cải tiến nhanh chóng về khả năng và thựcthi của trò chơi Nó cũng có thể đưa ra độ phức tạp của trò chơi mà trên thực tếkhông được bổ xung trong các kỹ thuật khác

Ứng dụng gia đình lớn hơn khác là một mở rộng của đặc điểm RKE (RemoteKeyless Entry) được tìm thấy trên nhiều ô tô Với các mạng cảm biến không dây, ổkhoá không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ điều khiển bóng đènkhông dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với một node bấm.Khi bấm node, thiết bị khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hếtcác bóng đèn trong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoàinhà, và thiết lập hệ thống HVAC đến chế độ ngủ Người sử dụng nhận một tiếngbeep một lần hồi đáp thể hiện tất cả đã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hoàntoàn, như vậy ngôi nhà an toàn Khi một cánh cửa hỏng không thể mở, hoặc vấn đềtồn tại, một màn hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng Mạng có thậm trí cóthể tận dụng một hệ thống an ninh gia đình đầy đủ để phát hiện một cửa sổ bị gãyhoặc chỗ hỏng khác

Bên ngoài ngôi nhà, các khả năng location-aware của các mạng cản biếnkhông dây phù hợp với một tập khác nhau của các hoạt động consumer-related, baogồm du lịch và mua sắm Trong các ứng dụng này, quá trình định vị có thể được sửdụng để cung cấp thông tin context-specific đến người tiêu dùng Trong trường hợpcủa người hướng dẫn viên du lịch, người sử dụng chỉ được cung câp thông tin liênquan đến quang cảnh hiện tại, trong trường hợp của nhân viên bán bán hàng, người

sử dụng được cung cấp thông tin liên quan đến sản phẩm trước mặt bao gồm cáckhoản mua bán và khấu hao đặc biệt và trợ giúp

2.2.3 Cảm biến trong quân sự

Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứngdụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tìnhbáo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu Các đặctính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảmbiến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự Vì cácmạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các node giá rẻ và chỉ dùngmột lần, việc bị địch phá huỷ một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chungnhư các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn Một số ứngdụng của mạng cảm biến là : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiếntrường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh,trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân (NCB)

 Kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược: Các lãnh đạo và chỉ huy có thểkiểm tra thường xuyên tình trạng của quân đội, điều kiện và khả năng sẵnsàng chiến đấu của các trang bị, đạn dược trong một chiến trường bằngviệc sử dụng các mạng cảm biến Mỗi người lýnh, xe cộ, trang bị đềuđược gắn một cảm biến để thông báo trạng thái Các thông báo này đượctập hợp tại một node thu dữ liệu (Sink node) và được gửi tới người chỉhuy Các số liệu này có thể được hướng tới các cấp cao hơn trong phâncấp chỉ huy cùng với các số liệu từ các đơn vị khác tại mỗi cấp

 Theo dõi chiến trường : Tại các vùng quan trọng, các tuyến tiếp cận, cáccon đường và eo biển, các mạng cảm biến có thể được triển khai nhanhchóng để theo dõi hoạt động của đối phương một cách rõ ràng, bí mật Khibản đồ công tác đã được chuẩn bị, các mạng cảm biến có thể được triểnkhai bất cứ lúc nào để theo dõi đối phương.

 Trinh sát vùng và lực lượng đối phương: Khi các mạng cảm biến đượctriển khai tại các vùng chiến lược, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết

và kịp thời có thể được thu thập trong một vài phút trước khi bị đốiphương ngăn chặn

 Tìm mục tiêu: Các mạng cảm biến có thể được kết hợp chặt chẽ với các hệthống hướng đạo trong các quân trang thông minh

 Đánh giá thiệt hại của trận đánh: Ngay trước hoặc sau khi tấn công, cácmạng cảm biến có thể được triển khai trong vùng mục tiêu để tập hợp các

số liệu đánh giá thiệt hại trong trận đánh

 Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân: Trong cáccuộc chiến tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và kịp thờicác tác nhân là điều rất quan trọng Các mạng cảm biến được triển khaitrong vùng chiếm đóng và được sử dụng như các hệ thống cảnh báo vũ khísinh hóa có thể cung cấp cho quân đội các thông tin về các tác nhân có thểgây nguy hiểm, thương vong Các mạng cảm biến còn được dùng để giámsát chi tiết sau khi các tấn công sinh, hóa và hạt nhân được phát hiện.Người ta có thể có được sự trinh sát về vũ khí hạt nhân mà không phải đưacác đội trinh sát vào vùng bức xạ nguy hiểm

2.2.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ

Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến là cung cấp khả năng giaotiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lýdược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong