Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng cho hệ thống phát hiện sớm cháy rừng

1.2 Khái quát chung về mạng cảm biến không dây WSN Ngày nay, những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến cácmạng sử dụng sensor có ưu thế về giá thành, tiêu thụ ít năng l

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp “Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng cho hệ thống phát hiện sớm cháy rừng” của em đã hoàn thành Đồ án phát triển một phần nhờ sự nỗ lực tìm

hiểu của bản thân, một phần nhờ sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy giáo

Ths.Đinh Xuân Lâm Thầy đã chỉ bảo cho em từng bước để thực hiện đồ án này và

thầy cũng đã giúp em vạch ra hướng phát triển đúng đắn để em có thể thực hiện đồ

án một cách tốt đẹp Bên cạnh đó em đã có được sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy

cô giáo trong bộ môn, đó là nguồn động viên to lớn để em có thể thực hiện tốt đồ áncủa mình Em cũng xin cám ơn gia đình, bạn bè là những người đã giúp đỡ em rấtnhiều trong những lúc em gặp khó khăn và thử thách

Qua đây, một lần nữa em muốn nói lên lòng biết ơn to lớn đến tất cả mọingười, những người đã giúp đỡ em trong thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hòa

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan:

Những nội dung trong đồ án này là do em thực hiện dưới sự hướng dẫn trực

tiếp của thầy giáo hướng dẫn: ThS Đinh Xuân Lâm

Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, têncông trình, thời gian, địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, em xinchịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hòa

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 9

LỜI NÓI ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12

1.1 Tổng quan về đề tài 12

1.1.1 Mục đích và lý do chọn đề tài 12

1.1.2 Ý nghĩa của đề tài 13

1.1.3 Phương pháp nghiên cứu 13

1.2 Khái quát chung về mạng cảm biến không dây WSN 14

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 15

1.3.1 Cấu trúc một nút mạng WSN 15

1.3.2 Cấu trúc toàn mạng WSN 17

1.4 Kiến trúc giao thức mạng 22

1.5 Các ứng dụng mạng WSN 25

1.5.1 Các ứng dụng về môi trường 25

1.5.2 Các ứng dụng trong y học 26

1.5.3 Ứng dụng trong gia đình 27

1.5.4 Trong công nghiệp 27

1.5.5 Trong nông nghiệp 28

1.5.6 Trong quân sự 29

1.5.7 Trong giao thông 29

1.6 Những hạn chế trong việc phát triển mạng WSN 30

1.7 Đặc điểm định tuyến trong mạng WSN 32

1.7.1 Đặc điểm chung 32

1.7.2 Những thách thức khi định tuyến 33

1.7.3 Các giao thức chọn đường trong WSN 36

1.7.4 Các giao thức định tuyến cơ bản 37

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG WSN 39

2.1 Lý thuyết đánh giá hiệu năng mạng 39

2.1.1 Khái niệm đánh giá hiệu năng mạng 39

2.1.2 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng 39

2.1.3 Các tham số đánh giá hiệu năng mạng 41

2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 42

2.2.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp 42

2.2.2 Chi phí thấp 42

2.2.3 Mức độ khả dụng 43

2.2.4 Kiểu mạng 43

2.2.5 Bảo mật 44

2.2.6 Thông lượng dữ liệu 46

2.2.7 Trễ bản tin 47

2.2.8 Tính di động 47

2.3 WSNs trong hệ thống FFSS 51

2.3.1 WSN và Sensor 51

2.3.2 Sensor node 53

2.3.3 Hệ điều hành nút cảm biến 54

2.3.4 Giao thức mạng hệ thống FFSS 54

2.4 Forest Fire Surveillance System 56

2.4.1 Transceiver (Gateway) 56

2.4.2 Middleware 58

2.4.3 Web Application 59

2.5 Kết luận và công việc trong tương lai 61

2.6 Thiết kế mô hình hệ thống cảnh báo cháy rừng cho một khu vực rừng Cúc Phương 61

2.6.1 Bài toán 61

2.6.2 Mô hình mạng cảm biến 62

2.6.3 Phân tích bài toán 62

2.6.4 Giao thức định tuyến AODV 64

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG WSN VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 72

3.1 Phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây 72

3.1.1 Phần mềm NS-2 72

3.1.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2 76

3.1.3 Các bổ sung vào NS-2 77

3.1.4 Các chỉnh sửa trong NS-2 79

3.2 Mô tả mã lập trình mô phỏng 81

3.2.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu 81

3.2.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon 81

3.2.3 Thiết lập các node Phenomenon 82

3.2.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon 82

3.2.5 Định hình node cảm biến 83

3.2.6 Thiết lập các node non-sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) 83

3.2.7 Gắn kết các tác nhân cảm biến 84

3.2.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node 84

3.2.9 Khởi động ứng dụng cảm biến 84

3.3 Mô tả kịch bản mô phỏng hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng WSN 84

3.3.1 Kịch bản mô phỏng mạng WSN 84

3.3.2 Phân tích và kết quả đạt được 85

3.3.3 Đánh giá kết quả đạt được sau khi mô phỏng 93

3.4 Nhận xét 94

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1.1: Ví dụ về mạng cảm biến 14

Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm biến 16

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 18

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng 18

Hình 1.5: Cấu trúc tầng 19

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

Hình 1.7: Cấu trúc mạng phân lớp xếp tầng 20

Hình 1.8: Cấu trúc mạng phân cấp logic 21

Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 22

Hình 1.10: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 25

Hình 1.11: Mạng WSN cảnh báo lũ lụt 25

Hình 1.12: Cảnh báo và đo thông số động đất 26

Hình 1.13: Ứng dụng trong y tế 26

Hình 1.14: Ứng dụng nhà thông minh 27

Hình 1.15: Ứng dụng trong quản lý hàng hóa 27

Hình 1.16: Ứng dụng quản lí dây truyền sản xuất, theo dõi sản phẩm 28

Hình 1.17: Ứng dụng trong trồng trọt 28

Hình 1.18: Ứng dụng trong chăn nuôi 29

Hình 1.19: Ứng dụng trong quân sự 29

Hình 1.20: Ứng dụng trong giao thông 30

Hình 1.21: Cấu trúc phần cảm biến hạt Mica 31

Hình 1.22: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN 37

Hình 2.1: Sơ đồ tình hình cháy rừng tại Việt Nam 49

Hình 2.2: Các vùng sinh thái của Việt Nam 50

Hình 2.3: Cấu trúc mạng WSNs 52

Hình 2.4: Sensor node 53

Hình 2.5:Các bước cấu hình giao thức hệ thống mạng FFSS 55

Hình 2.6: Mô hình hệ thống FFSS 56

Hình 2.7: Cấu trúc các thành phần hệ thống FFSS 56

Hình 2.8: Định dạng gói 57

Hình 2.9: Bộ thu phát hình ảnh 58

Hình 2.10: Bộ trung gian thu hình ảnh 59

Hình 2.11: Giao diện triển khai các ứng dụng web 60

Hình 2.12: Sau khi cháy rừng xảy ra, giao diện của FFSS 60

Hình 2.13: Mô hình mạng cảm biến 62

Hình 2.14: Quá trình khám phá tuyến trong AODV 65

Hình 2.15: Thiết lập tuyến đường đi ngược 68

Hình 2.16: Thiết lập tuyến đường thuận 70

Hình 3.1: Cấu trúc chương trình NS-2 73

Hình 3.2: Tính đối ngẫu giữa C++ và Otcl 74

Hình 3.3: Kiến trúc tổng quan của NS-2 75

Hình 3.4: Các giao thức được hỗ trợ trong NS-2 mô phỏng mạng không dây 76

Hình 3.5: Cơ sở xây dựng mô hình mạng cảm biến sử dụng NS-2 77

Hình 3.6: Hình ảnh mô tả mạng cảm biến (được lấy từ ứng dụng NAM trong NS-2) với 25 trạm cảm biến được triển khai theo hình lưới trên diện vuông, 20 node Phenomenon (mô tả đám mây khí gas-hiện tượng cần cảm biến) di động và một trạm thu thập số liệu (ở góc trên bên phải) 78

Hình 3.7: Sơ đồ bổ sung và chỉnh sửa NS-2 81

Hình 3.8: Đồ thị tỷ lệ mất gói tại lớp giao vận – giao thức AODV 87

Hình 3.9: Đồ thị tỷ lệ mất gói tại lớp giao vận – giao thức DSR 88

Hình 3.10: Đồ thị tỷ lệ mất gói tại lớp giao vận –AODV và DSR 88

Hình 3.11: Đồ thị tỷ lệ độ trễ gói – giao thức AODV và DSR 89

Hình 3.12: Thông lượng mạng 90

Hình 3.13: Tỷ lệ Overhead 91

Hình 3.14: Tỷ lệ Normalized Routing Load 92

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các ứng dụng cảm biến các mối nguy hại Bảng 2.2: Các thông số kĩ thuật của Sensor node 54

Bảng 2.3: Định nghĩa các trường gói tin Bảng 2.4,5: Các mức độ nguy hiểm của cháy rừng

DSDV Destination-SequencedDistance-Vector Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự

GLONAS

S Global Navigation SatelliteSystem Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu

HVAC Heating, Ventilation, and AirConditioning Hơi ấm, thông gió và các điều kiệnkhông khí

RFM RF Monolithic Thành phần nguyên khối tần số vôtuyến

SQDDP Sensor Query and DataDissemination Protocol Giao thức truy vấn cảm biến và phổbiến số liệuSWAN Simulator for Wireless Ad-

Language

Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tíchhợp mật độ cao

WINS Wireless Integrated NetworkSensors Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng cũng như công nghệ của cácthiết bị di động kéo theo nhu cầu của người sử dụng công nghệ không dây ngàycàng cao và đa dạng Chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của conngười, 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 trườngsống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậuthay đổi, Tài nguyên rừng với mỗi một quốc gia đều đóng một vai trò quan trọng,

từ việc cung cấp tài nguyên thiên nhiên tới các nhiệm vụ điều hòa hệ sinh thái haykhí hậu Cháy rừng là vấn nạn lớn của thế giới đương đại trong những năm gần đây.Tất cả những nước, từ giàu đến nghèo đều từng điêu đứng về nạn cháy rừng Tìnhhình càng lúc càng tệ hại hơn Rừng Việt Nam cũng không là ngoại lệ, từ Lào Caiđến Mũi Cà Mau, nguy cơ cháy rừng luôn ở mức báo động đỏ vào những thánghanh nóng như hiện nay Tuy đã có những biện pháp phòng cháy chữa cháy nhưngmới ở mức thô sơ, yêu cầu đặt ra phải xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng sớm

và kịp thời để giảm thiểu tối đa thiệt hại

Đã có rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học xây dựng các hệ thống cảnhbáo cháy rừng từ chụp ảnh vệ tinh, dự báo dựa vào dấu hiệu, sự biến đổi của độngthực vật Tuy nhiên các hệ thống hiện nay cũng chưa đem lại hiệu quả cao, nhu cầuđưa ra một giải pháp tốt hơn là vô cùng cấp thiết Với ưu thế riêng mạng cảm biếnkhông dây WSNs ngày càng trở thành một vấn đề quan trọng như trong các ứngdụng giám sát môi trường, các hệ thống nhà máy hoặc nhà tự động, các dịch vụ hậucần và nhiều hơn nữa Hệ thống WSNs với các đặc điểm như kích thước nhỏ, côngsuất thấp, chi phí cho các thiết bị thấp được tích hợp với việc tính toán hạn chế, cảmbiến và khả năng truyền tin qua giao diện vô tuyến WSNs giả định có khả năng giảiquyết được nhiều tình huống khẩn cấp với khả năng cảnh báo sớm

Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộngrãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫnhứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích pháttriển đầy tiềm năng Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã cókhông ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trongcông nghệ này.

Vì những lý do trên và được sự định hướng và chỉ dẫn của Th.s Đinh XuânLâm, em đã chọn đồ án tốt nghiệp: “ Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng cảm

biến không dây ứng dụng cho hệ thống phát hiện sớm cháy rừng” 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 vực cảm biến thu nhận dữliệu Trong đề tài còn thực hiện một mô phỏng mô hình cảm báo cháy rừng sử dụngcông nghệ mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hìnhhoá, mô phỏng mạng và các kịch bản đánh giá hiệu năng qua các tham số mạng Nộidung của đề tài được thể hiện qua 3 chương:

Chương 1: Tìm hiểu các vấn đề tổng quan nhất về mạng cảm biến không

dây Giới thiệu và đưa ra định nghĩa khái quát về mạng WSN, các kiến trúc và ứngdụng, ngữ cảnh sử dụng

Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mạng WSN,

phương pháp luận nghiên cứu và hướng xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng

Chương 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng NS2, phương pháp mô phỏng

mạng cảm biến trên NS2, thực hiện mô phỏng hệ thống cảnh báo cháy rừng trênNS2 và các kịch bản mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng dựa trên một số tham sốmạng

Trong quá trình làm đề tài, em đã hết sức cố gắng nhưng có thể còn thiếu sót,

em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý và thông cảm của các thầy cô giáo, để em

có cơ hội được tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa và phát triển về đề tài này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Tổng quan về đề tài

1.1.1 Mục đích và lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của con người, sự phát triển của khoa học công nghệtrong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội ngày càng mạnh mẽ Nhu cầu của con ngườicủa xã hội về các vấn đề mô trường, giáo dục, y tế, sản xuất cũng ngày càng ra tăng

Từ đó cần tới việc áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thôngtin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Đặc biệt là trong vấn đềbảo vệ môi trường và việc bảo vệ tài nguyên rừng thông qua việc phòng cháy chữacháy là vô cùng cấp thiết

Mục đích của đề tài này là đưa ra những nghiên cứu tổng quan nhất về mạngcảm biến không dây Tìm hiểu tình hình ứng dụng của mạng cảm biến không dây

có thể áp dụng vào thực tiễn trên thế giới và trong nước ta Đưa ra được những ưuđiểm, nhược điểm của mạng cảm biến không dây Tìm hiểu và nghiên cứu phươngpháp, cơ sở lý luận triển khai hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biếnkhông dây Qua đó xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống cảnh báo cháy rừng

sử dụng công nghệ mạng WSN trên NS2, đánh giá hiệu năng mạng WSN dựa trêncác tham số mạng

Lý do chọn công cụ mô phỏng NS2 là do tính cụ thể, chi tiết khi xuất ratracefile để phân tích Lựa chọn phần mềm mô phỏng NS-2 cho mô phỏng mạngcảm biến là việc định nghĩa một "Phenomenon" (hiện tượng) Ví dụ như hiện tượnghoá học, tín hiệu âm thanh, các đối tượng này có thể di chuyển và kích hoạt cáccảm biến ở gần qua một kênh như không khí hay rung động mặt đất Khi một cảmbiến phát hiện tín hiệu từ một hiện tượng trong kênh này, cảm biến sẽ phản ứng tuỳtheo ứng dụng được định nghĩa bởi người sử dụng NS-2 Các ứng dụng này sẽ quy

định việc cảm biến làm gì khi phát hiện ra hiện tượng, mục tiêu Ví dụ, cảm biến cóthể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục pháthiện thấy hiện tượng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn như cộng tác vớicác cảm biến lân cận để có được thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tượng trướckhi cảnh báo người giám sát về một hiện tượng giả định Mỗi mạng cảm biến cómột ứng dụng duy nhất như giám sát động đất, môi trường,…

1.1.2 Ý nghĩa của đề tài

Việc nghiên cứu và xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng côngnghệ mạng không dây mang lại ý nghĩa quan trọng cho hoạt động giám sát và bảo

vệ môi trường sống, giảm thiểu các nguy hại do cháy rừng xảy ra đối với người vàtài nguyên thiên thiên Với công nghệ thì mở ra một bước tiến mới cho việc giảmthiểu các cản phá của thiên tai, góp đưa công nghệ tiến bước vào quá trình chinhphục thiên nhiên Chi tiết các bước thực hiện và triển khai cho các kĩ sư thiết kế hệthống có một cái nhìn mới về các vấn đề kĩ thuật sẽ gặp trong quá trình triển khai,giúp tận dụng tối đa các ưu thế, thuận lợi tiện ích cũng như hạn chế các điểm yếucủa hệ thống mạng Đưa công nghệ ngày càng gần hơn với cuộc sống sinh hoạt củacon người hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho nhữngmục đích phát triển đầy tiềm năng

1.1.3 Phương pháp nghiên cứu

Vấn đề cần quan tâm tới đó là phương pháp nghiên cứu khoa học của đề tàigiúp việc tiếp cận và giải quyết vấn đề đặt ra

Bước 1: Thông qua các phương pháp tìm hiểu, thu thập tài liệu, số liệu, khảo

sát và đánh giá hệ thống cũ Qua các tài liệu thu thập được để tìm hiểu các lý thuyết

về mạng cảm biến, các kỹ thuật sử dụng và công nghệ cần thiết Khảo sát và phântích thực trạng các hệ thống cảnh báo cháy rừng hiện nay đang được sử dụng ở nước

ta xác định ưu nhược điểm, hạn chế và thế mạnh cần phát huy từ đó đưa ra được ýtưởng xây dựng mô hình phù hợp

Bước 2: Từ các kiến thức ở bước 1 đi vào quá trình phân tích thiết kế mô

hình hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây.Xác định yêu cầu của bài toán đặt ra xác định: nhiệm vụ, chức năng, phạm vi, môitrường của hệ thống Từ đó thiết kế mô hình với kích thước, thành phần, kiến trúc,cách thức xây dựng, tổ chức sao cho phù hợp

Bước 3: Thông qua các thực nghiệm, thí nghiệm, kịch bản mô phỏng hệ

thống đưa ra được kết quả

1.2 Khái quát chung về mạng cảm biến không dây WSN

Ngày nay, những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến (cácmạng sử dụng sensor có ưu thế về giá thành, tiêu thụ ít năng lượng và có thể thựchiện đa chức năng) là kết quả sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật.Những sensor này có kích cỡ nhỏ và thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp vớinhau chủ yếu thông qua kênh vô tuyến Từ đó, để phát hiện ra những sự kiện hoặchiện tượng, thu thập, truyền dữ liệu, và truyền những thông tin cảm nhận được đếnngười dùng, người ta thiết kế ra mạng cảm biến

Hình 1.1: Ví dụ về mạng cảm biến

Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:

Có khả năng tự tổ chức

Truyền thông 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 sự cố ở cácnút.

Các giới hạn về mặt năng lượng, bộ nhớ công suất phát, và công suất tínhtoán

Như vậy, mạng cảm biến không dây là mạng bao gồm một tập hợp các thiết

bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học)

để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu Mạngnày có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thôngqua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh.Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụngnhư giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảosát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năngtriển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểmkhông thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.3.1 Cấu trúc một nút mạng WSN

Để xây dựng mạng cảm biến, trước tiên phải xây dựng và triển khai các nútcấu thành mạng, nút cảm biến Các nút này phải đáp biến một số yêu cầu nhất địnhtùy theo biến dụng: kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng,với các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môitrường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thuphát sóng để truyền thông tới các nút lân cận

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2,

bộ cảm nhận (a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiverunit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể thêm những thành phần khác tùytừng biến dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn(power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm biến

Các bộ phận cảm biến (sensing units) gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tươngtự-số (ADC).Từ những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi nútcảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xửlý

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết địnhcác thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận các dữ liệu thuđược từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộnguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin Bộ nguồn đóng vai trò tối quan trọnggiúp các nút có thời gian sống lâu Cụ thể, nó phải có khả năng nạp điện từ môitrường như năng lượng ánh sáng mặt trời

Bên cạnh đó, có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có

độ chính xác cao về vị trí Cho nên, cần phải có các bộ định vị Ngoài ra, các bộphận di động cũng cần có để dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết, thực hiệncác nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó

Tất cả những thành phần này phải phù hợp với kích cỡ từng module Cùngvới kích cỡ, còn có một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như phải tiêu thụ rất ít năng

lượng, hoạt động ở mật độ cao, giá thành thấp, khả năng tự hoạt động, và thích nghivới môi trường.

1.3.2 Cấu trúc toàn mạng WSN

a) Cấu trúc chung của mạng cảm biến không dây

Mục đích của việc thiết kế cấu trúc mạng cảm biến không dây là sử dụng cóhiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, khắc phục được những nhược điểmtrên, kéo dài thời gian sống của mạng Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúcmạng cần lưu ý một số cơ chế, kỹ thuật đặc thù sau:

Giao tiếp không dây multihop: Nếu giao tiếp không dây là kỹ thuật chính,

sẽ có nhiều hạn chế trong giao tiếp trực tiếp giữa hai nút do khoảng cách hay các vậtcản Đặc biệt, khi nút phát và nút thu cách xa nhau, cần công suất phát lớn.Vì vậycần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Tóm lại, giaotiếp multihop cần thiết cho các mạng cảm biến không dây

Hoạt động năng lượng hiệu quả: Hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn

mạng

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các

thông số một cách tự động Ví dụ, các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thôngqua các nút khác (gọi là tự định vị)

Cộng tác, xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu: Đối với một vài biến

dụng, một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùngcộng tác hoạt động mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu gửi ngay đếnsink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Kết hợp các dữ liệu của nhiều núttrong một vùng rồi mới gửi tới trạm gốc (Sink) sẽ tiết kiệm băng thông và nănglượng Chẳng hạn, khi xác định nhiệt độ trung bình, cao nhất của một vùng

Khi đó, cấu trúc mạng mới sẽ:

Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

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

Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

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

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây b) Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây

• Cấu trúc phẳng

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

hàng và đồng nhất về mặt hình dạng và chức năng Chúng giao tiếp với sink qua

multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định,các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớnnguồn Giả thiết tất cả các nguồn đều sử dụng cùng một tần số để truyền dữ liệu, do

đó chia sẻ thời gian là có thể Mặc dầu vậy, hiệu quả chỉ đạt được khi có nguồn chia

sẻ đơn lẻ như thời gian, tần số…

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng

• Cấu trúc tầng (tiered architecture)

Đối với cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ragiúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùythuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ cụm(cluster head) Trong cấu trúc này, các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc, mỗi nút

ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1.5: Cấu trúc tầng

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

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

Nói cách khác, những nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đềugiữa các lớp, mỗi lớp có thể đảm nhận một nhiệm vụ xác định trong tính toán Khi

đó, các sensor ở cấp thấp nhất có vai trò là một bộ lọc thông dải đơn giản, tách nhiễukhỏi dữ liệu, đồng thời các nút ở cấp cao hơn ngừng lọc dữ liệu này

Sự phân tích chức năng của các mạng cảm biến phản ánh các đặc điểm tựnhiên của các nút, còn gọi là sự phân biệt theo logic Ví dụ, một tập hợp con các nútvới khả năng truyền thông ở phạm vi rộng có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phânlớp xếp chồng vật lý (hình 1.7)

Hình 1.7: Cấu trúc mạng phân lớp xếp tầng

Như vậy, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cáchlogic bởi chúng đại diện thực hiện một nhiệm vụ cho các nút khác Những chứcnăng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xươngsống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút Những qui tắc logic này tạo nên mạngphân cấp logic (hình 1.8) và có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự côngbằng Khi các nút có khả năng tính toán cao hơn hoạt động, các nhiệm vụ tính toán

sẽ được chuyển sang các nút này từ các nút ít khả năng hơn Nếu không có

“computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần chọn ra một nút để thực hiệncác nhiệm vụ như tập trung dữ liệu Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có nút

có tài nguyên vật lý thích hợp thích hợp cho việc thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.Một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system - GPS) đóng vai

trò chủ chốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian là một ví dụ Do vậy, rấtnhiều các mạng cảm biến hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp là điều tấtyếu.

Hình 1.8: Cấu trúc mạng phân cấp logic

Qua những phân tích trên ta thấy mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầnghoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng do:

Tuổi thọ cao hơn mạng phẳng: Trong trường hợp phải tính toán nhiều, một

bộ xử lý nhanh, các chức năng mạng phân chia giữa các phần cảm biến đã đượcthiết kế riêng sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán.Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ítnăng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn

Độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu

cầu, thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu trúc phẳng,qua phân tích, thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút, W là độ rộngbăng tần của kênh chia sẻ Do vậy, khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng củamỗi nút sẽ giảm về 0 Mạng cấu trúc tầng mang lại nhiều triển vọng khắc phục vấn

đề này Ta có thể dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ởcấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi trạm gốc có vai trò là

cầu nối với cấp cao hơn, đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phậnhữu tuyến Khi đó, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, vớiđiều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng Một cách khác là thửdùng những kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trongtrường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng độc lập với dung lượngcủa mỗi cụm trong từng lớp xác định

Tính kinh tế của cấu trúc tầng: Định vị các tài nguyên ở vị trí hoạt động

hiệu quả nhất Quả thực, nếu triển khai các phần cảm biến thống nhất, chỉ cần mộtlượng tài nguyên tối thiểu để mỗi nút thực hiện tất cả nhiệm vụ Do số lượng các nútcần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, nên chi phí toàn mạng sẽ khôngcao Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút với chi phí thấp thực hiện nhiệm vụcảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút với chi phí cao hơn được chỉ định phântích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí toàn mạng sẽ giảm

Tóm lại, dùng cấu trúc tầng đem lại sự tương thích giữa các chức năng trongmạng Đặc biệt, các tiện ích cũng như mô hình về tìm kiếm địa chỉ đang được tậptrung nghiên cứu Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, mộtphần phân bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định vàphải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụthuộc vào tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm

1.4 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến được trìnhbày trong hình 1.9:

Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức này là sự kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp

số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến

và sự tương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớpliên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp biến dụng, phần quản lý công suất,phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ

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

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

Lớp vận chuyển: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu khi biến dụng

mạng cảm biến yêu cầu Nó đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bênngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển giữa sinkvới người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) có thể là giao thức UDP hay TCP thông quainternet hoặc vệ tinh Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến yêu cầu các giaothức kiểu UDP do các nút cảm biến hạn chế về bộ nhớ Hơn nữa các giao thức nàyphải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu

Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp

truyền tải Việc định tuyến trong mạng cảm biến ẩn chứa rất nhiều thách thức như

mật độ các nút dày đặc, năng lượng hạn chế … Do vậy thiết kế lớp mạng trongmạng cảm biến phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

Tính hiệu quả về năng lượng phải được đặt lên hàng đầu

Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến khôngdây Nhìn chung, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng: định tuyếnngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Về mặt hoạt động,chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyếntheo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chấtlượng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based)

Lớp kết nối dữ liệu: Chịu trách nhiệm ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ

liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường Nó đảm bảo giao tiếp điểm - điểm,điểm - đa điểm tin cậy Môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di độngnên giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề côngsuất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của cácnút lân cận

Lớp vật lý: Chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều

chế, lập mã và tách sóng Bên cạnh đó, các phần quản lý công suất, quản lý dichuyển và quản lý nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển vàthực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến Những phần này giúp các nút cảm biếnphối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ công suất tổng thể thấp hơn

Phần quản lý công suất: Điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm

biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từmột nút lân cận tránh tạo ra các bản tin giống nhau Tương tự, khi mức công suấtcủa nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo

nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường Côngsuất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.

Phần quản lý di động: Phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm

biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của cácnút cảm biến lân cận Nhờ đó, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của

nó và nhiệm vụ thực hiện

Phần quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến

trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đềuphải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm nên một số nút cảm biếnthực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó

Những phần quản lý này cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùngnhau sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động

và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng: Bằng việc phân tán các

nút cảm biến trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát Mỗi nútcảm 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 đểgiám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng

Hình 1.10: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa,

mực nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích vàcảnh báo lụt sớm

Hình 1.11: Mạng WSN cảnh báo lũ lụt

Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: Các cảm biến về độ rung

đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gầncác núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào

Hình 1.12: Cảnh báo và đo thông số động đất 1.5.2 Các ứng dụng trong y học

Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm biến cóthể được gắn vào cơ thể như dưới da, đo các thông số của máu để phát hiện sớm cácbệnh như ung thư Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vàotrong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ

để hoạt động trong 24h (hình 1.13) Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên

trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ cóthể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị.

Hình 1.13: Ứng dụng trong y tế 1.5.3 Ứng dụng trong gia đình

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 nàyđến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

Hình 1.14: Ứng dụng nhà thông minh 1.5.4 Trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữhàng hóa Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời

kì lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạngbản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm củachúng Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vào ban đêm

chúng được đặt ở chế độ chống trộm Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor

sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo Điều này đặc biệt hữu dụng trong việcbảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn

Hình 1.15: Ứng dụng trong quản lý hàng hóa

Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý cáccontainer ở cảng Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm biến và cóthể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách xahơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác.Tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhấtquán Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó vàcontainer thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà khôngcần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database)

Hình 1.16: Ứng dụng quản lí dây truyền sản xuất, theo dõi sản phẩm 1.5.5 Trong nông nghiệp

• Ứng dụng trong trồng trọt: Các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm,

ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được vềtrung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp

Hình 1.17: Ứng dụng trong trồng trọt

Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang

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

Hình 1.18: Ứng dụng trong chăn nuôi 1.5.6 Trong quân sự

Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống C4ISRT(military command, control, communications, computing, intelligence, servaillence,reconnaissance and targeting systems ) vì nó có các đặc tính triển khai nhanh, tựcấu hình, và chịu lỗi Các ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự như là giámsát quân đội, giám sát trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, quân địch, dò tấncông bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch

Hình 1.19: Ứng dụng trong quân sự 1.5.7 Trong giao thông

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

Hình 1.20: Ứng dụng trong giao thông

Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây được phân loại thành:Giám sát các môi trường tĩnh: môi trường, các hệ sinh thái, cảnh báo cháy…Giám sát sự chuyển động của các đối tượng: động vật hoang dã, phương tiệngiao thông…

1.6 Những hạn chế trong việc phát triển mạng WSN

Xác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặpphải 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.Những khó khăn thường thấy là:

Năng lượng hạn chế: Khi các thiết bị tính toán tăng hiệu quả nhanh

chóng, sự tiêu thụ năng lượng của mạng cảm biến không dây giống như một nút cổchai Các sensor có kích cỡ nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìnsensor 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 nănglượng có sẵn trong mỗi sensor bị giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉnhận được khi duy trì đủ năng lượng cho hoạt động hiệu quả của các sensor này

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 giớihạn bởi tốc độ dữ liệu khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnhhưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các sensor Và nếu không có sựtruyền thông tin này thì không thể đồng bộ hóa được

Phần cảm biến giới hạn: Phần cảm biến của các nút cảm biến thường bị

giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó Một nút cảm biến tiêu biểu như hạt bụi BerkeleyMica2 (hình 1.21) 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 lượngtính toán và không gian lưu trữ đặt ra một thách thức to lớn Đó là ta không thể tăngkích cỡ của nút cảm biến vì chi phí sẽ tăng và tiêu thụ thêm năng lượng, gây khókhăn trong triển khai hàng nghìn nút trong mạng

Hình 1.21: Cấu trúc phần cảm biến hạt Mica

Kết nối mạng không ổn định: 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 bênngoài 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 cácnút 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 ứngvới các các đặc trưng của môi trường mà nó cảm nhận WSNs phải được thiết kếphù hợp với từng ứng dụng như kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng; dùngloại sensor nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm tùy từng loại ứn dụng

Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn vàkhông thể nạp lại Hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiệnkhả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong mạngcảm biến, năng lượng được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu, xử lý

dữ liệu và đảm bảo cho phần cảm biến hoạt động Không dừng lại ở đó, người tacũng 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 tintruyền qua mạng để điều khiển và phối hợp mạng.

1.7 Đặc điểm định tuyến trong mạng WSN

1.7.1 Đặc điểm chung

Mạng cảm biến có nhiều đặc điểm riêng khác hẳn với các mạng khác:

Thứ nhất: Số lượng các nút trong mạng WSN rất lớn, nên không thể xây

dựng một chế độ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các nút cảm biến, và cũngkhông thể áp dụng giao thức dựa trên IP trong mạng cảm biến

Thứ hai: Đối lập với các mạng điển hình, hầu hết các ứng dụng của mạng

cảm biến, các luồng dữ liệu cảm nhận được từ nhiều nguồn khác nhau đến một sinkxác định

Thứ ba: Lưu lượng thông tin phát ra sẽ thừa đáng kể do các sensor có thể

phát ra cùng một dữ liệu trong vùng xung quanh hiện tượng Những thông tin dưthừa đó cần được xử lý bởi các giải thuật định tuyến để tăng hiệu quả năng lượng và

sử dụng dải thông

Thứ tư: Các nút cảm biến bị hạn chế nhiều bởi năng lượng truyền đi, năng

lượng sử dụng, quá trình xử lý và lưu trữ Cho nên phải quản lý chặt chẽ nguồn nănglượng

Xuất phát từ những khác biệt trên, không ít giải thuật được đưa ra để địnhtuyến dữ liệu trong mạng cảm biến Các phương pháp định tuyến được phân loạibao gồm giao thức trung tâm dữ liệu (data-centric), phân cấp (hierarchical) hoặc dựatrên vị trí (location-based) Thêm vào đó là một số loại dựa trên lưu lượng mạnghoặc chất lượng dịch vụ (QoS)

Các giao thức trung tâm dữ liệu dựa trên các query và phụ thuộc vào việc đặttên các dữ liệu mong muốn, để loại bỏ dư thừa

Định tuyến phân cấp tập trung các nút thành cụm làm cho các nút chủ củamỗi cụm có thể thực hiện tập trung và giảm dữ liệu để tiết kiệm năng lượng

Định tuyến dựa trên vị trí sử dụng các thông tin về vị trí để chỉ truyền dữ liệuđến các vùng mong muốn thay cho truyền đến toàn mạng

Loại cuối cùng bao gồm các phương pháp tiếp cận dựa vào mô hình lưulượng mạng chung và các phương pháp mà đáp ứng được các yêu cầu về QoS cùngvới chức năng định tuyến Chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu các cơ chế định tuyếntrong mạng cảm biến được sử dụng trong những năm gần đây, đồng thời chỉ ranhững hướng mở cho những nghiên cứu sau này

1.7.2 Những thách thức khi định tuyến

a Tính động của mạng

Mạng cảm biến được cấu tạo bởi ba phần chính: các nút cảm biến, sink vàcác sự kiện cần giám sát Hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định Tuynhiên 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 đềhơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng tần Các sự kiệncảm nhận có thể tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng Chẳng hạn, trong cácứng dụng phát hiện mục tiêu, các sự kiện là động, còn trong ngăn chặn thảm họacháy 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 cácứng dụng đều yêu cầu báo cáo định kỳ cho nút gốc để truyền các lưu lượng cần thiết

được định tuyến đến sink.

b Sự phân bố các nút

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 Nếuđược xác định trước, các nút được đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thôngqua các đường đã định Mặc dầu vậy, trong những hệ thống tự tổ chức, các nút cảmbiến được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một cấu trúc theo kiểu ad hoc Trong các cấu

trúc đó, vị trí của các sink hay 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 băngthông, 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

c Khả năng của các nút

Trong mạng cảm biến, nhiều chức năng khác nhau có thể kết hợp với các nútcảm biến Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là cókhả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau Tuynhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện cácchức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp Vì thế việc kết hợp ba chức năngtrong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút đó

Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau gây ra nhiều vấn đề kỹ thuật liênquan đến định tuyến Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều sensor để kiểmtra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch chuyểnthông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh của các vậtchuyển động Tốc độ đọc của các sensor này có thể khác nhau, vì thế với những môitrường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn.Hay như các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biếnbình thường khác Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm biếnphân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng thông và

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

d Năng lượng

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

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

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

tổ chức lại mạng

e Tập trung/hợp nhất dữ liệu

Vì các nút cảm biến có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm sốlần truyền, các gói tương tự nhau từ nhiều nút 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 (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average) Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc toàn bộ trong

mỗi một nút cảm biến Người ta nhận thấy tính toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn sovới giao tiếp, và sẽ tiết kiệm được một lượng năng lượng đáng kể trong quá trình tậphợp dữ liệu Người ta sử dụng kỹ thuật này trong khá nhiều các giao thức địnhtuyến Trong một số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉđịnh 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 giảmnhiễu và dùng các công cụ như là các luồng tia (beamforming)

f Phương pháp báo cáo số liệu

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

có thể được chia thành báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc laighép các phương pháp này Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với cácứng dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phậncảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầutheo chu kỳ thời gian xác định Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo

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

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

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

là thích hợp nhất

1.7.3 Các giao thức chọn đường trong WSN

Phân loại và đánh giá

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

vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng

Trong chọn đường ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc chứcnăng như nhau

Trong chọn đường phân cấp, các nút sẽ đóng vai trò khác nhau trongmạng

Trong chọn đường dựa theo vị trí thì vị trí của các nút cảm biến được sửdụng để chọn đường số liệu

Một giao thức chọn đường được coi là thích hợp nếu các tham số của hệthống có thể điều khiển được để thích biến với các trạng thái mạng hiện tại và cácmức năng lượng khả dụng Những giao thức này cũng có thể được chia thành cácgiao thức chọn đường đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tuỳtheo cơ chế hoạt động của giao thức Ngoài ra, các giao thức chọn đường có thểđược chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức

mà nguồn tìm đường tới đích Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường đượctính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì cácđường được tính toán theo yêu cầu Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ởtrên Khi các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức chọn đường theobảng hơn là với các giao thức tương tác Một lượng công suất đáng kể được sử dụng

để tìm đường và thiết lập các giao thức tương tác Một số giao thức khác dựa vàođịnh thời và thông tin vị trí Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúcmạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường) Việc phân loại và

so sánh các giao thức chọn đường trong WSNs được chỉ ra trong hình 1.22

Hình 1.22: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN 1.7.4 Các giao thức định tuyến cơ bản

Các giải thuật định tuyến cho mạng

Proactive (chủ ứng): Dựa trên sự phân phát theo chu kì thông tin để đạt

được bản định tuyến nhất quán và chính xác đến tất cả các node của mạng Cấu trúcmạng có thể bằng phẳng hay phân cấp Trong phương pháp này cấu trúc phẳng thìtìm đường tối ưu hơn

Reactive (phản ứng): Xây dựng tuyến đến một đích nào đó theo nhu cầu.

Giải thuật này thường không truyền tải thông tin qua tất cả các node của mạng.Chúng dựa trên định tuyến động để tìm đường đi

Hybrid (hỗn hợp): Dựa trên cấu trúc của mạng để tạo nên tính ổn định và

khả năng mở rộng cho các mạng có kích cỡ lớn Giải thuật này chia mạng thành cáccluster, do đó số lượng lớn và tính di động khi các node vào hay ra khỏi các cluster

Giải thuật này kết hợp với Proactive trong các cluster và Reactive cho sự liên kếtgiữa các cluster.

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG WSN 2.1 Lý thuyết đánh giá hiệu năng mạng

2.1.1 Khái niệm đánh giá hiệu năng mạng

Đánh giá hiệu năng mạng là đánh giá tính hiệu quả và năng lực hoạt động của

hệ thống mạng trong những điều kiện cụ thể Như vậy, việc đánh giá hiệu năngmạng chính là tính toán và xác định hiệu quả, năng lực thực sự của hệ thống trong

các điều kiện khác nhau và dựa trên hai hướng tiếp cận chính là: kiến trúc mạng vàcác kỹ thuật áp dụng trên kiến trúc mạng đó.

Đánh giá hiệu năng là hoạt động nhằm mục đích dự báo hành vi của hệ thốngmột cách có định lượng Khi một hệ thống được cấu hình lại hoặc điều chỉnh về mặtcấu trúc thì việc đánh giá hiệu năng được sử dụng để đưa ra các dự đoán tác độngcủa những thay đổi đó về mặt hiệu năng của hệ thống

Các điều kiện được sử dụng trong đánh giá hiệu năng mạng là rất quan trọng,chúng ảnh hưởng trực tiếp tới các kết quả thu được Trong các điều kiện ảnh hưởngtới quá trình đánh giá hiệu năng thì kịch bản mô tả là yếu tố then chốt quyết định giátrị hiệu năng, trong đó cần xác định các tham số đầu vào rõ ràng như các nút thamgia hệ thống, thiết bị kết nối, tác nhân tham gia, giao thức hoạt động, ứng dụng triểnkhai, thời gian thực hiện… Và rất nhiều yếu tố khác kết hợp tạo ra một kịch bảnhoàn thiện

2.1.2 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng

a Phương pháp toán học

Việc sử dụng các phương pháp toán trong tính toán hiệu năng mạng đã đượcthực hiện từ lâu, trong đó các công cụ toán học đã được sử dụng rất linh hoạt và đadạng như xác suất thống kê, đồ thị, quy hoạch, luồng để giải quyết nhiều vấn đềtrong hiệu năng

− Ưu điểm là có thể xác định các ngưỡng giá trị của hệ thống qua việc xácđịnh mối tương quan giữa các yếu tố trước khi tồn tại hệ thống

− Nhưng khi áp dụng trong thực tế, việc mô tả đầy đủ các yếu tố đầu vào chobài toán là cực kỳ khó khăn do vậy kết quả của phương pháp này còn nhiều hạn chế

b Phương pháp đo thực tế

Sau khi hệ thống mạng đã được xây dựng, đây là một hệ thống tổng thể kếtnối của các thiết bị với những công nghệ khác nhau do vậy việc đo đạc để đưa ra kếtquả từ mô hình thật là rất quan trọng Khi thực hiện đo thực tế, người đo phải xâydựng các kịch bản cần đo từ đó tạo ra những điều kiện giống với kịch bản thực tế và