Mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh

Tuy nhiên, một trong những vấn đề đặt ra là khó khăn khi triển khai các hệ thống này trên những địa hình phức tạp hoặc trên hạ tầng các nhà máy, khu dân cư, bệnh viện, trường học… đã đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ

MÔ HÌNH KHÔNG GIAN THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI – 2011

-

Trần Doãn Tuấn

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ

MÔ HÌNH KHÔNG GIAN THÔNG MINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính và truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Kim Khánh

HÀ NỘI – 2011

Em xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo Viện Công nghệ thông tin và truyền thông - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã truyền thụ kiến thức và giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới

TS Nguyễn Kim Khánh đã định hướng và tận tâm hướng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn cao học này

Hà Nội tháng 9 -2011 Học viên: Trần Doãn Tuấn

Lời cảm ơn

5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Trần Doãn Tuấn – cam kết luận văn thạc sĩ khoa học này là công trình

nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Kim Khánh

Những điều trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và không phải là

sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Trần Doãn Tuấn

3

MỤC LỤC

Trang phụ bìa .1

Lời cam đoan 5

Danh mục các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục hình vẽ 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 12

1.1 Giới thiệu 12

1.2 Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến 13

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến 17

1.2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến 21

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 22

1.3.1 Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia 25

1.3.2 Ứng dụng trong môi trường 27

1.3.3 Ứng dụng trong thương mại 29

1.3.4 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 30

1.3.5 Ứng dụng trong gia đình 30

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CƠ BẢN MẠNG CẢM BIẾN 32

2.1 Node .32

2.2 Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến và các tiêu chuẩn áp dụng 34

2.2.1 Chuẩn Bluetooth .36

2.2.2 Chuẩn WLAN .37

2.2.3 Chuẩn Zigbee 39

2.2.3.1 Topology 40

2.2.3.2 Tầng vật lý 41

2.2.3.2 Tầng MAC .44

2.2.3.3 Tầng mạng 46

2.2.3.4 Tầng ứng dụng 49

4

2.3 Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây 50

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH KHÔNG GIAN THÔNG MINH: PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG XẾP HÀNG TỰ ĐỘNG TRONG CÁC NGÂN HÀNG DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 54

3.1 Giới thiệu về hệ thống xếp hàng tự động 54

3.2 Hoạt động của hệ thống xếp hàng tự động 57

3.2.1 Quy trình của khách hàng .57

3.2.2 Chức năng hệ thống xếp hàng tự động 57

3.3 Phân tích, thiết kế hệ thống 59

3.3.1 Mô hình tổng quan hệ thống 59

3.3.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu 60

3.4 Thử nghiệm 62

3.4.1 Cài đặt phần mềm, môi trường phát triển 62

3.4.2 Kết quả thử nghiệm 63

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 69

4.1 Kết quả đạt được 69

4.2 Khó khăn và hạn chế 69

4.3 Hướng phát triển 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter

AODV Ad hoc On Demand Distance Vector

ISM Industrial, Scientific and Medical

LQI Link Quanlity Indication

LW-WPAN Low-rate Wireless Personal Area Network

MAC Media Access Control

PAN Personal Area Network

PPDU Physical Protocol Data Unit

QMS Queue Managerment System

7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: So sánh một số chuẩn truyền dẫn vô tuyến 36

Bảng 2.2: Dải tần số vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 42

Bảng 2.3: Các kênh truyền dẫn vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 43

Bảng 3.1: Bàn phục vụ 61

Bảng 3.2: Khách hàng .62

Bảng 3.3: Các dịch vụ 62

Bảng 3.4: Quan hệ dịch vụ - bàn 62

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc chung của mạng cảm biến 13

Hình 1.2: Ví dụ về nút cảm biến 15

Hình 1.3: Cấu tạo nút cảm biến 15

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 16

Hình 1.5: Cấu trúc mạng cảm biến 18

Hình 1.6: Cấu trúc mạng cảm biến loại 1 21

Hình 1.7 : Cấu trúc mạng cảm biến loại 2 .22

Hình 1.8: Phát hiện và theo dõi mục tiêu 26

Hình 1.9: Theo dõi các điều kiện môi trường 28

Hình 1.10: Theo dõi và cảnh báo cháy rừng 29

Hình 1.11: Ứng dụng mạng cảm biến trong y tế 30

Hình 1.12: Ứng dụng mạng cảm biến - nhà thông minh 31

Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến - phần cứng 33

Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến – phần mềm 34

Hình 2.3: Một số chuẩn truyền dẫn vô tuyến 35

Hình 2.4: Cấu trúc phân lớp giao thức IEEE 802.15.4/Zigbee 40

Hình 2.5: Topology mạng Zigbee .41

Hình 2.6: Dải tần số theo IEEE 802.15.4 42

Hình 2.7: Khung tin PPDU 44

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống xếp hàng tự động 56

Hình 3.2: Luồng xử lý của hệ thống: khách hàng lấy số 58

Hình 3.3: Luồng xử lý của hệ thống: nhân viên gọi số phục vụ 58

Hình 3.4: Chức năng xử lý tại trung tâm 59

Hình 3.5: Kiến trúc hệ thống 59

Hình 3.6: Mô hình thực thể/liên kết 61

Hình 3.7: Màn hình hiển thị trung tâm 63

Hình 3.8: Màn hình lấy số phục vụ 64

Hình 3.9: Chức năng lấy số 65

9

Hình 3.10: Màn hình bàn phục vụ 65

Hình 3.11: Chức năng gọi số phục vụ 66

Hình 3.12: Màn hình quản trị bàn .67

Hình 3.13: Màn hình quản trị dịch vụ 67

Hình 3.14: Màn hình chức năng báo cáo .68

10

MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay, ngành

Công nghệ thông tin và truyền thông ngày càng phát triển, tiếp tục khẳng định được

vai trò quan trọng của mình trong đời sống kinh tế xã hội Nhiều ứng dụng có hàm

lượng khoa học và tính ứng dụng cao đã được đưa vào thực tiễn, giúp cải tiến các

quy trình sản xuất, nâng cao năng suất, giải phóng sức lao động của con người

Nhu cầu về các hệ thống thu thập số liệu và điều khiển ứng dụng trong sản

xuất cũng như trong cuộc sống là rất lớn Tuy nhiên, một trong những vấn đề đặt ra

là khó khăn khi triển khai các hệ thống này trên những địa hình phức tạp hoặc trên

hạ tầng các nhà máy, khu dân cư, bệnh viện, trường học… đã được xây dựng từ

trước nếu sử dụng các công nghệ mạng dây như Ethernet, RS485, CAN …

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự ra đời của công nghệ mạng

không dây đã giải quyết được vấn đề này Mạng cảm biến không dây (WSN) sử

dụng các thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho các ứng dụng đa dạng và không dựa

trên bất kỳ cơ sở hạ tầng đã có từ trước Không giống những hệ thống có dây truyền

thống, chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu Thay vì hàng ngàn mét dây dẫn

thông qua các ống dẫn bảo vệ, việc triển khai mạng đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn

vào nơi cần thiết Mạng có thể được mở rộng chỉ bằng cách thêm các thiết bị, không

cần các thao tác phức tạp Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài năm chỉ

với một nguồn pin duy nhất

WSN ngày càng phát triển không ngừng và được ứng dụng rất nhiều vào

cuộc sống Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây mà chúng ta có thể thấy rõ

nhất như là: điều khiển và giám sát công nghiệp, nhà điều khiển tự động và điều

khiển điện tiêu dùng tự động, thu thập thông tin trong an ninh và quân đội, theo dõi

sức khỏe trong y tế

Bản luận văn “Mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông

minh” tập trung nghiên cứu một cách tổng quát về WSN và ứng dụng của nó vào

11

các mô hình không gian thông minh Toàn bộ nội dung luận văn được trình bày qua

4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến: Trình bày những khái niệm chung

nhất về WSN và cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến Đồng thời cũng nêu ra các ứng

dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực như: quân sự và an ninh quốc gia, môi trường,

thương mại, chăm sóc sức khỏe, gia đình …

Chương 2: Kỹ thuật cơ bản mạng cảm biến không dây: Chương này trình bày

các vấn đề kỹ thuật cơ bản của mạng cảm biến không dây: nút mạng cảm biến, các

chuẩn truyền dẫn không dây và hệ điều hành cho mạng cảm biến Ở đây tập trung

trình bày sâu về giao thức IEEE 802.15.4/Zigbee vì đặc điểm của công nghệ này là

tiêu hao ít năng lượng, chi phí triển khai thấp, tuy tốc độ truyền tin không cao

nhưng đây là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và

tự động hoá nên được áp dụng có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Chương 3: Trình bày một trong những ứng dụng thực tiễn của mạng cảm

biến không dây đó là phát triển hệ thống xếp hàng tự động trong các ngân hàng dựa

trên công nghệ mạng cảm biến không dây Trong chương này tác giả giới thiệu về

hệ thống xếp hàng tự động, những ưu điểm khi phát triển hệ thống dựa trên công

nghệ của mạng cảm biến không dây Đồng thời, tác giả luận văn cũng đã phân tích

về cấu trúc của mạng và thiết kế cơ sở dữ liệu cũng như viết một phần mềm mô

phỏng hoạt động của hệ thống

Chương 4: Kết quả đạt được và hướng phát triển

12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

1.1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang

được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự

thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do

thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của

máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý

thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe

cộ…

Hơn nữa, cùng với sự tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực kỹ thuật vi điện

tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần

cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước

nhỏ, đa chức năng, giá thành và công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng

dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ

có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây,

có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu

để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường mà nó cảm nhận

Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm: Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ

giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thước của các

nút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng, có thể từ nano (1 – 100nm)

đến macro (vài mm – m)

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm

quan trọng và then chốt đó là thời gian tồn tại của các nút cảm biến hay chính là sự

giới hạn về năng lượng của chúng Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất

thấp, hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung

cấp Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất

lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn

công suất

Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:

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

• Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng

ở các nút

• Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính

toán

Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu

thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến

1.2 Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến

Hình 1.1: Cấu trúc chung của mạng cảm biến

Truyền một chặng

Cảm biến

Truyền nhiều

chặng

Kết nối có dây hoặc không dây

Tập hợp và xử lý dữ liệu cuối

Trường cảm biến

Kết nối không

dây

Nút tập hợp/ Xử lý dữ liệu tức thì (Clustering

Nút tập hợp/ Xử lý dữ liệu tức thì (Clustering

14

4 thành phần cơ bản tạo nên mạng cảm biến:

• Các sensor (cảm biến) được phân bố theo mô hình tập trung hay rải rác

• Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến

• Trung tâm tập hợp dữ liệu (clustering)

• Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm

Mỗi một nút mạng thường có chức năng cảm biến: cảm ứng, quan sát môi

trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng , theo dõi hay định vị các mục

tiêu cố định hoặc di động Các nút giao tiếp không dây với nhau và truyền dữ liệu

về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật truyền một chặng hoặc

nhiều chặng

Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục

(không hẳn với tracking và localization aplication) Do vậy để tiết kiệm năng lượng,

các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái

nghỉ (sleep mode) khác nhau Thông thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn

hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều

Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng

không dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình

mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái

hoạt động (active mode)

Mỗi nút trong WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor)

hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver) Do số lượng nút trong

WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1

nút mạng là giá thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài

đến vài chục cm2)

15

Hình 1.2: Ví dụ về nút cảm biến

Cấu tạo nút cảm biến gồm 4 thành phần cơ bản như ở hình minh họa:

Hình 1.3: Cấu tạo nút cảm biến

16

- Đơn vị cảm biến (sensing unit)

- Đơn vị xử lý (processing unit)

- Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

- Bộ nguồn (power unit)

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như:

hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ

phận di động (mobilizer/actuator)

Kiến trúc giao thức mạng

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình

(1.4) Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng

quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất,

định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút

cảm biến Có các mặt phẳng là: Mặt phẳng quản lý năng lượng (Power

Managerment), mặt phẳng quản lý di động (Mobility Managerment), mặt phẳng

quản lý tác vụ (Task Managerment), và có các lớp là: Lớp vật lý (physical), lớp liên

kết dữ liệu (data link), lớp mạng (network), lớp giao vận (transport), lớp ứng dụng

(application) Cụ thể như sau:

Mặt phẳng quản lý năng lượng: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng

lượng của nó Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin

17

Khi mức năng lượng của nút cảm biến giảm xuống dưới một giá trị nhất định, nó sẽ

thông báo sang các nút cảm biến bên cạnh rằng mức năng lượng của nó thấp và nó

không thể tham gia vào quá trình định tuyến

Mặt phẳng quản lý di động : Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển

động của các nút Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng

Mặt phẳng quản lý tác vụ: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các

nút trong từng nhiệm vụ, từng vùng cảm biến cụ thể Không phải tất cả các nút cảm

biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm

Lớp vật lý : có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện

tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng

rãi trong mạng cảm biến Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét

ở lớp vật lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân

Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện

các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi

trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập

môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá

việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

Lớp mạng : Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên

tắc sau: Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng Mạng cảm

biến chủ yếu là tập trung dữ liệu Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không

cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến

Lớp truyền tải : chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông

qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng

khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến

Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad-hoc không dây không

dùng được đối với mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau: Số lượng các nút

cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng

ad-hoc Các nút cảm biến dễ bị lỗi

18

Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên Các nút cảm biến chủ

yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad-hoc đều

dựa trên việc truyền điểm-điểm Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả

năng tính toán và bộ nhớ Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu

(global identification, ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng

lớn các nút cảm biến

Do vậy, 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 trường cảm biến như hình (1.5) Mỗi một

nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink

Hình 1.5: Cấu trúc mạng cảm biến

Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến: Như trên ta đã biết đặc điểm của

mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có

giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe Do đó, cấu

19

trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống Sau đây ta sẽ phân

tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:

Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không

hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng

của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường,

duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động

Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm

biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng

con số này có thể vượt quá hàng triệu Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng

mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này

Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các

nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí

của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu

truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút

cảm biến phải giữ ở mức thấp

Ràng buộc về phần cứng : Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các

nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải

nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao,

chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát,

thích nghi với môi trường

Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc

trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà

không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bên trong các

máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh

học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến truyền nhiều chặng, các

nút được kết nối bằng những phương tiện không dây Các đường kết nối này có thể

tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết

lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn được

chọn phải phù hợp trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến

20

dựa vào thiết kế mạch RF (Radio Frequency – Tần số sóng vô tuyến) Những thiết

bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần

số 916MHz Các nút trong mạng cũng có thể giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại

Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn Cả

hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn

thấy nhau

Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng

trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến Do số lượng các nút

cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định Chúng ta có thể kiểm

tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:

Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc

xếp theo trật tự trên trường cảm biến Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ

máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một

Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc

vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ

thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích hợp, những sự cố,

và nhiệm vụ cụ thể

Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các nút

cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức

năng

Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không dây,

có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới

hạn (<0,5Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không

thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian tồn tại của các nút cảm biến phụ thuộc

chủ yếu vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến truyền nhiều chặng ad-hoc,

mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc

của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và

yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý

nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Đó là lý do vì sao mà hiện nay

người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để sử dụng nguồn

21

năng lượng một cách có hiệu quả cho mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút

cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu

cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được

chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu

(data processing)

1.2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến

Tùy theo mô hình kết nối và định tuyến mà các node sử dụng mà WSNs

được phân ra làm 2 loại:

22

- Mạng phức tạp

Loại 2 (C2WSNs):

Hình 1.7 : Cấu trúc mạng cảm biến loại 2

- Mô hình đa điểm – điểm hay điểm – điểm, sử dụng truyền dẫn một chặng

- Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh

- 1 nút không cung cấp thông tin cho các nút khác

- Kích thước mạng nhỏ (khoảng vài trăm m)

- Hệ thống tương đối đơn giản

Loại 1 được áp dụng trong các ứng dụng có nhiều nút cảm biến phân tán

rộng (như hệ thống giám sát môi trường, hệ thống an ninh quốc gia …)

Loại 2 áp dụng trong các không gian nhỏ như trong ngôi nhà, trong các tòa

nhà, nhà máy, hay trên cơ thể con người…

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Có ba dạng ứng dụng của mạng cảm biến không dây: thu thập dữ liệu môi

23

trường, giám sát an ninh, và theo dõi đối tượng Hầu hết các ứng dụng chủ yếu của

WSN đều thuộc ba dạng này:

Thu thập dữ liệu môi trường

Mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho

nhu cầu thu thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong

một khoảng thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động

của môi trường Bài toán này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng, thường

xuyên cung cấp thông số môi trường và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base

station) có kết nối với trung tâm xử lý (thường là hệ thống máy tính) phân tích, xử

lý, đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số

liệu Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là thời gian sống phải dài hay nói

cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít Mạng cho ứng dụng thu thập

dữ liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, mỗi nút mạng có một nút

cha duy nhất Trạm gốc sẽ là gốc của cây Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ được gửi đến

cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo (nút ông),

cứ như vậy, dữ liệu sẽ được chuyển về trạm gốc

Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là:

• Hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lượng nút mạng lớn

• Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, không hoạt động Để mạng tiếp

tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra

các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng

• Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết

vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút mạng tối ưu nhất

• Phần mềm nhúng phải được thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với

bài toán truyền thông với các thông số đo được như nhiệt độ, độ ẩm, ánh

sáng Phần mềm phải tương thích với phần cứng để hệ có khả năng hoạt

động ổn định theo thời gian

24

Giám sát an ninh

Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm biến là giám sát an ninh Các mạng

giám sát an ninh được tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong môi trường

liên tục theo dõi một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thường Sự khác nhau

chủ yếu giữa giám sát an ninh và giám sát môi trường là các mạng an ninh không

thu thập bất kỳ dữ liệu nào Điều này có tác động lớn đến việc tối ưu kiến trúc

mạng Mỗi nút thường xuyên kiểm tra trạng thái các cảm biến của chúng nhưng chỉ

truyền dữ liệu khi có sự vi phạm an ninh Việc truyền tức thời và tin cậy của thông

điệp cảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống

Thêm vào đó, nó cần được xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động

Nếu một nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần được thông báo Đối

với các ứng dụng giám sát an ninh, mạng cần được cấu hình sao cho các nút chịu

trách nhiệm xác nhận trạng thái các nút khác Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang

hàng sẽ thông báo nếu một nút không hoạt động Mô hình tối ưu của một mạng

giám sát an ninh sẽ hoàn toàn khác với mạng thu thập dữ liệu

Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu

Do đó, tối ưu là cây ngắn và rộng Ngược lại, với mạng an ninh cấu hình tối ưu sẽ

có mô hình mạng tuyến tính Công suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con

của nó Trong mạng tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con Điều này phân phối đều năng

lượng tiêu thụ của mạng

Sự tiêu thụ năng lượng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo

hiệu cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an

ninh cần được truyền tới trạm gốc ngay lập tức Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua

mạng tới trạm gốc có ảnh hưởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng Các nút mạng

cần có khả năng trả lời nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để

chuyển tiếp dữ liệu

Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo

quan trọng hơn việc giảm chi phí năng lượng khi truyền Điều này do các sự kiện

25

cảnh báo rất hiếm khi xảy ra Trong mạng phòng cháy các cảnh báo gần như không

bao giờ xảy ra Đối với sự kiện xảy ra 1 lần năng lượng chủ yếu được dành cho việc

truyền Giảm độ trễ truyền sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ vì các nút định tuyến

phải giám sát các kênh radio thường xuyên hơn Trong các mạng an ninh, phần lớn

năng lượng tiêu thụ dành cho việc xác nhận chức năng của các nút láng giềng và

chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo Việc truyền dữ liệu hiện thời sẽ tốn một

phần năng lượng của mạng

Theo dõi đối tượng

Với các mạng cảm biến không dây, các đối tượng có thể được theo dõi đơn

giản gắn chúng với một nút cảm biến nhỏ Nút cảm biến này sẽ được theo dõi khi

chúng đi qua một trường các nút cảm biến được triển khai tại những vị trí đã biết

Thay vì cảm nhận dữ liệu môi trường, những nút này sẽ được triển khai để cảm

nhận các thông điệp RF của các nút gắn với các đối tượng Những nút này có thể

được sử dụng như những thẻ để thông báo sự có mặt của một thiết bị Một cơ sở dữ

liệu có thể được sử dụng để ghi lại vị trí tương đối của đối tượng với các nút mạng,

do đó có thể biết vị trí hiện thời của đối tượng

Không như mạng cảm biến hay mạng an ninh, các ứng dụng theo dõi sẽ liên

tục thay đổi topology khi các nút đi qua mạng Trong khi sự kết nối giữa các nút tại

các vị trí cố định tương đối ổn định, sự kết nối tới các nút di động sẽ liên tục thay

đổi Thêm vào đó tập hợp các nút bị theo dõi sẽ liên tục thay đổi khi các nút gia

nhập hay rời khỏi hệ thống Điều chủ yếu là mạng có khả năng nhận biết một cách

hiệu quả sự có mặt của các nút mới đi vào mạng

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự phát

triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi

trường, y tế WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp và

dân dụng Một số ứng dụng cơ bản của WSN trong thực tế:

1.3.1 Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia

Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống

điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi

26

mục tiêu Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến

làm cho chúng trở thành kỹ thuật đầy hứa hẹn cho hệ thống trong quân đội Vì

mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí

thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động

của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm

mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường Một vài ứng dụng quân đội

của mạng cảm biến là quan sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến

trường do thám địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ

nguy hiểm của chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh

học, hạt nhân

Hình 1.8: Phát hiện và theo dõi mục tiêu

Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: Các lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo

dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự sẵn sàng của các thiết bị,

đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến Các trang thiết bị

và đạn dược được gắn thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái của

chúng Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút sink để gửi tới trung tâm

quan sát, điều hành

27

Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường , đường mòn và

các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có

thể theo dõi các hoạt động của quân địch Khi các hoạt động này được mở rộng và

kế hoạch hoạt động được chuẩn bị một mạng mới có thể được triển khai bất cứ thời

gian nào khi theo dõi chiến trường

Giám sát địa hình và lực lượng quân địch: mạng cảm biến có thể được triển

khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến cần

nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút trước

khi quân địch phát hiện và có thể chặn lại chúng

Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường: trước và sau khi tấn công mạng

cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy

hiểm của chiến trường

Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân:

Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan

trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạng cảm biến triển

khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học

có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương

vong nghiêm trọng

1.3.2 Ứng dụng trong môi trường

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư

của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi

trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc

lớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát

hiện sinh-hóa, nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường

vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa

lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp về sinh học của môi trường và nghiên cứu sự

ô nhiễm

28

Hình 1.9: Theo dõi các điều kiện môi trường

Phát hiện cháy rừng: Vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách

ngẫu nhiên, có chiến lược với mật độ cao trong rừng, các nút cảm biến sẽ dò tìm

nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng

không kiểm soát được Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích

hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học Cũng vậy, chúng có thể

được trang bị cách thức sử dụng công suất có hiểu quả như là pin mặt trời bởi vì các

nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàng tháng và hàng năm Các nút cảm biến sẽ

cộng tác với nhau để thực hiện cảm biến phân bố và khắc phục khó khăn, như các

cây và đá mà ngăn trở tầm nhìn thẳng của cảm biến có dây

29

Hình 1.10: Theo dõi và cảnh báo cháy rừng

Phát hiện lũ lụt: một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ

Một vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức

nước, thời tiết Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống

cơ sở dữ liệu đã được định nghĩa trước

1.3.3 Ứng dụng trong thương mại

Điều khiển không lưu

Quản lý cầu đường

Quản lý kiến trúc và xây dựng

Điều khiển các hệ thống tự động trong công nghiêp

Điều khiển nhiệt độ, áp suất và các yếu tố khác

Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao

thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe hệ

thống định vị, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thông

30

1.3.4 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân,

các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý

bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và

bệnh nhân trong bệnh viện

Hình 1.11: Ứng dụng mạng cảm biến trong y tế

Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện : mỗi bệnh nhân được gắn các

nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút

cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, các

nút cảm biến này truyền tín hiệu về một nút trung tâm (cũng gắn trên người bệnh

nhân), dữ liệu từ nút trung tâm này được truyền về trung tâm xử lý Qua đó, các

nhân viên y tế có thể theo dõi liên tục tình trạng bệnh nhân mặc dù có thể họ không

ở gần nhau Bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định

được vị trí của họ trong bệnh viện…

1.3.5 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng,

khu vực cần thiết để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng… Không những thế, chúng còn

được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông

tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

31

Hình 1.12: Ứng dụng mạng cảm biến - nhà thông minh

32

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CƠ BẢN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Node

Mạng cảm biến gồm nhiều cảm biến phân bố bao phủ một vùng địa lý Các

nút (Sensor node) có khả năng liên lạc vô tuyến với các nút lân cận và các chức

năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các nút lân

cận để truyền dữ liệu về trung tâm Chức năng cơ bản của các nút trong mạng cảm

biến phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính:

Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt: nhiệt độ, áp suất, cường độ

ánh sáng …

Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng thông số của

sự kiện đó Ví dụ như đối với mạng cảm biến dùng trong giám sát giao thông, cảm

biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di

chuyển của các phương tiện đang lưu thông …

Phân biệt được các đối tượng Ví dụ như cảm biến giao thông thì nhận biết

được loại xe đang lưu thông: xe tải, xe con, xe buýt, …

Theo dấu các đối tượng Ví dụ như trong quân sự, mạng cảm biến phải cập

nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng vào vùng bao phủ của

mạng …

Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo yêu cầu

và mục đích của thông tin cần thu thập

Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng như cơ, hóa, nhiệt, điện, từ, sinh học,

quang, chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối, … Cảm biến có thể sử dụng trong

nhiều môi trường khác nhau, trong các điều kiện khác nhau Công nghệ cảm biến và

điều khiển bao gồm trường điện và từ; cảm biến sóng radio; cảm biến quang, hồng

ngoại; radar, lasers; cảm biến vị trí, định vị …

Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng

tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng cảm biến hoạt động hiệu quả và kinh

tế

33

ADC: Analog-to-Digital Converter

Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến - phần cứng

Mỗi nút cảm biến gồm 4 thành phần cơ bản như ở hình minh hoạ:

- Đơn vị cảm biến (sensing unit)

- Đơn vị xử lý (processing unit)

- Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

- Bộ nguồn (power unit)

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như:

hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ

phận di động (mobilizer/actuator)

34

<*> Phần mềm

Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến – phần mềm

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến(sensor) và bộ chuyển

đổi tương tự-số(ADC) Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự

tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào

bộ xử lý Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết

định các 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 Một trong số các phần quan

trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn Các bộ nguồn thường được hỗ

trợ bởi các bộ phận lọc như tế bào năng lượng mặt trời Ngoài ra cũng có những

thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kĩ thuật định tuyến

và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Các

bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực

hiện các nhiệm vụ đã ấn định Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với

kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc

nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có

giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với sự biến đổi của môi trường

2.2 Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến và các tiêu chuẩn áp dụng

Hai dải tần số thường được sử dụng bởi trong mạng cảm biến là: Dải tần

35

ISM và dải tần U-NII Khi sử dụng sóng vô tuyến, luôn luôn có nhiễu từ nguồn

khác nhau (như: suy hao, can nhiễu, nhiễu fading, nhiễu đa đường…), nhiễu từ các

thiết bị điện tử khác Công nghệ IEEE PAN/LAN/MAN sử dụng sóng vô tuyến đều

bị ảnh hưởng bởi nhiễu này

Công nghệ IEEE PAN/LAN/MAN đã xác định được các giao thức truyền

Những giao thức này quyết định việc mã hóa tín hiệu truyền tại lớp vật lý và lớp

liên kết Có nhiều giao thức không dây nhưng được sử dụng rộng rãi nhất là:

(1) IEEE 802.15.1 (còn được gọi là Bluetooth);

(2) IEEE 802.11a/b/g/n mạng LAN không dây;

(3) IEEE 802.15.4 (ZigBee);

(4) IEEE 802.16 (trong phạm vi MAN- còn gọi là WiMax);

(5) nhận dạng tần số vô tuyến (RFID gắn thẻ)

Hình 2.3: Một số chuẩn truyền dẫn vô tuyến