Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)

Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (LV thạc sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

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

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

Tp.HCM, ngày 30 tháng 5 năm 2017 Học viên thực hiện luận văn

Lê Chiến Thắng

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, với tư cách là giáo viên hướng dẫn,

PGS TS Trần Công Hùng đã tận tình hướng dẫn và có nhiều ý kiến đóng góp để

đề tài hoàn thiện Qua đây tôi xin trân trọng gửi lời cám ơn đến PGS TS Trần Công Hùng, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn cao học này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô giáo của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại trường

Bên cạnh đó, tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ tận tình từ NCS Phan Thị Thể và các đồng nghiệp tại Đài truyền hình TP.HCM Xin gửi lời tri ân đến tất cả các anh chị

Xin trân trọng cảm ơn!

Tp.HCM, ngày 30 tháng 05 năm 2017 Học viên thực hiện luận văn

Lê Chiến Thắng

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 4

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN 4

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây (WSN) 6

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 7

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 10

1.4.1 Thời gian sống bên ngoài 11

1.4.2 Sự đáp ứng 11

1.4.3 Hiệu suất và khả năng tự cấu hình 11

1.4.4 Khả năng mở rộng và tự thích nghi 12

1.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 12

1.6 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 CÁC GIAO THỨC PHÂN CỤM VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ 19

2.1 Giao thức Leach [7] 19

2.2 Logic mờ [8] 23

2.2.1 Bộ Crisp và Fuzzy 24

2.2.2 Các tính chất của tập mờ 25

2.2.3 Hoạt động tập mờ 26

2.2.4 Biến ngôn ngữ và giá trị ngôn ngữ 26

2.2.5 Luật mờ IF-THEN 27

2.2.6 Hệ thống suy luận mờ 27

2.3 Kỹ thuật phân nhóm 29

2.4 Phân Cụm Multi-Objective 30

2.5 Công trình liên quan 31

2.5.1 Giao thức Gupta Fuzzy 31

2.5.2 Giao thức CHEF Fuzzy 32

2.5.3 Giao thức Leach-FL 33

2.6 Kết luận chương 2 33

CHƯƠNG 3 CẢI TIẾN THUẬT TOÁN PHÂN CỤM, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 35

3.1 Cải tiến thuật toán phân cụm Leach cải tiến dựa trên logic mờ cơ sở kép 35

3.1.1 Giới thiệu phương pháp đề xuất 36

3.3.2 Phương pháp đề xuất 39

3.1.2 Quy tắc logic mờ cho Clustering 42

3.2 Thuật toán 48

3.3 Kết quả và phân tích thực hiện 51

3.4 Kết luận chương 3 56

KẾT LUẬN 58

Tài liệu tham khảo 59

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSMA/CD Carrier Sense Multiple

Access With Collision Detection

Đa truy cập cảm biến sóng mang với phát hiện đụng

độ DCHS Deterministic Cluster-

Head Selection

Giao thức xác định lựa chọn cụm chủ

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DS-SS Direct Sequence - Spread

Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

E-LEACH

Energy-Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

Kết cụm phân cấp thích nghi năng lượng thấp

IC Inter-Integrated Circuit Mạch liên tích hợp

IEEE Institute of Electrical and

LEACH-C Low-Energy Adaptive

Clustering HierarchyCentralized

Phân cấp nhóm tương thích

năng lượng thấp - tập trung

LEACH-F Low-Energy Adaptive

Clustering Fixed

Hierarchy-Phân nhóm phân bậc tương

thích năng lượng thấp - Cố định

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường

MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng ad-hoc di động M-LEACH Mutil-Hop Low Energy Giao thức kết cụm thích

Adaptive Clustering Hierarchy

nghi phân cấp năng lượng thấp sử dụng truyền đa chặng

FrequencyDivision Multiplexing

Phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số trực

PAN Personal Area Network Mạng vùng cá nhân

PEACH Power-Efficient And

Adaptive Clustering Hierarchy

Giao thức kết cụm thích nghi phân cấp và hiệu quả nguồn

Clustering Routing Protocol

Giao thức định tuyến kết cụmhiệu quả nguồn

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

Routing

Giao thức cảm biến kết hợp

Protocol

Giao thức quản lý cảm biến

SPIN Sensor Protocols for

Information via Negotiation

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán

SPIN-BC Sensor Protocols for

Information via Negotiation

- Broadcast media

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – môi trường quảng

Information via Negotiation – Point to Point

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – điểm điểm

SPIN-RL SPIN-BC for lossy

networks

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán – môi trường quảng

bá cho mạng suy hao

WPAN Wireless Personal Area

Network

Mạng vô tuyến cá nhân

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Chức năng thành viên được sử dụng ở các mức độ 45 Bảng 3.2: Chức năng thành viên sử dụng ở mức phổ quát 47 Bảng 3.3 Thông số mô phỏng 52

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN 5

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 7

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 8

Hình 1.5: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 13

Hình 1.6: Cảnh báo và đo thông số động đất 13

Hình 1.7: Ứng dụng trong y tế 14

Hình 1.8: Ứng dụng nhà thông minh 15

Hình 1.9: Ứng dụng trong quản lý hàng hóa 15

Hình 1.10: Ứng dụng ở cảng 16

Hình 1.11: Ứng dụng trong trồng trọt 16

Hình 1.12: Ứng dụng trong chăn nuôi 17

Hình 1.13: Ứng dụng trong giao thông 17

Hình 2.1: Mô hình mạng LEACH 20

Hình 2.2: Quá trình hình thành cụm chủ trong LEACH 21

Hình 2.3: Quá trình pha ổn định trong LEACH 22

Hình 2.4: Một tập mờ cơ bản 25

Hình 2.5: Hoạt động của tập mờ 26

Hình 2.6: Cấu trúc FIS 27

Hình 2.7: Đề xuất phân loại Schemes Clustering 30

Hình 3.1: Cách tiếp cận phân cụm trong giao thức lớp chéo 35

Hình 3.2: Nguyên tắc hoạt động của giao thức LEACH 37

Hình 3.3: Truyền đa chặng trong mạng cảm biến không dây 37

Hình 3.4: Phương pháp tối ưu giảm tải năng lượng cho các cụm chủ ở gần BS 38

Hình 3.5: Quá trình các giai đoạn ra quyết định 44

Hình 3.6: Giai đoạn chung của việc ra quyết định 45

Hình 3.7: Tổng số nút cảm biến hoạt động so với số vòng 53

Hình 3.8: Năng lượng nổi bật của thuật toán đề xuất và LEACH 54

Hình 3.9: Hiệu quả cấp độ hợp lệ với các con số khác nhau nút lân cận 55 Hình 3.10: Đánh giá năng lượng cho các nút láng giềng 56

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và công nghệ thông tin nói riêng Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network – WSN [1] ra đời là một thành tựu to lớn của khoa học WSN là sự kết hợp giữa cảm biến, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người, giúp cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công, nâng cao được hiệu quả công việc Sức mạnh của WSN

là khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, có khả năng tự thiết lập cấu hình hệ thống Sử dụng các thiết bị này để theo dõi trong thời gian thực, giám sát điều kiện tự nhiên, theo dõi tình trạng thiết bị

WSN đã được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: an ninh, quốc phòng, dân sự, y tế, giao thông, môi trường, nông nghiệp … Trong đó có một số ứng dụng cụ thể như: cảnh báo xâm nhập, giám sát chu trình và sản phẩm trong sản xuất công nghiệp; theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã; cảnh báo cháy

nổ, nhà thông minh; kiểm tra giám sát sức khỏe; kiểm soát lưu lượng giao thông; giám sát mức độ ô nhiễm môi trường, dự báo thời tiết, khí hậu; đo nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển tưới tiêu tự động theo độ ẩm không khí

Mạng cảm biến không dây có đặc điểm là năng lượng bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lượng của nguồn (thường là pin) cho mỗi cảm biến ngắn, chu kỳ nhiệm vụ mỗi cảm biến giới hạn, số lượng nút cảm biến nhiều và thay đổi liên tục (khi hết năng lượng thì nút cảm biến sẽ bị loại bỏ ra khỏi mạng, khi có vật cản xuất hiện trong môi trường truyền dẫn đến gián đoạn kênh vô tuyến) làm cho cấu trúc của chính mạng cũng thay đổi Nguyên nhân giới hạn năng lượng trong mạng cảm biến là do năng lượng sẵn có trong các cảm biến thường nhỏ, thêm nữa các cảm biến khó có thể nạp bổ sung năng lượng (các cảm biến phân tán rộng nên khó thu hồi lại, một số mạng cảm biến nằm trong những môi trường nguy hiểm hoặc độc hại), trong khi đó bản thân nó phải sử dụng năng lượng để thu thập các tin tức từ môi trường xung quanh và mỗi cảm biến cũng cần có năng lượng để xử lý, tổng hợp và chuyển thông tin liên tục về nút trung tâm của mạng, đặc biệt khi có sự biến động về môi trường xung quanh

Để tối ưu năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng WSN, cân bằng việc triển khai sensor bằng cách nghiên cứu định tuyến hiệu quả sử dụng logic

mờ kết hợp với việc cải tiến thuật toán Leach nhằm nâng cao tuổi thọ của toàn bộ mạng cảm biến Khả năng mở rộng của chiến lược thực hiện là đánh giá chuyên sâu bằng cách xem xét các môi trường khác nhau Các chủ cụm được chọn sử dụng hệ thống suy luận mờ kép Các nút cảm biến đủ điều kiện được lựa chọn tùy thuộc vào mức công suất của nó và gắn với tổng số nút trong khu vực truyền dẫn Đề xuất thuật toán được so sánh với Leach Hiệu quả của mô hình được đề xuất là thử nghiệm và đánh giá trong Matlab và kết quả thực hiện cho thấy rằng trong kỹ thuật này, các nút cảm biến sử dụng rất ít năng lượng và giữ mạng trong một thời gian lớn hơn

Mục tiêu của đề tài nhằm ứng dụng logic mờ trong giao thức LEACH cải tiến nhằm phân cụm hợp lý để tối ưu việc sử dụng năng lượng

Nội dung của luận văn bao gồm 03 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Các giao thức phân cụm và ứng dụng logic mờ

Chương 3: Cải tiến thuật toán phân cụm, mô phỏng và đánh giá

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến không dây nằm trên một khu vực địa lý Các "nút cảm biến không dây" là các thiết bị sử dụng điện năng thấp và được trang bị với một hoặc nhiều cảm biến Các nút cảm biến có thể có cảm biến để phát hiện và đo lường nhiệt, cơ khí, quang, từ, hóa học hoặc các tín hiệu sinh học Trong một WSN cơ bản, tích hợp số đơn vị phát thanh trong một nút cảm biến sẽ gửi các dữ liệu thu thập được về trạm cơ sở Các trạm cơ

sở là thường nằm xa các nút cảm biến và đóng vai trò như một cổng giữa mạng và trung tâm xử lý thông tin Một cấu trúc chung của WSN được trình bày trong hình 1.1 WSN có thể được cấu trúc hay không có cấu trúc Một mạng cảm biến không dây cơ bản đòi hỏi rất ít cơ sở hạ tầng Trong một mạng lưới như vậy, các nút có thể khám phá được trong một mạng ad hoc Các mạng không được kết nối sau khi triển khai và không giám sát và báo cáo riêng của mình Tuy nhiên, mạng cảm biến triển khai để có được dữ liệu từ môi trường có thể yêu cầu một số lượng lớn các nút cảm biến, đánh số hàng ngàn đến hàng chục ngàn tùy thuộc vào khu vực được triển khai Do số lượng lớn các nút thì việc quản lý mạng trở nên khó khăn và cấu trúc phức tạp Các mạng cảm biến không dây có cấu trúc đã có kế hoạch triển khai của các nút cảm biến, và điều này có nghĩa rằng vài nút cảm biến là cần thiết để kiểm soát khu vực này so với cả một cấu trúc mạng lớn không kiểm soát Chi phí vận hành và bảo trì giảm

Các nút mạng cảm biến không dây có những hạn chế về năng lượng có sẵn cho hoạt động, băng thông thấp, khả năng xử lý hạn chế, phạm vi nhỏ và lưu trữ dữ liệu hạn chế Thiết kế mạng dựa trên các môi trường hoạt động Như vậy cấu trúc liên kết mạng triển khai được quyết định trên cơ sở từng trường hợp cụ thể Thông thường, số lượng nhỏ của các nút là đủ để phủ sóng trong nhà trong khi vùng phủ sóng ngoài trời đòi hỏi số lượng lớn các nút lớn Đối với khu vực không thể tiếp cận thì triển khai duy nhất sử dụng được mạng ad hoc Ad hoc triển khai cũng được

sử dụng khi số lượng các nút trong khoảng từ 100 đến 1000

Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Các giao thức ngăn xếp của mạng cảm biến là tương tự như giao thức ngăn xếp của mạng ad- hoc truyền thống, với các lớp sau : Ứng dụng, Giao vận, mạng, liên kết dữ liệu, và vật lý[1]

 Lớp ứng dụng: Các lớp ứng dụng chịu trách nhiệm về giao diện người dùng

 Lớp vật lý: Các chức năng lớp vật lý là để xác định tần số sử dụng, đặc điểm tín hiệu như kiểu điều chế và mã hóa

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành thấp, hoạt động hiệu quả

về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các

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

xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)

và bộ phận di động (mobilizer) [2,3]

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) 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

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục 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 thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng,

nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Vì vậy cần phải có các bộ định vị, các bộ phận di

động đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng 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 môi trường

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây (WSN)

Giao tiếp không dây: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt

là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng

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 ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.3 Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink Dữ

liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút

sẽ được định tuyến gửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 1.4 Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane) [4,5]

Lớp ứng dụng: Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP –Sensor Query and Data Dissemination)

Lớp truyền tải: Giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài,

hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói người dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu

Lớp mạng: Quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

- Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng 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 không dây Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theo hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query-based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS –Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based)

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

dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) 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 vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang,

điều chế, lập mã và tách sóng

Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân

cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức công suất của 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 Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức 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

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây

Tuy mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu ích, nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật 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) Việc nạp lại năng lượng

là rất khó khăn Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến multihop, 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 thiết kế nguồn 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: Sự cảm nhận (sensing), sự giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (Data processing) [5,6]

1.4.1 Thời gian sống bên ngoài

Các nút mạng cảm biến không dây với nguồn năng lượng pin giới hạn Ví dụ: một loại pin kiềm cung cấp 0.5Ah năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cực gần 30 ngày hoạt động Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế Trong thực tế, pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng cảm biến không dây có thể tự động sử dụng không cần thay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin

1.4.2 Sự đáp ứng

Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển các nút trong một chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: Chế độ ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active) Trong khi quá trình đồng bộ

ở chế độ ngủ là 1 thách thức của mạng cảm biến không dây, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ một cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các sensor Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và thông báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí trong sự tồn tại của nghẽn mạng

1.4.3 Hiệu suất và khả năng tự cấu hình

Trong các cải tiến của luật Moore về công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị về các mặt: Xử lý nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây là giá cả trên một nút giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài đô la), nó có thể làm cho dung năng của một số nút sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất định Đó là lý do để thiết kế các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng

hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại Các giao thức cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính và các tài nguyên thông tin

Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, mạng cảm biến không dây là các hệ thống phân phối không cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt

ra trong thiết kế Ngay từ khi bắt đầu, các nút trong mạng cảm biến không dây có thể được cấu hình theo topo mạng của chúng; Tự đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác

1.4.4 Khả năng mở rộng và tự thích nghi

Mạng cảm biến không dây có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (có thể lên đến 10 ngàn, thậm chí là hàng triệu nút trong một giới hạn về độ dài) Có một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến khả năng mở rộng của hoạt động mạng

Trong mạng cảm biến không dây, thường có những tín hiệu không chắc chắn

về điều kiện hoạt động trước khi triển khai Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những máy móc để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng

Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà mạng cảm biến không dây hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian Các giao thức mạng cảm biến không dây sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng

1.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm ứng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống:

Các ứng dụng về môi trường:

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim, động vật, côn trùng, theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy

rừng, lũ lụt… Một số ứng dụng quan trọng như:

 Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng:

Bằng việc phân tán các nút cảm ứng trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát Mỗi nút cảm ứng có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được truyền multihop tới

nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm Ngay sau khi sự kiên liên quan đến cháy được phát hiện, trung tâm điều khiển sẽ đưa ra cảnh báo sớm Điều này sẽ giúp phát hiện sớm và ngăn chặn được thảm họa cháy rừng

Hình 1.5: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

 Cảnh báo lũ lụt: Hệ thông này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước Các cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm

 Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa trấn: Các cảm biến về độ rung … được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào

Hình 1.6: Cảnh báo và đo thông số động đất

Các ứng dụng trong y học:

Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm ứng có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h (hình 1.7) Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị

Hình 1.7: Ứng dụng trong y tế

Ứng dụng trong gia đình:

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm ứng được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ 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

Hình 1.8: Ứng dụng nhà thông minh

Trong công nghiệp

 Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh, công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa

sẽ được giải phóng Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm ứng 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 dạng bản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm của chúng Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút 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 việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn

Hình 1.9: Ứng dụng trong quản lý hàng hóa

 Những nút cảm ứng này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container ở cảng Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm ứng và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách

xa hơn 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 nhất quán Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị

lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database)

Hình 1.10: Ứng dụng ở cảng

 Quản lí dây truyền sản xuất, theo dõi sản phẩm

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 về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp

Hình 1.11: 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 1.12: Ứng dụng trong chăn nuôi

Trong quân sự:

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

Trong giao thông:

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

Hình 1.13: Ứng dụng trong giao thông

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

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

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

1.6 Kết luận chương 1

Trong chương này giới thiệu tổng quan về WSN bao gồm: cấu tạo cơ bản của một node cảm biến, cấu trúc và các yếu tố ảnh hưởng đến WSN Các ứng dụng của WSN trong các lĩnh vực môi trường, y học, gia đình, công nghiệp, nông nghiệp, quân sự

CHƯƠNG 2 CÁC GIAO THỨC PHÂN CỤM VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ 2.1 Giao thức Leach [7]

LEACH (Low Enegrgy Adaptive Clustering Hierarchy) là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp Đây là giao thức thu lượm và phân phát

dữ liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở Mục tiêu chính của LEACH là:

- Mở rộng thời gian sống của mạng

- Giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

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

Để đạt được những mục tiêu đó LEACH đã thông qua mô hình phân cấp để

tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ cụm Nút chủ gánh lấy trọng trách thực hiện nhiều tác vụ: đầu tiên thu lượm dữ liệu theo chu kỳ từ các node thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu tương quan nhau Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trực tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến các trạm cơ sở Việc truyền này có thể thực hiện theo kiểu single hop Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA, mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử dụng để truyền tin

Mô hình LEACH như hình vẽ, các node chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho các node thành viên trong cụm của nó Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa các node cảm biến trong và ngoài cụm LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo mã CDMA Quá trình hoạt động của LEACH chia thành 2 pha là pha thiết lập và pha ổn định Pha thiết lập bao gồm 2 bước là lựa chọn nút chủ và thông tin về cụm pha ổn định trạng thái bao gồm thu thập dữ liệu, tập trung dữ liệu và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở Thời gian của các bước ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu tái lập

Trong đó:

P: tỉ lệ % nút chủ

r: chu kỳ hiện tại

G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kỳ cuối Sau khi được lựa chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới của chúng cho các nút còn lại trong mạng Các nút còn lại trong mạng dựa vào bản tin

đó và cường độ tín hiệu nhận được để quyết định xem có tham gia vào nhóm đó hay không Sau đó các nút này sẽ thông báo nút chủ biết là mình mong muốn trở thành thành viên của nhóm do nút chủ đó đảm nhận

Quá trình tạo cụm, các nút chủ sẽ phân luồng theo khe thời gian (ghép kênh TDMA) cho các nút trong cụm và chọn lựa một mã CDMA thông báo tới tất cả các nút trong cụm biết Sau khi pha thiết lập hoàn thành báo hiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng thái và các nút trong cụm sẽ thu lượm dữ liệu và sử dụng các khe thời gian để truyền dữ liệu đến nút chủ Dữ liệu được thu lượm theo chu kỳ

Hình 2.2: Quá trình hình thành cụm chủ trong LEACH

Node I là chủ cụm?

Thông báo trạng thái

node chủ cụm

Chờ bản tin thông báo của node chủ cụm

Hình 2.3: Quá trình pha ổn định trong LEACH

Nhận dữ liệu từ

node chủ cụm

Ở trạng thái nghỉ tới khe thời gian của nó

Tính toán và gửi dữ

liệu về trạm gốc

Ở trạng thái nghỉ tới khe thời gian của nó

Node I là chủ cụm?

Thiết lập cụm

Sai Sai

Tuy nhiên LEACH cũng có một số khuyết điểm sau:

Việc giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sở (BS) thông qua một bước nhảy là không thực tế, và vì dự trữ năng lượng và khả năng của các nút thay đổi theo thời gian từ nút này đến nút khác Hơn nữa khoảng chu kỳ ổn định trạng thái là vấn đề then chốt để giảm năng lượng cần thiết bù đắp khi thiết lập gây ra trong việc lựa chọn cụm Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lượng thiết lập, chu kỳ dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút chủ

LEACH có đặc tính giúp tiết kiệm năng lượng, và sự tiết kiệm này phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố tập trung dữ liệu các nút chủ của cụm Năng lượng trong LEACH được yêu cầu phân bổ cho tất cả các nút trong mạng vì chúng ta giả sử rằng vai trò của nút chủ được luân chuyển vòng tròn dựa trên năng lượng còn lại trên mỗi nút LEACH là thuật toán phân tán hoàn toàn và không yêu cầu sự điều khiển bởi trạm cơ sở Việc quản lý cụm là cục bộ và không cần sự hiểu biết về mạng toàn cục Hơn nữa việc tập trung dữ liệu theo cụm cũng tiết kiệm năng lượng đáng kể vì các nút không yêu cầu gửi trực tiếp dữ liệu đến sink

2.2 Logic mờ [8]

Giao dịch logic mờ với những lý luận liên quan đến dữ liệu gần đúng hơn là

dữ liệu chính xác Hầu hết những điều trong thế giới thực là không chính xác, logic

mờ liên quan đến thế giới thực tại một cách tốt hơn so với những thông tin lý thuyết

cổ điển [9] Các đại diện thông tin mờ giúp trong việc đại diện các mô hình thực tế

có hiệu quả Hệ thống suy luận mờ (FIS) bao gồm bốn thành phần cụ thể là: fuzzifier, bộ suy luận mờ, căn cứ nguyên tắc và các defuzzifier Trong logic mờ, các dữ liệu số được thể hiện dưới dạng các biến ngôn ngữ mà các giá trị có thể là từ hoặc câu trong ngôn ngữ tự nhiên hoặc nhân tạo Những biến ngôn ngữ cung cấp một phương pháp hiệu quả cho đại diện cũng như thao tác các khái niệm mơ hồ và không chính xác [10] Các dữ liệu sắc nét có thể được chuyển đổi vào đầu vào ngôn ngữ sử dụng fuzzifier, có thể được thể hiện bằng cách sử dụng chức năng thành viên Công cụ mờ cho kết quả với sự giúp đỡ của các quy định cơ sở, trong đó kết hợp hoặc phối hợp các biến ngôn ngữ Tập kết quả thu được thường là dưới hình thức của tập mờ, vì vậy họ cần phải được chuyển đổi sang các dữ liệu chính xác để

họ có thể được thực hiện bởi các hệ thống bên ngoài [11] Quá trình này được thực hiện bằng cách defuzzifier Lựa chọn thích hợp chủ cụm có thể làm giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và tăng cường tuổi thọ của WSN

Logic mờ (FL) là một loại nhiều giá trị logic đó đã được sử dụng trong các mạng cảm biến và có góp phần cải thiện hiệu suất mạng FL với lập luận đó là không chính xác chứ không phải là cố định và chính xác Giáo sư Lotfi Zadeh giới thiệu các khái niệm về FL vào giữa năm 1960 [12, 13, 14] Lôgic mờ đã giới thiệu nhiều phương pháp để biểu diễn và suy luận từ kiến thức không chắc chắn hoặc không đầy đủ Khái niệm mờ không thể được mô hình hóa bởi một tập hợp điều hành đơn giản bao gồm , nhưng có một mức độ của thành viên Nói cách khác, trong khi logic cổ điển chỉ có hai giá trị, đúng (luôn luôn được trình bày bằng số 1) hoặc YES, và sai (luôn luôn được trình bày bằng số 0), hoặc NO, Logic mờ kéo dài hai giá trị với các giá trị giữa 0 và 1 dùng các khái niệm về mức độ Trong phần dưới đây, tác giả giải thích bộ sắc nét và mờ, thuộc tính của tập mờ, hoạt động trên tập mờ, biến ngôn ngữ, mờ IF-THEN, hệ thống suy diễn mờ, và tiếp theo là một ví

dụ từ một hệ thống suy luận mờ trong công việc

2.2.1 Bộ Crisp và Fuzzy

Cho A là một tập hợp sắc nét được xác định trong không gian X Sau đó cho bất kỳ phần tử x trong X, như vậy x là một thành viên hay không là thành viên của

A bộ Crisp còn được gọi là bộ cổ điển vũ trụ được thiết lập của tất cả các yếu tố

có thể có thể đi vào xem xét Các hàm thành viên fA của một phần tử x cho một bộ sắc nét A được quy định như sau:

vũ trụ X, nếu x thuộc tập A, hàm thành viên μA (x) tương đương với mức độ mà x thuộc tập A như thể hiện trong hình 2.4 Nếu x không phải là một thành viên của tập A hàm thành viên μA (x) là bằng không Sự khác biệt giữa các bộ chính xác và tập mờ là các yếu tố trong tập mờ có thể có một phần với một bộ Các hàm thành viên μA (x) của một phần tử x cho một mờ tập A được xác định như sau:

µA(x) : X [0,1],where µA(x) = 1 nếu x là thành viên của tập A

µA(x) = 0 nếu x không là thành viên của tập A

0 < µA(x) <1 nếu x là một phần của tập A

Hình 2.4: Một tập mờ cơ bản

Các yếu tố trong tập mờ có thể có một mức độ là khoảng 0 đến 1 Trong hình 2.4 các hàm thành viên (MFS) được minh họa bằng một hàm tam giác như Gaussian, sigmoid và các loại khác của các hàm tuyến tính cũng có thể được áp dụng để mô tả tập mờ [16] Chức năng phi tuyến tính cũng có thể được sử dụng nhưng nó sẽ làm tăng tính độ phức tạp của thuật toán

Tính giao hoán (Commutativity): =

= Tính kết hợp (Associativity): ) = (

= Tính phân phối (Distributivity): ) = (

Không thay đổi giá trị (Idempotency): =

= Tính đồng nhất (Identity) = =

= = Tính chuyển tiếp (Transitivity) ⊆ ⊆ Then ⊆

2.2.3 Hoạt động tập mờ

Có ba hoạt động chủ yếu trên các tập mờ là phần bù (complement), phần giao (intersection), và phần kết hợp (union) Hình 2.5 là một trực quan của các hoạt động khác nhau trên tập mờ Để cho hai tập mờ , được xác định trên vũ trụ X cho một phần tử x được cho là của vũ trụ, các hoạt động chức năng lý thuyết complement, intersection, và union được quy định như sau:

2.2.4 Biến ngôn ngữ và giá trị ngôn ngữ

Một biến ngôn ngữ là một biến mờ [18] Mặc dù các biến trong toán học thường là giá trị số, trong các ứng dụng logic mờ, biến ngôn ngữ không phải số thường sử dụng để tạo thuận lợi cho sự biểu hiện của các quy tắc và sự kiện Các giá trị của các biến ngôn ngữ, hoặc chỉ đơn giản là các giá trị ngôn ngữ, là những từ