Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network – WSN) là một ứng dụng công nghệ thông tin vào sản xuất linh kiện vi điện tử, điện tử và công nghệ thông tin. WSN được sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau, bao gồm cả quân sự, dân sự và công nghiệp. Điều đặc biệt là WSN không cần sự can thiệp của con người. Các ứng dụng chính của WSN bao gồm đo đạc các thông số môi trường và đưa ra các thông báo hữu ích, điều khiển công nghiệp, kiểm soát phản ứng hạt nhân, quan sát và giám sát khu vực quân sự, v.v.
1. Các khái niệm cơ bản
Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm các thiết bị hoạt động độc lập trong không gian để thu thập và truyền thông tin về các điều kiện đến một trung tâm giám sát. Mạng này có thể đo các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ rung, chuyển động, và truyền thông tin về trạm gốc. Trong WSN, có các trạm cơ sở và trung tâm điều khiển. Trạm cơ sở kết nối các nút mạng và trung tâm điều khiển, nhận thông tin từ các nút mạng và chuyển đến trung tâm điều khiển. Các nút mạng truyền tin nhắn từ nút này sang nút khác và quay lại trạm gốc. Thông tin có thể được gửi trực tiếp từ trạm gốc đến người dùng thông qua hệ thống máy tính, Internet, vệ tinh, v.v.
1.1. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) có rất nhiều ứng dụng, từ dân dụng, thương mại, công nghiệp đến quân sự. Nó được sử dụng để giám sát và gửi dữ liệu mà mạng có dây không thể làm hoặc đắt tiền. Ví dụ, WSN có thể được triển khai ở những khu vực rộng lớn không có người ở, nơi chúng có thể tồn tại trong nhiều năm mà không cần sự can thiệp của con người. Các ứng dụng cụ thể bao gồm giám sát và cảnh báo môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất, giám sát giao thông, an ninh, kiểm soát phản ứng hạt nhân, v.v.
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Các đặc điểm của WSN bao gồm:
- Các nút mạng cảm biến nhỏ.
- Năng lượng có thể sạc và lưu trữ bị hạn chế.
- Hoạt động trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt mà không cần sự can thiệp của con người.
- Các nút mạng dễ bị lỗi và truyền dữ liệu bị lỗi-dễ dàng.
- Các nút cảm biến có thể được di chuyển theo cấu hình.
- Mô hình mạng động và linh hoạt.
- Các nút lai, cho phép khả năng mở rộng cao.
1.3. Nền tảng
- Phần cứng: Việc tạo ra các nút cảm biến nhỏ và chi phí thấp là một thách thức. Trong khi có nhiều tiêu chuẩn cho mạng máy tính và mạng viễn thông, thì WSN chỉ có một tiêu chuẩn duy nhất là ISO 18000-7, 6LoWPAN và WirelessHART.
- Hệ điều hành: Hệ điều hành cho WSN phải đáp ứng yêu cầu đặc biệt của việc áp dụng WSN và tài nguyên hạn chế của các nút mạng. Hệ điều hành thời gian thực không được hỗ trợ trong WSN. Một hệ điều hành phổ biến cho WSN là TinyOS, với việc sử dụng ngôn ngữ lập trình C.
- Ngôn ngữ lập trình: Lập trình một nút mạng WSN khá khó hơn lập trình trên một hệ thống máy tính thông thường. Một số ngôn ngữ lập trình WSN phổ biến hiện nay là ngôn ngữ C.
- Thuật toán: Trong WSN, việc tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng khi dữ liệu được truyền giữa các nút mạng là yếu tố quan trọng. Các thuật toán phân tán được nghiên cứu và thiết kế để đáp ứng yêu cầu này.
2. Kiến trúc giao thức và định tuyến trong mạng cảm biến không dây
2.1. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức WSN bao gồm các lớp vật lý, liên kết dữ liệu, mạng, vận chuyển, ứng dụng, quản lý năng lượng, quản lý di động và quản lý tác vụ. Mỗi lớp có vai trò và chức năng riêng trong việc truyền và xử lý thông tin trong mạng cảm biến không dây.
2.2. Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Định tuyến trong WSN là một thách thức lớn do các đặc điểm của nó. Các giao thức định tuyến WSN có thể được chia thành các loại chính: ngang hàng, phân lớp và dựa trên vị trí.
3. Yêu cầu đối với mạng cảm biến không dây
3.1. Yêu cầu chung đối với mạng cảm biến không dây
- Tuổi thọ: Một trong những hạn chế của WSN là tuổi thọ, do năng lượng cung cấp có hạn. Cần thiết phải thiết kế cơ chế quản lý năng lượng để tối đa hóa vòng đời của mạng.
- Phủ sóng: Công nghệ truyền dẫn multi-hop giúp mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng. Tuy nhiên, khi khoảng cách truyền dẫn tăng lên, mức tiêu thụ năng lượng của các nút cũng tăng lên và có thể làm giảm thời gian tồn tại của mạng.
- Khả năng triển khai: WSN dễ triển khai và tự cấu hình mạng cảm biến.
- Thời gian phản hồi: Trong các ứng dụng báo động hoặc điều khiển cảnh báo, thời gian phản hồi của hệ thống là quan trọng.
- Độ chính xác về thời gian: Cần xây dựng và duy trì tham chiếu thời gian toàn cầu để sắp xếp thứ tự các mẫu và sự kiện theo thời gian.
- Bảo mật: Cần sử dụng mã hóa và xác thực để đảm bảo an toàn dữ liệu.
3.2. Yêu cầu về nút cảm biến không dây
- Năng lượng: Các nút cần tiêu thụ năng lượng thấp để đạt tuổi thọ cao.
- Tính linh hoạt: Các nút cảm biến cần thích ứng với các ngữ cảnh khác nhau và có khả năng hợp tác tự xử lý.
- Sức mạnh: Các nút cảm biến cần mạnh mẽ và có khả năng xử lý lỗi và nhiễu từ các mạng không dây khác.
- Bảo mật: Các nút cảm biến yêu cầu mã hóa và xác thực.
- Giao tiếp: Tốc độ truyền, mức tiêu thụ năng lượng và khoảng cách là các yếu tố quan trọng.
- Khả năng tính toán: Các nút cần có khả năng xử lý dữ liệu mạng và cảm biến.
4. Kết luận
Mạng cảm biến không dây (WSN) có rất nhiều ứng dụng trên nhiều lĩnh vực. Tuy có những thách thức như tuổi thọ, phủ sóng, khả năng triển khai, WSN vẫn có triển vọng ứng dụng rộng rãi. Việc thiết kế hệ thống WSN cần giải quyết các vấn đề về tối ưu hóa năng lượng, yếu tố bên ngoài và nắm bắt điểm yếu để đưa ra giải pháp tối ưu.
Tài liệu tham khảo:
- Vu Duy Loi (2002), Mạng thông tin máy tính, NXB Thế giới, Hà Nội.
- Đàm Thu Phương (2006), Tìm hiểu và viết phần mềm nhúng cho các nút mạng không dây tự tổ chức (đề tài: tiết kiệm năng lượng tiêu thụ), Khóa luận tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Vương Đạo Vỹ (2006), Mạng truyền số liệu, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội.
- Vương Đào Vỹ, Trần Thanh Hải, Phạm Đình Tuấn, Trần Anh Tuấn, Hà Quang Du, Huynh Cong Phi Khanh, Nguyen Hong Son (2005), “Mạng cảm biến không dây sử dụng vi điều khiển chipcon cc1010 để thu thập dữ liệu môi trường”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, xxi (2pt), tr 92 – 99.
Tổng quan
Sư phụ: Thầy Trần Thanh Vũ
Học viên: Lê Minh Hà
Kỹ thuật: Trần Quốc Hưng
Học viên: Nguyễn Minh Hà
Học viện Thương mại và Công nghiệp Việt Nam
Tổng kết
Mạng cảm biến không dây (WSN) đã đạt được sự phát triển vượt bậc trong việc ứng dụng công nghệ thông tin. Với tính tự động hóa nổi bật, WSN đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ứng dụng chính của WSN bao gồm đo đạc các thông số môi trường và gửi thông báo, kiểm soát công nghiệp, kiểm soát phản ứng hạt nhân, quan sát và giám sát khu vực quân sự, v.v.
Trong quá trình triển khai mạng WSN, cần tiến hành nghiên cứu đầy đủ để tạo ra nhiều ứng dụng hơn dựa trên mạng cảm biến không dây.