Tóm tắt:
Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network – wsn) ra đời từ thành quả cao của việc ứng dụng công nghệ vào sản xuất linh kiện vi điện tử, điện tử và công nghệ thông tin. wsn được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm cả quân sự, dân sự và công nghiệp và có đặc điểm nổi bật là không cần sự can thiệp của con người. Các ứng dụng chính 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,…
Dựa vào nghiên cứu wsc để tạo ra các ứng dụng có thể sử dụng được là yêu cầu cần thiết đối với các nhà công nghệ để áp dụng các kết quả khoa học vì lợi ích của nhân loại.
Từ khóa: mạng cảm biến không dây, mạng cảm biến không dây, công nghệ cao.
1. Các khái niệm cơ bản
Cho đến nay, vi điều khiển đã đạt được những bước phát triển đáng kể với các đặc tính tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ ít năng lượng và giá thành rẻ. Khi được tải bằng phần mềm nhúng, các bộ vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập trong các loại môi trường và vị trí địa lý khác nhau. Sau khi mỗi bộ vi điều khiển được tích hợp các bộ thu phát vô tuyến và cảm biến sẽ tạo thành một nút mạng, tập hợp các nút mạng này trong một phạm vi nhất định được gọi là mạng cảm biến không dây (wsn – wireless sensor network).
Mạng cảm biến không dây (wsn) do đó là một mạng gồm các thiết bị hoạt động độc lập trong không gian thu thập và truyền thông tin về các điều kiện đến một trung tâm giám sát. Môi trường như nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, chuyển động,… (Hình 1)
Trong hệ thống wsn có các trạm cơ sở và trung tâm điều khiển. Trạm cơ sở hoạt động như một cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều khiển, nhận thông tin từ các nút mạng và chuyển đến trung tâm điều khiển theo một số cách khác nhau. Các nút mạng truyền tin nhắn theo nhiều bước, từ nút này sang nút khác và quay lại trạm gốc. Từ trạm gốc, thông tin có thể được gửi trực tiếp đến người dùng (trung tâm điều khiển) thông qua hệ thống máy tính, qua Internet, qua vệ tinh, v.v.
1.1. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Ứng dụng của wsn rất phong phú, có thể dùng trong dân dụng, thương mại, công nghiệp hoặc quân sự, dùng để giám sát và gửi dữ liệu mà mạng có dây không làm được hoặc đắt tiền. . 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. (Hình 2)
Cụ thể, một số ứng dụng của wsn bao gồm giám sát và cảnh báo mức độ môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi chuyển động như giám sát giao thông, giám sát an ninh; kiểm soát phản ứng hạt nhân,…
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; nó có thể 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; không cần thay đổi 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: Thách thức chính là tạo ra các nút cảm biến nhỏ và chi phí thấp. Tiêu chuẩn: 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, 6 lowpan và wirelesshart. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu một số chuẩn khác như zigbee, wibree.
Hệ điều hành: Các hệ điều hành nhận biết nút thường ít phức tạp hơn các hệ điều hành được sử dụng trong các ứng dụng thông thường vì hai lý do: yêu cầu đặc biệt của việc áp dụng wsn và tài nguyên hạn chế của các nút mạng, mạng cảm biến hệ điều hành Thời gian thực không được hỗ trợ. tinyos là hệ điều hành đầu tiên được thiết kế dành riêng cho wsn. tinyos có kích thước nhỏ, mã nguồn mở, mô hình hướng sự kiện, trình biên dịch đơn giản và cho phép vi điều khiển xử lý song song nhiều tác vụ với nguồn tài nguyên hạn chế. tinyos sử dụng các bộ điều khiển kiểu fifo để giao tiếp linh hoạt với phần cứng và ứng dụng.
Ngôn ngữ lập trình: Việc lập trình một nút mạng có vẻ khó hơn lập trình trên một hệ thống máy tính thông thường. Tài nguyên hạn chế trên các nút mạng đã dẫn đến sự phát triển của nhiều ngôn ngữ lập trình wsn mới. Tuy nhiên, ngôn ngữ lập trình nút cảm biến phổ biến hiện nay là ngôn ngữ C. Một số ngôn ngữ của nút cảm biến là: c@t (ngôn ngữ điện toán), galsc, nesc, protothreads, snack, sqrl.
Thuật toán: WSN bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, vì vậy thuật toán của wsn là thuật toán phân tán thuần túy. Trong WSN, yếu tố tài nguyên được quan tâm nhiều nhất là năng lượng và một trong những hoạt động sử dụng nhiều năng lượng nhất là truyền dữ liệu. Do đó, trong WSN, trọng tâm chính là nghiên cứu và thiết kế các thuật toán để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng khi dữ liệu được truyền từ các nút mạng đến các trạm gốc. Dữ liệu được truyền theo cách đa chặng (từ nút này sang nút khác, sau đó được chuyển tiếp đến trạm gốc) trong các mạng truyền thống để tiết kiệm năng lượng.
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: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp vận chuyển, lớp ứng dụng, phần quản lý năng lượng, phần quản lý di động và phần quản lý tác vụ. Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận. Ở lớp liên kết dữ liệu, Giao thức kiểm soát truy cập môi trường
(mac) Phải tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và có thể giảm thiểu xung đột giữa các nút mạng khi truy cập vào môi trường. Việc thiết kế giao thức MAC rất quan trọng vì nó quyết định mức tiêu thụ năng lượng của các nút mạng. Lớp mạng chịu trách nhiệm cho các hoạt động định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp vận chuyển. Lớp vận chuyển giúp duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Tùy thuộc vào nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
Ngoài ra, phần Nguồn, Di chuyển và Quản lý tác vụ sẽ giám sát việc sử dụng năng lượng, chuyển động và hiệu suất tác vụ giữa các nút cảm biến. Những bộ phận này giúp các nút cảm biến phân phối nhiệm vụ cảm biến và giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể. (Hình 3)
Phần quản lý năng lượng kiểm soát việc sử dụng năng lượng của nút. Ví dụ: một nút có thể đóng khối nhận của nó sau khi nhận được tin nhắn từ một nút lân cận, điều này tránh nhận được các tin nhắn trùng lặp dư thừa không cần thiết. Khi mức năng lượng của một nút thấp, nó sẽ quảng bá cho các nút lân cận để thông báo rằng nó đang ở mức năng lượng thấp và không thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin. Năng lượng còn lại sẽ được sử dụng cho các nhiệm vụ cảm biến.
Trình quản lý di chuyển phát hiện và ghi lại chuyển động của các nút cảm biến để duy trì tuyến đường tới người dùng và các nút có thể theo dõi các nút cảm biến lân cận. Bằng cách xác định các nút lân cận, các nút cảm biến có thể đạt được sự cân bằng giữa sức mạnh và hiệu suất tác vụ.
Trình quản lý tác vụ được sử dụng để cân bằng và lên lịch các tác vụ của cảm biến trong các khu vực xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đều phải thực hiện các nhiệm vụ cảm biến cùng một lúc. Kết quả là, một số nút cảm biến hoạt động tốt hơn các nút khác tùy thuộc vào mức công suất của chúng. Các phần quản lý này rất cần thiết để các nút cảm biến hoạt động cùng nhau, sử dụng năng lượng hiệu quả, định tuyến dữ liệu trong mạng và phân bổ tài nguyên giữa các cảm biến.
2.2. Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Định tuyến trong wsn là một thách thức lớn, bởi vì các đặc điểm của wsn rất khác so với mạng thông thường hiện tại.
Trước hết, rất khó để thiết lập một cơ chế đánh địa chỉ toàn cầu mà tất cả các nút có thể cảm nhận được trong quá trình triển khai, bởi vì sự phân bổ của các nút mạng thường rất lớn, ngẫu nhiên và có thể mở rộng. Giao thức .protocol dựa trên địa chỉ ip, rất khó áp dụng cho wsn.
Thứ hai, các nút mạng dễ bị lỗi hoặc gián đoạn do không đủ dung lượng, lỗi phần cứng hoặc nhiễu loạn môi trường. Mặc dù mỗi nút đóng cả vai trò truyền dữ liệu và định tuyến, một số nút cảm biến hoạt động sai do mất điện có thể dẫn đến thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và định tuyến lại, đóng gói hoặc phải tổ chức lại mạng.
Thứ ba, luồng dữ liệu từ các nút mạng có rất nhiều thông báo lặp lại, do các cảm biến có thể thu thập cùng một dữ liệu và truyền về trung tâm. Do đó, các giao thức định tuyến cần loại bỏ dữ liệu dư thừa để tiết kiệm năng lượng cho nút và tăng băng thông.
Thứ tư, lý do tại sao định tuyến trong WSN là một thách thức là mỗi nút nghĩ rằng nó có năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ hạn chế.
Chính vì những khó khăn trên mà nhiều giao thức định tuyến wsn mới đã được nghiên cứu và ứng dụng. Các giao thức như vậy có thể được chia thành các loại chính: ngang hàng, phân lớp và dựa trên vị trí.
Trong một giao thức ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng giống nhau. Các hoạt động định tuyến dựa trên cơ chế hỏi và trả lời, dựa trên các gói được đặt tên, giúp loại bỏ sự dư thừa trong mạng.
Dựa trên giao thức phân cấp chia mạng thành các cụm, mỗi cụm có một nút chính chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các thành viên và xóa dữ liệu không cần thiết trước khi truyền. Nút chính sẽ thay đổi khi bắt đầu một chu kỳ làm việc mới và sẽ được thay thế bằng một nút khác có khả năng thực hiện chức năng này.
Các giao thức định vị sử dụng thông tin về vị trí của một nút để truyền dữ liệu tới chỉ các nút mà nó cần, thay vì tới tất cả các nút trong mạng.
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, yếu tố chính hạn chế tuổi thọ của mạng cảm biến là năng lượng cung cấp. Mỗi nút cần thiết kế một cơ chế quản lý năng lượng để tối đa hóa vòng đời của mạng.
Phủ sóng: Các đặc điểm của mạng không dây từ nghiên cứu trên. Công nghệ truyền dẫn multi-hop cho phép mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng, về mặt lý thuyết chúng có khả năng mở rộng vô hạn, người dùng có thể triển khai một mạng nhỏ trước, sau đó tiếp tục thêm các nút. Tuy nhiên, khi khoảng cách truyền dẫn tăng lên, các giao thức mạng multi-hop sẽ làm tăng mức tiêu thụ năng lượng của các nút, từ đó rút ngắn thời gian tồn tại của mạng. Ngoài ra, việc mở rộng mạng có thể làm tăng chi phí triển khai.
Khả năng triển khai: Ưu điểm lớn nhất của wsn là dễ triển khai. Người dùng không cần phải hiểu cơ chế mạng và truyền thông khi sử dụng wsn. Mạng cảm biến có thể tự cấu hình, với các nút được đặt trong môi trường và hoạt động.
Thời gian phản hồi: Trong các ứng dụng báo động hoặc điều khiển cảnh báo, thời gian phản hồi của hệ thống là một thông số quan trọng để đánh giá một hệ thống. Khi một nút mạng cảm nhận được một sự kiện, nó sẽ tạo ra một thông báo ngay lập tức. Yếu tố thời gian đáp ứng nhanh mâu thuẫn với các kỹ thuật tăng tuổi thọ của mạng, có thể tăng thời gian này bằng cách để các nút hoạt động ở chế độ truyền dẫn vô tuyến chỉ trong một khoảng thời gian ngắn. Thời gian phản hồi có thể được cải thiện bằng cách luôn bật một số nút. Tuy nhiên, điều này làm giảm sự dễ dàng triển khai hệ thống.
Độ chính xác về thời gian: Để đạt được độ chính xác về thời gian, mạng cần xây dựng và duy trì tham chiếu thời gian toàn cầu có thể được sử dụng để sắp xếp thứ tự các mẫu và sự kiện theo thời gian. Trong một hệ thống phân tán, năng lượng mở rộng được yêu cầu để duy trì và phân phối tín hiệu đồng hồ. Thông tin đồng bộ thời gian cần được truyền liên tục giữa các nút. Tần suất của thông báo đồng bộ hóa phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác của đồng hồ.
Bảo mật: Trong nhiều trường hợp, thông tin thu được qua wsn rất quan trọng nên phải được giữ bí mật. Việc sử dụng mã hóa và giải mã làm tăng thêm chi phí năng lượng và băng thông, tuy nhiên, một số ứng dụng vẫn yêu cầu yêu cầu này. Sau đó, các yêu cầu trên mỗi nút sẽ cao hơn so với mạng không an toàn.
3.2. Yêu cầu về nút cảm biến không dây
năng lượng: Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng trong nhiều năm, các nút mạng cần tiêu thụ năng lượng rất thấp. Tiêu thụ điện năng thấp đạt được thông qua việc sử dụng phần cứng năng lượng thấp kiểm soát chu kỳ hoạt động của các nút mạng. Các thuật toán và giao thức cần được phát triển để giảm thời gian làm việc của bộ xử lý và mạch thu phát, cho phép chúng nghỉ ngơi hoặc ngủ càng nhiều càng tốt để tiết kiệm năng lượng khi chúng không tham gia truyền dẫn.
Tính linh hoạt: Các nút phải có khả năng thích ứng cao để phù hợp với các ngữ cảnh khác nhau. Mỗi ứng dụng có các yêu cầu về vòng đời, tốc độ lấy mẫu, thời gian phản hồi và xử lý nội dung mạng khác nhau. Kiến trúc wsn cần đủ linh hoạt để cung cấp nhiều loại ứng dụng. Ngoài ra, vì lý do chi phí, mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể. Kiến trúc nên dễ dàng kết hợp và kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Do đó, các thiết bị này yêu cầu phần cứng và phần mềm có tính mô-đun cao trong khi vẫn duy trì hiệu quả.
Sức mạnh: Để hỗ trợ các yêu cầu về vòng đời, mỗi nút cần phải mạnh hơn và tốt hơn. Mô đun hóa hệ thống là một công cụ mạnh mẽ để phát triển hệ thống. Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi thành phần con có thể được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoàn chỉnh. Để đạt được mục tiêu này, các thành phần hệ thống phải càng độc lập càng tốt và giao tiếp chặt chẽ để ngăn chặn các tương tác không chủ ý. Để tăng sức mạnh hệ thống khi các nút bị lỗi, các mạng cảm biến không dây cũng cần có khả năng xử lý nhiễu bên ngoài từ các mạng không dây khác. Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là rất quan trọng để triển khai mạng thành công.
Bảo mật: Các nút riêng lẻ yêu cầu khả năng mã hóa và xác thực. Tính bảo mật của truyền dữ liệu không dây rất thấp. Cách để đảm bảo an toàn dữ liệu là mã hóa tất cả dữ liệu được truyền và CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mã hóa.
Giao tiếp: Bất kỳ tham số wsn nào là tốc độ truyền, mức tiêu thụ năng lượng và khoảng cách. Nếu các nút cách xa nhau, chúng không thể thiết lập kết nối có độ tin cậy cao. Tốc độ đường truyền cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của các nút mạng. Tốc độ truyền cao giúp tăng hiệu quả lấy mẫu và giảm mức tiêu thụ điện năng của mạng do thời gian truyền ngắn hơn.
Khả năng tính toán: Việc tính toán các nút chủ yếu tập trung vào xử lý dữ liệu mạng nội bộ và quản lý các giao thức truyền thông không dây cấp thấp. Truyền thông và cảm biến có yêu cầu hạn chế về thời gian thực. Khi dữ liệu đến trên mạng, CPU cần đồng thời điều khiển radio và ghi-giải mã dữ liệu đến. Tốc độ truyền cao hơn yêu cầu tính toán nhanh hơn. Điều tương tự cũng xảy ra với quá trình xử lý dữ liệu cảm biến. Cảm biến analog có thể phát ra hàng nghìn mẫu mỗi giây. Các hoạt động chung của cảm biến bao gồm lọc kỹ thuật số, tính trung bình, nhận dạng ngưỡng và phân tích quang phổ.
Kích thước và chi phí: Kích thước vật lý và chi phí của mỗi nút ảnh hưởng đến mức độ dễ dàng và chi phí triển khai wsn. Kích thước nhỏ cho phép các nút mạng được đặt ở nhiều vị trí khác nhau trong nhiều dịp hơn và chi phí thấp sẽ cho phép triển khai mạng với số lượng lớn các nút để thu thập một lượng lớn thông tin. Hơn.
4. Kết luận
Mạng cảm biến không dây được sử dụng bởi nhiều ứng dụng khác nhau, từ quân sự đến dân sự, chẳng hạn như thu thập dữ liệu, điều khiển, giám sát hệ thống, v.v., triển khai hệ thống mạng cảm biến không dây. Chi phí đầu tư thấp, triển khai được trong điều kiện địa hình, khí hậu phức tạp. Đặc biệt wsn có khả năng tự tổ chức mạng, khả năng hợp tác tự xử lý, khả năng chống chịu các sự cố, sự cố nên có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Khi triển khai mạng cảm biến không dây, kỹ thuật thiết kế hệ thống cần giải quyết các vấn đề tối ưu hóa năng lượng, yếu tố bên ngoài và nắm bắt điểm yếu để đưa ra giải pháp. ,… Từ đó thỏa mãn các yêu cầu quy định để thiết kế hệ thống tối ưu theo các điều kiện sau.
Tài liệu tham khảo:
1.vu duy loi (2002), Mạng thông tin máy tính, Nxb Thế giới, Hà Nội.
2. 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.
3. Vương Đạo Vỹ (2006), Mạng truyền số liệu, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội.
4.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 quanMạng cảm biến không dây
Sư phụ. Trần Thanh Vũ
Thưa Thầy. Lê Minh Hà
Kỹ thuật. Trần Quốc Hưng
Thưa Thầy. Nguyễn Minh Hà
Học viện Thương mại và Công nghiệp Việt Nam
Tóm tắt:
Sự phát triển của mạng cảm biến không dây (wsn) dựa trên ứng dụng của vi điện tử và công nghệ thông tin. Do các đặc tính tự động hóa nổi bật của nó, mạng cảm biến không dây đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bao gồm quân sự, dân dụng và công nghiệp. Ứng dụng chính của wsn là đo các thông số môi trường và gửi thông báo, kiểm soát các hoạt động công nghiệp, kiểm soát phản ứng hạt nhân, quan sát và giám sát các khu vực quân sự, v.v. Cần tiến hành nghiên cứu đầy đủ về mạng cảm biến không dây để tạo ra nhiều ứng dụng hơn dựa trên mạng cảm biến không dây.
Từ khóa: mạng cảm biến không dây, công nghệ cao.
[Tạp chí Công Thương – Thành tựu Nghiên cứu Khoa học và Ứng dụng Công nghệ, Số 14, tháng 6/2021]
Tổng quan về mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Networks)
