Tài liệu Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN QUỐC THẮNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN QUỐC THẮNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƢỜNG Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TRIỂN Hà Nội – Năm 2015 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin 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. Tác giả Phan Quốc Thắng 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc luận văn này, em đã đƣợc học hỏi những kiến thức vô cùng quý báu từ các thầy, cô giáo trong trƣờng Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội trong hai năm qua. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập cao học tại trƣờng. Em đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS.Phạm Minh Triển – Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trƣờng Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và định hƣớng cho em nghiên cứu đề tài này. Thầy đã cho em những lời khuyên bổ ích và quý báu trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Do hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ bản thân, bài luận văn của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý và củng cố đề bài luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 9 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ 10 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 12 CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG ............................................................................................................................ 13 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây ............................................................... 13 1.1. Mạng cảm biến không dây là gì? ..................................................................... 13 1.2. Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây ........................... 13 1.2.1. Cấu trúc mạng cảm biến. ........................................................................... 14 1.2.2. Cấu trúc một nút mạng [6] ........................................................................ 15 1.3. Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây............................................. 16 1.4. Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống .............................................. 17 2. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] ............................................................... 17 2.1. Mạng cảm biến trong môi trƣờng .................................................................... 18 2.2. Ứng dụng trong y tế ......................................................................................... 19 2.3. Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng ..................................................... 19 2.4. Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp ...................................... 20 2.5. WSN trong nông nghiệp .................................................................................. 20 2.6. WSN trong quân sự .......................................................................................... 21 3. Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây [4] . 22 3.1. Những khó khăn thƣờng thấy .......................................................................... 22 3.2. Hạn chế trong việc xây dựng WSN ................................................................. 23 4. Kết luận ................................................................................................................... 24 CHƢƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............ 25 4 1. Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8] ..................... 25 1.1. Tính động của mạng......................................................................................... 25 1.2. Trật tự sắp xếp của mạng ................................................................................. 25 1.3. Khả năng của các nút mạng ............................................................................. 25 1.4. Vấn đề năng lƣợng ........................................................................................... 26 1.5. Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu.................................................................... 26 2. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến .............................................................. 27 3. Các định tuyến chính hay đƣợc dùng trong mạng WSN[5],[11] ............................ 28 3.1. Định tuyến trung tâm dữ liệu ........................................................................... 28 3.1.1. Giao thức Flooding và gossiping .............................................................. 28 3.1.2. Giao thức SPIN ......................................................................................... 29 3.2. Truyền tin trực tiếp .......................................................................................... 31 3.3. Định tuyến phân cấp ........................................................................................ 32 3.3.1. Giao thức LEACH ..................................................................................... 32 3.3.2. Giao thức PEGASIS .................................................................................. 34 3.4. Định tuyến dựa vào vị trí ................................................................................. 34 3.4.1. Giao thức GAF .......................................................................................... 34 3.4.2. Giao thức GEAR ....................................................................................... 36 4. Kết luận ................................................................................................................... 36 CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 . 37 1. Tổng quan về chuẩn Zigbee[1] ............................................................................... 37 2. Mô mình mạng Zigbee[10] ..................................................................................... 38 2.1. Mạng hình sao (Star Network) ......................................................................... 38 2.2. Mạng hình lƣới (Mesh Network) ..................................................................... 38 2.3. Mạng hình cây (Cluster Tree Topology) ......................................................... 39 3. Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2] ...................................................................... 39 4. Tầng vật lý (PHY)[10] ............................................................................................ 40 4.1. Điều chế tín hiệu của tầng vật lý. ..................................................................... 42 4.2. Thông số kỹ thuật ............................................................................................. 44 4.3. Định dạng khung tin PPDU. ............................................................................ 45 5 5. Tầng điều khiển dữ liệu (MAC) [5] ........................................................................ 45 5.1. Cấu trúc siêu khung. ........................................................................................ 45 5.2. Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA- CA. 48 5.3. Các mô hình truyền dữ liệu. ............................................................................. 50 5.4. Phát thông tin báo hiệu beacon ........................................................................ 54 5.5. Định dạng khung tin MAC. ............................................................................. 54 6. Tầng mạng của Zigbee [5] ...................................................................................... 54 6.1. Dịch vụ mạng ................................................................................................... 54 6.2. Dịch vụ bảo mật ............................................................................................... 55 7. Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] ...................................................... 55 8. Kết luận ................................................................................................................... 56 CHƢƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG ....................................................................................................................................... 57 1. Bài toán đặt ra ......................................................................................................... 57 1.1. Mô hình bài toán cần xây dựng........................................................................ 57 1.2. Bài toán mô phỏng đặt ra ................................................................................. 57 2. Sơ đồ khối chung của mạch .................................................................................... 58 3. Chi tiết phần cứng cho mạch .................................................................................. 58 3.1. Vi điều khiển ATmega[13] .............................................................................. 58 3.2. Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm[14],[15]......................................................... 60 3.3. Mạch thu phát sóng radio ở tần số 2.4Ghz[16] ................................................ 64 3.4. Phần mềm giám sát .......................................................................................... 66 3.4.1. Hoạt động chung ....................................................................................... 66 3.4.2. Hoạt động truyền dữ liệu của các nút mạng .............................................. 67 3.4.3. Hoạt động giao tiếp giữa nút chủ và máy tính .......................................... 69 4. Kết quả của bài toán................................................................................................ 70 4.1. Mạch thực tế..................................................................................................... 70 4.2. Màn hình giám sát ............................................................................................ 72 5. Kết luận ................................................................................................................... 74 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ĐỀ TÀI .................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 77 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 79 1. Chƣơng trình code cho vi điều khiển .................................................................. 79 1.1. Chƣơng trình cho từng nút con thực hiện đo, thu và phát tín hiệu ............... 79 1.2. Chƣơng trình cho nút chủ đo, phát và thu tín hiệu ....................................... 92 2. Chƣơng trình code phần mềm ...........................................................................114 2.1. Hàm chính đọc giá trị từ nút chủ và vẽ đồ thị ............................................114 2.2. Giao diện chính ...........................................................................................118 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Nghĩa tiếng Anh Từ viết tắt Nghĩa tiếng việt ACK Acknowledge Báo nhận đƣợc ADC Analog to Digital converter Bộ chuyển tín hiệu điện sang số BE Backoff Exponent Chỉ số Backoff BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CAP Contention Access Period Thời gian tranh chấp truy cập CCA Clear Channel Assessment Ƣớc lƣợng kênh truyền CFP Contention Free Period Thời gian tranh chấp tự do CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang phát with Collision Detection hiện đụng độ CW Congestion Window Cửa sổ tranh chấp FFD Full Function Device Thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức năng theo chuẩn Zigbee GAF Global Assessment of Giải thuật chính xác theo địa lý Functioning GEAR Geographic Energy- Định tuyến nhận biết năng lƣợng và and Aware Routing phƣơng pháp báo thong tin qua địa lý GTS Guaranteed Time Slots Quản lý khe thời gian IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronics Engineers LCD Liquid Crystal Display LEACH Low Engergy Màn hình tinh thể lỏng Adaptive Phân cấp cụm thích ứng với năng lƣợng Clustering Hierachy thấp MAC Medium access control Điều khiển truy nhập MCU Microprocessor Control Unit Vi điều khiển MSK Minimun Shift Keying Khóa dich tối thiểu đồng bộ NB Number of Backoff Số lần back off O-QPSK Offset-Quadrature Phase Shift Khóa dịch pha góc 1/4 có góc lệch pha Keying ban đầu 8 Mạng cá nhân PAN Personal Area Networks PEGASIS Power-efficient Gathering in Giao thức định tuyến và tập trung hiệu Sensor Information Systems suất trong mạng cảm biến PHY Physical layer Tầng vật lý PPDU Presentation Protocol Data Khối dữ liệu của giao thức trình diễn Unit REQ Request Yêu cầu RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFD Reduced Function Device Những thiết bị giới hạn chức năng của chuẩn Zigbee SPIN Sensor Protocol for Giao thức định tuyến thông tin dựa vào Information via Negotiation sự dàn sếp dữ liệu WLAN Wireless local area network Mạng vô tuyến cục bộ WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không đây ZC Zigbee Coordinator Thiết bị điều phối Zigbee ZDO Zigbee Device Object Đối tƣợng thiết bị Zigbee 9 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống ........................................... 17 Bảng 3- 1 Ƣu và nhƣợc điểm của Zigbee ...................................................................... 37 Bảng 3- 2 So sánh Zigbee và Bluetooh ......................................................................... 38 Bảng 3- 3 Băng tần và tốc độ dữ liệu. ........................................................................... 41 Bảng 3- 4 Kênh truyền và tần số ................................................................................... 41 Bảng 3- 5 Biến đổi bit to chip ....................................................................................... 44 Bảng 3- 6 Định dạng khung PPDU ............................................................................... 45 Bảng 3- 7 Định dạng khung MAC ................................................................................ 54 10 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây .................................................. 13 Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN .............................................................................. 14 Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN ................................................................................. 15 Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến .......................................................... 16 Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng ................................................................... 18 Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt. .......................................................................... 18 Hình 1- 7 Cảnh báo và đo thông số động đất ................................................................ 19 Hình 1- 8 Ứng dụng ngôi nhà thông minh .................................................................... 20 Hình 1- 9 Ứng dụng ở cảng ........................................................................................... 20 Hình 1- 10 Ứng dụng trong trồng trọt ........................................................................... 21 Hình 1- 11 Ứng dụng trong quân đội ............................................................................ 21 Hình 1- 12 Cấu trúc phần cứng hạt Mica ...................................................................... 22 Hình 2- 1 Mô hình truyền dữ liệu giữa Sink và các nút cảm biến ................................ 28 Hình 2- 2 Truyền gói trong Flooding ............................................................................ 28 Hình 2- 3 Hiện tƣợng bản tin kép .................................................................................. 29 Hình 2- 4 Hiện tƣợng chồng chéo ................................................................................. 29 Hình 2- 5 Hoạt động của SPIN ...................................................................................... 30 Hình 2- 6 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN ......................................................................... 30 Hình 2- 7 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp .................................................... 32 Hình 2- 8 Tạo lƣới ảo trong mạng ................................................................................. 35 Hình 2- 9 Sự chuyển trạng thái trong GAF ................................................................... 35 Hình 3- 1 Mô hình mạng Zigbee ................................................................................... 39 Hình 3- 2 Cấu trúc của giao thức Zigbee ...................................................................... 40 Hình 3- 3 Băng tần hệ thống của ZigBee ...................................................................... 41 Hình 3- 4 Sơ đồ điều chế ............................................................................................... 42 Hình 3- 5 Pha của sóng mang ........................................................................................ 43 Hình 3- 6 Cấu trúc siêu khung ...................................................................................... 46 Hình 3- 7 Khoảng cách khung ....................................................................................... 48 Hình 3- 8 Lƣu đồ thuật toán .......................................................................................... 49 Hình 3- 9 Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon .................................................... 51 Hình 3- 10 Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon. ........................................................ 52 11 Hình 3- 11 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon ............................................................... 53 Hình 3- 12 Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon ............................................ 53 Hình 4- 1 Sơ đồ tổng quát ............................................................................................ 57 Hình 4- 2 Sơ đồ khối chung của mạch ......................................................................... 58 Hình 4- 3 Vi điều khiển ATmega 8 .............................................................................. 59 Hình 4- 4 Mạch nguyên lý chung ................................................................................. 59 Hình 4- 5 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [14] ....................................................... 61 Hình 4- 6 Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm [15] ................................................ 61 Hình 4- 7 Mạch nguyên lý kết nối với Atmega8 ........................................................... 61 Hình 4- 8 Gửi tín hiệu start [15] ................................................................................... 62 Hình 4Hình 4Hình 4Hình 4Hình 4- 9 Giao tiếp bit 0 [15] ....................................................................................... 63 10 Giao tiếp bit 1 [15] .................................................................................... 63 11 Sơ đồ khối module nRF24L01 [16] ........................................................... 64 12 Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và module RF nRF24L01 [16] ............... 65 13 Mạch kết nối chân với vi điều khiển của RF nRF24L01 ........................... 65 Hình 4- 14 Sơ đồ hoạt động chung của hệ thống ......................................................... 66 Hình 4- 15 Sơ đồ thuật toán truyền nhận dữ liệu giữa các node mạng qua module thu phát RF nRF24L01 ........................................................................................................ 68 Hình 4- 16 Sơ đồ truyền dữ liệu và hiển thị trên phần mềm giám sát ......................... 70 Hình 4- 17 Ba mạch node con và một mạch node chính .............................................. 71 Hình 4- 18 Các node đo nhiệt độ độ ẩm ....................................................................... 72 Hình 4- 19 Đồ thị giám sát kết quả đo đạc trên máy tính............................................ 73 Hình 4- 20 Kết quả giám sát lƣu ra file text ................................................................. 74 12 MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu đo đạc, theo dõi từ xa và không cần dây dẫn, có thể giám sát những điều mong muốn khi không có mặt tại nơi cần giám sát là rất phổ biến, có thể thấy các ứng dụng nhƣ: giám sát bệnh nhân, giám sát phòng máy và giám sát vùng biên giới… Mạng cảm biến không dây ra đời đã giải quyết những bài toán đó. Những nút mạng cảm biến tự kết nối thành một mạng và phát các tín hiệu truyền cho nhau và truyền tới máy tính giám sát của ngƣời dùng. Mạng cảm biến không dây có thể đƣợc mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của ngƣời dùng với việc thêm vào các thiết bị và link kiện mà không cần thao tác phức tạp. Trƣớc xu thế mạng cảm biến không dây ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống cũng nhƣ an ninh quốc phòng, căn cứ vào tình hình thực tế của nƣớc ta đang cần hệ thống cảnh báo và giám sát các thông số môi trƣờng để phục vụ nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, em đã chọn hƣớng nghiên cứu là: “Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trƣờng”. Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến, một số phƣơng pháp định tuyến, chuẩn truyền thông phổ biến đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến và cuối cùng là đề xuất chế tạo mô hình mạng cảm biến không dây với số lƣợng node mạng cảm biến. Luận văn sẽ có kết cấu nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Chƣơng 3: Chuẩn truyền thông không dây Zigbee/IEEE 802.15.4 Chƣơng 4: Mô hình ứng dụng giám sát các thông số môi trƣờng 13 CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG Trong chƣơng này, trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây với đặc điểm và cấu trúc, đồng thời giới thiệu những ứng dụng mà mạng cảm biến không dây mang lại. 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.1. Mạng cảm biến không dây là gì? Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) hay còn gọi là các node cảm biến tập trung lại theo một cách không có hệ thống và tạo thành một mạng. Các node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhƣ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô nhất định theo yêu cầu trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Các node mạng thƣờng là thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế và có thể hoạt động ở điều kiện, môi trƣờng khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm,…)[6] Internet, Vệ tinh Sink Nút quản lý nhiện vụ E D C B A Người sử dụng Trường cảm biến Nút cảm biến Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây 1.2. Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến WSN sẽ bao gồm nhiều nút cảm biến đƣợc sắp theo ý của ngƣời thiết kế mạng. Trong đó, mỗi nút cảm biến đƣợc cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản: Bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng lƣợng. 14 1.2.1. Cấu trúc mạng cảm biến. Về cơ bản, một mạng cảm biến có cấu trúc nhƣ hình 1-1. Các nút cảm biến đƣợc triển khai trong một trƣờng cảm biến (sensor field). Mỗi nút cảm biến đƣợc phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới ngƣời dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu đƣợc định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của ngƣời dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). [6] 1.2.1.1. Cấu trúc phẳng Với cấu trúc này, các nút mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng hình 1-2. Các nút giao tiếp với sink qua multihop và sử dụng nút mạng ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Nếu trong phạm vi truyền cố định, các nút mạng gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lƣợng nguồn lớn. Khi đó, các node mạng có thể chia sẻ thời gian khi giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu. Nhƣng cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ nhƣ thời gian, tần số… [7],[9] Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN 1.2.1.2. Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng (hình 1-3), các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến một nút mạng định sẵn, thƣờng gọi là nút chủ (Cluster Head). Trong cấu trúc này, các nút mạng tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút mạng ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. 15 Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN Cấu trúc tầng thì chức năng cảm biến, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng nhất giữa các nút cảm biến. Những chắc năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, cấp trên cùng thực hiện phân phối. [7],[9] Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do: - Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vụ các tài - nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động tốt nhất. Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng. Khi cần phải tính toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong thời gian dài, các nút cảm biến tiêu thụ ít năng lƣợng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.Với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng, sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng. 1.2.2. Cấu trúc một nút mạng [6] Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung nhƣ hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lƣợng và thiết bị di động. 16 Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến - - - Bộ phận cảm biến: thƣờng bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số. Tín hiệu tƣơng tự đƣợc sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tƣợng đƣợc chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó đƣợc chuyển tới bộ phận xử lý. Bộ phận xử lý: thƣờng liên quan đến một bộ phận lƣu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến đƣợc định trƣớc. Bộ phận thu phát: để kết nối nút với mạng. Nó làm nhiệm vụ gửi và nhận dữ liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink. Bộ nguồn: Một trongnhững thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ phận cung cấp quản lý năng lƣợng. Bộ phận này có thể đƣợc hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng lƣợng nhƣ pin mặt trời. Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ thể. Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏi kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy, các nút cảm biến thƣờng có hệ thống định vị vị trí. Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến có thể đƣợc trang bị một bộ phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó đƣợc yêu cầu để thực hiện nhiệm vụ định trƣớc. - 1.3. Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con ngƣời. Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop. 17 - Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến. Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading và hƣ hỏng ở các nút. - Các giới hạn về mặt năng lƣợng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán. WSN đã kế thừa những ƣu điểm của mạng vô tuyến cùng với những đặc điểm riêng của mạng cảm biến nó có thể đƣợc ứng dụng vào mạng gồm một số lƣợng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lƣợng có khả năng xử lý, tính toán và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể. 1.4. Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống Dựa vào những trình bày ở trên, ta dễ dàng nhận thấy sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống. Sự khác nhau này đƣợc trình bày ở Bảng 1-1. Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống WSN Mạng truyền thống Số lƣợng node lớn Số lƣợng node ít hơn Mật độ triển khai node dầy Mật độ triển khai node không dầy bằng WSN Cấu trúc mạng có thể thay đổi Cấu trúc mạng thƣờng cố định Truyền dữ liệu theo kiểu quảng bá Truyền dữ liệu theo kiểu điểm–điểm Các node cảm biến thƣờng bị giới hạn Các node mạng truyền thống không bị về năng lƣợng, khả năng tính toán và bộ giới hạn về năng nƣợng, khả năng tính nhớ toán và bộ nhớ Các node cảm biến có thể chia sẻ nhiệm Các node mạng truyền thống khó chia vụ với các node lân cận sẻ nhiệm vụ với các node lân cận Các node cảm biến có thể có hoặc không Các node mạng truyền thống thƣờng có có số định dạng toàn cầu (Global số ID Indentification –ID) 2. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con ngƣời. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thƣớc rất nhỏ, tiết kiệm về không gian. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong 18 công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. 2.1. Mạng cảm biến trong môi trƣờng Các mạng cảm biến không dây đƣợc dùng để theo dõi sự chuyển động của chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm… Một số ứng dụng quan trọng đối với việc giám sát môi trƣờng nhƣ: Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng - Phát hiện cháy rừng: Các nút cảm biến sắp xếp theo kiểu phân tán trong rừng tạo thành một mạng tự phát. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy nhƣ nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập đƣợc - truyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng. Cảnh báo lũ lụt: Các nút cảm biến sẽ đo các chỉ tiêu lƣợng mƣa, mực nƣớc, cung cấp thông tin cho trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm. Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt.