Tải bản đầy đủ

Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HOÀNG TIẾN LONG

PHÂN CỤM NÚT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN, THÁNG 10 NĂM 2015

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và
ứng dụng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự giúp đỡ và hướng dẫn

tận tình của thầy giáo PGS TS Lê Bá Dũng.
Trong thời gian làm luận văn này, tôi đã nhận được sự chỉ bảo nhiệt tình của
thầy giáo, chính vì sự nhiệt tình đó của thầy đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn
này.
Các số liệu và kết quả trong luận văn của tôi bao gồm các công thức và hình
ảnh mô tả các quá trình phân chia, năng lượng còn lại và thời gian sống hay sự
tồn tại của mạng (cảm biến không dây). Đây là kết quả một quá trình làm việc
nhiệt tình nghiêm túc của thầy và trò tạo cơ sở thực tiễn.
Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015

Hoàng Tiến Long

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và làm việc để hoàn thành luận văn này, tôi đã
nhận được sự hướng dẫn, nhiệt tình quý báu của thầy giáo. Với lòng kính trọng
và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, ngành khoa học máy tnh
trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái nguyên
đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành
luận văn. Thầy giáo: PGS TS Lê Bá Dũng, người thầy kính mến đã hết lòng giúp
đỡ, dạy bảo động viên, đôn đốc và tạo điều kện thuận lợi cho tôi, trong suốt
quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành
cảm ơn các thầy cô, các anh, chị và các bạn đi trước, đã nghiên cứu về
mạng cảm biến không dây, nhờ đó mà tôi đã có được thông tn bổ sung hữu ích
cần thiết trong công việc của mình.
Lời cảm ơn sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, lãnh đạo cơ quan,
bạn bè và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm
việc để hoàn thành chương trình Thạc sĩ của tôi.

Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015

Hoàng Tiến Long


3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2
MỤC LỤC .............................................................................................................. 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 6
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................................. 8
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH
TUYẾN ......................................................................................... 14
1.1: Khái quát về mạng cảm biến không dây ....................................................... 14
1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây ......................................................... 15
1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây............................................................ 15
1.1.2.1: Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây ........................................... 15
1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây......................................................... 17
1.1.3: Mô hình mạng cảm biến không dây............................................................ 19
1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây ........................... 20
1.1.4.1: Ưu điểm của mạng cảm biến không dây. ................................................ 20
1.1.4.2: Nhược điểm của mạng cảm biến không dây............................................ 23
1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây................................................ 24
1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................... 25
1.2.1: Bài toán ....................................................................................................... 25
1.2.2: Công thức .................................................................................................... 25
Chương 2: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. .. 26
2.1: Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây..............................26
2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng ..........................................................26
2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm năng lượng ...........................................................27
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


2.1.3: kỹ thuật phương pháp phân bổ
.....................................................................27

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây ................................................................28
2.1.5: kỹ thuật báo cáo số liệu ................................................................................29
2.1.6: Kỹ thuật tập trung và hợp nhất dữ liệu .......................................................29
2.2: Giao thức trong mạng cảm biến không dây ............................................... …34
2.2.1: Giao thức mặt phẳng quản lý .......................................................................34
2.2.2: Giao thức yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây.......................36
2.3: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................. 39
2.3.1: Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Batery Cost
Routing)..................................................................................................................39
2.3.2: Giao thức định tuyến nhận thức về năng lượng EAR (Energy Aware
Routing)..................................................................................................................40
2.3.3: Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Aigorithm) .40
2.3.4: Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng và cân bằng tải
............... 41
2.3.5: Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routng Extensisons)........ ..................41
2.3.6: Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) .............41
2.3.7: Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol) ..............42
2.3.8: Giao thức định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy
aware routng)
........................................................................................................43
2.3.9: Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) ...............................................44
2.3.10: Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols).................................47
Chương 3: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
HÒA BÌNH.............................................................................................................48
3.1: Khảo sát mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình .............................................48
3.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nhà máy thủy điện Hòa Bình ...... 51
3.2.1: Nút mạng cảm biến không dây. ................................................................. 51
3.2.2: Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes).......................................... 52
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


3.2.3: Xây dựng mạng cảm biến không dây ứng dụng cho nhà máy thủy điện
Hòa Bình................................................................................................................ 52

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


3.3: Mô phỏng quá trình thu nhập của mạng cảm biến không dây cho xử lý số
liệu nhà máy thủy điện trên cơ sở phân cấp, phân cụm, các nút mạng với quá
trình giảm thiểu năng lượng tiêu hao trong mạng. ...............................................
53
3.4: Phân cụm trong mạng cảm biến không dây. ................................................. 54
3.4.1: Phân tích năng lượng tiêu thụ trên mạng ....................................................
54
3.4.2: Phân cụm phân cấp các nút mạng cảm biến với năng lượng tiêu thụ nhỏ..
56
3.5: Mô phỏng quá trình phân cụm và trọn cụm chủ. ..........................................
60
Kết luận và hướng phát triển. ................................................................................
67
Tài liệu tham khảo .................................................................................................
68

8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số ban đầu của hệ thống mạng. .......................................... 61
Bảng 3.2: Năng lượng cho từng trường hợp. ....................................................... 66

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Các thành phần của nút cảm ứng .......................................................... 16
Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây. .................................................... 18
Hình 1.3: Mô hình mạng infrastructure. ............................................................... 19
Hình 1.4: Mô hình vật lý hệ thống mạng .............................................................. 20
Hình 2.1: Mô hình định tuyến điểm điểm. ........................................................... 30
Hình 2.2: Mô hình định tuyến điểmđa điểm. ....................................................... 30
Hình 2.3: Mô hìnhđịnh tuyến đa điểm điểm .........................................................
32
Hình 2.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây. .................................. 34
Hình 2.5: Phân chia kênh vô tuyến ....................................................................... 35
Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH . ...................................................................... 45
Hình 3.1: Toàn cảnh công trình thủy điện Hòa Bình. .......................................... 48
Hình 3.2: Hồ chứa nước và cửa nhận nước. . ....................................................... 49
Hình 3.3: Giàn máy gồm 8 tổ máy. ...................................................................... 49
Hình 3.4: Trạm phân phối ngoài trời 220/110/35kv. ........................................... 50
Hình 3.5: Minh họa trạm điện 500kv. .................................................................. 51
Hình 3.6: Minh họa mô hình tổng thể của hệ thống. ...........................................
52
Hình 3.7: Minh họa mô hình giao thức định tuyến phân theo cụm. ....................
53
Hình 3.8: Minh họa nút mạng theo một hàng. .....................................................
55
Hình 3.9a: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t). .............. 56
Hình 3.9b: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t+1). .......... 56
Hình 3.10: Minh họa sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp. ....
58
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


Hình 3.11: Minh họa sơ đồ chọn nút chủ trong cụm. .......................................... 59
Hình 3.12: Minh họa mô hình các nút mạng được lắp đặt trong hầm turbin theo
hình vẽ. ................................................................................................................. 60

11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


Hình 3.13a: Minh họa mô hình các nút mạng cảm biến trong hầm turbin không
phân cụm. ............................................................................................................. 61
Hình 3.13b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng qua 300 vòng
thiết lập cụm. ........................................................................................................ 62
Hình 3.13c: Minh họa mô hình năng lượng còn lại trung bình trên mạng ........... 62
Hình 3.14a: Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin được chia thành 2 cụm. 63
Hình 3.14b: Minh họa mô hình thời gian sống của mạng. ................................... 63
Hình 3.14c: Minh họa mô hình năng lượng còn lại của các nút mạng. ............... 64
Hình 3.15a: Minh họa mô hình mạng cảm biến trong hầm chia thành 3 cụm. .... 64
Hình 3.15b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng. ...................... 65
Hình 3.15c: Minh họa mô hình năng lượng các nút mạng và giá trị trung bình
của các nút mạng. ................................................................................................. 65

12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc

Nghĩa tiếng việt

WSN

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

N

Node

Nút

IoT

Internet of Things

Tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau

SN

Sink Node

Nút chủ

IEEE

Institute of Electrical and Electronics

Chuẩn IEEE

Engineers
PAN

Personal Area Network

Mạng cá nhân

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy cập kênh
truyền

FFDs

Full Functional Dependencien

Chức năng đầy đủ

RFDs

Reduced-function Devices

Thiết bị có chức năng hạn
chế

SEA

Spokesman Election Algorithm

Thuật toán

MIC

Melage Integrity Code

Mã của gói tin

OSI

Operating System

Hệ điều hành

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy xuất ngẫu
nhiên

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

WPANs

Wireless Personal Area Network

Mạng không dây cá nhân

WLANs

Wireless Local Area Network

Mạng không dây nội bộ

MANET

Mobile Ad-hoc Network

Mạng tùy biến di động
13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


ADC

Analog Digital Converter

Chuyển đổi tương tự - số

LFS

Locaton Filding System

Hệ thống định vị

PG

Power Generator

Bộ phát nguồn

DSSS

Direct-Sequence Spresd Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
thời gian

MTPR

Minimum Total Power Rauting

Giao thức định tuyến tổng
năng lượng tối thiểu

MBRC

Minimum Battery Cost Routing

Giao thức định tuyến với
chi phí nguồn nhỏ nhất

EAR

Energy Aware

Giao thức định tuyến nhận
thức về năng lượng

E-SPAN

Energy-Aware Spanning Tree

Giao thức định tuyến E-

Ailgorithm

Span

BRE

Bursty Routng Extensisons

Giao thức định tuyến BRE

BCTP

Balanced Collection Tree Protocol

Giao thức định tuyến BCTP

ICTP

Improved Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ
liệu cải tiến

ETX

Expected Transmission

Số lần truyền kỳ vọng

CTP

Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ
liệu

LEACH

Low Energy Adaptive Clustering

Kiến trúc phân cụm thích

Heararchy

ứng năng lượng thấp

14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) Bao gồm một tập
hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây như (vô tuyến, hồng
ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin
dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý
nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát
trực tếp nó, hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát nút (Sink) và môi
trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây
có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như: Điều khiển giám
sát và an ninh, kiểm tra môi trường, tạo ra không gian sống thông minh, khảo
sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, trong lĩnh vực y tế, quân sự .... Lợi thế
chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kỳ loại hình địa lý
nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây
truyền thống. Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo
ra nhiều khả năng mới cho con người. 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 thước rất
nhỏ, tiết kiệm về không gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc,
với khả năng xử lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như 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
trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh
vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


Vậy mạng không dây có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn, trong đó định
tuyến là rất quan trọng, nó

16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


đảm bảo được nhiều têu chí: Phân cụm, phân cụm phân cấp, tính năng
lượng còn lại của các nút và thời gian sống của các nút mạng. Vì vậy mạng cả
biến không dây rất là quan trọng trong lĩnh vực thu thập thông số trong nhà
máy thủy điện Hòa Bình có tính năng ưu việt hơn các hệ thống mạng khác. Vì
thế em chọn đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng”.
Trong đó Luận văn của em chủ yếu tập trung mô phỏng hóa vào “Một số kỹ
thuật định tuyến trong mạng không dây”, áp dụng vào nhà máy thủy điện Hòa
Bình, làm những công việc sau: Cảm nhận mực nước hồ chứa nước, các cửa
sả và nhận nước, cảm biến nhiệt độ độ ẩm môi trường trong phòng lắp đặt
thiết bị xả, nhiệt độ turbin, giá đỡ turbin.... Báo động hỏa hoạn, khói, cháy, quá
tải dòng điện, quá tải hồ chứa nước...............
Mạng cảm biến không dây (Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ
gọn, têu thụ ít năng lượng và ngày càng được ứng dụng và phát triển rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực xã hội như: Quốc phòng, an ninh, nông lâm nghiệp, công
nghiệp, y tế và dân dụng.
Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặng, nên những
vấn đề như mất tín hiệu truyền thông, nhiễu đường truyền và sự di động của
nút sẻ dẫn đến mất dữ liệu trong khi truyền tín hiệu, gây ảnh hưởng đến hiệu
năng của quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây.
Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh
hưởng đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là
chất lượng truyền. Tức là, ta xác định được chất lượng truyền dữ liệu trước khi
thực hiện truyền thông trong mạng cảm biến không dây, thi sẽ được cải
thiện chất lượng. Bởi vậy, việc xác định chất lượng truyền thông là công
việc rất quan trọng trong việc truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây.
Chính vì thế, chủ đề nghiên cứu của em về lĩnh vực chất lượng truyền tn
17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


hiệu thông qua sự phân cụm nút mạng và sự tồn tại lâu dài của dàn mạng
cảm

18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


biến không dây, cũng gống như ta đi xây dựng kỹ thuật để xác định chất lượng
truyền tối ưu.
Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không
dây và ứng dụng” không chỉ có mục tiêu nghiên cứu mà còn đánh giá sự tồn tại
lâu dài của của hệ thống mạng. Kết quả của luận văn sẽ làm nền tảng cho
hướng nghiên cứu tiếp theo về chủ đề phân cụm trong mạng cảm biến không
dây. Bố cục của luận văn gồm các nội dung sau:

CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN
Trình bày khái quát, cấu trúc, mô hình và bài toán định tuyến trong mạng
cảm biến không dây.
CHƯƠNG 2
CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trình bày các kỹ thuật định tuyến và giao thức trong mạng cảm biến
không dây.
CHƯƠNG 3
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH
Trình bày chi tết mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình, khảo sát nhà máy, ứng
dụng mạng cảm biến vào nhà máy thủy điện và xây dựng hệ thống mạng
cảm biến gồm 50 nút.
19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

htp://www.lrc-tnu.edu.vn/


CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI
TOÁN ĐỊNH TUYẾN
1.1: Khái quát mạng cảm biến không dây
Trong những năm qua, với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ
thông tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu
thế hội tụ công nghệ, trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông
minh hơn.
Dựa vào những thông tin được thiết bị cảm biến mà hệ thống đưa
ra những đáp ứng phù hợp. Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến sẽ đem
lại nhiều khả năng và phạm vi ứng dụng cho các hệ thống hiện đại đó.
Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things)
đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai
mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu. Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần
phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến không dây
WSNs (Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng
cao khả năng tính kinh tế trong quá trình triển khai hệ thống. Mạng cảm biến
không dây có thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm biến
với nhau, nhằm để trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu cầu người dùng.
Mỗi nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử
lý, và các cảm biến. Mạng cảm biến không dây sẽ liên kết các nút trong đó
các nút cảm biến trao đổi với nhau thông qua giao tiếp không dây và các nút
trong mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa
chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có một phạm vi hoạt động lớn có thể
liên kết với các mạng khác để tạo ra mạng cảm biến có phạm vi rộng lớn hơn.
Các nút cảm biến có thể sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), nên có giới
hạn về thời gian hoạt động. Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo
16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


đạc, tín hiệu, thu thập, hoặc đáp ứng yêu cầu của người dùng, như theo dõi,
chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết bị điện, hay ở chế độ ngủ.

17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các
nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các nút mạng thường là các
(thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp..., và có số lượng lớn, được phân bổ
một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tch rộng, sử dụng
nguồn năng lượng hạn chế là (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến
vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm,
nhiệt độ ...).
Các nút (node) mạng thường có chức năng cảm ứng, quan sát môi trường
xung quanh như: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay định vị các mục tiêu
cố định hoặc di động ... Các nút (node) giao tiếp (ad-hoc) với nhau và truyền dữ
liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop.
Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong mạng cảm biến không dây là
thấp và không liên tục (không hẳn với tracking và localization aplication). Do
vậy để tết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt
động (actve mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông
thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất
nhiều.
1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.1.2.1: Cấu trúc 1 nút mạng cảm biến không dây
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 rẻ, 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
17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở (Hình
1.1), bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a
transceiver unit)

18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


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).

Hình 1.1: Các thành phần của một nút cảm ứng
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 cảm biến được chuyển sang tn
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.

19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×